Введение к работе
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 при установленном уровне качества.
- A -Для достижения поставленной цели необходимо провести широкие круг теоретических н практических исследований и решить . ряд основных задач:
провести анализ и систематизацию параметров и фактороз 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 термонапряжеякого 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 ЗВИ 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 бе
тонирования 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 алакощелочншс 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 J*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 зависииостьп, время достижения максимальной скорости набора прочности совпадает с экстремумами интенсивности тепловыделения в системе, скорости химического связывания ингредиентов, изменения удельного электрического сопротивления и других величин. Показано, что это время соответствует моменту достижения 22...30% эт прочности Rog в условиях нормального хранения, что позволяет принять параметр Хпс за основу при расчетах и прогнозировании ха- рактеристик шлакощелочных бетонов;
- установлено, что величина температурного коэффициента
г ==т„_/Т|., определяющего 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 кинетическое кривой набора прочности на данный момент времени;
установлено, что для обеспечения распалубочной прочности, не превышающей 40 от Rog,термообработку щлакощелочного бетона целесообразно производить на начальном этапе до набора прочности равной 25% от RoR' 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 последужщим 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 использованию 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-
- 7 -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.Эаседателев, 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 исспедовакий осуществляли с применением современной вычислительной техники.
Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались на П Международном симпозиуме по зимнему бетонированию (Москва, 1975); ХХП Международной конференции молодых ученых и специалистов в 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, 1988; 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 шлакощелоч-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.Головкева, диску ссил с которым по постановке задач, способам решения и интерпретации полученных результатов весьма способствовали улучшению содержания і стиля изложения работы. При решении задач по математическому моделированию температурных и прочностных полей большую помощь оказалі 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 і организациям, а также коллегам по работе за оказанную помощь.