автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Железобетонные конструкции, получаемые с использованием низкотемпературной плазмы, их исследование и расчет

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи УДК 624.012.3

КОМАРОВА Елена Владимировна

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ, ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Толъяттинском Политехническом институте

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Задворнев Геннадий Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Тананайко Олег Дмитриевич

- кандидат технических наук, доцент Теряник Владимир Васильевич

Ведущая организация - Проектное управление АО АвтоВАЗ

Защита состоится 8 октября 1997 г. в 15.30 час. на заседании диссертационного совета К 114.03.02 Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу. 190031 г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан " X " еги/ПЛ-И'и^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

М.П.Забродин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выбор конструкций для строительства зданий и сооружений определяется чаще всего прочностными характеристиками материала. В настоящее время предпочтение в большинстве случаев отдается железобетонным конструкциям. Наряду с преимуществами железобетонные конструкции имеют и ряд недостатков, связанных прежде всего с их массивностью и, соответственно, большим весом на единицу несущей способности. Поэтому задачи, связанные с решением вопросов увеличения несущей способности железобетонных конструкций, являются, безусловно, актуальными.

Решение этих задач ведется в настоящее время различными способами, в том числе путем влияния на прочность бетона различных сред, особенно в процессе изготовления конструкций. В данной работе выбран путь использования для этой цели нетрадиционного для строительства источника - низкотемпературной плазмы. Низкотемпературная плазма является концентрированным источником энергии высокоэффективным с физической и химической стороны. Использование такой энергии для обработки бетонных и железобетонных конструкций в определенных условиях может привести к увеличению их прочностных и других характеристик.

Работа посвящена исследованиям именно этих сложных вопросов изменения несущей способности железобетонных конструкций при воздействии низкотемпературной плазмы и разработке методики их расчета.

Работа связана с темами научно-исследовательских работ: программы "Сибирь" (разделы 9, 10 блока 5.1), госбюджетной темы "Новые материалы и конструкции" и нескольких тем по заказам предприятий.

. Цель работы - повышение несущей способности бетонных и железобетонных конструкций путем использования низкотемпературной плазмы и разработка методики расчета сжатых и изгибаемых элементов с учетом параметров плазменного прогрева и нелинейной работы при действии нагрузки.

Методы исследований. Разработка методики расчета железобетонных конструкций, в том числе и с учетом нелинейности работы, основывалась на известных, проверенных практикой, теоретических положениях, полученных для аналогичных конструкций, изготавливаемых по используемым ранее технологиям. Вывод формулы для определения прочности бетона с учетом технологических факторов производился на основе использования известных уравнений теплофизики. Механические испытания образцов, моделей конструкций и конструкций в натурную ве-

личину производились с использованием стандартного оборудования с соблюдением требований действующих ГОСТов. Температура в каме] твердения изделий замерялась датчиками. Характеристики теплоносит лей (ионизированного газа) определялись на специальном стенде.

Научная новизна работы заключается:

1) в установлении механизма увеличения прочности бетона под воздействием низкотемпературной плазмы, которое происходит за счет увеличения внутрипорового давления, колебаний среды с частотой 15-; кГц, активизации химических реакций;

2) в обнаружении влияния на прочность бетонных и железобетон ных конструкций степени ионизации газа, используемого для прогрева;

3) в определении основных параметров прогрева, влияющих на не сущую способность бетонных и железобетонных конструкций;

4) в математической зависимости прочности бетона от параметро] плазменного воздействия и основанных на ней методик расчета сжатых и изгибаемых элементов по прочности;

5) в разработанной методике нелинейного способа расчета сжаты; и изгибаемых железобетонных элементов после плазменной обработки по деформациям.

На защиту выносятся:

1) обнаруженный эффект увеличения прочности бетонных и желе зобетонных конструкций под воздействием низкотемпературной плазмы;

2) определенные параметры плазменного прогрева, дающие увели чение несущей способности бетонных и железобетонных конструкций;

3) математическая зависимость прочности бетона от параметров плазменного воздействия;

4) методика расчета сжатых и изгибаемых элементов по прочност: с учетом увеличения прочности за счет воздействия низкотемпературщ плазмой;

5) методика расчета сжатых и изгибаемых элементов по деформациям с учетом нелинейной работы бетона и арматуры под нагрузкой

и в зависимости от степени воздействия низкотемпературной плазмой.

