автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение водонепроницаемости и прочности стыкуемых зон гидротехнических сооружений

На правах рукописи

МАГОМЕДОВА ЭЛЬМИРА НАСИБОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ И ПРОЧНОСТИ СТЫКУЕМЫХ ЗОН ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискании ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

Махачкала - 2014

005556123

005556123

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образован™ «Дагестанский государственный технический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,член-корреспондент РААСН -БатдаловМухтаритдинМагомедович

Официальные оппоненты: Степанова Валентина Федоровна - доктор технических наук, профессор, академик РИА, ОАО «НИЦ «Строительство» НИ-ИЖБ,лаборатория коррозии и долговечности бетонных и железобетонных конструкций, заведующая

Хадисов ВахаХасимагомедович- кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет им. академика М.Д. Миллионщнкова», кафедра технологии строительного производства, доцент

Ведущая организация: ФГБУН «Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова Российской академии наук»

Защита состоится «27»декабря 2014 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.052.03 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. И.Шамиля, 70, диссертационный зал административного корпуса, кабинет 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» www.dstu.ru. Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ http://wwvv. vak. ed.gov.ru

Автореферат разослан «26» ноября 2014 года.

Ученый секретарь диссертациошого совета кандидат технических наук

Х.Р. Зайнулабидова

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.Б стон используется в строительстве более ста лет в мировом масштабе, продолжается повышенный интерес к нему, как к наиболее долговечному и соответствующему технологическим требованиям строительному материалу .Ведутся активные исследования его свойств и разрабатываются новые технологические приемы, отвечающие различным эксплуатационным требованиям. Как правило, для повышения прочности и долговечности бетонных и железобетонных конструкций либо исследуют различные способы подбора состава б его нал ибо совершенствуют технологию изготовления и формованияих.

При сочетании технологических приемов с учетом эксплуатационных факторов можно получить бетон, обеспечивающий надежную службу сооружений на длительный и расчетный срок слуибы. Недооценка влияния агрессивных сред, воздействующих на конструкции, а в результате на бетон, в период эксплуатации, приводит к снижению их долговечности. Это все должно быть учтено уже при подборесостава бетона и учтено в технологии изготовления, как отдел ьных конструкций, так и сооружений вцелом.

Анализ научно-технической литературы, касающейся долговечности бетона в сооружении, позюляетдедать вывод, что разрушение бетона при эксплуатации происходит под воздействием многих химических и физико-механических факгоровРазрушение бетона можнопрошозировать, однако остановить начавшийся процесс разрушения сложно.Восстановление свойств разрушившегося бетона обходится весьма дорого, и, в большинстве случаев является малоэффективным мероприятием, посиэлыу процесс разрушения во многих случаях обусловлен глубокими структурными изменениями цементного камня.

Большой вклад в решение вопроса повышения прочности бетона в различных условиях эксплуатации внеслиЭлбакидзе М.Г., Никитин A.C., Малышев ЛЯ., Королев В.М., Скоков В.Г., Крылов БА., Затворницкая ТА., Затворницкая А.О., Мотяшов П.В., Гурскис В.В., Гранковский ИГ., Горчаков ГЛ., Сфамтаев Б.Г., Капкин М.М., Глацюв ДИ., Гинзбург ЦГ., Карышева ВА., Кулакова НЛ., Вол женский A.B., Бель А А., Селиванова ВН. Жарычева Г А., Шаповаловы.А., СлюсарьА А., Косу хин М.М., Мух ач ев О.В. и др.

Посюлыу характеристики водонепроницаемости и прочности бетона прямо пропорциональны, можно предполагать, что с повышением водонепроницаемости увеличивается и прочность бетона. Можно полагать,что если удастся получить бетон, вновь укладываемый по неровным поверхностям, с водонепроницаемостыо более высокой, чем у обьнного бетона, прочность бетона также должна будет превышать прочность бетона с обычными слоями. В случае обеспечения достаточной водонепроницаемости,' защищающей бетонную конструкцию от проникновения воды в контаетные слои, это позюлит предотвратить замерзание воды в порах и капиллярах бетона и соответственно избежать следующей за этим деформации цементного камня. Водонепроницаемость является важнейшей характеристикой бетона не только

гидросооружений, но и обычных зданий и сооружений, влияющей и на моро зо стой гость в цепом несущих конструкций.

Степень разработанности темы исследования. Проведенный анализ источник)в отечественной и зарубежной литературы позволил сделать вывод, что существующие способы повышения водонепроницаемости и прочностибетонных конструкций основаны на использовании традиционных приемов улучшения свойств бетонных смесей путем введения различных добавок. Практически не изучены способы испытания бетонных и железобетонных конструкций на водонепроницаемость в реальных условиях. Существующие методы испытаний на водонепроницаемость требуют значительных материальных, трудовых и энергетических затрат. Исследование альтернативных способов повышения водонепроницаемости и прочности бетонных конструкций, разработка способа их испытания в полевых условиях являются актуальной задачей в области технологии получения долговечных бетонных и железобетонных конструкций.

