Технология сухого торкретирования с применением трехступенчатой электростатической обработки цементно-песчаной смеси тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лобода Дмитрий Владимирович

• Лобода Дмитрий Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Лобода Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТОРКРЕТИРВАНИЯНИЕМ

1.1. Обзор развития технологий возведения инженерных сооружений с применением торкрет-бетона

1.2. Исследование основных способов торкрет-систем для поточного строительного производства

1.3. Обзор научно-технических разработок и инноваций в области торкретирования

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОРКРЕТИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ

2.1. Закон Кулона и обоснование энергетики процесса взаимодействия

2.2. Опыт применения электростатики и трибостатики за рубежом и возможности внедрения этих методов в отечественном строительном производстве

2.3. Обоснование применения электростатики при торкретировании цементно-песчаных растворов

2.4. Физико-математическая модель движения частиц торкрет-смеси в электростатическом поле при нанесении на набрасываемую поверхность

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ ПРИ НАНЕСЕНИИ ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ СУХОГО ТОРКРЕТИРОВАНИЯ

3.1. Схема трехступенчатой ионизации торкрет-смеси

3.2. Анализ удельного тепловыделения, процессов гидратации и набора

прочности торкрет-бетона при торкретировании с применением электростатической зарядки

3.3. Моделирование и оптимизация основных технологических показателей торкретирования с применением электростатики

3.4. Изучение воздействия коронного разряда на торкрет-смесь с определением оптимального расположения электродов

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБА СУХОГО ТОРКРЕТИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ В СТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

4.1. Практическое внедрение торкретирования с применением электростатики в строительном производстве

4.2. Оценка технико-экономической эффективности способов торкретирования с применением электростатики

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология сухого торкретирования с применением трехступенчатой электростатической обработки цементно-песчаной смеси»

Актуальность исследований.

Процесс нанесения торкрет-бетона на поверхность ограждающей конструкции имеет ряд пока нерешенных проблем. Основную сложность составляет высокий процент отскока, особенно при сухом торкретировании [82, 91].

Если учесть, что производители готовых смесей не рекомендуют повторно использовать материал отскока, что вполне оправдано резким снижением прочностных характеристик, то до сих пор нерешенная проблема невозвратных потерь готовой торкрет-смеси актуальна, и поиск ее решения экономически более чем оправдан.

Решение проблемы отскока важно и с другой стороны: сухое торкретирование не позволяет наносить большие объемы смеси, работа может значительно затягиваться по времени выполнения. Надо учитывать и тот фактор, что торкрет-бетон содержит больше вяжущего для лучшей удобоукладываемости, то есть он дороже обычных смесей [76, 78]. Таким образом, потери материала тут более ощутимы,

Повышение прочности бетонов - не менее актуальная задача, которую исследуют с давних пор. Существует множество способов активации вяжущего и бетонных смесей методов решения [132-134].

Прочность торкрет-бетона зависит от водоцементного соотношения.

Оператор-сопловщик непосредственно регулирует подачу воды и по

собственному решению может повысить или понизить ее объем. Здесь легко

ошибиться: слишком подвижный торкрет-бетон при нанесении не достигнет

достаточного сцепления с торкретируемой поверхностью и начнет сползать;

слишком жесткий бетон не будет иметь достаточно воды для гидратации, что

подробно рассмотрено еще А. Невиллем в обширном труде о свойствах бетона

и далее в модели Йенсена-Хансена [36]. Это связано с тем, что именно

молекулы воды приводят к образованию гидроксида кальция, чьи

4

кристаллические структуры сопоставимы по размерам с кристаллической решеткой основных минералов. В результате происходит разрушение поверхностных слоев исходного цемента в процессе формирования цементного теста и формирование его структуры. С другой водные молекулы создают гидратные оболочки. Активные центры частиц разделены энергетическими барьерами на поверхности этих частиц, таким образом уже очевидно, что необходимо воздействие различных активирующих технологий, которые бы позволили ускорить процесс присоединения молекул воды и гидратацию цемента в целях роста прочностных характеристик [81, 102, 114, 123].

Поскольку технология «сухого» торкретирования характеризуется принципиальной недостаточным смачиванием вяжущего в процессе смешивания, это неизбежно приводит не только неполной гидратации торкрет-бетона, но и к росту пылеобразования в помещении (особенно при наличии фибры и ускорителей), что может повлечь за собой негативные последствия [77, 79].

Таким образом, актуальность научного исследования определена необходимостью совершенствования технологии торкретирования в целях снижения отскока и пылеобразования, а также повышения прочностных характеристик наносимого торкрет-бетона.

Степень разработанности темы исследования.

Значительный вклад в исследование методов торкретирования и их приложений к практическим задачам внесли такие российские и зарубежные ученые, как А.С. Арзуманов, А.Н. Ткаченко, Л.В. Болотских, Е.А. Бурак, А.А. Абраменко, К.Ф. Абдуллин, Ю.В. Пухаренко, В.Ф. Коровяков, Ф.Е. Катаев, В.В. Плотников, А.А. Матвиевский, А.Н. Еремина, А.И. Савенков, А. Ф. Юдина, Т.Е. Слизнева, Ф.И. Азимов и многие другие [13, 16, 44-47, 51, 52, 54-59, 60-63, 107].

Однако, несмотря на значительный интерес, который привлекают к себе

теоретические и практические аспекты проблемы эффективного

5

торкретирования, многие проблемы к настоящему времени не решены, вследствие чего на практике применяются различные решения, совершенствующиеся за счет развития технологий и автоматизации производства. Но совершенствование технологий не всегда учитывает классические законы физики и методы улучшения качества торкретирования, часто обходятся увеличением эффективных систем управления без изменения основных принципов нанесения цементно-песчаной смеси.

