автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Водопропускные трубы на основе модифицированного сталефибробетона

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. 11 1.1.Современные представления о путях повышения статической и динамической прочности цементных бетонов.

Эксплуатационная надежность и долговечность бетонных дорожных изделий.

1.3. Существующие пути повышения прочности и долговечности бетонных дорожных изделий.

1.4. Постановка цели и задач исследований.

2.РАБОТА ДИСПЕРСНО АРМИРОВАННОГО БЕТОНА ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ.

2.1. Природа статического и динамического упрочнения бетона при дисперсном армировании.

2.2.Теоретическая оценка критической объемной концентрации фибры в объеме композита.

2.3. Критерии оценки ударной выносливости бетона.

Выводы.

3.ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И

МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 .Характеристика исходных материалов.

3.1.1. Характеристики цемента, заполнителей и дисперсных армирующих материалов.

3.1.2. Пропиточные композиции на основе водорастворимой серы.

3.2. Методы экспериментальных исследований.

3.2.1.Методы исследований статической и динамической стойкости дисперсно армированных бетонов.

3.2.2. Методы исследований показателей бетонных и сталефибробетонных изделий, модифицированных пропиточными составами.

3.3. Математическое планирование эксперимента.

Выводы.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИСПЕРСНОАРМИРОВАННЫХ

БЕТОНОВ.

4.1. Исследования фибробетона на основе стальной фибры.

4.2 Исследования фибробетона на основе синтетической фибры. 160 4.3. Анализ ударной стойкости бетонов по параметрам динамического упрочнения и выносливости.

Выводы.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЕТОННЫХ И СТАЛЕФИБРОБЕТОННЫХ ДОРОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРОПИТАННЫХ ВОДОРАСТВОРИМОЙ СЕРОЙ.

5.1. Параметры порового пространства бетонов и сталефибробетонов, модифицированных водорастворимой серой.

5.2. Модифицирование поровой структуры бетонов и сталефибробетонов пропиточными композициями на основе водорастворимой серы.

5.2.1. Исследование и выбор параметров режима пропитки

- цементных структур водорастворимой серой.

5.2.2. Исследование влияния режимов пропитки водорастворимой серой на прочность, водопоглощение и другие характеристики бетонных и сталефибробетонных дорожных изделий.

5.2.3.Исследование ударной выносливости бетона, пропитанного модифицированной серой.

Выводы.

6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЕФИБРОБЕТОННЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ. ОЦЕНКА СРАВНИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФЕКТИВНВСТИ.

6.1. Опытно промышленные исследования возможности получения водопропускных сталефибробетонных труб повышенной прочности и долговечности в условиях действующего производства на

ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор».

6.2. Разработка технологических схем модифицирования бетонных изделий пропиткой водорастворимой серой. Внедрение сталефибробетонных водопропускных труб в практику дорожного строительства.

6.3. Оценка экономической эффективности.

Выводы.

Водопропускные трубы являются одним из наиболее массовых сборных железобетонных дорожных изделий, используемых в водопропускных сооружениях при строительстве и реконструкции дорог всех категорий в различных климатических зонах. В среднем на 1 км дорожного полотна приходится от 1 до 1,4 сооружений на основе водопропускных труб. Эксплуатационная надежность и долговечность данных изделий во многом определяет и частоту межремонтных периодов в цикле эксплуатации автодорог.

Наибольшее распространение в практике дорожного строительства получили безраструбные круглые трубы (рис. 1) с плоским опиранием (внутренний диаметр 1; 1.5; 2,0 м, толщина стенки 10,12,16, 20 см), которые не требуют лекальных опорных элементов, а также имеют меньший расход материалов и большую технологичность при изготовлении, чем трубы прямоугольного сечения. В силу того, что эпюра изгибающих моментов по сечению трубы от веса вышележащей насыпи имеет знакопеременный характер, при изготовлении труб приходится применять двойное кольцевое армирование с достаточно частым шагом (70 - 120 мм), при этом обычно используется арматура класса А400 08 - 12 мм. Применение рабочей арматуры большего диаметра нерационально из-за сложности изготовления спиральных каркасов и увеличения толщины защитного слоя бетона, но даже при использовании арматуры малого диаметра и дорогостоящих мелкозернистых фракционированных щебеночно-гравийных смесей защитный слой бетона составляет 25-30 мм, что при малой толщине стенки труб «съедает» не менее 15 — 30% ее несущей способности. Вследствие этого общий процент армирования и, соответственно, стоимость 1м3 изделия достаточно высока и намного превышает аналогичные показатели железобетонных изделий и конструкций другого назначения. Но даже выполнение этих требований в большинстве случаев не приводит к повышению качества и снижению высокого процента брака при производстве труб, так как стандартные режимы виброформования данных изделий изменяют геометрическое положение гибких арматурных каркасов. Зачастую это приводит к существенному занижению толщины защитного слоя бетона и увеличению ширины раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках, что совместно с неблагоприятным влиянием сезонных климатических воздействий (попеременное замораживание и оттаивание, замачивание-осушение, выщелачивание бетона, истирание внутренней поверхности и др.) приводит к повреждению защитного слоя бетона, коррозии арматуры и значительному снижению срока службы водопропускных труб.

Водопропускные трубы подвергаются значительным динамическим и ударным воздействиям при транспортировке и укладке в насыпь дорожного полотна, засыпке и уплотнении тяжелой техникой, в цикле эксплуатации, а ударная стойкость даже массивных (например забивные железобетонные сваи), а тем более тонкостенных конструкций, как показывает практика, явно недостаточна. Данное обстоятельство еще более усугубляет проблему и увеличивает процент дефектности и брака данных изделий.

Перспективным является использование в производстве водопропускных труб для автомобильных дорог дисперсноармированного бетона, обладающего повышенной статической, динамической прочностью и трещиностойкостью. Дисперсное армирование оказывает позитивное влияние на всю совокупность физико-механических характеристик бетона, при этом особенно значительно повышается его ударная выносливость (до 10 раз). Возможности организации производства сталефибробетонных изделий в регионе могут быть реализованы в связи с тем, что в Челябинской, Курганской областях, г.Уфе работает несколько производств стальной фибры (НПК "Волвек" г.Челябинск, ЗАО "Курганстальмонтаж" г.Курган, НПП "Инвертор" г.Уфа, ООО "ММК - МЕТИЗ" г.Магнитогорск).

Другим направлением улучшения комплекса характеристик бетонов дорожных изделий, важным для повышения долговечности, является модифицирование бетона пропиткой элементарной серой и полимерами, ^ позволяющее значительно повысить морозостойкость и водонепроницаемость бетонных и железобетонных изделий, значительно снизить поверхностный износ, причем подобного улучшения качественных показателей бетона сложно достичь традиционными способами, такими как пластифицирование и применение жестких режимов уплотнения бетонных смесей. Однако существующая технология горячей пропитки серой реализуется при достаточно высоких температурах (140 - 150 °С), что в большинстве случаев делает процесс производства энергоемким и нетехнологичным. Специалистами НИИ «Реактив» и УГНТУ (г.Уфа) до (Р.С.Мусавиров, И.А.Массалимов, В.В.Баб ков и др.) разработан способ модификации серы с переводом ее в водорастворимую форму, который позволяет осуществлять пропитку бетонных и железобетонных изделий и конструкций при нормальных температурах, что значительно упрощает и удешевляет всю технологию и делает ее доступной для производства.

Настоящая работа посвящена разработке технологии производства и исследованию эксплуатационных характеристик сталефибробетонных водопропускных труб, модифицированных водорастворимой серой.

Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» Уфимского государственного нефтяного технического университета и в I?!- ГУП «Башкиравтодор» в рамках тематического плана - "Разработка и внедрение технологии изготовления сталефибробетонных изделий дорожного назначения" программы научно-технического сопровождения объектов строительства, принятой на период 2000-2005 гг. Кабинетом министров и Государственным комитетом по строительству Республики Башкортостан.

Цель работы состоит в разработке эффективных технологических способов получения бетонных водопропускных труб высокой прочности, морозостойкости и долговечности, реализуемых применением сталефибробетонных смесей и модифицированием структуры бетона пропиткой водорастворимой серой. Научная новизна:

• Установлены оптимальные геометрические параметры стальной фибры, достигающие наилучшего сочетания прочности и технологичности применительно к изготовлению тонкостенных изделий типа водопропускных труб.

• Обосновано минимальное и оптимальное объёмное содержание стальной фибры, обуславливающее значительное повышение прочности на растяжение, трещиностойкости и ударной выносливости бетонов.

• Исследована возможность полной замены стержневого армирования стальной фиброй в производстве водопропускных труб при обеспечении или повышении их несущей способности, трещиностойкости, ударостойкости.

• Разработаны технологические схемы введения фибры в бетонную смесь с использованием двухвального смесителя принудительного действия, обеспечивающие ее равномерное распределение в объеме и исключающие комкование и образование «ежей».

