Библиографическое описание:

Зулкарнеев Г. С., Мелентьев А. С., Гафиятуллина Н. М., Гуцкалов И. И. Эффективность применения высокопрочного бетона при возведении железобетонных промышленных газоотводящих труб // Молодой ученый. — 2016. — №9. — С. 150-156.



На основе данных литературных источников рассмотрены эффективность применения ВПБ при возведении промышленных железобетонных дымовых труб, технология получения и сферы применения высокопрочного бетона. Выявлены основные закономерности влияния повышенных температур на характеристики физико-механических свойств высокопрочного бетона.

Ключевые слова: промышленные трубы, высокопрочный бетон (ВПБ), ствол сооружения.

На сегодняшний день актуальным является вопрос реконструкции существующих и строительства новых зданий и сооружений для промышленных предприятий. Одними из наиболее сложных с точки зрения проектирования и возведения являются промышленные газоотводящие (дымовые и вентиляционные) трубы, которые используются в металлургическом комплексе, в энергетике, в химической промышленности и в других отраслях. Важным фактором влияния на работу таких сооружений является воздействие повышенных температур и агрессивной газовой среды. Для возведения таких сооружений перспективным представляется применение высокопрочного бетона. Однако закономерности изменения физико-механических свойств таких бетонов в условиях нагрева экспериментально изучены недостаточно [1].

В связи с этим отмечается особая важность в обосновании возможности применении новых и эффективных материалов для возведения и усиления железобетонных конструкций.

Эффективным для возведения промышленных газоотводящих труб представляется применение высокопрочного бетона (ВПБ). Благодаря уникальными свойствами ВПБ нашел применение при возведении таких строительных объектов как тоннель под Ла-Маншем, 125-этажный небоскреб в Чикаго, мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом 1900 м и многие другие здания и сооружения. В мире такой бетон получил название «High Performance Concrete» (бетон высокого качества).

Широкое внедрение в практику строительство получили модифицированные бетоны на основе органоминеральных модификаторов, которые придают бетону высокую эксплуатационную надежность в конструкциях, высокую (55…80 МПа) и сверхвысокую (выше 80 МПа) прочность, низкую проницаемость, повышенную коррозионную стойкость и долговечность [2]. Именно совокупность указанных факторов вызывает интерес к ВПБ, как к эффективному материалу для возведения промышленных железобетонных труб, в сравнении с традиционно применяемыми бетонами средних классов по прочности.

Объектом данного исследования является ствол железобетонный дымовой трубы высотой Н=250 м, проектируемый в двух вариантах — из обычного бетона класса B30 и из ВПБ класса B80. На основании рассмотрения результатов расчета и оценивается эффективность применения ВПБ.

Задачи исследования:

  1. Оценить эффективность применения ВПБ для промышленных дымовых труб высотой 200 м;
  2. Выполнить анализ и обобщение эффективных технологий получения и применения высокопрочного бетона на объектах в развитых странах.
  3. Выявить на основе анализа литературных источников основные закономерности влияния повышенных температур на характеристики физико-механических и реологических свойств ВПБ;

Эффективность применения ВПБ

В России на сегодняшний день в эксплуатации находятся более 2000 железобетонных дымовых и вентиляционных труб [3]. Они обслуживают более 15 % ТЭС, из них более 40 % находятся в эксплуатации от 35 до 55 лет, при эксплуатационном ресурсе 50 лет.

В дымовых и вентиляционных железобетонных трубах после 30 лет эксплуатации отмечается снижение прочности бетона до 30–50 % [3]. Это обусловлено действием агрессивных отводимых газов, влиянием повышенных температур и влаги отводимых газов.

В настоящее время с появлением современных высокопрочных модифицированных бетонов нового поколения возведение промышленных труб из традиционного тяжелого бетона становится экономически менее выгодно [4]. Эффективной заменой может послужить ВПБ благодаря своим уникальным свойствам — высоким прочностным характеристикам, долговечности, морозостойкости и водонепроницаемости [4].

Проведенные исследования в работе [2, 4] подтверждает тот факт, что применение ВПБ приводит к экономии материала. Для труб высотой 250 м снижение расхода бетона составляет 25 %. При уменьшении толщины стен ствола дымовых труб при использовании ВПБ снижаются продольные усилия от веса сооружения до 20 %, снижение температурных моментов в горизонтальных сечениях — до 29.5 %, в вертикальных — до 48 %. При этом суммарные горизонтальные перемещения уменьшаются до 10 %. Показатели эффективности приведены на рис.1 [2].

