Алексеева Л.Л. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Особый интерес представляет использование при изготовлении дисперсно

армированных бетонов и конструкций на их основе специальных технологиче-

ских мероприятий, позволяющих улучшить качество готовой продукции. Боль-

шие возможности открываются при использовании таких методов формования

изделий как вибропрокат, вибропрессование, вибровакуумирование, центрифуги-

рование, формование под давлением (с пригрузом). Эти методы способствуют

удалению из бетонной

смеси избыточной воды, создают условия для ориентации

фибр и получению более плотной структуры армированного материала. Ориента-

ция стальных фибр в формуемом изделии может быть достигнута за счет создания

в зоне формования магнитного поля.

Время виброобработки при формовании изделий оказывает существенное

влияние на равномерность распределения фибр в объеме бетона. Превышение

времени

вибрации бетона сверх установленного может привести к расслоению

армированной смеси. В данном случае вследствие разницы в плотностях бетона и

стали под действием сил гравитации фибры в процессе вибрации смеси стремятся

опуститься вниз (к поддону). Иногда это свойство используется для обеспечения

зонного армирования, когда по расчету в какой-либо части (зоне) изделия

требу-

ется более высокий уровень армирования.

Особый интерес представляет технология торкретирования сталефибробе-

тонной смеси, предложенная норвежской фирмой «Робокон». С помощью автома-

тизированной установки – агрегата можно выполнять большой объем работ на-

пример, по торкретированию* подземных тоннелей, резервуаров для нефти и дру-

гих сооружений.

*Торкретирование – нанесение торкретбетона на поверхность бетонируе-

мой

конструкции (или в форму) с помощью цемент-пушки (сжатым воздухом).

Свойства дисперсно армированных бетонов расширяют возможности изготовле-

ния изделий со сложным геометрическим очертанием, с разным качеством и фак-

турой поверхности. Для этих целей используются различного рода шаблоны, кат-

ки, пуансоны, традиционные и пневматические виды опалубок, форма не только с

жесткими,

но и гибкими поддонами с плоской и рельефной поверхностью.

Фибры, пронизывая объем бетона, образуют в нем своеобразный «каркас»,

обеспечивающий устойчивость тонкого слоя свежеотформованного фибробетона

даже при перемещении его вместе с поддоном в вертикальное положение. Это

свойство использовано для получения изделий дуго- и П-образной формы в попе-

речном сечении из

свежеотформованной фибробетонной плоской заготовки мето-

дом гнутья. Одна из модификаций установок для осуществления этого способа

при изготовлении фибробетонных лотков показана на рисунке 20.

1 – рама; 2 – поддон; 3 – средняя съемная секция поддона; 4 – крайняя секция поддона;

5 – Г-образный кронштейн; 6 – силовой цилиндр; 7 – шток; 8 – шарнир; 9 – замок борта;

10 – продольный борт; 11 – формуемое изделие; 12 – замок поддона; 13 – формообразующая

накладка; 14 – верхняя секция борта; 15 – нижняя секция борта

Рисунок 20 – Установка для формования сталефибробетонных изделий

(лотков) методом гнутья свежеотформованной плоской заготовки

Определенный интерес приобретают безвибрационные технологии изготов-

ления сталефибробетонных изделий, базирующиеся на методах ротационно-

силового уплотнения. Безвибрационный способ изготовления изделий методом

силового набрызга бетонной смеси (ротационная технология) обеспечивает высо-

кую производительность технологического процесса (40…60 м

/час и более), по-

вышает прочность бетона, его водонепроницаемость, морозостойкость, коррози-

онную устойчивость. В соответствии с принятыми принципами процесс приго-

товления сталефибробетонной смеси по ротационной технологии (рисунок 21)

