CC BY
75Проектирование, строительство и реконструкция объектов военного назначения
УДК 355.7:691.328.43
Бирюков А.Н., Дудурич Б.Б., Бирюков Ю.А.
Biryukov A.N., Dudurich B.B., Biryukov Y.A.
Новые быстротвердеющие цементные составы для проведения текущего, капитального ремонтов и ликвидации чрезвычайных ситуаций на объектах Министерства обороны Российской Федерации New fast-hardening cement compounds for current and capital repairs and emergency situations liquidation at Ministry of Defense of the Russian Federation objects
Аннотация:
В статье представлены способы получения новых цементных ремонтных и самоуплотняющихся составов пригодных для применения на различных объектах Министерства обороны Российской Федерации. При разработке таких композиций применялись компоненты только российского производства, что является большим шагом к импортозамещению в строительной отрасли. Приведены их основные физико-технологические показатели. Раскрыта актуальность и целесообразность внедрения таких составов в строительное производство.
Abstract:
The article deals with new ways of obtaining repair cement and self-condensed compounds suitable for application on various objects of the Ministry of Defense of the Russian Federation. When developing such compounds only domestically produced components were applied that is an important step towards import substitution in the construction sector. Their main physical and technological indicators are given. Relevance and expediency of introduction of such compounds in building industry are shown.
Ключевые слова: наномодификация, суперпластификаторы, химические добавки, базальтовая микрофибра, специальные фортификационные сооружения (СФС), текущий ремонт, капитальный ремонт, строительный раствор, быстротвердеющие составы.
Keywords: nanomodification, supersofteners, chemical additives, basalt microfiber, special fortifications, current repair, capital repairs, building mortar, fast-hardening compounds.
Политические и экономические санкции, введенные США, Евросоюзом с примкнувшими к ним странами против Российской Федерации, продолжают оказывать негативное влияние на стратегически важные сферы развития нашей страны. К таким сферам в первую очередь относятся финансы, строительство, оборонно-промышленный комплекс, высокотехнологическая сфера и т.д.
Бюджетное финансирование строительства новых объектов военной инфраструктуры, а также выделение денежных средств на реконструкцию и капитальный ремонт существующих на балансе органов военного управления более 5 тыс. постоянно действующих военных городков, напрямую зависит от уровня развития экономики и величины валового внутреннего продукта (ВВП). К сожалению, в ближайшие годы масштабное увеличение уровня расходов на вышеперечисленные цели выглядит маловероятным.
Запрет поставок оборудования, новых технологий (в том числе и двойного назначения) резко сократил доступ к современным американским и канадским ремонтным составам, а также высокотехнологичным химическим добавкам для бетонов, изготовленным в Японии и странах ЕС. Стоимость же доступных импортных составов и химических добавок значительно увеличилась за счет ослабления курса рубля.
При этом интенсивность использования существующих объектов продолжает возрастать. Помимо этого, с развитием военной отрасли увеличиваются нагрузки на железобетонные конструкции и покрытия, выполненные из тяжелого бетона. Данные обстоятельства совместно с недостаточным финансированием капитального ремонта, развитием риска возникновения техногенных катастроф, а так же ростом возможности проведения террористических актов на территории РФ могут привести к увеличению вероятности возникновения чрезвычайных происшествий на рассматриваемых объектах [1].
Примерами этого является ряд аварийных ситуаций возникших на следующих объектах:
1. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС произошла 17 августа 2009 года. Техногенная катастрофа причиной, которой стало разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, которому предшествовало образование и развитие усталостных повреждений узлов крепления, что привело к срыву крышки и затоплению машинного зала станции.
2. Крушение скорого поезда «Невский экспресс» произошло 27 ноября 2009 года. Чрезвычайное происшествие явилось результатом террористического акта.
3. Авария на АЭС «Фукусима-1» произошла 11 марта 2011 года и была вызвана землетрясением и цунами в Японии (9-11 марта 2011 года).
4. В Теучежском районе Республики Адыгея 20 мая 2010 года произошло обрушение части путепровода на автомобильной дороге М-4 "Дон", в Самарской области 20 апреля 2012 года частичное обрушение автомобильного моста на трассе Самара-Бугуруслан, в Железнодорожном районе города Красноярска 02 августа 2013 года обрушение опорной стены на автодорогу, приведшее к человеческим жертвам, в городе Березовский Кемеровской области 23 февраля 2015 года обрушение автомобильного моста через реку Шурап. Все перечисленные в четвертом пункте техногенные катастрофы произошли вследствие старения бетона и усталости металла конструкций.
