Подготовка поверхности в технологии торкретирования фибробетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 693.546.3 Евсеев Б. А.

Пикус Г А.

Казанцева И. С.

Подготовка поверхности в технологии торкретирования фибробетона

Евсеев

Борис Анатольевич

канд. техн. наук, доцент ЮУрГУ

Пикус

Г ригорий Александрович

канд. техн. наук, доцент ЮУрГУ

E-mail: [email protected]

Казанцева Ирина Сергеевна

аспирант ЮУрГУ E-mail: [email protected]

В статье представлены способы подготовки поверхности для нанесения торкретфибробетона как материала, обеспечивающего повышение надежности конструкций при одновременном снижении трудоемкости строительства. Приведена методика расчета и пример подбора оборудования для обработки поверхности перед торкретированием.

Ключевые слова: торкретфибробетон, поверхность торкретирования, подбор оборудования, способ очистки поверхностей, энергетическое воздействие.

EVSEEV B. A., PIKUS G. A., KAZANTSEVA I. S.

SURFACE PREPARATION IN AIR-PLAICED FIBER REINFORCED CONCRETE TECHNOLOGY

Methods of surface preparation in air-placed fiber reinforced concrete technology are described in the article. The example of equipment selection for air-placing is presented. In article the design procedure and an example of selection of the equipment for surface processing before air-placing is resulted.

Keywords: air-placed fiber reinforced concrete, contact surface, equipment selection, way of clearing of surfaces, power influence.

Использование в процессе торкретирования такого материала как фибробетон позволяет не только повысить надежность возводимых конструкций, придать им новые количественные и качественные свойства, но и снизить трудоемкость и продолжительность работ. При этом качество поверхности, на которую наносится торкретфибробетон, во многом определяет дальнейшие физико-механические свойства изготавливаемой конструкции, ее надежность и долговечность.

Поверхность, на которую наносится торкретфибробетон, должна быть жесткой, обладать достаточной несущей способностью и выдерживать без вибрации ударное воздействие струи: вибрация поверхности вызывает отслаивание нанесенной смеси.

Торкретирование необходимо выполнять на шероховатые и чистые поверхности. Не допускается наплывов толщиной более половины толщины торкретируемого слоя. Гладким поверхностям следует придавать шероховатость путем насечки. Нестабильный поверхностный слой (отслаивающиеся части поверхности, грязь, краска и т. д.) должен быть удален вплоть до прочного основания.

Это требование обусловлено необходимостью обеспечить достаточное сцепление между поверхностью нанесения и слоем торкретфибробетона, служащее для обеспечения их совместной работы или, как еще говорят, для образования гомогенного сечения. При этом величина сцепления должна превышать напряжения от внешних сил, действующих на конструкцию в процессе эксплуатации и стремящихся сдвинуть слой торкретфибробетона и поверхность нанесения друг относительно друга. В качестве внешних нагрузок могут выступать распределенные и сосредоточенные силы, а также температурные деформации.

Поверхность нанесения можно обработать несколькими способами: механизированным, струйно-эрозионным, гидродинамическим или, в исключительных случаях, огневым способом. Выбор того или иного способа зависит от условий производства работ, обрабатываемого материала и состояния его поверхности.

При механизированном способе на поверхность нанесения воздействуют отбойными молотками с небольшой энергией удара (пневматическими, гидравлическими, электрическими) или дисковыми металлическими щетками. Следует иметь в виду, что при обработке щетками металлических поверхностей хорошо удаляется

ржавчина и старая краска, но в тоже время поверхность сглаживается, что ухудшает адгезию с торкретфибро-бетоном.

Хорошие результаты по очистке поверхностей показывают иглофрезы (игольчатые перфораторы), которые при работе самозатачиваются и могут проработать до 300 ч, в то время как обычные щетки эксплуатируются 10-12 ч, реже до 25 ч. Но иглофрезы, равно как и щетки, не могут полностью очистить углубления, имеющиеся на поверхности нанесения. Зарубежным представителем игольчатого перфоратора является модель GBH4DSC немецкой фирмы Bosch (число иголок - 19, диаметр иголки -6 мм, полезная длина иголки - 60 мм, сила удара - 1-3,5 Дж).

Механизированный способ, хотя обладает низкой производительностью, имеет ряд достоинств: малая масса инструмента, легкость его транспортирования, простота выполнения работ.

