CC BY
63
УДК 625.142.4:006.354
А. Ф. Серенко, Т. М. Петрова
ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ
Сформулированы требования к беспропарочной и малопрогревной технологии производства шпал, выделены факторы, определяющие высокую раннюю прочность бетона, осуществлено опытно-промышленное внедрение на Хабаровском и Чудовском заводах железобетонных шпал, рассчитана экономическая эффективность новой технологии.
предварительно напряженные железобетонные шпалы, комплексные добавки, беспропарочная технология, индукционный период твердения.
Введение
В 2007 году исполняется 50 лет с тех пор, как на Челябинском заводе ЖБШ впервые в России был освоен выпуск железобетонных шпал. Именно производство предварительно напряженных железобетонных шпал дало толчок к устройству бесстыкового пути, повышению скорости и увеличению грузоподъемности подвижных составов. Сегодня на всех основных направлениях железных дорог России движение поездов производится по пути на железобетонных шпалах, выпуск которых осуществляется на девяти заводах системы ОАО РЖД.
Как и 50 лет назад, технология производства железобетонных шпал основывается на тепловлажностной обработке изделий при температуре 80°С, что позволяет обеспечить быстрый набор передаточной прочности бетона в раннем возрасте. Вместе с тем названная технология имеет ряд недостатков, связанных с ухудшением структуры цементного камня и снижением конечной прочности и морозостойкости бетона, большими энергозатратами, ослаблением контактной зоны цементного камня с пред-напряженной арматурой и полимерными закладными элементами [1].
Развитие научных достижений в области направленного формирования структуры и свойств бетонов позволяет сегодня сформулировать пути совершенствования технологии производства шпал из предварительно напряженного железобетона [2]. Наиболее перспективным из них является внедрение беспрогревной или малопрогревной технологии, так как это направление потребует наименьших инвестиций и способно быстро дать ощутимый экономический эффект за счет экономии энергоресурсов.
1 Беспрогревная и малопрогревная технология бетона
1.1 Терминология
Развитие в последние десятилетия научных представлений о бетоне, особенно в части применения модификаторов его структуры, позволяет сегодня обеспечить высокую раннюю прочность при беспропарочной или малопрогревной технологии [3]. Следует сразу определиться с терминологией применительно к технологии производства шпал. Так как в настоящее время производство железобетонных шпал ведется по двенадцатичасовому циклу, то с целью сохранения существующей технологии и оборачиваемости форм нами предложены следующие определения:
беспропарочная, или беспрогревная, технология - это технология, обеспечивающая получение передаточной прочности бетона в возрасте 12 часов при температуре не выше 30 градусов;
малопрогревная технология - это технология, обеспечивающая получение передаточной прочности бетона в возрасте 12 часов при температуре не выше 40 градусов.
В мировой строительной практике уже имеется опыт производства шпал по беспропарочной технологии. Твердение изделий без термообработки применяется, в частности, на заводах компании "Sweetrak" (Швеция). Заводы этой компании построены во многих странах мира, таких как Норвегия, Австралия, Таиланд, США, Дания, Нидерланды, Финляндия, Швеция, Эстония, Литва, Южная Корея, Австрия, ЮАР.
1.2 Факторы, определяющие набор бетоном высокой
ранней прочности
Анализ научных данных и выполненные в ПГУПС исследования позволили выделить три основные группы факторов, определяющих набор бетоном высокой ранней прочности:
• применение комплексных добавок полифункционального действия;
• целенаправленный выбор цемента и учет его совместимости с добавками;
• оптимальная температура твердения.
Правильный выбор и сочетание этих факторов позволяет уменьшить длительность индукционного периода и сформировать структуру цементного камня, обеспечивающего высокую раннюю прочность бетона.
Граничными условиями для предварительно напряженных железобетонных шпал по прочностным показателям являются передаточная и марочная прочность бетона при сжатии. В соответствии с требованиями ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм» для передаточной прочности бетона в момент отпуска предварительного напряжения арматуры установлено нормативное значение 32 МПа при классе бетона по прочности в марочном
возрасте В40. При гарантированной обеспеченности прочностных показателей 95% и коэффициенте вариации 7%, что вполне достижимо в заводских условиях, значение прочности бетона при сжатии в возрасте 12 часов должно составлять 36 МПа.
