автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Внутренняя цементно-песчаная облицовка стальных водопроводов

пи

Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образованию

САМАРСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 691.32 + 621.643.21.24 : 620.193

КУЗИН Дмитрий Александрович

Внутренняя цементно-песчаная облицовка стальных водопроводов

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара — 1093

Работа выполнена в Нижегородском архитектурно-строительном институте.

Научный руководитель — кандидат технических наук,

профессор С. Д. ЗИЛЬБЕРБЕРГ.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. А. НОВОПАШИН.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В. П. ПЕТРОВ.

Ведущая организация — Самарский государственный проектный и научно-исследовательский институт по объектам газовой промышленности, стройиндустрии и стройматериалов (СамараГИПроНИИгаз).

Защита состоится— ¿¿-А&лу? щдя г. в. .час.

на заседании специализированного совета К.064.55.01 Самарского архитектурно-строительного института — 443001, Самара, Молодогвардейская, 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского архитектурно-строительного института.

Автореферат разослан. ^_1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник С. А. БУТЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAEOTU

Актуальность тсии. По лаптам Академии коммунального хозяйства не менее 200. ООО км стальных водопроводных сет^й в нашей стране поражены интенсивной внутренней коррозией. Экономический ущерб при этом проявляется в снижении пропускной способности на 40... 60%, ежегодном перерасходе ' электроэнергии в размере 5... 7 млрд. кВт. ч. и в дополнительных затратах на ликвидацию последствий аварий на водопроводах. Негативным воздействием внутренней коррозии является также ухудшение качества питьевой воды.

Экологически безопасным, экономически целесообразным и технологичным средством антикоррозионной защиты стальных и подопроаодшве труб диаметром от 100 до 3600 мм является внутренняя облицовка из мелкозернистого бетона

Учитывая высокую стоимость, длительный срок эксплуатации и малую ремонтопригодность водопроводных сетей, мелкозернистый бетон внутренней облицовки должен с высокой точность») отвечать совокупности специфических требований, отличающихся от традиционно предъявляемых к конструкционному бетону. Стандартными методами затруднительно подобрать оптимальный зостав цементно-песчаной облицовки и осуществлять оперативный производственный контроль её качества

Цель работы - изучение влияния объективных параметров лакро- и микроструктуры мелкозернистого бетона внутренней штикоррозионной облицовки стальных водопроводных труб на »го физико-механические свойства и практическая реализация галученных результатов при проектировании оптимального сос-■ава цементно-песчаной облицовки в трубах различного диаметра при изменении качества применяемых материалов и условий ехнологии. .

Для достижения цеди диссертации сочтено необходимым и остаточным осутцествить решение следующих задач;

- рассматривая мелкозернистый бетон в качестве материала нутренней антикоррозионной облицовки стальных водопроводных руО, выявить его свойства, определяющие в максимальной сте-эйи защитную способность и долговечность облицовки;

- по результатам натурных испытаний облицованных труб зтаяовить причины характерных аварийных состояний облицо-1нных труб до начала эксплуатации;

- в результате лабораторного эксперимента определить ко- , личественние показателя качества исходных материалов и мелкозернистого бетона, гарантирута^ие длительную защитную способность бетона по отношению к стали в проточной питьевой воде-,

- спланировать и провести эксперимент, в котором, изменяя как величину объёмной концентрации цементного теста-камня (С), так и величину истинного водоцемеятного отношения (V) антикоррозионных цементно-песчзных облицовок, на интервале, ограниченном условиями их нанесения, исследовать физико-механические свойства, определяющее защитную способность и долговечность данных покрытий;

- разработать для мелкозернистых бетонов антикоррозионных облицовок многофакторные математические модели зависимостей "состав - структура - свойство" с использованием характеристик количества (С) и качества (V) цементного теста-камня, а также показателей качества исходных материалов;

- с помощью математических моделей, полученных в результате эксперимента, осуществить . постановку задачи условной оптимизации состава внутренней цементно-песчаной облицовки

■ водопроводных труб, наносимой мзтодом центробежного нрЛрыз-га; . ••

- для решения в производственных условиях задачи условной оптимизации состава мелкозернистого бетона разработать реализуемый на персональной ЭВМ универсальный метод, гаран-

. тирующий получение прогнозируемого результата.

Научная вовнзва полученных результатов заключается в следующем: ,

- выявлены основные предпосылки защитного действия це-ментно-песчаной облицовки против биологических обрастаний в стальных водопроводах;

- доказано влияние величины сцепления со сталью на пассивирующую способность мелкозернистых бетонов в питьевой воде; , .

