CC BY
34
Бетон для строительства подводных нефтегазовых сооружений
В.А. Перфилов, В.В. Габова, С.В. Лукьяница Волгоградский государственный технический университет
Аннотация: Приведены результаты разработки составов и технологии их приготовления для применения в конструкциях морских гравитационных нефтегазодобывающих платформ и подводных нефтегазопроводов. Обоснована эффективность применения базальтовых фибровых волокон, пластифицирующей добавки «^ка ViscoCrete 5-800» и сажевых отходов теплоэлектростанций при изготовлении мелкозернистых бетонов. В результате проведённых экспериментов определены прочностные характеристики фибробетонов в зависимости от количества вводимого суперпластификатора и сажевых отходов при использовании равноподвижных смесей. Показано увеличение показателей прочности на сжатие и изгиб образцов, модифицированных базальтовой фиброй, суперпластификатором и производственными отходами, что способствует увеличению эксплуатационных характеристик нефтегазовых морских сооружений за счет повышения параметров морозостойкости и водонепроницаемости материалов конструкций.
Ключевые слова: нефтегазовые сооружения, фибробетонная смесь, суперпластификатор, базальтовая фибра, сажевые отходы, прочность.
В настоящее время большими темпами развивается нефтегазодобыча на море. Для строительства морских нефтегазовых сооружений проектируются конструкции, работающие в агрессивных условиях воздействия воды, льда, течений и других факторов. Добыча полезных ископаемых в таких экстремальных условиях требует более тщательного подбора материалов, имеющих высокую механическую прочность, а также морозостойкость, водонепроницаемость и долговечность.
Наиболее распространенным материалом, применяемым в подводных нефтегазовых сооружениях, является железобетон. В частности, массивные гравитационные морские платформы имеют железобетонное основание, которое на большие глубины погружено в агрессивную соленую воду. При прокладке подводных нефтегазопроводов на морское дно для предотвращения всплытия наружная поверхность трубы покрывается тонким слоем мелкозернистого бетона, который также должен обладать высокой прочностью и водонепроницаемостью.
Поэтому для строительства указанных и других подводных нефтегазовых сооружений необходимо использование плотных, прочных, морозостойких и водонепроницаемых железобетонных конструкций, стойких к агрессивной морской воде.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет бетон с использованием макроупрочнителей в виде различных фибровых волокон [13], а также введением модифицирующих добавок, упрочняющих микроструктуру бетона. Применение металлической фибры в бетоны [4-6] не может быть оправданным ввиду наличия агрессивной морской среды. Поэтому наибольшую эффективность может показать использование базальтовой фибры, обладающей высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Фибровые волокна способствуют макроупрочнению материала конструкции, тем самым снижают расход металлической арматуры, позволяют уменьшить толщину конструкции и сократить трудоемкость ее изготовления [7,8]. Однако введение базальтовых фибровых волокон способствует некоторому ухудшению подвижности бетонной смеси, что необходимо компенсировать применением пластифицирующих добавок.
Технология возведения оснований железобетонных гравитационных морских нефтегазодобывающих платформ включает подачу бетона в опалубку с применением бетононасосов с телескопической цилиндрической распределительной стрелой диаметром около 200 мм. Для транспортировки бетонной смеси на большие расстояния в ограниченном пространстве бетоновода используются подвижные или литые бетонные смеси с осадкой конуса до 12 см. При этом для получения бетонов заданной проектной прочности значения водоцементного отношения не должны превышать 0,50,6. Поэтому приготовление подвижных бетонных смесей без использования высокоэффективных пластифицирующих добавок невозможно.
Для достижения поставленной задачи в ходе проведенных исследований были разработаны составы мелкозернистых бетонных смесей и технологии их приготовления для последующего применения в подводных морских нефтегазовых сооружениях. Подбор составов фибробетонных смесей с модифицирующими добавками производился с помощью компьютерного моделирования [9].
Экспериментальные исследования производили с применением фибровых базальтовых волокон длиной 12 мм и диаметром 10 мкм в соответствии с требованиями ТУ 5769-004-80104765-2008. В ходе проведенных ранее экспериментальных исследованиях был определен наиболее оптимальный расход базальтового заполнителя в бетонной смеси равный 1,4 кг/м .
