CC BY
27
УДК 691.535 Б.А. Усов, кандидат технических наук, доцент, кафедры ПГС Московского государственного машиностроительного университета (ФГБОУ ВО «Университет машиностроения»),
e-mail: [email protected] С.Ю. Акимов, старший преподаватель кафедры ПГС Московского государственного машиностроительного университета (ФГБОУ ВО «(Университет машиностроения»),
e-mail: [email protected]
МИНИ-ЗАВОДЫ - ВАЖНЕЙШИЙ ФАКТОР ВОЗВЕДЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНЫХ МОНОЛИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В данной статье проанализированы проблемы и сложности ведения монолитных работ, которые являются приоритетными в современном строительстве. Немаловажной проблемой является качество возводимых монолитных конструкций, которое прежде всего зависит от подбора состава бетонной смеси, сроков схватывания и режима электрообогрева. Решение данной проблемы - это созданифе непрерывного технологического процесса, который можно осуществить за счет возведения небольших бетоносмеситель-ных заводов в непосредственной близости от строительства зданий и сооружений.
Ключевые слова: Бетонная смесь, монолитное строительство, технологический процесс, суперпластификаторы, электрообогрев, уплотнение смеси.
This article analyzes the problems and difficulties of doing solid work that are priorities in modern construction. An important problem is the quality of being built monolithic structures, which depends primarily on the selection of the composition of the concrete mix, setting deadlines and electric heating mode. The solution to this problem - is the creation of a continuous process, which can be achieved by the construction of small concrete mixing plants in the immediate vicinity of the construction of buildings and structures.
Keywords: concrete mix, brick construction, manufacturing process, superplasticizers, electric heating, sealing the mixture.
Стремительная капитализация территории России и ускоренный рост экономики требует одновременного строительства новых (или реконструкции, перепрофилизации существующих) основных фондов крупных промышленных предприятий и об-
ширного жилищного строительства для размещения производительных сил, а также возведения - инженерных и транспортных коммуникаций.
Поэтому сегодня капиталовложения приоритетно направляются непосредственно на расширение
индустриализации монолитного многоэтажного строительства, где их эффективное использование возможно исключительно при сокращении трудоёмкости, материалов и энергоёмкости всех строительных процессов, да ещё и при экономически обоснованный сроках ввода эксплуатацию сооружения.
Учитывая зарубежный опыт такого строительства и прежде всего их сравнительно небольшие объёмы застройки, а также локальность «точеч-ность» их расположения, возможно отчасти приветствовать такое решение. Однако огромные территории развитых или развиваемых районов России и её суровые климатические условия требуют тщательной проработки всего технологического комплекса и прежде всего - создания «равновесных» условий для выполнения всех переделов: объёмов укладываемого железобетона, единовременного потребного количества приготавливаемой бетонной смеси, транспортирования её, порционной укладки в опалубку и осуществления режима прогрева. Все они должны быть последовательно непрерывны, идентичны и главное технически контролируемы на протяжении всего технологического цикла.
Более того в динамике монолитного строительства чрезвычайно важен симбиоз уровня роста индустриализации возведения сооружения с уровнем качества возводимых конструкций под дальнейшую отделку,
конкурентно-соизмеримым с изделиями повышенной заводской.
Сегодня для удовлетворения потребностей монолитного строительства уже характерно появление новых добровольных содружеств -производителей бетона, объединяющих добывающий сектор (рудники, карьеры, перерабатывающие заводы и комбинаты строительных деталей и материалов с производством бетонных смесей, железобетонных изделий и конструкций, сухих строительных смесей различного назначения, тепло-изоляционных и звукоизоляционных материалов) и даже научно-исследовательские учреждения. Но это главным образом всё постоянно размещённые со складами сырья, материаллоёмкие предприятия. А строительные объекты, как правило, чередуются и всегда равноудалены от мест расположения таких предприятий. И это обстоятельство требует тесной совместной работы, производителей работ на строительстве и технологов лабораторий на бетоносмеси-тельных заводах. Что традиционно в силу различных программ обучения и ведомственной ориентации у нас даже сегодня - в рыночных условиях происходит не «гладко». Здесь уместно уточнить, что бетоносмесительный завод-это промышленный комплекс с питающим, накопительным (с элементами нагрева), дозирующим, смесительным и раздаточным (тележки,
конвейеры, бетононасосы) оборудованием. Бетоносмесительные установки (на транспортной платформе), как правило, не имеют дозирующего оборудования, за исключением дозатора для воды и добавок.