Практическая ценность. Железобетонные конструкции, обработан ные низкотемпературной плазмой и рассчитываемые по предлагаемым методикам, используются в 1994-97 годах в подразделениях треста "Уренгойгазстрой". Ежегодный экономический эффект внедрения сост; вляет в ценах 1996 года - 1150000000 рублей в год. В ПО "Поволжское" в 1995 году изготовлена камера прогрева 2,5 х 3 х 7,5 м3, оборудованная двумя плазмообразующими установками. Ожидаемая экономическая эс

фективность (в ценах 1997 года) 760000000 рублей в год. Для АвтоВАЗа разработаны рабочие чертежи технологической линии производительностью 10000 м3/год изделий.

Разработанные плазмообразующие установки и плазмотроны технологического назначения выпускаются серийно и применяются в настоящее время в РИЦ СО РАН, Омском АДИ, тресте "Уренгойгазстрой", АвтоВАЗе, ПО "Поволжское", Волжской ГЭС.

Апробация. Материалы работы докладывались на международной конференции "Плазменные технологии" (Самара, 1996 г.); республиканской научно-практической конференции "Плазменные технологии строительного производства" (Тольятти, 1994 г); научно-технических конференциях ТолПИ (Тольятти, 1993, 1994,1995,1997 г.г.).

Публикации. Материал диссертации изложен в 7 научных трудах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 154 наименований. Объем работы 214 страниц, включая таблицы на 15 страницах, рисунки на 62 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОЧНОСТИ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Известно, что прочность бетона при сжатии на порядок выше, чем при других видах напряженно-деформированного состояния. Поэтому проектирование конструкций производят таким образом, чтобы на бетон передавались в основном напряжения сжатия. Исходя из этого теории прочности бетона в большинстве случаев рассматривают его предельное состояние при сжатии. При этом исходят из того, что бетон - композитный материал, матрицей которого является цементный камень.

Поскольку заполнители можно подобрать необходимой прочности, то прочность бетона определяет цементный камень. По теории твердения Ле Шателье гидратация цемента происходит через раствор, Михаэлиса -путем уплотнения твердеющего геля. А.А.Байков выделил три периода твердения: растворения, коллоидации и кристаллизации. В.Б.Ратинов и Т.И.Розенберг считают, что ход твердения определяет гидратация по кристаллизационному механизму. В.Хансен показал, что гидратация может идти и по топохимическому механизму. Таким образом, очевидно, что присутствие ионизированного газа будет влиять на механизмы твердения цементного камня.

Прочность цементного камня может быть определена по зависимостям, предложенным Фере и Малюгой. Прочность бетона описывают по теориям: первой феноменологической (как изотропное тело), статической (по Гриффитсу и Гордону как изотропное тело с дефектами) или второй феноменологической (как композитный материал).

Твердение бетонных и железобетонных изделий при обычной температуре применяется редко. Для ускорения твердения изделий применяют тепловую обработку: пропаривание в камерах; пропаривание при повышенном давлении в автоклавах; контактный прогрев; прогрев в бассейнах с водой; с использованием "холодного тумана"; в электромагнитном поле и др. Изменение прочности изделий в зависимости от технологических факторов отражено в работах В.П.Попова, Т.И.Барановой, С.Н.Булгакова, А.П.Прошина, Г.В.Мурашкина, П.Г.Комохова, В.И.Соло-матова, Ю.М.Баженова, Е.Д.Кузьмина, Г.Конинга, А.Пооле, Р.Мехта и др. Анализ этих работ навел на мысль использования для увеличения прочности изделий обработку плазмой.

