Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона

Нажуев Мухума Пахрудинович; Яновская Алина Вадимовна; Холодняк Михаил Геннадиевич; Стельмах Сергей Анатольевич; Щербань Евгений Михайлович; Осадченко Сергей Александрович

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №3, Том 10 / 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today/issue-3-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/58SAVN318.pdf Статья поступила в редакцию 29.05.2018; опубликована 19.07.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:

Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Стельмах С. А., Щербань Е.М., Осадченко С. А. Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона // Вестник Евразийской науки, 2018 №3, https://esj.today/PDF/58SAVN318.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Nazhuev M.P., Yanovskaya A.V., Kholodnyak M.G., Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Osadchenko S.A. (2018). Analysis of foreign experience in the development of technology of vibration-centrifuged building structures and products from concrete. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(10). Available at: https ://esj. today/PDF/58SAVN318.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Нажуев Мухума Пахрудинович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Яновская Алина Вадимовна

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент

E-mail: [email protected]

Холодняк Михаил Геннадиевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Инженер

E-mail: [email protected]

Стельмах Сергей Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Щербань Евгений Михайлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Осадченко Сергей Александрович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Доцент кафедры «Железобетонных и каменных конструкций»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Анализ зарубежного опыта развития

технологии виброцентрифугированных строительных

Аннотация. В статье выполнен анализ литературы, касающейся зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона. Авторами изучены технологии производства напорных и безнапорных труб, опор линий электропередач, колонн и других конструкций кольцевого сечения. Также описаны основные технологические процессы при изготовлении строительных конструкций и изделий из бетона центрифугированием. Рассмотрены виды центрифугирования бетона, такие как центробежный прокат, виброцентрифугирование. Авторами отмечено, что полезное влияние при центрифугировании бетона оказывает одновременное вибрирование. В статье представлено подробное описание американского опыта технологии бетона «цен-ви-ро» фирмы «Цен-ви-ро Пайп Корпорейшн». Сделан вывод об актуальности применения основных достоинств зарубежного опыта в рамках развития отечественной отрасли строительных конструкций и изделий кольцевого сечения из тяжелого бетона. Авторами подчеркивается, что малоподвижные и жесткие смеси с нулевой осадкой конуса нашли применение в США при производстве бетонных и железобетонных труб. Здесь, помимо центрифугирования, применяются такие эффективные методы уплотнения бетона, как высокочастотное вибрирование, прессование и трамбование, что позволяет производить распалубку немедленно после окончания формования. Низкое водоцементное отношение и хорошее уплотнение обеспечивают высокую прочность бетона, повышение его плотности по сравнению с обычным бетоном, высокую водонепроницаемость и гладкую внутреннюю и наружную поверхность труб, что дает основание к тщательному изучению такого опыта и поиску возможности применить его основные достоинства в рамках развития отечественной отрасли бетонных и железобетонных конструкций.

Ключевые слова: строительные конструкции; строительные изделия; бетон; центрифугирование; вибрирование; виброцентрифугирование; технология бетона

Уплотнение бетонных смесей центрифугированием эффективно используется при изготовлении напорных и безнапорных труб, опор линий электропередач, колонн и других конструкций кольцевого сечения. Основное оборудование при центробежном способе формования - роликовые, ременные или осевые центрифуги.

Формы для центрифугированных изделий могут быть неразъемными и разъемными, собираемыми из двух полуформ. В процессе формования окружные скорости на ободе форм достигают 40 м/с, поэтому необходима высокая точность их изготовления.

Процесс формования изделий центрифугированием состоит из трех стадий: загрузки бетонной смеси в форму, распределения смеси по периметру формы, уплотнения смеси с отжатием воды.

При изготовлении труб и колонн бетонную смесь загружают в форму при ее вращении; под действием центробежных сил она равномерно распределяется по стенкам формы. Формование труб происходит в несколько этапов: центробежное формование с прокатом втулочной части трубы, центробежное формование раструба, уплотнение бетонной смеси в раструбе центробежным прокатом, окончательное уплотнение бетонной смеси центробежным прокатом. Формование заканчивают опрыскиванием вала водой и подачей пескоструйным

конструкций и изделий из

Введение

аппаратом внутрь мелкого песка. Образовавшаяся пленка воды поглощается песком, который вдавливается в стенку трубы, после чего ее поверхность становится матовой и гладкой [1, 2].

