CC BY
118
_ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОТЕХНОЛОГИИ
УДК 622.281.424
1 2 3
Г.Н. Волченко , В.Г. Челпанов , В.Н. Фрянов Сибирская инжиниринговая компания ООО «СИБКОМ»
2Фирма «Урал» 3Сибирский государственный индустриальный университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ НАБРЫЗГБЕТОНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
Строительство, ремонт зданий и сооружений с применением метода набрызгбетонирования (торкретирование) давно известны. Этот метод отличается оперативностью, малобюджетностью и является наиболее обоснованным и привлекательным для быстрого строительства и ремонта. Торкрет-бетон как материал бетонирования представляет собой бетонную смесь, которую подают к месту производства работ по материалопроводу и наносят путем разбрызгивания под высоким давлением, что обеспечивает уплотнение смеси.
Раздельная технология силового-
инерционного формования бетонной смеси в конечном итоге приводит к тому, что раздробленные на мельчайшие частицы смеси, обладающие высокой кинетической энергией, наносятся на поверхность бетонирования. При этом по мере накопления, т.е. формования, под действием сил инерции происходит процесс выталкивания воды и воздуха из бетонной смеси, что позволяет получить смесь высокой плотности, прочности и адгезии.
Понятия технологии «сухого» и «мокрого» торкрет-бетона относятся к состоянию исходной смеси во время ее транспортирования по матери-алопроводу. Эти понятия сначала ничего не говорят о консистенции и процентном содержании воды и цемента в бетонной смеси: при «мокром» торкрет-бетоне проводится транспортирование бетонной смеси с предварительно обеспеченной консистенцией смеси и водоцементным отношением; при «сухом» торкрет-бетоне отличие проявляется при транспортировании сухой бетонной смеси сплошным потоком и обеспечении водоце-ментного отношения и консистенции смеси на выходе из распылительного сопла при нанесении бетонной смеси на поверхность.
Применение сухого торкретирования подходит для крупных и мелких ремонтных проектов, в которых можно эффективно организовать защиту
от пыли и удаление отскока, где не требуется качественной отделки поверхности, и внешний вид не имеет важного значения. Преимущества сухого метода: больше толщина укладываемого слоя за один проход; исключение необходимости создания «клеящего» слоя; большое расстояние подачи рабочей смеси - до 300 м по горизонтали и до 100 м по вертикали. Недостатки - большой отскок, т.е. потери до 30 %; большое пылевыде-ление, невозможность затирки слоя сразу после укладки.
Мокрый метод торкретирования эффективен при стабильном (непрерывном) выполнении большого объема работ. Преимущества: меньший отскок (10 - 15 %); меньше пылевыделения; возможность затирки поверхности слоя, возможность повторного применения смеси от отскока (при соответствующей подготовке рабочего места); возможность использования торкрет-машины в качестве бетононасоса. Недостатки: обеспечивает малую скорость потока на выходе, в результате чего нанесенная смесь меньше уплотняется, что вызывает снижение прочности нанесенного слоя; возникают существенные проблемы при засорении шлангов; на конце сопла возникает реактивная тяга, которая не позволяет работать с люльки, а материальный рукав нужно держать двумя руками; расстояние подачи рабочей смеси меньше - до 100 м по горизонтали и до 30 м по вертикали. Из вышесказанного следует, что каждый из методов имеет свои преимущества и какой применить - исходят из имеющихся в наличии ресурсов и конечных целей.
Анализ и обобщения рассматриваемой проблемы обоснованно ставят задачу создания эффективной инновационной, мобильной, малобюджетной, импортозамещающей технологии, позволяющей нивелировать недостатки известных технологий для оперативного
1ч-
Iх
Рис. 1. Мобильное оборудование и технология
строительства и ремонта зданий и сооружений и др. Необходимо разработать линейку импортозамещающего оборудования, эффективную рецептуру сухих смесей на базе местного сырья и др. [1]. Можно обоснованно ставить задачу о совершенствовании существующих технологий и создания варианта, который бы комплексно использовал преимущества сухого и мокрого торкретирования.