Практическая потребность совершенствования именно самого принципа торкретирования и методов оптимизации движения частиц в данном процессе определила цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационного исследования является обоснование применения электростатической обработки цементно-песчаного раствора при сухом торкретировании цементно-песчаной смеси.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ основных аспектов технологии торкретирования и научно-технических разработок в области нанесения торкрет-бетона;

2. Исследование теоретических и практически основ электростатической обработки цементно-песчаной смеси применительно к инженерно-строительным технологиям;

3. Обоснование применения электростатической обработки цементно-песчаного раствора при торкретировании ограждающих поверхностей;

4. Разработка научно-обоснованной методики нанесения торкретбетона с использованием электростатической зарядки и применением ранее запатентованной экспериментальной форсунки для вихревого нанесения строительной смеси на вертикальную поверхность;

5. Определение технологических параметров нанесения при выполнении условия минимального отскока смеси при максимальной прочности получаемого бетона;

6. Формирование математической модели, учитывающей особенности поведения частиц торкрет-бетона под воздействием электростатической обработки;

7. Практическая апробация разработанной технологии нанесения торкрет-бетона с применением электростатических методов воздействия на набрасываемый материал.

Объектом диссертационного исследования является технология торкретирования.

Предметом диссертационного исследования являются особенности процесса сухого торкретирования цементно-песчаной смеси с применением электростатической обработки цементно-песчаного раствора.

Научно-техническая гипотеза состоит в выявлении возможности повышения эффективности процесса торкретирования путем применения различных методов электростатической обработки набрызгиваемой смеси.

1. Разработана инновационная методика нанесения цементно-песчаной смеси способом сухого торкретирования с применением электростатической обработки.

2. Определены оптимальные параметры нанесения цементно-песчаной смеси, исходя из минимального отскока и максимальной прочности полученной поверхности.

3. Научно обоснована необходимость и исследована эффективность технологии сухого торкретирования с применением электростатической обработки.

4. Предложена физико-математическая модель движения частиц тор-кретсмеси в электростатическом поле при нанесении на поверхность.

5. Определены соответствующие коэффициенты, влияющие на параметры получаемой бетонной поверхности при торкретировании с применением электростатической обработки цементно-песчаной смеси.

Теоретическая значимость работы состоит в научном обосновании применения поэтапной электростатической зарядки в технологии сухого торкретирования.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологии нанесения торкрет-бетона с применением методики трехступенчатой электростатической обработки цементно-песчаного раствора.

Положения научной новизны диссертационного исследования, выносимые на защиту:

- теоретические принципы технологии сухого торкретирования с применением электростатики;

- методика оптимизации основных технологических параметров нанесения смеси при выполнении условия минимального отскока смеси и максимальной прочности получаемой поверхности;

- математическая модель, учитывающая особенности поведения частиц торкрет-бетона под воздействием электростатики.

Достоверность научных результатов обеспечена достаточным количеством проведенных автором экспериментов, современными методами исследования и обработкой результатов, а также сходимостью теоретических и экспериментальных данных в лабораторных и производственных условиях нанесения цементно-песчаной смеси способом торкретирования с применением электростатической зарядки цементно-песчаной смеси.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационного исследования внедрены в технологический процесс при возведении следующих объектов:

- Реконструкция (удлинение) Юго-Восточного волнолома в морском порту Туапсе (Туапсинский район Краснодарского края);

- Обустройство пруда и прилегающей территории для РК «Мадагаскар», (Воронежская область, Семилукский район, п. свх. Раздолье).

Результаты работы внедрены в производственную деятельность ООО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт морского транспорта «НовоморНИИпроект». ООО «Теплоэнергомонтаж», а также в образовательный процесс ФГБОУ ВО «ВГТУ».

Лабораторные испытания проводились на базе ЦКП ВГТУ им. проф. Б.М. Борисова. Получены акты о внедрении (Приложение 5)

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических конференциях:

• III Всероссийская научно-практической конференция, СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург, 10-11 февраля 2021 г.;

• Городской отраслевой форум «Инновационные технологии в строительстве», г. Москва, 1 октября 2021 г.;

• VI Международная научно-практическая конференция «Наука и инновации в строительстве», БГТУ, г. Белгород, 14 апреля 2022 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе, 3 - в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 - в научных изданиях международной реферативной базы данных SCOPUS. Получены 2 патента на изобретение (Приложения 1, 2), серебряная медаль XXV-го Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий за проект «Форсунка вихревая для торкретирования» (Приложение 3), а также свидетельство на секрет производства (ноу-хау, Приложение 4) [13-15]. Работа, связанная с разработкой защитной одежды при торкретировании, поддержана проектом № 3.1.1.1 Плана фундаментальных исследований Российской архитектурно-строительной академии на 2021-2023 гг. и Минстроя России, проект № 075-15-2021-662.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложенных на 120 страницах машинописного текста, заключения, списка литературы, содержащего 156 наименований, и

приложений. Диссертация содержит 33 таблицы, 45 рисунков и 22 формулы.

9

Содержание диссертации соответствует пп. Паспорта специальности 2.1.7 - Технология и организация строительства:

п.1. Прогнозирование и оптимизация параметров технологических процессов и систем организации строительства и его производственной базы, повышение организационно-технологической надежности строительства. Разработка параметров системы управления инвестиционно-строительными проектами.

п.2. Разработка конкурентоспособных новых и совершенствование существующих технологий и методов производства строительно-монтажных работ на основе применения высокопроизводительных средств механизации и автоматизации строительства, реконструкции, капитального ремонта, сноса зданий и сооружений. Разработка систем контроллинга и средств мониторинга организационно-технологических процессов.

