автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология сухого формования внутренней цементно-песчаной облицовки стальных труб

Р Г Б ОД - 8 ИЮН 1998

На правах рукописи

МАСЛОВ Евгений Борисович

ТЕХНОЛОГИЯ СУХОГО ФОРМОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОЙ ОБЛИЦОВКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ

05.23.08 - Технология и организация промышленного и гражданского строительства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Диссертация выполнена в НИИ «Ресурсосберегающие технологии и коррозия» при Сибирском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель - доктор технических наук, академик Дубенчак Владимир Емельянович.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Нижевясов Владимир Васильевич.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - СП АО "Сибакадемстрой"

Защита состоится 16 июня 1998 года на заседании диссертационного совета К 064.04.01 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Д. Г. Одинцов

Кандидат технических наук, доцент

Г. С. Шемяковский

НГАСУ.

Автореферат разослан мая 1998 г,

Т.Ф. Каткова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Долговременная и безаварийная эксплуатация стальных трубопроводных сетей питьевого водоснабжения в основном зависит от интенсивности коррозионного разрушения внутренней поверхности труб, непосредственно контактирующей с водой. Общепринятым эффективным способом антикоррозионной защиты является нанесение высококачественных покрытий.

Наиболее широкое распространение в мировой практике получили технологии устройства внутренних тонкостенных цементно-песчаных облицовок. Трубы с покрытиями на основе цемента широко применяются в питьевом водоснабжении, обеспечивая постоянство гидравлических характеристик в течение всего срока эксплуатации в связи с тем, что покрытие не подвержено каким-либо обрастаниям.

Существующие традиционные способы нанесения внутренней цементно-песчаной облицовки (центрифугирование и центробежный набрызг) в основном разработаны для труб большого диаметра, в то время как 70% аварийных утечек, обусловленных коррозионным износом, приходится на трубопроводы диаметром 100-300 мм. В настоящее время практически нет хорошо отработанных отечественных технологий устройства облицовок в трубах малого (менее 300 мм) диаметра.

В настоящей диссертационной работе для создания слоя цемент-но-песчаной облицовки в трубах диаметром 100-300 мм предложено применить способ сухого формования бетона, позволяющий получать качественное покрытие без приготовления растворной смеси.

Цель работы - разработка технологии устройства внутренней цементно-песчаной облицовки труб малого диаметра способом сухого формования, оптимизация состава минеральной облицовки и технологических условий нанесения покрытия с целью увеличения прочности сцепления с поверхностью трубы.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования: .

- анализ существующих методов устройства внутренних цементно-песчаных облицовок;

- обоснование возможности использования способа сухого формования для создания покрытия из цементно-песчаной смеси и разработка способа нанесения;

- исследование технологических параметров нанесения слоя покрытия;

- разработка методики исследования физико-механических свойств материала облицовки и прочности его сцепления со сталью;

- оптимизация технологических условий нанесения и состава минерального покрытия с целью увеличения прочности сцепления;

- разработка технологии нанесения покрытия методом сухого формования, ее применение при ремонте водопроводов и технико-экономическая оценка.

Научная новизна.

1. Научно обоснован новый способ и разработаны технологические параметры нанесения качественной цементно-песчаной облицовки труб без приготовления водозатворенной растворной смеси.

2. Экспериментально подтверждено, что сухое формование позволяет добиться наиболее полного контакта цементного геля со стальным основанием, что обусловливает высокую прочность сцепления покрытия с поверхностью трубы.

3. Получен комплекс новых научных, данных о физико-механических свойствах цементно-песчаного покрытия сухого формования и его сцеплении со сталью.

4. Разработаны оптимальные технологические условия формирования и состав покрытия, обеспечивающие наибольшую прочность сцепления облицовки с поверхностью.

Практическое значение работы. Разработанная технология устройства цементно-песчаной облицовки позволяет увеличить срок эксплуатации трубопроводов и сохранить качество воды, доставляемой потребителям. Простота и надежность комплекта облицовочного оборудования обусловливают возможность его использования при ремонте трубопроводов при осуществлении мероприятия по очистке и облицовке старых труб непосредственно на месте ведения работ.

Реализация результатов исследований. По результатам работы запроектирована и изготовлена опытно-промышленная установка нанесения внутренней облицовки. Проведены натурные испытания облицованных труб, смонтированных на участке трубопровода. Разработан проект технических условий на трубы, облицованные способом сухого формования. За время работы над диссертацией выполнено два договора с Управлением социального развития МПС и договор с Главным планово-экономическим управлением обладминистрации на научно-техническую разработку технологии.

Инвестиционный проект по данной тематике признан одним из лучших на конкурсе МПС РФ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:

- Российская научная конференция "Проблемы безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте" (Новосибирск, 1995 г.)

- Научно-техническая конференция "Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование" (Новосибирск, 1995 г.);

- Научно-техническая конференция "Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование" (Новосибирск, 1997 г.) (два доклада);

- Международный конгресс "Ресурсосберегающие технологии реконструкции и нового строительства" (Новосибирск, 1998 г.).

Публикация. Основные положения диссертационной работы отражены в десяти опубликованных научных трудах, способ нанесения покрытия защищен патентом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Она изложена на 127 страницах, включая 31 рисунок, 23 таблицы и список литературы из 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор современных технологий внутренней цементно-песчаной облицовки стальных и чугунных труб, теоретически подтверждена возможность создания покрытия на основе цемента способом сухого формования.

