Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задач исследования 9
1.1. Опыт использования твердеющей закладки на горных предприятиях 9
1.2. Способы упрочнения закладочных массивов 16
1.3. Способы армирования дисперсных композитов 31
1.4. Постановка задач исследования 37
Выводы 38
Глава 2. Направленное изменение свойств твердеющего закладочного массива 40
2.1. Подбор армирующих элементов 40
2.1.1. Выбор асбестовых волокон 42
2.1.2. Выбор базальтовых волокон
2.2. Подбор инструментов 49
2.3. Исследование изменений пределов прочности при сжатии и растяжении при изгибе закладочного массива от содержания асбестовых волокон и МБМ 56
2.4. Исследование изменений растекаемости закладочных смесей, формирующих массив, от содержания асбестовых волокон и МБМ 63
2.5. Исследование изменений относительной деформации усадки образцов закладочного массива от содержания асбестовых волокон и МБМ 67 Выводы 71
Глава 3. Разработка эффективных способов упрочнения твердеющих закладочных массивов 73
3.1. Способы упрочнения твердеющего закладочного массива посредством применения природного волокнистого материала
3.2. Технологическая схема реализации разработанных способов упрочнения закладочного массива 76
3.3. Контроль прочности образцов закладочного массива, армированного волокнистыми материалами, методом ударных
Глава 4. Расчет ожидаемого экономического эффекта от применения использования волокнистых материалов для направленного изменения свойств закладочного массива 90
Библиографический список
- Способы упрочнения закладочных массивов
- Выбор базальтовых волокон
- Исследование изменений растекаемости закладочных смесей, формирующих массив, от содержания асбестовых волокон и МБМ
- Контроль прочности образцов закладочного массива, армированного волокнистыми материалами, методом ударных
Введение к работе
Актуальность работы. С физической точки зрения все динамические проявления горного давления представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в объеме массива. Одно из основных направлений решения этой проблемы заключается в исследовании свойств массива и направленном изменении его механических характеристик.
В случае применения твердеющей закладки управление геомеханическими процессами кроется в определении оптимальных параметров искусственных целиков или закладочных массивов (геометрических и прочностных свойств, а также состава).
Исходя из горно-геологических условий, для разработки Коробков-ского месторождения (ООО «Комбинат КМАруда») регламентируется для камер первой очереди предел прочности при сжатии искусственного массива до 8–10 МПа.
Цементные закладочные составы такой прочности характеризуются повышенной хрупкостью, склонностью к трещинообразованию, повышенной относительной деформацией усадки, слабой сопротивляемостью действию знакопеременных нагрузок. Повышение содержания цемента лишь усугубит названные проблемы. Поэтому актуальной становится проблема упрочнения искусственных закладочных массивов без повышения расхода вяжущего. Управление геомеханическими процессами при системах с искусственным поддержанием выработанного пространства в таких случаях может осуществляться упрочнением закладочного массива армирующими элементами.
Отдельные исследования диссертационной работы выполнялись в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг.» (гос. контракт П1077) и гос. контракта №29-вн на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям социально-экономического развития Белгородской области на 2015 год.
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения прочностных и деформатив-ных свойств и реологических характеристик твердеющего закладочного массива для направленного преобразования его свойств с целью разработки эффективных способов его упрочнения.
Идея работы заключается в том, что направленное изменение свойств твердеющего закладочного массива, обеспечивающих повы-
4 шение его прочности и уменьшение относительных деформаций усадки, достигается путем размещения в формируемом массиве армирующих элементов одновременно с твердеющей смесью, причем в качестве армирующих элементов применяются волокнистые материалы -асбест хризотиловый и микрофибра базальтовая, модифицированная наночастицами фуллероидного типа (МБМ).
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Изменение пределов прочности закладочного массива при сжа
тии и растяжении при изгибе от содержания армирующих элементов
носит экстремальный характер.
2. Направленное увеличение пределов прочности закладочного
массива при сжатии (25–30 %) и растяжении при изгибе (26–32 %)
достигается при размещении в нем асбеста хризотилового 3–6 % от
массы вяжущего вещества.
