Бетоны для железобетонных ограждений, сооружаемых методом скользящей опалубки
На правах рукописи
Швецов Николай Викторович
«БЕТОНЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОГРАЖДЕНИЙ, СООРУЖАЕМЫХ МЕТОДОМ СКОЛЬЗЯЩЕЙ ОПАЛУБКИ»
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012 г.
Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор
Добшиц Лев Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Козлов Валерий Васильевич
кандидат технических наук,
доцент
Кононова Ольга Витальевна
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский
Государственный Архитектурно-строительный Университет»
Защита состоится «16» марта 2012 г. в 1000 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» по адресу: 129329 Москва, ул. Кольская д.1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства».
Автореферат разослан «16» февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Петрова Ж.А.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Дорожные ограждения функционально предназначены для обеспечения безопасности движения на автомобильных дорогах и изготавливаются из различных материалов. Применение железобетонных дорожных ограждений имеет целый ряд преимуществ по сравнению с металлическими, пластиковыми или деревянными. Они долговечнее, прочнее и, как следствие, дешевле в эксплуатации. В настоящее время всё большее применение находят дорожные железобетонные ограждения, сооружаемые методом скользящей опалубки. Преимуществом метода непрерывного формования является сокращение численности рабочих, занятых на изготовлении опалубки и укладкой бетона, а также сокращение сроков бетоноукладочных работ. Однако, используемые составы бетонов и существующие технологии изготовления ограждений с усиленным армированием выявили недостатки, которые не позволяют добиться необходимого качества этих изделий: неполную проработку бетонной смеси в нижней части конструкции ограждения (образование пустот) и оседание свежеуложенного ограждения под влиянием вибраций, передающихся через основания.
В связи с этим, актуальными являются исследования, направленные на повышение качества и надёжности железобетонных ограждений на мостовых сооружениях, возводимых методом скользящей опалубки, к которым предъявляются высокие требования по прочности, долговечности, водонепроницаемости и морозостойкости.
Цель диссертационной работы – разработка составов бетонов и технологии изготовления железобетонных ограждений, сооружаемых методом скользящей опалубки, позволяющих получать изделия высокого качества, прочности и долговечности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать методики лабораторных исследований и испытаний бетонных смесей и бетонов, применяемых для изготовления изделий и конструкций в скользящей опалубке;
- разработать составы бетонных смесей, обеспечивающих получение заданных реологических свойств, а также необходимую прочность и долговечность бетонов;
- изучить влияние реологических свойств бетонных смесей на качество изготовления дорожного ограждения;
- исследовать и определить рациональные режимы виброуплотнения бетонных смесей из разработанных составов;
- разработать стенды и произвести моделирование реального рабочего процесса формования дорожного железобетонного барьера;
- провести производственное бетонирование дорожного ограждения;
- разработать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления дорожных ограждений с применением скользящей опалубки;
- произвести технико-экономическую оценку полученных результатов.
Методы исследований:
Для решения поставленных задач применялись как стандартные методики исследования свойств материалов, так и специальные, разработанные автором. Исследования структуры и химический анализ материала производились при помощи электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Для исследования влияния режимов виброуплотнения на свойства бетонных смесей и бетонов разработаны специальные стенды и модель рабочего органа бетоноукладчика. Подбор состава бетонов осуществлялся с применением стандартной методики. Проверка результатов исследований производилась при опытном бетонировании в производственных условиях.
Научная новизна:
- разработана новая комплексная добавка в бетонные смеси для регулирования сроков загустевания;
- предложена и обоснованна гипотеза о 3-х стадийном твердении цемента в растворах поташа при положительных температурах;
- установлены влияние количества вводимых добавок и условий формования на реологические свойства цементного теста, бетонных смесей и прочностные свойства бетонов и возможность оценки влияния добавки поташа на реологические свойства бетонных смесей по результатам исследования состава: цемент-вода-добавка;
- определены рациональные составы бетонов и режимы виброуплотнения для железобетонных ограждений, возводимых методом скользящей опалубки;
- разработана методика лабораторного исследования свойств бетонных смесей и бетонов, применяемых для формования железобетонных ограждений в скользящей опалубке;
- предложена новая технология изготовления железобетонных ограждений, сооружаемых методом скользящей опалубки, позволяющая возводить конструкции высокими темпами при обеспечении требуемого качества.
Достоверность научных положений, результатов и выводов работы обусловлена применением методов фундаментальных исследований, методически обоснованным использованием современных средств измерений, физико-химических методов и опытно-промышленной проверкой результатов испытаний, а также соответствием полученных результатов исследований данным, полученным ранее другими исследователями.