Большой вклад в изучение механизма защиты стали от коррозии цементным камнем внесли С.Н.Алексеев, Н.Д.Томашев, А.Ф.Полак, А'.П.Акользин, И.В.Стрижевский.' Изучением свойств внутренней цементно-песчаной облицовки занимались И.В.Стрижевский, А.Ф.Шевелев, Д.А.Кузин, Т.В.Латыпова, Ю.Г.Яновский.

Защита стали от коррозии цементным камнем связана с образованием на ее поверхности пассивирующей пленки и слоя достаточно плотного бетона, имеющего высокое сцепление с металлом. По данным Т.В.Латыповой, наряду с пассивацией стали гидроксидом кальция имеет место дополнительный защитный эффект, обусловленный формированием на поверхности стали дополнительной

пленки из гидратных новообразований. Чем полнее первичный контакт цементного геля со стальным основанием, тем выше прочность сцепления цементного камня с подложкой, « тем сильнее проявляет себя дополнительный защитный эффект.

Существующие технологии нанесения внутренней цементно-песчаной облицовки методами центрифугирования и центробежного набрызга базируются на использовании растворных цементно-песчаных смесей определенной подвижности, назначаемой, главным образом, из удобоперекачиваемости и устойчивости покрытия от оплывания в процессе его нанесения.

Малоподвижные смеси из-за точечного контакта твердеющего бетона со стальной поверхностью обуславливают малое сцепление между ними. Увеличение подвижности смеси приводит к расширению площади контакта и, в итоге, росту сцепления. По данным Д.А.Кузина, применение литых смесей ведет к значительному увеличению прочности сцепления. Однако данные смеси не в состоянии обеспечить толщину набрызга без оплыва более 3 мм и подвержены расслоению при Транспортировании.

Таким образом, повышение сцепления в контакте металла с облицовкой видится в максимальном расширении площади соприкосновения за счет полного смачивания поверхности цементным гелем и создании благоприятных условий для образования пассивирующей пленки.

В.Е.Дубенчак предложил получать слой покрытия за счет способности цемента прилипать к увлажненной поверхности трубы. Так, процесс нанесения цементно-песчаного покрытия разбит на ряд последовательных операций: смачивание поверхности трубы, распределение по ней сухой цементно-песчаной смеси, уплотнение слоя катком и последующее насыщение водой до минимально необходимого количества.

При такой ступенчатой технологии нанесения облицовки легко варьируется содержание воды в смеси. Первоначально сухая смесь на поверхности трубы увлажняется до состояния литой, что обеспечивает наибольшую площадь контакта ее с металлом трубы. По мере увеличения толщины покрытия за счет действия капиллярных сил происходит отток воды от контактного слоя и самопроизвольное распределение жидкости по всему объему, при этом вытесняется газообразная фаза.

Таким образом, предлагаемая технология позволяет при сравнительно малом количестве воды в смеси, обеспечить достаточно вы-

сокими адгезионную прочность в контакте и физико-механические свойства бетона.

Вторая глава посвящена исследованию внутреннего сцепления цементных смесей и разработке способа создания цементно-песчаного покрытия.

Наибольшая возможная толщина неосыпающегося слоя при малом начальном водосодержании обусловливается связностью цементного геля, которую можно оценить по величине сцепления. Сцепление цементно-песчаных смесей различного состава и водосо-держания определялось по результатам сдвиговых испытаний, принятых при исследовании механических свойств грунтов. Установлено, что наибольшим сцеплением при малом водосодержании (В/Ц=0,1-0,12) обладают богатые цементом смеси от ц/п=1:0 до ц/п=1:1, и вероятность получения устойчивого от осыпания слоя облицовки при использовании таких составов выше.

При разработке технологического процесса нанесения слоя методом сухого формования было рассмотрено несколько возможных вариантов.

В первом варианте использовался принцип пневмонапыления порошковых композиций. С торца трубы по внутренней полости поочередно пропускался водяной пар и воздушно-порошковая смесь, состоящая из портландцемента М500 и тонкомолотого наполнителя - золы уноса, смешанных по массе поровну. В процессе напыления обнаружилось, что пар конденсируется преимущественно на коротком участке от начала трубы, а значительная часть порошка вылетает, не оседая на стенках трубы. Таким образом, за несколько циклов лишь в начале трубы получен тонкий слой толщиной около 1 мм.

В следующем варианте поверхность трубы равномерно смачивалась, сухая смесь насыпалась из лотка-дозатора с торца вращающейся трубы. Труба имела небольшой наклон к горизонту. При этом из наклонной трубы происходит интенсивный отток воды, и в результате на входе сформировался слой толщиной 4-мм, на выходе 2 мм.

В следующей модели была локализована область нанесения покрытия. В трубу вводилась полая штанга с отверстиями на конце для распыления воздушно-порошковой смеси. На штанге закреплена форсунка для смачивания поверхности трубы. Внутри вращающейся трубы штанга совершает поступательное движение, при этом одновременно подаётся вода и воздушно-порошковая смесь. Минеральная смесь пропитывается влагой на поверхности трубы, созда-

вая сплошной равнотолщинный по длине и по периметру трубы слой. Для уплотнения и разравнивания слоя использовался каток.

Итак, при анализе различных схем сделан вывод, что необходимо отказаться от пневмотранспортировки сухой смеси, и наносить слой следует локализованной областью, перемещающейся вдоль трубы.