Рис. 1. Показатели эффективности применения ВПБ в промышленных железобетонных трубах H=250 м [2]

Таким образом, эффект от применения ВПБ для возведения стволов дымовой трубы возрастает с увеличением высоты сооружений. Для труб высотой H=250 м расчетное снижение расхода бетона может достигать 28 % [4].

Анализ технологии получения и сферы применения высокопрочного бетона

Высокопрочные бетоны применяют в промышленном, гражданском, энергетическом и других видах строительства. Применят их для повышения несущей способности конструкций и изделий, для снижения расхода бетона и арматуры, снижения трудоемкости и стоимости строительства, повышения долговечности изделий и конструкций, а также для унификации опалубочных форм [5].

Наиболее эффективен высокопрочный бетон в конструкциях, работающих на сжатие, в которых достигается наибольшее снижение объема бетона и расхода арматурной стали. Целесообразно применять такие бетоны в изгибаемых предварительно напряженных конструкциях, особенно с облегченными сечениями (двутавровыми, тавровыми, пустотелыми и др.) и при повышении класса применяемой арматуры [5].

Также высокопрочный бетон используют для изготовления изделий и конструкций крановых и бескрановых колонн одноэтажных промышленных зданий, колонн нижних и средних этажей многоэтажных каркасных зданий, стропильных конструкций (балок, ферм, плит пролетом 18 и 24 м), а также для ребристых плит покрытий размером 312 м при нагрузках, превышающих 100 МПа, для подкрановых балок двутаврового сечения пролетом 6 и 12 м, ригелей, ребристых плит перекрытий, шахтной крепи, опор ЛЭП, тюбингов, аэродромных плит, мостовых конструкций, напорных труб и др. [11]

В качестве вяжущего для изготовления высокопрочных бетонов применяют портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцементы и их разновидности, соответствующие требованиям [6].

В качестве мелкого заполнителя используют пески, отвечающие требованиям [7]. Рекомендуется использовать крупно- и среднезернистые пески, содержащие минимальное количество глинистых и отмучиваемых примесей. При обеспечении требуемых характеристик бетонных смесей и бетонов путем введения суперпластификаторов и при соответствующем технико-экономическом обосновании допускается применять мелкие пески с модулем крупности Мкр не менее 1.0. [11]

В качестве крупного заполнителя применяется фракционированный щебень, удовлетворяющий требованиям [7]. Максимальная крупность зерен щебня должна быть не более 1/3 толщины изготовляемой конструкции и не более 2/3 расстояния между элементами арматурных каркасов и не должна превышать 40 мм. Для приготовления высокопрочных бетонов рекомендуется щебень из прочных горных пород (граниты, диабазы, кремнистые известняки и др.), после дробления которых получаются зерна с шероховатой поверхностью. Не рекомендуется использовать в качестве заполнителя гравий, а также щебень с гладкой поверхностью. Исходная горная порода, применяемая для приготовления щебня, должна иметь прочность при сжатии, как правило, не менее 100 МПа. При введении эффективных пластифицирующих добавок, соответствующем снижении В/Ц и технико-экономическом обосновании допускается использовать менее прочные горные породы с прочностью не ниже 80 МПа.

Для изготовления высокопрочных бетонов рекомендуются однокомпонентные и комплексные пластифицирующие добавки, перечень которых приведен в табл. 1. Пластифицирующие добавки вводят в бетонные смеси с целью снижения расхода воды (В/Ц) и обеспечения требуемой прочности бетона при использовании цементов наиболее распространенных марок (400...500), а также при применении заполнителей пониженной прочности. Добавки обеспечивают также снижение расхода цемента при сохранении неизменной удобоукладываемости смесей и постоянной прочности бетона, повышению экономичности и улучшению технических характеристик высокопрочных бетонов (усадки, трещиностойкости, длительной прочности и др.). Добавки эффективны при использовании материалов с повышенной водопотребностью (цементов с минеральными добавками, мелких песков), для увеличения подвижности смесей, что позволяет снизить длительность, трудоемкость и энергоемкость их укладки и уплотнения при формовании густоармированных конструкций и конструкций сложной конфигурации. Они служат также обеспечению требуемой при укладке подвижности смеси, особенно при повышенной ее температуре, без увеличения расхода цемента.