3. Направленное увеличение пределов прочности закладочного
массива при сжатии (15–21 %) и растяжении при изгибе (10–12 %)
достигается при размещении в нем соответственно 1–3 % и 3–6 %
микрофибры базальтовой модифицированной от массы вяжущего ве
щества.
4. Относительная деформация усадки закладочного массива
уменьшается на 24–57 % при введении от 3 % до 10 % микрофибры
базальтовой модифицированной; на 47–54 % при введении от 3 % до
7 % хризотилового асбеста от массы вяжущего вещества. Увеличение
содержания асбеста до 10 % позволяет достигнуть полной безусадоч-
ности закладочного массива.
5. Растекаемость смесей, формирующих массив, описывается ли
нейными зависимостями, что обосновывает содержание асбестовых
волокон и МБМ соответственно не более 3,5 % и 8 % от массы вяжу
щего вещества для сохранения транспортабельности композиций.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующих положениях:
-
Установлены полиномиальные зависимости (второй и третьей степени) относительных изменений пределов прочности при сжатии и растяжении при изгибе закладочного массива от содержания асбеста.
-
Выявлены полиномиальные зависимости (четвертой и второй степени) относительных изменений пределов прочности при сжатии и растяжении при изгибе закладочного массива от содержания микрофибры базальтовой модифицированной.
-
Установлены линейные зависимости относительных изменений
5 растекаемости закладочных смесей, формирующих массив, от содержания асбестовых волокон и микрофибры базальтовой модифицированной.
-
Обоснована линейная зависимость между пределами прочности при сжатии закладочного массива, армированного волокнистыми элементами, определенными механическим способом, и результатами измерений методом ударных импульсов неразрушающего контроля.
-
Разработаны способы упрочнения закладочного массива, включающие размещение в формируемом массиве армирующих элементов одновременно с твердеющей смесью, отличающиеся тем, что в нем в качестве армирующих элементов применяют микрофибру базальтовую модифицированную и асбест хризотиловый - хризотил в количестве 3 % от массы вяжущего вещества.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающих системный анализ проблемы, патентно-информационный анализ, лабораторные методы испытания физико-механических, деформативных и реологических свойств образцов искусственных массивов, в том числе физико-механические и неразрушающего контроля, методы испытания прочности, математического моделирования и математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается корректной постановкой задач исследования; использованием научно обоснованной методики исследований; значительным объемом лабораторных исследований с последующим использованием математических моделей и статистических методов обработки; воспроизводимостью экспериментальных данных; удовлетворительной сходимостью результатов измерений, полученных различными методами; положительным решением государственной патентной экспертизы технических решений.
Практическая значимость работы заключается в том, что за счет управления изменениями свойств закладочных массивов разработаны новые способы их упрочнения, позволяющие экологически безопасно и эффективно разрабатывать месторождения подземным способом.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по подземной геотехнологии, технической мелиорации грунтов, горнопромышленной экологии.
Личный вклад автора состоит в осуществлении подготовки и проведении лабораторных испытаний; обобщении и обработке полу-
6 ченных результатов; установлении аналитических зависимостей прочностных, деформативных и реологических характеристик закладочного массива от содержания армирующих волокнистых элементов; в уточнении зависимости между пределами прочности при сжатии закладочного массива, армированного волокнистыми элементами, определенных механическим способом, и результатами измерений методом ударных импульсов неразрушающего контроля; разработке способов упрочнения твердеющего закладочного массива с конкретным предложением оптимального количества армирующих элементов; разработке условий и параметров технологического процесса размещения армирующих элементов в формируемом массиве одновременно с твердеющей смесью; формулировании основных выводов, научных положений и практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: научном симпозиуме «Неделя горняка – 2015» (Москва, МГИ НИТУ «МИСиС», 2015); III Всероссийской заочной (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр» (Белгород, БелГУ, 2013); 8-й Международной научно-практической конференции «Научният потенциал на света» (Болгария, София, 2012); Scientific Reports on Resourse Issues (Germany, Freiberg, 2014, 2015); XIII Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, ВИОГЕМ, 2015).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 – в изданиях, входящих в список ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 117 страницах печатного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 32 таблицы, 27 рисунков, библиографический список из 134 наименований и приложение.