2 Добавки поверхностно-активных веществ
2.1 Виды добавок для бетонов
ГОСТ 24211-2003 предусматривает подразделение добавок для бетонов и растворов на следующие виды:
регулирующие свойства растворных и бетонных смесей; изменяющие свойства бетонов и растворов; придающие бетонам и растворам специальные свойства. С точки зрения внедрения беспропарочных технологий производства бетона и железобетона наибольший интерес представляют ускорители твердения, изменяющие скорость набора прочности бетона, и пластифици-рующе-водоредуцирующие добавки, относящиеся к регуляторам свойств бетонной смеси.
Применение добавок-ускорителей твердения бетона давно известно в строительной практике. Однако, ускоряя схватывание и твердение бетона в начальный период, они практически не влияют на водоцементное отношение и могут снижать относительную прочность на более поздних этапах твердения. Как правило, к ускорителям твердения относятся добавки-электролиты. Эффективность их применения зависит как от катионной и анионной составляющих, так и от минералогического и вещественного состав портландцемента. Следует отметить, что применение только ускорителей твердения не позволяет обеспечить требуемую высокую раннюю прочность бетона в возрасте 12 часов при беспрогревной технологии производства железобетонных шпал на обычных портландцементах.
2.2 Суперпластификаторы
Появление добавок-суперпластификаторов, а в последнее десятилетие и гиперпластификаторов, произвело революцию в науке о бетоне, позволило ввести термин модифицированный бетон [4]. Снижая до 30-35% расход воды при обеспечении равной подвижности бетонной смеси, они существенно увеличивают прочность бетона или позволяют экономить цемент. На рисунке 1 приведены модели распределения зерен цемента в равнопо-движном цементном тесте без добавки и с добавкой суперпластификатора.
Как видно из рисунка 1, применение суперпластификатора значительно уменьшает объем межзернового пространства и, следовательно, капиллярную пористость, которая является определяющим фактором как для прочности, так и для морозостойкости и коррозионной стойкости бетона.
Рис. 1. Влияние водоцементного отношения на объем межзернового пространства цементного теста
К сожалению, все пластифицирующие добавки увеличивают индукционный период твердения портландцемента, то есть замедляют набор пластической прочности цементного теста в ранний период (рис. 2).
Время, мин
1 - без добавок; -е- 2 - С-3 0,5%; -А-3 - С-3 0,7%; 4 - С-3 0,9%
Рис. 2. Влияние расхода суперпластификатора С-3 на кинетику нарастания пластической прочности цементного теста при постоянном В/Ц
Этот эффект часто наблюдается даже при снижении водоцементного отношения, при этом чем выше расход пластифицирующей добавки, тем в большей степени отодвигается период начала набора пластической прочности цементного теста. В дальнейшем снижение водоцементного отно-
шения при использовании суперпластификатора приводит к опережающему росту прочности цементного камня и увеличению конечной прочности.
Таким образом, применение только добавок суперпластификаторов не позволяет решить задачу необходимой высокой ранней прочности бетона для внедрения беспрогревных технологий при производстве железобетонных шпал.
2.3 Комплексные химические добавки
В соответствии с ГОСТ 24211-2003 комплексной добавкой называется продукт, состоящий из двух или более добавок, обладающий моно- или полифункциональным действием. В этой связи наиболее перспективным представляется сочетание ускорителей твердения и суперпластификаторов, так как только комплексные добавки полифункционального действия, способствующие снижению водоцементного отношения и не увеличивающие индукционный период твердения, способны решать задачу достижения высокой прочности бетона в раннем возрасте без применения тепловлаж-ностной обработки (ТВО).
К такому же выводу пришло большинство производителей суперпластификаторов в нашей стране, наладивших выпуск комплексных добавок пластифицирующе-ускоряющего действия.