Анализ последних достижений, публикаций

Одним из видов центрифугирования является центробежный прокат, который применяется для производства низконапорных и напорных труб длиной 5 м, диаметром 12003000 мм. Центробежная сила служит в основном для распределения бетонной смеси, ее участие в уплотнении стенки трубы незначительно. Стенка трубы формуется прокатом бетонной смеси между вращающимся валом прокатной машины и формой.

В работе [3] отмечено, что полезное влияние при центрифугировании оказывает одновременное вибрирование, которое ослабляет или даже уничтожает внутреннее трение в смеси, препятствующее перемещению зерен и водоотделению. Создавать упорядоченную вибрацию форм рекомендуется посредством выполнения канавок на роликах центрифуги.

Как и центробежно-прокатный способ производства напорных труб, так называемый технологический процесс «цен-ви-ро» предусматривает производство железобетонных труб без стального цилиндра. Авторы этой технологической схемы должны были доказать высокие качества своих труб и в первую очередь их прочность и водонепроницаемость, которые не уступали бы железобетонным напорным трубам со стальным цилиндром, имевшим до этого времени наибольшее распространение в США [4].

Фирма «Цен-ви-ро Пайп Корпорейшн» сумела решить эту задачу, обеспечив высокую экономическую и техническую эффективность производства таких труб, в результате чего теперь в США организовало их производство на многих предприятиях.

Способ «цен-ви-ро» начали внедрять в США с начала 50-х годов. По сведениям фирмы, железобетонные трубы «цен-ви-ро» (в США конструкция такой трубы известна под названием «non-cylinder») были впервые изготовлены для практического применения в г. Нампа, штат Айдахо, в 1951 г. Трубы диаметром от 450 до 750 мм, длинной 3 м были испытаны давлением до 3 атм. и уложен при сооружении водоводного коллектора общей длиной около 6 км [2].

Известно, что были организованы их оригинальные испытания: две напорные трубы «цен-ви-ро» диаметром 750 мм установили на своеобразный передвижной испытательный стенд на трайлере, соединили их в стыке резиновой кольцевой прокладкой, подвергли испытательному гидравлическому давлению 15,5 атм. и под таким давлением в течении двух лет возили по дорогам (трайлер прошел за это время более 30000 км). Такое испытание трубы прошли вполне удовлетворительно - без появления течки и мокрых пятен на трубе и в стыковом соединении.

В дополнении к обычному центрифугированию при формовании сердечника труб «цен-ви-ро» здесь добавлены вибрирование и последующее механическое прессование, что и отмечено в названии технологического процесса («цен» - центрифугирование, «ви» -вибрирование, «ро» - прессование бетона с помощью специального катка - «укатывание»). В результате получается железобетонный сердечник с особо прочными и плотными водонепроницаемыми стенками, существенно отличающимися по качеству бетона от обычных центрифугированных труб. Плотная и прочная относительно тонкая стенка смогла конкурировать, таким образом, с бетонной стенкой с металлическим цилиндром [2].

Получив высокопрочный и плотный железобетонный сердечник, его обвивают высокопрочной предварительно напряженной проволокой с заданными шагом спирали. Предварительно напряженную спираль для предохранения от повреждений и защиты от коррозии покрывают слоем торкретбетона с последующим его разглаживанием. Таким

образом, готовая напорная труба «цен-ви-ро» отличается хорошей гладкой поверхностью не только внутри, но и снаружи.

Придя к выводу о возможности исключения дорогостоящего стального цилиндра без ущерба для прочности и водонепроницаемости стенки трубы, авторы «цен-ви-ро» подчеркивают, что это осуществимо при условии не только достаточного и равномерного обжатия предварительно напряженной арматурой бетонных стенок сердечника, но и обязательно высокого качества изготовления трубы и тщательно продуманной ее конструкции. Гарантия высокого качества стенок сердечника обеспечивается тщательным уплотнением бетонной смеси с правильно подобранным составом. Требования же к конструкции трубы касаются главным образом раструбного стыкового соединения без применения металла и с очертанием концов трубы, обеспечивающим удобное формование трубы и удобную надвижку при укладке в траншее.