п. 4. Теоретические и экспериментальные исследования эффективности технологических процессов. Выявление общих закономерностей реализации сложных инвестиционно-строительных проектов с применением информационного моделирования и оптимизации организационно-технологических решений.

п. 5. Исследование эффективности применения машин, оборудования, установок, инструментов, транспортных средств, технологий информационного моделирования, систем автоматизации в строительстве и его производственной базе; обоснование их технологических возможностей и областей рационального применения; обоснование оптимального машинного парка и организационных форм управления им.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам Центра коллективного пользования (ЦКП) ВГТУ им. проф. Б.М. Борисова за содействие при проведении испытаний технологического оборудования, а также научно-педагогическому составу кафедры электромеханических систем и электроснабжения ВГТУ - при проведении исследований в области

воздействия электростатики на торкрет-смесь.

10

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТОРКРЕТИРВАНИЯНИЕМ

1.1. Обзор развития технологий возведения инженерных сооружений с

применением торкрет-бетона

Согласно методологической схеме диссертационного исследования, представленной на рис. 1.1., рассмотрим научно-технические перспективы развития технологий индустриального строительства с применением торкретбетона, которое имеет очень давнюю историю.

Так, разработка торкретбетона и его внедрение массовое строительство зданий и сооружений, а также поземных проходок, туннелей, мостов и автодорог были усовершенствованы благодаря появлению целого ряда ключевых технологий.

Крупная революция в производстве торкретбетона произошла с развитием процесса торкретирования мокрой смесью. Различные частные лица и компании экспериментировали с этим процессом еще в 1920-х годах, но только в середине 1950-х годов процесс мокрого смешивания начал находить широкое применение. Многочисленные производители оборудования модифицировали конструкции бетононасосов, чтобы они лучше подходили для нанесения торкретбетона мокрой смесью. Главным образом, разработка бетононасоса с поворотной трубой в конце 1970-х годов действительно сделала торкретбетон из мокрой смеси практичным. Размеры 9 баллонов для торкретбетона были подобраны таким образом, чтобы сделать их пригодными для транспортировки набрызгивайте бетон с такой скоростью, с которой мог бы справиться насадчик для ручного нанесения. Скорость вращения поворотной трубы регулировала пульсацию и объем подаваемого торкретбетона в минуту [17, 18].

Научно-техническая гипотеза

состоит в повышении эффективности процесса торкретирования путем применения различных методов электростатической обработки набрызгиваемой смеси.

V ~— V -

Цель исследования - обоснование применения электростатической обработки цементно-песчаного раствора при сухом торкретировании цементно-песчаной смеси. Объект исследования - технология торкретирования.

Ч/

Предмет исследования -- особенности процесса торкретирования строительной смеси на подготовленную поверхность с применением электростатической обработки цементно-песчаного раствора.

Задачи исследования -

Анализ основных аспектов технологии торкретирования и научно-технических разработок в области нанесения торкрет-бетона; Исследование теоретических и практически основ электростатической обработки цементно-песчаного раствора применительно к инженерно-строительным технологиям;

Обоснование применения электростатической обработки цементно-песчаного раствора при торкретировании ограждающих поверхностей; Разработка научно-обоснованной методики нанесения торкрет-бетона с использованием электростатической зарядки и применением ранее запатентованной экспериментальной форсунки для вихревого нанесения строительной смеси на вертикальную поверхность; Определение технологических параметров нанесения при выполнении условия минимального отскока смеси при максимальной прочности получаемого бетона;

Формирование математической модели, учитывающей особенности поведения частиц торкрет-бетона под воздействием электростатической обработки;

Практическая апробация разработанной технологии нанесения торкретбетона с применением электростатических методов воздействия на набрасываемый материал.

32:

Методология исследования -- использованы методы аналитических исследований и научных обобщений, экспертных оценок, моделирования процессов и математической

статистики и системного анализа.

Научная новизна исследования -

Экспериментально обосновано влияние электростатического поля на движение торкрет-смеси;

Разработана методика нанесения цементно-песчаного раствора торкретированием с применением электростатической обработки по трехступенчатой схеме электростатической обработки цементно-песчаного раствора (ионизированный газ, трибостатика, коронирующие электроды);

Определены оптимальные параметры нанесения торкрет- способом сухого торкретирования, исходя из минимального отскока и прочности полученной поверхности;

Научно обоснована необходимость применения и взаимное влияние ионизации воздушного потока, трибостатической зарядки и коронирующих электродов для трехфазной системы набрызгиваемого торкрет бетона;

Определена математическая модель и соответствующие коэффициенты влияющие на параметры получаемой бетонной поверхности при торкретировании с применением электростатической обработки набрызгиваемого раствора.

зг:

Результаты диссертационного исследования внедрены в технологический процесс при возведении ряда строительных объектов: Результаты диссертационного исследования внедрены в производственную деятельность строительных фирм, а также в образовательный процесс ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет». Лабораторные испытания проводились на базе ЦКП ВГТУ им. проф. Б.М. Борисова. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических конференциях. Опубликованы статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК. Результаты использованы при возведении ряда строительных объектов. Получены 2 патента на изобретение, серебряная медаль XXV-го Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий за проект «Форсунка вихревая для торкретирования», а

также Свидетельство на секрет производства (ноу-хау).

Рисунок 1.1 - Методологическая схема диссертационного исследования

12

Благодаря этим усовершенствованиям насадчик мог точно контролировать укладку бетона в широком диапазоне различных условий съемки (например, вертикальная съемка, съемка сверху вниз, съемка на открытом пространстве или съемка перегруженной арматурной стали и заделок) с производительностью примерно в четыре раза большей, чем при использовании сухой смеси процесс торкретирования. С последующим внедрением роботизированных на манипуляторах в Норвегии, которые обычно использовали насосы большего размера и шланги большего диаметра, были достигнуты еще более высокие показатели производительности. В настоящее время эти машины используются по всему миру [24, 25].