На кафедре «Строительные материалы и технологии» Петербургского государственного университета путей сообщения разработана комплексная добавка «Петролафс», предназначенная для внедрения беспрогревных и малопрогревных технологий производства бетона. Сравнительные испытания бетонов с комплексными добавками различных производителей, твердевших при температуре 30°С, приведены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Эффективность влияния комплексных добавок на раннюю прочность бетона (температура твердения 30 градусов)
Добавка Расход, % от массы цемента Расход цемента, кг/ м3 Водо-цементное отношение Жесткость, с Предел прочности в возрасте 12 ч, МПа %
Без добавок _ 470 0,35 5-7 24,8 100
«Петролафс» 1,25 470 0,30 5-7 36,1 145,6
«Лигнопан» 1,25 470 0,30 5-7 29,9 120,6
«Реламикс» 1,25 470 0,30 5-7 28,1 113,3
«Мегалит» С-3 РТ 1,0 470 0,30 5-7 27,0 108,9
Расход комплексных добавок подбирался из условия обеспечения равной жесткости бетонной смеси и одинакового водоредуцирующего эффекта относительно контрольного состава бетона при фиксированном содержании цемента. В зависимости от вида комплексной добавки прирост прочности бетона в возрасте 12 часов составил от 9 до 45%. Однако требуемая передаточная прочность бетона (36 МПа) достигнута только при использовании комплексной добавки «Петролафс», что говорит о ее высокой эффективности и возможности применения для внедрения беспропарочной и малопрогревной технологии производства предварительно напряженных железобетонных шпал.
3 Цементы и их совместимость с добавками 3.1 Критерии выбора вяжущего
Нормативными документами на производство железобетонных шпал предписывается использовать в качестве вяжущего портландцемент без активных минеральных добавок с ограниченным содержанием трехкальцие-вого алюмината (не более 8%) преимущественно марки 500 по прочности. Для беспропарочной и малопрогревной технологии производства шпал предпочтительны портландцементы, обеспечивающие высокую интенсивность набора прочности в ранние сроки и высокое тепловыделение для достижения самопрогрева бетона. Но поскольку требования стандарта на портландцемент предусматривают испытания его на прочность в возрасте начиная с 7 суток (2 суток по европейскому стандарту), цементы различных заводов с одинаковой маркой по прочности могут иметь различную скорость ее набора на раннем этапе твердения. Кинетика набора прочности цементного камня зависит от множества факторов, к основным из которых относятся тонкость помола, гранулометрический и минералогический составы, содержание сульфатов, срок хранения цемента и др. Сложное сочетание эти факторов не позволяет в настоящее время осуществить выбор вяжущего для беспрогревной технологии бетона на основании паспортных данных, выдаваемых заводом-производителем.
Следовательно, для оптимального выбора вяжущего при внедрении беспрогревной технологии необходимы новые критерии оценки портландцемента. В качестве сравнительного критерия при выборе вяжущего нами предложено использовать прочность при сжатии цементного камня в возрасте 12 часов, твердеющего в нормально-влажностных условиях.
Другим критерием при выборе портландцемента для беспрогревной технологии должна стать его совместимость с добавками поверхностно -активных веществ (ПАВ), под которой следует понимать влияние добавок на реологические свойства цементного теста, гидратационную активность цемента и кинетику набора прочности. Методика оценки совместимости вяжущего с добавками ПАВ при внедрении беспрогревной технологии бетона приобретает первоочередное значение.
3.2 Методика оценки совместимости цемента с добавками ПАВ
Предложенный А. В. Ушеровым-Маршаком термокинетический метод определения совместимости добавок ПАВ с портландцементом [5] позволяет по положению второго пика тепловыделения оценить блокирующее или ускоряющее действие добавок на ранней стадии твердения цемента. К сожалению, микрокалориметр способен работать только с цементным тестом при высоком водоцементном отношении (около 0,5), что делает невозможным учет водоредуцирующего влияния добавок ПАВ на длительность индукционного периода твердения портландцемента. На наш взгляд, уменьшение пористости цементного камня за счет снижения водоцемент-ного отношения (водоредуцирующий эффект при применении суперпластификатора) должно сопровождаться снижением длительности индукционного периода. Следовательно, будут протекать два взаимно противоположных процесса: увеличение длительности индукционного периода за счет блокирующего действия суперпластификатора и снижение длительности индукционного периода за счет уменьшения межзернового пространства. Преобладание того или иного процесса и будет определять совместимость пластифицирующей добавки с применяемым цементом.
Экспериментальное подтверждение высказанной гипотезы о двух взаимно противоположных процессах, протекающих в начальной стадии гидратации портландцемента при использовании суперпластификатора, приведено на рисунках 3 и 4 на примере Катав-Ивановского портландцемента. Повышение содержания суперпластификатора в цементном тесте при постоянном водоцементном отношении приводит к увеличению блокирующего эффекта на ранней стадии гидратации (рис. 2). Снижение водоце-ментного отношения за счет водоредуцирующего действия суперпластификатора приводит к уменьшению межзернового пространства и сокращению индукционного периода, преобладающего над блокирующим действием суперпластификатора (рис. 3).