Окончательная схема нанесения минерального покрытия способом сухого формования реализована в лабораторной установке. Установка состоит из трех автономных основных блоков: рамы с приводом вращения трубы, узла подачи сухой смеси и узла подачи воды, смонтированных на одной платформе. Схема установки показана на рис.1.

Рис.1. Лабораторная установка нанесения покрытия методом сухого формования 1 - привод вращения трубы; 2 - труба; 3 - бункер с сухой смесью; 4 - винтовой конвейер; 5 - гибкий шнек; 6 - разгрузочное окно; 7 - привод вращения шнека; 8 - платформа; 9 - рама; 10 - форсунка; 11 - бак с водой; 12 - компрессор; 13 - слой покрытия; 14-каток; 15 - панель приборов

Привод 1 сообщает трубе 2 вращательное движение. Сухая смесь из бункера 3 транспортируется посредством гибкого шнека 4 винтового конвейера 5. В конце лотка конвейера снизу предусмотрено разгрузочное окно 6. Вращение шнека обеспечивается электродвигателем 7. Бункер и электродвигатель жёстко закреплены на платформе 8. которая перемещается по раме 9 посредством червячной передачи.

На винтовом конвейере закреплена форсунка 10 для увлажнения поверхности трубы. Вода поступает из герметичного бака 11 за счет избыточного давления воздуха, накачиваемого компрессором 12. Частота вращения трубы, скорость перемещения платформы, интенсивность подачи воды и сухой смеси регулируются. Для уплотнения и разравнивания слоя 13 в трубу запускается стальной каток 14.

Каток имеет форму усеченного конуса и самостоятельно совершает поступательное движение при вращении трубы.

Слой покрытия наносится при движении платформы на себя. Одновременно запускаются приводы перемещения платформы и вращения трубы, системы подачи воды и сухой смеси. Поверхность трубы равномерно смачивается. Сухая смесь, пересыпаясь по влажной поверхности, прилипает, образуя сплошной слой, который уплотняется и разравнивается катком. Затем покрытие насыщается водой из пульверизатора.

На лабораторной установке отработаны режимы нанесения внутренней цементно-песчаной облицовки методом сухого формования, обеспечивающие заданную толщину покрытия, его хорошее сцепление с трубой и регламентируемые свойства материала облицовки.

Работу установки определяют следующие параметры: частота вращения трубы, скорость движения платформы, интенсивность подачи сухой смеси и воды, размеры разгрузочного окна.

Скорость движения платформы т,„ и интенсивность подачи сухой смеси цсм связаны соотношением

у = & м

ял яЯг5р ' (1)

где Ц. - условный диаметр трубы, 8 - толщина слоя, р - объемная масса сухой смеси.

Опытным путем подобрана скорость перемещения платформы и соответствующий ей расход смеси. Для труб Оу-105 мм у„=0,45 м/мин. Начальное водосодержание смеси определяется отношением расходов воды и сухой смеси. Изменяя расход воды при увлажнении поверхности трубы, то есть водоцементное отношение, обнаружили, что малого количества воды (В/Ц<0,1) недостаточно для создания неосыпающегося слоя требуемой (6 мм) толщины. Оптимальное, с точки зрения устойчивости от осыпания, В/Ц составляет 0,1-0,2. Увеличение расхода воды до В/Ц>0,2 приводит к тому, что водона-сыщенный слой имеет такую влажность, при которой смесь налипает па каток, что делает невозможным уплотнение покрытия.

Было отмечено, что рельеф поверхности слоя зависит от длины зоны разгрузки сухой смеси и от частоты вращения трубы. Покрытие имеет более ровную поверхность при увеличении длины окна. Размеры окна подобрали экспериментально, длина 1р о = 100 мм, ширина Ьр „ = 8 мм. При малой частоте вращения трубы (менее 50 об/мин) смесь распределяется по поверхности неравномерно, почти полностью про-

питываясь водой в лотке трубы, в результате поверхность слоя получается неровной. При увеличении частоты вращения более 80 об/мин наблюдается противоположный эффект - смесь долгое время пересыпается, не успевая смачиваться. Опытным путем установили оптимальную частоту вращения; наиболее гладкое покрытие получается при вращении трубы с частотой а„р= 55-65 об/мин.

На лабораторной установке отработаны режимы нанесения внутренней цементно-песчаной облицовки методом сухого формования. Для исследования свойств материала покрытия были определены характеристики качества системы сталь-облицовка и разработаны методики их контроля.

Нормативные требования рекомендуют контролировать только прочность материала облицовки на сжатие и его водопоглощение по массе. Д.А.Кузин доказал, что прочность на растяжение при изгибе является косвенным показателем трещинностойкости, плотности и проницаемости бетона облицовки. Хорошее сцепление способствует образованию на границе раздела непроницаемого слоя и препятствует диффузии продуктов коррозии от металла.

Прочность сцепления определялась по усилию отрыва от стальной пластины цементно-песчаного диска сухого формования диаметром 50 мм, толщиной 6-7 мм.

После установленного срока твердения испытывалась прочность на отрыв, а диски использовались для определения водопоглощения бетона. Затем из них на цементном тесте склеивались цилиндрические образцы диаметром и высотой 50 мм для определения прочности на сжатие. Кроме того, прочность песчаного бетона на изгиб и сжатие определялась по результатам испытаний образцов призм 40x40x160 мм. Две серии таких образцов изготавливались из смесей одинакового состава, но разными способами: традиционным замешиванием растворной смеси и отбором из свежеуложенного сухим формованием слоя покрытия трубы.