Бетонная смесь, изготавливаемая для формования сердечников труб, характеризуется предельно жесткой консистенцией с нулевой осадкой конуса (В/Ц < 0,35, после центрифугирования - до 0,3). Цемент быстротвердеющий с расходом до 385 кг/м3. Заполнители - средне и крупнозернистые пески, крупный заполнитель с величиной зерен от 5 до 12-25 мм в зависимости от диаметра изготавливаемой трубы [5, 6].

Получающийся в результате тщательного формования с вибрированием бетон имеет очень плотную структуру (плотность 98 %) с равномерным распределением заполнителя; водопоглощение не превышает 3 %, средний предел прочности при сжатии 700 кгс/см2 (от 490 до 950 кгс/см2). Высокая прочность бетона гарантирует практически отсутствие потерь предварительного напряжения в трубе вследствие усадки и ползучести бетона. Поэтому принято, что минимальная прочность бетона на сжатие в сердечнике перед навивкой высокопрочной проволоки не должна быть ниже 490 кгс/см2.

Изготовление железобетонного сердечника в жесткой форме с вибрированием и прокаткой обеспечивает формование концов трубы с минимальными допусками, в связи с чем отпадает необходимость в применении стальных обечаек, используемых в конструкциях труб с остальным цилиндром. Сердечники труб «цен-ви-ро» изготавливают с конструктивной арматурой, их можно также изготавливать с продольной предварительно напряженной арматурой или без нее, с последующей спиральной навивкой высокопрочной проволоки или без навивки - в зависимости от назначения труб напорных или безнапорных [7].

Во всех случаях все эти три вида арматуры в трубе тщательно изолируют друг от друга с тем, чтобы избежать опасности возникновения электролитической коррозии в результате образования замкнутой цепи по арматуре. Закрепление на поверхности сердечника концов навиваемой высокопрочной проволоки производят в специальных изолированных анкерных коробочках, которые полностью заключают в бетоне сердечника трубы.

Таким образом, при отсутствии концевых металлических колец (обечаек) для стыков, которые могли быть проводниками электрического тока по всей цепи труб и содействовать электролитической коррозии металла, конструкция трубы «цен-ви-ро» обеспечивает сохранность арматуры трубы от коррозии.

Весьма продолжительным также является то, что применяемая в напорной трубе высокопрочная арматура нигде не подвергается сварке или нагреву.

Соединение труб при укладке производят с помощью кольцевой резиновой прокладки круглого сечения. Бетонная поверхность раструба и цилиндрического конца трубы,

Страница 4 из 9

Материал и методы исследования

58SAVN318

соприкасающейся с резиновым кольцом, получается при формовании трубы настолько гладкой, что не требует дополнительной обработки для обеспечения плотного соприкасания между резиной и бетоном в стыковом соединении.

Результаты исследования и их обсуждение

Для ознакомления с новой технологией целесообразно рассмотреть производство труб на полигонной установке, эксплуатируемой в Калифорнии.

Установка имеет две технологические линии: для изготовления на центрифуге железобетонных сердечников и тепловлажностной их обработки; для навивки предварительно напряженной спирали, для нанесения и пропаривания защитного слоя. Все основное оборудование установки сосредоточено в трех узлах: центрифугирования, навивки и нанесения защитного слоя.

Металлическую открытую с торцом форму укладывают на четыре мощных ролика с пневматическими резиновыми шинами. Благодаря резиновым шинам резко снижается уровень шума от работы установки и создаются условия для спокойного, уравновешенного вращения формы. Конструкция крепления обеспечивает необходимый угол охвата формы. Ролики вмонтированы в жесткие щеки опорных конструкций, по наклонным плоскостям которых с помощью специальных штоков перемещаются прижимные ролики меньших диаметров с резиновыми шинами.

Прижимные ролики можно раздвигать для охвата форм разных диаметров, что исключает возможность проскальзывания формы и содействует безопасности вращения ее при максимальном количестве оборотов. Силу нажима роликов регулируют. Один комплект шин обеспечивает производство примерно 1500-2000 труб. Мощность электродвигателя центрифуги зависит от диаметра формуемых труб. Для центрифугирования труб диаметром 450-1400 мм, длиной 3,65 м мощность центрифуги составляет 150 л.с. при скорости вращения роликов 1800 об/мин.

По имеющимся данным, на установке можно изготавливать раструбные трубы длиной до 3,65 м с толщиной стенки соответственно от 50 до 180 мм. Применяют высокопрочный бетон, расход цемента до 445 кг/м3. Отклонение от среднего указанного значения прочности бетона на сжатие по практическим данным не превышает 1,5 %.

