Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Обоснование необходимости строительства лесовозных автомобильных дорог 12
1.2. Зависимость прочности материала от способа уплотнения 14
1.3. Задачи исследования 18
2. Теоретические основы технологии непрерывного вакуумного прессования железобетонных плит для дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог 19
2.1. Процессы, происходящие при сжатии материалов 19
2.2. Химические процессы, протекающие в бетонной смеси при непрерывном вакуумном прессовании 20
2.3. Формирование структуры бетона в условиях непрерывного вакуумного прессования 27
2.4. Процесс цементации бетонной смеси, протекающий в условиях непрерывного вакуумного прессования 29
2.5. Выводы 37
3. Экспериментальные исследования технологии изготовления прессованных железобетонных плит для лесовозных автомобильных дорог 38
3.1. Планирование, статистическая обработка и методика оценки результатов экспериментальных исследований 38
3.2. Технология производства железобетонных плит для лесовозных автомобильных дорог 40
3.3. Методика испытания бетона на морозостойкость и деформативные свойства 45
3.4. Разработка технологической линии для приготовления и хранения бетонной смеси 46
3.5. Разработка технологической линии прессования дорожных железобетонных плит 48
3.6. Тарировка лабораторных установок 52
3.6.1. Тарировка винтового пресса 52
3.7. Прессование бетонной смеси 54
3.8. Испытание бетона на морозостойкость и деформативные свойства 56
3.9. Испытание бетона на усталостное повреждение 61
3.10. Результаты экспериментальных исследований контрольных образцов из прессованного бетона с непрерывным вакуумированием и виброуплотнением 62
3.11. Работа системы оператор - бетонная смесь при прессовании 65
3.12. Исследование изменения плотности бетонной смеси в процессе прессования одноосным сжатием 68
3.13. Экспериментальные исследования прочности бетона прессованного "кольцевым" сжатием 71
3.14. Экспериментальные исследования бетона на усталостное повреждение 73
3.15. Выводы 77
4. Расчет конструктивных параметров железобетонных плит и их технико-экономические показатели 78
4.1. Обоснование расчетной нагрузки дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги 78
4.2. Расчет необходимой толщины железобетонных плит из прессованного бетона непрерывного вакуумирования для сборного покрытия 79
4.3. Технико-экономическое обоснование применения непрерывного вакуумного прессования 82
4.4. Определение экономической эффективности капитальных вложений 95
4.5. Определение сравнительной экономической эффективности капитальных вложений 96
4.6. Оценка эффективности инвестиций 99
4.7. Выводы 103
Основные выводы и рекомендации 104
Список использованных источников 106
- Химические процессы, протекающие в бетонной смеси при непрерывном вакуумном прессовании
- Технология производства железобетонных плит для лесовозных автомобильных дорог
- Исследование изменения плотности бетонной смеси в процессе прессования одноосным сжатием
- Технико-экономическое обоснование применения непрерывного вакуумного прессования
Введение к работе
Актуальность темы. Лесные богатства России и обширность ее территории ставят перед дорожниками задачу повышения срока службы лесовозных автомобильных дорог.
Относительно низкий срок службы дорог и их высокие эксплуатационные расходы в условиях России способствуют тому, что большая часть средств тратится не на строительство новых дорог, а на поддержание построенных дорог в работоспособном состоянии. Поэтому финансовые и материальные ресурсы необходимо эффективно вкладывать в работы, связанные со строительством долговечных дорог.
Опыт показывает, что наиболее надежными являются автодороги из железобетонных плит [75, 86, 87]. На дорогах П-в, Ш-в и IV-в категорий лесозаготовительных предприятий и на лесовозных автомобильных ветках допускается устройство колейной проезжей части из сборных железобетонных плит [110, 111]. Однако стоимость изготовления и транспортирования плит часто перекрывает выигрыш за счет уменьшения трудоемкости при монтаже покрытия. Кроме того, плиты имеют недостаточную изгибную прочность. При неравномерной просадке и перекосе плит появляются поперечные трещины, выбоины по середине и краям плит [16, 17, 38, 69, 72, 98, 102, 135, 136].