Для повышения однородности высокоподвижных и литых смесей, а также для снижения расхода цемента при изготовлении высокопрочных бетонов рекомендуется использовать дисперсные минеральные добавки (золы ТЭС по [8], гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки по [9]), ориентировочное количество которых принимается порядка 20...25 % от массы песка и уточняется экспериментальным путем. Наиболее предпочтительны золы сухого отбора от сжигания каменных углей, содержащих незначительное количество несгоревшего топлива и характеризующиеся низкой водопотребностью и высокой гидравлической активностью.

Для улучшения физико-механических свойств бетона и повышения коррозионной стойкости стальной арматуры можно использовать химические добавки других видов, включающие пластифицирущий компонент, а также минеральные добавки после предварительной проверки свойств бетонных смесей и бетонов, и технико-экономического обоснования целесообразности их применения.

Таблица 1

Основные пластифицирующие добавки квысокопрочным бетонам [11]

Наименование добавки

Условное обозначение

Стандарт или ТУ на добавки

Ориентировочное количество добавки врасчете на сухое вещество,% массы цемента

Однокомпонентные

Суперпластификаторы — разжижитель

С-3

ТУ 6-14-625-80 с изм № 1

0,4–0,8

МФ-АР

ТУ 6-05-1926-82

0,4–0,8

10–03

ТУ 44-3-505-81

0,4–0,8

Лигносульфонаты техничексие

ЛСТ

ОСТ 13-183-83

0,2–0,3

Упасенная последрожжевая барда

УПБ

ОСТ 18-126-83

0,2–0,3

Комплексные

Суперпластификатор — разжижитель + лигносульфонаты технические

С-3 + ЛСТ

ТУ 6-14-625-80 и ОСТ 13-183-83

(0,3–0,7) + (0,1–0,2)

Суперпластификатор — разжижитель + щелочной сток производства капролактама

С-3 + ЩСПК

ТУ 6-14-625-80 и ТУ 113-03-488-84

(0,3–0,7) + (0,1–0,2)

Лигносульфонаты технические + щелочной сток производства капролактама

ЛСТ + ЩСПК

ОСТ 13-183-83 и ТУ 113-03-488-84

(0,1–0,2) + (0,1–0,2)

Примечание:

  1. Приведенные данные к бетонам на среднеалюминатных портландцементах (6…9 % С3А) и портландцементах с добавкой шлака.
  1. С увеличением содержания С3А более 9 % и при переходе к быстротвердеющим цементам количество добавки повышается на 20 % среднего значения, а при уменьшении С3А менее 6 % — снижается на такую же величину;
  1. При использовании портландцемента с активными минеральными добавками количество добавки увеличивается на 15 % среднего значения.

Количество воды затворения, вводимой в бетонную смесь, уменьшается на количество воды, содержащейся в растворе добавки, которое определяют по формуле [11]:

(1)

где Д — количество добавки, вводимой в бетонную смесь в расчете на сухое вещество, кг; С — концентрация водного раствора добавки, %.

Выявление основных закономерностей влияния повышенных температур на характеристики физико-механических свойств ВПБ

Известны экспериментальные исследования прочностных и деформационных свойств модифицированных бетонов прочностью 70 МПа, в том числе в условиях кратковременного и длительного нагрева до +200С [1].

В качестве основных объектов исследования приняты образом из мелкозернистого и тяжелого высокопрочного бетона с модификаторами МБ 10–50С и МБ 10–01 [3], содержащими микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор и регулятор твердения. Составы бетонов: тяжелого Ц: П: Щ — 1: 1,1: 2,2 при В/Ц- 0,3 с модификатором МБ 10–01 в количестве 20 % от массы цемента (ОК — 21 см); мелкозернистого — Ц: П- 1: 1,8 при ВЦ 0.26 с модификатором МБ 10–50С в количестве 10 % от массы цемента (ОК ~ 25 см). Для приготовления смесей использовались: цемент М500 ОАО «Балцем», песок кварцевый Краснолиманского песчаного карьера, щебень гранитный Караньского карьера фракции 5...20 мм. вода водопроводная. В мелкозернистых бетонах использовался кварцевый песок Просяновекого карьера с модулем крупности 1.9. Опытные образцы — кубы с ребром 100 и 150 мм, призмы размерами 100x100x400 и 150x150x600 мм. Условия хранения температура — 20±2°С и относительная влажность W = 90+10 % [1].

Скорость повышения температуры при нагревании принималась равной 15сС/час, продолжительность кратковременного нагрева до начала прессовых нагружений при температурах +90°. +150° и +200°С составляла 15, 13 и 12 часов соответственно, что отвечает времени достижения минимальной прочности у обычных тяжелых бетонов при аналогичных температурах испытания [12]. Продолжительность дли тельного нагрева составляла соответственно температурам испытания 21, 30 и 40 суток.