Практическое значение и реализация работы:
1. Установлена корреляция влияния добавки поташа на реологические свойства смесей вида «цемент-вода-добавка» и реологических свойств системы «цемент-щебень-песок-вода-добавка» и определен оптимальный состав и количество комплексной добавки (углекислый калий совместно с пластификатором С-3) для обеспечения необходимых сроков загустевания бетонных смесей;
2. Получены рациональные составы бетонных смесей, позволяющих вести изготовление железобетонных ограждений в скользящей опалубке быстрыми темпами и обеспечивающие получение бетона класса В40, морозостойкостью F300…F400 в солях и водонепроницаемостью W16;
3. Определены рациональные режимы вибрационного уплотнения бетонных смесей, позволяющие обеспечить оптимальные прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетонов, изготавливаемых по разработанной технологии и исследованы физико-механические свойства бетонов, модифицированных комплексной добавкой (углекислый калий совместно с пластификатором С-3), изготовленных по вибрационной технологии методом скользящей опалубки;
4. Разработан способ изготовления железобетонных ограждений, возводимых методом скользящей опалубки, включающий применение рационального режима виброуплотнения бетонной смеси и специальной комплексной добавки, обеспечивающий сохранение формы свежеуложенного бетона в конструкции ограждения, отсутствие пустот (полную проработку бетонной смеси);
5. Спроектированы и изготовлены установки для моделирования процесса формования железобетонного ограждения в лабораторных условиях;
6. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии изготовления дорожного ограждения методом скользящей опалубки с применением стационарного усиленного арматурного каркаса;
Результаты выполненных исследований, опробованные при производственном внедрении, позволяют исключить оседание свежеотформованной конструкции и образование пустот, тем самым повысить качество изделий, получаемых формованием в скользящей опалубке, при высоких темпах производства работ.
Автор защищает:
1. Предложение по применению комплексной добавки, включающей поташ и суперпластификатор С-3, в качестве способа регулирования сроков загустевания бетонных смесей, применяемых для безопалубочного формования дорожных железобетонных дорожных ограждений методом скользящей опалубки;
2. Предложенную гипотезу о 3-х стадийном твердении цемента в растворах поташа при положительных температурах;
3. Рациональные способы виброуплотнения и составы бетона, обеспечивающие получение изделия высокой однородности и повышенного качества, изготовляемых с помощью технологии скользящей опалубки;
4. Результаты исследований свойств бетонов с применением комплексной добавки и составы бетонов, обеспечивающие получение высококачественных ограждений, сооружаемых с помощью скользящей опалубки;
5. Методику проведения лабораторных исследований бетонов, изготавливаемых по технологии скользящей опалубки;
6. Результаты производственного внедрения разработанной технологии формования дорожных ограждений с применением скользящей опалубки;
7. Рекомендации по применению бетонных смесей с добавкой поташа в качестве регулятора сроков потери подвижности смесей;
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на следующих научных конференциях:
1. 67-я Научно-методическая и научно-исследовательская конференция «Управление строительно-техническими свойствами бетонов для транспортного строительства», г. Москва, МАДИ 2009 г.
2. 1-я Международная научно-практическая конференция «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах», г. Брянск, БГИТА, 2009 г.
3. 68-я Научно-методическая и научно-исследовательская конференция «Управление строительно-техническими свойствами бетонов для автомобильных дорог и сооружений на них», г. Москва, МАДИ, 2010 г.
4. 2-я Международная научно-практическая конференция «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах», г. Брянск, БГИТА, 2010 г.
5. 70-я Научно-методическая и научно-исследовательская конференция «Перспективы развития цементобетона для дорожного строительства» г. Москва, МАДИ, 2012 г.
6. На заседаниях секции «Строительные материалы и стройиндустрия» Ученого совета ОАО «ЦНИИС», 2009-2011 гг.
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в рекомендованных ВАК журналах «Транспортное строительство», «Строительство и реконструкция», «Наука и техника в дорожной отрасли».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 239 страницах печатного текста, включает 65 рисунков и 31 таблицу. Список литературы содержит 203 наименования. Приложения включают 55 страниц печатного текста 19 рисунков и 3 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованна актуальность работы, определены основные направления исследований, показана научная новизна и практическое значение работы, представлена общая характеристика полученных результатов.
В первой главе диссертации выполнен анализ исследований по способам изготовления железобетонных конструкций с применением технологии безопалубочного формования. Рассмотрены, способы уплотнения бетонных смесей и модификации свойств бетонных смесей и бетонов химическими добавками.
Структуру и свойства бетонов изучали И.Н. Ахвердов, Ю.М. Баженов, А.А. Байков, О.Л. Берг, П.И. Боженов, Ю.М. Бутт, А.В. Волженский, Г.И. Горчаков, В.В. Козлов, С.А. Миронов, О.П. Мчедлов-Петросян, А.Н. Плугин, С.М. Рояк, Г.С. Рояк, А.В. Лагойда, А.Е. Шейкин, В.Н. Юнг, Пауэрс и другие исследователи.
Исследованиям в области модификации свойств бетона химическими добавками посвящены работы Ю.М. Баженова, Г.С. Рояка, В.Г. Батракова, В.А. Вознесенского, Л.М. Добшица, Т.В. Лященко, В.В. Козлова, П.Г. Комохова, О.П. Мчедлова-Петросяна, В.С. Рамачандрана, В.Б. Ратинова, Т.И. Розенберг, А.В. Ушерова-Маршака, О.В. Кононовой и других учёных.
Исследованиям оптимальных режимов уплотнения бетонных смесей посвящены работы многих отечественных и зарубежных учёных, в том числе, А.А. Афанасьева, И.Н. Ахвердова, Б.В. Гусева, В.Г. Зазимко, А.Е. Десова, Г.Я. Кунноса, Е.П. Миклашевского, К.А. Олехновича, П.А. Ребиндера, И.Ф. Руденко, О.А. Савинова, А.С. Файвусовича, В.Н. Шмигальского, Р. Лермита, Э. Фрейсине и других.