Задача повышения работоспособности плит становится особенно актуальной в современных экономических отношениях. Эта задача не является простой и зависит от многих факторов, в том числе от способа уплотнения бетонной смеси.
Большинство ныне применяемых методов исследований и технологий изготовления дорожных плит со времени их появления не претерпели существенных изменений и перестали отвечать требованиям рыночной экономики. В обеспечении работоспособности важное место играют также методы их испытаний. В стране накоплен большой опыт исследований прочности и
морозостойкости плит нагружением статическими нагрузками. Однако такой метод исследований дает приближенное решение задач, так как автодороги от колес транспорта воспринимают как статические, так и динамические знакопеременные нагрузки значительной частоты. Импульсные нагрузки способствуют образованию микро- и макротрещин и являются основными причинами снижения прочности и морозостойкости железобетонных плит [47, 108, 120, 123].
На базе статических нагрузок разработаны нормы и правила проектирования бетонных дорожных одежд по разным технологиям: с изготовлением рельс - форм, машин со скользящей опалубкой и по технологии укатываемого бетона [25, 58, 74, 118, 120, 124]. Используется комплексные химические добавки отечественного производства, позволяющие производить бетон модифицированной структуры, включающие систему воздушных условно-замкнутых пор размером 50-Т-250 мкм и объемом Зч-7% [53, 78, 79, 99, 115]. Предложены различные виды бетонов модифицированной структуры для дорожного строительства, например, выпускающие бетоны повышенной удо-боукладываемости, малощебеночные, мелкозернистые (песчаные) и другие бетоны [19, 42, 50,52,65, 69, 80,83,101,102, 104, 105, 108,113,130].
Однако изготовление дорожных плит по технологии модифицированной структуры требует дополнительных средств на оборудование для точной дозировки химических добавок и как следствие этого, повышение стоимости плит [13, 97].
Как показали экспериментальные исследования автора [42, 45, 46, 47, 49, 50], вакуумное прессование дает возможность получать бетон повышенной прочности и морозостойкости без химических добавок и даже из низко активных цементов, взятых после длительного хранения его в бумажных мешках. В то же время установлено, что коренным образом улучшать качество дорог и устранить все недостатки, присущие дорогам с плитами только путем повышения качества цемента и бетонной смеси, не удается [81, 82, 86]. Необходимо отметить, что автомобильные лесовозные дороги, построенные
7 даже из высококачественного цемента, подвергаются быстрому разрушению
от действующей на них знакопеременной нагрузки. В связи с этим в целом становится экономически невыгодным строить автомобильные лесовозные дороги из высококачественных дорогих бетонов [125, 126, 127].
Для устранения традиционных недостатков, присущих автомобильным лесовозным дорогам с колейными железобетонными плитами необходимо перейти к строительству по принципиально новым и более совершенным технологиям [1, 83, 88, 103, 121, 122, 131]. Одним из таких способов, дающих возможность повысить работоспособность дорог, является применение дорожных плит из прессованного мелкозернистого бетона. При этом особый интерес представляет вакуумное прессование плит. Под вакуумным прессованием понимается такой процесс, который во время действия давления из прессуемой массы производится откачка выделяющихся при этом газов и паров, благодаря чему улучшаются формовочные свойства массы. Процесс вакуумного прессования бетонной смеси сопровождается склеиванием частиц материала. При нагревании материала благодаря вакуумному прессованию преодолеваются поверхностные силы и удаляются выделяемые при этом газы, в результате чего образуется бетон высокой плотности. Известно, что вакуумным прессованием можно прессовать различные детали из порошка или склеивать материалы плоской формы, прокладывая между ними термопластичную фольгу в качестве связывающего средства. Таким путем можно соединять самые разные материалы, включая металл и стекло. Прессование из сырой смеси производится с предварительной дегазацией сырого материала. Большое применение этот процесс находит при производстве изделий керамической промышленности: кирпича, черепицы, пустотелых камней и других изделий, причем здесь также имеет большое значение предварительная дегазация. Прочность кирпичей из дегазированного материала примерно на 50% выше, чем из такого же сырого материала, но предварительно не обработанного [108, 116]. В данной работе обосновываются и исследуются пути целесообразного применения метода вакуумного прессования железобетонных
8 плит для использования в дорожных одеждах лесовозных дорог. Работа направлена на получение бетона высокой марки с портландцементом марки М400. В связи с этим вибрированный бетон брался класса В15 и сравнивался по прочности, плотности и морозостойкости с прессованным бетоном с таким же расходом цемента.