- для мелкозернистых бетонов впервые разработаны математические зависимости сцепления со сталью, проницаемости, коррозионной стойкости и максимальной толщины набрызга от объемной концентрации цементного теста-камня, его истинного

водоцсментмого отношения и показателей качества применяемых материалов;

- разработан реализуемый на персональной ЭВМ новый^ графический метод оптимизации составов цементно-песчаных антикоррозионных покрытий; '

- установлены принципиальные особенности изменения химического состава цементно-песчаной облицовки в водопроводных трубах в процессе эксплуатации;

- из условий обеспечения защитной способности, долговечности и способности к "самозалечиванию" трещин для внутренней цсментно-песчаной облицовки стальных водопроводов сфор-мулиропаны основные требования к виду и качеству вязнущего што риала.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные в результате исследований данные и разработанные методики позволяют при изменении свойств применяемых материалов и условий технологии выполнить подбор оптимального состава мелкозернистого бетона антикоррозионной облицовки стальных труб и осуществлять его оперативную корректировку и непрерывный контроль качества в процессе производства, что гарантирует длительную безаварийную эксплуатацию водопроводных сетей различного диаметра. Достигаемое при этом увеличение качественной однородности облицовки способствует экономии цемента.

Введревне результатов работы. Результаты исследований использованы при подборе оптимального состава и организации непрерывного контроля качества внутренней цементно-песчаной облицовки стальных труб диаметром 1420 мм, применявшихся впервые в отечественной практике для строительства магистрального водовода Ардатов - Низший Новгород протяженностью 150 км (1987 г.).

На основании результатов исследований оказана научно-консультативная помощь производству по организации технологии внутренней цементно-песчаной облицовки труб диаметром 300...900 мм в тресте "Вдадспецстрой" (г.Владимир, 1992 г.).

Разработанная диссертантом программа для персональной ЭШ по подбору оптимального состава мелкозернистого бетона внедрена в арендном тресте N12 "Спецгидрострой" и тресте

"Оргтехстрой" концерна "Нижегородетрой" и с 1992 года используется для оперативного подбора и корректировки составов торкрет-бетонов и цементно-песчаной облицовки стальных труб. Результаты внедрения позволили уменьшить расход цемента на 6,8 т на километр длины облицовки труб диаметром 1420 мм.

разработанные . в. ходе исследований нестандартные методы испытания прочности, трещиностойкости, толщины и адгезионной способности внутренней цементно-песчаной облицовки стальных труО используется для контроля качества продукции на комбинате подсобных, предприятий треста N12 "Спецгидрострой" (г. Н, Новгород, 1986 г.) и в военно-строительном подразделении космодрома "Байконур" (1988 г.).

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены:

- на областной научной конференции "Интенсивный путь развития строительства", Нижний Новгород, 1987 г.;

- на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Нижегородского архитектурно - строительного института, Нижний Швгород, 1992 г.;

- на Научно-техническом Совете Нижегородского архитектурно-строительного, института, 1992 г.;

- на учёном Совете ИСК концерна "россевзапстрой", Нижний Новгород, 1992 г;

- на кафедре строительных материалов Самарского архитектурно-строительного института, 1993 г.

Структура и объси роботы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, основных выводов, списка использованных источников и приложений.

Общий объём диссертации 192 страницы, включая 156 страниц основного текста, 58 иллюстраций, 20 таблиц, список литературы из 143 наименований и 10 приложений.

На защиту выносятся:

- совокупность необходимых и достаточных количественных показателей качества цемектно-пеечакых покрытий внутренней поверхности стальных водопроводных труб, отвечающая технологическим требованиям и условиям эксплуатации;

эффективные математические описания связей "сос-

. ~ 5 -

тав-струкгура-свойство" для цемеитно-песчаиого покрытия стальных труО многофакторными моделями, оценивающими роль структур!«« характеристик бетона, показателей качества исходных материалов и условий технологии;

- разработанный на основе структурной теории бетона метод и реализуемая на персональной ЭВМ программа' оптимизации структуры и состава мелкозернистых бетонов, в том числе це-ментно-песчаных облицовок водопроводных труб, на материалах различного качества с заданными технологическими эксплуатационными параметрами;

- выбор подлежащих первоочередному производственному контролю показателей качества и оптимальные составы мелкозернистого бетона внутренней антикоррозионной облицовки

.стальных водопроводов различного диаметра;

- предпосылки выбора оптимального вида вяжущего для внутренней цементно-песчаной облицовки стальных труб, транспортирующих питьевую воду;

- метод определения сцепления со сталью тонкостенных це-ментно-песчаных облицовок с учетом влияния усадки;

■ - метод определения проницаемости мелкозернистых бетонов активирующими сталь ионами;

- определение прочности внутренней цементно-песчаной изоляции стальных труб методом штампа.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность темы диссертации, приведены сведения о методологическом построении и . научной новизне работы.