Учитывая сложные условия работы цементных бетонов в конструкциях военных объектов, к ним могут предъявляться повышенные требования: высокая прочность при растяжении и сжатии,
38
повышенная динамическая прочность, плотность, водонепроницаемость, морозоустойчивость и долговечность при сопротивлении разрушающему действию климатических факторов, а также нормируемые требования по деформативности и истираемости (износоустойчивости). Кроме того, важным эксплуатационным требованием к объектам военной инфраструктуры является возможность проведения своевременного ремонта, причем, желательно, без прекращения их эксплуатации.
В этой связи актуальность создания и внедрения новых бетонов и ремонтных составов на цементном вяжущем с использованием импортозамещающих составляющих в настоящее время существенно возрастает.
Задача увеличения эффективности и качества бетона может быть решена только с применением химических добавок, так как является одним из самых легких технологических способов улучшения свойств бетона, позволяющий существенно снизить величину затрат, повысить срок службы как конструкций, так и военных объектов в целом. Разработка новых химических добавок дело весьма дорогостоящее, требующее больших временных затрат. Поэтому, как нам представляется, целесообразно идти путем усиления уже существующих химических добавок.
Впервые влияние нанокластеров на пластифицирующие и водоредуцирующие свойства пластификаторов было обнаружено к.т.н. Пономаревым А.Н. и к.х.н. Юдовичем М.Е. в 2003 году [2]. В исследованиях проводимых сотрудниками кафедры технологии, организации и экономики строительства ВИ(ИТ) ВА МТО, начатых в апреле 2008 года, было установлено, что аддукты фулероидных нанокластеров, полученные в НТЦ «Прикладные нанотехнологии», позволяют существенно повысить водоредуцирующее действие пластифицирующих добавок.
С помощью растворимой в воде углеродной наноприсадки удалось существенно повысить эффективность комплексной добавки Sika У1всоСгеа1 125Р. Данная добавка изготавливается на основе поликарбоксилатов, является суперпластификатором, а также ускорителем твердения и добавкой повышающей прочность бетона. Общеизвестно, что расход всех химических добавок следует определять в процентах от массы цемента (по сухому остатку). В одном из опытов с Б1ка У1БеоСгеа1 125Р результат оказался отрицательным. В начале эксперимента аддукты углеродных нанокластеров рассматривались, в качестве добавки и их дозирование осуществлялось, соответственно, в процентах от массы цемента. Однако, в процессе дополнительных исследований был сделан вывод, что аддукты углеродных нанокластеров - это не химическая добавка - это присадка к добавке. Значит, дозировать ее надо от расхода добавки, а не от расхода цемента.
Оказалось, что с учетом экономической и технологической точек зрения количество присадки должно составлять 2% от сухого остатка пластифицирующей добавки. Как правило, это не превышает 10 г/м бетона. Последующий многофакторный математический эксперимент с другими пластифицирующими добавками, практически подтверждённый испытаниями более 50 серий растворных образцов на цементном вяжущем, показал, что данная зависимость имеет не частный, а общий характер, распространяясь на пластификаторы различной химической природы.
39
Кардинальное усиление пластифицирующих и водоредуцирующих свойств наблюдалось во всех случаях. После добавления гомеопатической дозы присадки добавка четвертой категории приобрела свойства суперпластификатора. Обобщение данных, полученных в ходе экспериментов с разными пластифицирующими добавками, позволило сделать следующие выводы. Максимальная эффективность при увеличении пластифицирующих и водоредуцирующих свойств (до трехкратной), наблюдается при модификации наиболее слабых добавок. Несколько меньшая (примерно в полтора раза или на одну категорию) - при модификации суперпластификаторов. Минимальный, но тем не менее весьма существенный эффект наблюдается при модификации очень сильных (поликарбоксилатных) суперпластификаторов. К таким относится Sika ViscoCreat 125Р, который, как представлялось, улучшить невозможно. Суперпластификатор Sika ViscoCreat 125Р снижает расход воды на 30%, модификация наноприсадкой позволяет снизить расход воды еще на 1,5% [3]. В данном случае при водоцементном отношении 0,29 это привело к увеличению в суточном возрасте прочности на сжатие на 5 МПа, прочности на растяжение на 1 МПа.