Способы упрочнения закладочных массивов
В отработанное, но еще не заложенное пространство камеры или слоя размещают у рудного массива армирующие элементы – сетку из базальтового волокна. Один слой армирующего элемента сетки 2 размещают непосредственно на контакте с рудным массивом, второй 3 на расстоянии 10,05 b от первого. После установки армирующих элементов в выработанное пространство камеры или слоя подают твердеющую закладочную смесь. В результате затвердевания, на границе искусственного и рудного массивов образуется упрочненная зона 1, обеспечивающая повышенную прочность и устойчивый контактный слой на границе искусственного массива (таблица 1.3).
Этими же авторами, создан еще один способ упрочнения закладочного массива [27]. В предлагаемом способе в качестве армирующих элементов применяют базальтовое волокно в количестве 4–5 % от массы твердеющей смеси.
Закладочный массив с армировкой контактного с рудным слоя сеткой избазальтового волокна 5,93 6,12 6,47 5,81 5,43 Способ упрочнения закладочного массива осуществляется следующим образом. Искусственный массив формируется из твердеющей закладочной смеси, в которую перед ее укладкой в выработанное пространство подают армирующие элементы – базальтовые волокна. При растекании закладочной смеси по выработанному пространству базальтовые волокна распределяются равно 18 мерно во всем объеме будущего искусственного массива хаотически, занимая различную ориентировку (таблица 1.4).
Известен способ упрочнения закладочного массива, заключающийся в заполнении выработанного пространства по периферии более прочным материалом, а в середине – материалом с более низкими компрессионными свойствами [28].
Однако такой способ отличается низкой прочностью поверхностей обнажения массива на растяжение. Рудная корка остается около закладочного массива, что приводит к увеличению потерь руды [29].
Известен способ упрочнения закладочного массива из твердеющей смеси, заключающийся в размещении в нем до затвердевания массива армировочного материала, например металлической арматуры и анкерных болтов, которые размещают в выработанном пространстве до подачи в него твердеющей смеси [30]. Недостатками этого способа являются трудоемкость и большой расход металлической арматуры, а также сложность армирования вертикальных стенок закладочного массива.
Авторы [29] предлагают способ упрочнения закладочного массива из твердеющей смеси, заключающийся в том, что повышение устойчивости обнажений закладочного массива достигается одновременным размещением арми-ровочного материала в виде отрезков металлической проволоки и твердеющей смеси в зоны, прилегающие к обнаженным поверхностям закладочного массива (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Схема заполнения выработанного пространства твердеющей смесью с отрезками металлической проволоки: 1 – граница между стенкой рудного массива и зоной насыщения; 2 – твердеющая смесь и отрезки проволоки; 3 – пункты установки средств пневматической доставки Недостатком данного способа является то, что армирующий материал, подаваемый в зоны обнажения массива, распределяется в нем неравномерно, что ведет к снижению прочности закладочного массива, т.е. в местах скопления металлических отрезков в результате их соприкосновения с агрессивной средой, возникающей в результате процесса гидратации цемента, происходит их коррозия, которая разрушает структуру бетона. Кроме того применяемый для армировки материал имеет высокую стоимость, что приводит к увеличению себестоимости закладки.
Существует способ упрочнения закладочного массива, суть которого заключается в добавлении в закладочный материал скрепляющей добавки в смеси с ангидридовыми соединениями тяжелых металлов [31]. Главный недостаток данного способа – повышенный расход дорогостоящих добавок. Кроме того, известен способ упрочнения закладочного массива, заключающийся в возведении закладочного массива из сыпучих соляных пород и пропускании через него стимулятора твердения, в качестве которого используют воздух, кислород или разбавленную серную кислоту [32]. Недостаток способа – низкая интенсивность твердения закладочного массива.
Разработан способ [33], заключающийся в возведении массива из сыпучих соляных пород и пропускании через него стимулятора твердения, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса твердения в массиве укладывают перфорированные трубы, по которым в качестве стимулятора твердения пропускают насыщенный пар, при этом массив увлажняют до 5–11 % влажности породной массы по весу (рисунки 1.3, 1.4).