В первой главе приведены современные представления о внутренних антикоррозионных цементно-песчаных покрытиях стальных труб и связи их свойств с характеристиками структура

Проанализированы сущэствугацие технологии выполнения и виды внутренних антикоррозионных покрытий (облицовок) водопроводных труб на основе цемента.

Дан обзор исследований технологических й эксплуатационных свойств цементно-пзсчаных покрытий водопроводных труб,

- б -

выполненных в нашей стране (Горячев Ей , Иванов Ф. М. , Кор-нопелев К А., Шевелев А. Ф., Яновский XX Г. и др.) и за рубежом.

Анализ литературных источников и натурные наблюдения позволили сделать вывод, что если в процессе .производства при назначении состава подобных покрытий не учитываются возможные изменения показателей качества применяемых материалов и условия твердения, то это может привести не только к перерасходу цемента, но и к самоотслоению' облицовки до начала эксплуатации.

На основании исследований в области структурной теории бетона, выполненных учеными: А. В. Акимовым, В. Е Акимовым, Л. А. Алимовым, XX М. Баженовым, Е Е Ворониным, Г. И. Горчаковым, Е А. Ефимовым, О. Е Культовым, Г. М. Соболевым, Е М. Уруевым, а также на основании изучения результатов исследований свойств бетона, опубликованных в работах С. Н. Алексеева, А. Е Волженс-кого, 0. А. Гершберга,' Л. И. Дворкина, Г. Я Дементьева, XX Е Зайцев ва, Ф. М. Иванова, А. Ф. Мацкевича, К. Е Михайлова, Е М. Москвина, Т. К. Пауэрса, К А. Попова; Е Е Стодьникова, КХ С. Черкинского, П. Д. Чистова, А.Е. Шейкина и др. теоретически обосновано утверждение, что исследование различных свойств бетонной смеси и мелкозернистого бетона; предназначенного для внутренней антикоррозионной облицовки стальных труб, а также оптимизацию состава такого бетона целесообразно осуществлять на основа его структурных характеристик истинного водоцементного отношения (V) и объёмной концентрации цементного теста-камня (С).

Исходя из потребностей производства, в рамках диссертационной работы, по результатам натурных испытаний ультразвуковым методом автором установлено, что основной причиной трещинообразования в облицовке являются усадочные деформации мелкозернистого бетона. Обосновано предположение, что избыточная прочность облицовки на растяжение (Бр), препятствующая уменьшению в ней посредством образования микротрепаш внутренних напряжений,при недостаточной прочности сцепления с металлом на сдвиг (Т), является одной из причин ей самоотслоения. Предложено'допускаемое соотношение между указанными показателями

1 >, Т/Яр >, 1/3. ~ (1)

В заключение первой главц сформулированы цель и задачи исследований. '

Во второй главе приведены сведения о методиках экспериментальных исследований, свойствах используемых материалов, сформулированы цель и программа экспериментов.

Дано описание методов количественной оценки следующих качественных показателей мелкозернистого бетона и бетонной смеси:

- плотности и реологических свойств;

- прочности на сжатие и растяжение при изгибе;

- трещиностойкости и сцепления со сталью;

- проницаемости агрессивными ионами и. пассивирующей способности;

- коррозионной стойкости.

Изложены разработанные диссертантом нестандартные методы испытания отдельных свойств мелкозернистого бетона.

Определение прочности на сжатие (Я) и растяжение при изгибе (йр. и) производилось не только с помощью регламентированных ГОСТ 310.4-81 образцов-призм, но и й использованием натурных фрагментов облицовки, испытанных методом продавЛиван ия на сконструированном автором пресс-штампе.

Испытания реологических свойств бетонной смеси предусматривали оценку подвижности по глубине погружения (ОК) эталонного конуса СтройЦНИЛа и определение максимальной толщины набрызга без оплыва (Ь) на вертикальных и потолочных поверхностях стальных труб.

Автором предложен и выполнен нестандартный способ совестного определения на образцах-кольцах, наготовленных, в формах со стальным сердечником, трещиностойкости и сцепления со сталью мелкозернистого бетона с учётом влияния его усадки (Т).

Определение проницаемости мелкозернистого бетона активирующими сталь ионами осуществлялось нестандартным методом на образцах-призмах с установленными внутри арматурными стержням! на основании изменения стационарных электрохимических

потенциалов "сталь-бетон" под воздействием агрессивной среды

Д Е - Е1 - ЕО, (2)

где £0 - потенциал образца в дистиллированной воде после 28 суток нормального твердения, мВ;

Е1 - потенциал того же образца в 0,52 растворе N301, мВ.

Для объективной оценки пассивирующей способности испытуемых составов образцы-призмы, находившиеся в течение 1 года в проточной питьевой воде, раскалывались. На извлечённых из них арматурных стержнях производилась визуальная оценка наличия признаков коррозии.

