автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик внутренних несущих конструкций жилых зданий при использовании бетона на шлаковом щебне

/ / V

ГОСУ

г /

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЕЛОЗОР МАРИНА ЮРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРЕННИХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БЕТОНА НА ШЛАКОВОМ ЩЕБНЕ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

¡кучный руководитель-доктор технических наук, профессор

г. Череповец- 1999 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................... 5

ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Анализ современного опыта .... 11

1.1. Отходы металлургической промышленности, бетоны на их основе и их физико-механические характеристики........ 11

1.2. Шлаковый щебень, как материал для бетона несущих конструкций....................................... 18

1.3. Опыт применения внутренних конструкций КПД из бетонов на отходах металлургической промышленности....... 23

1.4. Особенности прочностных, деформативных свойств бетонов на шлаковых заполнителях при использовании в круп-панельных конструкциях жилых зданий................. 38

1.5. Рабочая гипотеза и план исследований................... 42

ГЛАВА 2. Экспериментально-теоретическое обоснование структурных модификаций бетона на шлаковом щебне для акустически однородных конструкций.................... 45

2.1. Разработка структурных модификаций конструкционного бетона на шлаковом щебне.......................... 45

2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований физико-механических свойств бетона на шлаковом щебне...... 54

2.3. Рациональные структуры бетона на шлаковом щебне...... 71

Выводы по главе 2 ................................... 74

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик акустически однородных конструкций плит перекрытий........................................

3.1. Конструкции и изготовление экспериментальных образцов

плит перекрытий из бетона на шлаковом щебне.......... 76

3.1.1. Физико-механгические характеристики бетона и стали экс-

периметальных конструкций......................... 79

3.2. Исследования прочности, жесткости и трещиностойкости фрагментов плит перекрытий при кратковременном и длительном действии нагрузки........................... 84

3.2.1. Методика испытаний............................... 84

3.2.2. Результаты испытания плит при кратковременном действии нагрузки...................................... 88

3.2.3. Результаты испытаний плит при длительном действии нагрузки 98

Выводы по главе 3.................................... 103

ГЛАВА 4. Исследование звукоизоляционных свойств экспериментальных плит перекрытий и панелей внутренних стен из бетона на шлаковом щебне........................... 105

4.1.Обоснование основных параметров и конструирование экспериментальных конструкций......................... 105

4.2. Методика натурных измерений звукоизоляции........... 112

4.3. Результаты натурных испытаний звукоизоляции междуэтажными перекрытиями................................ 121

4.4. Результаты натурных испытаний звукоизоляции внутренними стенами....................................... 130

Выводы по главе 4................................... 136

ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность применения несущих акустически однородных внутренних конструкций

из бетона на шлаковом щебне..................................................139

5.1.Технико-экономическое сравнение разработанных конструкций с аналогами из тяжелого бетона................................139

5.2. Внедрение результатов исследований......................................142

Общие выводы и предложения................................................143

Список использованной литературы........................................148

Приложения....................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы[РиПФ1] . В условиях рыночных отношений весьма актуальное значение имеют вопросы, связанные с более широким применением местных строительных материалов для строительства зданий различного назначения. Одним из таких материалов являются шлаки черной металлургии, ежегодный выход которых на металлургических предприятиях России составляет около 50 млн.т [43].

Повышение эффективности мер по охране природы обусловлено широким внедрением прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих полное и комплексное использование сырья и материалов, исключающих или существенно снижающих вредное воздействие на окружающую среду. В этом плане разработка и внедрение комплекса мероприятий по экономии ресурсов, включая применение малоотходной и безотходной технологии, является важной народнохозяйственной задачей.

Основу безотходной технологии составляют разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов, исключающие любые виды отходов, различных бессточных технологических схем и водооборот-ных циклов на базе эффективных методов очистки, а также широкое использование отходов в качестве вторичного сырья.