Разработан способ упрочнения слоистого закладочного массива из твердеющих смесей, включающий изготовление и размещение перед подачей порции твердеющей смеси армирующих элементов в подлежащем закладке участке выработанного пространства с направлением армирующих элементов по высоте поперек слоистости закладочного массива и последующее заполнение выработанного пространства твердеющей смесью, отличающееся тем, что с целью сокращения затрат на упрочнение закладочного массива, выработанного пространства с наклонной почвой, в период перерыва подачи в выработанное пространство твердеющей смеси армирующие элементы перемещают на плаву и участки выклинивания слоя твердеющего закладочного массива, при этом одну половину высоты армирующих элементов размещают в образованном слое, а другую – над ним, последующее заполнение выработанного пространства возобновляют после схватывания слоя [34].
Выбор базальтовых волокон
На Координационном совещании Министерства здравоохранения и социального развития РФ, состоявшемся в сентябре 2010 года и посвященном разработке национальных программ по ликвидации заболеваний, связанных с асбестом, российские ученые подтвердили: «Научные данные позволяют сделать однозначный вывод о возможности безопасного для человека контролируемого использования хризотилового асбеста» [77].
Однако Евросоюз настаивает на тотальном запрете асбеста во всем мире. По мнению российских аналитиков, одна из причин этого запрета состоит в том, что в XX веке Западная Европа, не имея собственных месторождений хризотил-асбеста, активно и бесконтрольно использовала асбест амфиболовой группы во всех отраслях промышленности, а также в жилых и общественных зданиях. При этом использовались рыхлые, легко разрушающиеся изоляционные материалы, что стало причиной так называемой «эпидемии асбестообу-словленных заболеваний».
Для решения данной проблемы промышленность этих стран была переориентирована на создание искусственных заменителей асбеста. Возникла мощнейшая индустрия, нуждающаяся в постоянном расширении рынков сбыта. Существующая сегодня конкуренция со стороны транснациональных корпораций – производителей альтернативных материалов и стала главной причиной антиасбестовой кампании, которая возникла и активно проводится в странах, не имеющих собственных месторождений асбеста, но обладающих мощной химической и металлургической промышленностью, производящей заменители этого строительного материала. Участники антиасбестовой компании, провоцируя фобию вокруг асбеста, объединяют все его виды в единое целое, без учета разновидностей и свойств асбеста, подвергая суровым нападкам методы и практику применения хризотила, которые перестали использоваться уже более 25-ти лет назад. В антиасбестовой кампании задействованы огромные финансовые средства транснациональных концернов. За год на разных уровнях предпринимается 10–20 попыток ввести тотальный запрет на асбест. И есть ради чего. Сегодня в мире производится более 2 млн тонн хризотила, половина из них – в России. Если устранить этот минерал с рынка, легко представить, какие денежные потоки потекут в конкурирующие концерны [77].
Кроме того, данные о безопасности асбеста подтверждаются исследованиями, проводимыми в рамках научной школы, сформированной в НИУ «Бел-ГУ» под руководством профессора А.И. Везенцева.
При химическом воздействии на волокна хризотил-асбеста продуктов гидратации клинкерных фаз портландцемента по результатам исследований в световом, растровом и трансмиссионном электронном микроскопах выявлено нарушение поверхности волокон [82,83]. Методом аналитической электронной микроскопии с энергодисперсионным определением элементного состава обнаружено наличие экрана из продуктов гидратации и карбонизации клинкерных фаз портландцемента на активной бруситоподобной поверхности асбестовых волокон. Зафиксировано уменьшение количества магния в кристаллической решетке хризотил-асбеста, появление в ней ионов кальция, калия, натрия, хлора, являющихся составной частью продуктов гидратации портландцемента [84, 85].
Предположение о снижении биологической активности хризотил-асбестовых волокон под воздействием окружающей среды в 10 раз и продуктов гидратации портландцемента в 30 раз подтверждено экспериментально [84, 85].
Приведенные работы однозначно доказывают, что под воздействием продуктов гидратации портландцемента и окружающей среды волокна хризотил-асбеста радикально изменяют все свои свойства. Меняется химический состав, структурная формула и соответственно физико-химические свойства. Таким образом, можно утверждать, что образуется силикатное волокно, которое не является хризотил-асбестом [85, 86, 87].
