CC BY
1
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН
М. И. Бальзанников
Самарский государственный экономический университет, г. Самара
Аннотация
При строительстве низконапорных плотин большое значение придается снижению их стоимости. Поэтому актуальным направлением исследований является разработка рациональных конструктивных решений и эффективных технологий строительства, позволяющих снизить затраты на возведение таких плотин. В статье представлены результаты исследований технологических методов приготовления крупнопористой бетонной смеси для низконапорных плотин. Особенностью рассмотренной технологии является смачивание заполнителя в цементном тесте без перемешивания компонентов.
Ключевые слова
строительство, низконапорная плотина, приготовление бетонной смеси, крупнопористый бетон
Дата поступления в редакцию
27.02.2023
Дата принятия к печати
05.03.2023
Обеспечение надежной работы подпорных гидротехнических сооружений всегда считалось и считается весьма важным требованием, предъявляемом к высоконапорным плотинам [1, 2]. Вместе с тем, при проектировании низконапорных плотин вопросы их надежности отступают на второй план [3], поскольку риски, обусловленные опасностью разрушения таких плотин на несколько порядков меньше по сравнению с более ответственными сооружениями. Более важным фактором, учитываемом при строительстве низконапорных плотин, является их стоимость. Именно поэтому, актуальным направлением развития этих объектов является разработка рациональных конструктивных решений и эффективных технологий строительства, позволяющие снизить затраты на их возведение [4].
Одним из перспективных направлений научных и практических исследовательских работ по снижению стоимости низконапорных бетонных плотин является применение тощего укатанного бетона [5, 6] и формирование тела сооружения из крупнопористого массива [7].
Крупнопористый бетон в нашей стране стал применяться в пятидесятые годы в жилищном строительстве, где смесь традиционно приготавливали перемешиванием компонентов в бетономешалках порционного действия. Аналогичным приемом в заводских условиях изготавливали дренажные элементы для мелиоративного и гидротехнического строительства. Однако, такое решение неприемлемо при послойном возведении гравитационных плотин из крупнопористого бетона.
При укладке и уплотнении излишнее цементное тесто на границе двух смежных слоев сформирует горизонтальную прослойку цементного теста толщиной 1 - 3 см, которая будет препятствовать применению прогрессивного способа охлаждения массивной плотины фильтрацией воды через крупные поры бетона. Для возведения такой плотины из крупнопористого бетона требуется более технологичный способ приготовления бетонной смеси, который обеспечивал бы удаление излишнего цементного теста.
Такой способ и установка для его реализации были разработаны и внедрены в производство Белорусскими исследователями [5]. Сущность решения заключается в том, что крупный заполнитель перемешивают в цементном тесте на смесительных установках непрерывного действия, получают смесь жирной консистенции, излишнее тесто отделяют вибрированием для повторного применения, а готовую смесь выдают потребителю.
Этому способу присущи важные достоинства: надежная гарантия отделения из жирной крупнопористой бетонной смеси вибрацией излишнего содержания цементного теста; стационарная установка для реализации способа по показателю металлоемкости имеет явные преимущества по сравнению с традиционной аналогичной заводской установкой; сокращается до 30 с длительность перемешивания, а также мощность и энергоемкость.
Два ценных свойства присущи крупнопористому бетону при отделении из него излишнего цементного теста. Первое. Обеспечивается высокая однородность бетона по прочности. Коэффициент вариации составляет 0,03 на заполнителях фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм, расчетную прочность бетона необходимо увеличить всего в 1,1 раза. Коэффициент вариации традиционно укатанного бетона составлял 0,20 - 0,22 при использовании максимальной фракции 40 мм и 0,27 - 0,30 мм на фракциях 80 - 120 мм, расчетную прочность бетона требовалось увеличить соответственно в 2,5 и 5,3 раза за счет увеличения расхода цемента выше 100 кг/м3. Расход цемента в крупнопористом бетоне для плотины высотой 80 м не превысит 100 кг/м3 с возможностью снижения за счет применения пластифицирующих добавок.