Экспериментальные и теоретические исследования свойств низкотемпературной плазмы, проведенные М.Ф.Жуковым, А.С.Анынаковым, С.В.Петровым, Л.С.Полаком, А.Б.Амбразявичусом, О.Я.Новиковым, Д.Уиземом, И.Гунном, Н.Дикситом, Е.Кранцем и др. показали, что ее свойства зависят, прежде всего, от температуры и вида плазмообразую-щего газа. Анализируя свойства плазмы существующих плазмотронов был сделан вывод, что для целей обработки железобетонных изделий может быть законструирован соответствующий плазменный генератор.

При использовании низкотемпературной плазмы механизм набора прочности бетона усложняется и изменяется характер работы железобетонных конструкций под нагрузкой. Это требует использования для расчетов таких конструкций наиболее совершенных теорий. В настоящее время усилиями таких ученых, как А.А.Гвоздев, Н.А.Белолюбский, П.Л.Пастернак, А.П.Васильев, В.И.Мурашев, В.Н.Байков, Э.Е.Сигалов, В.В.Михайлов, Г.Н.Ставров, Ю.И.Тетерин, И.И.Улицкий, С.А.Дмитриев, Н.Я. Панарин, А.П.Павлов, Г.Н.Шоршнев, О.Д.Тананайко, С.С.Давыдов, В.М.Бондаренко, А.Лурье, Р.Кенен, Т.Гансен, С.Антман, А.Брандт, Р.Ол-сон, М.Кавамото, ВЛеграс, В.Рачамандран и многих других разработаны теоретические основы расчета железобетонных конструкций. Из анализа литературы был сделан вывод, что для расчета железобетонных конструкций, обработанных низкотемпературной плазмой, целесообразно использовать для определения несущей способности методы расчета по прочности, а для определения деформаций - методы нелинейной теории железобетона.

Таким образом, современный уровень развития техники и теории расчета позволяют достичь поставленной в работе цели. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Определить параметры тепловой обработки бетона низкотемпературной плазмой, обеспечивающие повышение прочности железобетонных конструкций.

2. Исследовать прочностные и деформативные свойства конструкций, прогретых низкотемпературной плазмой.

3. Разработать методику расчета сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций по прочности с учетом параметров прогрева низкотемпературной плазмой.

4. Разработать методику расчета железобетонных конструкций по деформациям.

5. Дать рекомендации по практическому применению плазменной обработки железобетонных конструкций и их расчету.

Глава 2. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ.

С целью оценки влияния низкотемпературной плазмы на прочность бетона и несущую способность железобетонных конструкций на кафедре Строительных конструкций ТолПИ была сконструирована и изготовлена камера с внутренним объемом 2 х 2 х 2 м3, оборудованная плазмообра-зующей установкой. В камере производилась обработка образцов бетонов, моделей конструкций и мелкоштучных железобетонных изделий.

Первые же опыты показали, что железобетонные конструкции как изготовленные ранее, так и изготавливаемые в процессе обработки низкотемпературной плазмой увеличивают несущую способность. За основу дальнейших исследований была принята наиболее эффективная обработка низкотемпературной плазмой в процессе изготовления изделий. В этом случае вместо прогрева паром или продуктами сгорания газа тепловая обработка железобетонных изделий производится низкотемпературной плазмой.

Режимы тепловой обработки на первом этапе исследований принимались по рекомендациям, разработанным для тепловой обработки железобетонных изделий продуктами сгорания природного газа.

Результаты испытаний образцов бетона на сжатие при различном расходе цемента показали, что использование плазменного прогрева ведет к увеличению прочности на 20-35%. Возрастание прочности бетона

после плазменной обработки может быть объяснено влиянием нескольких факторов.

Во-первых, твердение бетона идет при повышенных давлениях. В частности кристаллизация его происходит при повышенном внутрипо-ровом давлении, получаемом за счет испарения "внутренней" свободной воды. Положительное влияние давления при твердении железобетона на его прочность подтверждают, например, исследования, проводимые под руководством В.И.Соломатова, Г.В.Мурашкина, А.Ф.Милованова, В.Ра-чамандрана.