Цепь и задачи диссертационного исследованияЦелыо данной работы является создание бетонных конструкций с оптимальной конфигурацией стыкуемых поверхностей для обеспечения высокой степени прочности и водонепроницаемости стыков, разработка универсальной опалубки с нелинейной поверхностью стыкуемых зон, разработка универсальной переносной установки для испытания в полевых условиях стыков на водонепроницаемость, разработка состава и конструкции плиток с синусоидальным сечением для изготовления опалубки.

В соответствии с цетио исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- на основе изучения литературных и патентных источников выявлены пфаметры, влияющие на прочность и водонепроницаемость стыков конструкций из бетона и железобетона, определены пути их повышения;

- проведены теоретические исследования по развитию существующих концептуальных представлений о механизме влияния фильтрующейся воды на прочность стьпу емых зон бетона;

- исследован мое анизм движения жид ю ста в пороюм пространстве бетона;

- изучены физико-химические свойства вялящей системы, каш вой является цементный камень;

- проведены теоретические исследования свойств гидротехнических бетонов,обеспечивающих высолю степень водонепроницаемо ста;

- разработан способ создания различной конфигурации стыкуемьк поверхностей конструкций;

- разработан состав и конструкция плитокс синусоидальным сечением для изготовления опалубки;

- создана переносная установка для испытания стыков конструкций на водонепроницаемо егь;

- апробированы предлагаемые формы стыков при изготовлении, строительстве и эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций для. зданий, сооружений и объектов гражданского и специального назначения.

Научная новизнадиссертационного исследования.

1. Разработаны теоретические основы для расчета движения жидкости через стыки с различной геометрической формой.

2. Изучен и описан процесс протекания реакций в сложном растворе «цемент-заполнитель-вода».

3. Установлена связь между водонепроницаемостью бетонных конструкций, соединяемых между собой, и конфигурацией их стыков.

4. Разработан метод исследования бетонных образцов на водонепроницаемость путем измерения изменения значений электрического сопротивления материала при движении воды вдоль и поперек стыков.

5. Разработаны состав и конструкция плиток с синусоидальным сечением для изготовления опалубки.

6. Создана универсальная установка для проведения испытаний на водонепроницаемость стыков и конструкций в полевых условиях.

7. Разработана и изготовлена съемная опалубка для создания стыков с синусоидальной поверхностью.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана оптимальная геометрическая форма стыка, позволяющая значительно повысить его водонепроницаемость, и, тем самым, увеличить намного долговечность и несущую способность стыков и в целом конструкций. Разработанная переносная установка позволяет проводить испытания стыков на водонепроницаемость.

Экспериментальные данные, выявившие прямую зависимость степени' водопроницаемости от конфигурации стыка в бетонных изделиях, подтверждены также и теоретическими исследованиями. Проведены теоретические исследования по определению величины расхода жидкости, проходящей через стыки с гладкими и шероховатыми поверхностями контакта.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе разработан способ испытания бетонных образцов на водонепроницаемость путем измерения изменения электрического сопротивления бетона при дшжении воды в различных направлениях стыков. Решена проблема проведения испытания бетонных образцов на водонепроницаемость в натурных условиях,например, при возведении массивных гидротехнических сооружений, путем использования разработанной установки. Дано описание съемной опалубки, позволяющей создавать стыки синусоидальной поверхности путем приклеивания к опалубке специальных плиток.

Положения,выносимые на защи1у.На защиту выносятся:

- Способ повышения водонепроницаемости и прочности стыкуемых зон гидротехнических сооружений путем создания стыков синусоидальной поверхности.

- Способ создания криволинейных стыков с использованием съемной опалубки из плиток разработанного состава и сечения.

- Метод испытания стыков гидротехнических сооружений на водонепроницаемость в натурных условиях с применением переносной установки.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

использованием апробированных методов экспериментального исследования, математического метода планирования эксперимента, поверенного оборудования;

- применением современного программного обеспечения (Excel, Paint, AutoCad) при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при коэффициенте вариации менее 10%.

Апробация результатов исследования .Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:

1 ,ХХУ1итоговой научно-технической конференции в Дагестанском государственном техническом университете, г. Махачкала, 2005 г.

2. XXX итоговой научно-технической конференции в Дагестанском государственном техническом университете, г. Махачкала, 2009 г.

3. Материалы диссертационного исследования докладывались на научных семинарах кафедры строительных материалов и инженерных коммуникаций ФГБОУ ВПО «Дагестанскийгосударственный технический университет», ОАО «ЧиркейГЭСстрой» в 2010-2014 гг.

ПубликацииЛо результатам исследований опубликовано 7 работ, в том числе три- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 144 источника. Работа изложена на 208 стр. машинописного текста, содержит 57 рисунков иЗЗтаблицы.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобосновывается актуальность темы, обозначены цели и задачи исследования, приведены преимущества использования универсальной установки для проведения испытаний бетонных конструкций и стыков на водонепроницаемость в полевых условиях.