Цель работы. Разработка технологии и оборудования изготовления железобетонных плит методом непрерывного вакуумного прессования для лесовозных автомобильных дорог.
Объект исследований. Дорожная железобетонная плита лесовозной автомобильной дороги и оборудование для изготовления прессованных плит.
Предмет исследования. Процесс изготовления бетона методом непрерывного вакуумного прессования.
Методы исследования. Используются методы математической статистики и теория планирования эксперимента, методы теоретического и лабораторного исследований процессов уплотнения бетонной смеси. Разработаны методы вакуумной защиты компонентов и бетонной смеси от воздействия на них атмосферного воздуха на протяжении всей технологической линии: подачи материалов, транспортирования, дозирования, приготовления бетонной смеси и формования изделий. Предложены методы циклового силового воздействия на бетонную смесь, как на термодинамическую систему и испытания бетона знакопеременной нагрузкой. Использованы прикладные программные пакеты Microsoft Word, MS Paint, Corel DRAW, БАГИРА.
Научная новизна:
разработка и апробация в лабораторных условиях оборудования и технологии для прессования бетонной смеси методом непрерывного вакуу-мирования, которые запатентованы автором;
разработка и апробация в лабораторных условиях установки для испытания бетона на знакопеременную нагрузку, отличающуюся от известных решений и применяемых для испытания металла на ударную прочность. При этом установка снабжена устройством автоматического подъема груза и
9 счетчиком числа ударов.
Практическая ценность. Строительство дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги с использованием железобетонных плит, изготовленных методом непрерывного вакуумного прессования, позволяет значительно повысить их работоспособность в зависимости от давления в технологической линии Pj и количества циклов прессования: по статической нагрузке
при пяти цикловом вакуумном прессовании (Р{ = 0,13PflftU/) - в 4 раза при
одноосным прессовании и в 5,4 раза при "кольцевом" прессовании; увеличение сопротивлению усталостному разрушению (Р] = 0,13Рдт,и) - в 3,6 раза при одноосным прессовании и 4,7 раза при "кольцевом" прессовании; снижение материальных затрат на 50 % при строительстве 1км лесовозной автомобильной дороги. Разработанные и апробированные в лабораторных условиях технология и оборудование для непрерывного вакуумного прессования бетонной смеси могут быть использованы при изготовлении бетонных плит для покрытий лесовозных автомобильных дорог. Для получения наиболее полной информации о работоспособности лесовозных автомобильных дорог целесообразно провести испытания образцов из бетона на статическую и знакопеременную нагрузки, и на морозостойкость.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
методика и установка непрерывного вакуумирования и прессования железобетонных плит из мелкозернистого бетона для лесовозных автомобильных дорог прессами одноосного и "кольцевого" сжатий;
результаты экспериментальных исследований моделей железобетонных плит из мелкозернистого бетона, полученного методом непрерывного вакуумирования и прессования при помощи прессов одноосного и "кольцевого" сжатий;
технология изготовления железобетонных плит из мелкозернистого бетона с применением непрерывного вакуумирования и прессования одноосным и "кольцевым" сжатием;
оборудование для выгрузки, транспортировки сухих компонентов бе-
10 тонной смеси, приготовления бетонной смеси, транспортирования бетонной
смеси к бетоноукладчику, укладки бетонной смеси, выдачи бетонной смеси порциями и вакуумного прессования бетонной смеси.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научно-технической конференции "Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций" в НИИжелезобетона (2002) и на научной конференции по итогам научно-исследовательских работ Марийского государственного технического университета (2005).
По результатам работы получено шесть авторских свидетельств СССР и патент РФ в соавторстве: № 1502359, № 1638021, № 1654163, № 1766682, № 1776561, №1452763, патент 1736781.
