CC BY
195
УДК 629.12.011.25.002
Д. А. Пичугин
Астраханский научно-исследовательский и проектный институт газа
О РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИИ СЕРОБЕТОННОГО СУДОСТРОЕНИЯ
Введение
Железобетон является оптимальным материалом для корпусных конструкций некоторых плавсредств, необходимых в народном хозяйстве [1]. Известно также, что технология постройки железобетонных судов за последние 40 лет практически не изменилась и состоит в основном из ручных работ. Неоднократно предпринимались попытки механизировать отдельные операции технологического процесса, но их результаты незначительны. Стоимость постройки железобетонных судов в этих условиях высока по сравнению со стоимостью постройки металлических, что, несмотря на большую потребность в железобетонных плавсредствах в народном хозяйстве, не делает этот вид судостроения перспективным.
Одно из направлений развития судостроения - это применение новых материалов, а именно серобетона, тем более что в последнее время во всем мире наметилось превышение производства серы над её потреблением. В настоящее время резко увеличилось число публикаций и научно-исследовательских работ в области применения серы в промышленности [2]. В связи с этим растет интерес к использованию серобетона для постройки гидротехнических и других сооружений. Серобетон - искусственный композиционный материал, состоящий из инертных заполнителей, выполняющих роль каркаса, и сероцемента, который служит связующим всей композиции. В качестве инертных заполнителей серобетона используют плотные горные породы, искусственные и природные пористые материалы, возможно также использование отсевов дробления горных и осадочных пород, что в бетонах на портландцементе невозможно. Сероце-мент - минеральное термопластическое вяжущее, получаемое из модифицированной серы. По стоимости серобетон в 1,5-2 раза дешевле бетона на портландцементе.
Нами был проведен ряд сравнительных испытаний серобетона и судостроительного бетона на портландцементе марки М-400. Результаты испытаний показали, что серобетон по своим физико-механическим свойствам не уступает бетону марки М-400, а по некоторым показателям (водонепроницаемость, водопоглощение, морозостойкость, коррозионная стойкость) даже превосходит его (табл.).
Сравнительные показатели физико-механических свойств бетонов
Показатель Метод испытаний Бетон на портландцементе М-400 на плотных заполнителях Серный бетон
на плотных заполнителях на пористых заполнителях
Средняя плотность, кг/м3 ГОСТ 12730.1-78 2200-2400 2300-2600 1600-2000
Прочность при сжатии, МПа ГОСТ 10180-90 30-50 40-90 30-50
Прочность при изгибе, МПа ГОСТ 26633-78 8-10 10-12 7-8
Модуль упругости при сжатии, МПа ГОСТ 24452-80 (2,4-2,8)104 (3,5—4,1)104 (2-2,5)104
Коэффициент линейного расширения КЛРТ, °С-1 ГОСТ 24544-81 (10-12)10-6 (11-13)10-6 (7-9)10-6
Линейная усадка, % ГОСТ 24544-81 0,02 0,02 -
Водопоглощение, % ГОСТ 12730.3-78 1,0—3,5 0,9—1,5 0,7—1,1
Водонепроницаемость, ати ГОСТ 12730.5-84 0 7 8 20-40 10-20
Морозостойкость, циклы ГОСТ 10060.4-95 100-200 300-800 50-150
Термостойкость, °С - 90 80 80
Истираемость, г/см2 ГОСТ 13087-81 0,35-0,40 0,4-0,45 0,3-0,35
Изготовление и формовка изделий из серобетона осуществляются по горячей технологии при температуре 130-150 °С. При нагреве расплав сероцемента выполняет роль жидкой составляющей, а инертный заполнитель, введённый в состав в горячем состоянии, в процессе остывания является структурообразующей основой, на развитой поверхности которой происходит кристаллизация серы.
Серные бетоны на основе модифицированной серы обладают рядом положительных свойств по сравнению с другими видами бетонов - это быстрый набор прочности, связанный лишь со временем остывания смесей, возможность вторичной переработки отходов производства, высокая водонепроницаемость, морозостойкость, химическая стойкость.
Свойства серобетона можно целенаправленно изменять в широких пределах в зависимости от его состава, технологии изготовления, свойств составляющих, модифицирующих добавок и других технологических факторов.
На основании результатов испытаний нами сделан вывод, что принципиальная конструкция судов из серобетона будет сходна с конструкцией судов из железобетона. Осталось выяснить, какая технология является целесообразной для судов из серобетона.
Переход к сборному железобетонному судостроению в середине 50-х гг. был в определенной степени рациональным решением. Технология постройки судов из плоских секций прежде всего ликвидировала сезонность работ на верфях железобетонного судостроения, которые в то время не имели цехов, уменьшила стапельный период. Она стала усиленно внедряться по аналогии с передовым секционным способом формирования металлических судов. Это считалось прогрессом по сравнению с использованием монолитного способа.