В первой главеполностью приведен обзор и анализ литературных и патентных источников по обеспечению прочности и долговечности бетона и цементного камня, связанных с повышением водонепроницаемости бетонных конструкций и сооружений в целом. Описан механизм влияния фильтрующейся воды на прочность бетона. Рассмотрен механизм влияния трещин на водопроницаемость и долговечность бетонных конструкций, работающих в условиях напорной фильтрации воды. В диссертационной работе приведены основные факторы, негативно влияющие на водонепроницаемость бетона и

железобетона и технологические пути ее повышения, отражена взаимосвязь между водонепроницаемостью и морозостойкостью бетона и железобетона.

Большое внимание уделено рассмотрению физико-химических свойств вяжущих систем. С учетом особенностей свойств вяжущих систем отображен процесс формирования цементного камня, его структуры, процесс образования пористости камня и влияние условий его формирования на-водонепроницаемость бетона.

Также подробно рассмотрен механизм движения жидкости в поровом пространстве многослойного бетона, показаны формы связи влаги с твердым телом, проведены теоретические исследования по созданию бетонов для изготовления конструкций зданий, сооружений и специальных объектов.

Обеспечение водонепроницаемости бетонных сооруженийявляется одной из важных проблем в строительстве и, в свою очередь, влияет на их долговечность. Проблема обеспечения водонепроницаемости бетонных сооружений является также достаточно экономически высоко актуальной. Стыки, трещины и швы в бетоне со стороны действия воды на гранях служат путями фильтрации воды, что в большинстве случаев вызывает влажностные деформации бетона. Кроме того, эти неоднородности, вследствие фильтрации, приводят к потерям расхода воды, подаваемой,например, в каналы водоснабжения, оросительной сети и т.д. В связи с этим возникает необходимость увеличения объема воды, подаваемого для технологических нужд.

Водонепроницаемость как фактор, определяющий долговечность материала, особо важна для железобетонных конструкций, поскольку доступ влаги к арматуре вызывает ее коррозию, которая приводит к потере несущей способности всей конструкции. Под коррозией металлов понимается процесс из разрушения, вызванный химическим и электрохимическим воздействиями среды. Коррозия арматуры в бетоне начинается с увеличением пористости бетона и разрушений в нем, происходящих под действием агрессивных сред, от действия влаги, воздуха, кислорода, кислотообразующих газов.

Примеры коррозии железобетонных конструкций от воздействия жидкой среды (воды) представлены на рисунке 1.

Теоретический обзор способов решения данной проблемы показал, что достаточно много внимания уделяется, прежде всего, подбору составов бетонов и технологии получения бетонной смеси для стыка, нежели разработке конструкций стыков. Предлагаются различные способы повышения прочности бетона за счет увеличения плотности бетонной смеси, введения различных высокоэффективных добавок, применения вяжущих низкой водопотребности и т.д.

Рисунок1 -Общийвид коррозии арматурных стержнейв железобетонных конструкциях: а)коррозия арма!урной сетки в конструкции отвоздействия внешней среды; б) коррозия арматурной сетки в конструкции отвоздействия воды.

Установлено, что граничная пленка воды в стыке обладает свойствами, отличными от свойств объемной жидкости, поскольку в поле поверхностных сил изменяется структура расположения молекул воды и ориентация их изменяется не постепенно, а скачкообразно. Прочность бетона снижается, в том числе и вследствие адсорбционного влияния воды, независимо от состава бетона и степени водонасыщения. Адсорбционное влияние воды, как поверхностно-активного вещества, является важнейшим фактором, определяющим деформативность бетонных сооружений. На прочность бетона влияет неравномерность распределения влаги по сечению бетонного элемента. Вследствие усадочных деформаций геля, а также капиллярных сил в микропорах цементного камня, на контакте гелевой структурной составляющей

с кристаллическим сростком возникают ультрамикроструктурные напряжения. Наряду с микроструктурными, эти напряжения и порождают начальные зародышевые трещины, снижающие прочность твердых тел. Микроструктурные напряжения возникают из-за различия температурно-влажностных объемных изменений цементного камня и заполнителей.

Немаловажным фактором, определяющим долговечность бетонных сооружений, является морозостойкость бетона как материала. Со временем поверхностный спой бетона приобретает признаки деструщии, особенно в зонах переменных уровней юдыи температуры.

В случае обеспечения достаточной водонепроницаемости, защищающей' бетонную конструкцию от проникновения воды в приповерхностные слои, это позволит предотвратить замерзание воды в порах и капиллярах бетона и соответственно избежать следующей за этом деформации цементного камня.

На основании анализа и обобщения литературных данных сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе полностью представлены теоретические предпосылки и технологические основы создания различных конфигураций стыков бетонных конструкций.

Глава посвящена подробному рассмотрению физико-химичесюго процесса образования цементного камня, описанию процессов протекания реакций в сложном растворе «цемент-заполнитель-вода».

Бетоны, как вяжущие системы,относят к коллоидным стру юурам.

В результате очень сложного процесса формируется струкгура цементного камня, которая с возрастом постоянно меняется, сопровождаемая процессами новообразований, кристаллизацией и перекристаллизацией.