В третьей главе диссертации приводятся результаты исследования физико-механических свойств материала облицовки и прочности его сцепления со сталью.

Первоначально исследования велись в направлении.поиска состава минеральной композиции с точки зрения исходных материалов. Были проверены три состава с мелкими наполнителями и два на основе цементно-песчаных смесей. Во всех составах соотношение цемент/минеральный компонент принято 1:1. Искусственный камень подвергался испытаниям на сжатие, водопоглощение и сцепление со стальным основанием. При выборе предпочтительной композиции

достаточно иметь не показатели прочности, определенные согласно специальным требованиям, а их соотношение, поэтому определение прочности и водопоглощения производилось на кубиках 20x20x20 мм.

Образцы изготавливались двумя способами: сухим формованием и из растворной смеси. Прочность образцов одной серии контролировалась сразу после тепловлажностной обработки (ТВО) по схеме 2+6+2 часа с температурой изотермического прогрева 65°С, другой -в возрасте 28 суток, из которых образцы твердели одни сутки в нормальных условиях, остальные - в воде с температурой 20°С. Результаты определения свойств искусственного камня различных составов приведены в таблице Г.

Таблица 1

Основные свойства искусственного камня различных составов

Показатели С1 С2 СЗ С4 С5

М1 М2 мз М4 М5

ПЦ М500: ПЦ М500: ПЦ М500: ПЦ М500: ПЦ М500:

Состав молотый зола унос зола унос песок сеян- песок сеянный

песок =1:1. немолотая молотая = . нын =1:1. = 1:1: 3% массы

= 1:1. 1:1. ПЦ латекс

СКС-65.

В/Д — ... ... 0,28 0,31

В/сосгав 0,28 0,23 0,23 — ...

Прочность на 16.6 22.3 24.0 32.8 15.8

сжатие после 24.8 28.7 34.3 47,7 18.2

ТВО. МПа

Прочность 20.8 25.0 26.7 37.6 37.7

на сжатие 30.2 31.9 37.9 53.1 45.0

после 28

суток. МПа

Водопогло- 19,3 13.1 11.3 м ад

щение по 15.8 14.8 11,1 6,5 6,2

массе. %

Состояние покрытие покрытие покрытие покрытие покрытие легко

сцепления отслоилось отслоилось отслоилось имеет хо- скалывается с

камня со от основа- от основа- от основа- рошее основания

сталью ния ния ния сцепление с

основанием

Примечание. Буква "С" в индексе означает, что образец приготовлен сухим формованием. "М" - с замешиванием растворной смеси.

Из данных таблицы видно, что предпочтительной смесью для сухого формования является цементно-песчаная композиция, которая обеспечивает высокую прочность, малое водопоглощение и хорошее сцепление покрытия с металлом. В составе смесей использован песок крупностью 0,3-0,6 мм. При такой крупности заполнителя цементный камень представляет собой матрицу, в которой зёрна песка являются включениями.

Введение в воду затворения латекса СКС-65 не желательно, так как при влажностном режиме термообработки снижается прочность камня. Кроме того, при данной технологии практически ликвидируется сцепление покрытия с основой из-за образования на ее поверхности полимерной пленки, не твердеющей во влажных условиях.

Составы с молотым песком и золой уноса по сути представляют собой смешанные цементы низких марок, которые обладают высокой водопогребностью. При твердении они образуют камень с высоким водопоглощением, большой усадкой и, как следствие, малым сцеплением с металлом и, поэтому, рекомендованы быть не могут.

Свойства бетона в значительной степени зависят от В/Ц. Влияние В/Ц на характеристики качества показано на графиках рис.2. Образцы испытывались после ТВО.

а) б)

в)

г)

0,3 0.32 в/ц

Рис.2. Влияние водоцементного отношения на показатели качества а) прочность сцепления; 6) водопоглощение; в) прочность на сжатие; г) прочность на растяжение при изгибе

1 - образцы, приготовленные при замешивании растворной смеси;

2 - образцы, сформированные из слоя покрытия сухого формования;

3 - Образцы, склеенные из бетонных дисков сухого формования

При сухом формовании водонасыщение слоя до определенного количества приводит к вытеснению газообразной фазы, способствует стяжению объема цемент-вода и, как следствие, происходит некоторое доуплотнение смеси, растет прочность материала. Дальнейшее повышение В/Ц сверх оптимального значения лишь увеличивает объем несвязанной воды и капиллярную пористость.

Как видно из графиков, прочность сцепления бетона со стальной поверхностью также в значительной степени зависит от В/Ц. При нанесении покрытия сухая смесь на стальной поверхности увлажняется до литой консистенции. Тем самым обеспечивается наибольшая площадь соприкосновения смеси и подложки, и создаются предпосылки для обеспечения высокой прочности сцепления песчаного бетона. В то же самое время происходит отток влаги от контактного слоя и распределение жидкости по объему смеси. Однако для химических реакций межфазного взаимодействия поверхность контакта должна быть в достаточной степени обводнена. В результате, с увеличением В/Ц растет адгезионная прочность, которая в определенный момент оказывается выше когезионной, и разрыв идет преимущественно по бетону (рис.36), а не по контактному слою (рис.За).

Рис.3. Отрыва бетонного диска сухого формования от стальной поверхности а) при В/Ц=0.20: б) при В/Ц=0.32

Вот почему максимальная прочность на отрыв бетона совпадает с максимальной прочностью на растяжение и фиксируется при В/Ц=0,32. При рассмотрении графиков (рис.2) видно, что при сухом формовании оптимальное В/Ц, с точки зрения качества материала облицовки, составляет примерно 0,32.