Группой инженеров (Фирма «Урал», г. Днепр) под руководством Челпанова В.Г. разработана и внедрена технология «полусухого» метода набрызга бетона [2] (рис. 1). Данная технология занимает промежуточное место между сухим и мокрым торкретированием, используя достоинства обеих технологий. В предлагаемой технологии по материальному рукаву раствор подается порциями с воздушными промежутками, что увеличивает эффективность подачи за счет поршневого действия порции. Это позволяет легко удерживать рукав и ствол в руках, так как он полупустой и легкий. Создано и опробовано пилотное оборудование для нанесения набрызгбетона полусухим методом, что значительно расширяет возможности применения технологии для решения различных инженерных задач. Технология нанесения полусухого торкрета возможна при использовании оборудования, выпускаемого в России, но не используемого для торкретирования. ООО «СИБКОМ» разработал эффективную модификацию ствола (торкрет-сопло) ТвттиоптХ4 для мокрого и полусухого торкрета, повышающую эффективность способа (рис. 2) [3, 4]. Эта технология наиболее приемлема для строительства и ремонта с использо-
нанесения набрызгбетона полусухим методом
ванием 3D панелей («Русская стена»). Получаемый процесс позволяет наносить слой до 250 мм на вертикальной поверхности [2].
Сибирская инжиниринговая компания ООО «СИБКОМ» г. Новокузнецк при содействии Института горного дела СО РАН г. Новосибирск, Института горного дела и геосистем СибГИУ на основе исследований [3, 4] разработала импортозамещающий инновационный продукт и запустила стартап «Техника и технология набрызгбетонирования Твгткоп®». Совершенствовать оборудование производства мировых брендов представлялось делом не перспективным. Решающим фактором для разработки новой модификации ствола (торкрет-сопла) установки набрызгбетонирования является первостепенное значение данного изделия в финальной части процесса сухого набрызг-бетонирования. Важнейшим элементом ствола для набрызга бетона служат узлы затворения и смешивания. Устройство должно за 20 - 30 с-3 максимально затворить (смочить) сухую смесь, чтобы получить максимальное количество и высокое качество набрызгбетона (с высокой адгезией (прилипание) и когезией (плотность наносимой смеси)), что может кардинально снизить запыленность при отскоке сухой смеси.
ТетткоптХ5 - это новейшая разработка ООО «СИБКОМ» в линейке высокоэффективных, легких, износостойких (с применением инновационных материалов), с прогрессивной эргономикой и промышленным дизайном стволов (торкрет-сопло) для набрызгбетонирования под торговой маркой Твгткоп® (рис. 3, 4).
Рис. 2. Модификация ствола Теттйоп®Х4 для мокрого и полусухого торкрета
Изделие Тетткоп Х5 совместимо с любым торкрет-оборудованием (АНуа®-257, MEYCO® piccola, MPCS 4 и др.), снижает (в 5 раз) запыленность на рабочем месте, уменьшает потери компонентов торкрет-смеси за счет снижения отскока (экономия сухих смесей минимум на 25 %), повышает прочность бетона и производительность труда по сравнению с основным конкурентом - торкрет-форсункой ЛИуа^СотеНо производства Б1ка® (Швейцария).
В результате совершенствования, широкомасштабных испытаний и внедрения техники и технологии Тетткоп® на ведущих горнодобывающих и шахтостроительных предприятиях России (ОАО «Евразруда» г. Таштагол, Мирнинский специализированный шахтостро-ительный трест АК «АЛРОСА» г. Мирный, ООО «Заполярная строительная компания» г. Норильск, ООО «Шахта Байкаимская» г. По-лысаево, ЗАО «Служба защиты сооружений»
н
г. Москва, ТОО «Востокцветмет» г. Усть-Каменогорск (Казахстан) и др.) на различном торкрет-оборудовании, при использовании различных сухих смесей были получены эффективные производственные результаты. Установлено, что достигается кардинальное снижение отскока сухих смесей (в 5 раз) и запыленности на рабочем месте (более чем в 6 раз), что позволяет получить существенный экономический, экологический и социальный эффект (рис. 3). Положительные результаты установлены и при нанесении фибробетона [5].
Создание производственных условий для оказания высококачественных услуг по креплению горных выработок, в частности, по набрызгбетонированию для предприятий горной промышленности, металлургии, строительства и др. базируется на инновационной технике технологии Тегткоп®', превосходящей аналоги по ресурсосбережению и качеству.
Рис. 3. Работа изделия Тегткоп®Х5 с торкрет установкой АНуа®-257 в шахте (а) и на высоте (б)
Рис. 4. Общий вид изделия Тегткоп®Х5 новейшей модификации
При этом материалы и оборудование для осуществления этой технологии существенно дешевле предлагаемых на рынке, что в конечном счете снижает себестоимость продукта и позволяет успешно конкурировать на рынке услуг по данному виду работ [6 - 8].
Как было сказано выше, каждый из методов имеет свои преимущества и какой применить -сложная инженерная задача, решаемая исходя из имеющихся в наличии ресурсов и конечных целей (см. таблицу).
В результате значительного производственного опыта использования различных технологий набрызга бетона сделано несколько практических выводов.
1. Расчет бетонных конструкций методом конечных элементов убедительно доказывает, что там, где нет активного попадания влаги, разрушение бетона происходит за счет вынужденных естественных колебаний конструкции.
Первые силовые трещины в конструкции появляются одновременно с началом ее работы. В конструкции изначально заложены зоны бетона, которые в процессе эксплуатации или дают трещину, или отторгают часть бетона. И только в процессе дальнейшей эксплуатации появляются хлориды, коррозия арматуры за счет первоначальных силовых трещин.
Вывод: нанесение на локально разрушенную поверхность не армированных фиброй материалов ведет к возникновению трещин и отторжению материалов, так как эти материалы не работают на растяжение.
2. Разрушенный бетон практически имеет прочность на сжатие от 2,0 до 3,0 МПа. Ремонт такого бетона должен производиться материалом равным ему по прочности. На испытуемые образцы бетона прочностью 3, 00 МПа был нанесен 0,05-м слой бетона сухим торкретом прочностью 5,50 МПа. При испытаниях
Сравнительные показатели методов торкретирования
Метод торкретирования
Номинальные показатели Полусухой Мокрый Сухой Сухой ТегтЫоп®
Потребление электроэнергии, кВт 23 8 45 45
Потребление воздуха, м3/мин 2 0,3 6 6
Скорость факела, м/с 60 30 150 150
Наносимый слой за один набрызг, м 25 4 6 8
Отскок (потери), % 5 10 30 5
Запыленность, кг/м3 • 10-6 10 15 55 10
Производительность, м3/смена 8 4 5 8
Высота подачи, м 120 30 100 100
Формирование адгезии Скорость нанесения + работа Работа цемента Скорость нанесения Скорость нанесения
цемента
Прочность на сжатие, МПа 4, 5 3, 5 7, 0 9, 0
Используемые материалы (песок, цемент) Местные Местные Покупная смесь в мешках Местные
Рис. 5. Механизированный самоходный комплекс для набрызгбетонирования и укладки бетона за опалубку [9]
на растяжение в контактной зоне происходил срыв сухого торкрета.
Вывод: прочный бетон, нанесенный на старую поверхность, отторгается самой конструкцией в процессе ее работы. Многие могли наблюдать так называемое отслоение «коржами».
3. Адгезия старого и нового бетона. По существующей технологии ремонтных составов бетона имеются добавки, которые взаимодействуют с оставшейся известью в старом бетоне, что позволяет проводить сращивание старого и нового бетона за счет микрохимических соединений.
Вывод: работа добавок на основе извести не может происходить без большого количества влаги. Сухой торкрет не имеет достаточно влаги для работы добавок, так как нанесение смеси происходит на большой скорости, что приводит к вытеснению влаги из ремонтного состава.
4. Сухой торкрет-бетон не позволяет работать локально. Например, нужно произвести локальный ремонт плиты перекрытия, восстановить ребро 0,05 х 0,10 м прямоугольной формы. Полусухим и мокрым методами можно без особого труда наращивать такие сложные фигуры. Восстановленные локальные места в дальнейшем могут штукатуриться ремонтными составами. Структура восстанавливаемой поверхности на основе жидкого акрила с последующей обработкой водой под большим давлением позволяет локально реставрировать исторические здания и сооружения из бетона.
Вывод: после полусухого и мокрого методов торкретирования на восстановленную поверхность можно нанести любой вид покрытия.
5. Работа сухим методом торкретирования требует высокой квалификации сопловщика. Например, в США прежде чем приступить к работе сухим методом самостоятельно, уче-
ник должен обучаться с наставником не менее пяти лет.
Технологии набрызгбетонирования традиционно используются в горном деле, металлургии, строительстве. Однако, как показывает практика последних лет, технические возможности общеизвестной технологии набрызгбе-тонирования (торкретирования), в частности техники и технологии Тетткоп® , не достаточно широко используются при решении технических, экологических и социальных задач государства в условиях различных чрезвычайных ситуаций.
Основным достоинством техники и технологии набрызгбетонирования Тетткоп® является его мобильность на большие расстояния, простота и дешевизна. Ранее разработанные самоходные комплексы на базе автомобиля КамАЗ хорошо себя зарекомендовали для крепления горных выработок [9] (рис. 5).
Нет необходимости при формировании стройплощадки использовать дорогостоящую тяжелую технику, дорогие стройматериалы. Для создания изделий, конструкций из набрызгбетона нужен песок, цемент, вода и электроэнергия. Физико-механические характеристики получаемого бетона известны, причем есть широкие возможности варьировать этими характеристиками в зависимости от решаемой инженерной задачи.
