автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Зимнее бетонирование с применением шлакощелочных вяжущих

?тб оа

На правах рукописи

ВАЛЬТ АРТУР БРУНОВИЧ

ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ

05.23.08 - Технология и организация промышленного и гражданского строительства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск -1996

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: - член-корреспондент Академии транспорта

России, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Соловьянчик А. Р.

доктор технических наук, профессор Гныря А. И.

доктор технических наук, профессор Белан В.И.

Ведущая организация - ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательский, проектно-конструкторс-кий и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ)

Защита состоится ■7- 0 6 1996 г. в /У часов на заседании диссертационного совета Д 064.41.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Томской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2 в ауд. 307, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан "2-$" О Ч_1996 г.

Ученый секретарь диссертационнного совета канд. техн. наук

Скрипникова Н.К

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основным материалом в современном строительстве является бетон и железобетон, значительная доля которого укладывается в промышленных районах Урала, Восточной и Западной Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, где сосредоточены огромные запасы полезных ископаемых, минерального сырья, топливных и энергетических ресурсов. В этих районах на зимний период приходится 40...50% годового объема работ. Высокая стоимость и энергоемкость традиционных вяжущих и кондиционных заполнителей, а также экологическая обстановка в данных регионах нашей страны вызывают необходимость расширения сырьевой базы для бетонов за счет применения местных материалов, побочных продуктов и отходов производства различных отраслей промышленности.

Внедрение в практику строительства шлакощелочных бетонов, сырьем для которых служат металлургические шлаки и щелочесодержащие отходы химических и машиностроительных отраслей промышленности," позволяет экономить дефицитные и энергоемкие клинкерные цементы, повышать экономическую эффективность и качество строительных работ, улучшать экологию промышяенно развитых районов. Однако применение этих материалов для возведения монолитных конструкций в зимнее время крайне ограничено ввиду отсутствия научно обоснованной технологии тепловой обработки этого материала в условиях строительной площадки.

Разработка технологии тепловой обработки монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов на основе традиционных способов зимнего бетонирования является актуальной проблемой, решение которой позволяет существенно расширить область применения шлакощелочных бетонов и обеспечивает экономит) топливно-энергетических ресурсов, снижение стоимости и трудоемкости работ.

Работа выполнялась в соответствии с заданиями целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.031, координационным планом важнейших НИР по бетону и железобетону 0.55.18.09.01. государственным заказом и комплексной программой Южуралстроя "Интенсификация".

Целью работы является разработка способов зимнего бетонирования с применением шлакощелочных вяжущих на научно обоснованных принципах расчета и прогнозирования технологических параметров, обеспечивающих решение экологических проблем, снижение себестоимости, трудозатрат, сроков производства работ и экономив топливно-энергетических ресурсов п{ш установленном уровне качества.

Для достижения поставленной цели необходимо провести широки£ круг теоретических н практических исследований и решить . ряд основных задач:

- провести анализ и систематизацию параметров и факторог влияющих на зимнее бетонирование конструкций из шлакощелочных бе тонов;

- разработать математические модели и алгоритмы расчета электрических, температурных и прочностных полей, а также технологических параметров способов зимнего бетонирования монолитных конструкций;

- провести исследования кинетики набора прочности шлакощелочных бетонов при положительных и отрицательных температурах и разработать методику расчета и прогнозирования этого параметра;

- установить зависимости физико-механических характеристик шлакощелочных бетонов различных составов от температуры и времени выдерживания (прочность на растяжение, модуль упругости и коэффициент линейного температурного расширения), необходимые для оценки термонапряженного состояния монолитных конструкций;

- определить предельно допустимые значения температур, до которых следует рассматривать остывание, и "критическую" прочность шлакощелочных бетонов;

- исследовать процессы, протекающие в шлакощелочном бетоне при различных способах тепловой обработки: изменение теплофизи-ческих характеристик, экэотермии и удельного электрического сопротивления ;

- провести-исследования температурных и прочностных полей,а также термонапряженного состояния бетона яри различных способах зимнего бетонирования монолитных конструкций;

- разработать программы расчета на ЭВМ электрических, температурных и прочностных полей и инженерные методики определения и назначения технологических параметров способов зимнего бетонирования монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов;

- провести технико-экономическую оценку способов зимнего бетонирования и определить границы их эффективного использования для шлакощелочных бетонов.

Автор защищает:

- классификацию и схему взаимосвязей параметров и факторо влияющих на процесс набора прочности шлакощелочных бетонов при ра личных способах зимнего бетонирования;

- математические модели и алгоритмы расчета технологических параметров способов зимнего бетонирования конструкций из шлакоще-лочных бетонов;

- графические и аналитические зависимости, описывающие изменение физико-механических, теплофизических, электрических характеристик и экзотермии шлакощелочных бетонов в процессе твердения при различных температурных режимах;

- значения предельно допустимых температур, до достижения которых следует рассматривать процесс остывания, и "критической" прочности шлакощелочных бетонов;

- результаты исследований температурных и прочностных полей, а также термонапряженного состояния бетона опытных и реальных конструкций, возводимых различными способами зимнего бетонирования;

- предложенный и экспериментально-теоретически обоснованный комбинированный способ тепловой обработки монолитных конструкций;

- методики расчета температурного режима и технологических параметров различных способов зимнего бетонирования применительно к юлакощелочным вяжущим.

Научная новизна работы:

- разработаны теоретические и расчетно-технологические принципы зимнего бетонирования с применением шлакощелочных вяжущих, в основе которых заложено, что после достижения "критической" прочности, равной 7...40% от 1*28 в зависимости от состава бетона, или прочности, назначаемой согласно СНиП и ППР, допускается замораживание бетона, которое происходит при достижении температуры льдообразования -2...- 16°С, определяемой составом и прочностью шлакощелочных бетонов;

- установлено, что для однотипных кинетических кривых структу-рообразования бетонов на шлакощелочных вяжущих, описываемых логарифмической зависимостью, время достижения максимальной скорости набора прочности совпадает с экстремумами интенсивности тепловыделения в системе, скорости химического связывания ингредиентов, изменения удельного электрического сопротивления и других величин, доказано, что это время соответствует моменту достижения 22...30% эт прочности 1?2д в условиях нормального хранения, что позволяет принять параметр ^25 за основу при расчетах и прогнозировании ха- • рактеристик шлакощелочных бетонов;

- установлено, что величина температурного коэффициента ít==т20/тt, 0ПРеДвляЮ1чего изменение скорости набора прочности с по-

вышением или понижением температуры выдерживания щлакощелочного бетона относительно 20°С, зависит не только от состава и температуры выдерживания, но и должна быть согласована с видом кинетическо? кривой набора прочности на данный момент времени;

- установлено, что для обеспечения распалубочной прочности, не превышающей 40% от ¡^ц,термообработку щлакощелочного бетона целесообразно производить на начальном этапе до набора прочности равной 25% от 1*28' так как к этомУ моменту достигается максимальная скорость твердения, обеспечивающая в дальнейшем набор заданной прочности ;

- основываясь на теории регулярного режима Г.М.Кондратьева, путем введения поправочных коэффициентов, учитывающих теплофизичес-кие характеристики и экзотермию бетона, неравномерность распределения температуры и форму конструкции, разработаны методики расчета технологических параметров, которые описывают .с высокой степенью точности процесс остывания щлакощелочного бетона в произвольной точке конструкции по истечении иррегулярной стадии до начала льдообразования ;

- установлено, что при комбинированном способе тепловой обработки монолитных конструкций, включающем укладку предварительно разогретой смеси с последующим -периферийным обогревом, подвод теплоты целесообразно производить в момент начала регулярной стадии остывания, так как к этому времени бетон приобретает свойства упругого материала и линия нулевых напряжений имеет выпуклый характер, что обеспечивает благоприятное термонапряженное состояние.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов.

Разработаны способы зимнего бетонирования конструкций с применением шлакощелочных вяжущих, обеспечивающие снижение трудоемкости работ на 10...15%, себестоимости на 15...20%, уменьшение расхода электроэнергии на 15...20% и стали на 10...15%, сокрашение времени выдерживания бетона в опалубке на 30...50% по сравнению с традиционной практикой зимнего бетонирования с использованием бетонов на портланд- и щлакопортландцементах.