Анализ литературных данных последнего времени показал, что перенос малоскоростных (монтажа, демонтажа опалубки, её смазки и армирования) и «мокрых» процессов в условия строительства с затратами на: дополнительную энергию для ускорения твердения бетонов, подготовку, подсушку отделываемых поверхностей, социальные услуги, оплату труда, а также дефицита на эффективные теплоизоляционные материалы привел к возрастанию стоимости затрат до 80% от общей стоимости материальных ресурсов, потребляемых в строительстве, вместо 25-45% при возведении домов полной или частично заводской готовности, а главное к задержке сдачи строительных объектов в эксплуатацию и тем - к не эффективному обороту капитальных вложений, а при сопутствии инфляции - к значительному дефициту бюджета. Стоимость построенных при таких условиях объектов остается высокой, что подтверждается ежегодно растущими (на 30-40%) ценами на жильё.
Обследование монолитных перекрытий, фундаментов производственных зданий, выявило харак-
терные дефекты в виде: нарушений геометрических размеров монолитных конструкций; плохого качества поверхности из-за неудовлетворительной жесткости опалубки в сочетании с неоднородностью и расслоением бетонной смеси при укладке (особенно в монолитных колоннах перекрытий); смещений арматурных стержней(в плане и по вертикали); наличия пустот под стержнями арматурных каркасов и даже отсутствия сцепления арматуры с бетоном на отдельных участках; огромного разброса прочности бетона (достигающего 45%) по монолиту конструкции здания и отслоений верхнего слоя бетона у монолитных железобетонных фундаментов в результате преждевременного замораживания.
Главное эксплуатационное требование к монолитным конструкциям -однородность, долговечность, обеспечиваемые надлежащим выбором бетона с необходимыми прочностными и упругодеформативными характеристиками. Уже разработаны специальные нормативные требования к подвижности литых бетонных смесей на основе сильных суперпластификаторов и гиперпластификаторов. Определены технологические параметры длительности их перевозки, электрообогрева и др. При положительной температуре без затрат на обогрев их применение вполне удовлетворительное.
Однако на значительной части территории России климат суровый с переходом температуры через 0оС в течение полугода. Поэтому огромное внимание технологов уделяется криологии зимнего бетона, формированию его структуры и деформа-тивности при температурах, близких к 0оС. В молекулярной физике вода - система молекул, находящихся в зависимости от температуры в колебательном, трансляционном и вращательном движениях. С понижением температуры уменьшается внутренняя энергия, замедляется самодиффузия молекул и увеличивается вероятность возникновения центров кристаллизации в виде ажурной структуры льда. При замерзании объём воды увеличивается примерно на 9%. Плотность льда у чистой воды равна 0,917, а у минерализованной - выше. Образующиеся тончайшие ледяные прослойки на крупном заполнителе и арматуре нарушают их контакт с цементным раствором. Многократное замораживание и оттаивание физических объемов бетона (поздней осенью и ранней весной) способствует также их многократному расширению и усадке, приводя к нарушению сцепления между составляющими материалами и тем к потере прочности бетона. Однако нарушения поверхностной и внутренней структуры бетона не одинаковы. При низкой температуре
образуется больше мелких кристаллов льда и, как следствие этого, после оттаивания наблюдается множество мелких пор. При быстром замораживании вода, не успевая мигрировать к фронту охлаждения, образует крупные иглы и линзы льда, превращающиеся после оттаивания в крупные капилляры поры внутри бетона.