Второе. При неизменном расходе цемента прочность крупнопористого бетона не зависит от крупности заполнителя, полученного из одного карьера. Закономерность выявлена исследованиями на заполнителях фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм. Поэтому закономерности целесообразно подтвердить исследованиями на фракциях 20 - 40 и 40 - 80 мм. Применение таких фракций будет способствовать снижению стоимости крупнопористого бетона при возведении гравитационных плотин.
Наряду с отмеченными положительными факторами, рассмотренному способу присущи характерные недостатки. Установка относительно громоздка и предназначена для применения в заводских условиях, а не в построечных стесненных площадках, вращающиеся элементы с сетчатыми лопастями подвержены интенсивному истиранию от абразивных свойств крупного заполнителя. Кроме того, не отражены технологические режимы по обеспечению стабильных свойств смеси; не приведена методика определения геометрических характеристик смесителя (диаметр, длина) для определения необходимой технологической производительности установки.
На основе анализа достоинств и недостатков известного решения, гидротехниками Самарского строительного университета, в частности, кандидатом технических наук Осиповым С. В., в содружестве с проектировщиками и строителями были предложены более совершенный способ приготовления крупнопористой бетонной смеси и установка для приготовления непрерывного действия. Главное отличие разработанного способа заключалось в том, что крупный заполнитель смачивают в цементном тесте без традиционного перемешивания [8]. Достигается это тем, что используют стационарную емкость, которую заполняют цементным тестом. В нее же сбрасывают заполнитель,
03
г
м О
-I
м
Э СО
>5
0
1 I
0 н
<и ю
к
1
<и ц
и о н о
а с
Ш Е
X X
< £ 2 I
ч
Ш 1
<и
х о ■ и
2 о
где он смачивается без перемешивания, а жирную смесь извлекают винтовым конвейером и одновременно отделяют излишнее тесто, как и в решении по прототипу.
Установка состоит из следующих соединенных между собой конструктивных элементов: стационарной ванны с вибропобудителем на днище, разгрузочного питателя (винтового или шнеко-вого конвейера) и размещенного под ним возвратного растворопровода и вибропобудителя. Над ванной помещен турбулентный смеситель цементного теста и загрузочный питатель заполнителя. Днище ванны отделено от ее корпуса эластичной водонепроницаемой прокладкой, через которую вибропобудителем цементное тесто поддерживают в тиксотропном состоянии. Разгрузочный питатель размещен в ванне с возможностью изменять угол наклона к горизонту до 20° и возможностью поворота вокруг оси на 180° после истирания корпуса от абразивного воздействия смеси. По периферии корпуса образована щелевая перфорация; резервные щели временно заделывают, например эластичными заглушками. Ванна с разгрузочным питателем размещена на платформе двухосного шасси и имеет возможность вращаться в плане на 360°.
Установка функционирует следующим образом. Цементное тесто нужной консистенции приготавливают турбулентным смесителем и подают в стационарную ванну по мере ее потребления; загрузочным питателем в ванну сбрасывают заполнитель, гранулы которого смачиваются в пластичном цементном тесте при падении на дно ванны; от воздействия вибровозбудителя тиксо-тропное состояние теста ускоряет процесс смачивания гранул. Готовая, жирная смесь извлекается разгрузочным питателем. При этом из жирной смеси вибропобудителем отделяют излишнее тесто, которое через перфорацию корпуса питателя поступает в растворопровод и самотеком возвращается в ванну для повторного применения, а готовая смесь выдается потребителю.
Особенности применения способа и установки непрерывного приготовления крупнопористой бетонной смеси выявлены при разработке сопоставительных экспериментальных вариантов проекта возведения гравитационной плотины Ташкумырского гидроузла. Основные характеристики плотины и технологии ее возведения: высота — 80 м; объем бетона - 300 тыс. м3; срок строительства — 7 мес.; расчетная интенсивность возведения - 43 тыс. м3/мес. или 80 м3/час.