Струйно-эрозионная очистка заключается в обработке поверхности струей сжатого воздуха, содержащего зерна абразива. Зерна, ударяясь

о поверхность нанесения, откалывают от нее небольшие кусочки материала. В качестве абразива можно использовать кварцевый или речной песок (пескоструйная очистка), а также чугунную, стальную дробь или мел-корубленную стальную проволоку длиной и диаметром 1-1,5 мм (дробеструйная очистка). Данный способ обеспечивает хорошее качество и высокую производительность обработки, в значительной мере зависящих от давления и количества воздуха, проходящего через сопло. Необходимое давление воздуха - 5-7 атм при обработке металлоконструкций и 3-4 атм при обработке камня и бетона.

Для очищаемых конструкций, имеющих большие плоские поверхности, можно использовать дробеструйное оборудование с вакуумной системой отсоса абразива и продуктов отхода. Такие аппараты малогабаритны, смонтированы на тележках, благодаря чему легко перемещаются по фронту работ. Отработанная дробь и отходы отсасываются вакуумным насосом и проходят через сепаратор, откуда отделенная годная дробь вновь возвращается в систему, отходы направляются в специальный приемник, а выходящий в атмосферу воздух фильтруется.

Однако у струйно-эрозионного способа наблюдается и ряд отрица-

тельных моментов. Так, вследствие выделения большого количества пыли, требуются повышенные меры по охране труда и производственной санитарии. При отсутствии системы отсоса абразива появляется необходимость его сбора и утилизации (приходится собирать 1,2-2,4 т/ч). Кроме того, дробеструйную очистку нельзя производить в условиях высокой влажности, так как вода, попадая на дробь, вызывает ее коррозию и слипание между собой, что приводит к выходу из строя дробеструйного оборудования. При производстве работ следует также учитывать малую абразивную устойчивость сопел, которая не превышает 12 ч работы для стальных и чугунных сопел и до 200 ч - для металлокерамических.

Применение гидродинамического способа (гидрофрезерования) оправдано в том случае, если условия производства работ позволяют полноценно осуществлять сбор отработанной воды, а также в том случае, когда вода не оказывает негативного воздействия на состояние находящихся рядом конструкций, основание и окружающую среду. Например, очистка стен набережных, опор и пролетных строений мостов, конструкций морских нефтяных платформ и т. п.

Сам процесс гидрофрезерования выполняется под большим давлением (200 МПа и более) и небольшом потоке пресной воды (до 60 л/мин). Каждая из этих характеристик по-своему влияет на технологические параметры очистки: чистота обработки зависит от максимального давления, а производительность определяется расходом воды. Области применения машин для гидрофрезерования приведены в таблице 1.

Таблица 1. Области применения оборудования для гидрофрезерования

Рабочее давление, атм Расход воды, л/мин Температура воды, °С Область применения

1500 и выше от 50 до 50 Резка бетона, снятие всех видов краски до металла, решение самых сложных задач

800-1500 30-50 до 40 Очистка арматуры, снятие нестабильного слоя, удаление сильных загрязнений и красок

300-800 20-60 до 150 Расшивка бетонных швов, чистка фасадов

При столь высоком давлении, для снижения нагрузки на машину и уменьшения отдачи, пистолет-распылитель не имеет гидравлического клапана подачи воды, а дистанционно управляет электроприводом, плавно увеличивающим обороты двигателя и давление струи.

В работе [3] представлены результаты исследования прочности сцепления торкретбетона с поверхностью горных выработок, которые позволяют судить

о влиянии на этот параметр давления водяной струи (таблица 2)1.

Таблица 2. Результаты исследования прочности сцепления

Давление воды, МПа Прочность сцепления, МПа

0,7 0,21

20 0,61

В качестве дополнительного оборудования, повышающего производительность машин, могут применяться: вращающиеся сопла, насадки точечной резки, всевозможные щетки, а также нагревательные модули (осуществляют нагрев воды, например, при помощи пара с температурой порядка 1600 С).

Ведущим мировым производителем оборудования для гидродинамической очистки являются немецкие компании, такие как Фальх (БаІсЬ) и Пуцмейстер (Putzmeister).

Положительными качествами гидродинамической очистки являются высокая производительность, отсутствие негативных последствий воздействия на человеческий организм (в отличие от пескоструйной) и качественное во-донасыщение обрабатываемой поверхности, что позволяет исключить обезвоживание свежеуложенного слоя торкретфибробетона.

При выполнении гидрофрезерования допускается использование морской воды, но в этом случае установка для гидрофрезерования должна быть

1 Данная технология обработки поверхности не является гидрофрезерованием, а результаты представлены для сравнительного анализа.

оснащена фильтром и дополнительной помпой. После обработки поверхности морской водой, она (поверхность) должна быть дополнительно промыта пресной водой. Это объясняется тем, что в морской воде могут быть примеси в виде всевозможных солей, микроорганизмов, илистых частиц, которые, оказавшись на обработанной поверхности, повлияют на качество сцепления с наносимым торкретфибробетоном.