Концепция армирования торкретбетона стальным волокном была впервые разработана исследовательской компанией Batelle Research в 1971 году. Первое практическое применение армированного стальным волокном торкретбетона произошло в 1972 году, когда он был использован инженерным корпусом армии США для стабилизации скального склона и облицовки штольни. Далее армированный волокном торкрет-бетон применили в Канаде в 1978 году, когда его использовали для стабилизации осыпающейся железнодорожной насыпи в Британской Колумбии.

Торкретбетон, армированный синтетическими волокнами, впервые появился в 1990-х годах, когда производители разработали продукцию, способную конкурировать со стальными волокнами. В основном существует два типа синтетических волокон: микроволокна и макроволокна [27].

Микросинтетические волокна могут быть использованы как в торкретбетонах из мокрых, так и в сухих смесей , но макросинтетические волокна в основном используются в торкретбетонах из мокрых смесей. Микросинтетические волокна обычно используются при низкой скорости торкретирования для повышения стойкости к растрескиванию при усадке пластика, но в торкретбетоне они в первую очередь были признаны эффективными для повышения стойкости к откалыванию при взрыве в

облицовках туннелей, подверженных высокотемпературному возгоранию.

13

Макросинтетические волокна используются, например, для повышения ударной вязкости (остаточной несущей способности после растрескивания) и ударопрочности.

Важной вехой в развитии технологии торкретбетона стало включение конденсированного кремнезема в качестве дополнительного вяжущего материала в торкретбетонную смесь [125].

Впервые это было предпринято в Норвегии в 1975 году. Первое применение кремнезема в торкретбетоне в Канаде было в 1984, когда он был использован при восстановлении торкретбетоном пирса в районе прилива в гавани Ванкувера.

Было обнаружено, что использование кремнезема дает значительные преимущества, включая повышенную адгезию и сцепление, при уменьшении отскока и выпадения осадка в пластичном торкретбетоне и повышении прочности и долговечности затвердевшего торкретбетона [20, 22].

Воздухововлекающие добавки использовались в торкретбетоне из мокрых смесей для обеспечения стойкости к замерзанию и оттаиванию с момента разработки торкретбетона из мокрых смесей в середине 1950-х годов. Исследования, проведенные в Университете Лаваля в Квебеке, Канада, в конце 1980-х и начале 1990-х годов, показали, что в торкрет-бетон из сухой смеси можно ввести достаточное количество воздуха, чтобы обеспечить хорошую прочность при замораживании и оттаивании и устойчивость к образованию солевых отложений. В настоящее время большинство материалов для торкретбетона в сухих мешках для наружного применения в условиях воздействия мороза смешиваются с сухими порошкообразными добавками для кондиционирования воздуха [65, 67].

Обычные водорастворимые добавки использовались в торкрет-бетоны с

мокрой смесью применяются с 1950-х годов. Однако с введением кремнезема

при производстве торкретбетона в Северной Америка в середине 1980-х годов

использование одних только обычных водорастворимых добавок часто было

недостаточным для снижения потребности в воде до степени, необходимой

14

для обеспечения приемлемо низкого соотношения воды и связующего ^/Ь). Поэтому в середине 1980-х годов высокодисперсные водорастворимые добавки (также называемые суперпластификаторами) начали использоваться в сочетании с обычными водорастворимыми добавками в торкретбетонах на основе кварцевого песка [27, 28].

Для выгрузки торкрет-бетонов с мокрой смесью из транзитных смесителей обычно требуется больше времени, чем для обычных бетонов, из-за необходимости контролировать скорость подачи торкрет-бетона в сопло. Таким образом, добавки, замедляющие схватывание, часто добавляются во влажные торкретбетонные смеси для повышения обрабатываемости (прокачиваемости) смеси, особенно в жарких погодных условиях [70, 71, 93]. Обычно применяют замедлители схватывания, однако у них были свои ограничения, особенно в туннелях и горных выработках, где часто наблюдаются длительные задержки (иногда от 4 до 8 часов) с момента дозирования до завершения выгрузки торкретбетона. Введение добавок, контролирующих гидратацию, в 2000-х годах оказало значительное благотворное влияние на производство торкретбетона. Теперь можно «усыпить» торкретбетон на 12 часов (или даже дольше, если требуется), а затем мгновенно разбудить его добавлением ускорителя торкретбетона в форсунку [30].

Ускорители схватывания торкретбетона являются важным компонентом

торкретбетона для подземных работ, особенно для подвесных работ в

туннелях и шахтах. В сухие торкрет-смеси они могут добавляться либо в виде

сухих порошкообразных материалов, либо в виде жидкостей, добавляемых в

насадку для торкрет-бетона [94, 116]. В торкрет-бетоны с мокрой смесью они

добавляются в виде жидкостей через насадку для торкретбетона. Ранние

ускорители для торкретирования сухих смесей были в основном

высокощелочными (рН >12) на основе алюмината натрия или калия сухие

порошкообразные продукты или жидкие продукты на основе щелочи и

силиката натрия. Это, как правило, оказывало пагубное воздействие на

15

долгосрочную прочность при сжатии, проницаемость и долговечность торкретбетона, причем эффект был тем более выраженным, чем больше скорость добавления ускорителя. Крупным достижением в технологии торкретбетона стало внедрение в 2000-х годах так называемых "безщелочных" ускорителей торкретбетона [65-67]. Эти жидкие ускорители в основном основаны на водных растворах или суспензиях соединений сульфата алюминия и имеют рН приблизительно 3. Они оказывают меньшее негативное воздействие на прочность на сжатие, проницаемость и долговечность и совместимы с большинством добавок, контролирующих гидратацию. В настоящее время они широко используются во всем мире в подземных установках [29, 31, 32].