Работа в соавторстве по патенту № 1736781, представленная на выставку студенческих работ на ВДНХ СССР в 1989 году, удостоена серебряной медали.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано автором в 21 работе объемом 6,19 п.л., 20 работ в соавторстве (5,69 п.л.), авторский вклад 50%, в том числе: 9 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК (1,81 п.л.), 6 авторских свидетельств СССР (1,75 п.л.), 1 патент РФ (0,5 п.л.); 2 статьи в научных журналах (0,94 п.л.); 3 статьи по материалам всероссийских НТК (1,18 п.л.).
Личный вклад автора. Диссертация является результатом многолетних исследований, выполненных лично автором или в соавторстве работы по изучению состояния вопроса, разработке технологии непрерывного вакуумного прессования и чертежей моделей устройств и участие в экспериментальных исследованиях, обработке материалов, анализу и обобщению результатов исследований. Выражаю благодарность за помощь и поддержку в проведении данных исследований Лифантьеву В.И., кандидату технических наук, доценту кафедры "Промышленное и гражданское строительство" Ухтинского государственного технического университета, действительному
члену Международной Академии авторов научных открытий и изобретений (МААНОИ).
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в программный комплекс по расчету и проектированию дорог "Рабур" ООО "Топома-тик" (г. Санкт-Петербург, Московский пр., 143, офис № 525), а также в учебный процесс МарГТУ для студентов специальности 270502 (291000) "Автомобильные дороги и аэродромы".
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 136 наименований, в том числе 5 иностранных и 5 приложений. Основное содержание работы изложено на 176 с. и включает 39 рисунков и 23 таблицы. Приложения включают 48 с. текста, 12 таблиц, 10 рисунков.
В 1995 г. соискателем была изменена фамилия в связи с вступлением в брак (с Лифантьевой на Ежову).
Химические процессы, протекающие в бетонной смеси при непрерывном вакуумном прессовании
В процессе прессования за счет химического потенциала осуществляются гетерогенные химические реакции с участием минимум трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Особенности гетерогенной реакции обусловлены участием в ней конденсированных фаз (это затрудняет перемещение и перемешивание реагентов и продуктов химических реакций) и возможностью активизации молекул реагентов на поверхности раздела фаз [26]. Кинетика реакции определяется как скоростью самого химического превращения, так и процессом переноса (диффузией), необходимой для восполнения расхода реагирующих веществ и удаления из реакционной зоны продуктов реакции. В отсутствие диффузионных затруднений, скорость гетерогенных реакций пропорциональна размерам реакционной зоны; так называемая удельная скорость реакции, рассчитанная на единицу поверхности (или объема) реакционной зоны, не изменяется во времени. Для простых (одностадийных) реакций она может быть определена на основе закона действующих масс [26, 48]. Этот закон не выполняется, если диффузия веществ протекает медленнее, чем химическая реакция. В этом случае наблюдается скорость гетерогенных реакций, которая описывается уравнениями диффузионной кинетики. При гетерогенных реакциях в бетоне, как правило, участвуют несколько твердых реагентов, и при этом образуется твердофазный продукт. Такие реакции, как правило, локализованы на поверхности раздела фаз или в поверхностном слое и обычно протекают не стационарно. Они характеризуются периодом индукции, в течение которого возникают зародыши (ядра) новой фазы. Их образования связаны с перестройкой атомной структуры твердого реагента и требуют затраты энергии. Поэтому такие гетерогенные реакции чувствительны ко всем нарушениям структуры, облегчающим образование зародышей, и могут быть активизированы термическими, радиационными, механическими и другими воздействиями, уменьшающими свободный пробег молекул. Кинетическое уравнение реакции в этом случае отражает изменения во времени не только концентрации реагирующих веществ, но и поверхности раздела твердых фаз реагента и зародышей кристалла бетона. По мере роста зародышей поверхность раздела увеличивается, и скорость реакции сначала возрастает, затем проходит через максимум и снижается вследствие соприкосновения растущих зародышей и образования сплошного слоя бетона.