Температурные деформации удлинения модифицированного тяжелого бетона у образцов-призм размерами 150x150x600 мм при первом кратковременном нагреве до +190°, + 150° и + 200°С составили соответственно 82*10–5, 128,9*10–5 и 166*10–5, при длительном нагреве — 43,8*10–5, 93,9*10–5 и 129,2*10–5. Полные температурные деформации укорочения в остывшем состояния после длительного нагрева составили соответственно температурам нагрева (-13,6) *10–5, (-11,0) *10–5 и (-6,5) * 10–5.

Относительные деформации температурной усадки бетона за период длительного изотермического нагрева при температурах +90°, +150° и +200°С составили 38,2*10–5, 35,0*10–5 и 36,8–10–5.

Рис.2. Влияние повышенных температур на относительные изменения прочности (а), начального модуля упругости (б), предельной сжимаемости (в), коэффициента упругости (г), и коэффициента поперечных деформаций (д), высокопрочного модифицированного бетона при осевом сжатии [1]:

[1]

Коэффициенты линейной температурной деформации bt, для модифицированных бетонов при первом кратковременном нагреве в исследованном диапазоне температур оказались близкими по величине и составили порядка (9,2–11,7)*10–6 град-1, при длительном нагреве до температур +90°, +150° и +200°С их величины снизились до значений соответственно 6,5*10–6, 7,2*10–6 и 7,2*10–6 град-1. Кратковременный нагрев тяжелого бетона до температур +90°, +150° и + 200°С привел, в сравнении с характеристиками при нормальной температуре, к снижению призменной прочности соответственно на 10 %, 3 % и 4 %, начального модуля упругости бетона на 21 %, 27 % и 52 %, к увеличению предельной сжимаемости на 9 %, 17 % и 34 % соответственно (рис. 1).

Длительный нагрев при тех же температурах обусловил частичное восстановление прочности бетона в сравнении с кратковременным нагревом до уровней соответственно 0,95. 1,05 и 0.98 от прочности не нагревавшегося бетона, уменьшение начального модуля упругости на 25 %, 37 % и 42 % и увеличение предельной сжимаемости на 21 %, 38 % и 75 % в сравнении с соответствующими значениями характеристик до нагревания.

C:\Users\GAFURI~1\AppData\Local\Temp\FineReader12.00\media\image5.jpeg

Рис.3. Влияние кратковременного нагрева до +200оС на линейные деформации высокопрочного тяжелого модифицированного бетона при осевом сжатии. [1]

Кратковременный нагрев мелкозернистого модифицированною бетона до температур +90°, + 150° и + 200°С не приводит к снижению прочности (прирост до 5 %) по сравнению с ненагревавшимся бетоном, однако обусловливает снижение начального модуля упругости на 20 %, 28 % и 33 % и увеличение предельной сжимаемости на 18 %, 24 % и 27 % соответственно.

Значения коэффициентов поперечных деформаций µ у модифицированного бетона на гранитном щебне при кратковременном нагреве до +90°, + 150° и +200°С снижаются на 17 %, 28 % и 72 % соответственно и существенно не зависят от продолжительности нагрева (рис. 1д). Данная характеристика у мелкозернистого бетона при тех же температурах нагрева снижается соответственно на 17 %, 34 % и 38 % [1].

Заключение

Применение высокопрочного бетона представляется возможным вследствие большого количества добавок, возможностью доступного производства, а также значительного превосходства над обычными видами бетонов. Это позволяет сократить вес конструкций и достигнуть высоких прочностных характеристик.

Результат исследования свидетельствует о хороших перспективах применения высокопрочного бетона при возведении промышленных железобетонных труб. По предварительным оценкам снижение расхода бетона для дымовых труб высотой 250 м может составить 25 %, а уменьшение толщины стенок стволов — на 31 % при незначительном изменении армирования.