Однако при формировании прочной кристаллизационной структуры до замораживания цементный камень приобретает способность сопротивляться возникающему давлению при расширении льда.
Исследованиям физических изменений макроструктуры твердеющего бетона (точнее реально уложенных объёмов) от температурных воздействий, посвящено значительно меньше работ, чем исследованиям микроструктуры цементного камня. Сегодня настойчиво предлагаемая крупными производителями химических добавок замена не дорогих неорганических солей дорогими органическими суперпластификаторами, в том числе в виде различных комплексов, не гарантирует полноценной сохранности свойств бетон- ной смеси во время её доставки и надлежащего темпа твердения после укладки в условиях пониженных температур и рассчитана на немедленный и менее эффективный дорогостоящий (не менее 2-х суток) электрообогрев бетона через греющий провод, рас-
полагаемый на арматурном каркасе и способствующий локальному перегреву и даже вспучиванию пластичного цементного теста.
Кафедрой строительных материалов и изделий МГОУ было проведено исследование температурной области твердения бетона марки 400 с добавкой суперпластификатора С-3 + формиата натрия, уложенного в монолитное перекрытие 20-этажного жилого дома и подвергнутого электрообогреву греющим проводом. Бетонные смеси с осадкой конуса 12-15 см, доставлялись автобетоновозами ёмкостью по 5-8 м3 бетона при температуре наружного воздуха -5 - (-10)оС. Количество противомо-розного компонента (формиата натрия) добавки гарантировало набор начальной прочности до 30% от марочной. Смеси разгружались в промежуточные бадьи, последовательно поднимались высотным краном для укладки литой смесью опалубки перекрытия. Норма бетонирования составляла около 100 м3 в сутки. После укладки объёма бетона - на «захватку» (4 м3 бетона) включался электрообогрев. Перед укладкой поверхность опалубки перекрытия прогревали тёплыми воздушными «пушками» снизу (с нижнего предыдущего этажа), а внутренние поверхности стеновой опалубки и каркас сквозящей струёй тёплого воздуха при температуре 5-10оС. Однако арматурные каркасы
перекрытия практически не нагревались. При бетонировании его наблюдалось «зависание комков» бетона на каркасе арматуры (из-за примерзания пластичной бетонной смеси) и каркас вибрировали гибкими глубинными вибраторами. Т.е. виброэффект в смеси достигался через каркас в приграничной зоне арматуры лишь с целью отрыва прилипаемой (примерзающей) смеси. Температура смеси в указанных условиях быстро понижалась ниже 0оС и электробо-грев осуществляли одновременно с укладкой бетона.
Анализ состояния бетонной смеси и условий её сохранения до укладки показал, что после непрерывного перемешивания в течение продолжительной перевозки, достигавшей из-за транспортных пробок 1,5-2час., и промежуточной технологической перегрузки в бадьи, то есть - ещё с дополнительным выдерживанием бетона в течение 1-1,5 часа в холодной ёмкости, смесь теряла исходную температуру приготовления бетона на заводе и, вовлекая при долгом перемешивании много воздуха, значительно понижала показатель подвижности смеси, при выгрузке из бадьи, особенно при наружной отрицательной температуре ниже -10оС. Более того гидратация цемента в не уложенном бетоне достигала 3-35%, т.е. цемент использован не эффективно, поскольку малая гранулометрия
его зерен (0,14 мкм), определяющая начальную прочность бетона, вполне достаточную для снятия опалубки, упускается длительным мощным перемешиванием и детонацией миксера во время движения автотранспорта, требуя своего восполнения за счёт ускорения реакций гидратации более крупных фракций путём прогрева и тем дополнительного расхода энергии и удлинения сроков твердения, да ещё с неоднородной структурой.