Далее исследовалось влияние подготовки поверхности стали на прочность сцепления материала облицовки с подложкой. Высокая

адгезия возможна только при совершенном контакте клея со склеиваемыми телами, при этом большое значение имеет чистота поверхности тела.

Вначале адгезия цементного клея определяется процессом смачивания склеиваемых тел. Увеличение шероховатости поверхности материалов, хорошо смачивающихся цементным тестом, значительно повышает величину сцепления вследствие механического заанке-ривания, увеличение же шероховатости поверхности материалов, плохо смачивающихся цементным тестом, снижает величину сцепления. Так, увеличение высоты гребней на стальной поверхности с 10-15 мкм до 60-65 мкм снизило величину прочности на отрыв бетонных образцов сухого формования после ТВО с 40 кПа до 25 кПа.

Введение поверхностно-активных веществ увеличивает смачиваемость стали цементным тестом и, следовательно, можно ожидать рост адгезионной прочности. Исследовано влияние добавок пластификатора СДБ. суперпластификатора С-3 и воздухововлекающей добавки СНВ на критерии качества системы сталь-бетон после ТВО (табл.2).

Таблица 2

Влияние добавок пластификаторов на свойства системы сталь-бетон_

Добавка Количество от массы цемента. % Критерии качества Характер отрыва бетонного диска

Иен. кПа V, % 11с*. МПа

СДБ 0.2 57.0 9,7 36.7 когезионный

С-3 0.5 55.1 9,6 37,1 когезионный

СНВ 0.01 9.8 11.2 31,8 адгезионный

Без - 39,3 10,7 31,5 преимущественно

добавок когезионныи

Введение С-3 и СДБ значительно повысили прочность шва бетон-сталь. Пластины после отрыва бетонных дисков были полностью покрыты цементно-песчаныы раствором, то есть разрушение носит когезионный характер. Низкая адгезия бетона с добавкой СНВ объясняется ее специфическим пластифицирующим действием. Очевидно, по поверхности контакта распределились пузырьки воздуха, препятствуя формированию контактного слоя.

Прочность сцепления во многом зависит от условий выдерживания трубы с покрытием в начальный период (1-2 сут), когда интенсивно формируется шов бетон-сталь. Крайне важно обеспечить влажностный режим твердения. Нормативная документация рекомендует изолировать торцы труб сразу после нанесения покрытия. Дальнейшее твердение предусматривается в пропарочных камерах

при мягком режиме ТВО (2+6+2 ч при температуре изотермического прогрева 65°С).

Однако ТВО в пропарочных камерах для изделий с большим модулем поверхности, каким является труба с минеральной облицовкой, имеет опасность пересушивания бетона. Проведено сравнение свойств покрытия сухого формования после пропаривания и после прогрева в горячей воде при одинаковых режимах. До прогрева образцы хранились 14 часов в нормальных условиях. Опытным путем установлено, что прочность на отрыв бетона гидротермальной обработки как без добавок, так и с добавками СДБ и С-3 возросла в среднем на 20% по сравнению с пропаренными образцами. На водопоглощении и прочности на сжатие режим термообработки практически не отразился.

В предлагаемой технологии, основанной на раздельной подаче воды и сухой смеси, уплотнение и разглаживание слоя осуществляется катком, имеющим форму усечённого конуса. Каток при вращении трубы поступательно перемещается по внутренней поверхности, уплотняя свеженанесённый слой ещё до насыщения его водой. Давление, которое создаёт каток, составляет около 100 кПа.

Качество уплотнения исследовали, варьируя количество прока-ток. Из графиков (рис.4.) видно, что покрытие, не подвергавшееся уплотнению, имеет даже несколько большую прочность на отрыв (Я,'18=52,6 кПа), однако структура неуплотненного бетона более пористая (У=15%) и менее прочная (11сж=19,2 МПа). Увеличение числа прокаток более одного раза незначительно улучшает показатели качества, и потому нецелесообразно.

^ Количество прокаток ^ Количество прокаток ^ Количество прокаток

Рис.4. Влияние степени уплотнения слоя покрытия на: а) прочность сцепления; б) водопоглощение; в) прочность на сжатие

В четвертой главе приводятся результаты исследования качества системы сталь-бетон при многофакторном воздействии. На физико-механические свойства бетона облицовки и его сцепление с металлом оказывают влияние как состав минеральной облицовки

(соотношение песка и цемента, крупность песка, активность цемента, В/Ц, вид и количество добавки пластификатора), так и технологические факторы (состояние поверхности стального основания, степень уплотнения нанесенного слоя, начальное водосодержание смеси, условия набора прочности). Часть этих факторов по результатам предварительных исследований были зафиксированы на одном уровне.

Общеизвестно, что свойства бетона в значительной степени зависят от активности цемента и от В/Ц. Варьировать данные факторы нецелесообразно, так как уровень их значимости заведомо выше, ¿1 это может негативно сказаться на оценке значимости других факторов. Основываясь на результатах предварительных исследований, образцы изготавливались на портландцементе марки 500 при В/Ц=0,32. Слой уплотнялся при единственном проходе катка.