По итогам выполненной работы был разработан способ увеличения пластифицирующей и водоредуцирующей способностей суперпластификаторов на нафталин-формальдегидной основе и получен патент на изобретение № 2432335 от 27.10.2011 г. (авторы: М.Н. Ваучский, А.Н. Иванов и Б.Б. Дудурич).
На начальном этапе основной целью проводимых исследований было создание высокопрочного сверхбыстротвердеющего растворного ремонтного состава, позволяющего производить быстрое восстановление и ввод в эксплуатацию аварийных или поврежденных конструкций объектов МО РФ.
В случае проведения запланированного ремонта или аварийно-восстановительных работ на таких объектах огромное значение имеет фактор времени. Чем быстрее будут проведены работы и чем раньше на восстановленные покрытия или конструкции можно будет дать эксплуатационную нагрузку, тем меньшими будут военные (небоевые) и экономические потери, величина которых несопоставима со стоимостью затраченных материалов.
При этом монтажные работы могут быть выполнены за несколько часов, а ждать полного набора прочности строительного раствора или бетона придется 28 суток. Существующие быстротвердеющие ремонтные составы имеют запредельную стоимость. В идеале ремонтный состав должен набирать проектную прочность менее чем за одни сутки.
Сотрудниками кафедры технологии, организации и экономики строительства ВИ(ИТ) ВА МТО были разработаны новые комплексы полифункциональных добавок, обеспечившие решение этой задачи при использовании строительного раствора на основе самого обычного, но качественного портландцемента (ЦЕМ1 В42.5) и намывного кварцево-полевошпатного песка (М/ = 2,2) в соотношении 1 : 2. В комплексы вошли ускорители твердения (хлорид и формиат кальция), модификаторы (ТНК и метакаолин), суперпластификаторы различной природы
40
российского производства, ингибитор (нитрит натрия), базальтовая микрофибра, а также модифицирующая присадка, позволяющая увеличить водоредуцирующую способность суперпластификатора.
Модификатор ТНК представляет собой принципиально новую пуццолановую модифицирующую добавку, приготовляемую на Рошальском химическом заводе путем дегидратации и тонкого помола некондиционного перлита. Она отличается от микрокремнезема высоким содержанием алюминатов кальция. В возрасте 28 суток действие этих двух модификаторов почти тождественно, но в суточном возрасте (наиболее важном для ремонтного состава) ТНК имеет почти 30% преимущество в прочности на сжатие. При этом стоимость ТНК значительно ниже, стоимости микрокремнезема.
Высокоактивный метакаолин (ВМК), получаемый очисткой и спеканием при температуре 450 - 800 0С естественных минералов содержащих каолин, имеет самое высокое содержание оксида алюминия среди других пуццолановых модифицирующих добавок. Он обладает поистине удивительной универсальностью и существенными преимуществами по сравнению с пуццолановыми модифицирующими добавками, основанными на микрокремнеземе. ВМК позволяет получать высокопрочные смеси, обладающие одновременно высокой ранней прочностью, отличной текучестью и стойкостью к расслоению.
Исследование ускорителей твердения подтвердило, что наиболее эффективной добавкой для создания быстротвердеющих цементных композиций остается хлористый кальций (СаС12). Применение хлорида кальция совместно с нитритом натрия (NaNO2) позволяет (за счет ингибиторных свойств последнего) полностью компенсировать возможные негативные последствия. Помимо ингибиторных качеств, нитрит натрия способствует твердению портландцемента при пониженных и отрицательных температурах.
Для увеличения интенсивности набора прочности, особенно в первые сутки твердения, выявлена необходимость усиления разрабатываемого комплекса кальциевой солью муравьиной кислоты (Ca(HCOO)2). Формиат кальция является эффективной добавкой для портландцемента, сухих строительных смесей и бетонов (армируемых и не армируемых), а также для полов, штукатурки и плиточного клея, в тех случаях, когда требуется быстрый набор прочности.
Пластификатор в комплексе разнофункциональных добавок должен быть не только высокоэффективным и хорошо совместимым с другими добавками, но и порошковым. Сотрудниками кафедры технологии, организации и экономики строительства ВИ(ИТ) ВА МТО было проверено большое количество суперпластификаторов российского производства. Были отобраны добавки, обладающие сильным водоредуцирующим и пластифицирующим эффектами, а стоимостью меньшей, по сравнению с другими суперпластификаторами на поликарбоксилатной основе. В дальнейшем эффективность отобранных добавок была усилена с помощью растворимой в воде углеродной модифицирующей присадки.