Вышеприведённые причины обусловили установление фактического температурного поля в забетонированном фрагменте конструкции. Температура бетонной смеси, доставленной автобетоновозом при температуре наружного воздуха -5, -10оС, редко превышала значений +5...+7°С. На фрагменте перекрытия размером 15*12*0,25 м замеряли температуру с расположением точек замера в центре квадратов (3*3 м) на глубину бетона 120-125 мм. В результате установлено, что после перегрузки и укладки в опалубку температура в центральных квадратах составляла 3-4оС, а расположенных по контуру на пограничной плоскости 0-2оС. В центре «эксперимента» (по линии 7,5*6 м) она была чуть выше на 3оС (6-7оС). При этом сразу после заливки смеси места «обнажения» арматуры стального каркаса и поверхности опалубки покрывались наледью толщиной до 0,5 мм. Электрообогрев
осуществляли сначала при температуре изотермического прогрева 60-70оС в течение - 7 часов и в другом случае при 40-45оС в течение 48 час. Прочность после прогрева при температуре 70оС составила около 55-67% от требуемой через 28 суток. Бетон характеризовался локальными вспучиваниями и дальнейшим медленным ростом прочности, значительными трещинами по границе раздела с ранее уложенным бетоном. Поэтому условия твердения смягчили понижением температуры до 40-45оС и назначением длительности прогрева до 48 час., не превышая проектного расхода энергии, т.е. использовали те же градусо-часы. Это снижение температуры обусловлено ещё и влиянием суперпластификатора, который способствуя интенсивному переходу потенциальной энергии цементного зерна в поверхностную, сохраняет цементное тесто долгое время пластичным, увеличивая этим продолжительность индукционного периода до формирования твердеющей структуры цементного камня. Кроме того, необходимость подачи тепла в «бетон» фактически сразу после укладки нарушает классическую технологию соблюдения стадий режима, принятого при тепловой обработке бетона, на заводах сборного железобетона. Практика понижения температуры до 40оС оправдала себя в летний период, когда
понизив распалубочную прочность до 50-55 % она на следующие сутки, благодаря интенсивного роста прочности «зреющего» бетона повышалась ещё на 10-15%.
В зимний период прочность бетона после 48 час. прогрева не превышала 37-43%, а через 28 сут. составляла около 80-85%, поднявшись ближе к требуемой в 3-4х месячном возрасте. Таким образом бетонирование конструкций из литых смесей зимой требует, помимо необходимой подготовки к монтажу и предварительного прогрева опалубки, ещё достаточно быстрой их укладки и условий спокойного предварительного выдерживания при обычной температуре для завершения индукционного периода гидратации портландцемента и мягкого, но вполне затратного по расходу электроэнергии режима.
Итак, при бетонировании монолитных железобетонных конструкций из обычного бетона возможно образование следующих дефектов: расслоение бетонной смеси при длительном транспортировании, рассла-иваемость смеси от сбрасывания с большой высоты и большими порциями, смещение арматурных стержней и потеря сцепления арматуры с бетоном в результате недостаточной жесткости и дефектов монтажа опалубки, невозможности непрерывной укладки бетонной смеси и зависание бетона на арматурных стержнях, об-
разование пустот под стержнями арматуры при уплотнении, влияния наружной температуры на снижение роста прочности бетона, невозможность контроля прочности бетона при укладке, недостаточная связь между объемами бетона, уложенного в разное время.
Другой проблемой, решаемой сегодня достаточно «кустарно» является устройство монолитных ограждающих стеновых конструкций, выполняемое в ряде случаев из мелкоштучных блоков пенобетона, укрепляемых растворами при мокрых процессах. А монолитный внутренний железобетонный каркас - несущая основа высокоэтажной конструкции с позиции конструкционного материаловедения требует и монолитной «одежды» - ограждения без дефектов (растворной сшивки).
Решение этой проблемы возможно за счёт создания непрерывного технологического процесса от переделов приготовления и завершая созданием условий для оптимального сцепления старого и нового бетонов,
как
в обычном, так и в ячеистом бетоне.
Ведь уже через 3мин. после за-творения цемента водой реагирует до 20% его минералов и очень важно, чтобы продукты гидратации были уложенными в конструкцию как можно раньше после этого контакта.
Возможно это, если небольшие бетоносмесительные заводы будут
расположены рядом со строительством, как это всегда делалось при строительстве плотин наших гидростанций, крупных промышленных районов с необходимой инфраструктурой. Или ещё интересней опыт возведения в Москве храма Христа Спасителя, когда бетон готовили и подвозили по установленному графику пять заводов ЖБИ. Наконец в Москве зарубежный Болгарстрой при застройке микрорайона Жулебино всегда приготавливал смеси на месте, используя, когда необходимо и полуфабрикаты-сухие смеси. Ещё более простой способ известен авторам из наглядного примера, увиденного в Финляндии, когда на заводе ЖБИ загружают просто сухими от-дозироваными компонентами бетонной смеси миксер автобетоновоза и отдельную специально на нём смонтированную ёмкость заполняют от-дозированным водным раствором добавки в бетон, который одновременно является и водой затворения в бетонную смесь. Осуществляет окон-
чательное перемешивание путём автоматического введения водного раствора в смесь водитель по команде диспетчера строительства при непосредственном подъезде автобетоносмесителя к строительному объекту.
Однако, более тонкой технологией является приготовление пенобетон-ной смеси и её подача по бетоноводу непосредственно в опалубку. Основной задачей здесь является выбор пенообразующих добавок с надёжными стабилизаторами поровой оболочки. Наиболее устойчивыми зарекомендовали себя стабилизаторы иностранного производства. Некоторые технологические схемы и оптимальные варианты смесителей приведены на рисунке.
Выводы:
1. Для повышения эффективности использования потенциальных свойств цемента необходимо изменить практику долгих перевозок готовых смесей к объекту строительства. Необходимо организовать (перемешивание) смесей за 5-10 мин.
до подъезда автобетоносмесителя
к строительному объекту, так как это делается за рубежом.
2. Организация производства пенобетона на месте строительства по-
может решить не только проблему эффективной теплоизоляции, но и строить сооружения с большим сроком долговечности и архитектурной выразительности за счёт цветных пигментов.
3. В практике подготовки арматурных каркасов перед укладкой бетона в зимний период обязательным условием должен быть прогрев (даже за счёт токов Фуко).
4. Производителям бетоносмеси-тельного оборудования необходимо настойчивее наполнять рынок мини-заводами на передвижной платфор-
ме, оборудованными складывающимися бетоноводами.
Список литературы:
1. Крылов Б. А. Методы производства бетонных работ с применением прогрева и обогрева конструкций. Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. - Стройиздат, М., - 1978.
2. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. - Стройиздат, М., 1975.
3. Усов Б.А., Окольникова Г.Э., Акимов С.Ю. Экология и производство строительных материалов. - Ж, Системные технологии. - №4. - 2015.
УДК 624.012.4:620.179:005.584.1 Д.Ю. Снежков, к.т.н, доцент,
С.Н. Леонович, д.т.н, профессор (БНТУ)
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
Назначением автоматизированных информационно-измерительных систем мониторинга деформационного состояния несущих конструкций здания является снижение риска аварийных ситуаций на основе ранней диагностики изменений напряженно-деформированного состояния конструкций и локализации мест такого изменения. В статье рассматривается система основанная на регистрации изменений углов наклона элементов каркаса здания датчиками — инклинометрами. Для определения характера деформации каркаса предлагается использовать показатели корреляции угловых перемещений его элементов.
Ключевые слова: автоматизация, конструкции, угловые перемещения.
The purpose of the automated information and measuring the state of deformation monitoring system load-bearing structures of the building is to reduce the risk of accidents on the basis of early diagnosis of stress-strain state of structures and localization of such