Первым зарегистрированным случаем применения торкретбетона для

подземной выработки в Северной Америке было использование

торкретбетона из сухой смеси (гунита) на экспериментальной шахте в

Брюстауне в 1914 году. Он использовался главным образом для защиты и

поддержания в рабочем состоянии поверхности вынутых горных пород от

разрушения под воздействием воды и воздуха. После этого, в течение

следующих трех десятилетий, гунит продолжал использоваться в подземных

целях во многих туннелях. Решающее значение для использования

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лобода Дмитрий Владимирович, 2024 год

// // и

1

в 1 X 1

1 ! А // /

Контрольный образец В25

■ Контрольный образец В30

В25 после электростатической обработки

В30 после электростатической обработки

20 80 120 Время, мин

160

240

Рисунок 3.9 - Удельное тепловыделение образцов торкрет-бетона В25 и В30

в первые 4 часа после нанесения Увеличение количества центров гидратации в 1 сутки, а также в срок 28 сут. фиксировалось на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-125К (рис. 3.9). Параметры исследования представлены в таблице 3.2.

Отметим, что при попадании влаги на кристалл происходит до конца неизученный процесс гелеобразования и роста объема кристалла, перешедшего в гель, в 16 раз. При этом, если размеры пор не позволяют достичь полного объема, то гелеобразование прекращается, то есть поры выполняют функцию клапанов, не пропуская воду в более глубокие слои бетона. Если влажность снижается менее 80%, поры открываются, и происходит обратный процесс - гель переходит в кристаллическое состояние, то есть бетон «дышит». В конечном итоге влажность бетона снижается до крайне низких значений (4-6%), приходит в равновесное состояние, при котором коррозионные процессы останавливаются.

Таблица 3.2 - Параметры исследования образцов торкрет-бетона на электронном микроскопе ЭМ-125К

Параметр Величина

Размер образца, мм. 4

Расстояние до поверхности образца, мм. 20

Размер фрагмента образца, мм. 0,5

Увеличение 2000

Размер пор, микрон 1-4

Диаметр кристаллов, нанометров 100

На изображениях (рис. 3.10, 3.11). хорошо видно, что в 1 сутки при структурообразовании торкрет-бетона межзерновое пространство не полностью заполнено новообразованиями. Справа и слева происходит активный процесс гидратации торкрет-бетона, представленный нанокристаллами гидроксида кальция (в виде планок), которые образуются в цементном камне при гидролизе.

Таблица 3.3. - Определение коэффициента плотности заполнения новообразованиями в торкрет-бетоне в первые сутки нанесения без применения электростатики и с трехступенчатой электростатической обработкой

Ширина участка, мкм Длина участка, мкм Площадь анализируемого участка, мкм2 Площадь, занимаемая порами и пустотами, мкм2 Площадь, занимаемая новообразованиями, мкм2 Коэффициент плотности заполнения, %

Без эл. С эл. Без эл. С эл. Без эл. С эл.

4,41 5,01 22,0941 7,05 5,67 15,0441 16,4241 68,09 74,34

Зная площадь анализируемого участка, определив площади, заполненные порами и новообразованиями, можно определить коэффициент плотности заполнения (таб. 3.3):

Кп.з = Пн/Па.у.*100% (3.1),

где Пн - площадь, занимаемая новообразованиями, мкм2;

Па.у. - площадь анализируемого участка, мкм2.

Простые арифметические расчеты позволили рассчитать, что после обработки коэффициент плотности заполнения Кп.з. выше на 6,25%.

На основании полученных результатов определена дифференциальная пористость цементного камня в возрасте 1 сут. как без электростатической обработки, так и с обработкой (рис. 3.12, 3.13). Выявлено, что размеры и количество пор торкрет-бетона с обработкой меньше, меняются в меньших пределах, особенно в начале процесса. Таким образом, обработка позволила снизить пористость и ускорить образование кристаллогидратных центров при структурообразовании торкрет-бетона в возрасте 1 сутки.

Рисунок 3.10 - Микроструктура торкрет-бетона без обработки

в возрасте 1 сут.

Рисунок 3.11 - Микроструктура торкрет-бетона с электростатической

обработкой в возрасте 1 сут.

Рисунок 3.12 - Дифференциальная пористость цементного камня в возрасте 1 сут. без электростатической обработки

Дифференциальная пористость цементного камня в возрасте 1 сут. с электростатической обработкой

Размеры пор, нм.

Рисунок 3.13 - Дифференциальная пористость цементного камня в возрасте 1 сут. с электростатической обработкой

К возрасту 28 суток в процессе последующей длительной гидратации цемента торкркет-бетон представляет собой более-менее цельную структуру (рис. 3.14) за счет увеличения количества новообразований, взаимного их прорастания, полного соединения берегов пустоты и уменьшения межзернового пространства и сокращения пустотности. Такая картина характерна и для обработанного, и необработанного торкрет-бетона, то есть все основные различия наглядно видны лишь в первые часы и дни структурообразования нанесенного материала [124, 126].

Рисунок 3.14 - Структуру торкрет-бетона в 28 суток

Данные по снижению отскока смеси при нанесении торкрет-бетона после применения электростатики приведены на рисунке 3.15.

Минимальный отскок торкрет-бетона марок

В25 и В30 после электростатической обработки, в % от общей массы наброски

20,00

гс 15,00 о

о 10,00

5,00 0,00

II II II II I...........