Во-вторых, выходящий поток низкотемпературной плазмы имеет колебания частотой 15-30 кГц, что приводит к увеличению массовой кристаллизации силикатов кальция, их уплотнению и усилению взаимодействия с кварцем. Влияние колебаний среды на процессы твердения указывают, например, работы А.И.Иноземцева. Кроме того, движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитные волны.

В-третьих, низкотемпературная плазма является химически активной средой, содержащей ионы, что способствует активизации твердения. В частности, ионы углекислого газа способствуют активизации образования Са(ОН)2- Если учесть, что в цементном камне по исследованиям, проведенным в МИСИ, ЛИСИ и др. находится до 44 % Са(ОН)2, то является очевидным, что активизация процесса ее твердения оказывает положительное влияние.

Проведенные многочисленные экспериментальные исследования (было испытано более 2000 образцов) подтвердили повышение прочности бетона. При этом, кроме сжатия образцы испытывались на растяжение и морозостойкость, а так же в возрасте 3-х и более лет. В результате испытаний было определено, что на прочность бетона главное влияние оказывают следующие факторы: температура ионизированного газа (рис. 1а), выходящего из сопла плазмотрона, температура прогрева (рис. 16) и время прогрева (рис. 1в). При этом определяющее влияние на увеличение прочности бетона имеет температура плазменного потока, т. к. при повышении температуры плазмы увеличивается степень ионизации газа, количество образованных газов, а так же интенсивность колебательных процессов, т. е. всех основных факторов, влияющих на бетон.

В конечном виде выведенная на основании экспериментальных данных и теоретических положений математическая зависимость прочности бетона от параметров плазменной обработки имеет вид

ИЬр=К

1+

(\4 /Тп +То 1

Тк+Тн ЫГп + Гн) 2Т„ Шк+Тн)

(1)

где R - прочность бетона, изготовленного по обычным технологиям; Тп - температура теплоносителя, выходящего из сопла плазмотрона; Т0

- минимально допустимая температура теплоносителя для плазменной обработки на выходе из анода; Тк - температура тепловой обработки; Iii

- минимально допустимая температура в камере; 5i, & - время, соответственно, прогрева бетона, подъема температур и расчетное для полного прогрева изделия.

Испытания балок на изгиб производились на стенде. Испытывались балки с размерами 120 х 140 х 1050 мм и 120 х 240 х 1200 мм. Схема за-гружения (рис. 1 г) принималась с действием на балку двух сил, действующих на удалении 1/3 длины пролета от опоры. Замерялись прогибы посередине и деформации опор.

Анализ результатов испытаний позволил сделать вывод, что при использовании для прогрева низкотемпературной плазмы в связи с увеличением прочности бетона может быть применен более высокий процент армирования. Отмечено, что при различной относительной высоте сечений изгибаемых элементов несущая способность при увеличении прочности бетона возрастала до 1,5 раз. Осмотр арматуры после испытаний показал, что при использовании прогрева потоком низкотемпературной плазмы дополнительной коррозии не происходило.

Исследование конструкций: фундаментных блоков, свай, плит и т. д. производилось непосредственно в цехе, где использовалась плазменная обработка. Прочность изделий определялась неразрушающими методами: ультразвуковым, ударным, а так же испытанием образцов, вырезанных из изделий. Кроме увеличения несущей способности железобетонных конструкций обнаружено гак же, что влияние плазменной обработки на бетон уменьшается с глубиной. В силу особенностей работы железобетонных конструкций этот фактор является весьма важным и его следует учитывать при расчетах в обязательном порядке.

Глава 3. РАСЧЁТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ОБРАБОТАННЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ

Для расчёта железобетонных конструкций, обработанных плазмой, выделим три случая: сжатые элементы с малыми эксцентриситетами приложения нагрузки, внецентренно сжатые и изгибаемые элементы, рассчитанные по прочности и деформациям.

При расчёте сжатых элементов рассмотрим случай, когда сила (с учётом случайного эксцентриситета) действует в пределах ядра сечения, т.е. всё сечение сжато. В этом случае расчёт бетонных конструкций

с несимметричной арматурой можно производить при принятии прямоугольной эпюры напряжений (рис. 2а). Расчёт же внецентренно сжатых железобетонных конструкций с большими эксцентриситетами можно рассматривать как расчёт при совместном действии изгибающего момента и сжимающей силы.