Для оценки коррозионной стойкости мелкозернистого бетона определялось значение коэффициента стойкости (КС)

ВС - ' ЯР?и, (3)

где Йр. и прочность образцов-призм на растяжение при изгибе после 1 года выдерживания в проточной питьевой аа воде, ШЬ;

йр. и - то же после 28 суток выдерживания в камере нормального^ твердения, МПа.

Для экспериментальных исследований были использованы кварцевые речные пески с модулем крупности от 1,50 до 2,05 (ГОСТ 8735-85) и три вида цементов: портландцемент с активной минеральной добавкой ПЦ40О-Д20-Н-ГОСТ 10178-85, портландцемент без добавок Щ500-ДО-Н-Г0СТ 10178-85 и сульфатостой-кий цемент без добавок марки 400 (ГОСТ 22266-76).

Цементы имели нормированный СНиП 2.03.11-85 минералогический состав (С5Э 652; СлАч< 72; С3А + С,№ 4 222), суль-фатостойкий цемент характеризовался относительно высоким содержанием бе лита (С}Б « 502; С^Б - 302; С3А »32).

План проведения многоуровневого эксперимента охватывал область существования цементных систем: от нижней границы связности,, до верхней - тиксотропии. Твердение предусматривалось в нормально и водных условиях. Расчетные составы исследуемых цементно-песчаных облицовок с заданными структурными параметрами (Ур, Ср) определялись по методике, учитыва-

- С) -

ющэй водопотребность заполнителей в бетоне.

С учетом свойств используемых цементов составы назначались при изменении заданных значений истинного водоцементно-го отношения с шагом 0,05 в диапазоне от 0,20 до 0,45.

Изменение расчетной объёмной концентрации цементного теста-камня предусматривалось с шагом 0,2 в диапазоне от 0,2 до 1.0.

В результате сравнения эталонной зависимости периода формирования коагуляционной структуры цементного теста-камня от его В/Ц со временем формирования структуры мелкозернистого бетона, приготовленного на том же цементе, определялось фактическое водоцементное отношение цементного камня в бетоне (V) к концу формирования его коагуляционной структура .Зная фактический расход цемента в бетонной смеси (с учетом коэффициента уплотнения), производился расчет фактического значения объёмной концентрации цементного камня в бетоне (С) и фактической водопотребности песка (Вп).

Общэе количество испытанных на материалах различного качества составов - 95.

В заключении второй главы выполнена выборочная оценка соответствия результатов лабораторных испытаний фактическим свойствам цементно-песчаных облицовок, наносимых методом центробежного набрызга. Установлено, что мелкозернистый бетон, получаемый в результате центробежного набрызга при скорости полёта частиц до 18 м/с, по своим прочностным показателям близок к вибрированноку бетону того хз состава.

В третьей главе приведены результаты исследования физико-механических свойств внутренних цементно-песчаных облицовок в зависимости от их структурных параметров и качества исходных материалов.

На основании экспериментальных данных, используя аппарат регрессионного анализа, разработаны многофакторные математические модели технологических н защитных свойств цемент-, но-песчаных облицовок водопроводных труб.

Пэсле обоснования методами математической статистики перечня (^кторных величин, включаемых в анализ, выполнено рассмотрение следующей совокупности функций отклика, определявшей технологические и защитные свойства антикоррозионных об-

- 10 -

лицовок из мелкозернистого Сетона

ВП - Г(В/Ц, Л/Ц, ЯГ, Мк); , (4)

OK - f(V, С. НГ, Мк)} (5)

Rp.U » f(V, С, Аизг, Мк); (б)

• R » f(V, С, Асж, Мк); (7)

ДЕ « f(V, С, НГ, Мк); (8)

Т - f(V, С. АИЗГ); (9)

h«f(V, С, НГ); (10)

КС - f(V, С). (И)

где НГ - нормальная густота цементного теста, X;

Мк - модуль крупности песка;

Аизг - активность цемента при изгибе, МПа;

Асх - активность цемента при сжатии, МПа.

Вычисление оценок параметров полиноминальных математических моделей, адекватно описывающих изучаемые функции, выполнялось на персональной ЭВМ по составленной диссертантом программе, реализующей -метод наименьших квадратов.

Используя графические отображения математических моделей функций (4) - (11), полученные с, помощью табличного процессора на персональной àBM, выполнены анализ взаимосвязи между факторами и оценка относительного влияния калцого из них на изменение свойств цементно-песчаных облицовок.