Предварительными исследованиями установлено, что предпочтительными являются цементно-песчаные смеси состава близкого к 1:1 по массе. Зерновой состав песка (фракция 0,3-0,6 мм) был определен из следующих соображений. Уменьшение размера частиц инертного заполнителя приводит к большей водопотребности смеси и, как следствие, повышению водопоглощения и усадки, уменьшению прочностных характеристик материала. При увеличении крупности частиц песка происходит сепарация сухой смеси во время нанесения слоя покрытия.

Значения остальных факторов варьировались в ходе двух многофакторных экспериментов, запланированных по методу Бокса-Уилсона. В качестве математической модели был использован полином первой степени, который содержит информацию о направлении градиента, то есть позволяет экстраполировать результаты эксперимента для поиска оптимума. Уровни и интервалы варьирования факторов определились в результате анализа априорной информации.

Прочность на отрыв бетонных дисков и их водопоглощение контролировались в ходе четверть-реплики от полного пятифакторного эксперимента 25-2 . При этом варьировались: х1 - количество суперпластификатора С-3; х:> - соотношение цемент/песок; Х5 - условия твердения; х4 - состояние поверхности стального основания; л\> -доля воды, подаваемой на увлажнение стальной подложки (начальное водосодержание).

Прочность на растяжение при изгибе и прочность на сжатие призм 40x40x160 мм определялись в ходе полного трёхфакторного эксперимента 23 при варьировании следующих факторов: х1 - количество суперпластификатора С-3; х2 - соотношение цемент/песок;

х3 - условия твердения. Натуральные значения факторов для экспериментов 23 и 25'2 представлены в сводной таблице (табл.3).

Таблица 3

Уровни и интервалы варьирования факторов плана 2$~г и 23_

Факторы Уровни Интервал варьирования

нижний основной верхний

ХГ% 0 0,25 0,5 0,25

X 2 1 : 0,8 1: 1 1 : 1,2 0:0,2

Хз тво — 28 суток водного твердения —

X 4 окисная пленка — мех. обработка —

0/ Х5 /о 30 50 70 20

В многофакторном исследовании предпочтение было отдано суперпластифпкатору С-3, так как добавка СДБ увеличивает срок схватывания цементного геля, в связи с чем требуется большая выдержка облицованных труб перед термовлажностной обработкой. Кроме того, не рекомендуется повышать температуру изотермического прогрева бетона с добавкой СДБ выше 60°С.

По результатам экспериментов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость свойств песчаного бетона. Величины значимых коэффициентов регрессии сведены в табл.4.

Таблица 4

Значимые коэ< )фициенты регрессии при варьируемых факторах

Коэффициенты при фaк■тopa^ Параметр

прочность на отрыв. кПа водопогло-щенпе.% прочность на сжатие. МПа прочность на растяжение при изгибе. МПа'

Среднее значение параметра, Ьд 46.2 9.60 51,0 7,19

Количество добавки С-3, Ь, 10,9 -0,54 2.8 0.85

Соотношение ц/п. Ь-> 0 -0.34 -2.6 -0.39

Условия твердения. Л, 7.7 -0.52 8.3 2.93

Состояние поверхности стали, Ъ4 -5,6 0 0 0

Доля воды при смачивании, ¿>5 0 0 0 0

Анализируя результаты многофакторного исследования, можно сделать следующие выводы:

- на повышение прочности сцепления в большей степени влияет введение в состав бетона добавки суперпластификатора С-3;

- величина водопоглощения примерно в равной мере зависит как от добавки С-3, так и от условий твердения;

- прочностные характеристики песчаного бетона на сжатие и, особенно, на изгиб в большей степени зависят от условий твердения;

- сцепление песчаного бетона со стальной поверхностью, покрытой окисной плёнкой, выше, чем к обработанной механически до большей шероховатости;

- введение добавки суперпластификатора оказывает положительное влияние на все характеристики системы сталь-бетон;

- изменение соотношения сухих компонентов практически не отразилось на величине прочности сцепления, увеличение содержания песка несколько снизило водопоглощение, однако негативно отразилось на показателях прочности;

- длительное водное хранение улучшило все выходные параметры, в том числе и прочность сцепления; состояние поверхности отрыва свидетельствует о том, что длительное водное твердение способствует переходу адгезионной формы контакта в более прочную коге-зионную;

- количество воды, которое расходуется для смачивания поверхности стального основания, значимо не отразилось на критериях качества.

Корреляционный анализ выходных параметров показал, что существует тесная связь между значениями прочности сцепления и водопоглощения с одной стороны (коэффициент парной корреляции 0,91) и прочностью на сжатие и прочностью на изгиб с другой (коэффициент парной корреляции 0,95). В меньшей степени эти пары откликов кор-релируются между собой (коэффициенты парной корреляции 0,580,66). Поэтому следует предположить, что невозможно найти такие значения факторов, при которых все функции отклика имели бы экстремальные значения одновременно. Было решено оптимизировать прочность сцепления облицовки с поверхностью трубы, как характеристику защитной способности покрытия.

В результате крутого восхождения по поверхности отклика установлено, что наибольшую прочность сцепления со стальной поверхностью, покрытой окисной пленкой после 28 суток водного твердения Кхц=83 кПа имеет покрытие состава ц/п=1:1,2 при содержании добавки С-3 в количестве. 0,65% от массы цемента и начальном В/Ц=0,22. Интересно, что наименьшее водопоглощение (У=8,1%) и наибольшая прочность на сжатие склеенных из бетонных дисков образцов (11сж=42,3 МПа) получены для этого же материала.