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Отобранные образцы для взвешивания отскока

■ Минимальный отскок В25, % ■ Минимальный отскок В30, %

Рисунок 3.15 - Минимальный отскок торкрет-бетона марок В25 и В30 после

электростатической обработки, %

Исследование влияния электростатической обработки смеси на прочность образцов торкрет-бетона выполнялась на универсальной испытательной машине 1шйоп 1100 НОХ. Для этого проводились испытания прочности 6 образцов каждого бетона размером 100x100x100 мм (рис. 3.16) для определения прочностных характеристик по ГОСТ 10180-2012 (по контрольным образцам) и прочности при изгибе и сжатии по ГОСТ 310.4-81 [1, 2]. Образцы хранили в камере нормального твердения (при t=20 °С) и испытывали в возрасте 1, 2, 7, 14, 28 сут. [3]. Результаты изменения предела прочности представлены на графиках (рис. 3.17 - 3.20).

Рисунок 3.16 - Универсальная испытательная машина 1100 НОХ и

образцы торкрет-бетона для испытания на прочность.

Изменение предела прочности торкрет-бетона В25 на сжатие до и после электростатической обработки

60,00

П5

I 50,00 £ 40,00

Ь

о 30,00 ° 20,00

^ 10,00

ш ^

ш 0,00 о. '

у = 8,9908х + 7,6924 -R2 = 0,9789

2 7 14

Период испытаний, сут.

28

Рисунок 3.17 - График изменения пределов прочности торкрет-бетона В25 на сжатие до и после электростатической обработки

Изменение предела прочности торкрет-бетона В25 на изгиб до и после электростатической обработки

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

у = 1,1031х -0,3177 R2 = 0,9938

2 7

Период испытаний, сут.

14

28

Рисунок 3.18 - График изменения пределов прочности торкрет-бетона В25 на изгиб до и после электростатической обработки

Изменение предела прочности торкрет-бетона В30 на сжатие до и после электростатической обработки

60,00

а

^ 50,00

ь 40,00 с о

? 30,00

о р

п 20,00

ш

<и 10,00 р

П

0,00

у = 8,381х + 10,921 R2 = 0,9744

2 7 14

период испытаний, сут.

28

Рисунок 3.19 - Графики изменения пределов прочности торкрет-бетона В30 на сжатие до и после электростатической обработки

Изменение предела прочности торкрет-бетона В30 на изгиб до и после электростатической обработки

6,00 -у = 1,0112х + 0,0315

а

1= 5,00 -R2 = 0,9996

^ 4,00 -

сти, 3,00 он2,00 о 1,00 -

е д

е р

0,00

2 7 14

Период испытаний, сут.

28

Рисунок 3.20 - Графики изменения пределов прочности торкретбетона В30 на изгиб до и после электростатической обработки

1

1

1

По результатам исследований оформлялись акты испытаний, как представлено ниже (таб. 3.4 - 3.11, рис. 3.21 - 3.24).

Таблица 3.4 - Акт испытания бетона В25 до обработки

Напряжение при сжатии образца, МПа Деформация при сжатии, %

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1 образец 0 0 0 0 0 0 2 18 36 47,98 46

2 образец 0 0 1 9 31 50 41,2

3 образец 0 0 0,2 3 13 33 47,5 43

4 образец 0 0 0 0 0 0,1 2,5 16,5 40 50,2 40

5 образец 0 0 0 0 0,2 3 14 34 48 42

6 образец 0 0 0 0,5 6 22 42 50 41

Таблица 3.5 - Приложение к акту испытания бетона В25 до обработки

Метка образца а Ь Площадь Максимум нагрузки Временное сопротивление при сжатии К масштаб 0,95 Масса Плотность кг/м3

[тт] [тт] [ттЛ2] [Щ [МРа] [МРа] Рщ] [к£/тЛ3]

1 1 100 100 10000 482,43 48,24 45,8309 0 0

2 2 100 100 10000 501,16 50,12 47,6102 0 0

3 3 100 100 10000 480,02 48,00 45,6019 0 0

4 4 100 100 10000 502,26 50,23 47,7147 0 0

5 5 100 100 10000 482,48 48,25 45,8356 0 0

6 6 100 100 10000 501,1 50,11 47,6045 0 0

Коэф. вариации 0 0 0 2,2222 2,2222 2,2222 0 0

Среднее 100 100 10000 491,58 49,16 46,70 0 0

60

а50

т40

а р

ю

о и30

и20

е и

не10

X

ос

р

I 0

Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В25 до электростатической обработки

(срок 28 суток)

6 образец

4 образец

10

11

12

13

14

15

Деформация при сжатии, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рисунок 3.21 - Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В25 до электростатической обработки (срок 28 суток)

Таблица 3.6 - Акт испытания бетона В25 после электростат. обработки

Напряжение при сжатии образца, МПа Деформация при сжатии, %

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1 образец 0 0 0 0 0 0 0 0 0,5 6 22 42 50 41

2 образец 0 0 0 0 0,6 5 17 38 51 41,2

3 образец 0 0 0 0 0,2 3 13 33 51,3 45

4 образец 0 0 0 0 0 0 0,1 2,5 16,5 40 51 40

5 образец 0 0 0 0 0 0 0 0,2 2,8 14,3 33,5 49 42

6 образец 0 0 0 0 1 14 35,6 49,1 43

Таблица 3.7 - Приложение к акту испытания бетона В25 до обработки

Метка образца а Ь Площадь Максимум нагрузки Временное сопротивление при сжатии К масштаб 0,95 Масса Плотность кг/м3

[тт] [тт] [ттЛ2] [Щ [МРа] [МРа] Рщ] [к£/тЛ3]