При прессовании бетона повышается активность фаз благодаря уменьшению свободного пробега молекулы и ускоренному движению жидкой, газообразной фаз и частиц твердой фазы [26, 34, 57, 128].
Для упрощения задачи химические процессы характеризуются постоянной скоростью потока фаз между крупными частицами твердой фазы и считается, что прессование идет в изолированной от окружающей среды условиях, то есть при постоянных объемах фаз и постоянной температуре. Их объемы могут меняться только за счет растворения твердой и газообразной фаз в жидкости при диффузии и самодиффузии, и уплотнении [136],
В качестве переменных вводятся величины: z - толщина прессуемой дозы бетонной смеси, выраженная в единице массы; со - объемная скорость течения жидкости в теле бетонной смеси; / - время, отсчитываемое с начала процесса ионного обмена при химическом процессе; cs - концентрация участвующего в обмене иона вида / в жидкости, измеренная в грамм-эквивалентах в единице объема жидкости; qs - концентрация участвующего в обмене иона вида і в твердом теле, выраженная в грамм-эквивалентах в еди 22 нице массы твердого тела; а - объем пор твердого тела в условиях прессования, измеренный в единицах объема на единицу массы твердого тела [73, 85]. В целях упрощения описания процесса прессования, z и t считаем независимыми переменными. При этих условиях уравнение баланса может быть написано в следующем виде:
Эти выражения (2.4) описывают кинетику химического процесса в бе 23 тонной смеси при прессовании. Зная концентрацию с. и q,, можно определить время протекания ионного обмена и толщину прессуемого слоя. Для решения этого уравнения необходимо знать изменение концентрации жидкости во времени.
Для формирования прочной кристаллической структуры при цементации бетона важными факторами кинетики ионного обмена являются самодиффузия и диффузия. Оптимальные параметры прессования с цементацией определяются сближением твердых частиц без нарушения связей и скоростного движения жидкости. Параметрами закладывается процесс кристаллизации с активным образованием цементирующих связей за счет растворения и переноса солей [64, 68, 132, 133]. Процессы самодиффузии и диффузии протекают крайне медленно при вибрации и в виброуплотненной бетонной смеси. Активность самодиффузии и диффузии у такой смеси повышается во время разогрева, тепловлажностной обработки, а также после введения в ее состав специальных химических добавок - ускорителей.
Благодаря всем процессам, одновременно протекающим в вакуумиро-ванной бетонной смеси, она за время непрерывного вакуумного прессования набирает прочность на сжатие (0,5-;-0,7) гДе 28 " стандартная прочность данной марки бетона в возрасте 28 суток. Виброуплотненная бетонная смесь такую прочность может набрать спустя некоторое время после разогрева или тепловлажностной обработки [42].
Возможность получения прочной структуры зависит от скорости протекания химических реакций. Согласно закону действия масс, установленному норвежскими учеными Гульдбергом и Вааге, скорость каждой реакции зависит от природы реагирующих веществ, от их концентрации и от условий, в которых реакции протекают (температура, давление, присутствие катализаторов) [26]. В обычных условиях (атмосферное давление, нормальная температура + (15 -т- 25)"С ) химическая реакция в бетоне занимает длительное время, и бетон за это время набирает прочность.
Технология производства железобетонных плит для лесовозных автомобильных дорог
Отсюда следует, что время релаксации температуры зависит от плотности бетонной смеси, уменьшается по мере уплотнения.
Медленную релаксацию жидкостей и газов в порах, и трещинах бетона можно описать уравнениями гидродинамики диффузии, тепловодности и т.д., однако релаксационные и кинетические коэффициенты не могут быть выражены через вероятности макроскопических процессов.