Огневой способ очистки не требует наличия дорогостоящего оборудования -для его выполнения обычно используют газовые горелки различного типа.

В процессе термической обработки происходит неравномерный нагрев поверхности нанесения, в результате чего имеют место различные температурные расширения слоев по ее толще. Так, наиболее быстро нагреваются верхние слои, в которых возникают наибольшие растягивающие усилия, а лежащие глубже слои, из-за того, что бетон является плохим проводником тепла, практически не участвуют в этом процессе. Поэтому в поверхностных слоях образуются трещины, вызывающие их отслоения, которые затем удаляются механизированным способом.

Однако практика показывает, что бетон является материалом с относительно высоким сопротивлением к тепловому воздействию (удару), что не позволяет получить эффект быстрого разрушения поверхности, подверженной температурному воздействию за счет значительного растрескивания и отделения частиц бетона [1].

Как было сказано выше, огневой способ очистки применяется достаточно редко ввиду своей огнеопасности, малопроизводительности и способности влиять на физико-механические свойства обрабатываемой поверхности. Последнее относится особенно к обработке металлических поверхностей, когда недостаточное нагревание не обеспечивает качественного результата, а чрезмерное нагревание способно вызвать местные перегревы, деформацию и изменение структуры металла. Поэтому при обработке таких поверхностей требуется большой опыт работы обслуживающего персонала.

Описанные выше способы по завершению процесса очистки оставляют на обрабатываемой поверхности продукты удаления. Поэтому после выполнения работ поверхность нанесения следует продуть сжатым воздухом и промыть водой при давлении 0,2-0,3 МПа. Благодаря промывке осуществляется одновременное насыщение обрабатываемой поверхности водой, что позволяет исключить обезвоживание свежеуложенного слоя торкретфибробетона. Тем не менее, следует помнить, что промывка водой поверхностей с отрицательной температурой не допускается.

Таблица 3. Значения прочности сцепления торкретбетона с поверхностью нанесения, МПа

Материал для торкретирования Способ обработки поверхности

Шлифование Рубка Пескоструйная обработка Гидрофрезеро- вание

Торкретбетон 0,2 1,1 2,0 1,6

Торкретфибробетон 0,8 1,3 2,0 2,0

В таблице 3, взятой из источника [2], приведено влияние способа очистки поверхности на прочность ее сцепления с нанесенным слоем. Причем, как показывает работа [4], способ торкретирования (сухой или мокрый) не оказывает влияния на прочность сцепления. Более того, именно способ очистки поверхности более выраженно влияет на сцепление, нежели состав торкретбетона.

В случае если поверхность нанесения представляет собой горную выработку с наличием фильтрации и сосредоточенных течей, вода должна быть отведена до нанесения торкретфибробетона. С этой целью в местах концентрированных течей пробуриваются шпуры глубиной 10-20 см, куда устанавливаются водоотводные трубки. После набора торкретфибробетоном проектной прочности, трубки закрывают заглушками.

Следует заметить, что в настоящее время не существует методик выбора подходящего оборудования для очистки поверхностей. Зачастую используется уже имеющееся в строительной организации оборудование или подручные средства (например, зубило, троянка, бучарда). Энергетическое воздействие такого оборудования не всегда достаточно для удаления нестабильного поверхностного слоя. Это приводит к тому, что в процессе торкретирования

вылетающая из сопла с большой скоростью бетонная смесь сама начинает разрушать поверхностный слой, который был некачественно удален в процессе механической обработки. В результате этого либо увеличивается отскок бетонной смеси и снижается производительность работ, либо внутри отремонтированной конструкции возникают отслоения, которые снижают ее прочностные свойства и долговечность.

Авторами предлагается методика подбора оборудования для механической очистки горизонтальных поверхностей. Суть методики заключается в том, чтобы энергетическое воздействие на поверхность нанесения оборудования для ее очистки превышало аналогичное воздействие струи торкретфибробетона.

Рассмотрим элементарную модель соударения торкретфибробетонной смеси с поверхностью нанесения. В основе этой модели лежит положение о том, что каждый движущийся элемент струи торкретфибробетона оказывает энергетическое воздействие на поверхность нанесения. С учетом динамичности нагружения величина энергетического воздействия зависит от скорости движения, массы и формы элемента.

Так, струя бетонной смеси, вылетая из сопла торкрет-машины со скоростью У0, разделяется на отдельные элементы, наиболее характерные из которых представляют собой зерно крупного заполнителя, покрытое пленкой цементно-песчаного раствора2. Пролетая расстояние I, элемент ударяется о поверхность нанесения. Ввиду малого расстояния полета (80-120 см) и значительной начальной скорости элемента будем считать, что в момент соударения скорость элемента равна его начальной скорости.