Предварительными расчетами выявлено, что интенсивность 43 тыс. м3/мес возможно обеспечить одной установкой диаметром разгрузочного винтового конвейера 0,75 м производительностью в пределах 48 - 77 тыс. м3/мес. Она создаст резерв интенсивности подачи смеси примерно в 10 - 80%. К реализации рекомендуется принимать две установки.
В гребневой части плотины предусмотрено разместить: склад щебня, автопогрузчик, загрузочный питатель с приемной емкостью, две спаренные установки непрерывного действия, два бремсберга для подачи крупнопористой бетонной смеси к месту укладки. Щебень на резервный склад подают автосамосвалами либо по потребности, либо в резерв.
Возможность реализации предлагаемого способа подтверждена экспериментально в полигонных условиях при температуре наружного воздуха 22 - 30°С в дневное время. Эксперимент проводился под научным руководством к. т. н. Осипова С. В. В опытах использовали: шлакопортланд-цемент марки 400 Жигулевского цементного завода, щебень фракций 5 - 20 и 10 - 40 мм Сокского карьера, который отгружали грейферными кранами с открытых складов речного порта г. Самары, транспортировали автосамосвалами на 90 км и разгружали в приобъектный склад трапецеидальной формы высотой 0,6 м.
Было проведено две серии опытов приготовления крупнопористой бетонной смеси: традиционным перемешиванием щебня с цементным тестом и смачиванием щебня в цементом тесте. Составляющие бетона отмеряли по объему при расходе цемента 100 кг/м3, воды — 50 л/м3 из рас-
чета В/Ц = 0,5 с целью получить бетон морозостойкостью не ниже Мрз 50 без применения добавок.
Бетонную смесь первой серии приготавливали в емкости корытообразной формы. При этом пылеватые и песчаные фракции мельче 1 мм удаляли просеиванием через наклонное сито из щебня. В смесительную емкость засыпали 8 л щебня равномерным слоем, затем — нормативную порцию цемента, из лейки заливали воду, компоненты вручную лопатой перемешивали до равномерной консистенции крупнопористой бетонной смеси.
Как и ожидалось, первые опыты показали, что процесс перемешивания оказался чрезмерно трудоемким. Он не обеспечивал равномерного распределения цементного теста по поверхности гранул заполнителя из-за ускоренного обезвоживания теста в поверхностные слои гранул естественной влажности при сухой погоде и скорости ветра 1 - 5 м/с. Потери воды на естественное водопоглощение щебня и цемента компенсировали дополнительной порцией воды.
В последующих замесах вначале предварительно перемешивали компоненты при В/Ц = 0,5, а затем вводили добавочные порции воды, при которых обеспечивалось равномерное распределение теста по поверхности гранул заполнителя. Необходимый результат получили при добавке воды из расчета 25 - 32 л/м3. Крупнопористую бетонную смесь получили с конечным (технологическим) показателем водоцементного отношения В/Ц = 0,75 - 0,82.
Анализ показал, что дополнительная добавка воды — результат неоднородности естественной влагоемкости щебня при хранении на складах: поверхностные слои щебня обезвоживались от негативного воздействия ветра и солнечной радиации. С учетом выявленного была откорректирована последовательность приготовления смеси. Для этого щебень в складе интенсивно поливали водой из шланга; профильтрованную воду (фильтрат) с пылеватыми фракциями отводили за пределы склада. Такой режим увлажнения эквивалентен промывке щебня в заводских условиях и способствует снижению расхода цемента.
Экспериментально выявлялась эффективность двух режимов обезвоживания переувлажненного заполнителя до начала его применения: первый — с интервалом 5 - 10 минут; второй — 10 часов (длительность ночного перерыва). Опыты показали, что первый режим не имел необходимой технологической влажности и не обеспечивал равномерного смачивания гранул щебня цементным тестом. Гравитационная влага на поверхности гранул увеличивала показатель В/Ц теста выше проектного. Как следствие, часть поверхностей гранул заполнителя оказывалась оголенной, что явно способствовало снижению прочности бетона.