На кафедре «Строительные материалы и технологии» Петербургского государственного университета путей сообщения для внедрения беспропарочных и малопрогревных технологий разработана методика определения совместимости добавок ПАВ с портландцементом на основе кинетики предельного напряжения сдвига и оценки относительной активности цемента в 12-часовом возрасте. В качестве критерия применяется величина предельного напряжения сдвига (пластической прочности) в мегапаскалях (МПа). По кинетике изменения пластической прочности строится график и сопоставляется с результатами испытания относительной активности цемента в 12-часовом возрасте. Дополнительным достоинством методики является определение оптимального расхода добавки.
Предложенные методики позволяют оценивать эффективность применяемого портландцемента на любом заводе ЖБШ или делать наиболее оптимальный выбор из имеющихся в распоряжении портландцементов.
Время, мин
- без добавок;
2 - С-3 0,5%; -1!!-3 - С-3 0,7%; *4 - С-3 0,9%
Рис. 3. Влияние содержания С-3 на кинетику набора пластической прочности
при постоянном В/Ц
90
Время, мин
■ Без добавок 1
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
30
60
С-3 0,5%
С-3 0,7%
С-3 0,9%
Рис. 4. Влияние содержания С-3 на кинетику набора пластической прочности
при постоянном В/Ц
4 Оптимальная температура твердения
Вопрос о назначении оптимальной температуры твердения при внедрении беспрогревной и малопрогревной технологии является очень существенным. Из экспонентционального уравнения Аррениуса следует, что
при повышении температуры скорость химических реакций увеличивается. Однако в цементных системах быстрый набор прочности за счет тепло-влажностной обработки сопровождается увеличением дефектности структуры и замедлением набора прочности на более поздних этапах гидратации.
На рисунке 5 приведены результаты испытаний прочности цементного камня, твердевшего в начальный период при различной температуре.
Возраст, сутки
|-«-1=20 С ; -»-1=50 С~ -*-1=80 С |
Рис. 5. Влияние температуры твердения на кинетику набора прочности цементного камня (содержание С-3 0,7%)
Тепловлажностная обработка при 80°С обеспечила наибольшую прочность цементного камня в возрасте 12 часов, но привела к сбросу прочности при дальнейшем твердении, а в возрасте 28 суток цементный камень имел наименьшую прочность. Наибольшая прочность в возрасте 28 суток получена при твердении при 20°С, но эта температура не обеспечивает требуемой ранней прочности. Твердение при 50°С не сопровождалось сбросом прочности цементного камня и обеспечило достаточную раннюю прочность на данном виде цемента. Следовательно, для портландцемента существует оптимальная температура твердения, способная решить задачу достижения требуемых прочностных показателей в раннем возрасте при минимальной дефектности структуры.
В связи с внедрением беспрогревной технологии первоочередной представляется задача обеспечения условий для саморазогрева бетона за счет выделения теплоты гидратации цемента. На рисунке 6 приведены экспериментальные данные по саморазогреву бетонов с добавкой «Петролафс», твердевших в теплоизолированной форме при различной начальной температуре.
Как видно из приведенных данных, температура бетона к 12 часам твердения повысилась на 8-9°С, что может оказать существенное влияние на его прочность в раннем возрасте.
40
38
36
34
О
о 32
га а 30
> н 28
га
а 26
Ф
с 24
Ф 22
1- 20
18
01 23456789 10 11 12
^ Время, ч
^^ 1 - Начальная температура 19 градусов 2 - Начальная температура 29 градусов
Рис. 6. Саморазогрев бетона за счет тепловыделения цемента
5 Экономическая эффективность
Экономическая эффективность при внедрении беспропарочных технологий производства сборного железобетона будет складываться из следующих составляющих.
1. Снижение затрат на энергоносители. При стоимости 1 гигакалории 578 рублей (с НДС) затраты на энергоносители на 1 кубический метр бетона в среднем составляют 231,2 рублей. Эта расчетная величина хорошо согласуется с фактическими затратами домостроительных комбинатов Санкт-Петербурга на тепловлажностную обработку.
2. Экономия цемента. Основным направлением реализации водореду-цирующего эффекта при использовании комплексных добавок-модификаторов является уменьшение расхода цемента. Это направление становится особенно актуальным при выраженном росте стоимости портландцемента в настоящее время. Ожидаемая стоимость портландцемента марки ПЦ 500 Д0 в 2007 году составляет 3200 рублей за тонну и выше. При снижении количества вяжущего на 15 % за счет водоредуцирующего эффекта комплексных добавок удается сэкономить 72 килограмма цемента. В стоимостном выражении это составит 230,4 рублей на кубометр бетона.