Особое значение комплексное использование сырья имеет для такой материалоемкой отрасли промышленности, как черная металлургия, где при выплавке чугуна, стали и ферросплавов неизбежно образуется большое количество технологических отходов. Из них 80% приходится на шлаки, которые образуются из пустой породы железорудных материалов, флюсов, золы топлива, а также продуктов окисления металла и примесей. Суммарное содержание оксидов кальция, железа и кремния в шлаках достигает 75%.

Металлургические шлаки по своим физико-механическим свойствам не только не уступают, но и в ряде случаев превосходят качество заменяемых ими природных материалов. Это предопределяет широкие перспективы использования металлургических шлаков в народном хозяйстве, в т.ч. в строительстве. Если раньше ставилась задача в принципе организовать переработку шлаков и довести ее до определенного уровня, то в настоящее время, учитывая современные требования по охране окружающей среды, стоит задача отработки технологических процессов, исключающих выброс вредных веществ в атмосферу.

Важной проблемой создания безотходной технологии являются ее организационные принципы, где определенную роль имеет выбор направлений, структура подразделений.

На ряде металлургических заводов страны организовано производство шлакового щебня, как искусственного заполнителя для бетонов [43], что в условиях рынка имеет огромное технико-экономическое значение. Заполнители, удовлетворяющие требованиям ГОСТов и СНиПов, особенно высококачественные для прогрессивных конструкций из высокопрочного бетона, размещены на территории нашей страны неравномерно и во многие районы их приходится ввозить издалека, что существенно повышает их стоимость. Вместе с тем существует мощная сырьевая база получения искусственных заполнителей для бетонов. Это металлургические, в частности доменные, шлаки.

Результаты проведенных исследований шлакового щебня показали, что по своим свойствам он не уступает щебню из прочных горных пород, а его себестоимость в несколько раз меньше себестоимости щебня, добываемого в карьерах.

В связи с этим решение задачи использования шлакового щебня в бетонах для несущих конструкций зданий является весьма актуальным и

требует выполнения целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и практическая реализация экономически эффективных акустически однородных внутренних несущих конструкций из бетона на шлаковом щебне, удовлетворяющих всему комплексу нормируемых эксплуатационных характеристик, на основе

- изучения физико-механических свойств бетонов различных структур на шлаковом щебне и определения области рациональных структур бетона, как материала для несущих акустически однородных внутренних конструкций;

- конструирования, изготовления и стендовых испытаний фрагментов конструкций плит перекрытий из бетона класса В20 рациональной структуры на шлаковом щебне с целью выявления особенностей их работы при кратковременном и длительном действие нагрузки;

- теоретической оценки и натурных измерений изоляции воздушного и ударного шума экспериментальными внутренними несущими конструкциями.

Непосредственным предметом настоящих исследований явились конструкции междуэтажных перекрытий и внутренних стен из бетона на шлаковом щебне, разработанные в соответствие с рабочими чертежами типового проекта жилых домов серии 125.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

- конструкция плит сплошного сечения толщиной 160 мм из конструкционного бетона на шлаковом щебне рациональной структуры класса В20, удовлетворяющих в составе акустически однородного междуэтажного ц перекрытия жилых домов с выравнивающим слоем поризованной стяжки и

покрытием пола из паркетных щитов нормативным требованиям по прочности, жесткости, трещиностойкости и звукоизолирующей способности;

- конструкция межквартирных стен сплошного сечения толщиной 160 мм из бетона рациональной структуры класса В15 на шлаковом щебне, удовлетворяющая нормативным требованиям по прочности и звукоизолирующей способности и позволяющая снизить затраты материальных ресурсов;

- рациональные структуры бетона классов В15 ... В20 на шлаковом щебне, обеспечивающие при плотности уь = 1900.. .2200 кг/м3 и модуле упругости Еъ= 21... 25,5 Гпа эквивалентную звукоизолирующую способность с аналогами из тяжелого бетона;