Связующим компонентом бетонной смеси был портландцемент марки ПЦ М500 Д0-Н производства ЗАО «Осколцемент».
В качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок Оленьевского и Орловского карьеров с модулем крупности 2,2.
Для увеличения смачиваемости (подвижности) бетонной смеси без повышения расхода воды затворения были использованы суперпластификаторы. Предварительно были исследованы свойства нескольких видов суперпласификаторов с учетом их стоимости и доступности [10]. Наилучшие показатели по подвижности фибробетонной смеси и прочности затвердевших бетонов были получены в результате применения добавок «Полипласт СП-3» и «Б1ка У1БСоСге1е 5-800».
Дополнительно в состав фибробетонной смеси вводили сажевые отходы тепоэлектростанций, размер частиц которых не превышал 5 мкм. Введение этой добавки способствовало увеличению подвижности смеси при снижении количества воды затворения, а также экономии дорогостоящих суперпластифицирующих добавок.
Экспериментальные исследования по определению оптимальных составов фибробетонных смесей проводили на основе цементно-песчаной смеси состава Ц: П=1:2 с последующим изготовлением стандартных образцов размером 40х40х160 мм.
Технология приготовления фибробетонной смеси с учетом специфических свойств некоторых компонентов осуществлялась в следующей последовательности.
Предварительно взвешенные компоненты сухой смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок и базальтовую фибру, перемешивались в лабораторной бетономешалке в течение 2-3 минут.
Сухой порошок сажевых отходов вводили в воду затворения вместе с суперпластифицирующей добавкой и подвергали обработке с частотой до 26 кГц в ультразвуковом диспергаторе. В результате полученный практически однородный активный раствор подавался в бетоносмеситель с перемешанными сухими компонентами. Длительность перемешивания смеси составляла 1-3 минуты.
Изготовление стандартных образцов производилось на лабораторной виброплощадке. Образцы разных составов подбирались по принципу равной подвижности. По окончании формования образцы хранились во влажной среде при температуре 22-25 оС и влажности 90-100 %.
По истечении 28 суток проводились испытания образцов на сжатие и изгиб с использованием гидравлического пресса.
В результате проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные сочетания расходов суперпластификатора <^ка ViscoCrete 5-800» и сажевых отходов для получения фибробетонов с максимальной прочностью (см. табл.).
Анализ результатов испытаний показал, что максимальной прочностью на сжатие и изгиб обладают фибробетоны, имеющие в своем составе 0,5 %
суперпластифицирующей добавки <^ка ViscoCrete 5-800» и 0,5 % сажевых отходов от массы цемента.
Таблица
Влияние суперпластификаторов и сажевых отходов на свойства фибробетона
№ Суперпластификатор Сажевые Расплыв Прочность, МПа
состава «Б1ка ViscoCrete 5- отходы, стандартного
800», % от массы цемента % от массы цемента конуса, мм
изгиб сжатие
1 0 0 107 2,5 40,6
2 0.25 0,75 106 3,6 45,1
3 0.3 0,7 106 4,8 51,2
4 0.35 0,65 107 5,2 57,4
5 0.5 0,5 108 5,8 62,7
6 0,75 0,25 109 5,7 62,1
7 1,0 0 110 5,6 60,4
Показатели прочности образцов фибробетона с указанными количествами добавок по сравнению с образцами бетона, не имеющими добавок, при испытании на сжатие увеличились на 54 %, а на изгиб - более чем в 2 раза.
Микроструктура полученных образцов фибробетона с использованием суперпластификатора и сажевых отходов характеризуется высокой плотностью и прочностью за счет более плотного скрепления зерен цемента, фибровых волокон и мелкого заполнителя.