Для возведения помещения применяли второй режим (длительность технологического обезвоживания за рабочую смену). Он обеспечивал позитивный результат. На последующих стадиях исследований необходимо было выявить предельно минимальную длительность, например, за счет применения вибрации заполнителя, обдувки сжатым воздухом непосредственно перед смачиванием в тесте.
Второй серией опытов отображали способ смачивания щебня в цементном тесте за 5 - 30 с, после чего из жирной крупнопористой бетонной смеси выделяли излишнее тесто встряхиванием при частоте 1 ц/с. Для этого использовали три емкости. Первую емкость (15 л) заполняли тестом. В нее опускали вторую емкость (8 л), перфорированную по поверхности, через перфорацию она заполнялась тестом, в нее с высоты 0,5 м сбрасывали заполнитель, который смачивался за 5, 10, 30 с. Затем перфорированную емкость с жирной крупнопористой бетонной смесью извлекали, встряхиванием удаляли излишнее тесто и получали готовую смесь. При этом качество смачивания поверхностей щебня оценивали визуально.
Анализ показал, что равномерное смачивание поверхности щебня фракций 5 - 40 мм в малопластичном тесте (В/Ц = 0,5) обеспечивалась за 5 - 7 с при последующем встряхивании в течение
03
г
м О
-I
м
Э СО
>5
0
1 I
0 н
<и ю
к
1
<и ц
и о н о
а с
Ш Е
X X
< £ 2 I
ч
Ш 1
<и
х о ■ и
2 о
30 с; основная масса теста выделялась за 10 - 15 с. Следовательно, если в стационарной емкости поддерживать тесто в тиксотропном состоянии, то щебень будет смачиваться в тесте практически мгновенно. На последующих стадиях отработки технологии приготовления смеси необходимо было обосновать оптимальные режимы виброотделения излишнего теста за период (15 - 17 с) извлечения крупнопористой бетонной смеси из стационарной емкости трехметровым разгрузочным конвейером.
Последующими экспериментами выявлялось влияние режимов приготовления крупнопористой бетонной смеси смачиванием щебня в цементном тесте на свойства бетона при бетонировании, выдерживании и эксплуатации. Важно было установить возможность формирования следующих негативных факторов: образование цементных прослоек в плоскости смежных слоев из-за оседания теста при уплотнении; отслаивание гранул щебня с уплотненной поверхности слоя; разрушение бетона от попеременного замораживания-оттаивания и др.
Готовую смесь вручную укладывали в опалубку слоями 20 - 25 см, уплотняли трамбованием. Процесс прекращали, когда при ударах чувствовалась упругая отдача и слышался упругий звук удара трамбовки. При перерывах длительностью 0,5 - 1,0 ч уплотненный слой в опалубке прикрывали крафт-бумагой; при перерывах длительностью 8 ч и более применяли дополнительное укрытие мешковиной, которую в дневное время первых двух суток твердения периодически увлажняли.
После снятия опалубки обнаженные поверхности осматривали с целью выявления негативных явлений процесса бетонирования. Обследованием установлено, что даже при интенсивном уплотнении смеси, на границах смежных слоев не обнаружены цементные прослойки, которые препятствовали бы применению идеализированного способа охлаждения плотины (проточной водой через поры крупнопористого бетона). Есть основания утверждать, что таких прослоек не будет формироваться не только при уплотнении крупнопористой бетонной смеси пневмокатками, но и при использовании более эффективных виброкатков.
Большинство обнаженных поверхностей возведенной части помещения затиралось цемент-но-песчаным раствором состава 1:3 по объему (цемент-песок); остальные поверхности оставляли обнаженными для визуального анализа поведения бетона за длительный период. Горизонтальные поверхности последних слоев бетона после выдерживания также оставляли открытыми и подвергались воздействию дождей в осенне-зимний и зимне-весенние периоды попеременному замораживанию-оттаиванию. Негативное воздействие этих факторов ежегодно оценивались в течение всего периода одиннадцатилетней консервации объекта.