Установлено, что полученные на различных материалах зависимости изменения водопотребкости песка в бетонной смеси от В/Ц аатворения и от П/Ц согласуются с основными положениями структурной теории бетона, согласно которым водопотреб-ность единицы массы заполнителя возрастает при увеличении количества воды аатворения (П/Ц - const) и уменьшения количества песка в смеси (В/Ц - const).

Отмечено, что фактическая водопотребность одного и того хв песка изменяется в отроком диапазоне (в 3...S paa) при .изменении соотношений между компонентами бетонной смеси.

Графические отображения регрессионных зависимостей прочностных свойств мелкозернистого бетона на материалах различного качества свидетельствует, что максимальная прочность при изгибе и сжатии достигается при некотором оптимальном

^ - И -

истинном водоцемектном отношении (Woirr), конкретное значение которого зависит от условий твердения. В бетонах нормального твердения наивьквая прочность при изгибе достигается при несколько больпем значении УЛзпт » 0,30...0,35, чем максимальная прочность на сжатие бетона того яв состава (VfanT -- 0,24...0,26).

Водное твердение не только увеличивает среднее значение прочности при изгибе, но, и значительно уменьшает Мэпт до значений близких к нормальной густоте применяемого цемента (V/Ьпт = 0,24... 0,26).

Отмечается, что в бетонах нормального твердения наблюдается стабилизация или снижение прочности на растяжение при изгибе при значениях С > 0,5...0,6.

Результаты регрессионного анализа экспериментальных данных показали, что под влиянием проникновения ионов Na С1 степень нарушения пассивности защищенной цементно-песчаной облицовкой стали зависит как от основных параметров структуры мелкозернистого бетона V и С, так и от вида и качества применяемых цемента и песка.

Минимальная проницаемость бетона.ионами Na+Cl" отмечается при минимальных значениях W, ограниченных связностью смеси (W - 0,2), с увеличением W проницаемость возрастает..

Установлено, что минимальной проницаемостью по отношению ., к активирующим сталь ионам обладали мелкозернистые бетоны' ' при концентрации цементного камня С = 0,65... 0,70 (V » const).

Анализ влияния качества применяемых материалов на проницаемость мелкозернистого бетона показал, что применение пор-тдандцементов с тонкомолотыми минеральными добавками и мелких песков (Мк » 1,5) приводит к её существенному уменьшению. Применение белитового сульфатостойкого цемента проницаемость увеличивает.

Показано, что влияние качества материалов на проницаемость уменьшается с ростом W.

Согласяо результатам изучения математической модели адгезионной способности бетона установлено, что независимо от качества применяемых материалов увеличение W до значений 0,26. ..0,30 способствует увеличению тангенциального сцепле- ■

вия мелкозернистого бетона со сталью на сдвиг. При дальнейшем возрастании V величина сцепления стабилизируется или снижается> причем более интенсивное снижение наблвдается при увеличении С.

Отмечается, что применение 'литых бетонных смесей (V > > 0,4) на цементах с высокой водоудерживающвй способностью приводит к резкому увеличению и достижению максимальной величины сцепления на сдвиг. .. к Максимальная прочность сцепления, при прочих равных условиях, достигается бетонами при концентрации цементного камня С » 0,4...0,5.

Сульфатостойкий белитовый цемент показал на 20Х большую прочность сцепления со сталью, чем алитовый цемент равной активности на сжатие.

По количеству образцов-колец, не. выдержавших испытания - на трещиностойкость, использованные в исследовании цементы расположились в последовательности уменьшения показателя их нормальной густоты. . '

При проведение длительных испытаний установлено, что наиболее интенсивно тангенциальное сцепление при нормальных условиях твердения бетона возрастает в период до 7 суток, в дальнейшей его рост резко замедляется. В течение 1 года нахождения в воде восстановления разрушенных в начальные сроки твердения адгезионных швов "бетон - сталь" не наблюдалось.

Результаты исследований максимальной толщины набрызга мелкозернистой бетонной смеси, способной удерживаться без оплыва или сползания на потолочных и боковых поверхностях стальных труб, показали, что это свойство зависит от структурных параметров.

Установлено, что максимальная толпдана набрызга облицовки достигается бетонными смесями на портландцементах повышенной водопотребности (ЯГ > 26%) при параметрах структуры: V » = 0,27... 0,28; С » 0,65... 0,70.

Результаты испытаний коррозионной стойкости образцов из мелкозернистого, бетона свидетельствуют, что проточная питьевая ■ вода не оказала на протяжении 1 года агрессивного воздействия на бетон. Вместе с тем наблюдалось изменение коэффициента стойкости бетона в зависимости от структурных пара-

метров.

Минимальную коррозионную стойкость показали недоуплот-ненные бетоны (V < 0,3) с высокой концентрацией цементного камня (С > 0,7).