Внедрение предложенных разработок способствует более широкому использовании шлакощелочных бетонов в практике строительства, что обеспечивает экономию энергоемких клинкерных цементов и улучшение экологии в промышленных регионах страны.

Результаты исследований использованы при разработке ведомственных инструктивных и рекомендательных документов, которые приме-

няются на Урале при строительстве объектов жилищного, гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения.

Методология работы основана на общепринятых теоретических положениях технологии возведения монолитных конструкций в зимнее время, в разработку которых внесли вклад, в основном, отечественные ученые - А.С.Арбеньев, Р.В.Вегенер, А.И.Гныря, С.Г.Головнев, Н.Н.Данилов, И.Б.Заседателев, В-И.Зубков, И.А.Киреенко, Б.А.Крылов, Б.М.Красновский, А.В.Лагойда, В.С.Лукьянов, В.П.Лысов, С.А.Миронов, В.В.Михайлов, Л.А.Малинина, В.И.Сизов, Б.Г. Скрамтаев, И.Г.Совалов. А.Р.Соловьянчик, В.Д.Топчий и др., и технологии шлакощелочных бетонов, разработанной В.Д.Глуховским, П.В.Кривенко, Н.А.Пашковым, Р.Ф.Руновой др.

Экспериментальные исследования технологических свойств и различных характеристик шлакощелочных бетонов, а также процессов, протекающих в нем при тепловой обработке и замораживании, проводили с использованием современных приборов и оборудования. Математическое обеспечение результатов исследований осуществляли с применением современной вычислительной техники.

Апробация работа. Положения диссертационной работы докладывались на П Международном симпозиуме по зимнему бетонированию (Москва, 1975); ХХП Международной конференции молодых ученых и специалистов а области бетона и железобетона (Иркутск, 1990); Ш Всесоюзной научно-практической конференции "Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции" (Киев, 1989); на республиканских и областных конференциях: Томск, 1977, 1983; Новосибирск, 1977; Нижневартовск, 1979; Кемерово, 19Э1; Горький, 1985; Иркутск, 1985; Уфа, 1985; Челябинск, 1985, 1986, 1989; Москва, 1987; Бухара, 1992; на заседаниях секции "Тепло- и массоперенос в процессах твердения материалов на основе вяжущих веществ": Калинин, 1979; Томск, 1982; Волгоград, 1987; Владимир, 1987; Псков, 1988; Тбилиси, 1968; Ленинград, 1991; Минск. 1991, на научно-технических конференциях Ленинградского, Днепропетровского, Новосибирского, Томского, Киевского инженерно- строительных институтов и Челябинского государственного технического унивеъ-ситета в период с 1974 по 1995 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, получено восемь авторских свидетельств и патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, основных выводов и приложений, содержит 268 страниц текста, 106 рисунков и 22 таблицы. Список литэратуры включает 323 наименования.

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете. Эксперименты во определению экзотермии ншакощелоч-ного вяжущего проведены в лаборатории физико-химических исследований Челябинского института УралНИИстромпроект. Производственную проверку и опытное внедрение результатов исследований осуществляли в строительных подразделениях ПСМО "Челябметаллургстрой" совместно с центральной строительной лабораторией.

На всех этапах выполнения настоящей работы автор пользовался поддержкой проф., д.т.н., чл.-корр. РААСН С.Г.Головнева, дискуссш с которым по постановке задач, способам решения и интерпретации полученных результатов весьма способствовали улучшению содержания I стиля изложения работы. При решении задач по математическому моделированию температурных и прочностных полей большую помощь оказал! д.ф.-м.н., проф. В.П.Бескачко и к.т.н., доц. М.И.Грамм. Значительная часть экспериментальных исследований выполнена совместно < к.т.н. А.В.Хомутским, С.Б.Ковалем, В.Н.Кучиным, при участии лаборантов и студентов.

Автор выражает признательность всем перечисленным выше лицам I организациям, а также коллегам по работе за оказанную помощь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В промышленно развитых районах нашей страны: на Урале, в Восточной и Западной Сибири, на Севере и Дальнем Востоке сосредоточены огромные запасы отходов и вторичного сырья, которые в последние годы стали широко использоваться для производства бетонов. Это вызвано, с одной стороны, экологической обстановкой в данных региона: с другой,- дефицитом традиционных материалов, необходимых для приготовления бетонов.

Проблему использования отходов и вторичного сырья различных отраслей промышленности решает внедрение в практику строительства шлакощелочных бетонов, вяжущим в которых служат металлургические шлаки и щелочесодержащие отходы химических и машиностроительных предприятий.

Внедрение этих бетонов наряду с повышением таких эксплуатационных показателей как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, стойкость к агрессивным средам и т.д., в значительной степени расширяет сырьевую базу для производства сборных и возведения монолитных конструкций, обеспечивает экономию дефицитных и энергоемких клинкерных цементов.

Однако в настоящее время область применения шлакощелочных бетонов недостаточно широка, так как эти материалы используются, в основном, в заводской технологии производства изделий и конструкций .

Анализ сырьевой базы для производства шлакощелочных бетонов показал, что для их применения в больших объемах необходимо ориентироваться на недефицитные карбонатные щелочные компоненты: кальцинированная сода, содощелочной плав и отходы производства сульфида натрия. Однако бетоны с использованием указанных щелочных компонентов отличаются малой интенсивностью роста прочности при низких положительных и отрицательных температурах. Продолжительность периода образования первоначальной структуры у таких бетонов при нормальных условиях твердения может достигать 10 суток.

Повышение температуры значительно активизирует взаимодействие молотого шлака и щелочного компонента и ускоряет процесс твердения бетона. Увеличение интенсивности твердения у шлакощелочных бетонов на карбонатных щелочных компонентах с повышением температуры проявляется в большей степени, чем у бетонов на клинкерном вяжущем. Так, например, бетоны, приготовленные с использованием кислых шлаков и содощелочного плава за три часа выдерживания при 80°С могут достигать прочности до 90% от Г^д •

Указанные технологические свойства' шлакощелочных бетонов сдерживают их широкое использование для возведения монолитных конструкций, особенно в зимнее время.

Благодаря исследованиям, выполненным как в нашей стране, так и за рубежом, современная технология строительства обладает большим арсеналом применяемых способов зимнего бетонирования, обеспечивающих благоприятные условия для твердения бетонов практически при любых отрицательных температурах.

На основе анализа .существующих и широко используемых на практике способов зимнего бетонирования с учетом технологических свойств шлакощелочных бетонов установлено, что наиболее эффективными для возведения монолитных конструкций в зимнее время из указанных материалов являотся: термос, предварительный электрораэо- _ грев, электропрогрев и комбинированный способ тепловой обработки, включающий укладку предварительно разогретой смеси с ' последующим периферийным обогревом. Однако для их адаптации к шлакощелочным бетонам необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

- К) -

Анализ параметров и факторов, влияющих на зимнее бетонирование, позволили выявить основные, которые оказывают воздействие на внутренние и внешние процессы, протекающие при выдерживании монолитных конструкций на морозе и определяющие температурный режим, обеспечивающий набор требуемой прочности шлакощелочного бетона с минимальными затратами при установленном уровне качества.

При различных способах тепловой обработки монолитных конструкций протекающие в бетоне физические, химические, электротехнические и теплофизические процессы, определяющие температурный режим, зависят от климатических, технологических, конструктивных и материаловедческих параметров и факторов, классификация и схема взаимосвязей которых приведена на рис.1.

Протекание внутренних процессов в бетоне и, следовательно формирование и кинетика изменения его температурного поля в значи тельной степени определяются, особенно при остывании конструкций внешними процессами, которые оказывают влияние на теплообмен с ок ружающей средой и обуславливаются климатическими воздействиями температурой наружного воздуха, скоростью и направлением ветра, также термическим сопротивлением опалубки и утеплителя. Вопросы связанные с учетом внешних воздействий на бетон монолитных конст рукций, выдерживаемых при отрицательных температурах, довольно хо рошо изучены и полученные результаты могут быть использовны в тех нологии зимнего бетонирования независимо от вида вяжущего

При производстве бетонных работ необходимо учитывать внутрен ние процессы, протекающие в твердеющем бетоне, которые определяют ся, в основном, технологическими и материаловедческими факторами, также температурным режимом. К внутренним процессам, влияющим н температурный режим выдерживания бетона, с одной стороны, и зави сяшим от него, с другой, относится изменение таких характеристи как теплоемкость, тепло- и температуропроводность, тепловыделение электропроводность.