Исторический анализ предшествующих работ позволил установить, что первый патент, связанный с данной технологией получен в 1910 году Вили Шеффером, организовавшем первое безопалубочное производство железобетонных шпренгельных плит на длинных стендах с применением специализированных бетоноформовочных машин.
В настоящее время эта технология интенсивно развивается и совершенствуется.
Этому способствует создание специальных бетоноукладчиков со скользящей опалубкой для устройства монолитных профилей бордюров (с радиусом до 610 мм) и водосточных лотков, разделительных барьеров и мостовых парапетов, пешеходных и велосипедных дорожек, а также для укладки плоского цементобетонного покрытия — это универсальные высокопроизводительные машины.
Однако существующая технология изготовления железобетонных ограждений выявила существенные недостатки, связанные с неполной проработкой бетонной смеси в нижней части конструкции барьера и оседанием свежеуложенного барьера под влиянием вибраций передающихся через основание. Все это приводит к ухудшению качества получаемых изделий, снижению их долговечности и физико-механических свойств. Устранение выявленных недостатков возможно путем оптимизации составов бетонов и рациональной технологии их уплотнения. Проведенный анализ позволил определить цели, поставить задачи работы и обосновать ее актуальность.
Во второй главе представлены характеристики используемых материалов, методики экспериментальных исследований и описание экспериментальных стендов.
В работе использовался портландцемент марки М500-Д0-Н производства оскольского цементного завода, испытанный в соответствии с ГОСТ 310-2003, и соответствующий требования нормативных документов.
Использованные заполнители: песок (Мкр = 2,4) сычевского месторождения и щебень (фракция 5…20) клесовского месторождения, также были испытаны на соответствие требованиям нормативных документов.
Технологические особенности формования барьерных ограждений при помощи скользящей опалубки, потребовали разработки методики исследования, позволяющей определять необходимые параметры в условиях наиболее близких к реальным условиям формования. Были разработаны специальные экспериментальные стенды для проведения экспериментальной работы и обеспечения исследования необходимых параметров. Экспериментальная работа построена на поэтапном развитии исследования, заканчивающегося полным моделированием рабочего процесса формования готового изделия в масштабе.
Разработаны специальные стенды, позволяющие изучать влияние режимов виброуплотнения на свойства бетонных смесей и получаемых из них бетонов. Так же была разработана модель рабочего органа бетоноукладчика в масштабе 1:3 позволяющая моделировать формование железобетонного ограждения в лабораторных условиях.
В третьей главе представлены результаты исследований по разработке комплексной добавки, включающей поташ, как регулятор сроков загустевания, на свойства цементного теста и бетонных смесей.
Исследованиями свойств бетонных и бетонов с добавкой поташа посвящены работы многих ученых, в том числе Л.М. Добшица, Г.С. Рояка, П.С. Костяева, А.В. Лагойды, С.А. Миронова, П.В. Амосова, Ю.А. Пузырева, Э.Д. Брейтман, А.А. Грапп, В.Б. Граппа, В.Э. Лейриха и А.С. Каплана и многих других учёных.
На основании анализа литературных источников и выполненных ранее исследований, предложена и экспериментально подтверждена теория о 3-х стадийном твердении цементов в растворах поташа при положительных температурах. Для обоснования и подтверждения предложенной гипотезы были проведены исследования влияния добавки поташа на гидратацию цементов, которые осуществлялись с использованием методов электронно-растровой микроскопии и рентгенофазового анализа, а также стандартными методами экспериментального подбора состава бетона. Проведенные исследования подтвердили справедливость предложенной гипотезы, и результаты исследований представлены в виде снимков (рис. 1… рис.4) и в графическом виде.
Согласно предлагаемой гипотезе твердение цемента в присутствии поташа можно разделить на три стадии, во время которых протекают следующие процессы:
1. На первой стадии, после затворения цемента раствором добавки поташа, начинается взаимодействие минералов цемента не только с водой, но и с растворённым в ней поташом по формуле:
Са(ОН)2 + К2СО3 СаСО3 + 2КОН; (1)
В результате среда получающегося раствора становится более щелочной, возрастает скорость растворения минералов цементного клинкера, и жидкая фаза быстро пересыщается продуктами гидратации. Это приводит к образованию большого количества зародышей новообразований во всём объёме твердеющей системы. В этой ситуации расстояния между зародышами
Рисунок 1
Цементный камень без добавок через 2…4 часа.
Рисунок 2.
Цементный камень с добавкой поташа через 2…4 часа.
становятся такими, при которых начинают действовать ванн-дер-ваальсовы силы межмолекулярного взаимодействия, ведущие к флокуляции, и приводящие систему в коагуляционное состояние (рис.1…рис.2), которое фиксируется, как схватывание цементного теста.