В настоящее время есть еще специалисты по железобетонному судостроению, которые считают, что технология постройки железобетонных судов из плоских секций оптимальна и что следует только механизировать трудоемкие технологические операции. Однако, совершенствуя технологию постройки железобетонных судов, нельзя рассчитывать на значительные результаты. Необходима новая, отличная от старой, технология, дающая высокую эффективность.
Действующая методика определения технического уровня производства по постройке железобетонных судов предполагает единственно возможный способ их создания - из плоских секций, который считается оптимальным. Она не нацеливает на разработку иных способов, другой технологии. Технологический же прогресс предполагает неуклонное повышение производительности труда, снижение трудовых и материальных затрат на выпуск продукции с одновременным повышением ее качества на основе применения новейших достижений науки и техники.
Определенное копирование технологии постройки железобетонных судов сборным методом, с учетом особенностей свойств серобетона, сопровождается снижением трудоемкости и сокращением цикла стапельной постройки судов по сравнению с монолитным методом, благодаря перенесению максимально возможного объема работ на заготовительные участки верфи. Кроме того, при сборном методе значительно сокращается общая трудоемкость корпусных работ, т. к. появляется возможность применять прогрессивные методы технологии, используемые при постройке железобетонных судов, внедрять средства механизации и автоматизации производственных процессов при резком уменьшении объема вспомогательных работ и расхода материалов.
Как было сказано выше, при сборном методе судно формируется на стапеле из секций и блоков. При изготовлении железобетонных секций на верфях применяют два основных способа: агрегатно-поточный и стендовый. Для изготовления серобетонных секций целесообразнее применять агрегатно-поточный метод, поскольку этот метод предоставляет больше возможностей по его механизации и автоматизации. К его преимуществам можно отнести то обстоятельство, что все технологические операции компонуются в прямоточную технологическую линию для поточно-позиционной организации производства, расположенную в одном пролете цеха.
Очевидным и основным направлением сокращения трудоемкости в железобетонном и серожелезобетонном судостроении следует считать снижение протяженности монтажных стыков при сборке корпуса на стапеле, уменьшение количества или полное исключение арматурных выпусков в оставшихся стыках. Увеличивать для этого габариты плоских секций нецелесообразно, т. к. большого выигрыша это не даст. При некотором снижении трудоемкости за счет уменьшения в этом случае протяженности стыков все ручные операции сохраняются. Дальнейший рост габаритов секций потребует больших капитальных затрат, поскольку изготавливаемые в настоящее время секции уже соответствуют максимально возможным по размерам цеховых пролетов и расстоянию между опорными колоннами, а также грузоподъемности кранового оборудования. Кроме того, габариты секций, применяемых в настоящее время, следует считать максимальными по материалоемкости оснастки и условиям транспортировки как самих секций, так и оснастки.
Технология изготовления объемных блоков из плоских секций тоже не решает проблему -при этом не снижается протяженность монтажных стыков.
Серобетонное судостроение по своей технологической сути находится между железобетонным судостроением и строительными отраслями, поэтому для поиска оптимальных технологических решений следует изучать достижения в промышленном и гражданском строительстве и гидротехнике. В последние годы развитие технической базы монолитного способа постройки создало такие условия, при которых соотношение между производством сборных и монолитных конструкций начало изменяться в сторону увеличения роли последних. По прогнозам, такая тенденция сохранится и в дальнейшем. Это объясняется тем, что в некоторых видах строительства уровень сборности приблизился к предельному значению и дальнейшее повышение его становится экономически и технически нецелесообразным.
В настоящее время технический уровень изготовления монолитных конструкций стал настолько высок, что не уступает сборному методу, а по ряду показателей даже превосходит его. Следует учитывать и то обстоятельство, что дальнейший рост доли сборных конструкций потребует значительно больших капитальных вложений, т. к. себестоимость 1 м3 сборных конструкций уже в 1,5-2 раза выше себестоимости монолитных. Кроме того, для возведения предприятий по строительству монолитных судов требуется на 35-40 % меньше капитальных вложений, чем для строительства предприятий, строящих сборные суда.
При анализе технологии постройки железобетонных судов монолитным методом нами сделан вывод, что использование этого метода для постройки судов из серобетона вызовет определенные технические трудности, а именно:
— при отрицательных температурах в процессе бетонирования больших площадей корпуса на стапеле необходимо обеспечить равномерное остывание серобетонных конструкций для вибрирования и уплотнения серобетонной смеси. В закрытом помещении это осуществляется подогревом формы до определенной температуры, но греть конструкцию на стапеле неэкономично;
— поскольку монолитное бетонирование больших площадей и объемов производится в несколько приемов, то необходим подогрев кромок стыкуемых поверхностей по всей толщине серобетона, доступ к которым усложнен из-за опалубки, особенно при омоноличивании вертикальных конструкций;
— при изготовлении вертикальных конструкций, закрытых с двух сторон опалубкой, контроль качества укладки и степени уплотнения серобетонной смеси очень сложен, в связи с чем возникает опасность расслоения серобетонной смеси при сбрасывании ее с высоты более 1-1,5 м;
— кроме того, при бетонировании конструкций из нагретого серобетона выделяются серные соединения, количество которых пропорционально площади испарения, что повышает требования к технике безопасности и экологической безопасности.