Преимущества рационального применения базальтобетонных композиций состоят в следующем [88, 89]: - ни одна из модификаций искусственных волокон не обладает такой исходной сырьевой базой, как волокна из базальта; - базальтовые волокна обладают высокой прочностью, сопоставимой с высокой прочностью стеклянных волокон, а модуль упругости базальтовых волокон выше на 15–20 %, чем у волокон из стекла [90, 91]; - базальтовые волокна, в отличие от стеклянных, получают по одностадийной технологии, при этом отпадает необходимость в выполнении достаточно трудоемких технологических операций по изготовлению многокомпонентной шихты, превращению ее в расплав и формированию стеклянных шариков, что, в свою очередь, позволяет снизить не только трудоемкость и энергоемкость технологического процесса, но и себестоимость волокна [92]; - введение базальтового волокна в структуру цементного камня позволяет решать актуальную задачу – сохранение прочностных характеристики наряду со снижением количества цемента [93].
Дисперсное взаимодействие коллоидных частиц в цементных растворах и в бетонных смесях определяет, в том числе, плотность структуры и последующие характеристики бетонов после окончания процессов гидратации цементных вяжущих. В свою очередь, силы дисперсного взаимодействия имеют электростатическую природу, при этом напряженность электрических полей при таком взаимодействии в среднем составляет 106 В/м. Однако значения этих сил могут существенно отличаться и в большую сторону – при определенных условиях и при наличии в коллоидных системах частиц особой топологической формы, имеющих при этом необходимые значения действительной части диэлектрической проницаемости [94].
Следовательно, возможны (и наблюдаются экспериментально) гигантские резонансные усиления поля вблизи поверхности таких частиц. Это, в свою очередь, не может не приводить к пространственным изменениям в процессах образования соответствующих кристаллогидратов (собственно цементного камня). Такими частицами могут являться, например, короткие углеродные нанотрубки определенной формы и крупные многослойные полиэдральные наночастицы фуллероидного типа (рисунок 2.1) [95]. Введение таких частиц в бетонные смеси в самом незначительном количестве (менее, чем 10–3 %) приводит к росту в составе цементного камня протяженных структур длиной в сотни мкм. Наличие таких образований является ничем иным, как микродисперсным самоармированием цементного камня, что приводит к соответствующему упрочнению бетонов на основе таких нанодобавок [97, 98]. На рисунке 2.2. приведена структура «обычного» цементного камня, полученная в стандартных условиях твердения и «фибриллярная» структура дисперсно самоармированного цементного камня, полученного затворением обычной водой с добавками астраленов в виде низкоконцентрированной суспензии [72].
Исследование изменений растекаемости закладочных смесей, формирующих массив, от содержания асбестовых волокон и МБМ
Структура цементного камня, модифицированная углеродными наноча-стицами, претерпевает заметные изменения. Установлено снижение капиллярного водопоглощения цементного камня, изготовленного на наноструктуриро-ванной воде затворения. В силу структурных изменений цементного камня увеличивается доля пор с размером до 1000 0А, при этом часть пор переходит в условно замкнутое состояние. Это характеризует увеличение объема условно замкнутых пор, недоступных проникновению воды, и объясняется образованием более плотной упаковки гидратных новообразований с равномерно распределенными в структуре цементного камня порами. Наибольшее снижение во-допоглощения наблюдается в случае использования модифицированной воды затворения с концентрацией наномодификатора в диапазоне 10–6 – 10–4 % по объему. В этом же интервале концентраций наномодификатора в воде затворе-ния наблюдается увеличение предела прочности при изгибе и сжатии цементного камня.