Бетонную смесь с водоцементным отношением 0,3 и с содержанием инертных компонентов в соотношении 30 % песка и 70 % щебня приготавливают в лопастных бетономешалках с тщательным перемешиванием для достижения однородности смеси в каждом замесе и подают во вращаемую форму питателем - передвижным ленточным транспортером - ровным слоем от одного конца к другому. Движением питателя управляет тот же рабочий, который руководит всем процессом центрифугирования, с одного пульта управления.

Первоначальное распределение по форме и уплотнение бетонной смеси производят центрифугированием с вибрацией, которую создают четырьмя вибраторами особой конструкции, расположенными снизу с наружной стороны формы. Вибраторы размещены на определенном расстоянии друг от друга. Специальным устройством вибраторы прижимают к вращаемой форме снизу вверх. Частота вибрирования зависит от конструкции вибратора и является постоянной. Величину амплитуды колебания регулируют путем изменения гидравлического давления прижимаемой системы.

Вибрирование формы производится в процессе подачи бетонной смеси. Бетонная смесь, несмотря на жесткую консистенцию («сухая смесь»), в результате действия на ее частицы

кроме центрифугирования еще и вибрирования приобретает подвижность жидкости и «обтекает» стержни арматурного каркаса сердечника, полностью распределившись в его наружном защитном слое. После прекращения динамического воздействия бетонная смесь вновь приобретает свойства неподвижной жесткой (но теперь еще и уплотненной) смеси. При дальнейшем вращении формы вибрация содействует уплотнению бетонной смеси, обеспечивая подвижность ее частиц в процессе центрифугирования.

После заполнения формы центрифугированной и вибрированной бетонной смесью в работу включается прессующее устройство - тяжелый стальной каток диаметром 200-250 мм, опускаемый на внутреннюю поверхность формуемой стенки трубы с усилием около 5-6 тонн. Перемещение катка и регулирование давления осуществляют рычажным механизмом, закрепленным на торцовой опорной конструкции центрифуги. Управление рычажным механизмом, как и системой роликов, производят с помощью масляной гидравлической системы или пневматики.

Во время прессования форма медленно вращается, а каток находится в нижней части формы. Он должен быть установлен таким образом, чтобы в результате дополнительного обжатия и уплотнения бетона были точно выдержаны геометрические размеры стенок трубы и раструба. После прессования количество оборотов формы вновь доводят до максимального, в результате чего из уплотненного бетона удаляется оставшаяся свободная вода. Внутреннюю поверхность бетона выверяют и заглаживают металлической гладилкой.

Управление всеми операциями на центробежной установке автоматизировано и осуществляется с общего пульта.

В итоге тщательного уплотнения бетона и обработки внутренней поверхности значение коэффициента шероховатости трубы резко снижается (коэффициент шероховатости по Маннингу 0,09-0,012), а прочность и водонепроницаемость стенок существенно повышаются.

Отформованный железобетонный сердечник перемещают в камеру пропаривания туннельного типа, из которой его транспонируют на промежуточный склад и дальше - для навивки высокопрочной проволоки. Навивку производят после приобретения бетоном сердечника прочности не менее 500 кгс/см2.

Завершив первый круг технологических операций, железобетонный сердечник передают на вторую технологическую линию, начинающуюся с навивочного станка. Установка для навивки высокопрочной спиральной арматуры представляет собой двухэтажное каркасное сооружение с мощным междуэтажным балочным перекрытием. Навиваемую трубу накатывают на ролики, вмонтированные в приямке первого этажа; ролики снабжены пневматическими резиновыми шинами с рифленой поверхностью на протекторе для увеличения трения между роликами и гладкой бетонной поверхностью трубы. Чтобы удержать трубу в рабочем положении, ее прижимают сверху двумя дополнительными роликами, закрепленными на жесткой массивной несущей конструкции. Эту конструкцию захватывают с торцов рычажным приспособлением и перемешивают в вертикальном направлении. Управление подъемом и опусканием рычага осуществляют специальным гидравлическим устройством, в основании цилиндра и на конце которого предусмотрены шарниры для изменения угла наклона цилиндра во время подъема несущей конструкции закрепленных на ней роликов.

Высокопрочную проволоку навивают с требуемыми натяжением и шагом спирали суппортом, передвигающимся по направляющим, расположенным на перекрытии второго этажа.