2. На второй стадии одновременно протекают два процесса: с одной стороны продолжается гидратация и твердение цемента; с другой - происходит распад соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом. В частности, арагонит - нестабильная фаза карбоната кальция, видоизменяется до тригонального кальцита. Трансформации арагонита в кальцит сопутствует увеличение объёма минерала. Такая метаморфоза карбонатов и других соединений, содержащих СО32-, в сформировавшейся структуре цементного камня приводит к возникновению в нём внутренних напряжений и его частичному разрушению. Протекающие на этой стадии одновременно два процесса – структурообразование, при продолжающейся гидратации цемента, и деструкция ранее сформировавшегося цементного камня, имеющего в своей структуре соединения, содержащих СО32-, приводят сначала к замедлению, а затем к прекращению роста прочности твердеющего цементного камня. На этой стадии, вследствие небольшого количества поташа по сравнению с массой портландцементного клинкера, весь поташ прореагирует с минералами цементного клинкера и произойдёт распад основной массы соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом.
3. На третьей стадии заканчивается распад арагонита и других нестабильных соединений, образовавшихся при реакциях минералов цементного клинкера с поташом, и продолжается гидратация и твердение цемента (рис.3…рис.4). В связи с этим возобновляется рост прочности цементного камня, замедляющийся к 28…56 суткам твердения. Деструктивные процессы, имевшие место на второй стадии твердения, оказывают негативное воздействие на прочность цементного камня, не только замедляя темп роста прочности, но и снижая конечную прочность затвердевшего цементного камня. Однако абсолютная величина снижения является незначительной и не оказывает существенного влияния на конечную прочность бетона.
Рисунок 3.
Цементный камень без добавок через 28 суток.
Рисунок 4.
Цементный камень с добавкой поташа через 28 суток.
Исследования тепловыделения, проводились на цементных пастах (рис. 5) и на бетонных смесях (рис. 6). Форма температурных кривых на графиках (рис 5 и рис. 6) четко показывает все три стадии, приведенные в предлагаемой гипотезе.
Первая стадия соответствует первому температурному пику. В этот период наблюдается интенсивное растворение и образование минералов цемента не только с водой, но и с растворённым в ней поташом сопровождающееся интенсивным тепловыделением.
Вторая стадия характеризуется снижением тепловыделения, так как, с одной стороны продолжается гидратация и твердение цемента; с другой стороны происходит распад соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом.
Третья стадия характеризуется повышением температуры до максимальных значений, вследствие окончания распада нестабильных соединений, образовавшихся при реакциях минералов цементного клинкера с поташом, и интенсивным продолжением гидратации и твердением цемента.
Изменение кинетики температуры бетонных смесей показало, что с применение разработанной комплексной добавки существенно интенсифицирует темп роста температуры при гидратации цементного теста. Как видно на рис. 5, первичный температурный пик наступает значительно раньше, по сравнению с контрольной смесью и приходится на первые 40 минут гидратации со времени затворения, то есть в 10 раз быстрее.
Рисунок 5.
Зависимость степени первоначального возрастания температуры смесей, в интервале времени 160 минут с начала затворения.
Интенсивность возрастания температуры также зависит от количества вводимой добавки. Так при введении 7% поташа первичный пик наблюдается через 40 минут (29,5°С) со времени затворения, при периоде загустевания 22 минуты. Введение 2% поташа менее способствует повышению температуры (20С) по истечению 15 минут после затворения, однако сокращает сроки загустевания, в среднем на 7 минут.
Исследования, проведенные при моделировании реального рабочего процесса формования при помощи разработанного стенда, показали (рис. 6) идентичность характера графиков изменения температуры цементных паст и бетонных смесей. Этот дает возможность проводить исследования влияния комплексной добавки на цементных пастах, а не на бетонных смесях, что позволит экономить материалы и время.
Предложенная гипотеза подтверждается исследованиями набора прочности образцами, изготовленными из цементного камня, в начальные сроки твердения. Результаты исследований представлены в табл. 1.
Рисунок 6.
Изменение температуры бетона в конструкции во времени.
В работе изучалось влияние соотношения и количества компонентов комплексной добавки и влияния добавки на свойства бетонных смесей.
В качестве химических добавок в бетон были применены: суперпластификатор С-3, изготовленный в соответствии с ТУ 2481-001-04815236-97 «Суперпластификатор С-3», изготовитель ЗАО «Технопромстрой», Россия.
Таблица 1.
Изменение прочности образцов цементного камня с добавкой поташа и суперпластификатора С-3 (0,6% массы цемента для всех смесей).
| Коли-чество поташа, % от массы цемента | Прочность, МПа | |||||||||||||
| Время твердения в мин. | ||||||||||||||
| 30 | 45 | 60 | 75 | 90 | 105 | 120 | 150 | 180 | 210 | 240 | 300 | 420 | 660 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | 0,2 |
| 0,35 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,5 | 0,6 | 0,6 | 0,7 | 1,5 | 4,2 | 6,3 | 10,1 | 14,8 | 19,9 | 24,0 |
| 1 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,7 | 4,5 | 6,7 | 10,5 | 15,3 | 20,1 | 22,5 |
| 2 | 0,3 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,6 | 4,5 | 6,8 | 10,6 | 15,2 | 19,9 | 21,4 |
Проведены исследования влияния химических добавок на смеси в различных дозировках: С-3 вводилось в количестве 0,3 – 0,7% (32%-й раствор); поташ в дозировках 0,2…7,0% (42%-й раствор); смесь добавок С-3 + поташ в различных соотношениях.