Набор прочности бетонной смеси во время непрерывного вакуумного прессования рассматривается как следствие взаимодействия трех нестационарных процессов - миграции жидкости и газа, и смещение структурных элементов прессуемой бетонной смеси. Динамика набора прочности бетонной смеси при такой постановке задачи однозначно определяется количественными содержаниями воды и газов в бетонной смеси. Процесс прессования принимается зависящим от водоцементного отношения, а равномерное распределение воды в бетонной смеси - от наличия в ней воздушных пор и продолжительности нахождения бетонной смеси под нагрузкой. Между тем, как показывают эксперименты [45, 48] и натурные наблюдения [42, 43] автора, процесс набора прочности развивается во времени в более медленном темпе, чем процесс миграции жидкости, и не всегда начинается с момента появления влаги на поверхности пуансона. Стабилизация же этого процесса, как правило, наступает по истечении некоторого времени после прекращения поступления жидкости на поверхность прессуемой бетонной смеси. Происходит как бы запаздывание внутри объемных процессов в агрегатах цементных частиц и заполнителей относительно быстрого продвижения фронта набора прочности.
Таким образом, механизм возникновения структурных преобразований в бетонной смеси при её прессовании обуславливается взаимодействием жидкости с межчастичными связями и газом, внутри кристаллическими изме 35 нениями минеральных частиц цемента в условиях определенной нагрузки на пуансон. Исследованиями автора установлено, что процесс уплотнения прессуемой бетонной смеси возникает лишь при определенном значении уплотняющего давления [48, 49, 50]. Этот процесс принято называть предварительным уплотнением (прессованием). Для данной модели является постоянным и служит расчетной характеристикой для прогнозирования ожидаемых нагрузок на пуансон при прессовании.
Двухступенчатый (двухцикловой) процесс непрерывного вакуумного прессования бетонной смеси автором представляется в виде ступенчатого графика рис. 2.1. Здесь Р, и Р2 - соответственно нагрузки на пуансон первого и второго циклов; Р/ и Р 2 - снижение первых нагрузок на пуансон соответственно первого и второго циклов; Р," и Р" - снижение повторных нагрузок на пуансон соответственно первого и второго циклов. Точка С0 показывает нагрузку предварительного уплотнения разрыхленной бетонной смеси, поступившей в матрицу пресса после её транспортирования. После предварительного уплотнения бетонная смесь нагружается силой Р которая создает напряжение в бетонной смеси, равное где спу - предел прочности предварительно уплотненной бетонной смеси.
В течение времени г, в бетонной смеси происходит процесс релаксации (а, -,), после которого система начинает выходить из равновесного состояния (6, —с,), нагрузка на пуансон при этом автоматически снижается от Р, до Р/, в точке С, в системе устанавливается равновесное состояние. После некоторой выдержки по времени (cx-dj) нагрузку восстанавливают до Рг При повторной нагрузке в течении т 2 - (а[-Ь ) идет вторая релаксация, в течении которой нагрузка снижается до Р" (&, -с\) - до следующего равновесного состояния. После полного использования механической энергии от нагрузки Р, ее значение повышают до Р2 и далее процесс второго нагрузки Р, ее значение повышают до Р2 и далее процесс второго цикла прессования осуществляется подобно первому циклу.
На каждом цикле нагрузка берется ниже или равной пределу прочности бетонной смеси, которую приобрела смесь в предыдущем цикле.
Продолжительность релаксации при экспериментах определяется временем выдержки постоянной нагрузки на пуансон. Во время протекания процессов в бетонной смеси нагрузка на пуансон уменьшается в связи с расходом механической энергии на цементацию.
Учитывая процесс релаксации, сопутствующий термодинамическим, химическим и другим физическим процессам, протекающим в бетонной смеси во время её прессования, нагрузку на пуансон следует выдерживать до полного завершения процессов, которое определяется прекращением снижения нагрузки на пуансон. Однако при одной и той же плотности и температуре частицы бетонной смеси могут находиться в разных частях её объема и иметь разные значения энергии или импульсов, в связи с этим нагрузку каждой ступени (цикла) следует повторять до полного использования механической энергии и перехода системы из неравновесного в равновесное состояние. Как видно на рис. 2.1 каждая повторная нагрузка приводит систему к большей устойчивости, которая характеризуется уменьшением скорости релаксации процесса.
Исследование изменения плотности бетонной смеси в процессе прессования одноосным сжатием
Дорожные одежды рассчитывают с учетом состава транспортного потока перспективной интенсивности движения к концу срока службы, грунтовых и природно-климатических условий по ВСН 197 - 91, ОДН 218.046 - 01 [60, 61]. Напряжения растяжения при изгибе определяют по первой расчетной схеме, которая применяется для определения толщины покрытия при условии гарантированной устойчивости земляного полотна и отсутствия неравномерных осадок или выпучивания [60].