3. Повышение производительности труда. Достигается за счет снижения трудозатрат на обслуживание и ремонт пропарочных камер и паропроводов, в том числе трудозатрат операторов пропарочных камер. При наличии своей котельной уменьшаются затраты на ее содержание, увеличиваются межремонтные сроки, возможно полное отключение котельной на летний период. Дополнительным источником средств может послужить
реализация высвободившихся энергоносителей другим организациям и населению.
4. Улучшение условий труда. В цехах с пропарочными камерами, особенно в летний период, температура воздуха часто превышает 30°С, что создает некомфортные условия и противоречит требованиям охраны труда. Внедрение беспропарочных технологий полностью снимает данную проблему.
5. Повышение качества и долговечности продукции. Внедрение беспропарочных технологий позволяет отказаться от тепловлажностной обработки бетона и железобетона, а значит от присущих ей недостатков. Как следствие, повышается качество и долговечность бетонных и железобетонных изделий. Хотя в стоимостном выражении эту составляющую оценить трудно, повышение качества и долговечности продукции является мощным аргументом в пользу внедрения беспропарочных технологий.
6. Затраты на комплексные добавки-модификаторы. Приобретение добавок является единственной затратной составляющей беспропарочных технологий производства бетонных и железобетонных конструкций. При введении добавки в количестве 1,25 % от массы вяжущего и расходе це-
-5
мента 470 кг/м на кубометр бетона потребуется 6 кг добавки. В стоимостном выражении затраты на добавку составят 210 рублей на кубометр бетона.
Расчет экономической эффективности по результатам опытно-промышленного внедрения беспрогревной технологии производства шпал на Чудовском заводе ЖБШ без учета снижения трудозатрат и повышения качества и долговечности изделий приведен в таблице 2. При годовом выпуске около миллиона подрельсовых конструкций на Чудовском заводе ЖБШ прямой экономический эффект должен составить свыше 25 миллионов рублей в год. При этом повышается качество и долговечность шпал, упрощается технологический процесс, существенно уменьшаются трудозатраты и увеличивается срок службы форм.
ТАБЛИЦА 2. Расчетная экономическая эффективность внедрения беспропарочной технологии на Чудовском заводе ЖБШ
Добавка и ее расход от массы цемента, % Затраты на добавку Экономия энергии Экономия цемента Итого экономический эффект на 1 млн. шпал, млн. руб.
На 1 куб. м (10 шпал), РУб. На 1 млн. шпал, млн. РУб. На 1 куб. м (10 шпал), руб. На 1 млн. шпал, млн. РУб. На 1 куб. м (10 шпал), руб. На 1 млн. шпал, млн. РУб.
«Петролафс», 1,25 % 35-6 = = 210 21 231 23,1 0,07-3200= = 230 23 25,1
Заключение
Внедрение беспропарочной и малопрогревной технологии производства железобетонных шпал на основе применения комплексных добавок сегодня технически возможно и экономически оправдано. Кроме экономии ресурсов и снижения себестоимости, достигается упрощение технологии и повышение качества и долговечности продукции.
Библиографический список
1. Ресурсосберегающие технологии при изготовлении шпал / Т. М. Петрова, А. Ф. Серенко, В. Н. Егоров // Путь и путевое хозяйство. - 2006 - № 9. - С. 2-3.
2. О совершенствовании технологии производства железобетонных шпал / А. Ф. Серенко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2006. - № 1. - С. 107-111.
3. The energy-saving technology in production of prestressed reinforced concrete / Т. М. Petrova, E. V. Vikhno, N. F. Dzhashi, A. F. Serenko, D. Y. Opaschko // Weimar (Ger-many)-International Conference on Building materials (16. ibausil)-, Tagungsbericht, band 1, 1-1431-1-1438. - P 2.15. - ISBN 3-00-01863-2.
4. Модифицированные бетоны / В. Г. Батраков. - М.: Стройиздат, 1998. -768 с. - ISBN 5-274-00-733-3.
5. Кинетическая селективность влияния химических добавок на процессы твердения вяжущих веществ / А. В. Ушеров-Маршак // Неорганические материалы. - 2000. - Т. 35. - № 12. - С. 1531-1534.