• Исследована эффективность пропитки сталефибробетонных дорожных труб принципиально новой пропиточной композицией - водорастворимой серой.

Основные положения выносимые на защиту:

• результаты исследований по изучению влияния дисперсного армирования на прочность, трещиностойкость, ударную выносливость сталефибробетона и дорожных водопропускных труб на его основе;

• технология производства сталефибробетонных водопропускных труб;

• технологические режимы и результаты исследований эффективности пропитки водорастворимой серой сталефибробетонных дорожных труб;

• результаты промышленной апробации предлагаемых технических решений в производстве дорожных водопропускных труб.

Практическое значение работы заключается в повышении трещиностойкости, ударной выносливости и долговечности дорожных водопропускных сталефибробетонных труб по сравнению с производимыми по традиционной технологии. Применение в условиях действующего производства разработанной технологии изготовления и пропитки композицией водорастворимой серы сталефибробетонных водопропускных труб обеспечивает значительное улучшение показателей изделий по трещиностойкости, морозостойкости (до F300 и более), истираемости (до 1,5 раз), ударной выносливости (до 5 раз и более).

Экономический эффект при производстве пропитанных сталефибробетонных водопропускных труб складывается из уменьшения требуемых производственных площадей и исключения затрат на изготовление, сварку и монтаж арматурных каркасов, работ по устройству обмазочной битумной гидроизоляции на наружной поверхности изделий, а так же за счёт повышения долговечности изделий до 1,5-2 раз.

Расширена номенклатура дорожных изделий, производимых по разработанной с участием автора технологии, вошедшая в нормативно-техническую документацию (ТУ 5859-002-03433484-2004 «Блоки водопропускных труб сталефибробетонные круглые сборные»).

В период с 2001 по октябрь 2004 гг. на ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» выпущено более 3000м сталефибробетоных смесей из которых изготовлены круглые водопропускные трубы разных типоразмеров и телескопические водосбросные лотки. В феврале 2004г. там же изготовлена опытная партия сталефибробетонных водопропускных труб с плоским опиранием диаметром 1м и длиной 2м, пропитанных композицией на основе водорастворимой серы, в количестве 50 шт. Данные дорожные изделия повышенной прочности и долговечности были использованы при строительстве ряда объектов дорожного комплекса Республики Башкортостан, а на автодороге Абдулмамбетово-Хамитово в Бурзянском районе построена и взята под наблюдение экспериментальная труба без устройства гидроизоляции битумом.

Основные положения работы докладывались на научно — технических конференциях УГНТУ (г. Уфа, 2001-2003гг.), специализированных конференциях - «Дороги Башкирии» (г.Уфа, 2001-2003гг.); на международной технической конференции «Наука-образованиепроизводство в решении экологических проблем» (г.Уфа, 2002г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса Республики Башкортостан» при международной специализированной выставке «Строительство, коммунальное хозяйство, энерго-ресурсосбережение 2003» (г.Уфа, 2003г.); научно-техническом семинаре при международной выставке «Уралстрой -2003» (г.Уфа, 2003г.), на восьмых академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения», (г.Самара, 2004г.)

По результатам исследований опубликовано 10 статей и тезисов докладов, 3 монографии, выпущены технические условия, получен патент на изобретение № 38881 от 10 июля 2004г. «Водопропускная труба». Технические разработки отмечены дипломом II степени в номинации «Технологии, материалы и оборудование ресурсоэнергосбережения» на международной выставке «Уралстрой -2003».

Выводы

1. Предложено обоснование влияния дисперсного армирования на статическое и динамическое упрочнение цементных бетонов.

Установлено, что положительное влияние дисперсного армирования на структуру бетона и его физико-механические характеристики определяются следующими факторами: на стадии структуро о бразо вани я

- перераспределением напряжений при пластической усадке от наиболее опасных зон на весь объём бетона; при нагружении

- торможением роста трещин; снижением концентрации напряжений в окрестности макродефектов, выравниванием напряжений в структуре бетона и их перераспределением между составляющими бетона.

2. Получена теоретическая оценка минимальной объемной концентрации дисперсной фибры в объеме композита, обусловливающей i-f достижения начальной объемно-пространственной связности фиброструктуры.