Для управления температурным режимом выдерживаемых различными способами термообработки монолитных конструкций необходимо знать кинетику изменения прочностных характеристик бетона.

Прогнозирование прочности бетона на растяжение, модуля упругости и коэффициента линейного расширения в процессе выдерживания монолитных конструкций позволит оценить напряжения в бетоне, вызванные температурным градиентом по объему массива, и управлять режимом выдерживания бетона для обеспечения необходимого качества

_' - п -_

Способы зимнего бетонирования

пассивная термообработка

-термос -предварительный разогрев

активная термообработка

-электропрогрев -термоактивная опалубка -комбинированный способ

не управляемые факторы

в А

х ч

со а о и П со

«в* Й л Н

«6-с 6ч1

Я св

а в

>>а & о

О О)

аз в* о я х а,

6н

о <в иЗЯЙЯ я о ло 1

« я

£В

со *

о ч

О Ф

и я о а се я йп

а

Т о

§ св

03 о р.

я и о

X д Ф

о о я

® и о са к

г о ев я о

и я ао аз

а> я* ь<

со ся о 1а Ф я

о а ч во

§ Я 0) 5 & о О Я о ч

в а . П5 Д ей о

р а:

оэ £ТЯ я о о м

6-1 я <я ф 3 ° а о аз

сО я я е-

2 1 1 1 1

I

я

ш «

о

« Ч Ч >1

я со

Я & <а ей о я

о? се г X а) «ой ант ф о

О Я (Я

В О.О.

>*>> ^ _ -

ЛВЕ^ЯЛЧО.

<я л п ад ы а о»р<ф

а со оэ я<о !г 2 ВСйЙФга

озгооза мшев о со онячо>!й

ш Я

к

О 3 са а, ея аз

о 3 ч о.

о се

Я5 И

X

(О

ь

>4

Л £-1 С* С? О О О »Д X

О0)О® ►Д О О К 6«

о § § аз 3

2 О »£4 О Я чаз о,сг о аз о 6Н 05 сЧ

ти

параметры

температурный режим выдергивания бетона ТТ

требуемая прочность _бетеша_

зяп; конструкции условия загрузеная вид и состав бетона .условия замораливания

термонадря-зенное состояние

качестзо

ВОЗВОДИМЫХ

конструкций.

Рис.1. Классификация и схема взаимосвязей параметров и факторов, влияющих на процессы, протекающие в бетоне при различных способах зимнего бетонирования

- 12 -

возводимых монолитных конструкций.

Для назначения времени распалубки конструкций необходимо иметь данные по величине "критической" прочности и температуре замораживания бетона.

Ери производстве бетонных работ в зимнее время необходимо учитывать организационно-экономические факторы, что позволит назначать оптимальные температурные режимы выдерживания бетона с точки зрения экономии материальных и трудовых затрат и выбирать эффективные способы зимнего бетонирования в зависимости от климатических, конструктивных, материаловедческих и технологических факторов.

Для бетонов на клинкерном вяжущем все эти вопросы исследовались на протяжении многих лет и к настоящему времени решены на высоком уровне . Для шлакощелочных бетонов такие исследования крайне незначительны, что затрудняет осуществлять разработку ПЛР и технологических карт на производство работ и непосредственное бетонирование монолитных конструкций в зимнее время.

Надежность и эффективность производства бетонных работ в зимнее время во многом определяется наличием точных и удобных для практического использования методик расчета и прогнозирования тех. нологических параметров способов зимнего бетонирования. Получение необходимого объема данных для разработки технологических основ способов зимнего бетонирования с применением шлакощелочных вяжущих путем проведения исследований в лабораторных и натурных условиях потребует длительного времени, значительных материальных и трудовых затрат.

Проведение теоретических исследований технологических параметров способов зимнего бетонирования на основе применения методики вычислительного эксперимента с привлечением современной вычислительной техники существенно сокращает время и затраты для набора необходимой информации и позволяет более детально изучить процессы, протекающие в ходе выдерживания шлакощелочного бетона монолитных конструкций.

Для разработки методики расчета электрических, температурных и прочностных полей при электродном прогреве шлакощелочного бетона и форсированном разогреве смеси был использован метод конечных элементов в вариационной постановке. Моделирование безэлектродной тепловой обработки осуществляли с использованием метода конечных разностей.

Блок-схемы программ расчета электрических, температурных и прочностных полей, а также возникающих напряжений при различных способах зимнего бетонирования монолитных конструкций с использованием шлакощелочных вяжущих предусматривают следующие этапы: подготовка и ввод данных; осуществление электротехнического расчета с созданием электрических полей; расчет температурного поля; расчет зппр распределения прочности по сечению конструкций (рис.2).

В процессе тепловой обработки происходит изменение свойств шланощелочного бетона, поэтому цикл, включающий электрический- и теплотехнический расчеты,повторяется с определенным шагом по вре-- мени, продолжительность которого определяется кинетикой изменения параметров материала.

Математические модели способов зимнего бетонирования предусматривают пооперационный контроль температурного режима, прочности и напряжений, и в случае превышения рассчитываемых величин над заданными расчет прекращается и осуществляется корректировка входных данных.

В основы расчета технологических параметров выдерживания монолитных конструкций при остывании шлакощелочного бетона заложена теория регулярного режима, разработанная Г.М. Кондратьевым для однородных, изотропных тел.

Таким образом, на основе теоретических исследований разработаны основы расчета электрических, температурных и прочностных полей, а также технологических параметров для рассматриваемых способов зимнего бетонирования конструкций из шлакощелочных бетонов. Для их реализации и практического применения необходимо провести в лабораторных и натурных условиях исследования процессов, протекающих в шлакощелочном бетоне при различных режимах и способах тепловой обработки. Обработка результатов исследований позволит уточнить и завершить программы расчета на ЭВМ и разработать инженерные методики прогнозирования технологических параметров способов зимнего бетонирования монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов .

Для сравнительной оценки и сопоставления полученных результатов исследования физико-механических свойств бетонов проводили с применением как шлакощелочных, так и клинкерных вяжущих. При этом использовали молотые гранулированные доменные шлаки Магнитогорского и Челябинского металлургических комбинатов с модулем 'основности соответственно 1,02 и 0,86 и удельной поверхностью 3000

чВХ0£

Ввод значений неуправляемых факторов

Ввод значений управляемых параметров и факторов

Формирование и решение системы уравнений электротехнического расчета. Определение потенциалов в узлах симплексов

Ввод геометрических размеров рассчитываемого массива и координат узлов симплексов

Задание шага по времени

Формирование и решение системы уравнений теплотехнического расчета. Определение температуры в узлах симплексов

Расчет удельного электросопротивления

Расчет мощности

Печать «прочность».»напряжение»

Определение коэффициентов тепло- и температуропроводимости, удельной теплоемкости

Рис.2. Блок-схема расчета электрических, температурных и прочностных полей при электротермообработке бетона

о

см /г. а также портланд- и шлакопортландцементы Коркинского и Магнитогорского цементных заводов.

В качестве щелочного компонента использовали содощелочной плав - отход капролактамового производства г.Тольятти, техническую кальцинированную соду, содосульфатную смесь - технические щелоче-содержащие отходы производства сульфида натрия Первоуральского ПО "Хромпик" и дисиликат натрия. Заполнителями служили щебень фракции 5...20 мм и кварцевый песок с модулем крупности 2,3.

Результаты исследований по кинетике набора прочности шлакоще-лочных бетонов при различных температурных режимах показали, что на этот процесс влияет большое количество факторов. Если характер изменения прочности бетонов на клинкерном вяжущем определяется, в основном, видом цемента и В/Ц, то у шлакощелочных бетонов необходимо учитывать вид и расход шлака и щелочного компонента, плотность раствора и растворошлаковое отношение.