Рис.6. Поверхность отрыва бетонного диска состава ц/п=1:1.2 с добавкой 0,65% С-3

Отрыв материала покрытия от стальной подложки при оптимальных условиях носит ярко выраженный когезионный характер (рис. 6). _

Эксплуатационные характеристики труб с внутренней цементно-песчаной облицовкой сухого формования были определены по результатам испытания образцов, изготовленных при помощи лабораторной . и экспериментальной установок.

Д.А.Кузиным и В.В.Нестеровым доказано, что прочность сцепления со сталью на сдвиг может служить критерием как защитной способности цементно-песчаного покрытия, так и его ударной стойкости. Так, по В.В.Нестерову, необходимая прочность сцепления после ТВО (до ударной нагрузки) должна составлять не менее 0,6 МПа. По Д.А.Кузину коррозионное поражение минимально при сцеплении не менее 1,8 МПа. При оптимальном составе прочность на сдвиг кольца облицовки сухого формования внутри трубы после гидротермального прогрева составила 1,7 МПа, а после 28 суток водного твердения 2,2 МПа. Полученные значения прочности сцепления свидетельствуют о высокой защитной способности и ударной стойкости облицовки сухого формования.

Образцы труб с облицовкой, подвергнутые тепловлажностной обработке, стыковались при помощи электросварки. В зоне термического действия сварки (80-100 мм) наблюдается ухудшение качества покрытия, обусловленное удалением части связанной воды при высокой температуре. Это приводит к отслоению и усадке, на что указывает бухтение при простукивании. Сколов покрытия .и обнажения поверхности трубы не наблюдалось. После замачивания состыкованных образцов покрытие в зоне стыка частично восстанавливает свои свойства: бухтение отсутствовало.

Полученные в результате исследований параметры защитного покрытия позволяют обоснованно подойти к разработке технологии нанесения защитного покрытия способом сухого формования.

В пятой главе диссертации изложены результаты отработки технологии нанесения покрытия и технико-экономическое обоснование использования технологии при ремонте трубопроводов.

На производственной базе НИИ РТК была создана экспериментальная установка, комплект которой составляют: эстакада 1 с приводом 2, обеспечивающим вращательно-поступательное движение трубы 3, узел подачи сухой смеси 4 (бункер-питатель с винтовым конвейером) и узел подачи воды 5 (рабочие органы смачивания поверхности трубы и орошения слоя, герметичный бак с водой, компрессор), каток для уплотнения и разравнивания слоя.

]

Рис.7. Экспериментальная установка 1- эстакада; 2- приводная роликовая опора; 3- труба;

4- узел подачи сухой смеси; 5- узел подачи воды

Покрытие наносится методом отступления. Запускается привод вращательно-поступательного движения трубы, системы подачи воды и сухой смеси. Сухая смесь, поступающая из разгрузочного окна, распределяется по увлажненной поверхности трубы, слой уплотняется и разравнивается катком, насыщается водой из пульверизатора.

Расчетно-опытным путем были подобраны размеры основных узлов установки (диаметр и шаг винта конвейера, размеры бункера-питателя и разгрузочного окна) и режимы рабочего цикла (частота вращения и скорость перемещения трубы, расход сухой смеси и воды). Получена зависимость для скорости поступательного движения трубы

K (p'-d^K(2) 4Д&К",,,,

где D \id- соответственно наружный и внутренний диаметры винта конвейера, h - шаг винта, ш - частота вращения винта, Ку - коэффициент заполнения лотка конвейера сухой смесью, Кут - коэффициент уплотнения слоя покрытия.

Для проведения натурных испытаний на участке водопровода к бетонно-растворному узлу в СМУ-4 Сибакадемстроя был произведен монтаж опытной партии труб диаметром 100 мм с внутренней цементно-песчаной облицовкой, нанесенной способом сухого формования. Трубы стыковались при помощи электросварки. Общая длина изолированных труб составляет 22,5 м. Обследованием труб после двух лет эксплуатации установлено, что нарушения сплошности и дефектов (трещины, отслаивание, разрушение) покрытия, в том числе и в зоне сварных швов не обнаружено. Следов коррозионных поражений под покрытием нет.

Простота и надежность комплекта облицовочного оборудования позволяют использовать его как в базовых, так и в полевых условиях, в связи с чем представляется весьма перспективным применение технологии сухого формования при ремонте ветхих водоводов.

При аварийном и капитальном ремонтах участков водопроводных сетей практикуется полная замена изношенных труб. Однако после соответствующей выбраковки до 70-80% труб могли бы использоваться повторно при условии их прочистки и нанесения защитных покрытий на наружную и внутреннюю поверхности.

Все ремонтные работы, в том числе и антикоррозионную обработку труб, целесообразно осуществлять специализированным передвижным комплексом, состоящим из очистного, облицовочного и вспомогательного оборудования. Состав ремонтных работ: отключение участка, разработка траншеи, расчленение трубопровода, отбраковка и подготовка труб, нанесение внутреннего и наружного защитных покрытий, обеспечение твердения облицовки, укладка и стыковка труб, испытание трубопровода, обратная засыпка траншеи. Продолжительность ремонта участка трубопровода длиной 120м в зависимости от диаметра составляет 50-70 часов в соответствии с разработанной технологической картой.

Экономическую эффективность новой технологии оценили при сравнении трех возможных вариантов ремонта трубопровода: 1-й вариант - укладка нового трубопровода без защиты внутренней поверхности (срок эксплуатации - 20 лет);

2-й вариант - укладка нового трубопровода с нанесением внутреннего цементно-песчаного покрытия в базовых условиях (срок эксплуатации - 50 лет);

3-й вариант - укладка восстановленных труб (срок эксплуатации - 50 лет).