Вопрос выбора автомобильных поездов, состоящих из автомобилей-тягачей и прицепов-роспусков подробно рассматривался в работах [23, 103]. За расчетный принят автопоезд МАЗ 509А+ГКБ-9383-011, у которого на заднюю ось тягача приходится наибольшая нагрузка. На рис 4.1. представлена схема распределения нагрузки от лесовозных автопоездов.
В среднем коэффициент перегруза принят для тягача автопоезда 1,4 и для прицепа 1,3 [23]. В качестве расчетных нагрузок при проектировании дорожной одежды из железобетонных плит из прессованного бетона приняты следующие: а) статическая нагрузка автопоезда МАЗ-509А+ГКБ-9383-011 на вторую ось 98 кН или нагрузкой на покрытие колеса движущегося автопоезда на оси — 63,7кН с учетом коэффициента динамичности, но без перегруза. Среднее расчетное удельное давление колеса на покрытие 0,6 МПа, расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля - 37 см [23]; б) нагрузка на покрытие от колеса движущегося автопоезда МАЗ 509А+ПСБ-9383-011 на оси 89,19 кН с учетом коэффициента динамичности и коэффициента перегруза. Среднее расчетное удельное давление колеса на покрытие 0,6 МПа, расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля 43 см. Схемы комплектования лесовозных автопоездов приведены на рис. 4.1,
Конструкции дорожных одежд для лесовозных дорог рассчитаны по стандартным методикам [117, 118], с применением программных разработок для ЭВМ к.т.н, доцента Савельева В.В. и нормативных документов [61, 62]. Плита рассчитывается как типовая, с учетом её работы на земляном полотне из песка, модуль упругости которого равен 100 МПа. Нормативную нагрузку на колесо принимаем 46,6 кН, давление воздуха в шинах колес 0,6 МПа, расстояние между спаренными колесами 40 см, расстояние между смежными осями 395 см. Показатели для расчета железобетонной плиты представлены в таблице 4.1.
Данный расчет ведется на действие колесных и монтажных нагрузок. Расчет толщины плит и количества арматуры (см. рис, 4.2, 4.3) выполняют исходя из условия прочности бетона на изгиб краевых участков плит, в центре плит (см. рис. 4.4, 4.5). Плита базового варианта проходит тепловлажно-стную обработку (ТВО), поэтому для повышения её трещиностойкости необходимо на краях располагать дополнительную арматуру диаметров 8—10 мм по одному стрежню в верхней и нижней зонах. Плита предлагаемого варианта может формоваться непосредственно вдоль дорожного полотна и сразу укладываться на песчаное основание, т.к. её первоначальная прочность при пяти циклах прессования и технологического давления Р\ = 0ДЗРаяш соответствует классу бетона В 25, и дорога пускается в эксплуатацию (см. табл. П1). вариантов [29, 90] Изгибающие моменты определяются при приложении нагрузки в центре, на краю, на углу и на торце, в продольном и поперечном направлении [55]. На основании вышеизложенного, были получены следующие значения: изгибающих моментов, расчетной длины и ширины эпюр отпора основания в случае приложения нагрузки для базового и предлагаемого вариантов.
Расчет проводился до тех пор, пока значения изгибающих моментов базового и предлагаемого вариантов не сравняли свои числовые значения. Следовательно, мы можем говорить о том, что плита предлагаемого варианта при толщине в 12 см выдерживает те же нагрузки, что плита базового варианта толщиной 16 см.