Кинетическая энергия всех элементов, одновременно вылетающих из сопла, в момент соударения с поверхностью нанесения определяется по формуле ,

* 2

где от. и N. - соответственно масса

и количество элементов (зерен заполнителя) г-й фракции, одновременно прошедших через сопло.

В строительстве крупный заполнитель (щебень) делится на фракции, фракционирование осуществляется путем просеивания щебня через стан-

2 В дальнейшем, для упрощения, пленку цементно-песчаного раствора учитывать не будем, а форму крупного заполнителя примем шарообразную.

дартные сита с ячейкой 3, 5, 10 и 15 мм. В технологии торкретирования максимальный диаметр такого заполнителя ограничен 15 мм.

Тогда ^ _РгЛ_

' 100%

где р - содержание зерен той или иной фракции в общем объеме заполнителя (частный остаток на соответствующем сите), %; N - общее число зерен, одновременно прошедших через сопло.

,

м

где Бат - площадь выходного отверстия сопла; Бг - площадь сечения зерна заполнителя г-й фракции.

Так как принято, что заполнитель имеет шарообразную форму, то:

щ б ,

где й - средний диаметр зерен г-й фракции; р- плотность материала заполнителя.

Энергия струи, приведенная к площади рабочей поверхности инструмента для очистки поверхности ^инсг):

■

4

0,20 см2 S4 = 0,79 см2 S4 = 1,77 см2

= 0,071 см2

= 6,8 Дж

Пример. Диаметр выходного отверстия сопла торкрет-машины - 50 мм. Скорость вылета смеси - 70 м/с. Тор-кретфибробетонная смесь приготовлена на заполнителе с плотностью материала 2 600 кг/м3 и частными остатками на сите Р<3 = 2 %, Р35 = 10 %, Р5 10 = 80 %, Р10 15 = 8 %. Для очистки поверхности предполагается использование отбойного молотка Bosch GSH 5 CE с размерами рабочей лопатки 0,5 х 3 см.

Решение

Площадь выходного отверстия сопла:

314-52

см2

Площадь рабочей поверхности отбойного молотка: ^инс, =0,5-3 = 1,5 см2 = 0,1510-3 м2 Площадь сечения одного зерна заполнителя г'-й фракции:

n-dl _ 3,14-0,32

Приведенная энергия струи:

6 7 ■ 10^ • 0,49 +170 ■ 10^ ■ 2,47) 702 1,5

W = -------------------------------------

2 19,63

| ^ЗбОЮ"6 19,76+ 4590 10^ 1,98)702 1,5

2 19,63

Таким образом, принятый отбойный молоток Bosch

GSH 5 CE с регулируемой энергией удара от 2 до 9 Дж подходит, но его использование возможно при энергии удара

не ниже 6,8 Дж.

Заключение:

1 Рассмотрены различные способы очистки поверхности и определены их достоинства, недостатки и влияние на свойства поверхности нанесения.

2 Предложена методика подбора оборудования для механизированного способа очистки поверхностей, основанная на эквивалентном энергетическом воздействии от торкретирования.

Список использованной литературы

1 Аракелян Г. Г. Универсальная технология термической электродуговой резки железобетонных строительных конструкций М., 2001.

2 Beaupre D. Bond strength of shotcrete repair // ASA Shotcrete. 1999. V. 1, № 2.

3 Kuchta M. The use of high-pressure water for scaling of loose rocks in mine openings // Institute on mining health, safety & research, Salt Lake City. 2001. August. P. 5-7.

4 Talbot C. Influence of surface preparation on long-term bonding of shotcrete / C. Talbot, M. Pigeon, D. Beaupre, D. Morgan // ACI Materials Journal. 1994. November-December. P. 560-566.

I

Общее количество зерен заполнителя, одновременно

прошедших через сопло:

Scm -100% _____________19,63 100____________

"" Ч "" о,071-2 + 0,2 10+ 0,79-80+ 1,77-8

L,\si Pi)

-- 24,7 ПГГ.

Количество зерен заполнителя г-й фракции: pl-N 2-24,7 100% ~ 100

Лі

= 0,49 шт.

N2 = 2,47 шт. N24 = 19,76 шт. N4 = 1,98 шт.

Масса зерен заполнителя -й фракции: л-rff-p _ 3,14-0,33- 2,6

0,037 г = 37-10-6 кг

т2 = 170 40'6 кг

1360 10-6 кг 4590 -10-6 кг

т

т

4