Процесс навивки высокопрочной спирали на отечественном станке решен лучше, так как усилие от напряженной проволоки в процессе навивки не изгибает трубу благодаря соответствующей запасовке проволоки с растяжением ее в противоположные стороны через

направляющие ролики. По опыту эксплуатации установки, разработанной и осуществленной в Рустави, следует указать, что такое решение для завивки проволоки полностью себя оправдывает. Трубы легко подавать и снимать со станка; не требуется трудоемкое центрирование и закрепление трубы; обеспечивается сохранность торцов трубы при навивке: перенос суппорта на второй этаж сокращает площадь навивочной установки, дает возможность подойти к трубе с любой стороны и повышает безопасность работы в случае обрыва напрягаемой проволоки.

Интересной разработкой фирмы «Цен-ви-ро Пайп Корпорейшн» является приспособление для заанкеривания концов высокопрочной проволоки при навивке на железобетонный сердечник. Это штамповочные металлические анкерные коробочки, закладываемые в бетон при формовании сердечника. Фиксирование их положения в стенке трубы достигается приболчиванием к стенкам формы, в которой формуют сердечник трубы. Закрепление концов проволоки, как и стыкование ее в процессе навивки спирали, выполняют патентованными стальными муфтами «никопресс», исключающими необходимость применять сварку или какие-либо кустарные способы скрепления проволоки.

Применение муфт, как указывалось, имеет также целью полностью изолировать высокопрочную спиральную арматуру от соприкасания с каркасом арматуры сердечника, выполняемого из обычной арматуры. Тем самым, исключается опасность появления в результате биметаллического эффекта коррозии арматуры.

Таким образом, следует отметить, что малоподвижные и жесткие смеси с нулевой осадкой конуса нашли применение в США при производстве бетонных и железобетонных труб. Здесь, помимо центрифугирования, применяются такие эффективные методы уплотнения бетона, как высокочастотное вибрирование, прессование и трамбование, что позволяет производить распалубку немедленно после окончания формования. Низкое водоцементное отношение и хорошее уплотнение обеспечивают высокую прочность бетона, повышение его плотности по сравнению с обычным бетоном, высокую водонепроницаемость и гладкую внутреннюю и наружную поверхность труб, что дает основания к тщательному изучению такого опыта и поиску возможности применить его основные достоинства в рамках развития отечественной отрасли бетонных и железобетонных конструкций.

Выводы

ЛИТЕРАТУРА

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8. 9.

Волков Л.А. Изготовление железобетонных напорных труб методом центрифугирования с вибрированием фирмой Socea (Франция). - М.: ЦНИИТЭстроймаш, раздел 1, сборник № 4, 1973.

Овсянкин В.И. Железобетонные трубы для напорных водоводов (3-е издание). -М.: Стройиздат, 1971 г. - 320 с.

Лермит Р. Проблемы технологии бетона. - М.: Госстройиздат, 1959. - 294 с.

Roy L. Peck. Производство железобетонных труб способом Cen-Vi-Ro, Modern Concrete, № 6, 1963.

Михайлов К.В., Попов А.Н. Производство бетонных и железобетонных труб в Австралии. - М.: ВНИИЭСМ, сборник № 4, 1977.

Фролов Е.Г. Основные закономерности процесса центробежного проката железобетонных напорных труб. Промышленность сборного железобетона, серия 3, выпуск 5, М., 1981.

Kausser D. Bestimmung: der Einsatzwerte bet der Schleuderdicht iing-. Baustoffindustie, №11, 1959.

Mather B. Concrete-Vear 2000, Revisited in -1995 // Adam Neville Symposium on Concrete Technology. Las Vegas USA, June 12, 1995, pp. 1-9.

Popovics S. Fracture mechanism in concrete: how much do we know? - J. Eng. Mech. Div. Proc. Amer. Soc. Civ. Eng., 1969, 95, № 3, 531-544.

Schrader E.K. Impact resistance and test procedure for concrete. - J. Amer. Concr. Inst, 1981, № 12, Proc, 78, 141-146.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Anatoliy Shuisky, Sergey Stelmakh, Evgeniy Shcherban and Elena Torlina. MATEC Web of Conferences. ICMTMTE. - 2017. - Vol. 129. URL: www. matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05011.pdf.

Nazhuev Mukhuma Pakhrudinovich