Технико-экономическое обоснование применения непрерывного вакуумного прессования
Расчет прибыли и чистых денежных поступлений по годам реализации проекта производится в зависимости от вывозки и объема продаж лесопродукции [61] и представлен в табл. 4.9
Сумма дисконтированных затрат по рассматриваемым вариантам рассчитывается на начальный период, т.е. первый год реализации продукции. Таким образом, устройство конструкции дорожной одежды по предлагаемому варианту принесет увеличение чистого дисконтированного дохода в 1,47 раза, а индекс доходности - в 1,5 раза по сравнению с базовым вариантом. 4.7, Выводы Проведенные расчеты позволили сделать следующие выводы: 1. Требуемая толщина железобетонной плиты предлагаемого варианта составляет 12 см и выдерживает те же нагрузки, что и плита базового варианта толщиной 17 см. 2. Металлоемкость оборудования предлагаемого варианта в 4,8 раз меньше, чем у базового варианта. 3. Экономический эффект от внедрения конструкции дорожной одежды из прессованного бетона непрерывного вакуумирования составил 1593,53 тыс. рублей (в ценах 2004 года). 4. Чистый дисконтированный доход по предлагаемому варианту составил — 4638,38 тыс. рублей, по базовому - 3189,84 тыс. рублей. Предлагаемый проект имеет положительное значение (ЧДД 0), что свидетельствует о целесообразности его внедрения и финансирования. 5. Индекс доходности по предлагаемому варианту больше единицы и составляет 2,44, что на 50% выше базового — 1,6. В результате выполненных исследований установлено, что: 1. Применяемые в настоящее время на лесовозных автомобильных дорогах железобетонные плиты из классического вибрированного бетона имеют недостаточную прочность. Под действием колес тяжелогруженых автопоездов они стали чаще разрушаться и перестали отвечать условию прочности. В связи с этим в работе предложены и обоснованы методы изготовления железобетонных плит из мелкозернистого бетона полученные непрерывным вакуумированием и прессованием. Для реализации этого предложены и разработаны оборудование и технология их изготовления. 2. Теоретическое обоснование метода непрерывного вакуумного прессования базируется на целенаправленном формировании однородной структуры бетона в ходе всего технологического цикла по приготовлению бетона, а также в результате непрерывного удаления образующихся в ходе гидратации вяжущего газов и, из-за более интенсивного ионного обмена, исключения из процессов изготовления операции тепловлажностной обработки. 3. При всех прочих равных условиях у прессованного бетона с непрерывным вакуумированием, благодаря более интенсивному ионному обмену, повышается сопротивление усталостному повреждению и модуль упругости и исключается тепловлажностная обработка бетона. Их значения увеличиваются с уменьшением технологического давления и повышением числа циклов нагружения. По статической нагрузке при пяти цикловом вакуумном прессовании прочность увеличивается в 4 раза при Р =0,\3Pafflit и на усталостное разрушение в 3,6 раза при Рх 0,\ЪРатм\ по статической нагрузке при пяти цикловом "кольцевом" прессовании прочность увеличивается в 5,4 раза при / , - 0,13/їа/и,ии на усталостное разрушение в 4,7 раза при Рх = %\ЪРатм. Модуль упругости бетона непрерывного вакуумного прессования одноосного сжатии в 4,3 раза выше вибрированного бетона. 4. Плита из непрерывного вакуум прессован ного мелкозернистого бетона толщиной 12 см выдерживает те же нагрузки, прилагаемые на плиту толщиной 16 см из вибрированного бетона. 5. Доказано, что с помощью технологического давления и числа циклов нагружения можно управлять химическими и термодинамическими процессами и получать бетон повышенной плотности и прочности при уменьшенном расходе цемента на единицу прочности бетона: Ц1К = А, где Ц - количество цемента на 1м бетонной смеси; R - прочность бетона на сжатие, МПа. Для вибрированного бетона А= 1, для вакуумпрессованного бетона в зависимости от технологического давления изменяется, при одном цикле нагружения А= 1,76...2,92, при пяти циклах нагружения в пределах A =2,5...5,4. 6. Металлоемкость оборудования предлагаемого варианта в 4,8 раза меньше, чем у базового варианта. 7. Чистый дисконтированный доход по предлагаемому варианту составил 4638,38 тыс. рублей, по базовому - 3189,84 тыс. рублей. Предлагаемый проект имеет положительное значение (ЧДД 0), что свидетельствует о целесообразности его внедрения и финансирования. Индекс доходности по предлагаемому варианту и составляет 2,44, что на 50% выше базового (1,6).