Такое многообразие факторов, влияющих на кинетику набора прочности шлакощелочных бетонов,затрудняет математическое описание зависимости прочности от времени и температуры твердения.

В существующих расчетных методиках контроля и прогнозирования прочности бетона на клинкерном вяжущем используются параметры . или Йд - прочность бетона в суточном или трехсуточном возрасте в условиях нормального хранения, которые определяют характер изменения функции в зависимости от разнообразия свойств бетонной смеси.

Учитывая тот факт, что, с одной стороны, для шлакощелочных бетонов некоторых составов определение параметров и Йд невозможно, так как к этому возрасту они обладают очень низкой прочностью, а, с другой, - бетоны многих составов к этому возрасту имеют высокую прочность, следует вывод о нецелесообразности использования ранее предложенных параметров.

Проанализировав результаты исследований И.Н.Ахвердова, Ю.М.Баженова, Б.М.Красновского, Л.А.Малининой, С.А.Миронова, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.Р.Соловьянчика, а также многочисленные •данные, полученные нами, по кинетике набора прочности бетонов на шлакощелочном и клинкерном вяжущем установлено, что наиболее обоснованным параметром является параметр - время достижения бетоном 25% от !*2д в нормальных условиях, величина которого зависит от комплекса факторов, влияющих на характер набора прочности.

Исследова*ия кинетики набора прочности, удельного электричес-

кого сопротивления, ЭДС гальванической пары цементного теста, де-формативности.бетона свидетельствуют о том, что именно в этот момент при Л - 22...30% от К£д происходит переход первичной структуры во вторичную, бетон теряет пластические свойства и становится упругим материалом. При достижении указанной прочности наступает момент максимальной интенсивности твердения, момент перегиба на графиках интенсивности роста прочности бетонов в нормальных условиях.

Обработка результатов исследований по кинетике набора прочности бетонов, выдерживаемых при температурах от -30 до +90®С, позволила получить математическую зависимость, описывающую изменение прочности бетона при различных температурных режимах

25 +■ А 1п

25 - В 1п

"Ч - т25 )] ■ 25

т25

г25 ~ 1 йт)11

25 5 Л а 100

О а Я а 25

(1)

где И - относительная прочность бетона, % от 1*28' \Т - продолжительность твердения, сут;

А, а, В, £ - коэффициент«, зависящие от Т25;

К^. - температурный коэффициент.

Анализ экспериментальных данных по кинетике роста прочности бетонов в исследуемом диапазоне показал, что температурные коэффициенты (Кь — 1С20/Тч' для шлакощелочных бетонов находятся в пределах от 0,001 до 300 и, в отличие от коэффициентов для бетонов на портланд- и. шлакопортландцементе, зависят не только от состава, температуры,но и в значительной степени от прочности бетона на данном этапе.

Для определения К^ получены выражения

лШ

К

-т(20-От

где К

100

20

40 + (-0,03 1п11 + 0,136)(Т25 + 6)

: 20 С (2)

! 20°С. (3)

"фиктивный" коэффи-

циент, соответствующий температуре 100 С;

- 17 -

р, т, 1 — коэффициенты, зависящие от и Й.

Проверка предложенного и защищенного авторским свидетельством способа контроля и прогнозирования прочности бетона в лабораторных и производственных условиях показала, что отклонения расчетных значений от действительных не превышают 12%.

Для контроля и регулирования термонапряженного состояния конструкций в процессе тепловой обработки и остывания необходимо располагать данными об изменении прочности бетона на растяжение, модуля упругости и коэффициента линейного температурного расширения в период выдерживания при различных температурах.

Прочность на растяжение и модуль упругости бетонов определяли на образцах - призмах размерами 100x100x300 мм, в центре рабочей части которых были выполнены сквозные круглые отверстия диаметром 50 мм. Данный образец защищен авторским свидетельством.

Схема и скорость нагружения образца приняты в соответствии с ГОСТ 10180-90 по аналогии с определением прочности бетона на растяжение при изгибе.

Результаты экспериментов показали, что характер изменения прочности на растяжение и модуля упругости в процессе выдерживания бетонов при различных температурных режимах аналогичен кинетике набора прочности на сжатие. Скорость нарастания и абсолютные значения рассматриваемых характеристик бетока определяются, в основном, видом и расходом вяжущего, расгворошлаковым и водоцементным отношениями, температурным режимом выдерживания.

Шлакощелочные бетоны, подвергаемые термообработке, в отличие от бетонов на клинкерном вяжущей, достигают значений прочности на растяжение и модуля упругости.на 20...30% выше по сравнению с Н^д и - Тепловая обработка бетонов на клинкерном вяжущем не приводит к увеличению этих характеристик, а при температуре 80°С и выше происходит снижение и Еб на 10...20%.

Исследования по определению коэффициента линейного температурного расширения, проводившиеся по стандартной методике, показали, что у бетонов на клинкерном вяжущем в процессе выдерживания изменение КЛГР(а) незначительно и его величина может быть принята постоянной. У шлакощелочных бетонов с ростом прочности значения а возрастают. .•

На основе исследования прочности на растяжение, модуля упругости и коэффициента линейного температурного расширения бетонов получены графические и аналитические зависимости этих характерис-

тик от прочности на сжатие и параметра необходимые для прог-

нозирования и контроля термонапряленного состояния бетона в процессе тепловой обработки и остывания монолитных конструкций.

Температурный режим и сроки распалубки конструкций в значительной степени определяются "критической" температурой, при которой происходит замораживание бетона, и "критической" прочностью.

Определение области интенсивного льдообразования производили путем контроля температуры, деформаций и величины удельного электрического сопротивления бетона в процессе его замораживания до -15°С с различной начальной прочностью.

Исследования показали, что температура замораживания шлакоще-лочных бетонов, благодаря наличию в их составе раствора щелочи, ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем. Установлены значения предельных температур, до которых следует рассматривать процессы остывания и набора прочности бетона монолитных конструкций. Их величина в зависимости от составов исследуемых шлакощелочных бетонов и прочности бетона перед замораживанием составляет от -2 до -16°С.

Анализ и обобщение результатов исследования "критической" прочности свидетельствуют о том, что у шлакощелочных бетонов величина этого параметра значительно ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем и составляет от 7 до-40% в зависимости от вида щелочного компонента и состава бетона.

Расчет и назначение технологических параметров методов зимнего бетонирования необходимо осуществлять с учетом процессов, протекающих в бетоне при тепловой обработке. В связи с этим были проведены исследования, направленные на изучение теплофизическнх характеристик, экзотермии и электропроводности шлакощелочных бетонов при различных режимах выдерживания.

Исследования теплотехнических характеристик бетонов в процессе выдерживания при температурах от 20 до 90°С проводили с использованием метода двух температурно-временных интервалов. С целью контроля полученных значений Аб и а^ исследуемых бетонов образцы по окончании эксперимента подвергали испытанию на установке "Вейс" (ГОСТ 7076-8?).

Значения коэффициентов тепло- и температуропроводности у шлакощелочных бетонов на 15...20% ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем, И в зависимости от состава бетона, температурного режима выдерживания находятся в пределах: *б= 1,3...2,4 Вт/м°С; 0,49...0,83"10_г мБолее низкие значения А, и ар у шлакоще-

-галочных бетонов объяснятся тем, что с увеличением содержания шлака растет количество стеклофазы, которая способствует снижению теплопроводности цементного камня.

Обработка экспериментальных данных позволила разработать номограммы для определения расчетных значений Аб, а6 в зависимости от вида шлака и щелочного компонента, состава бетона, температуры выдерживания.

Эксперименты по определению тепловыделения шлакощелочных вяжущих проводили на микрокаломегрической установке в лаборатории физико-химических исследований института УралНИИстромпроект. В процессе выдерживания вяжущего при различных температурах автоматически строились графики интенсивности тепловыделения а(}/дт. Интегрированием кривых интенсивности получали данные по суммарному тепловыделению.