Визуальная оценка и простукивание молотком не выявили явных дефектов, отдельные гранулы не отделялись от ударов молотка. Если учитывать одно из известных мнений (впрочем, не однозначное), что год эксплуатации бетона в сооружении эквивалентен 10 стандартным циклам замораживания в лабораторных условиях, то не трудно заключить, что крупнопористый бетон объекта по морозостойкости превышает марку Мрз 100 без использования добавок. Их применение, при необходимости, позволит повысить этот показатель многократно.
Приведенный вывод важен тем, что подтверждает правомерность рекомендации использовать крупнопористый бетон как морозостойкий элемент в низовой грани гравитационной плотны взамен элемента из монолитного бетона.
Эксперименты, проведенные в полигонных условиях, подтвердили эффективность приготовления крупнопористой бетонной смеси способом смачивания с минимальными затратами времени (5 - 7 с) против 30 с при способе перемешивания.
Выводы:
1. Разработан перспективный способ приготовления крупнопористой бетонной смеси смачиванием заполнителя в цементном тесте без перемешивания компонентов и мобильная установка непрерывного действия для реализации такого способа.
2. Возможность реализации в гидротехническую практику перспективного способа приготовления крупнопористой бетонной смеси смачиванием заполнителя в цементном тесте подтверждена экспериментами в полигонных условиях. При этом выявлены характерные показатели технологических режимов способа, определяющих конструктивно-технологические характеристики установки непрерывного действия.
Библиографический список
1. Янченко А. В. О гидротехнических сооружениях повышенной ответственности и гидротехнических сооружениях повышенного уровня ответственности // Приволжский научный журнал. 2018. № 3 (47). С. 78 - 84.
2. Юделевич А. М. Системный подход к оценке надежности бетонных плотин // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева. 2017. Т. 284. С. 82 - 88.
3. Жарницкий В. Я., Андреев Е. В., Зайцев Ю. В., Баюк О. А., Шлапак В. В. Вероятностный статистический подход к оценке эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин // Природообустройство. 2014. № 5. С. 49 - 54.
4. Бальзанников М. И., Родионов М. В., Сеницкий Ю. Э. Повышение эксплуатационной надежности низконапорных гидротехнических объектов с грунтовыми плотинами // Приволжский научный журнал. 2012. № 2. С. 35 - 40.
5. Дадиани Н. З. Технологические особенности строительства плотин из укатанного бетона // Гидротехническое строительство. 2018. № 6. С. 49 - 54.
6. Толстиков В. В., Карлуш А. Б. Исследование работоспособности гравитационной плотины из особо тощего укатанного бетона // Естественные и технические науки. 2015. № 11 (89). С. 617 - 619.
7. Бальзанников М. И. Совершенствование технологии сооружения бетонных плотин ГЭС // Известия вузов. Строительство. 2021. № 3. С. 68 - 77.
8. Патент РФ 2102360. Способ приготовления крупнопористой бетонной смеси / Рыжов В. А., Конько В. В., Осипов С. В. — Опубл. 20.01.1998.
FEATURES OF CONCRETE MIX PREPARATION TECHNOLOGY FOR LOW-PRESSURE DAMS
M. I. Balzannikov
Samara State University of Economics, Samara
ID
Z м
О
-I
м
D CD
>s
0
1 i
0
H
(U Ю
к s
1
(U
u
о
H
о l_ s a с
s
Ш E
ii X X
< £
3 с
4
LO 1
<U
s ю s о ■ и Z О
Abstract
In the construction of low-pressure dams, great importance is attached to reducing their cost. Therefore, the current area of research is the development of rational design solutions and effective construction technologies that reduce the cost of building such dams. The article presents the results of studies of technological methods for the preparation of large-pore concrete mixture for low-pressure dams. A feature of the technology considered is the wetting of aggregate in cement dough without mixing the components.
The Keywords
construction, low-pressure dam, preparation of concrete mixture, coarse-porous concrete
Date of receipt in edition
27.02.2023
Date of acceptance for printing
05.03.2023
Ссылка для цитирования:
М. И. Бальзанников. Особенности технологии приготовления бетонной смеси для низконапорных плотин. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 14 - 20.