1 1 100 100 10000 501,03 50,10 47,5979 0 0

2 2 100 100 10000 501,12 50,11 47,6064 0 0

3 3 100 100 10000 520,12 52,01 49,4114 0 0

4 4 100 100 10000 512,13 51,21 48,6524 0 0

5 5 100 100 10000 491,24 49,12 46,6678 0 0

6 6 100 100 10000 491,22 49,12 46,6659 0 0

Коэф.вариации 0 0 0 2,2862 2,2862 2,2862 0 0

Среднее 100 100 10000 502,81 50,28 47,77 0 0

60

-50

т40 пз

ю

О

;эо

(И

и

520

си ^

ш10

X

ос

С

(И

0

-10

Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В25 после электростатической

обработки (срок 28 суток)

6 образец 3 образец 4 образец 5 °бразец

2 образец

10

11

12

13

14

Деформация при сжатии, %

Рисунок 3.22 - Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В25 после электростатической обработки (срок 28 суток) Таблица 3.8 - Акт испытания бетона В30 до обработки

15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Напряжение при сжатии образца, МПа Деформация при сжатии, %

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1 образец 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 17 37 49,98 46

2 образец 0 0 0,5 5 20 45 52 40

3 образец 0 0 0,2 3 13 35 48,5 43

4 образец 0 0 0 0 0 0,1 3 15 40 51 40

5 образец 0 0 0 0 0,2 3 14 36 47 42

6 образец 0 0 0 0 0,5 6 21 43 51 41

Таблица 3.9 - Приложение к акту испытания бетона В30 до обработки

Метка образца а Ь Площадь Максимум нагрузки Временное сопротивление при сжатии К масштаб 0,95 Масса Плотность кг/м3

[тт] [тт] [ттЛ2] [Щ [МРа] [МРа] [кЕ] [кя/тЛ3]

1 1 100 100 10000 503,77 50,38 47,8582 0 0

2 2 100 100 10000 523,36 52,34 49,7192 0 0

3 3 100 100 10000 489,06 48,91 46,4607 0 0

4 4 100 100 10000 513,77 51,38 48,8082 0 0

5 5 100 100 10000 472,38 47,24 44,8761 0 0

6 6 100 100 10000 511,03 51,10 48,5479 0 0

Коэф. вариации 0 0 0 3,6972 3,6972 3,6972 0 0

Среднее 100 100 10000 502,23 50,22 47,71 0 0

60 -

Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В30 до электростатической обработки

Деформация при сжатии, %

Рисунок 3.23 - Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В30 до электростатической обработки (срок 28 суток) Таблица 3.10 - Акт испытания бетона В30 после электростатической обработки

Напряжение при сжатии образца, Мпа Деформация при сжатии, %

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1 образец 0 0 0 0 0 0 0 0 2 17 37 52 46

2 образец 0 0 0 0,5 5 20 45 52,5 40

3 образец 0 0 0 0 0,2 3 13 35 49,5 43

4 образец 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 3 15 40 51 40

5 образец 0 0 0 0 0 0 0 0,2 3 14 36 48 42

6 образец 0 0 0 0 0,5 6 21 43 51,5 41

Таблица 3.11 - Приложение к акту испытания бетона В30 до обработки

Метка образца а Ь Площадь Максимум нагрузки Временное сопротивление при сжатии К масштаб 0,95 Масса Плотность кг/м3

[тт] [тт] [ттЛ2] [Щ [МРа] [МРа] [кЕ] [кя/тЛ3]

1 1 100 100 10000 522,67 52,27 49,6537 0 0

2 2 100 100 10000 525,34 52,53 49,9073 0 0

3 3 100 100 10000 493,15 49,32 46,8493 0 0

4 4 100 100 10000 512,81 51,28 48,717 0 0

5 5 100 100 10000 481,56 48,16 45,7482 0 0

6 6 100 100 10000 515,23 51,52 48,9469 0 0

Коэф.вариации 0 0 0 3,4174 3,4174 3,4174 0 0

Среднее 100 100 10000 508,46 50,85 48,30 0 0

60

550

Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В30 после электростатической

(И

ю

О

40

;эо

^20

си |10

ос

С

™ „

х 0

-10

обработки (срок 28 суток)

6 с

2 образец

1 образец 4 образец

10 11 12 13 14 15

Деформация при сжатии, %

Рисунок 3.24 - Испытание на сжатие образцов торкрет-бетона В30 после электростатической обработки (срок 28 суток)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3.3. Моделирование и оптимизация основных технологических показателей торкретирования с применением электростатики

Для цементно-песчаного раствора наиболее важно знать об анизотропных свойствах материала, так как нанесение, укладка и уплотнение в случае торкретирования имеет несколько иной характер, нежели бетон, полученный стандартным методом [30, 31, 66].

Результаты эксперименты на основе двухфакторной модели по матрице трехуровневого плана при использовании классической насадки представлены в таблице 3.12, форсунки для вихревого нанесения смеси - в таблице 3.13.