предусматривает подачу потока бетонной смеси от расходного бункера и потока

фибр от механизма их нарезки на ленточный транспортер (или какой-либо другой

питатель),

обеспечивающий равномерную и дозированную подачу этих компо-

нентов смеси в рабочую зону вращающихся навстречу друг другу роторов, кото-

рые в свою очередь снабжены лопастями. Рассматриваемая технология преду-

сматривает использование стальных фибр, нарезанных из непрерывной рулонной

заготовки (стальной ленты) с учетом того, что механизм нарезки фибр работает

синхронно с работой роторной установки

. Компоненты бетонной смеси и фибры,

попадая с конвейерной ленты в зону вращающихся лопастей роторов захватыва-

ются ими и под действием центробежных сил приобретают поступательное дви-

жение в зону формования изделия. В данном случае достигается высокая степень

уплотнения используемых компонентов во всем объеме изделия (осуществляется

принцип безвибрационной технологии). Рассматриваемая технология обеспечива-

ет не только высокую надежность уплотнения формуемых изделий, но и создает

предпосылки для более широкого варьирования параметрами исходных компо-

нентов, в том числе для существенного увеличения (в сравнении с обычной тех-

нологией) объемного содержания фибр в смеси и их относительной длины, что

весьма важно для

соответствующего повышения прочности сталефибробетона.

1 _ ленточный конвейер; 2 — расходный бункер-питатель; 3 — бетонная смесь; 4 —бухта-лента

из тонколистового проката; 5—станок для нарезки из листа фибр; 6—поток фибр; 7—большой

и малый лопастной роторы; 8 — поддон; 9 — формуемое изделие

Рисунок 21 – Схема формования сталефибробетонных изделий по

безвибрационной (ротационной технологии)

Бетоны, армированные неметаллическими волокнами

Технологические методы изготовления композиций с применением неме-

таллических волокон (стеклянных, синтетических) связаны в основном с решени-

ем тех же задач, что и при использовании стальной фибровой арматуры. Основное

отличие в том, что в этих композициях ограничены возможности

применения

крупного заполнителя, и для практических целей рекомендуются матрицы глав-

ным образом на основе цементного (гипсового) камня (подобно асбестоцементу)

или мелкозернистого бетона (цементно-песчаного раствора).

Вопросы армирования строительных конструкций стеклянными волокнами

были впервые исследованы еще в предвоенные годы. Были созданы эффективные

конструкционные стеклопластики. Работы по освоению технологии изготовления

стеклоармированных композиций

на основе цементных растворов и бетонов были

начаты в начале 60-х годов. Наибольший интерес к этому направлению проявля-

ется в последние годы в связи с разработкой щелочестойких стекловолокон, спо-

собных противостоять воздействиям продуктов гидратации цементных вяжущих,

а также с наличием значительных отходов синтетических волокон в химической

промышленности, которые целесообразно использовать, в частности, в строитель-

стве.

Стеклянные и синтетические волокна имеют несколько меньшую тенден-

цию к комкованию при перемешивании

по сравнению с металлическими волок-

нами, поэтому перед введением в бетонную смесь не требуется их просеивания

через сито.

Однако при заводском изготовлении (с целью обеспечения равномерности

подачи) введение подобных волокон в бетоносмеситель лучше осуществлять вду-

ванием незадолго до окончания перемешивания смеси.

Для получения стеклоармированных композиций хорошие результаты были

получены при

использовании прутково-шнековых смесителей, обеспечивающих

достаточную однородность распределения волокон в бетоне.

Для повышения качества смеси предлагаются различные дополнительные

мероприятия: введение со стекловолокном некоторого количества измельченного

асбестового волокна, наполнители в виде мраморной пыли, тонкоизмельченной

обожженной глины, минеральной ваты.

Распространенным и эффективным технологическим методом получения

стеклоармированных композиций является набрызг (напыление) раствора

под

давлением (подобно торкретированию) с одновременной подачей волокна на

большой скорости, как, например, в ряде случаев это осуществляется при изго-

товлении стеклопластиков.