Для ремонтных составов большое значение имеет адгезия к подложке и когезия (внутреннее сцепление) между компонентами затвердевшего раствора. С целью усиления этих характеристик было применено дисперсное (фибровое) армирование. Известно, что величина сцепления цементного раствора с развитой поверхностью бетона примерно соответствует прочности раствора на растяжение. Наиболее эффективным способом увеличения прочности материала на растяжение является его армирование более прочным на растяжение материалом, имеющим больший модуль упругости. В качестве микрофибры используется рубленная базальтовая нить ОАО «Ивостекло», представляющая собой пучки из сотен базальтовых супертонких моноволокон, имеющих диаметр 13 мкм при длине около 3 мм. В смесителе принудительного действия эти пучки достаточно быстро расщепляются на отдельные волокна, создавая в структуре материала равномерно распределенную объемную конструкцию, армирующую его на микроуровне. При этом армируется не только строительный раствор, но и цементный камень, входящий в его структуру.
Полученные быстротвердеющие высокопрочные дисперстно-армированные ремонтные составы жизнеспособны более часа, что вполне достаточно для их использования, так как их приготовление осуществляется небольшими порциями в стандартных передвижных смесителях принудительного действия. В дальнейшем составы быстро схватываются (от начала схватывания до его окончания проходит около 30 минут) и начинают интенсивно твердеть. Через 8 часов твердения прочность одного из разработанных растворов достигает 25 МПа (четверть от прочности в возрасте 28 суток), а в суточном возрасте приближается к 70 МПа (70 % от прочности в возрасте 28 суток).
Помимо этого при добавлении в составы габбро-норитового щебня фракции 5-20, возможно получение тяжелых бетонов. При уплотнении растворной смесей могут использоваться, в зависимости от вида и назначения изготавливаемой конструкции, как обычные, для бетонных работ способы (виброрейка, виброплита или глубинные вибраторы), так и привычное для дорожных работ укатывание ручным либо автомобильным катком.
Область применения составов, при проведении ремонтных и аварийно-восстановительных работ, достаточно широка. В первую очередь, применение его в качестве связки сборных железобетонных конструкций тоннелей и путепроводов, а также для ремонта объектов СФС, покрытий транспортных развязок и взлетно-посадочных полос аэродромов, с разрушениями I и II степени (устройство защитных ковров при повреждении поверхности, ямочный ремонт, ремонт полностью разрушенных участков покрытия). Тяжелый бетон, возможно, использовать при бетонировании объемных монолитных конструкций.
На рисунке 1 приведен график прироста прочности в первые сутки, а на рисунке 2 общий график набора прочности.
Учитывая тот факт, что составы не только обладают высокими эксплуатационными и технологическими свойствами, но и способны достаточно интенсивно твердеть при отрицательных
температурах (до минус 11 оС, включительно), их эффективность при проведении ремонтных и аварийно-восстановительных работ трудно переоценить.
Стоимость полученных составов в несколько раз выше, чем у обычного строительного раствора или бетона, но значительно ниже, чем у лучших зарубежных ремонтных составов, которые существенно уступают разработанному по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам.