Структура цементного камня значительно определяет его прочность. Гелеобразная и кристаллическая составляющие струюуры цементного камня, обладая совершенно разными геометрическими, физико-механическими и структурными характеристиками, обуславливают ее большую внутреннюю дефектность.В результате осмотического и кристаллизационного давлений в струму ре камня возникают внутренние напряжения и миьроразрушения.

При постепенном увеличении нагрузки на цементный камень (под воздействием напора воды, при подверженности сульфатной и оолевой коррозии, в самонапрягающемся бетоне) внутри него возникает кристаллизационное давление. Разрушение наминается с появления четевицеобразных трещин между кристаллами, сросшимися в двойнинэвом положении,их слияния, выходанаграницыразделаблоюв.

В бетоне наиболее слабым местом является зона контакта заполнителя с цементным камнем. Сцепление ослабляется за счет возникновения дефектов в зоне юнтакта в период формирования структуры бетона, в результате усадочных деформаций, образования под зернами крупного заполнителя седиментационных полостей.

Физическая сущность разрушения бетона представляется как процесс разрыва внутренних связей в материале и разделения его на части. Чем однороднее стру юурабетона,чем более связи между его компонентами близки

к равнопрочным, тем большее количество меньших по размеру частей будет образовываться при его разрушении. Теоретически при полном разрушении он должен разделиться наотц ел ьныехимические элементы, его составляющие.

Бетон представляет собой крайне дефектную, пространственную и в определенной степени саморегулирующуюся систему, которая проявляет себя адекватно воздействию нагрузоки окружающей среды.

По свойствам цементные системы можно отнести к калиллфно-пористым коллоидным телам, основной характеристикой которых является способность набухать (поглощать жидкость) при взаимодействии с водой. Первая стадия формирования структуры бетона представляет собой образование капиллярно-пористой структуры до схватывания бетонной смеси. Гелевая составляющая бетона обладает способностью набухать и может быть отнесен а к кл ассу коллоидн ых тел.

Так как процессы поглощения жидкости коллоидным телом и растворение вещества определяются адсорбцией, то гидратационная влага коллоидного тел а является адсорбционно связанной влагой.

Связанная вода, а именно в таком состоянии она присутствует в порах цементного камня, обладает некоторыми свойствами, отличными от свойств обьнной воды. Связанная вода, в частности, не имеет способности к растворению электролитов и других растворимых веществ. Связанная вода обладает свойствами упругого твердого тела, а тонкие пленки связанной воды (толщиной юло 0,1-") обладают расклинивающим свойством. Кроме того, связанная вода имеет повышенную плотность, ее удельная теплоемкость меньше единицы, поэтому она замерзает при температуре, гораздо более низюй,чем 0°С.

Отмечено, что наиболее прочно связан моле^лярный слой жидюсти, свойства которой резко отличныот свойствобьнной жидкости. В зависимости от толщины пленочных слоев в стыках условия работы водной пленки в них будутразличны.

Структурные изменения в граничных пленках (подтвержденные измерениями вязкости этих плеток) способны обусловить диффузность адсорбционных слоев нейтральных молекул. Из диффузности адсорбционных слоев вытекает заключение о том, что значительная часть адсорбционного или граничного слоя является подвижной (рисунок2).

- потокраствора

- токдиффузии

устье капиллфа

Рисунок 2 - Схема движения жидкости в устье капилляра

Цементный камень обладает большими потенциальными возможностями, до юнца не раскрытыми и используемыми не в полном объеме. Несмотря на достаточно большой теоретический и практический научный обзор этого удивительного строительного материала, возможности для последующих исследований его далеко неисчерпаны.

Анализ изложенного материала позволяет создать бетоны с неоднородными слоями или конструкции непрямолинейных стыков.

Однако отсутствие переносной установки для испытаний стыковна водо-и воздухопроницаемость в производственных условиях затрудняег решение этой проблемы. В связи с этим разработано устройство для определения водо- и газопроницаемости в бетонной конструкции.

В третьей главе приведены результаты испытанийэкспериментальных образцов с различными конфигурациями стыков.

Бетон конструкций зданий и сооружений должен обладать высокой водонепроницаемостью. Особенно этим требованиям должны отвечать стыки. Если не выполняются эти условия, наблюдается утечка воды, начинаются процессы коррозии бетона и арматуры, снижается несущая способность не только стыка, но и всей конструкции. В этой связи проводились исследования, связанные с влиянием на водонепроницаемость стыка конфигурации стыкуемых поверхностей.

Можно судить о целесообразности разработки стыков с конфигурацией, имеющей не плоскую поверхность. Теоретические предположения позволяют судить о надежности работы стыков с синусоидальными шпонами.

Исследовано движение жидкости по стыкам различной конфигурации с целью определения такой формы стыка, которая обеспечивала бы его водонепроницаемость в наибольшей степени. Исследования проводились путем создания различных форм поверхности стыков и измерения изменений электрического сопротивления бетонного образца при движении воды через созданные стыки.