Метод напыления удобен при изготовлении тонкостенных элементов с хао-

тичной двухмерной укладкой стекловолокна при соблюдении точной дозировки

используемых компонентов. Наиболее эффективным является способ механизи-

рованного напыления, обеспечивающий синхронную

подачу в форму цементного

связующего и рубленного стекловолокна. Процесс изготовления в этом случае

включает следующие операции. С помощью инжекционного сопла (рисунок 22)

раствор (цементная суспензия) под давлением наносится на поддон с формуемым

изделием. Одновременно при помощи пневматического пистолета-напылителя

(рисунок 23) осуществляется рубка непрерывного стекловолокна (стеклоровинго)

на отрезки заданной длины. Под действием

сжатого воздуха стекловолокно пода-

ется в струю цементной суспензии. Смесь при напылении (торкретировании) мо-

жет наносится не только на горизонтальную, но и на наклонные и вертикальные

поверхности.

1 – корпус; 2- штуцер для подвода сжатого воздуха;

3 – подвод цементной суспензии

Рисунок 22 – Инжекционное сопло для подачи цементной суспензии

1 - пневмопривод; 2 — штуцер для подвода сжатого воздуха; 3 — отвод сжатого воздуха в диф-

фузор;

4 - панель крепления диффузора и механизма резки стеклоровинга; 5 - диффузор;

6 - вырез в диффузоре, в который подается рубленый стеклоровинг; 7 - нож для резки стеклоро-

винга;

8 - барабан с ножами; 9 — резиновый бандаж

Рисунок 23 - Пневматический пистолет-напылитель стекловолокна

В другом случае агрегат для напыления смонтирован в створе технологиче-

ской линии для изготовления стеклофиброцементных плит. Формы для изготов-

ления плит перемещаются по роликовому конвейеру конвейерной линии. В фор-

сунку механизма напылителя по шлангам от компрессора подается сжатый воздух

и одновременно от растворосмесителя поступает цементный

раствор (тесто), а из

узла рубки – стекловолокно. На выходе напыляющих сопел образуется факел, со-

стоящий из цементного теста и отрезков волокон. При этом механизм – напыли-

тель совершает возвратно-поступательное (челночное) движение относительно

продольной оси конвейера. В результате при согласованном с работой напылите-

ля движении форм по конвейеру осуществляется формование плит. Процесс

рав-

номерного заполнения формы при изготовлении плит размером 1,8х1,5 м и тол-

щиной 2 см длится примерно 3 мин.

Предельные значения объемного содержания стеклянных волокон, которые

удается ввести в цементный раствор при хаотичном армировании, колеблются в

пределах 3…5% по объему, а при направленном армировании указанные значения

могут быть доведены до 10-12%. Диапазон длины стеклянных волокон, вводимых

в раствор, при их свободной ориентации принимают в пределах 1…5 см.

Таким образом, можно выделить различные

по своему характеру техноло-

гические приемы, которые применяются при изготовлении бетонных смесей,

включающих арматуру в виде волокон. При использовании сравнительно корот-

ких волокон для армирования бетонов (дискретное армирование) наибольшей по-

пулярностью пользуются непосредственное перемешивание волокон с бетонной

смесью либо напыление (торкретирование). При этом формование и обработка

бетонной смеси могут производиться в

сочетании с прессованием, вакуумирова-

нием либо с центрифугированием, способствующим удалению из бетона избы-

точной воды, созданию более плотной структуры материала.

Остальные технологические приемы относятся к армированию бетонов

сравнительно длинными волокнами: пучками нитей, лентами, сетками, тканями,

холстами, матами. Подобное армирование осуществляется, как правило, с направ-

ленной ориентацией волокон по отношению к

действующим усилиям. При арми-

ровании бетонов непрерывными волокнами используется либо метод контактного

формования, предусматривающий последовательную укладку в форму бетонной

смеси и армирующих волокон, либо метод погружения волокон в бетонную мат-

рицу. В ряде случаев нити (ленты) наматываются на сердечник параллельными

рядами с одновременным (или последовательным) набрызгом цементного раство-

ра.