В настоящей работе предлагается несколько направлений использования набрызгбетониро-вания для повышения оперативности, эффективности производства за счет уменьшения трудозатрат и снижения себестоимости продукции, в том числе при чрезвычайных и форсмажорных ситуациях.
Одно из направлений - это современное строительство и ремонт с использованием 3D панелей. Конструктивная система 3D - это достаточно новая экономичная трехслойная
Рис. 6. Поперечное сечение конструктивной системы 3Б панели [10]
система, которая находит все более широкое применение в крупнопанельном строительстве и основывается на использовании трехмерных 3Б панелей заводского изготовления. 3Б панели состоят из пенополистиролового наполнителя толщиной от 40 до 100 мм, расположенного между двумя плоскопараллельными сварными сетками из проволоки (покрывающей сетки) и наклонной диагональной арматуры (раскосов), которая пронизывает пенополи-стироловый наполнитель и приваривается к контурной проволоке, покрывающей сетки с двух сторон, образуя пространственную арматурную ферму [10] (рис. 6).
В результате получается относительно легкая, трехмерная стержневая система повышенной жесткости. 3Б панели поставляются в виде отдельных сборочных единиц на место строительства, где из них можно достаточно легко создать пространственную конструкцию стен и плит. Для выполнения швов между 3Б панелями служат соединительные сетки. Таким образом создается непрерывная сеточная структура (арматура) всей конструкции.
В процессе возведения здания на обе наружные поверхности данной «сухой» структуры наносится слой бетонного раствора (торкрет-бетона) толщиной от 40 до 60 мм. Во время этого процесса пенополистироловый наполнитель 3Б панелей выступает в роли опалубки и основы под штукатурку. Как только бетон затвердевает, конструкция 3Б приобретает свою структурную и функциональную
прочность. В результате получается многослойная система, в которой две наружные железобетонные оболочки соединяются между собой посредством пространственной арматурной конструкции из диагональных стержней и которая обладает значительным сопротивлением сдвигающим усилиям.
Чтобы доказать структурную эффективность конструкций 3Б, известные исследовательские центры Австрии и других стран провели множество испытаний на сжатие, изгиб и сдвиг. Эти испытания показали, что все основные теории и методы расчетов для железобетонных конструкций могут быть без ограничений применены и для конструкций 3Б. В свою очередь это означает, что, принимая во внимание особые характеристики, все национальные и международные стандарты для железобетонных конструкций действительны и для конструкций 3Б [10].
Нами разработаны и обоснованы проекты ремонта зданий после обстрела жилых домов в городах Дебальцево, Енакиево (рис. 7) и др. Практика и расчеты показывают, что при применении 3Б панелей при ремонте таких зданий, трудоемкость и время работ значительно снижаются с обеспечением всех строительных норм и правил.
Таким образом, конструктивная система 3Б - это экономичная альтернатива традиционным конструктивным системам, которая отвечает всем прочностным и физическим требованиям, связанным со строительной физикой.
Рис. 7. Характер разрушений жилого дома после попадания артиллерийского снаряда:
а - внешние, б - внутренние
Кроме того, она позволяет сократить время строительства, вес зданий на 40 % и в разы снизить себестоимость строительства и ремонта малобюджетных жилищных комплексов, так необходимых населению после чрезвычайных ситуаций (рис. 8).
Дома, построенные по любой из технологий купольного строительства, отличаются рядом особых свойств, которых невозможно достичь традиционными методами строительства. Именно благодаря этим отличиям купольные здания являются не просто альтернативой домам кубического типа, они представляют собой совершенно новый вид сооружений, способный решать большинство насущных бытовых проблем при отсутствии каких-либо материальных затрат. Идеально равномерное распределение нагрузки на конструкцию обеспечивается ее сферической формой. Для строительства купольных сооружений производятся 3D панели специальной формы.
Новые возможности для возведения куполов предоставляют пневматические, надувные опалубки. Их достоинства состоят в дешевизне, многооборачиваемости, легкости транспортирования и установки, в совершенстве формы, простоте распалубки. Надувная опалубка, безусловно, безмоментная конструкция. Следовательно, отвердевшая оболочка становится автоматически безмоментной конструкцией. В этом совершенство формы пневмоопалубок [11].