Предварительные опыты проводились в центральной строительной лаборатории ОАО «ЧиркейГЭСстрой». Были заложены 18 кубов 20x20x20 см, изготовленные с различной конфигурацией стыков, путем соединения двух половинок кубов.Испытания образцов на водопроницаемость через 28 дней их твердения показали: контрольные образцы, изготовленные соединением двух плоских половинок выдержали, давление 6,5 кг/см2. Образцы, изготовленные из двух половинок с криволинейными поверхностями - выдержали давление 12кг/см2.

Для комплексного исследования поведения различных форм стыков при движении воды в продольном и поперечном направлениях стыка,были изготовлены также экспериментальные бетонные образцы в универсальной опалубке, позволяющей получить различную конфигурацию стыков в пределах одного бетонного образца.

В исследованиях, для определения степени заполнения стыков жидкостью, принята методика измерения изменения электрического сопротивления среды по мере заполнения кэнтактируемых поверхностей водой.

При движении воды по стыку, по мере охвата контактной поверхности жидкостью, электрическая проводимость среды меняется. Таким путем можно косвенно установить продвижение жидкости по стыку ю времени. План плиты с проводами-датчиками представлен нарисункеЗ.

криволинейный стык "6"

плоский стык "а"

провода (датчики)

криволинейным стык "в"

ШШ£>

РисунокЗ -План плиты с проводами-датчиками

Испытания на водонепроницаемость стыков производились при помощи специально разработанной универсальной установки, собранной из уголюв и металлического листа.

Установка состоит из плоской части, обрамленной ребрами жесткости, которые образуют две изолированные поло ста .Вначале производится откачка воздуха в одной из полостей до величин -0,5-1,0 атм., при этом установка присасывается — закрепляется к конструкции. По достижении установленных величин вакуума откачка приостанавливается. Для проверки стыков на проницаемость жндюстей вторую полость заполняют жидкостью, и через второй штуцер подается воздух под давлением. При величине давления,равной величине вакуума, установка отрывается от испытуемой конструкции .Фото графи я установки представленанарисунке4.

Рисунок4 —Универсальная переноснаяустановка для испытания стыков на водонепроницаемость

Измерения сопротивления велись с помощью электронного МегаОМметра с предельным показанием сопротивления 40 МОм. Результаты исследований вкратце при вед ены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты измерений изменения электрического сопротивленияпри прохождении воды через стыкуемые поверхности

л Конфигурация стыков Величина сопротивления образцов, МОм

в сухом состоянии во влажном состоянии в состоянии увлажнения под давлением

через 5 мин через 30 мин 0.2 атм 0.4 атм 0.6 атм

последовательное соединение тенек по внешнему контуру стыков

плоский 14.37 10.03 7.80 4.30 3.32 2.60

переходот плоского к шпоночному 18.80 16.58 9.50 6.10 5.00 2.50

шпоночный 23.01 18.80 14.40 7.00 4.22 3.00

последовательное соединение точек по внешнему контору стыков

переход от шпоночного к криволинейному 29.15 28.33 25.00 19.00 16.30 9.00

криволинейный 33.06 30.90 29.37 24.50 23.63 22.19

последовательно-попе речное соединение точек внешнего и внутреннего контуров

плоский-плоский 3.9 3.0 1.8 0.9 0.87 0.5

шпоночный-плоский 4.5 3.65 2.89 2.0 1.87 1.1

криволинейный -плоский 5.5 4.75 4.09 3.4 2.6 2.2

Поперечное соединение противоположных точек обоих контуров

плоский-плоский 14.7 13.5 12.1 10.89 Г 10.0 8.68

шпоночный-шпоночный 19.8 18.51 17.22 16.0 15.3 14.1

криволинейный -криволинейный 31.6 30.0 28.45 27.09 25.1 24.0

Результаты измерений изменения величины электрического сопротивления при проникании воды под давлением вдоль стыкуемых поверхностей показали, что электрическое сопротивление во времени меняется по мере проникания воды между контактируемыми слоями по сечению от плоского стыка к шпоночному и от шпоночного к криволинейному.

Из множества данных, полученных в ходе исследования, выведена среднестатистическая зависимость изменения электрического сопротивления матер нала от формы стыка обр азца(рисунок5).

Из графика видно, что сопротивление образцов возрастает от плоского стыка кшпоночному и от шпоночного к криволинейному. Увлажнение образца снижает его сопротивляемость, однако по-прежнему наблюдается тесная взаимосвязь между величинами сопротивления и конфигурацией стыков. Если в результате увлажнения под давлением в пределах плоского стыка образца значения сопротивлений местами падают до величин, близких нулю, то в пределах шпоночного и особенно криволинейного стыков сопротивляемость обр азца сохр ан яется до статоч но высо ко й.

электсииеское

СОПВОГИ»ЛвИИв,

МОм

Рисунок5 - Среднестатистическая зависимость изменения электрического сопротивления материала от формы стыка образца

Таким образом, данные экспериментальных исследований подтверждают теоретические предпосылки по определению расхода жидкости, просеивающейся сквозь слой стыков, имеющих различные формы контактирующих поверхностей.