Проведённые исследования показали, что смесь отвечающая требованиям технического задания, может быть получена при применении комплекса химических добавок: суперпластификатор С-3 (в количестве 0,6…0,65% массы цемента) и поташ (в количествах менее 0,5% массы цемента). Такое соотношение компонентов, позволяет получить бетонные смеси с заданными удобоукладываемостью (ОК= 4…5см) и временем загустевания (не ранее 30 минут и не позднее 45 мин).
Рисунок 7.
Зависимость сроков загустевания бетонных смесей от количества вводимой добавки поташа.
В результате экспериментов были получены оптимальные соотношения компонентов разработанной комплексной добавки, и установлена зависимость сроков загустевания от количества вводимой добавки поташа (рис. 7). Подобранные бетонные смеси с добавкой соответствуют требованиям, предъявляемым к бетонам ограждений.
В экспериментальных исследованиях цементного теста с добавкой поташа установлено увеличение подвижности смесей, по сравнению с контрольной в среднем на 10% в зависимости от количества введенной добавки. Этот эффект отмечался и другими исследователями.
Влияние комплексной добавки на свойства бетонных смесей исследовалось на 11 составах с различными количествами добавки (табл. 2). Из табл. 2 следует, что количество введенного поташа существенно изменяет свойства получаемой бетонной смеси. В результате полученных данных была выбрана бетонная смесь №4 (табл. 2), которая отвечает требованиям технического задания и использовалась в дальнейших исследованиях.
Таблица 2.
Свойства бетонов, полученных по разработанной технологии изготовления железобетонных барьерных ограждений методом скользящей опалубки
| № состава | Количество добавки, % от массы цемента. | Содержание компонентов в добавке, %. | Сроки загустевания, мин. | Осадка конуса, см | Предел прочности, МПа через | ||||
| С-3 | Поташ | Возраст образцов, сутки | |||||||
| 1 | 3 | 7 | 28 | ||||||
| 1 | 0,8 | 71 | 29 | 115 | 5 | 23,1 | 33,4 | 40,1 | 52,3 |
| 2 | 0,85 | 70,6 | 29,4 | 105 | 4 | 24,5 | 38,3 | 42,8 | 52,6 |
| 3 | 0,95 | 63 | 37 | 30 | 4,5 | 29,7 | 42,5 | 48,4 | 55,6 |
| 4 | 0,96 | 62,5 | 37,5 | 29 | 4 | 29,9 | 42,9 | 48,9 | 56 |
| 5 | 0,97 | 62 | 38 | 27 | 4 | 28,8 | 41,7 | 44,2 | 53,5 |
| 6 | 1,1 | 60 | 40 | 15 | 3,5 | 26,3 | 35,4 | 39,4 | 50,3 |
| 7 | 1,1 | 54,5 | 45,5 | 4 | 4 | 27,9 | 37,1 | 41,5 | 50,1 |
| 8 | 1,6 | 37,5 | 62,5 | 4 | 4 | 26,5 | 35,8 | 39,3 | 50,2 |
| 9 | 2 | 33,1 | 76,9 | 4 | 3,5 | 26,2 | 35,3 | 39,5 | 50,2 |
| 10 | 2,3 | 13 | 87 | 4 | 3 | 24,1 | 24,9 | 30,6 | 51 |
| 11 | 0,5 | 100 | --- | 180 | 5 | 19,5 | 37,3 | 49 | 57 |
В четвертой главе представлены результаты исследований влияния режимов виброуплотнения на свойства бетонных смесей и получаемых из них бетонов. Представлены результаты оценки эффективности влияния виброуплотнения на свойства бетонных смесей и бетонов с помощью оценочных критериев.
Исследования проводились на специально спроектированном стенде, описанном в главе 2. Испытания по определению влияния различных режимов виброуплотнения производились для частот работы вибратора, равных 5000, 8000, 12000, 15000 и 18000об/мин. Исследовалось влияние вибрации на следующие показатели бетонных смесей и получаемых бетонов:
- эффективную зону вибрации (зона качественного уплотнения бетонной смеси);
- величина истечения из формы (язык);
- прочность и плотность;
- изменение пластичности бетонной смеси во времени.
Результаты по определению эффективной зоны вибрации представлены в табл. 3.
В результате проведения исследований формовались образцы, которые подвергались распиловке и из которых, после затвердевания, выбуривались керны для определения показателей прочности, плотности, морозостойкости и водонепроницаемости.
Проведенные исследования влияния частоты вибрации на истечение бетонной смеси в переднюю часть формы, проведенные на специально разработанном стенде, позволили установить зависимость величины истечения «языка» бетонной смеси от частоты вибрации (рис 8).
Таблица 3.
Результаты измерения эффективной зоны вибрации в зависимости от частоты работы вибратора.
| Состав бетонной смеси | Частота работы вибратора, об/мин. | Границы зоны вибрации (радиус сферы вибрирования), мм. | |
| Мин. | Макс. | ||
| Контрольная бетонная смесь (бездобавочная) | 5000 | 42 | 55 |
| 8000 | 160 | 190 | |
| 12000 | 250 | 270 | |
| 15000 | 300 | 310 | |
| Экспериментальная смесь №4 из табл. 2 | 5000 | 50 | 60 |
| 8000 | 180 | 220 | |
| 12000 | 300 | 320 | |
| 15000 | 330 | 350 | |
| 18000 | 340 | 355 | |
Рисунок 8.