Анализ

работ в области технологии показывает, что в этом направлении еще

не все вопросы получили окончательное решение. Многие технологические мето-

ды находятся в стадии развития. Вместе с тем освоение существующих техноло-

гий наряду с их совершенствованием будет способствовать более широкому вне-

дрению дисперсно армированных бетонов в практику строительства.

2.4 Области применения

дисперсно армированных бетонов

Мировая практика строительства выявила фибробетоны как один из пер-

спективных строительных материалов XXI века.

По мнению специалистов использование дисперсно армированных бетонов

перспективно как в сборных, так и в монолитных конструкциях: дорожных и аэ-

родромных покрытиях, пролетных строениях мостов, полах промышленных зда-

ний, ирригационных каналах, резервуарах и нефтехранилищах, взрыво

- и взломо-

устойчивых конструкциях, тюбингах и обкладках тоннелей и морских пирсов,

подпорных стенах, футеровочных покрытиях, покрытиях в виде дисперсно арми-

рованных торкретных слоев для шахтного и горного строительства, огнезащит-

ных облицовках и т.д. В числе сборных конструкций выделяют также различного

рода объемные блоки и трубы, огнеупорные изделия, элементы и облицовки стен

сложной

конфигурации, лестничные марши, стеновые и кровельные панели, че-

репица, модули плавающих доков, морские сооружения, сваи, обогревательные

элементы, уличная фурнитура, элементы пространственных покрытий и сооруже-

ний, карнизные элементы мостов, железнодорожные шпалы.

Опыт таких стран как США, Великобритания, Япония, Германия, Италия,

Франция, Австрия, а также Россия показал технико-экономическую эффектив-

ность применения

фибробетона в перечисленных конструкциях и областях строи-

тельства.

Все более широко применяется фибробетон с использованием широкого ас-

сортимента фибры: стальной, стеклянной, базальтовой, углеродной, полипропи-

леновой и др. (таблица 15).

Таблица 15 – Свойства различных видов волокон для изготовления фибры

Волокно

Плот-

ность,

г/см

Прочность

на

растяжение,

МПа

Модуль

упругости,

МПа

Удлинение

при

разрыве,

1 2 3 4 5

Полипропиленовое 0,90 400-770 3500-8000 10-25

Полиэтиленовое 0,95 600-720 1400-4200 10-12

1 2 3 4 5

Нейлоновое 1,10 770-840 4200-4500 16-20

Акриловое 1,10 210-420 2100-2150 25-45

Полиэфирное 1,40 730-780 8400-8600 11-13

Хлопковое 1,50 420-700 4900-5100 3-10

Асбестовое 2,60 910-3100 68 000-70 000 0,6-0,7

Стеклянное 2,60 1800-3850 7000-8000 1,5-3,5

Стальное 7,80 600-3150 190 000-210 000 3-4

Углеродное 2,00 2000-3500 200 000-250 000 1-1,6

Карбоновое 1,63 1200-4000 280 000-380 000 2,0-2,2

Полиамидное 0,90 720-750 1900-2000 24-25

Вискозное

сверхпрочное

1,20 660-700 5600-5800 14-16

Базальтовое 2,6-2,7 1600-3200 7000-11000 1,4-3,6

Исследования и практика строительства показали, что для производства и

возведения фибробетонных конструкций в основном может быть использовано

технологическое оборудование, применяемое для традиционного бетона и желе-

зобетона. Дополнительно для некоторых видов фибры нужны механические дис-

пергаторы, которые уже разработаны.