С целью определения взаимосвязи водонепроницаемости образцов с их прочностью были проведены также исследования изменения прочности бетонных образцов при сжатии в зависимости от конфигурации их стыков.

Для изготовления нужных образцов запивка предполагаемого кубика (10х5х10см) производилась в два этапа. Различная конфигурация стыков хорошо виднанарисункеб.

Рисунокб -Общий вид образцов с синусоидальными и плоскими стыками после заливки первого слоя

Результаты испытаний приведены в таблице2.

Таблица 2 - Результаты исследований бетонных образцов с

Конфигурация стыка в образце Маркировка образцов Серия испытаний Предел прочности на сжатие, кН

Плоский стык 1 1 187,5

2 188,0

3 187,5

Криволинейный стык с шагом волн 1 см 2 1 270,0

2 235,0

3 250,0

Криволинейный стык с шагом волн 2 см 3 1 240,0

2 240,0

3 245,0

Криволинейный стык с шагом волн 3 см 4 I 197,5

2 192,5

3 188,5

По данным исследования наиболее прочными оказались бетонные 1убы, имевшие фиволинейный стык с шагом волн 1 см. Наименее прочными были образцы с плоским стыком. Образцы с фиволинейным стыком с шагом волн 3 см (имевшие фактически одну волну) по значению предела прочности на сжатие оказались наиболее близки к показателям значений прочности образцов с прямым стыком, что, по-видимому, можно объяснить тем, что в готовом исполнении эти стыки о казались почти идентичныдругдругу.

Таким образом, можно утверходать, что создание нелинейной поверхности стыков в бетоне, железобетоне и в изделиях из них, может способствовать повышению их прочности. Кроме того, создание большого числа волн в криволинейных стыках обуславливает лучшее сцепление слоев бетонамежду собой, и повышает показатели прочности таких конструкций,что подтверждено экспериментальными данными.

Учитывая, что в полевых условиях бетонирования конструкций создавать стыки с синусоидальными поверхностями сложно, разработана съемная опалубка, на которую заранее приклеиваются плитки с такой поверхностью, на которой создана синусоидальная поверхность.

В составе плиток использовались асбестовые волокна. Асбестовые волокна установки опалубки и укладки бетона адсорбируют на себя часть влаги из контактного слоя и тем самым создают упрочненный слой в бетоне в течение 1,5-2 часов, что позволяет снять опалубку. Таким образом, в период омоноличивания стыков свежеукладываемым бетоном и бетоном контактной зоны происходит активная гидратация бетона со стороны стыка. В дальнейшем это приводит к упрочнению в большей степени, чем в бетоне вне контактной зоны.

Результаты испытаний промышленных конструкций со стыками с использованием съемной опалубки с плитками показали их высокую эффективность. Оборачиваемость этих плиток — 25-30 раз. Съем опалубки производится через 1,5-2 часа.

Общий вид опалубки приведен на рисунке7.

Рисунок 7 —Общий вид съемной опалубки с приклеенными к ней плитка ми для создания стыков с синусоидальной поверхностью.

Экспериментальные данные, выявившие прямую зависимость степени водопроницаемости от конфигурации стыка в бетонных изделиях, были подтверждены также и теоретическими исследованиями.

Известно, что при движении жидкости, между двумя стенками поверхности и потоком возникают силы сопротивления, обусловленные торможением движения жидкости крайних слоев о стенки. Для преодоления сопротивления трения необходимо затратить дополнительную энергию или, иными словами, нужен напор, называемый потерями напора. Потери напора зависят от многих факторов, в том числе от длины пути (толщины) и от шероховатости поверхности, по которой движется жидкость.

Авторами, совместно с профессором Алишаевым М.Г., были проведены теоретические исследования по определению величины расхода жидкости, проходящей через стыки с гладкими и шероховатыми поверхностями контакта.

Расход жидкости, проходящей через стыки с гладкими поверхностями контакта, не имеющими шероховатости, определяется по формуле:

е-—

12 ц АЬ

где<" - коэффициент сопротивления; разность давлений на входном и выходном участке; А£ - длина пути; ь - ширина стыка.

Формула для определения расхода жидкости, проходящей сквозь шероховатые поверхности, имеет следующий вид:

б3 Ар

в-

12//(1 + бе ) АХ

(2)

<5

£ = —

где Ь - коэффициент шероховатости.