Относительно приближённый, но наиболее простой расчёт сжатых железобетонных элементов после плазменного воздействия можно произвести по известной формуле, используемой для расчёта железобетонных конструкций с малыми эксцентриситетами приложения нагрузки

^ИьрАь+КзА я» (2)

где 11ьр=( 1 +ктктккг)Кь; Ль, - расчётные сопротивления бетона и арматуры, соответственно; Ав и - площади сечений. Как видно из формулы (2) основным отличием такого расчета будет новое значение расчетного сопротивления бетона на сжатие, которое должно быть опре-делено.по зависимости (1). То есть для этого расчета необходимо знать температуру плазмы, температуру в камере и время обработки. По этим значениям можно определить величины соответствующих коэффициентов влияния параметров на прочность бетона - кт, кТК, кт (см. соответствующие сомножители в уравнении (1)).

Более точный расчет по прочности сжатых железобетонных элементов, изготовленных с прогревом низкотемпературной плазмой можно получить, если криволинейную эпюру распределения напряжений заменить не прямоугольной, а кусочно-линейной (рис. 26). Для этого площадь сечения разбивается на элементы, площади которых одинаково удалены от поверхности изделия (для прямоугольного сечения см. рис. 26). Значения пределов прочности бетона на сжатие принимаются в зависимости от места расположения выделенных элементов

Иы= 11ь[1+к*(ктктк кг)], (3)

где (т+й/г;) (4)

коэффициент, полученный на основе экспериментальных данных и учитывающий удаление бетона от поверхности (2'х - расстояние от поверхности до центра тяжести элементов, 20 - приведенный радиус опытного образца).

В этом случае несущая способность сжатого элемента будет равна

1( 1+ктктккг кг{) 11ы Аы+ЫзАз (5)

Расчет изгибаемых железобетонных элементов, обработанных плазмой, по прочности рассмотрен для сечений нормальных к продольной оси симметрии с сосредоточением арматуры у перпендикулярных к указанной плоскости граней элемента. Расчет можно произвести так же как и для сжатых элементов двумя способами: с принятием среднего значения расчетного сопротивления бетона изменяющегося по сечению в зависимости от расстояния до поверхности. Кроме того, для изгибаемых элементов целесообразно рассматривать случаи учета работы растянутой зоны бетона.

Расчет по среднему значению прочности бетона (рис. За) принципиально не будет отличатся от существующих способов расчета, но будет приближенным. Отличие будет заключатся лишь в том, что расчетные сопротивления бетона сжатию и растяжению будут иметь значения, учитывающие параметры плазменной обработки, определенные по зависимости (1).

Расчет изгибаемых железобетонных элементов по прочности будет более точным, если прямоугольную эпюру расчетных сопротивлений заменить кусочно-линейной (рис. 36). В этом случае расчет несколько усложняется, но дает более точные результаты. Безусловно, что чем мельче сетка разбивки сечения, тем точнее результаты. Поэтому расчет целесообразно проводить с использованием ЭВМ. В этом случае можно разбить сечение на 100 и даже на 1000 элементов, приблизив кусочно-линейную эпюру распределения расчетных сопротивлений бетона сжатой зоны к фактической кривой.

Расчет изгибаемых железобетонных элементов по деформациям наиболее сложен. Это связано с тем, что характеристики бетона меняются в зависимости от параметров плазменной обработки, расстояния до поверхности, а также от уровня напряженно-деформированного состояния. Действительно, анализ экспериментальных исследований связи между напряжениями и деформациями при сжатии бетонных образцов, обработанных плазмой, показывает, что они деформируются нелинейно. Нелинейная постановка задач выдвигает ряд специфических проблем, среди которых наиболее ответственное место занимают вопросы аппроксимации нелинейной диаграммы деформации материала и разработка связанного с этой аппроксимацией метода расчета.