Автором [109] установлено, что зависимость прочностных характеристик цементного камня от содержания наномодификатора в воде затворения не носит линейного характера при повышении концентрации наномодификатора. При этом определена однозначная тенденция повышения прочностных характеристик при введении в цементный камень наномодификатора, составляющая в среднем при изгибе 15 %, при сжатии – 25 %. Наибольший существенный эффект модификации цементного камня фуллероидным материалом наблюдается при концентрации последнего в воде затворения в довольно узком интервале. Полученные данные об изменении прочностных характеристик хорошо коррелируются с изменениями, происходящими при формировании поровой системы наномодифицированного цементного камня. Анализ полученных данных показывает, что увеличение прочности массива при сжатии (25–30 %) и растяжении при изгибе (26–32 %) наблюдается при введении в него 3–6 % асбеста хризотилового от массы вяжущего вещества, увеличение пределов прочности закладочного массива при сжатии (15–21 %) и растяжении при изгибе (10–12 %) достигается при размещении в нем микрофибры базальтовой модифицированной соответственно 1–3 % и 3–6 % от массы вяжущего вещества.
Закладочные материалы, используемые при создании искусственных массивов, должны обладать комплексом необходимых реологических свойств в соответствии с требованиями по их эксплуатации в реальных условиях.
Изучение реологических свойств закладочных смесей позволяет оценить транспортабельность смесей по трубопроводу. В процессе закладывания цели-кового массива закладочный раствор почти непрерывно находится в движении, следовательно, независимо от условий окружающей среды его свойства должны обеспечивать хорошую подвижность в течение заданного времени. Закладочный раствор должен оставаться в текучем состоянии в течение всего времени, необходимого для его транспортирования в закладываемую камеру [110, 111].
Армирующие элементы, применяемые для повышения прочности искусственных массивов и уменьшения относительной деформации усадки, также влияют на реологические свойства смеси.
Для улучшения реологических свойств в смесь добавляли суперпластификатор Полипласт СП-1.
Исследование проводилось согласно ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний» [112]. Растекаемость композиций определялась по диаметру пятна расплыва на вискозиметре Суттарда. В работе исследовались по 7 составов закладочных композиций с содержанием армирующих элементов от 0 до 10 % от вяжущего вещества по массе [113, 114].
Растекаемость закладочных смесей служит косвенной характеристикой их подвижности и может являться экспресс-методом стабильности выдерживания данного параметра в процессе производства закладочных композиций. Смеси пригодны для транспортирования по трубам при подвижности 9–14 см (полное погружение эталонного конуса) [6]. Такой подвижности соответствует растекаемость 15–20 см. Ранее авторами было доказано, что введение суперпластификатора в малоцементные закладочные смеси существенно повышает их текучесть в среднем на 86 % и позволяет транспортирование их трубопроводным транспортом и растекание в закладочной камере [105].
Однако анализ полученных данных уточняет, что введение в закладочные композиции армирующих элементов в виде асбестовых волокон существенно изменяет их реологические свойства, несмотря на наличие суперпластификато-ра в смеси, а условиям транспортабельности удовлетворяют композиции с содержанием армирующих элементов не более 3,5 % от массы вяжущего вещества. Известны технические решения [27], в которых для увеличения прочности закладочного массива при сжатии и изгибе предлагается использование армирующих элементов в виде волокнистого материала в количестве 4–5 % от мас 67 сы твердеющей смеси. Это количество в 8-10 раз превышает предельное содержание, определенное в данном исследовании.
Предлагаемое количество армирующих элементов, несомненно, упрочняет закладочный массив, но ограничивает подвижность формирующей его смеси, исключая ее транспортирование по трубам и растекание в заполняемой камере. Данная смесь может доставляться в камеру только ковшевыми погрузчиками или самосвалами и укладываться вручную, что приведет к усложнению технологической схемы, удорожанию работ и снижению безопасности. Для предотвращения подобной ситуации полученные результаты необходимо учитывать при проектировании искусственного массива на основе лежалых отходов обогащения железистых кварцитов с добавлением асбестового волокна для придания высокой прочности, уменьшения усадки при сохранении транспортабельности композиции, формирующей массив.
Контроль прочности образцов закладочного массива, армированного волокнистыми материалами, методом ударных
В настоящее время для контроля прочности бетона и закладочных массивов получают большое распространение методы неразрушающего контроля, которые позволяют ориентировочно определить прочность в любой конструкции или на отдельном участке конструкции изделия без их разрушения [121].
Неразрушающий контроль – контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации. Неразрушающий контроль особенно важен при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, компонентов и конструкций [121].