Прочность на растяжение при изгибе
Прочность на осевое сжатие
15
ев 12
9
Л
т с
о 6 н ч о
I* 3
0,
0
4,28
00 0,1^0,10
8,25 8,64 9,03
1,20 1,80 2,40
12 16 20
10,25
3,73
л н о о и ¡г
о &
100 80 60 40 20
I
0
63,67
69,75
15,25
1,23/1,00 3,15 8^2............*
8 12 16 20 24 Часы
Часы
0
4
0
4
8
24
Рисунок 1. Зависимость набора прочности раствора с комплексом разнофункциональных добавок усиленного модифицирующей присадкой в сравнении с контрольным составом (пунктирная
линия) в течение первых суток твердения
В дальнейшем сотрудники ВИ(ИТ) ВА МТО под руководством д. т. н. профессора М. Н. Ваучского использовали способ увеличения пластифицирующей и водоредуцирующей способностей суперпластификаторов на нафталин-формальдегидной основе, для создания новых рецептур самоуплотняющихся бетонных смесей и высокопрочных бетонов на их основе. Разработанные составы по своим эксплуатационным свойствам не хуже существующих импортных аналогов, при этом их себестоимость была существенно снижена. Составы для таких смесей весьма существенно отличаются от составов обычных бетонных смесей. Ранее, для того чтобы получить самоуплотняющуюся бетонную смесь, необходимо было использовать самые сильные импортные гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе. При этом их расход составлял, не привычные, для обычных бетонных смесей 0, 2 - 0,3 % от расхода цемента, а был предельным: т.е. 1,4 - 2,0%. У новых составов в качестве основной добавки используется модификатор МБ - 01, разработанный С.С. Каприеловым [4]. В свою очередь он усиливается специальной присадкой на основе химически
Прочность на растяжение при изгибе
л 1 Л1 -11 т 11 11 11 п
Прочность на осевое сжатие
120 100 80 60 40 20
0 15,25 1 1 1 1
0 7 14 21 28
93,55 96,69 99,83 102,96
Сутки
Рисунок 2. Зависимость набора прочности раствора с комплексом разнофункциональных добавок усиленного модифицирующей присадкой в сравнении с контрольным составом (пунктирная
линия) в течение первого месяца твердения
преобразованных углеродных частиц. В качестве крупного заполнителя используется полифракционная смесь габро-диабазового щебня, имеющего сверхнормативную прочность. Морской песок, используемый в качестве мелкого заполнителя и наполнителя (там достаточно много пылевидных частиц) обогащается фракциями 2,5 - 5,0 мм и 1,25 - 2,5 мм [5]. Полученный высокопрочный бетон предпочтительно применять не только в промышленном и жилищном строительстве, но и при строительстве объектов МО РФ, где могут раскрыться все его уникальные свойства.
Фактическим образом необходимость создания и внедрения быстротвердеющих ремонтных составов и самоуплотняющихся бетонов российского производства с импортозамещающими составляющими для нужд Министерства обороны Российской Федерации и других силовых ведомств, не только актуальна, но и экономически обоснована. При этом применение рассмотренных цементных составов позволит как сократить сроки строительства новых или ремонта эксплуатируемых объектов, так и повысить обороноспособность государства в целом.
Список литературы:
1. Бирюков А.Н., Бирюков Ю.А. Определение технического состояния зданий в зонах вооруженных конфликтов/ Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды XIX Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (4-7 апреля 2016 г.) /Проблемы
организации материально-технического обеспечения военной безопасности //Издание ФГБУ «Российская академия ракетных и артиллерийских наук», т. 7, ч. 3. - М., 2016. - С. 35-48.
2. Юдович М.Е., Пономарев А.Н. Наномодификация пластификаторов, регулирование их свойств и прочностных характеристик литых бетонов // Стройпрофиль, № 6 (60), 2007. - С. 49-51.
3. Ваучский М.Н., Дудурич Б.Б. Нанотехнологии в пластификации бетонных смесей // Мир строительства и недвижимости, № 30, 2009. - С. 38-39.
4. ТУ 5743-049-02495332- 96. Модификатор бетона марки МБ-01. Технические условия.
5. Ваучский М.Н., Иванов А.Н. Наномир: высокие технологии XXI века. Строительная газета. № 1 (10012). 1 января 2009.- С. 12.
УДК 725.181:623.1:725.8.052:624.044:531.3
Пеклов П.Н., Тищенко В.А.
Peklov P.N., Tishchenko V.A.
Исследование напряженно-деформированного состояния пластинчатых полотен защитных устройств входов в фортификационные сооружения при динамических
воздействиях
Investigation of stress-strain state of flat lines protection organization entrance fortification
building in dynamics influence
Аннотация:
В статье кратко рассмотрены конструкции полотен пластинчатых элементов защитных устройств входов фортификационных сооружений, порядок их расчета на динамическое воздействие методом конечных элементов, а так же представлены основные разрешающие уравнения метода квадратичного ускорения разработанного для численного интегрирования уравнения движения представленной конструктивно нелинейной системы.
Abstract:
The article concisely considers the construction of the plate-like cloths of the protective devices of the entrances to fortifications, procedure of their calculation for the dynamic effect by the finite element method, as well as the main solving equations for the method of quadratic acceleration developed for numerical integration of the equation of motion for the presented structurally nonlinear system.