Были проведены дополнительные испытания полученных образцов фибробетона на морозостойкость и водонепроницаемость. По результатам экспериментов на морозостойкость с помощью прибора «Бетон-фрост» оптимальный состав фибробетона показал 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания. При этом марка фибробетона по водонепроницаемости, определенная прибором «АГАМА-2Р», составила
Таким образом, в процессе проведенных научных исследований установлено, что введение суперпластифицирующей добавки в сочетании с
сажевыми отходами способствует улучшению физико-механических свойств фибробетона, а также увеличению эксплуатационных характеристик нефтегазовых морских сооружений за счет повышения параметров морозостойкости и водонепроницаемости материалов конструкций.
Литература
1. Маилян, Л.Р., Налимова, А.В., Маилян, А.Л., Айвазян, Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированный распределением фибр и его конструктивные свойства // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714
2. Маилян, Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1760
3. Маилян, Л.Р., Маилян, А.Л., Макарычев, К.В. Конструктивные пено-и фибропенобетоны на воде с пониженной температурой затворения // Инженерный вестник Дона, 2012, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/736
4. Working with steel fiber reinforced concrete // Concrete Construction. -1985. -Vol. 30. - pp. 5 -10.
5. Bentur А, Mindess S. Fiber reinforced cementitious composites. Elsevier Applied Sience. London & New York, 1990. pp. 348—351.
6. Антропова Е.А., Дробышевский Б.А., Бялик Б.Ф., Мазур В.Н. Способ приготовления модифицированной сталефибробетонной смеси и модифицированная сталефибробетонная смесь // Патент на изобретение № 2214986, опубл. 27.10.2003 г.
7. Вахмистров А.И., Морозов В.И., Пухаренко Ю.В., Дмитриев А.Н., Магдеев У.Х. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для
строительства. // Промышленное и гражданское строительство, 2007. - № 10. -с.43-44.
8. Перфилов В.А. Мелкозернистые фибробетоны. Монография. Министерство образования и науки Российской Федерации. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. Волгоград: ВолгГАСУ, 2015. 126 с.
9. Перфилов В.А., Митяев С.П. Расчет фибробетона с нанодобавкой // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612195, от 29.4.2009 г.
10. Перфилов В.А., Зубова М.О. Влияние суперпластификаторов на свойства фибробетонов / Интернет-Вестник ВолгГАСУ. Серия: Политематичекая - 2015. № 1 (37). С.11.
References
1. Mailyan, L.R., Nalimova, A.V., Mailyan, A.L., Ajvazyan, E\S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714
2. Mailyan, L.R., Mailyan A.L., Ajvazyan E\S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1760
3. Mailyan, L.R., Mailyan, A.L., Makary'chev, K.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/736
4. Working with steel fiber reinforced concrete. Concrete Construction, 1985, Vol. 30. pp. 5 -10.
5. Bentur A., Mindess S. Elsevier Applied Sience. London & New York, 1990. pp. 348—351.
6. Antropova E.A., Drobyshevskij B.A., Byalik B.F., Mazur V.N. Sposob prigotovleniya modificirovannoj stalefibrobetonnoj smesi i modificirovannaya stalefibrobetonnaya smes' [Method of preparation of modified steel-fiber concrete
mixture and modified steel-fiber concrete mixture]. Patent na izobretenie № 2214986, opubl. 27.10.2003 g.
7. Vaxmistrov A.I., Morozov V.I., Puxarenko Yu.V., Dmitriev A.N., Magdeev U.X. Promy'shlennoe i grazhdanskoe stroitefstvo, 2007, № 10. pp. 4344.
8. Perfilov V.A. Melkozernisty'e fibrobetony' [Fine-Grained fiber concrete]. Monografiya. Ministerstvo obrazovaniya i nauki Rossijskoj Federacii. Volgogradskij gosudarstvenny'j arxitekturno-stroitel'ny'j universitet. Volgograd: VolgGASU, 2015. 126 p.
9. Perfilov V.A., Mityaev S.P. Raschet fibrobetona s nanodobavkoj [Calculation of fiber concrete with nano-additive]. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy' dlya E'VM № 2009612195, ot 29.4.2009 g.
10. Perfilov V.A., Zubova M.O. Internet-Vestnik VolgGASU. Seriya: Politematichekaya, 2015. № 1 (37). p.11.