На основании статистической оценки результатов длительных испытаний определены показатели качества мелкозернистых бетонов, оказывающие значимое влияние на способность облицовки к пассивации стали в проточной питьевой воде. Доказано, что с наибольшей степенью вероятности появление признаков коррозии на стали зависит от прочности при изгибе и адгезионной способности цементно-песчаной облицовки. Установлены минимальные значения указанных показателей, гарантирующие в условиях, аналогичных экспериментальным, защиту стали от коррозии с вероятностью 0,95.

ГЬ результатам анализа изменения химического состава мелкозернистого бетона, находившегося 1 год на стальном сердечнике в воде, содержащей железобактерии, доказана эффективность цементно-песчаной облицовки против биокоррозионных обрастаний и установлена определяющая ее долговечность способность замещать растворимые соединения кальция нерастворимыми в воде соединениями кремнекислого железа.

На основании данных литературных источников об изменении химического состава облицовок, находившихся в водопроводных . трубах 50 и 100 лет, а также результатов собственных экспе-' риментов с бесцементными покрытиями из кварцевого песка, сделано заключение о целесообразности применения в водопроводных трубах цементно-песчаных облицовок с низким содержанием Са( ОН), .

Одновременно доказывается, что применение полностью бесцементных облицовок или использование в качестве вяжущего цемента, в продуктах гидратации которого полностью отсутствует гидрокеид кальция, может уменьшить способность облицовки к "самозалечиванию" трещин.

В заключении третьей главы выполнено с помощью персональной ЭВМ построение в осях V - С геометрических образов (изолиний) поверхностей отклика математических моделей прочности, подвижности, проницаемости, сцепления со сталью и максимальной толвдны набрызгз, наглядно свидетельствующих,

что одни и те же количественные значения свойств' мелкозернистого бетона достигаются при различных сочетаниях V и С, в том числе.и оптимальном, обеспечивающем в заданных условиях минимальный расход цемента.

Четвертая глава посвящена практической реализации математических моделей "состав - структура - свойство" при оптимизации состава • цементно-песчаной облицовки водопроводных труб, наносимой методом центробежного набрызга.

Показано, что решение задачи оптимизации состава мелкозернистого бетона, к которому одновременно предъявляются требования по прочности, сцеплению со сталью, удобоукладыва-емости и другим свойствам, обусловливающим применение его в качестве антикоррозионной облицовки, возможно на основании совместного рассмотрения математических зависимостей указанных свойств от параметров структуры бетона, а также качества применяемых материалов.

Математическая модель условной оптимизации по критерии минимума расхода цемента состава мелкозернистого бетона внутренней облицовки водопроводных труб, наносимой методом центробежного набрызга, записана в виде

г -.Шел. ..Л14Х

[ОК] ч< ОК 4 .[ок] ;

И >, И ; Т >, 0,2 1?р. и ;

< Яр. и » [|?р. и] ; (12)

0,20 V 0,45 ; 0,15 С •.< 0,81 ;

С/( 1 //ц + V) —> [МП,

г ,1тнп. . -шах

где [ОК] и [ОК] . - минимальный и максимальный показатели подвижности бетонной смеси, обеспечивающие ее удобоперекачиваемость;

[Ь] - проектная толщина облицовки;

[кр. и] - проектная прочность облицовки на растяжение при .изгибе;

ц - истинная плотность цемента.

Предлагается графический метод решения задачи олтимиза-

ции на персональной ЭВМ, Заключающейся в построении на экране ЭВМ в осях V - С геометрических образов (изолиний) попер-, хностей отклика математических моделей, составляющих систему условных ограничений задачи, и выборе пользователем оптимальной точки V*, С*, удовлетворяющей требуемым показателям качества бетона при минимальном расходе цемента (рис.1).

Дано описание практической реализации метода в диалоговом режиме работы на персональной ЭВМ типа 1ВМ РС АТ/ХТ по составленной диссертантом программе.

Приведены оптимальные по критерию минимума расхода цемента лабораторные и производственные составы цементно-пес-чаной облицовки водопроводных груб диаметром до 1420 мм.

11а конкретном примере показано, что предлагаемый метод решения является универсальным и позволяет осуществлять подбор состава мелкозернистого бетона по различным критериям оптимизации (в приведенном примере - по максимальному сцеплению со сталью).

На приморо подбора оптимального состава внутренней облицовки труб диаметром 1020 мм показано, что решение подобных задач с помощью персональной ЭВМ позволяет изготовителю выбирать оптимальные условия технологии, материалы и составы цементно-песчаной облицовки, обеспечивавшие снижение себестоимости облицованных труб. •

В конце четвертой главы изложены перспективы дальнейших исследований применения в качестве антикоррозионной облицовки стальных труб цементных и шдимерцементных растворов на

основе вяжущих, низкой водопотребности (ВНВ).