Наиболее приемлемой моделью нелинейно-деформируемой среды для бетона, обработанного плазмой, которая в наиболее полной мере

описывает диаграмму "бь-<&ь", является выражение, используемое

А. А. Андроновым, Н. X. Арутюняном, Н. И. Безуховым, С. Е. Фрайфель-

дом, П. И. Васильевым, Г. А. Гениевым и др. в виде

Данная зависимость и была принята для описания деформирования бетона, обработанного плазмой (рис. 4а), тем более, что она может быть использована для мгновенных и для пластических деформаций бетона, а так же и для строительной стали с той лишь разницей, что изменяются значения параметров нелинейности С и В.

Для решения сечение разбивается на элементы (рис. 4б) (в принципе любой конфигурации) и для каждого из элементов задаются (вычисляются на ЭВМ) параметры Ш, Вь О для использования зависимости (6). Криволинейная эпюра напряжений заменяется кусочно-линейной, т. е. в каждом элементе будет свое напряжение (рис. 4в). Дается деформация изгиба в виде угла поворота сечения (рис. 4г). Затем, используя физические и геометрические зависимости определяются напряжения и, соответственно, изгибающий момент.

Для предложенной методики расчета разработана программа для ЭВМ (N111-1). Расчет начинается с задания небольшой деформации изгиба (например, равной 0,1 ожидаемой). При определении усилий, соответствующих этой деформации для учета нелинейной работы материала заложены два итерационных процесса. Один при определении напряжений в арматуре и второй при определении напряжений в бетоне. Затем деформации изгиба постепенно увеличиваются до исчерпания несущей способности элемента. По окончании расчета на печать можно вывести все необходимые для конструирования данные: усилия (напряжения в бетоне и арматуре) при любой деформации; изгибающие моменты и соответствующие им прогибы; усилия и деформации перед образованием трещин; глубина трещин и ширина их раскрытия; положение нейтральной оси и т. д.

Таким образом, нелинейный способ расчета по деформациям описывает работу изгибаемых железобетонных элементов на всех стадиях напряженно-деформированного состояния. Он может быть использован как при мгновенном, так и длительном действии нагрузки. Для этого необходимо взять соответствующие диаграммы испытаний материала и определить по ним параметры нелинейности Кь. Вь, Сь

д,

(6)

Глава 4. ПУТИ И ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Данная диссертационная работа имеет ту особенность, что для решения поставленной цели необходимо комплексное решение вопросов, связанных с изменением несущей способности железобетонных конструкций после плазменного воздействия. Проведенные исследования показали, что после прогрева изделий низкотемпературной плазмой прочность изделий возрастает. Но, практическое использование результатов исследований связано с применением оборудования, которое ранее в строительстве не использовалось. Тем не менее, комплексное решение по внедрению результатов исследований было проведено с участием автора в Уренгойгазстрое, АвтоВАЗе, ПО "Поволжское".

Низкотемпературную плазму получают с помощью плазмотронов. Но существующие конструкции плазменных генераторов предназначены для конкретных технологических (в основном плазмохимических) процессов. Условия же строительного процесса накладывают ряд дополнительных требований. Автором разработана методика расчета плазмотрона, характеристики которого удовлетворяют требованиям строительного производства. Для этого составлена программа для ЭВМ "АГАТ". Программа позволяет производить расчет и на его основе конструировать плазменные генераторы различных мощностей (от 30 до 200 кВт), обеспечивающих необходимую степень ионизации для ведения тепловой обработки железобетонных конструкций. На основании проведенных расчетов был сконструирован плазмотрон, присвоенной марки ПС-153П, : с мощностью от 30 до 80 кВт.

Внедрение новых технологий в строительном производстве обычно начинается там, где без них трудно обойтись. Поэтому, первым производством, где было произведено внедрение исследований по данной работе, был Уренгойгазстрой, где применяются местные пылеватые пески. Для внедрения была разработана плазмообразующая установка присвоенной марки ППСУ-400 с 4-мя плазмотронами ПС-153П.