Отношения единовременных и удельных (отнесенных к сроку эксплуатации) затрат по вариантам показаны в табл.5.

Таблица 5

Соотношения затрат (%)_

Показатели 3/1 3/2 2/1

Единовременные затраты 73 61 120

Удельные затраты 29 61 48

Из таблицы видно, что наиболее предпочтителен вариант прокладки восстановленных (очищенных и облицованных) труб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена целесообразность нанесения на стальные водопроводные трубы внутренних цементно-песчаных покрытий, обеспечивающих долговременную эксплуатацию, высокую и стабильную пропускную способность, качество транспортируемой воды.

2. Теоретически и экспериментально обосновано применение способа сухого формования для устройства внутренней минеральной облицовки труб диаметром 100-300 мм.

3. Разработан способ и лабораторное устройство нанесения покрытия методом сухого формования, подобраны технологические режимы рабочего цикла нанесения защитного слоя.

4. Установлено, что сухое формование слоя покрытия позволяет добиться наиболее полного первичного контакта цементного геля с поверхностью трубы, что обусловливает более высокую, чем в традиционных технологиях, прочность' сцепления облицовки с трубой.

5. Опытным путем определено, что с точки зрения исходных материалов предпочтительно использовать цементно-песчаную смесь с примерно равным содержанием песка и цемента. Такой состав обеспечивает наилучшее качество материала облицовки сухого формования.

6. Исследовано влияние отдельных факторов, в том числе и технологических, на физико-механические свойства материала облицовки и прочность его сцепления со сталью. Установлено, что введение в состав суперпластификатора С-3 значительно повы-

шает прочность сцепления и благоприятно отражается на структуре песчаного бетона.

7. В результате многофакгорного исследования получена математическая модель, на основании которой оптимизированы технологические условия нанесения и состав покрытия, имеющего наибольшую прочность сцепления песчаного бетона со сталью.

8. Разработана экспериментальная установка для нанесения покрытия, определены геометрические характеристики основных узлов, расчетно-опытным путем подобраны технологические режимы нанесения покрытия.

9. Разработана технологическая карта на ремонт участков трубопроводов с использованием технологии сухого формования внутреннего покрытия труб. Продолжительность ремонта участка трубопровода длиной 120м в зависимости от диаметра составляет 50-70 часов.

10. В результате технико-экономического анализа доказана эффективность применения новой технологии при восстановлении пропускной способности сетей водоснабжения.

11. Проведены опытно-промышленные испытания участка трубопровода с внутренней цементно-песчаной облицовкой сухого формования. Обследование труб после двух лет эксплуатации показало, что покрытие сухого формования имеет хорошее качество и надежное сцепление с поверхностью трубы, что обусловливает его высокую защитную способность.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Маслов Е.Б., Кунгуров Г.В., Банул В.В. Метод исследования адгезионной прочности соединения сталь - цементный камень / Ресурсосберегающие технологии: Межвузовский сборник научных трудов. Вып.1. СГАПС, Новосибирск, 1997. С.16-19

2. Баталов В.Г., Маслов Е.Б., Устимов Д.И. Технико-экономическое обоснование создания комплексов для восстановления трубопроводов с нанесением внутренней цементно-песчаной облицовки / Ресурсосберегающие технологии: Межвузовский сборник научных трудов. Вып.1. СГАПС, Новосибирск, 1997. С.9-11

3. Баталов В.Г., Нижевясов В.В., Маслов Е.Б. Особенности нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность стальных труб методом сухого формования / Известия вузов. Строительство, 1997г., №10, С.69-72

4. Баталов В.Г., Нижевясов В.В., Маслов Е.Б. Оптимизация состава цементно-песчаной облицовки стальных труб, создаваемой по технологии сухого формования / Известия вузов. Строительство, 1998г.,№1,С.51-57

5. Маслов Е.Б. Защита внутренней поверхности стальных труб покрытиями на основе минеральных вяжущих // Тез. докл. научно-технической конф. «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование». Ч.З. Новосибирск, 1995. С.8-9.

6. Маслов Е.Б. Защита трубопроводов от коррозии как составляющая охраны окружающей среды // Тез. докл. российской научной конф. «Проблемы безопасности труда, экологии и чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте». Новосибирск, 1995. С. 113-114

7. Баталов В.Г., Кунц К.Л., Маслов Е.Б. Об эффективности восстановления и повторного использования стальных труб в системах водоснабжения // Тез. докл. научно-технической конф. «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование». Ч.З. Новосибирск, 1997.С.24-25.

8. Баталов ВТ., Маслов Е.Б., Кунгуров Г.В. Новая технология создания внутренней цементно-песчаной облицовки стальных трубопроводов И Тез. докл. научно-технической конф. «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование». Ч.З. Новосибирск, 1997. С.25 - 26.

9. Баталов В.Г., Нижевясов В.В., Маслов Е.Б. Технология сухого формования внутренней цементно-песчаной облицовки стальных труб // Тез. докл. научно-технической конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". Новосибирск, 1997. С. 162.

10. Маслов Е.Б. Применение способа сухого формования для устройства минеральной антикоррозионной облицовки труб // Тез. докл. международного конгресса "Ресурсосберегающие технологии реконструкции и нового строительства". Новосибирск, 1998 . С.52.

11 .Патент № 2067920 РФ, МКИ Р02М35/10