♦

V у

осноашз выводы

1. Мелкозернистый бетон является технологичным, экологически безопасным и экономически эффективным материалом для внутренней облицовки стальных водопроводных труб, способным длительное время обеспечивать их эксплуатацию без внутренней коррозии и биологических обрастаний в результате ' создания щелочной среды, способной связывать содержащиеся в воде и продуктах коррозии труб ионы двухвалентного железа.

2. Экспериментально установлена способность мелкозернис-

того бетона, находящегося длительное время в питьевой воде в адгезионном зацеплении со сталью, заменить без разрушения в своем составе соединения кальция соединениями железа, что является важным фактором долговечности' цементно-песчаных покрытий в условиях выщелачивания извести.

3. Доказана.целесообразность применения для внутренней цементно-песчаной облицовки водопроводных труб белитовых сульфатостойких цементов, способных образовывать цементный камень с максимальным содержанием гелевидной фазы СБН,.облагающей повышенной адгезией к стали, максимальной способностью связывать ионы железа в устойчивые соединения и образующей в процессе гидролиза максимальное количество геля кремнекислоты, являющегося нетоксичной смазкой внутренней поверхности труб. Уменьшение в цементном камне крупнокристаллической фазы Са(ОН)г будет способствовать увеличению долговечности облицовки.

4. 1Ь казаны объективные условия для "самозалечивания" трещин во внутренней цементно-песчаной облицовке водопроводных труб, работающих полным сечением, за счет отложения карбоната кальция из'воды со смещенным известковоуглекислотным равновесием, находящейся в трещинах с повышенным значением рН, а также в результате непосредственного физико-химического взаимодействия гидроксида кальция цементого камня с би-

' карбонатом, содержащимся в воде.

5. Доказано экспериментально, что величина адгезионного сцепления со сталью на сдвиг (Т) и прочность на растяжение при изгибе (1?р. и) определяют не только несущую .способность облицовки, но и её антикоррозионную способность. Лабораторными исследованиями установлены минимально допускаемые зна-

' чения указанных показателей (соответственно 1,8 и 8,6 МПа), гарантирующие с вероятностью 95Х защиту от внутренней корро-• зии водопроводов питьевой воды. . .

' 6.. Экспериментально установлены и теоретически обоснова-. ны математические зависимости подвижности, прочности при сжатии и изгибе, сцепления со сталью, проницаемости, максимальной толщины"набрызга и коррозионной стойкости мелкозернистого бетона от параметров его структуры: истинного водо-.цементного отношения (И) и объёмной концентрации цементного

теста-камня (С), а также показателей качества демента и песка, позволяющие осуществить постановку задачи условной оптимизации состава внутренней цементно-песчаной облицовки водопроводных труС по минимуму расхода цемента и оперативно корректировать оптимальный состав при изменении свойств применяемых материалов, условий технологии и проектных параметров облицовки.

7. Для решения в производственных условиях подобных задач разработан универсальный графический метод, реализуемый на персональной ЭВМ и гарантирующий получение» прогнозируемо^ го результата с погрешностью не более 67. по отношению к фактическим прочностным и реологическим свойствам облицовки.

8. Анализ математических моделей физико-механических свойств цементно-песчаных облицовок показал, что максимальные значения сцепления со сталью и прочности на растяжение при изгибе при твердении в нормальных условиях достигаются бетонами оптимальной структуры {V *» 0,25...0,35; С = 0,45...О,СО). Дальнейшее» увеличение содержания Цементного камня в облицопко (С - р,65.., 0,70), обеспечивает максимальную толщину набрызго без оплыва до 12...15 мм и снижение проницаемости активирующими сталь ионами. Возникающее в дан-пом случае деструктивное влияние усадки может быть компенсировано водными условиями твердения. Применение в водопровод-, ных трубах в качестве внутренней антикоррозионной облицовки мелкозернистых бетонов с более высоким содержанием цементного камня (С > 0,70) и, тем более, защитных слоев из цементного камня не рекомендуется из-за снижения коррозионной стойкости и увеличения опасности самоотрлоения облицовки.