В этой технологии должен быть задействован быстровозводимый пневматический каркас. Он изготавливается индивидуально и в надутом виде полностью повторяет контуры внутренней поверхности купола. В тех местах, где должны быть окна и двери, каркас имеет выступы заданной формы и размеров. Изготовление пневмокаркаса — самый затратный и сложный этап строительства, но поскольку технология вдвое сокращает расходы на сооружение, его цена полностью окупается.
Рис. 8. Малобюджетное строительство: а - жилое здание; б - жилищный комплекс
X
Этап 1. Устройство пола
Этап 2. Установка купола
Л
Этап 3. Нанесение пены
Этап 4. Монтаж каркаса
Этап 5. Нанесение бетонной смеси
»1
Рис. 9. Этапы варианта технологии возведения купольных конструкций с применением надувной опалубки [12]
Заключительный этап работ - напыление основного материала на купол. После окончательного застывания смеси каркас демонтируют, устраняют дефекты напыления в проемах, на чем процесс возведения купола заканчивается. Как упоминалось выше, строительство дома по купольной технологии экономит около 50 % денежных средств (рис. 9).
В СибГИУ на кафедре геотехнологии и геосистем разрабатывается проект техники и технологии при осуществлении торкретирования для локализации или консервации опасных объектов (создание перемычек в шахте, саркофаг для радиации, могильников и др.). На кафедре строительства и архитектуры разработаны типовые проекты и регламенты для строительства домов с технологией торкретирования с применением конструктивной системы 3Б и возведения купольных конструкций с применением надувной опалубки и др. Учитывая, что строительные технологии постоянно совершенствуются, необходимо и в дальнейшем совершенствовать, расширять сферу применения и предлагать комплексные технологии с использованием набрызгбетонирования для строительства и ремонта зданий и сооружений при чрезвычайных ситуациях. Такие разработки предназначены для МЧС России и др.
Выводы. Анализ и обобщения рассматриваемой проблемы, достоинства техники и техно-
логии Тетткоп предполагают решение инженерных задач по созданию инновационного мобильного, малобюджетного, импортозамещающего, оперативного строительства и ремонта зданий и сооружений при чрезвычайных ситуациях. Быстрая технология строительства и ремонта Тетткоп® с использованием прогрессивных методов (полусухой набрызг бетона с использованием 3D панелей, надувной опалубкой и др.) позволит расширить сферу применения и оперативно решать проблемы при чрезвычайных, форсмажорных ситуациях (строительство и ремонт при шахтных авариях, при пожарах, наводнениях, ураганах, землетрясениях, взрывах бытового газа, обстрелах и др.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Венгловский В.Г., Волченко Г.Н., Фрянов ВН., Приб ВВ., Волченко Н.Г. Совершенствование технологии набрызгбетонирова-ния для повышения эффективности и качества крепления подземных выработок // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2014. С. 90 - 94.
2. Электронный ресурс. https://www.youtube. com/watch?v=uliumDAErSk.
3. Волченко Г.Н., Фрянов В Н., Приб В В., Волченко Н.Г. Нестандартный подход к повышению эффективности и ресурсосбережения малобюджетной технологии набрызгбетонирования при креплении горных выработок // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2015. С. 133 - 137.
4. Волченко Г.Н., Серяков В.М., Фрянов В.Н., Волченко Н.Г. Техника и технология набрызгбетонирования Тетткоп® для крепления горных выработок в сложных условиях // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2016. С. 82 - 93.
5. Волченко Г.Н., Исахаров Б.Д., Фрянов В Н., Волченко Н.Г., Волков Е.А., Приб В.В. Промышленные испытания ствола обеспыливающего набрызгбетонирования ТеттИоп Х4 // Вестник СибГИУ. 2015. № 1 (11). С. 32 - 35.
6. Электронный ресурс. https://www.youtube. com/watch?v=mR 1Zag98 СЮ.
7. Электронный ресурс. https://www.youtube. com/watch?v=CQfSjww-URU
8. Волченко Г.Н., Ярыгин И.Г., Фрянов ВН. Резюме проекта «техника и технология набрызгбетонирования Termiton®» для инвестора // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2017. С. 148 - 152.
9. Электронный ресурс. http://uer74.ru/ pro-duction/mehanizirovannyekompleksy/ me-chanicalcompleks
10. Электронный ресурс. http://textarchive.ru/c-1980611-pall.html.
11. Электронный ресурс. http: //domdvordorogi. ru/pnevmatiche skaya-opalubka/.
12. Электронный ресурс. http://ultradizz.ru/architecture/403-kupolnye-monolitnye-zdaniya-na-naduvnom-karkase.html.
© 2017 г. Г.Н. Волченко, В.Г. Челпанов,
В.Н. Фрянов Поступила 17 октября 2017 г.