Зависимость длинны излившегося языка бетонной смеси от частоты работы вибратора.
Для определения эффективности вибрации и выбора рациональной частоты виброуплотнения бетонных смесей были определены расчетные значения оценочных критериев (интенсивность, ускорение и затраченная работа) для каждой из исследуемых частот (табл. 4).
На основании полученных данных (табл. 4), были построены графики зависимостей оценочных критериев (рис. 9 … рис. 14) от плотности и прочности бетонов, полученных при различных частотах виброуплотнения.
Таблица 4.
Показатели прочностей и средних плотностей бетона и критериев эффективности.
| Частота работы вибратора, Гц. | Средняя плотность бетона в радиусе 32 см от вибратора, кг/м3. | Прочность бетона в радиусе 32см от вибратора, МПа | Значение интенсивности вибрации. | Значение ускорения, мм/с2. | Работа, Дж. |
| 83,3 | 2267 | 19,7 | 6,6 | 87,9 | 582,9 |
| 133,3 | 2315 | 21,7 | 10,6 | 225,4 | 2392,2 |
| 200 | 2440 | 36,8 | 15,9 | 507,2 | 8077,3 |
| 250 | 2451 | 38,2 | 19,9 | 792,4 | 15773,1 |
| 300 | 2458 | 38,6 | 23,9 | 1141 | 27252,5 |
Рисунок 9.
Зависимость средней плотности бетона от интенсивности вибрации.
Рисунок 10.
Зависимость средней плотности бетона от ускорения.
Рисунок 11.
Зависимость средней плотности бетона от затраченной работы.
Рисунок 12.
Зависимость прочности бетона от интенсивности вибрации.
Рисунок 13.
Зависимость прочности бетона от ускорения.
Рисунок 14.
Зависимость прочности бетона от затраченной работы.
Как следует из полученных результатов, вначале, с увеличением частоты вибрации до 200Гц, происходит повышение плотности бетонов, а затем эти показатели практически не изменяются. Таким образом, установлено, что дальнейшее увеличение частоты работы вибратора более 12000 об/мин (200Гц) нецелесообразно. Наиболее эффективное уплотнение бетонной смеси происходит в режиме близком к 200Гц (12000 об/мин), что соответствует затраченной работе порядка 10000 Дж. Дальнейшее увеличение затраченной работы является нерациональным, так как не приводит к качественному улучшению прочности и плотности бетона.
В пятой главе представлены результаты лабораторного бетонирования дорожного ограждения, изготовленного в лабораторных условиях, а также с применением разработанного стенда, моделирующего рабочий орган бетоноукладчика со скользящими формами. Также представлены результаты испытания образцов бетонов, изготовленных при подборе состава бетона, исследованиях влияния вибрации, моделирования и при производственном внедрении. Исследовалось прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и физические свойства бетонов.
Результаты испытаний рациональной бетонной смеси, компонентный состав которой приведен в табл. 5, представлены в табл. 6.
Таблица 5.
Состав бетонной смеси.
| Материал | Единицы измерения | Расход материалов на 1м3, кг. |
| Цемент | кг | 450 |
| Щебень (5-20) | кг | 1188 |
| Песок | кг | 617 |
| Вода | л | 166 |
| Добавка С-3 | % массы цемента | 0,6 |
| Поташ | % массы цемента | 0,36 |
Проведенные подбор и сопутствующие испытания показали соответствие полученного бетона требованиям технического задания (бетон класса В40 для дорог и аэродромов).
После получения положительных результатов испытаний по подбору составов бетона, стендовых испытаний и выбора рационального режима работы вибратора, было произведено экспериментальное бетонирование барьерного ограждения с использованием разработанной ранее модели в лабораторных условиях. Бетонирование проводилось в лаборатории Технического перевооружения НИЦ СМ ОАО «ЦНИИС», при нормальных условиях окружающей среды (Т = 20°С ±2°С).
Результатом проведенного моделирования стало отформованное дорожное ограждение, которое подвергалось: испытаниям по определению прочности неразрушающим методом (табл. 7); измерению температуры бетона в процессе гидратации (рис. 6); выбуриванию кернов для определения кинетики набора прочности (рис. 16), морозостойкости и водонепроницаемости; (табл. 8); распиловке по поперечному сечению в различных участках конструкции (рис. 15).
Таблица 6.
Результаты испытаний образцов-кубов размерами 100х100х100 мм, на прочность при сжатии, морозостойкость и водонепроницаемость
| Маркиров-ка образцов | Возраст бетона, сут. | Плотность в образцах кг/м3 | Прочность бетона в образцах, МПа | Средняя приведён-ная прочность МПа | Морозостойкость после 37 циклов в солях (F300 II), потеря/рост прочности,% | Водонепро-ницаемость, W, атм. |
| В40 | 7 | 2496 | 49,5 | 49 | - 2,2 | 12 |
| 7 | 2480 | 50,1 | ||||
| 7 | 2460 | 47,6 | ||||
| В40 | 28 | 2411 | 58,8 | 57,2 | ||
| 28 | 2451 | 55,3 | ||||
| 28 | 2446 | 57,6 |
Таблица 7
Результаты испытания прочности бетонов конструкции ограждения склерометром «ОНИКС-2.5».