9. Согласно результатам подбора оптимальных лабораторных-составов цементно-песчаных облицовок, наносимых в водопроводных трубах методом центробежного набрыага с использованием портландцементов марок 400... 500 и речных песков с модулем крупности 1,5...1,8, отмечается, что получение облицовок толщиной 6... 9 мм с требуемыми эксплуатационными качествами (Ир. и >, 8,6 МПа; Т ^ 1,8 МПа) из удобоперекачиваемых смесей возможно при минимальном расходе цемента 689... 833 кг/куб- м (П/Ц = 1,1...1,7; Б/Ц = 0,43...0,48). Условие обеспечения гарантируемой толщины наОрызга без оплыва 10... 12 мм вызыва-

ет необходимость увеличения минимально возможного расхода цемента до 713... 1150 кг/куб.м (П/Ц » 0,5. ..1,6; В/Ц = « 0,36.. .0,48). Точные значения расхода цемента и соотношений между компонентами бетона определяются качеством применяемых материалов, условиями твердения и особенностями технологического оборудования, выбор оптимального сочетания которых позволяет снизить расход цемента на 20.. .ЗОХ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих ' работах:

1. Зильберберг С. Д., Кузин Д. А. Антикоррозионная защита внутренних поверхностей стальных труб // Передовой опыт в строительстве: Экспресс-информация / ОНГИ ПГИ Минсевзапстроя СССР. Сер. Механизация стр-ва, эксплуатация и ремонт строительной техники, 1987. Вып. 2. -С. 16-21.

2. Зильберберг С. Д., Кузин Д.-А., Зайцев Е Е Внутренняя антикоррозионная облицовка Ьтальных труб // Интенсивный путь развития строительства: Тез. докл. областной науч. конф. / НТО Стройиндустрии. -Горький, 1987. -С. 93-95.

а Кузин Д. Á. / Зильберберг С. Д. Комплексный метод оценки качества внутренней цементно-песчаной изоляции стальных труб // Интенсивный путь развития строительства: Тез. докл. областной науч. конф. / НТО Стройиндустрии. -Горький, 1987. " -С. 113-115.

4. Кузин Д. А. Определение прочности внутренней цемент-но-песчаной изоляции стальных труб методом штампа: Информ. листок о научно-техн. достижении N87-24 / Горькцвский ЦНТИ. Горький, 1987. -4с.

5. Кузин Д. А. Магнитный метод определения толщины внут-" ренней цементно-песчаной облицовки стальных труб: Информ.

листок N184-87 / Горьковский ЦНТИ. Горький, 1987. -4с.

6. Кузин Д. А. Определение прочности ' внутренней цеыент-но-песчаной изоляции стальных труб с помощью штампа // Бере-

. довой опыт в строительстве: Экспресс-информация / ОНТИ ПТИ Ыинсевзапстроя СССР. Сер. Механизация строительства, эксплуатация и ремонт строительной техники, 1987. Вып. 7. -С. 14-15.

7. Зильберберг С.Д. , Куаин Д..А., Гумаров A.A. Строительство магистрального водовода с цементно-песчаным покрытием

- 19 -

// Водоснабжение и сан. Техника. -1988. -Na -тС. 11-12.

8. Кузин Д. А. Совершенствование технологии внутренней антикоррозионной защиты стальных труб песчаным бетоном // Монтажные и специальные работы в строительстве. -1988. -Mil. -С. 22-23.

9. Кузин Д. А. Совершенствование технологии внутренней антикоррозионной защиты стальных труб песчаным бетоном и ультразвуковой контроль качества защиты // Передовой производственный опыт, рекомендуемый Минеевзапстроем СССР для внедрения в строительстве: Научн. техн. информ. сб. / ОНТИ ИГЛ Минсевзапстроя СССР. -1989. -Вып. 1. -С. 19-22.

10. Кузин ДА. Определение трещиностойкости и сцепления со сталь» тонкостенных цементно-песчаных облицовок: Информ. листок N336-91 // Нижегородский ЦНГИ. Н. Новгород, 1991. -4с.

И. Кузин Д. А. Метод определения проницаемости мелкозернистых бетонов внутренней антикоррозионной облицовки стальных труб: Информ. листок N535-91 '/ Нижегородский ИНГИ. Н. Новгород, 1991. -4с.

12. Кузин Д. А. Выбор показателей качества и оптимальных составов мелкозернистого бетона внутренней антикоррозионной облицовки стальных водопроводов: Информ. листок N76-92 / Нижегородский ЦНГИ. Е Новгород, 1992. -4с.'

13. Кузин Д. А. Оптимизация состава внутренней цемент-: но-песчаной облицовки стальных водопроводов // Энергетическое строительство. -1992. -N7. -С. 46-50.

14. Кузин Д. А. Расчет оптимальных составов тяжелых и мелкозернистых бетонов на персональной ЭВМ // Научно-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов: Тез. докл. -Н. Новгород: НАСИ, 1992. С.-43..

Соискатель

Д. А. Кузин

Рис.1. . Графическое решение задачи оптимизации состава, цементно-песчаной облицовки в трубах диаметром 1020 мы (а, в) и диаметром 1420 ш (с).

Материалы: цемент 500 (НГ=26,596), песок Мк=1,5. Твердение воднсн . Условные обозначения изолиний:

---—- ОК, мм

-— МПа

_ _____% , Ша .

-Л. мм