Анализ экспериментальных данных показал, что кривые интенсивности тепловыделения шлакощелочного вяжущего аналогичны кривым для клинкерных цементов и имеет те же характерные участки и экстремумы. Первый, непродолжительный период, вызванный явлением смачивания шлака щелочесодержащим раствором, представлен значительным ростом интенсивности с последующим спадом. На втором этапе происходит вторичный подъем кривой скорости тепловыделения за счет интенсивного твердения вяжущего. Третий период характерен снижением скорости и стабилизацией процесса.

Интенсивность тепловыделения шлакощелочного вяжущего и суммарная величина зависят от температурного режима выдерживания, вида, расхода шлака и щелочного компонента. Так же как у клинкерных цементов выявлена взаимосвязь кинетик тепловыделения и гидратации шлакощелочных вяжущих.

Суммарное тепловыделение шлакощелочных вяжущих значительно ниже, чем у портландцементов М400, сопоставимо с тепловыделением ЛЦ300 и может быть выше, чем у ШПЦ300.

Обработка экспериментальных данных позволила получить аналитическую зависимость для расчета тепловыделения шлакощелочных вяжущих, выдерживаемых при различных температурных режимах

« - Зтах - е - ■ (4)

гаах I > 1п (1 + 28«)

где Кд - г20/хЬ ~ <0'6 + ~ температурный коэффициент;

- 20 -

а, п, т, 0 - коэффициенты, зависящие от

Исследования электротехнических характеристик шлакощелсчных бетонов проводили в автоматическом режиме на специально разработанной установке. Кинетику изменения удельного электрического сопротивления в процессе твердения шлакощелочных бетонов определяли при температурах от 20 до 90°С.

В зависимости от состава удельное электрическое сопротивление шлакощелочных бетонов - рщ на начальной стадии твердения в 5...10 раз ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем рк. Однако в дальнейшем, в связи с интенсивным набором прочности бетона, значения рщ резко возрастает, особенно при повышенных температурах, и значительно превышают рк.

Такие особенности изменения удельного электрического сопротивления затрудняют электротермообработку шлакощелочных бетонов без учета кинетики изменения рщ.

Обработка результатов исследований позволила получить аналитические зависимости изменения удельного электросопротивления в процессе термообработки шлакощелочных бетонов.

При электроразогреве смеси:

-аК х

р - р е р . (5)

о

При электропрогреве бетона:

Р " Ро [в"<ЙСрг + ®(КРГП' (6)

где Кр- (0,6 +' 0,02<;)п - температурный коэффициент; а. В, р, п - коэффициенты, зависящие от "^25' Рр - начальное удельное электросопротивление, Ом'м.

Для проверки и уточнения методологии расчета технологических параметров способов зимнего бетонирования были проведены экспериментальные исследования температурных и прочностных полей, температурных деформаций и напряжений на моделях монолитных конструкций, выдерживаемых при использовании различных способов термообработки .

Температурные и прочностные поля, деформации и напряжения изучали на ряде опытных моделей с модулем поверхности от 2,5 до 8,7 м-1, в различных точках которых замеряли температуру на всех этапах выдерживания.

Температурные поля строили по результатам измерения темпера-

тур автоматическими самопишущими потенциометрами ЭГШ-09-МЗ. В каждой модели устанавливали в зависимости от массивности конструкции и способа термообработки от 10 до 56 хромель-копелевых термопар. Измерение температурных деформаций бетона проводили с помощью датчиков размером 40x20x5 мм, изготовленных из органического стекла. Для улучшения сцепления с бетоном на поверхности датчика имелась насечка. В датчиках располагались два тензорезистора, включаемые по полумостовой схеме.

При исследовании прочностных полей ис пользованы такие методы контроля прочности бетона, как метод закладки дырчатых форм, метод распиловки бетонных блоков на стандартные образцы, метод извлечения кернов, методы пластической деформации и импульсные методы.

Всего было забетонировано 46 опытных моделей. При этом использовали шлакощелочные бетоны, а также бетоны на портланд- и шлакопортландцементе.

Результаты исследований показали, что наибольшая неравномерность температурных и прочностных полей монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов наблюдается при использовании предварительного электроразогрева смеси, повышающаяся с увеличением массивности конструкции и коэффициента теплопередачи опалубки.

Деформации теплового расширения достигают максимальных значений при периферийном электропрогреве конструкций и при обогреве в

_5

термоактивной опалубке, их величина достигает 160...180"10 .

При использовании предварительного разогрева бетонной смеси до 50...70°С с последующим периферийным обогревом при 70...90°С деформации теплового расширения и уровень растягивающих напряжений снизились почти в два раза.

Полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований данные позволили реализовать математические модели путем разработки программ расчета на ЭВМ электрических, температурных и прочностных полей при термообработке монолитных конструкций различными способами и перейти к исследованию технологических параметров способов зимнего бетонирования на основе проведения вычислительного эксперимента.

Разработанная программа расчета электрических и температурных полей с учетом обеспечения равномерного разогрева смеси позволила подобрать конструкцию электродов и их расположение в объеме кузова в зависимости от его формы и геометрических размеров, параметров

электрооборудования И изменения электрических характеристик бетона.

По предложенной программе были рассчитаны электроды для элек-трораэогрева шлакощелочной бетонной смеси в кузовах автосамосвалов ЗИЛ, МАЗ, КАМАЗ. Установка для электроразогрева шлакощелочной бетонной смеси и способ его осуществления защищены авторскими свидетельствами.

При расчетах электродного прогрева монолитных конструкций проведены оценка температурных и прочностных полей и сравнение рассчитанных значений температур, их градиентов, удельной мощности, продолжительности прогрева и прочности с их предварительно заданными минимальными и максимальными значениями. Сопоставление рассчитанных температурных полей с действительными данными показало удовлетворительную сходимость. Наибольшие расхождения наблюдаются в периферийных слоях и достигают Ю^С. На основе анализа результатов вычислений и данных эксперимента в расчет температурных полей были введены поправочные коэффициенты, которые позволяли повысить сходимость рассчитываемых и действительных изолиний.

На основе анализа и обобщения результатов расчетов на ЭВМ и их сравнения с результатами экспериментальных исследований температурных и прочностных полей опытных моделей были выработаны рекомендации по выбору и назначению температурных режимов, типов электродов при прогреве монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов и разработаны методики определения технологических параметров, включающие программы расчета на ЭВМ и инженерные номограммы для прогнозирования и назначения геометрических характеристик расстановки электродов в зависимости от вида и состава бетона, типа конструкций и электродов, подаваемого на них напряжения и требуемой удельной мощности.

Исследования процессов при остывании монолитных конструкций различной массивности подтвердили закономерность остывания шлако-шелочного бетона по регулярному режиму по истечении определенного времени.

Для расчета, времени остывания шлакощелочного бетона в центральной точке сечения конструкции предложена формула

а

сбтб ( 1 + КА ГГТГ ) Ч.и." Ън.в. г* - К -1п --- _ (?)

ОСТ т

прив п Ч - ьн.в.

Значения коэффициентов Кг и параметров С^, г6, tк назначаются с учетом результатов исследований свойств шлакощелочных бетонов .

Для расчета времени остывания в произвольной точке конструкции с безразмерной координатой хт получено выражение

т* = гц е~ЭтХт (8)

ост ост е

где $х - коэффициент неравномерности остывания конструкции,

зависящий от обобщенного критерия Био, способа термообработки бетона и вида вяжущего.

Известно, что прогнозирование и контроль прочности за период тепловой обработки бетона осуществляется по времени и температуре его выдерживания.

При выдерживании конструкций из шлакощелочных бетонов определение прочности бетона по средней температуре приводит к большой погрешности. В связи с этим прогнозирование и контроль за нарастанием прочности шлакощелочного бетона при остывании монолитных конструкций необходимо проводить поэтапно, определяя для каждого из них приращение значений прочности.

Температура бетона на каждом этапе может определяться по формуле

Ъя- = ^ + С И - 1 ) еАг(п_1)т, (9)

61 н.в. 4 к н.в.

где Дг - продолжительность этапа, ч;

ш - темп охлаждения бетона, ч ^;

п - количество участков, на которые разбивается время остывания;

1 - порядковый номер этапа.