Подставляя экспериментальные данные в формулы (1) - (2) , получим следующее:

1) для стыка с плоскими поверхностями контакта (рисунок8) примем следующие параметры:

I _ Д£ = 10см = 0,Ьи; АР = 0,2атм = 2-10" Пег, Ъ = 0,01мм = \0мкм = \0~^ Па\ /1 = 10'' Пас-,

Рисунок8-Схема движения воды сквозь щелевойзазор (стык) гдеР| -давлениежвдкости на входномучастке стыка,Р2-давление жидкости на выходном участке стыка

Подставив приводимые выше параметры в формулу (1) для определения расхода воды, проходящего через плоский стык, получим:

^ 12-10-3 0,1 1,2-10"'

„„„ О = 86400 • 1,67 ■ 10"8 = 1,44 • 10~3 м3 /сутки = 1,44л/сутки или

2) для стыка со шпонами:

I = (А + Д/) - и = (1,5 + 2) • 5 = 17,5см = 0,175лг; ДР = 0,2шш/ = 2 ■ 104 Яа; Ь = 0,01лш = 10л!/ш = 10"5 Па; ц = 10"' Па • с; е = 1

Подставив значения в формулу (2), получим п =_в__= 2-10-" -,цз/е

* 1210"'(1 + 6 Г'2) 0,175 14,7-Ю"3

или 2 = 86400-0,14 Ю"8 = 0,12 10' V/сутки = 0,12л/сутки

3) для стыка с криволинейными поверхностями контакта (рисунок 9) (при толщине стыка в 10 см):

I = 2этт7 +яг = 2-3,14-1-2 + 3,14-1 = 15,7см = 0,157л; АР = 0,2атм = 2• 10"/7а; Ь = 0,01жм = 1 Омкм = 10~5Яа; = 10"5 Яд-с; г = 1

Подставив значения в формулу (2), получим е=_до-5)3 2-10- ^3^

* 12-10 (1 + 6-1 ) 0,157 13,2-10

£> = 86400 ■ 0,15 • 10~" = 0,13 ■ 10"3 л<3 /сутки = 0,1 Зл /с}'тки

или

Рисунок9-Схема синусоидальной поверхности стыка

Из полученных результатов видно, что при движении воды по неоднородным стыкам расход просачиваемой жидкости уменьшается в двенадцать-одиннадцать раз по сравнению с расходом жидкости, движущейся по плоскому стыку. Это достигается, прежде всего, за счет удлинения пути движения воды, а также увеличения шероховатости поверхности при создании криволинейной поверхности.

Для сравнения найдем значения расхода воды, проходящего через стыки различной конфигурации, другим способом, а именно через определение скорости фильтрации 17 цементного камня. При этом учитывается различие между двумя конфигурациями стыков (плоской и криволинейной) только в части одного параметра, влияющего на просачивающийся сквозь стык расход воды - удлинения пути прохождения жидкости.

Для определения расхода воды используем формулу:

С = »"5,где (3)

к Ар

М АЬ _ скорость фильтрации, м2/с;

к - коэффициент фильтрации;

- площадь сечения, через которое проходит жидкость. Для плоского стыка имеем следующее:

5 = 0,10*0,10 = 0,0Ъи2 и 10'3-0,1

2 = 20 -10"* 0,01 = 0,2-Ю"8л5/с или 0 = 86400 0,2-Ю"8 = 0,173л/сут

или

Для криволинейного стыка без учета шероховатости получим следующие значения:

0 = 12,74-Ю"8 ■ 0,000314 = 0,004■ 10~8л(3 /сил„ = 86400 • 0,004 10"8 = 0,00345л/с>тя

Разница в значениях расходов для разных стыков составляет около пятидесяти раз только за счет увеличения пути прохождения жидкости вдоль стыка, без учета шероховатости. Соответственно, при создании большего числа волн на криволинейном стыке расход проникающей воды станет еще меньше. Длина пути прохождения воды в шпоночном стыке больше, чем в других случаях. Однако создавать такие формы в условиях производства достаточно сложно ввиду того, что опалубка защемляется в бетон и при съеме опалубки разрушаются (ломаются) шпоны и конструкция перестает отвечать эксплуатационным требованиям.

Ввиду многочисленности данных результатов наблюдений, было произведена обработка данных с целью анализа итога наблюдений и выявления связи и зависимости между конфигурацией стыков образца и показателями его сопротивления методом наименьших квадратов.

По результатам обработки всех проделанных измерений получено следующее.

Средняя статистическая значимость (р-уровень) по результатам анализа составляет 0.4274, что является приемлемой границей значимости (р<0,5), т.е. результаты наблюдений являются статистически значимыми. Показатель И колеблется в пределах от 3.285 до 3.316, что позволяет судить о повышении сопротивляемости бетонного образца от плоского стыка к криволинейному более чем в три раза.

Дисперсия или величина зависимости значений сопротивления стыка образцов по мере перехода от плоского стыка к криволинейному составляет в среднем по всем значениям - 47,86% для стыковпервой серии, 57,25% для стыковвторой серии и 153,14% для стыковтретьей серии, что свидетельствует о высокой зависимости связи. Значительный разрыв между показателями дисперсий для разных серии стыков, вероятно, можно объяснить различным качеством выполнения стыков на разных образцах. Показатели сопротивления по стыкам третьей серии наиболее наглядно демонстрируют увеличение сопротивления от плоского стыка к шпоночному и от шпоночного стыка к криволинейному, что, по-видимому, свидетельствует о наиболее качественном исполнении стыков данных серий.