3. Показано, что повышение ударной выносливости бетона, описываемой линейной зависимостью в полулогарифмических координатах числа ударов до разрушения от относительного уровня динамических напряжений, может быть количественно охарактеризовано через изменение характеристик названной зависимости - коэффициента динамического упрочнения и коэффициента выносливости.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Характеристика исходных материалов

3.1.1. Характеристики цемента, заполнителей и дисперсных армирующих материалов

В опытах использовали следующие материалы. Цементы: портландцемент марок ПЦ 400, ПЦ 500 производства Стерлитамакского ОАО«Сода» (г.Стерлитамак, Республика Башкортостан), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85*. Характеристики цемента приведены в табл. 3.1-3.2.

1. Тонкость помола по остатку на сите, % по массе ГОСТ 10178-85*

2. Нормальная густота цементного теста (НГЦТ) ГОСТ 10178-85*

3. Сроки схватывания, ч-мин ГОСТ 10178-85*139

4. Предел прочности при изгибе/?^,МПа Предел прочности при сжатииМПа

5. Заполнители плотные Зерновой состав щебня (гравия, песка), % по массе

6. Содержание в щебне (гравии, песке) пылевидных, илистых и глинистых частиц, по массе

7. Плотность щебня (гравия, песка)/, г/см3

8. Объемная насыпная масса щебня (гравия, песка) у1и кг/м3

9. Влажность щебня (гравия, песка) W, % по массе1. Модуль крупности песка Мк

10. Растворы Подвижность свежеприготовленного раствора, см

11. Объемная масса затвердевшего раствора у0, кг/м3 Предел прочности раствора на сжатие R^, МПа

12. Предел прочности раствора на растяжение при изгибе Rpu, МПа1. Смеси бетонные

13. Подвижность бетонной смеси (осадка конуса) ОК, см1. Плотность раи, кг/м31. Бетоны

14. ГОСТ 10178-85* ГОСТ 10178-85*

15. ГОСТ 8269-97, ГОСТ 8736-93*

16. ГОСТ 8736-93* ГОСТ 8736-93* ГОСТ 8736-93*

17. Прочность на сжатие Я^^МПа

18. Прочность на растяжение при изгибе Rpu, МПа Призменная прочность Rnp, МПа Модуль упругости Е, МПа

19. Ударную стойкость (выносливость) бетона исследовали по нестандартным методикам: количеству ударов до разрушения или по ударной выносливости, определяемых испытанием образцов на

20. ГОСТ 8736-93* ГОСТ 8735-88

21. ГОСТ 5802-78 ГОСТ 5802-78 ГОСТ 5802-781. ГОСТ 5802-78

22. ГОСТ 10181.1-81 ГОСТ 10181.1-811. ГОСТ 10180-90

23. ГОСТ 10180-90 ГОСТ 24452-80 ГОСТ 24452-80вертикальном копре со свободно падающим грузом.

24. Рис. 3.2. Узел подъема груза.

25. Рассмотрим подробнее конструкцию узла подъема груза (см. рис. 3.2).

26. На тихоходный вал редуктора (1) на шпонке насажено зубчатое колесо (2). К муфте (3) жестко прикреплен рычаг и на прочном болту -собачка (4). Для предотвращения соскакивания с вала муфта фиксируется крышкой.

27. Для испытания кубов с ребром 7,07 см имеется полусфера, радиусом 20 см обеспечивающая равномерное распределение ударных нагрузок на образец, которая устанавливается непосредственно на образец.

28. Анализ выделенных характерных стадий поведения бетона при последовательных ударах сбрасываемым грузом показывает, что вторая из них точнее всего отражает картину разрушения.

29. Другой способ оценки ударной выносливости бетона, как было показано в главе 2, связан с расчетом характеристик kdn &гна основе определения связи числа ударов до разрушения и относительного уровня нагружения бетона ст J R.

30. Динамическое напряжение в бетоне crd при ударе согласно М. Венюа 30. может быть рассчитано по формуле:ad=KkEd4h (3.3)1 / огде Кк коэффициент (постоянная) копра, м \Ed- динамическиймодуль упругости, МПа; h высота сбрасывания груза, м.

31. Сказанное в равной степени относится ко всем приборам в измерительной цепи: датчик усилительное устройство - регистрирующее устройство.

32. В работе использовали тензодатчики сопротивления типа 2ПКБ-10.100Б, имеющие сопротивление 100 Ом и базу 30 мм. В качестве усилительного устройства был выбран тензометрический прибор Т-11М, а в качестве регистрирующего светолучевой осциллограф Н-117.

33. Отработка методики измерения динамических напряжений и определения коэффициента Кк для вертикального динамического копра была проведена применительно к условиям испытаний кубов с ребром 7,07 см.