Для прогнозирования и контроля прочности бетона за период остывания монолитных конструкций разработана программа, позволяющая по заданным технологическим параметрам прогнозировать ожидаемую прочность бетона, а также назначать эти параметры: вид опалубки и утеплителя, температуру смеси в зависимости от требуемой прочности бетсна, массивности конструкции, климатических воздействий и состава бетона.

Основными технологическими параметрами комбинированного способа термообработки монолитных конструкций являются: время начала периферийного обогрева, скорость подъема температуры, продолжи-

тельность и интенсивность тепловой обработки. Важным условием при назначении этих параметров является обеспечение благоприятного термонапряженного состояния бетона в процессе' термообработки.

На основе теоретических и натурных исследований установлено, что к началу регулярного периода остывания монолитных конструкций заканчивается период интенсивного тепловыделения шлакощелочного бетона, бетон теряет пластические свойства и линия нулевых напряжений имеет выпуклый характер, происходит упорядочение температурного поля по сечению конструкций, позволявшее расчетным путем определять распределение температур.

Все это свидетельствует о целесообразности осуществления периферийного обогрева конструкции к концу иррегулярной стадии, продолжительность которой определяется по формуле

'ост <кт.- "

ъ-——■ . <»>

Анализ данных расчета на ЭВМ температурных и прочностных полей, а также температурных напряжений, возникающих при периферийном обогреве монолитных конструкций, показал, что максимальные температурные градиенты наблюдаются в периферийных слоях конструкции, величина которых растет в процессе термообработки бетона.

Установлено, что независимо от массивности конструкции, условий теплообмена с окружающей средой и температуры бетона к моменту начала периферийного обогрева величина температурного градиента определяется мощностью теплового потока от греющей опалубки. Напряжения, возникающие в бетоне при термообработке, определяются, в основном, температурным градиентом в поверхностных слоях, и поэтому могут прогнозироваться и регулироваться в зависимости от величины удельной мощности нагревателей опалубки.

При комбинированном способе термообработки температурные перепады и, следовательно, возникающие напряжения значительно ниже, чем при периферийном обогреве, что позволяет осуществлять подъем температуры с более высокой скоростью, равной, как показали расчеты, 15...20°С/ч.

Разработанная программа позволяет рассчитывать на ЭВМ технологические параметры комбинированного способа термообработки монолитных конструкций, контролируя при этом температурные^ и прочностные поля, возникающие температурные напряжения.

На основе анализа и обработки результатов расчетов построены

номограммы, позволяющие назначать технологические параметры комбинированного способа тепловой обработки бетона в зависимости от массивности конструкции, условий теплообмена с окружающей средой, требуемой прочности бетона, его состава, удельной мощности нагревателей опалубки, начальной температуры бетона (рис.3).

Предложенный способ термообработки монолитных конструкций защищен авторским свидетельством.

Опытно-производственное внедрение и проверку результатов исследований проводили на объектах ПСМО "Челябметаллургстрой".

Для осуществления предварительного электроразогрева бетонной смеси была изготовлена установка, с помощью которой производили разогрев шлакощелочной бетонной смеси в кузове автосамосвала МАЗ Сопоставление расчетных данных температуры в процессе электроразогрева с экспериментальными показало, что разработанная методика расчета температурных полей по объему кузова автосамосвала позволяет получать значения, близкие к экспериментальным. Отклонения не превышают 10...12%. В дальнейшем такие установки были разработаны и внедрены для разогрева бетонной смеси в кузовах автосамосвалов ЗИЛ и КАМАЗ.

Проверку и внедрение результатов исследований по электропрогреву шлакощелочных бетонов проводили при возведении монолитных и сборномонолитных конструкций нулевого цикла: армированных и не-армированных фундаментных плит и фундаментов под колонны промзда-ний.

Электропрогрев шлакощелочного бетона среднемассивных и слабо-армированных конструкций осуществляли при напряжениях от 50 до 106 В с использованием традиционных трансформаторов ТМ0-50/10. Однако при электропрогреве тонкостенных и армированных конструкций, особенно на начальном этапе прогрева, необходимы более низкие напряжения, которые невозможно обеспечить серийно выпускаемыми про-гревными станциями для бетонов на портландцементе. В связи с этим нами был предложен и собран блок, включающий трансформаторную подстанцию КТП—ОБ—63 и трансформатор с переменным коэффициентом понижения напряжения. С помощью этого блока можно осуществлять' электропрогрев бетона при напряжениях от 12 до 127 В

Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало, что параметры, рассчитанные на ЭВМ, более точно отражают процессы, протекающие в ходе электропрогрева шлакощелочного бетона. Отклонение по температурному режиму при этом не превышает 9%.

Рис.3. Номограмма для определения времени обогрева шлако-щелочного бетона при комбинированном способе тепловой обработки

Расчетные данные, полученные с использованием инженерных методик, достигают отклонений от действительных до 16%.

Внедрение комбинированного способа термообработки проводили при производстве фундаментных блоков на КСМиИ ПСМО ЧМС, а также при возведении монолитных стен.и фундаментов под оборудование. При этом время термообработки сократилось по сравнению с периферийным обогревом в 2,5...3 раза, деформации теплового расширения уменьшились в 1,8...2,0 раза.

Сравнение расчетных значений температуры и напряжений с действительными показало хорошую сходимость, отклонения не превышают 14%. Причем фактические напряжения оказались меньше расчетных.

Контроль распределения температуры по сечению монолитных конструкций при их остывании и проверку методик расчета температурных и прочностных полей производили как на опытных моделях, так и на реальных конструкциях с модулем поверхности от 2,5 до 10 м-^.

Варьировались различные типы опалубок: деревянная, металлическая, фанерная. Температура окружающей среды изменялась от -7 до -28°С, скорость ветра от 1,2 до 6 м/с.

Проверка предлагаемых методик расчета технологических параметров остывающего бетона монолитных конструкций показала их высокую для практических целей надежность. Отклонение расчетных данных по времени остывания, температуре и прочности бетона от действительных значений этих параметров не превышает 11%.

Проверка результатов исследований в производственных условиях показала их корректность и пригодность предложенных способов расчета на ЭВМ электрических, температурных и прочностных полей, а также инженерных методик для определения и назначения технологических параметров различных способов зймнего бетонирования.

При разработке проектов производства работ и технологических карт на бетонирование монолитных конструкций в зимнее время необходимо выбирать методы зимнего бетонирования и назначать технологические параметры такими, при которых требуемая прочность бетона за период выдерживания обеспечивалась бы с наименьшими затратами при установленном уровне качестве.

Основными показателями технико-экономической оценки способов зимнего бетонирования и технологических параметров приняты:

- дополнительные затраты, увеличивающие себестоимость производства бетонных работ в зимнее время по сравнению с обычными (летними) условиями;

- дополнительные затраты, увеличивающие трудоемкость работ.

Методика расчета дополнительных затрат предусматривает определение таких показателей, как материалоемкость (расход вяжущего, утеплителя, электродной стали), потребляемая электрическая мощность, расход электроэнергии, продолжительность выдерживания бетона в опалубке, которые также могут служить критериями оценки и выбора эффективной технологии термообработки шлакощелочных бетонов.

При расчете экономической эффективности учитываются затраты по себестоимости и трудоемкости на следующие виды работ: установка и разборка опалубки, укладка бетонной смеси, подогрев воды и заполнителей, установка и разборка утеплителя, контроль качества бетона, изготовление и обслуживание прогревных установок, изготовление , установка и срезка электродов, стоимость электроэнергии.

Многообразие параметров и фактороБ, влияющих на эффективность способов зимнего бетонирования, определило необходимость разработки программы расчета технико-экономических показателей на ЭВМ.

Разработанные программы расчета технико-экономических показателей способов зимнего бетонирования монолитных конструкций с использованием шлакощелочных вяжущих позволяют выбирать и назначать оптимальные технологические параметры по любому из вышеуказанных критериев. Проведенные с использованием разработанных программ расчеты позволили установить зависимость дополнительных затрат от многообразия климатических, технологических, конструктивных и ма-териаловедческих факторов и дать рекомендации по обоснованному выбору способов зимнего бетонирования и их технологических параметров. Установлены границы эффективного использования шлакощелочных бетонов для возведения монолитных конструкций в зимнее время.