- расчетные характеристики (прочность на сжатие и растяжение при раскалывании, модуль упругости, эквивалентная плотность qeq, коэффициенты СО, щ}> V) конструкционного бетона на шлаковом щебне рациональной структуры классов В15.. .В20;

- результаты стендовых и натурных испытаний экспериментальных конструкций плит перекрытий и панелей внутренних стен, подтверждающие расчетную оценку их эксплуатационных характеристик и соответствие конструкций нормативным требованиям по прочности, жесткости, трещиностойкости и звукоизолирующей способности;

- предложения по учету особенностей свойств конструкционного бетона на шлаковом щебне класса В20 при конструировании акустически однородных плит междуэтажных перекрытий и их расчете по предельным состояниям I и II групп.

Научная новизна работы заключается в

- теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности и экономической целесообразности применения несущих однослойных плит сплошного сечения из бетона на шлаковом щебне в конст-

рукциях акустически однородных междуэтажных перекрытий и панелях внутренних стен жилых зданий;

- теоретическом обосновании рациональных структур конструкционных бетонов на шлаковом щебне классов В15...В20 для акустически однородных конструкций;

- установлении характера деформирования, трещинообразования и разрушения плит из бетона на шлаковом щебне рациональной структуры при кратковременном и длительном действии нагрузки;

- уточнении коэффициентов со, щ, и V .используемых методикой СНиП 2.03.01-84 при расчете прочности нормальных сечений и деформаций изгибаемых элементов на участках с трещинами в бетоне растянутой зоны;

- получении впервые результатов по звукоизолирующей способности акустически однородных междуэтажных плит перекрытий и панелей внутренних стен сплошного сечения из бетона на шлаковом щебне;

- разработке математических моделей модуля упругости и эквивалентной плотности бетона на шлаковом щебне, позволяющих прогнозировать звукоизоляцию внутренних несущих конструкций.

Практическая значимость работы состоит в том, что применение разработанных внутренних несущих конструкций из бетона на щлаковом щебне, позволило расширить материально-техническую базу производства несущих акустически однородных конструкций внутренних стен и плит перекрытий за счет шлакового щебня, являющегося отходом металлургической промышленности; снизить массу конструкций на 10-12% и их стоимость в условиях АО проектно-строительно-монтажного объединения "Череповецгражданстрой" по сравнению с аналогами из тяжелого бетона.

Внедрение результатов работы предполагается осуществить по следующим направлениям:

- разработанные несущие внутренние конструкции плит перекрытий и внутренних стен сплошного сечения из бетона на шлаковом щебне внедрены в массовое строительство крупнопанельных жилых домов серии 125 в г. Череповце. Производство данных конструкций осуществляется на заводе крупнопанельного домостроения акционерного общества проектно-строительно-монтажного объединения "Череповецгражданстрой". При годовом объеме строительства 180 тысяч квадратных метров общей площади экономический эффект в договорных ценах 1998 года составляет 3011,4 тысяч рублей;

- в методических и рекомендательных материалах по вопросам расчета внутренних несущих конструкций путем уточнения нормируемых требований с учетом особенностей применяемого материала;

- в проектах ЦНИИЭП жилища и других проектных институтов;

- в учебном процессе в курсах "Технология производства бетонных и железобетонных конструкций" и "Проектирование предприятий стройиндустрии", а также в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на заседаниях секции конструкций НТС ЦНИИЭП жилища в 1987... 1989 годах, на научно-практической конференции "Ресурсосбережение и экология" (г.Ижевск, 1990 год).

По теме диссертационной работы опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, перечня использованной литературы из 112 наименований. Работа содержит 156 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка и 27 таблиц.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОПЫТА.

1.1. Отходы металлургической промышленности, бетоны на их основе и их физико-механические характеристики.