| № точки | Дата испытания | Rср, Мпа | Возраст бетона |
| 1…12 | 10.12.2009 | 29,92 | 1 сутки |
| 1…12 | 12.12.2009 | 41,88 | 3 сутки |
| 1…12 | 16.12.2009 | 48,92 | 7 суток |
| 1…12 | 10.01.2010 | 55,96 | 28 суток |
Таблица 8
Испытания образцов-кернов размерами 70х70мм, на разрушение при сжатии при = 1,0, морозостойкость и водонепроницаемость.
| № керна | масса, г | Средняя плотность, кг/см | Rср, МПа | Возраст, сут. | Морозостойкость F300 в солях, после 37 циклов, % | Водонепроницаемось W, атм. |
| 1…5 | 655 | 2,456 | 30,51 | 1 | - 4,3 | 16 |
| 6…11 | 650 | 2,448 | 39,79 | 3 | ||
| 12…16 | 645 | 2,436 | 46,27 | 7 | ||
| 17..21 | 638 | 2,435 | 55,75 | 28 |
Рисунок 15
Поперечные распилы модели изделия дорожного ограждения.
Рисунок 16
Кинетика набора прочности бетона.
Результаты, полученные при лабораторном бетонировании и проведенные испытания бетона, полученного дорожного ограждения показали соответствие полученных параметров требованиям технического задания.
В шестой главе приведены результаты производственного бетонирования железобетонного ограждения, выполненного методом скользящей опалубки, и на основании проведенного производственного внедрения выполнена технико-экономическая оценка полученных результатов.
На основании положительных результатов подбора состава бетона, стендовых испытаний и лабораторного моделирования было проведено производственное бетонирование 20-ти метрового дорожного ограждения при строительстве автомобильной развязки через МКАД «Вешняки-Люберцы» (рис. 17).
Результаты испытания бетона изготовленного дорожного ограждения представлены в табл. 9.
Таблица 9
Сводная таблица результатов испытаний бетона.
| Прочность бетона через, сут, МПа | Ср. плот-ность, кг/м3 | Морозостой-кость F300 в солях, потеря прочности, % | Время загусте-вания, мин | ОК, см | Среднее отклонение от геометричес-ких размеров, % | |||
| 1 | 3 | 7 | 28 | |||||
| 28,2 | 38,7 | 45,1 | 49,5 | 2386 | - 3,9 | 29...31 | 3,5...4 | 0,4 |
Основываясь на результатах лабораторных испытаний и производственного внедрения, были разработаны рекомендации по изготовлению ограждений, сооружаемых с применением разработанных составов бетонов и технологии бетонирования, при использовании скользящей опалубки.
Рисунок 17.
Свежеотформованное дорожное ограждение.
На основании результатов производственного внедрения было произведена технико-экономическая оценка на примере двух расчетов материальных затрат для возведения 90-метрового железобетонного ограждения по разработанной технологии бетонирования и по существующей опалубочной технологии.
Рисунок 18.
Материальные затраты по опалубочной и безопалубочной технологиями.
Рисунок 19.
Время возведения и ввода в эксплуатацию дорожных ограждений возведённых по 2-м сравниваемым технологиям.
Расчёты представляют собой затраты на материалы при возведении ограждения с применением опалубочной технологии (стационарная опалубка) и разработанной технологии при использовании скользящей опалубки. Расчёт состоит из двух частей, первая показывает экономический эффект, а вторая - сравнение временных показателей возведения барьерного ограждения. Результаты расчётов представлены в числовом и графическом виде: для экономической части в рублёвом эквиваленте (рис. 18); для технологической части в сутках (рис. 19).
Применение разработанной технологии изготовления ограждений позволяет существенно снизить материалоемкость работ, за счет отсутствия опалубки, снизить количество рабочих занятых на арматурно-опалубочных работах и делает возможным введение конструкции в эксплуатацию раньше на 1…2 суток, позволяя осуществлять ведение работ при пониженных температурах (до -5С), за счет повышения температуры замерзания бетонной смеси.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ технологии формования дорожных железобетонных ограждений на мостовых сооружениях показал, что она сопровождается различными динамическими воздействиями (вибрации), предающимися от основания на свежеотформованную конструкцию, негативно влияющими на конечное качество конструкции. Для уменьшения неблагоприятного воздействия посторонней вибрации, необходимо разработать состав бетонной смеси, которая должна иметь ранние сроки загустевания, что позволит обеспечить быстрый набор прочности, практически сразу после формования и сократить время изготовления готового изделия, снизить вероятность образования дефектов за счёт быстрой потери подвижности и набора прочности.
2. Разработана комплексная добавка (К2СО3 и С-3) обеспечивающая получение необходимых реологических свойств бетонных смесей (удобоукладываемость и сроки загустевания).
3. Предложена, обоснованна и доказана гипотеза о 3-х стадийном твердении цемента в растворах поташа при положительных температурах.