Опытно-промышленное внедрение проводилось при изготовлении конструкций с бетонами классов В 10, В 15, В 20, В 25. Изготавливались фундаментные блоки ФБС 24-3-6, ФБС 24-5-6, ФБС 24-6-6, сваи С 4-33, перемычки ПР 18, плиты П 14-3, П 20-3, П 23-3, П 26-3, столбы ограждений, лотки, камни бортовые, плиты перекрытия лотков, кольца железобетонные 01,5 м, 0 2 м, плиты покрытий, днищ колодцев, ступени.

На основании проведенных исследований, режим тепловой обработки был принят с выдержкой при температуре 85°С в течение 6 часов. Контроль прочности показал, что при плазменном прогреве обеспечиваются необходимые характеристики выпускаемых железобетонных изделий. Удельный расход цемента на 1 м3 объема бетона при ранее применяемой технологии (с паропрогревом) и внедряемой (с прогревом низкотемпературной плазмой) уменьшился на 20-30%.

Для подтверждения достоверности разработанной методики расчета конструкций, обработанных плазмой, испытывались однопролетные статически определимые шарнирно-оггертые балки прямоугольного сечения (Л=20 см; ¿=12 см; /=180 см) по схеме рис. 1.

Расчет балок производился по второй группе предельных состояний (по деформациям) с учетом нелинейной работы и бетона, и арматуры. Характеристики материалов вычислялись по зависимости (6). Параметры нелинейности для бетона принимались по результатам испытаний образцов СЬ = 2,9; ВЬ = 4,8; И.Ь =11,3. Для арматуры эти параметры были приняты по справочным данным: Ся = 63,4; Вв = 10; = 540. Расчет велся по программе "N111 -1" с разбивкой сечения на 60 элементов. Расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет не более 5%. В связи с удовлетворительной сходимостью методика была принята за основу расчетов плазменнообработанных конструкций.

В последние годы все острее встают проблемы с избытком отработанного формовочного песка на предприятиях, имеющих металлургические производства, в частности, на АвтоВАЗе. Попытки использовать этот песок в качестве мелкого заполнителя бетонов не увенчались успехом. Оказалось, что эту проблему можно решить с помощью плазмы. На основании многочисленных и многосторонних лабораторных испытаний были разработаны рекомендации и опытная технологическая линия для изготовления строительных изделий на основе песков металлургического производства В АЗа. Линия предназначена для выпуска мелкоштучных изделий (блоков, плит перекрытий каналов, лотков, колец и др.) применительно к потребностям УГЭ ВАЗа. Принятый режим плазменной обработки - 6 часов при температуре 90°С. Испытания опытных конструкций показали, что их прочность соответствует проектной. Это позволило дать рекомендации для внедрения.

При внедрении в ПО "Поволжское" для изготовления строительных конструкций предусматривалось использование бетонов с заполнителями, соответствующими ГОСТам. Целесообразность применения плазменной обработки железобетонных изделий диктовалась здесь, прежде всего, экономическими соображениями. Технологическая линия по 14

изготовлению строительных конструкций различного назначения размещается в цехе пролетом 18 м и предусматривает выпуск 20000 м3 изделий в год. В цехе размещена камера полузаглубленного типа (рис. 5), оборудованная двумя плазмотронами. Режим тепловой обработки был принят с выдержкой 4 часа при температуре 90°С. Испытания конструкций показали, что при таком режиме прогрева обеспечивается отпускная прочность изделий и уменьшается расход цемента до 35%.

На основании проведенных в работе исследований (в лаборатории и на производстве) даны рекомендации:

1. Использовать для плазменной обработки железобетонных конструкций температуру в камере 80 - 90°С, время прогрева 4 - 6 часов, температуру плазмы 6000 - 12000°К.

2. Использовать для расчета нелинейную деформационную теорию с учетом изменения прочности бетона по глубине.

Экономическая эффективность внедрения (на 1 м3 и на 1 камеру):

1. Сокращение расхода арматуры 0,0078 т/м\ 109,2 т/год.

2. Сокращение расхода цемента 0,0625 т/м3, 875 т/год.