5 =

тир _ 3,14-(0,02) 4 " 4

,1

7 • Ю4

= 0 000314л«2 V = , = 12,74• 10"8.м/с

и,ииил<ш ю-3.0.157

Таким образом, можно утверждать, что изменение формы стыкуемых поверхностей бетонных конструкций в виде криволинейной поверхности более эффективно с точки зрения изготовления и, в то же время, увеличивает длину пути прохождения жидкости внутри конструкции, что способствует повышению её водонепроницаемости.

В четвертой гл а неполностью представлены технико-экономические расчеты по определению эффективности от внедрения стыков криволинейной конфигурации при возведении бетонных и железобетонных конструкций. Экономический эффект предлагаемого способа изготовления стыков выражается: в увеличении срока службы бетонных и железобетонных конструкций; исключаются необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ, а значит нет необходимости нести дополнительные затраты по обслуживанию конструкций.

3. ОСНОВНЫЕ выводы

1. Выявлены основные факторы, негативно влияющие на водонепроницаемость и прочность бетона и железобетона, и предложены технологические пути их повышения. Установлено влияние степени водонепроницаемости на прочностные характеристики бетона и железобетона, в том числе на морозостойюсть.

2. Проведены теоретические исследования физико-химических особенностей цементного камня, его поведения в условиях увлажнения и насыщения водой.

3. Изготовлены, испытаны и исследованы на сопротивляемость проникновению воды опытные бетонные образцы в опалубке с тремя видами конструкции стыков.

4. Изготовлены и испытаны на прочность при сжатии опытные бетонные образцы с различными конфигурациями стыков.

5. Разработаны составы и конструкция плиток с синусоидальным сечением для изшто вл ения опалубки.

6. Разработанапереносная универсальная установка по определению водонепроницаемости стыков конструкций зданий и сооружений.

7. Произведена статистическая обработка данных с целью анализа итога наблюдений и выявлена зависимость между конфигурацией стыков образца и показателями его сопротивления.

8. Найдены значения величины расхода жидкости, просачиваемой через стык, в зависимости от конфигурации стыка.

9. Произведена технико-экономическая оценка эффективности предлагаемого способа создания стыков с синусоидальной конфигурацией.

10. Произведено опытное внедрение конструкций с синусоидальной формой стыка при строительстве дополнительного обходного водовода Чиркейской ГЭС (ОАО «ЧиркейГЭСстрой»).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО

ИССЛ ЕДОВА НИЯОПУ БЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах н изданиях,определенных ВАК:

1. Магомедова, ЭЛ. Исследование влияния формы стыкуемых поверхностей бетонных конструкций на водонепроницаемость стыка / ЭЛ. Магомедова, М.М. Батдалов, М.Г. Алишаев, A.M. Мухучев // Строительство и реконструкция. -2010. -№3 (29).- С.27-30.

2. Магомедова, ЭЛ. Исследование движения воды в стыках бетонных конструкций методом электропроводности / ЭЛ. Магомедова, М.М. Батдалов, Б.М. Батдалов // Вестаик Дагестанского госудгрственного технического университета. Технические науки.-2011. -Том20.-№ 1. -С. 94-99.

3. Магомедова, Э.Н. Исследование экспериментальных образцов с различной конфигурацией стыков на прочность при сжатии / Э.Н. Магомедова, М.М. Батдалов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2013. - Том 31. — № 4. -С. 66-70.

И.Статъи.опубликованныев других научных журналах и изданиях:

4. Магомедова, Э.Н. Влияние формы стыка соединяемых конструкций на свойства контактной зон при движении влаги / М.М. Батдалов, Э.Н. Магомедова, М.Н. Алиев // Сб. тезисов докладов XXX НТК ДГТУ. -Махачкала: ДГТУ. - 2009. - С. 206-207.

5. Магомедова, Э.Н. Влияние неровностей поверхности стыкуемых элементов на водонепроницаемость стыка / М.М. Батдалов, Э.Н. Магомедова // Сб. тезисов докладов XXVI НТК ДГТУ. - Махачкала: ДГТУ.-2005.-С. 129-133.

6. Магомедова, Э.Н. Состав и конструкция сборных плиток для создания опалубки с криволинейной поверхностью / Э.Н. Магомедова, М.М. Батдалов, Б.М. Батдалов, В.Х. Хадисов, А.Х. Мажиева, А.Х. Мажиев П Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы развития. Материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания КНИИ РАН. 7 апреля 2011 г. -Грозный.-2011.-С. 169-171.

7. Магомедова, Э.Н. Разработка экспериментальной установки для определения водонепроницаемости / Э.Н. Магомедова, MJV1. Батдалов, Б.М. Батдалов, В.Х. Хадисов, А.Х. Мажиева, А.Х. Мажиев // Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы развития. Материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания КНИИ РАН. 7 апреля 2011 г. -Грозный.-2011.-С. 171-172.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризограф. Усл. п. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 579

ОтпечатановИПОДГТУ. 367015, г.Махачкала, пр.Имама Шамиля, 70.