4. Установлено влияние состава и количества вводимой добавки, температуры твердения и условий формования на реологические свойства бетонных смесей и прочностные свойства бетонов. Предложено оценивать влияние комплексных добавок на свойства бетонных смесей по результатам исследования состава цементных паст, что позволит существенно экономить время и используемые в замесах материалы
5. Разработаны специальные методики лабораторного исследования свойств бетонных смесей и бетонов, применяемых для формования железобетонных ограждений в скользящей опалубке, и стенды на которых произведено физическое моделирование реального рабочего процесса формования дорожного ограждения.
6. Разработаны и оптимизированы составы бетонных смесей для железобетонных ограждений, возводимых методом скользящей опалубки, включающие комплексную добавку (поташ + С-3), обеспечивающие удобоукладываемость, равную 3,5…4,5 см осадки стандартного конуса, загустевание смесей в пределах 30…40 минут, класс бетона В40, марку по морозостойкости F300 при испытании в солях и марку по водонепроницаемости W12.
7. Определено влияние параметров вибрации на удобоукладываемость бетонных смесей, плотность и прочность получаемых из них бетонов. Установлено, что наиболее рациональной частотой вибрации, с точки зрения проработки бетонной смеси, является работа вибратора на частоте 12000 об/мин. (200Гц), при которой происходит проработка бетонной смеси в радиусе 300…320мм., и обеспечивается наибольшая текучесть смеси и заполнение формы.
8. Разработана технология изготовления железобетонных дорожных ограждений, сооружаемых методом скользящей опалубки, включающая использование комплексной добавки и рациональное виброуплотнение, позволяющая возводить ограждения высокими темпами при обеспечении требуемого качества.
9. Разработаны рекомендации по изготовлению ограждений, сооружаемых с использованием скользящей опалубки.
Материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. Куликов А.В., Воробьев В.А., Швецов Н.В., Добарский В.А. Возможности применения бетоноукладчика «COMMANDER III» корпорации «GOMACO» со скользящей опалубкой при сооружении путепроводов и эстакад / Технология, прочность и долговечность строительных материалов для транспортного строительства: Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 239. – М, ОАО ЦНИИС, 2007, - С. 55-66.
2. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследование прочностных характеристик дорожного барьерного ограждения, возводимого с помощью скользящей опалубки / Технология и свойства железобетона в современном транспортном строительстве: Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 250. - М., ОАО ЦНИИС, 2008, - С. 23-32.
3. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследование влияния поташа на реологические свойства бетонных смесей для изготовления дорожных барьеров / Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2009): материалы IV международной научно-технической конференции. – Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2009. - С. 304-309.
4. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Дорожное барьерное ограждение, возводимое при помощи скользящей опалубки / Управление строительно- техническими свойствами бетонов для транспортного строительства: материалы 67-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. Сборник научных трудов. – Москва : 2009. Ротапринт МАДИ (ГТУ). – С. 38-40.
5. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследование влияния добавки поташа на реологические свойства бетонных смесей для изготовления дорожных барьеров / Сборник научных трудов Института Строительства и Архитектуры МГСУ.- М.: МГСУ, 2009. С. 34…37.
6. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследование влияния добавки поташа на реологические свойства бетонных смесей для изготовления дорожных барьеров / Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 1-й международной научно-практической конференции (8-9 окт. 2009 г., г. Брянск) В 2-х томах. Т.2 / Брянск. гос. инженер. – технол. акад. и др. –Брянск, 2009. – С. 83…93.
7. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Моделирование реального рабочего процесса формования дорожного барьерного ограждения с применением бетонных смесей, включающих добавку поташа в качестве ускорителя твердения / Комплексные проблемы транспортного строительства: Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 257. - М., ОАО ЦНИИС, 2010, - С. 65-80.
8. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Повышение качества барьерных ограждений транспортных сооружений, возводимых с помощью технологии скользящей опалубки / Управление строительно-техническими свойствами бетонов для автомобильных дорог и сооружений на них: материалы 68-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. Сборник научных трудов. –М.: МАДИ, 2010. -С. 47…52.
9. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Пути обеспечения высокого качества барьерных ограждений./ Наука и техника в дорожной отрасли, № 3–2010 (54), Москва, ЗАО «Издательство Дороги», - 2010. –С. 7…9.
10. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследования реологических свойств бетонных смесей для изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки./ Строительство и реконструкция. – Орел: 2010. ОрелГТУ. Вып. 2 (28). –С. 67-72.
11. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Пути обеспечения высокого качества барьерных ограждений, возводимых методом скользящей опалубки / Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 2-й международной научно-практической конференции (30 ноября 2010г., г. Брянск) В 3-х томах. Т.2 / Брян. гос. инженер. – технол. акад. и др. –Брянск, 2010. – С. 297…303.
12. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Новая технология изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки / Пути развития строительства автомобильных дорог с использованием цементобетона: материалы 69-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции. Сборник научных трудов. –М.: МАДИ, 2011.–С. 45…49.
13. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Бетонирование в скользящей опалубке / Автомобильные дороги. -Москва, ЗАО «Издательство Дороги», Вып. 6-2011. - С. 51-54.
14. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Технология изготовления дорожных барьеров методом скользящей опалубки / Транспортное строительство. Москва: 2012. Вып. 1. – С. 18-20.
15. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Бетоны для ограждений автомобильных дорог, сооружаемых методом скользящей опалубки / Перспективы развития цементобетона для дорожного строительства: материалы 70-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. Сборник научных трудов. –М.: МАДИ, 2012.С. 45…56