Таблица 3.12 - Полученные значения отскока и прочности готовой поверхности при варьировании расстояния факела и производительности установки классической установкой

№ Расстояние факела Производительность Отскок, % Прочность

п/п распыла, м (х1) установки м3/ч (х2) поверхности, мПа

1 1 2,4 16,82 44,73

2 0,9 2,4 16,98 46,51

3 0,8 2,4 17,13 44,50

4 0,7 2,4 19,17 46,61

5 0,6 2,4 19,93 44,74

6 0,5 2,4 25,22 46,50

7 1 3 17,12 45,83

8 0,9 3 17,28 47,61

9 0,8 3 17,43 45,60

10 0,7 3 19,47 47,71

11 0,6 3 20,23 45,84

12 0,5 3 25,52 47,60

13 1 3,6 16,52 44,53

14 0,9 3,6 16,68 46,31

15 0,8 3,6 16,83 44,30

16 0,7 3,6 18,87 46,41

17 0,6 3,6 19,63 44,54

18 0,5 3,6 24,92 46,30

Таблица 3.13 - Полученные значения отскока и прочности готовой поверхности при варьировании расстояния факела и производительности

установки форсункой для вихревого нанесения смеси

№ п/п Расстояние факела распыла, м (х1) Производительность установки м3/ч (х2) Отскок, % Прочность поверхности, мПа

1 1 2,4 14,82 46,50

2 0,9 2,4 14,98 46,51

3 0,8 2,4 15,13 48,31

4 0,7 2,4 17,17 47,55

5 0,6 2,4 17,93 45,57

6 0,5 2,4 22,22 45,57

7 1 3 15,12 47,60

8 0,9 3 15,28 47,61

9 0,8 3 15,43 49,41

10 0,7 3 17,47 48,65

11 0,6 3 18,23 46,67

12 0,5 3 22,52 46,67

13 1 3,6 14,52 46,30

14 0,9 3,6 14,68 46,31

15 0,8 3,6 14,83 48,11

16 0,7 3,6 16,87 47,35

17 0,6 3,6 17,63 45,37

18 0,5 3,6 21,92 45,37

Экспериментальное изучение влияния технологических параметров нанесения на эффективность торкретирования при классическом способе и нанесении с помощью вихревой торкрет форсункой отражены на диаграммах, которые позволяют наглядно отразить зоны рационального применения данной технологии.

В графиках (рис. 3.25, 3.26) отражены изменения степени отскока и прочности в зависимости от расстояния факела распыла и производительности торкрет машины при различных способах нанесения при одинаковых остальных параметрах. Данные взяты из предыдущих исследований, в рамках которых проводились эксперименты по классической технологии и с вихревой форсункой для торкетирования без применения электростатики.

Рисунок 3.25 - Средние значения отскока и прочности готовой поверхности при варьировании расстояния факела и производительности классической

установкой

Рисунок 3.26 - Средние значения отскока и прочности готовой поверхности при варьировании расстояния факела и производительности с форсункой для вихревого нанесения смеси без применения электростатики

Проанализировав экспериментальную часть поверхностей, можно сделать вывод, что для дальнейшего определения зависимости отскока от напряженности электрического поля и расстояния до набрасываемой поверхности эксперимент следует проводить при мощности установки 3 м3/ч, поскольку именно в этом диапазоне мощностей наблюдался наименьший отскок.

Одной их важнейших задач, решаемых во время проведения экспериментального исследования, было определение необходимой напряженности электрического поля, то есть оптимизация данного технологического показателя. В первую очередь требовалось выявить оптимальные параметры при коронной зарядке для эффективной электростатической обработки цементно-песчаной смеси непосредственно на электродах. Для этого обрабатывались данные как по расстоянию от распылителя до набрасываемой поверхности, так и по подаваемому напряжению.

Решающим фактором в данном случае является прочность нанесенной смеси при разных расстояниях и напряжении, а также степень отскока в зависимости от напряжения.

Прежде всего определялось влияние электростатической обработки песчано-цементной смеси на рост прочности образцов бетона В25 и В30 при различных напряженностях.

Таблица 3.14 - Влияние электростатической обработки песчано-цементной смеси на рост прочности образцов бетона В25 и В30 при различных напряженностях.

2 Средняя прочность, МПа, образцов В25в возрасте Средняя прочность, МПа, образцов В30 в возрасте

1 сут. 2 сут. 7 сут. 14 сут. 28 сут. 1 сут. 2 сут. 7 сут. 14 сут. 28 сут.

0,00 12,69 23,88 35,38 42,89 48,74 16,57 26,12 36,66 43,77 50,22

0,10 13,23 24,07 35,66 43,23 49,13 16,59 26,14 36,75 43,81 50,27

0,20 13,34 24,27 35,95 43,58 49,52 16,61 26,17 36,78 43,86 50,32

0,30 13,44 24,46 36,24 43,93 49,92 16,62 26,25 36,87 43,90 50,37

0,40 13,48 24,51 36,60 44,08 50,07 16,64 26,27 36,91 43,94 50,42

0,50 13,52 24,90 36,96 44,22 50,21 16,66 26,32 36,94 43,99 50,47

0,60 13,78 24,95 37,33 44,37 50,36 16,67 26,34 36,98 44,03 50,52

0,70 13,84 25,05 37,48 44,55 50,56 16,69 26,37 37,02 44,08 50,58

0,80 13,89 25,15 37,63 44,73 50,76 16,70 26,38 37,11 44,10 50,60

0,90 13,95 25,25 37,78 44,90 50,97 16,71 26,40 37,13 44,12 50,63

1,00 14,00 25,35 37,94 45,08 51,17 16,74 26,38 37,03 44,21 50,73

Анализ данных таблицы 3.14 и графиков (рис. 3.27, 3.28) дает возможность сделать вывод, что в исследуемом диапазоне напряженностей средняя прочность тем выше, чем напряженность электрического поля, то есть можно говорить о линейной зависимости. При этом следует обратить внимание, что менее прочный бетон реагирует на электростатическую обработку сильнее.

Набор прочности образцов бетона В25 в зависимости от напряженности электрического поля

35,00 -

и

0

1 т

0 ср с

с: с:

1 ^

ш ср и

^ ГО 34,50

н

^ «¡г 34,00 00

™ }33,50 ГО _

« ^ 33,00

а

32,50

в о

з п32,00 ар с32,00

б о

31,50

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1