Теоретические разработки, подтвержденные экспериментальными исследованиями, вошли в ведомственные инструктивные и рекомендательные документы, которые используются на Урале при строительстве объектов жилищного, гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения.

Разработка способов зимнего бетонирования конструкций из шлакощелочных бетонов обеспечила внедрение новых материалов и оборудования в технологии бетонных работ, выбор и назначение эффективных способов и технологических параметров, сокращение сроков тепловой обработки монолитных конструкций, снижение трудозатрат и себестоимости работ, экономию топливно - энергетических ресурсов. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы в сис-

теме Южуралстроя составляет от 1,23 до 5,82 руб/м . Годовой экономический эффект составил 1,46 миллиона рублей (в ценах 1984 года).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны способы зимнего бетонирования с применением шлакощелочных вяжущих. Для этого выполнен анализ состояния вопроса, проведены экспериментальные исследования кинетики изменения технологических, физико-механических, теплофизических, электрических свойств и экзотермии этого материала при различных режимах выдерживания, разработаны методики аналитического и графического расчета технологических параметров способов зимнего бетонирования, выполнены расчеты экономической эффективности. Результаты исследований включены в инструктивные и рекомендательные документы, положения , отражающие особенности производства работ, и внедрены в практику строительства.

2. Предложена классификация факторов и параметров, влияющих на зимнее бетонирование, включающая климатические, технологически е, конструктивные и материаловедческие, которые оказывают воздействие на процессы, протекающие в шлакощелочном бетоне и определяющие температурный режим выдерживания монолитных конструкций, обеспечивающий набор требуемой прочности с минимальными затратами при установленном уровне качества.

3. Разработаны математические. модели и алгоритмы расчета электрических, температурных и прочностных полей, позволяющие производить с помощью ЭВМ оперативную оценку технологических параметров способов зимнего бетонирования.

4. На основе экспериментальных данных проведена качественная и количественная оценка влияния большого числа факторов: вид шлака и щелочного компонента, их расход, растворошлаковое отношение, плотность раствора щелочи, способ термообработки на кинетику нарастания прочности бетонов, выдерживаемых при различных температурных режимах от -30°С до +90°С.

В качестве параметра, характеризующего процесс твердения бетона в нормальных условиях на протяжении всего периода, предложен параметр Т25 - время достижения 25X 011^2 в нормальных условиях, который зависит от бида и состава бетона. Получены значения температурных коэффициентов к^ = ^р/г^, которые находятся в широких пределах от 0,001 при -30°С до 300 пои +90°С. Установлено, "то

значения этих коэффициентов для шлакощелочных бетонов, в отличие от бетонов на клинкерном вяжущем, зависят не только от состава бе-1 тона и температуры выдерживания, но и от прочности бетона на. этапе, на котором определяется его величина.

На уровне изобретения предложен способ контроля прочности бетона, позволяющий в зависимости от состава бетона и температурного режима выдерживания прогнозировать этот важный технологический параметр. Максимальное отклонение расчетных и действительных данных не превышает 12%.

5. Экспериментально установлены закономерности изменения параметров шлакощелочных бетонов, необходимых для оценки термонапряженного состояния выдерживаемых монолитных конструкций: прочность на растяжение, модуль упругости и коэффициент линейного температурного расширения в процессе твердения при различных температурных режимах от 20 до 90°С. Получены графические и аналитические зависимости для расчета и прогнозирования указанных характеристик бетона. Отклонение расчетных данных от действительных не превышает 14%. .

6. На основе экспериментальных исследований процессов, протекающих в шлакощелочном бетоне при замораживании, установлены предельно допустимые значения температур, до которых следует рассматривать остывание И набор прочности без снижения качественных показателей монолитных конструкций. Их величина зависит от состава и прочности бетона перед замораживанием и составляет от -2 до -16°С. Определены значения "критической" прочности шлакощелочных бетонов, •которые з зависимости от вида шлака, щелочного компонента и их расхода находятся в пределах от 7 до 40% от £¡28' что позволяет производить раннюю распалубку конструкций без ухудшения свойств бетона в процессе последующего твердения.

7. Проведены исследования кинетики изменения теплофизических характеристик, тепловыделения и удельного электрического сопротивления шлакощелочных бетонов при различных режимах выдерживания. Значения коэффициентов тепло- и температуропроводности у шлакощелочных бетонов на 15...20% ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем. Количество теплоты, выделяемое в процессе выдерживания шлакощелочных бетонов, сопоставимо с бетонами на шлакопортландцементе. Величина удельного электрического сопротивления у рассматриваемых бетонов на начальном этапе в 5...10 раз ниже, чем у бетонов на клинкерном вяжущем. В процессе твердения, в связи с интенсивным

набором прочности, величина этого параметра резко возрастает.

Разработана необходимые для расчета технологических параметров графические и аналитические зависимости, описывающие изменение указанных характеристик шлакощелочных бетонов при различных режимах выдерживания.

8. Установлены закономерности формирования и развития температурных и прочностных полей, а также напряжений в моделях и реальных конструкциях при различных способах зимнего бетонирования. Показано влияние различных факторов на неравномерность распределения температуры и прочности по сечению конструкции. При выдерживании конструкций с использованием предварительного электроразогрева смеси наблюдается наибольшая неравномерность температурных и прочностных полей, которая определяется массивностью конструкции и термическим сопротивлением опалубки. При использовании металлической опалубки температурные перепады достигают 45°С для Мп = 2,5 м ^ и 30°С для Мп = 6 м ^, при деревянной опалубке соответственно 28 и 9°С.

Наибольшая вероятность неблагоприятного термонапряженного состояния бетона возникает при периферийном обогреве монолитных конструкций. Комбинированный способ термообработки бетона, включающий укладку.предварительно разогретой смеси с последующим периферийным обогревом, позволяет снизить уровень растягивающих напряжений в 1,8...2,0 раза.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны программы расчета электрических, температурных, прочностных полей и температурных напряжений, возникающих в бетоне при различных способах зимнего бетонирования, а также расчетно-графи-ческие методики выбора и назначения технологических параметров способов зимнего бетонирования, необходимые как на. стадии разработки проекта производства работ, так и непосредственно при возведении. монолитных конструкций для назначения и корректировки температурных режимов, прогнозирования и контроля прочности бетона.

10. В ходе проверки и опытно-промышленного внедрения результатов исследований доказана возможность использования предложенных разработок в практике строительного производства. Максимальные расхождения расчетных и действительных данных по температурному режиму и технологическим параметрам составили: при использовании программ расчета на ЭВМ до 9%, инженерных методик - до 16%. Внедрено электрооборудование - конструкция блока трансформаторов и

установка для разогрева бетонной смеси, позволяющее осуществлять электропрогрев и электроразогрев шлакощелочных бетонов и обеспечивающее требуемые пределы регулирования напряжения в процессе термообработки бетона по заданному температурному режиму.

11. Разработаны программы расчета на ЭВМ технико-экономических показателей способов зимнего бетонирования применительно к шлакощелочным бетонам, позволяющие осуществлять выбор оптимальных технологических решений как на стадии разработки ППР и технологических карт, так и непосредственно на строительной площадке. На основе расчетов установлены границы применения различных способов зимнего бетонирования, обеспечивающие минимизацию затрат при производстве бетонных работ в зимнее время.

12. Основные результаты исследований включены в инструктивные и рекомендательные документы, которые используются при производстве бетонных работ на Урале. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 1,46 млн.рублей в ценах 1984 г., при этом снижены дополнительные затраты по трудоемкости работ на 10...15%. себестоимости на 15...20%, уменьшен расход электроэнергии на 15...20% и стали на 10...15%, сокращено время выдерживания бетона в опалубке на 30...50% по сравнению с традиционной практикой зимнего бетонирования монолитных конструкций с использованием клинкерных вяжущих.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Вальт А.Б., Головнев С.Г., Самойлович Ю.З. Расчет времени остывания бетонных конструкций при отрицательных температурах//Со-вершенствование технологии строительного производства: Сб. статей. - Томск: Изд-во Томск, ун-та. 1978. - С. 33-44.

2. Вальт А.Б. Прогнозирование прочности предварительно разогретого бетона в зимнее время//Рекомендации по производству бетонных работ в зимнее время. - Новосибирск, 1979. - С. 55-56.

3. Вальт А.Б. Выбор расчетной температуры наружного воздуха при решении задач по остыванию бетонных конструкций// Исследования по строительным материалам и изделиям: Сб. статей.- Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1981. - С. 63-67.

4. Вальт А.Б. Расчет технологических параметров производства бетонных работ в зимнее время с электроразогревом смеси// Строительные материалы и технология строительного производства: Сб.

трудов. - Челябинск:. ЧПИ, 1981. - С. 66-70.

5. Вальт A.B., Гольденберг U.U., Чачковский Л.М. Проектирование технологии зимнего бетонирования с применением ЭВМ // Тепло- и массоперенос в процессах твердения материалов на основе вяжущих веществ: Сб. статей. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1985,- С.18-23.

6. Вальт А.Б., Хомутский A.B. Возведение монолитных конструкций из шлакощелочного бетона в зимнее время с применением электропрогрева // Снижение энергозатрат в технологии монолитного железобетона для районов с суровыми природно-климатическими условиями. Тез. докл. научн.-практ. конф. - Иркутск, 1985. - С. 39-41.

7. Головнев С.Г., Вальт А.Б., Гольденберг М.М. Прочность выдерживаемого при различных температурах бетона // Бетон и железобетон. - 1986. N 7. - С. 27-29.

8. Временная инструкция по применению шлакощелочных бетонов при возведении железобетонных конструкций на объектах Главюжурал-строя. - Челябинск, 1986. - 56 с.

9. Вальт А.Б. Влияние отрицательных температур на прочностные характеристики шлакощелочного бетона // Эффективная технология бетонных работ в условиях воздействия окружающей среды: Сб. научн. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1986. - С. 11-16.

10. Вальт A.B., Хомутский A.B., Головнев С.Г. Технологические свойства шлакощелочных бетонов при электропрогреве // Жаростойкие материалы, изделия и конструкции. Сб. научн. тр. - Челябинск, УралНИИстромпроект,.1987. - С. 56-68.

11. Вальт A.B., Хомутский A.B., Головнев С.Г. Особенности возведения конструкций из шлакощелочного бетона // Промышленное строительство. - 1987. - H 2. - С. 16-17.

12. Вальт A.B., Коваль С.Б.,. Хомутский A.B. Использование электрофизических характеристик для контроля структурообразования шлакощелочных бетонов // Контроль формирования структуры и прочности бетона в процессе ускоренного его твердения: Сб. научн. трудов. - Волгоград, 1988. - С. 68-74.

13. Вальт А.Б., Головнев С.Г., Хомутский A.B. Прогнозирование прочности шлакощелочного бетона в процессе термообработки // Контроль формирования структуры и прочности бетона в процессе ускоренного его твердения: Сб. научн. трудов.-Волгоград, 1988.-С. 74- 79.

14. Вальт A.B., Коваль С.Б., Хомутский A.B., Мазиков И.А. Исследование теплофизических характеристик шлакощелочного бетона в процессе твердения при различных температурах // Строительные ма-

териалы на основе местного сырья и вторичных продуктов: Сб. научн. тр. - Челябинск: УралНИИстромпроект, 1988. - С. 63-69.

15. Вальт А.Б., Коваль С.Б. Расчет параметров выдерживания шлакощелочных бетонов монолитных конструкций, возводимых с предварительным электроразогрейом смеси // Технология монолитного домостроения: Тез. докл. научн.-практ. конф. - Томск, 1989. - С.61-63.

16. Вальт А.Б., Хомутский A.B., Головнев С.Г. Выбор технологических параметров электродного прогрева монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов // Технология монолитного домостроения: Тез. докл. научн.-практ. конф. - Томск, 1989. - С. 59-61.

17. Вальт А.Б. Возведение в зимнее время монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов на объектах ТОО Южуралстрой // Интенсификация бетонных работ в строительном производстве: Тез. докл. научн.-техн. семинара. - Челябинск, 1989. - С. 45-50.

18. Вальт А.Б., Хомутский A.B., Савенков К.А. Применение электродного прогрева для тепловой обработки шлакощелочных бетонов // Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции : Тез. докл. 3-й Всесоюзной научн.-практ. конф. Т.2. - Киев, 1989. - С. 231- 235.

19. Вальт А.Б., Хомутский A.B., Савенков К.А. Расчет и проектирование процессов тепловой обработки конструкций из шлакощелочных бетонов // Материалы ХХЛ международной конференции . молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона. Т. 1.-Иркутск, 1990. - С. 163-165.

20. Вальт А.Б., Шилкин Ю.П., Кучин В.H. Комбинированный и внешний способы термообработки конструкций -из шлакощелочных бетонов // Материалы XXII междунардной конференции молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона. Т. 1. - Иркутск, 1990. - С. 165-166.

21. Вальт A.B., Хомутский A.B., Головнев С.Г. Исследование электрофизических характеристик бетонов на шлакощелочном вяжущем// Сб. научн. тр. - Владимир, 1990. - С. 12-16.

22. Вальт А.Б., Хомутский A.B., Головнев С.Г. Особенности электропрогрева шлакощелочных бетонов // Совершенствование технологии и механизации строительного производства. - Томск : Изд- во Томск, ун-та, 1990. - С. 3-10.

23. Вальт A.B., Кучин В.Н., Фраге Л.Р. Учет тепловыделения •шлакощелочных бетонов при расчете технологических параметров предварительного разогрева смеси // Непрерывный электроразогрев бетонной смеси в строительстве: Тез. докл. совещания - семинара. - Л. ,

1991. - С. 17-19.

24. Вальт А.Б., Кучин В.Н. Повышение эффективности предварительного разогрева шлакощелочных бетонов // Теплофизические аспекты технологии бетона и других строительных материалов на основе вяжущих веществ: Тез. докл. совещания-семинара. - Минск, 1992.

С. 75-77.

25. Вальт A.B., Коваль С.Б., Кучин В.Н. Некоторые особенности возведения монолитных конструкций из шлакощелочных бетонов // Препринт. - Челябинк: Изд-во ЧГТУ, 1995. - 17с.

26. Вальт A.B. Технологические основы зимнего бетонирования с применением шлакощелочных вяжущих // Препринт. - Челябинск : Изд-во ЧГТУ, 1995. - 24с.

27. A.c. 1544579 (СССР). Установка для электроразогрева бетонной смеси / А.Б.Вальт,С.Г.Головнев, С.В.Коваль, М.И.Грамм.-Опубл. в Б.И., 1990 , N 7.

28. A.c. 1729761 (СССР). Способ разогрева бетонной смеси / А.Б.Вальт, С.Б.Коваль, Ы.И.Грамм, М.В.Борисова. - Опубл. в Б.И.,

1992, N 16.

29. A.c. 1733958 (СССР). Образец для определения прочности материалов при испытании на-изгиб / А.Б.Вальт, Ю.П.Шилкин, С.И. Шульженко, С.Б.Сапожников, В.Н.Кучин. - Опубл. в Б.И., 1992, N 18.

30. A.c. 1734013 (СССР)-. Способ контроля за нарастанием прочности бетона при тепловой обработке / А.Б.Вальт, А.В.Хомутский, С.Б.Коваль, M.M.Гольденберг. - Опубл. в Б.И., 1992, N 18.

31. Вальт A.B., Кучин В.Н., Хомутский A.B., Шилкин Ю.П. Способ изготовления щита греющей опалубки. Патент РФ. - Опубл. в Б.И., 1994, N 9.

32. Вальт А. Б., Кучин В.Н., Коваль C.B., Фраге JI.P. Способ возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций. Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке 494895/33/051108/ Кл. E04G21/02.

_J^

Издательство Челябинского государственного

технического университета •

JIP N 020364 от 20.01.92. Подписано в печать 22.04.96

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86

Уч.-изд. л. 1,93. Тираж 100 экз. Заказ 100/199

У0П издательства.454080 г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76