Переработке шлаков в зарубежных странах уделяется значительное внимание. Об этом свидетельствуют международные конференции проводимые в разных странах (Бельгии, Чехословакии, Польше, Англии, Германии, США), где обсуждались вопросы свойств шлаков (фазовые диаграммы, стабильность, структура, физико-механические характеристики), переработки (технология, контроль производства, измельчение, сушка, экономика), использования (в производстве цемента, стекла, в строительстве) [86].

В сентябре 1976 г. в г. Тришнце, Чехословакия была проведена международная конференция, посвященная вопросам перевода металлургических предприятий на безотвальную работу. Все это определило высокий уровень переработки шлаков, особенно доменных (табл. 1.1.). Во Франции, США, Англии, Японии шлаковый щебень получают путем естественного охлаждения жидкого шлака в траншее или с увлажнением в конце остывания, что облегчает дробление шлака и извлечение металла [99]. Исследованиями Building Research Station, Англия были определены критерии стабильности шлаков, введены физические и химические пределы, ограничивающие его использование (табл. 1.2.). Шлаковые смеси отличаются более высокой прочностью, чем смеси на кремнисто-известняковом гравии, малой чувствительностью к влаге, большой морозостойкостью, повышенными теплоизоляционными свойствами, высоким коэффициентом внутреннего трения, длительными сроками службы.

Таблица 1.1.

Выход и переработка доменных шлаков за рубежом

Страна Выход шлака кг/т чугуна Переработка Источники

Шлак, щебень Граншлак Шлак, пемза Другие виды Всего

млн.т % млн.т % млн.т % млн.т % млн.т %

США 382 30,83 26,2 84,7 2,1 6,2 1,6 5,9 0,9 ЗД 30,8 99,9 [111]

Япония 300 24,2 22,1 91,3 1,6 6,6 не производится 0,5 2,1 24,2 100 [97]

ФРГ 380 14,3 10,5 73,4 3,5 24,7 0,27 1,9 - _ 14,3* 100 [102,112]

Франция 736 14,1 5,2 36,9 6,8 48,7 0,08 0,5 0,08 0,5 12,2 86,6 [104]

Англия 653 9 6,9 76,6 0,02 0,2 0,18 2,2 - - 7Д 79 [105]

ПНР 609-1064 6 2,4 , 40 2,9 48,3 0,4 6,7 0,2 3,4 5,9** 38,4 [103]

Австрия 411 1,33 0,15 11,3 0,78 58,6 0,4 30,1 - ■ - 1,33 100 [87]

* - Переработано еще около 2 млн.т отвальных шлаков

** - Переработано еще 2,72 млн.т отвальных шлаков

Таблица 1.2.

Свойства щебня из доменных шлаков для дорожного строительства

Англия [99] Чехословакия [104]

3 Удельная плотность, г/см 2,38-2,76 2,14-2,44

3 Насыпная плотность, кг/м 1150-1440 -

Водопоглощение, вес, % 1,5-5,0 2,7-5,9

3 Прочность на сжатие, кг/см 25-39 -

Содержание серы, % 2 0,36-0,61

Истираемость, % - 33,4-49,8

Доменные шлаки отвечают всем требованиям заполнителей для бетонов. Их механическая прочность, особенно в последующие периоды от 28 дней до 3 лет, выше, чем у образцов на речном гравии и известняке.

Все это определило основные направления использования дробленных шлаков (табл. 1.З.).

Во многих зарубежных странах перерабатываются все доменные и значительная часть сталеплавильных шлаков.

Преимущественное производство щебня в зарубежных странах позволило избежать образования ковшовых остатков, тем самым обеспечило максимальную переработку доменных шлаков. Шлаковая пемза производится во всех странах в незначительных объемах.

Развитие шлакопереработки идет по пути создания припечных способов переработки, разработки технологии сухой грануляции всех видов шлаков, создания способов получения мелкопористой окатанной шлаковой пемзы, получения щебня механизированным способом в герметизированных агрега