Таким образом, изготовление корпусов судов монолитным методом желательно использовать при постройке небольших судов, имеющих относительно небольшие площади и объемы бетонирования. Таким требованиям удовлетворяют суда длиной до 10-15 м.
Поскольку постройка железобетонных судов на современном этапе осуществляется в основном в специализированных цехах предприятия, это значит, что эффект от внедрения монолитного способа может быть достигнут при сочетании со сборным методом. Речь идет о рациональном, экономически эффективном сочетании обоих методов. Направлениями решения данной задачи могут быть: проработка возможности постройки сборно-монолитным методом, переход при сборном методе постройки от плоских секций на формирование корпусов из объемных литых блоков, исключение из процесса соединения сборных элементов операции арматурных связей в монтажных стыках.
В качестве аналога процессов изготовления объемных блоков из железобетона была изучена технология объемно-блочного домостроения, освоенная на строительных предприятиях. Внедренные технологические процессы изготовления объемных блоков способами «колпак» и «лежащий стакан» предусматривают формирование объемных блоков в специальных формовочных машинах. Каждый готовый блок состоит из пяти стенок толщиной 80-100 мм: арматурный каркас представляет собой стальную проволочную сетку с диаметром проволоки 4 мм и шагом 100 мм.
Изучение этих аналогов, их всесторонний анализ способствовали разработке технологии постройки железобетонных судов из объемных блоков, соединенных с помощью клеевого состава с обжатием арматурными связями. При использовании этой технологии в процессе постройки железобетонных судов возникал вопрос о прочности и долговечности клеевого стыка, его водонепроницаемости, морозостойкости и стойкости в агрессивных средах.
Метод формования объемных блоков из железобетона, используемый на строительных предприятиях, не удовлетворял требованиям точности, т. к. он не предусматривал склеивание блоков между собой, а также использование устройств для прохождения напряженных арматурных канатов.
На Свирской судостроительной верфи имеется положительный опыт постройки понтонов вышеизложенным методом. При этом трудоемкость по сравнению с обычным секционным способом снизилась на 30-40 %. Установлено, что практически все технологические операции могут быть механизированы, а некоторые из них автоматизированы. При использовании этого метода достигается высокая степень унификации сборных элементов [3].
Основная сложность этого метода - подобрать состав клея для соединения блоков, соответствующего требованиям долговечности, морозостойкости и водонепроницаемости, а также позволяющего механизировать процесс его нанесения на склеиваемые поверхности.
При применении этого метода при строительстве судов из серобетона проблема с подбором клеящего состава решена, поскольку в качестве клея можно применять сам серобетон -изготовленные блоки предлагается обжимать арматурой, предварительно разогрев кромки секций до температуры плавления серобетона. Такая технология позволяет избавиться от сварочных и арматурных работ при стыковании секций. Исследования свойств серобетона при стыковании вышеизложенным способом показали, что качество стыка по своим физическим показателям не хуже качества стыкуемого материала.
Предварительный расчет показал, что трудоемкость изготовления серобетонных судов последним способом меньше по сравнению с трудоемкостью изготовления секционным и блочным способами на 20 и 10 % соответственно. Кроме того, технология «склеивания под напряжением» позволяет избежать сварных и арматурных работ при сборке серобетонного судна, к которым предъявляются повышенные требования противопожарной безопасности.
Таким образом, на наш взгляд, перспективным направлением развития технологии серобетонного судостроения является разработка сборно-блочного метода изготовления корпусов судов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никешин К. Н. Предварительная оценка перспектив применения судов из железобетона в Астраханском регионе // Российскому флоту - 300 лет (1996, октябрь): Тез. докл. / Астрахан. гос. техн. ун-т. -Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. - С. 13-15.
2. Личман Н. В., Кухаренко Л. В., Никитин И. В. Применение технической серы и горнометаллургических отходов в гидротехническом строительстве // Строительные материалы. - 2005. -№ 7. - С. 10-12.
3. Волжанкин П. И. Эффективное направление развития железобетонного судостроения // Судостроение. - 1988. - № 5. - С. 39-41.
Получено 20.12.2006
ON DEVELOPMENT OF SULFUR-CONCRETE SHIPYARD ENGINEERING
D. A. Pichugin
Application of new materials such as sulfur-concrete is one of the ways of the development of shipbuilding. The physical and engineering properties of sulfur-concrete do not yield to those of concrete grade M-400. The fundamental design of sulfur-concrete ships will look like that of reinforced concrete ships. The analysis of methods of reinforced concrete ship assembling reveals that the block hull assembly with its following agglutination by sulfur-concrete, a basic material of a hull, is advisable for sulfur-concrete shipyard engineering. Ready blocks are offered to be pressed out by steel reinforcement but the edges of ready blocks must be previously heated up to sulfur-concrete' melting temperature. This technology unloads welding and reinforcing works.