3. Уменьшение расхода бетона 0,22 м3,3080 м3/год.

4. Сокращение энергетических затрат 102 кВт.ч/м3, 1430000 кВт-ч/год.

В сумме на 1 камеру получим 89640 руб/год (в ценах 1984 г.).

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что при плазменной обработке (прогреве) железобетонных конструкций прочность бетона возрастает за счет: активизации химических процессов; кристаллизации в условиях повышенного внут-рипорового давления; колебаний теплоносителя с частотой 15 - 30 кГц.

2. Экспериментально подтверждено, что при плазменном прогреве с температурой 70 - 90"С в течение 4 - 6 часов прочность бетонов возрастает по сравнению с используемыми ранее способами на 30 -, 40%

с соответствующим увеличением морозостойкости и водостойкости.

3. Экспериментальные исследования бетонных и железобетонных конструкций показали, что при использовании низкотемпературной плазмы скорость твердения выше, чем при прогреве паром и воздушно-сухим способом в 1,5 - 2 раза. Для описания закономерности нарастания прочности бетона в зависимости от времени прогрева предложена математическая зависимость.

4. Установлено, что на конечную прочность бетонных и железобетонных конструкций определяющее влияние оказывают: степень ионизации газа, время и температура прогрева.

5. Выведена зависимость для определения прочностных характеристик бетона в зависимости от основных технологических параметров прогрева изделий.

6. На основании известных теоретических положений разработана методика расчета изгибаемых железобетонных конструкций по деформациям, которая учитывает увеличение прочности бетона сжатой и растянутой зоны за счет прогрева низкотемпературной плазмой и нелинейный характер деформирования.

7. Внедрение результатов исследований при изготовлении железобетонных конструкций в Уренгойгазстрое показало увеличение несущей способности на 20-30 %. По результатам практического использования определено, что может быть получено: сокращение расхода арматуры на 7,8 кг, расхода цемента на 62,5 кг или уменьшение расхода бетона 0,22 м! на каждый 1 м3 объема изделий; энергетические затраты сокращаются на 102,4 кВт-ч/м5. В общем, экономическая эффективность составит, например, для одной камеры 2,5 х 3 х 7,5 м3 в ценах 1984 года 89 640 рублей

в год.

Содержание диссертации отражено в работах:

1. Комарова Е.В., Задворнев Г.А. Исследование плазменной техники и высокопрочных конструкций. - Новосибирск: СО РАН, 1994. - 36 с.

2. Комарова Е.В., Алексеева Н.В. Железобетонные конструкции с косвенным армированием // Науч.-техн. конф. ТолПИ. - Тольятти, 1994. - С. 44-45.

3. Комарова Е.В., Сидоренко Е.В. Исследование конструкций с по-ливинилацетатными наполнителями // Науч.-техн. конф. ТолПИ. -Тольятти, 1993. - С. 26;

4. Комарова Е.В. Несущая способность железобетонных конструкций, изготовленных по плазменной технологии // Плазменные технологии: Межд. науч.-техн. сборник. - Самара: Изд-во Самарского ф-ла Межд. инж. акад., 1996. - С. 27-32.

5. Комарова Е.В. Прочность бетонов в зависимости от технологических параметров прогрева с использованием низкотемпературной плазмы // Плазменные технологии: Межд. науч.-техн. сборник. - Самара: Изд-во Самарского ф-ла Межд. инж. акад., 1996. - С. 45-50.

6. Комарова Е.В. Плазменная установка для прогрева железобетонных изделий // Электродуговые генераторы плазмы и технологии. - Новосибирск: СО РАН, 1997. - С. 125-130.

7. Комарова Е.В. Повышение прочности железобетонных конструкций // Электродуговые генераторы плазмы и технологии. - Новосибирск: СО РАН, 1997. - С. 131-136.

16

1. Изменение прочности бетона на сжатие в зависимости: а - от зратуры плазмы; б - температуры в камере; в - времени обработки;

Рис. 5. Камера для плазменной обработки железобетонных конструкций.