При изготовлении и возведении традиционных конструкций из железобето-

на наиболее трудоемкими являются

арматурные работы. Изготовление сеток, кар-

касов, установка арматуры и ее закрепление в проектное положение, необходи-

мость увеличения толщины конструкции для обеспечения толщины защитного

слоя бетона, сложность соблюдения его величины при бетонировании приводят к

значительным затратам труда. В ряде конструкций, особенно в инженерных со-

оружениях со сложным геометрическим очертанием (например, конической,

бун-

керной или другой подобной формы), во многих пространственных элементах,

круглых плитах не всегда могут быть использованы стандартные сетки. Армиро-

вание подобных конструкций осуществляется, как правило, индивидуально и час-

то отдельными стержнями, что существенно повышает не только трудоемкость

работ, но и приводит к перерасходу дефицитной стали.

Применение дисперсно армированных бетонов

дает возможность исклю-

чить из конструкций значительную часть традиционной стержневой арматуры и

заменить ее фибровой, вводимой в бетон при его изготовлении в бетоносмесите-

ле. Это позволяет значительно снизить трудоемкость работ при изготовлении

сборных элементов на заводах ЖБК, а также непосредственно на строительных

площадках при возведении монолитных конструкций. Применение дисперсно ар-

мированных

бетонов позволяет в ряде случаев обеспечить снижение расхода бе-

тона и стали.

Первый положительный опыт практического применения сталефибробетона

в емкостных сооружениях был получен еще в 1979 г при устройстве монолитного

днища прямоугольного резервуара технической воды размером 12х18 м (в плане)

на Северной водопроводной станции в Ленинграде.

Расход фибр в днище

составлял 120 кг/м

бетона (1,5 % по объему). За счет

сокращения арматурных работ трудозатраты при возведении фибробетонного

днища были уменьшены на 30% по сравнению с трудозатратами при возведении

днища из железобетона. На рисунке 24 представлено монолитное днище резер-

вуара технической воды, выполненное из железобетона и сталефибробетона.

Рисунок 24 - Монолитное днище резервуара технической воды из

железобетона (а) и фибробетона (б) и резервуар в разрезе (в)

В дальнейшем были разработаны конструктивные решения монолитных

днищ из сталефибробетона для емкостных сооружений широкой номенклатуры,

включая прямоугольные резервуары чистой воды вместимостью до 20 тыс.м

сеткой колонн 6х6 м, размером в плане48х108 м, цилиндрические канализацион-

ные первичные и вторичные вертикальные отстойники диаметром 4, 5, 6 и 9 м.

(днища бункерного типа), радиальные отстойники диаметром 18, 24, 30 и 40 м

(днища плоские), а также сборные изделия для сооружений водопровода и кана-

лизации, включая панели перегородок, элементы лотков, изделия круглых колод-

цев.

На рисунке 25 представлены монолитные днища с применением сталефиб-

робетона в канализационных отстойниках.

а – вертикальный отстойник с коническим днищем,

б, в – радиальные отстойники с плоскими днищами;

1 – сталефибробетонное днище, 2 – бетонная подготовка, 3 – железобетон

Рисунок 25 – Монолитные днища с применением сталефибробетона

в канализационных отстойниках

Технико-экономический анализ показал, что замена в канализационных от-

стойниках только 10% традиционных железобетонных днищ днищами из стале-

фибробетона обеспечивает ежегодное снижение расхода бетона в конструкциях

на 1600 м

, стали на 70 т, затрат труда на стройплощадке на 18 тыс. человеко-дней

и уменьшает стоимость строительства.

Представляет интерес применение сталефибробетона в сборных конструк-

циях емкостных сооружений. Для резервуаров с сеткой колонн 3х6 м разработаны

сталефибробетонные панели перегородок толщиной 40 мм вместо 80 мм в типо-

вых конструкциях из железобетона. Применение сталефибробетона в перегород

ках позволяет вдвое снизить расход бетона и на 8% - расход стали.

Несомненный интерес представляет также применение сталефибробетона

для изготовления лотков для водопровода и канализации. Лотки изготавливаются

методом гнутья свежеотформованного слоя фибробетонной смеси. Вначале фор-