Выделяют следующие методы неразрушающего контроля [122]: - метод отрыва со скалыванием; - метод скалывания; - метод отрыва; - метод пластической деформации; - метод упругого отскока; - ультразвуковой метод; - метод ударного импульса.
Метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции заключаются в регистрации усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции, либо местного разрушения бетона в процессе вырывания из него анкерного устройства.
Метод отрыва со скалыванием является единственным неразрушающим методом контроля прочности, для которого в стандартах прописаны градуиро-вочные зависимости. Этот метод характеризуется наибольшей точностью. К недостаткам метода следует отнести большую трудоемкость испытаний, обусловленную необходимостью подготовки шпуров для установки анкера, а также невозможность использования в густоармированных и тонкостенных конструкциях [122]. Метод скалывания ребра конструкции используется главным образом для контроля линейных элементов (сваи, колонны, ригели, балки, перемычки и т.п.). В отличие от методов отрыва и отрыва со скалыванием, он не требует подготовительных работ. Однако при защитном слое менее 20 мм и повреждениях защитного слоя метод неприменим [122].
Метод отрыва стальных дисков может быть использован при испытании бетона в густо-армированных конструкциях, когда метод отрыва со скалыванием, а нередко и метод скалывания ребра конструкции (с учетом его ограничений) не могут быть использованы. Он точен и менее трудоемок по сравнению с методом отрыва со скалыванием. К недостаткам метода следует отнести необходимость наклеивания дисков за 3–24 часа до момента испытания (в зависимости от применяемого клея). В настоящее время метод используется крайне редко.
К общим недостаткам вышеперечисленных методов можно отнести следующие: повышенная трудоемкость; необходимость определения оси арматуры и глубины ее залегания; невозможность использования в густоармированных участках; частично повреждает поверхность конструкции [122].
Метод пластической деформации основан на измерении размеров отпечатка, который остался на поверхности бетона после соударения с ней стального шарика. Метод устаревший, но до сих пор его используют из-за дешевизны оборудования. Наиболее широко для таких испытаний используют молоток Кашкарова. Принцип действия прост. В молоток вставляется металлический стержень определенной прочности, после чего прибором наносят удар по поверхности бетона. С помощью углового масштаба измеряют размеры отпечатков, получившихся на бетоне и стержне. Прочность бетона определяется из соотношения размеров отпечатков (прочность стержня известна).
Приборы, применяемые для испытания методом пластических деформаций, основаны на вдавливании штампа в поверхность бетона путем удара или статического давления заданной силы. Устройства статического давления применяют ограниченно. Приборами ударного действия служат пружинные и руч 83 ные молотки со сферическим штампом (шариком) и приборы маятникового типа с дисковым или шариковым штампом [122].
Метод упругого отскока заключается в измерении величины обратного отскока ударника при соударении с поверхностью бетона. Типичным представителем приборов для испытаний по этому методу является склерометр Шмидта и его многочисленные аналоги. Метод упругого отскока основан на измерении поверхностной твердости бетона.
Метод упругого отскока заимствован из практики определения твердости металла. Для испытания бетона применяют приборы, называемые склерометрами, представляющие собой пружинные молотки со сферическими штампами. Молоток устроен так, что система пружин допускает свободный отскок ударника после удара по бетону или по стальной пластинке, прижатой к бетону. Прибор снабжен шкалой со стрелкой, фиксирующей путь ударника при его обратном отскоке.
При проведении испытаний после каждого удара берут отсчет по шкале прибора (с точностью до одного деления) и записывают в журнал. Требования к подготовке участков для испытаний к расположению и количеству мест удара, а также к экспериментам для построения тарировочных кривых такие же, как в методе пластической деформации [122].
Ультразвуковой метод заключается в регистрации скорости прохождения ультразвуковых волн. По технике проведения испытаний можно выделить сквозное ультразвуковых прозвучивание, когда датчики располагают с разных сторон тестируемого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны [122].
Метод сквозного ультразвукового прозвучивания позволяет, в отличие от всех остальных методов неразрушающего контроля прочности, контролировать прочность не только приповерхностных слоев бетона, но и тела бетона конструкции.