Литература:

  1. Корсун А. В., Мельник А. В., Недорезов А. В., Влияние повышенных температур на прочность и деформации высокопрочных модифицированных бетонов//Сборник докладов международной научно-технической конференции студентов. — Москва, 2008. -С. 142–146.
  2. Каприелов С. С., Батраков В. Г., Шейнфельд А. В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива// бетон и железобетон. — 1999. — № 6(501). — С.6–10.
  3. Рекомендации по применению материалов торговой марки «MAPEI» для ремонта и реконструкции дымовых и вентиляционных промышленных труб на энергопредприятиях.
  4. Корсун В. И., Волков А. С., Оценка эффективности применения высокопрочных бетонов для возведения дымовых труб// Макеевка, ДонНАСА. 2009.-С.60–64.
  5. Рекомендации по технологии изготовления и конструкций из высокопрочных бетонов
  6. Косун В. И., Волков А. С. Механические и реолагические свойства высокопрочных модифицированных бетонов при осевом сжатии. — Харьков, ХНАГХ 2009. — С. 130–140.
  7. ГОСТ 10178–85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия// Москва, 1987.
  8. ГОСТ 26633–2012. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия// Москва, 2014.
  9. ГОСТ 25818–91. Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов// Москва, 1991.
  10. ГОСТ 3476–74. Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов//Москва, 1975.
  11. Рекомендации по технологии изготовления и конструирования из высокопрочных бетонов// Москва, 1987
  12. Корсун В. И., Корсун А. В., Волков А. С. Прочность и деформации высокопрочных мелкозернистых модифицированных бетонов в условиях кратковременного нагрева до +200оС// Одесса: ОДАБА 2007. — С. 207–212.
  13. Зайченко Н. М. Высокопрочные тонкозернистые бетоны с комплексно модифицированной микроструктурой// Макеевка, ДонНАСА. 2009.-С.168–172.
  14. Коробов Л. А., Жарков А. Ф., Шерник А. О., Дымовые и вентиляционные трубы высотой 200–500 метров как пространственные сооружения. — М.: Компания Спутник +, 2006. — 246 с.
  15. Мещерин В.: «Высокопрочные и сверхпрочные бетоны: технологии производства и сферы применения». СтройПРОФИль № 8(70) 2008.
  16. Teichmann, Th., Bunje, K., Schmidt, M., Fehling, E.: Durability of Ultra High Performance Concrete (UHPC). Proceedings of the 6th International Symposium on Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Leipzig 2002.
  17. Мещерин, В. Высокопрочный и сверхпрочный бетон — технологии производства и сферы применения / В. Мещерин // ICCX Санкт-Петербург. — 2007. — С. 24–28.
  18. Корсун В. И., Корсун А. В., Влияние масштабного фактора и повышенных температур на прочность и деформации высокопрочного модифицированного бетона // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 179–188.
  19. Баженов Ю. М.,МамаевскийВ.Н., Ершова Т. А. Высокопрочный бетон с химическими добавками // Бетон и железобетон. — 1977. — № 8. — С. 29–31.
  20. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Технопроект, 1998. — 768 с.
  21. Каприелов С. С., Батраков В. Г., Шейнфельд А. В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива // Бетон и железобетон. — 1999. — № 6. — С. 6–10.
  22. Evandro Tolentino, Fernando S. Lameiras, Abdias M. Gomes, Claudio A. Rigo da Silva and Wander L. Vasconcelos. Effects of High Temperature of the Residual Performance of Portland Cement Concretes // Mat. Res. — 2002. — Vol. 5, № 3.
  23. Galle C., Sercombe J., Pin M., Arcier G. and Bouniol P. Behavior of High Performance Concrete Under High Temperature (60–450оC) for Surface Long-Term Storage: Thermo-Hydro-Mechanical Residual Properties // Mat. Res. Soc. Proc. — 2001. — Vol. 663.
  24. Kodur V. K. R., Wang T. C., Cheng F. P. and Sultan M. A. A model for evaluating the fire resistance of high performance concrete columns // 7th International Association of Fire Safety Science Symposium, Worcester, MA., June 2002, pp. 1013–1024.
  25. Walter H. Dilger and Changqing Wang. Shrinkage and Creep of High- Performance Concrete (HPC) — A Critical Review. Proceeding Las Vegas, June 12, 1995. Simposium of Concrete Technology.
Основные термины (генерируются автоматически): высокопрочного бетона, применения высокопрочного бетона, высокопрочных бетонов, повышенных температур, прочности бетона, расхода бетона, снижение расхода бетона, модифицированных бетонов, модифицированного бетона, применение высокопрочного бетона, высокопрочного модифицированного бетона, тяжелого бетона, изготовления высокопрочных бетонов, применения ВПБ, дымовых труб, труб высотой, начального модуля упругости, сферы применения высокопрочного, промышленных железобетонных, эффективность применения ВПБ.

Ключевые слова

промышленные трубы, высокопрочный бетон (ВПБ), ствол сооружения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос