В.М. ДАВИДЕНКО, доктор техн. наук, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева

Выявлены взаимозависимости ряда факторов перекачки бетонных смесей (местные сопротивления, инерционные составляющие давления при сдвиге смесей, объемное заполнение бетонной смесью цилиндров бетононасоса) на изменение производительности и других технологических параметров современных бетононасосных установок.

Одним из наиболее прогрессивных направлений при балластировке морских платформ является применение литых бетонных смесей, транспортируемых к месту укладки в бортовые цистерны и коффердамы по трубам бетононасосами [1]. Применение бетононасосной технологии позволяет, как показывает опыт, повысить культуру производства, производительность труда, снизить трудоемкость ведения бетонных работ и т.п.

Важными технологическими задачами в общем вопросе технологии балластировки морской платформы являются задачи по определению дальности подачи смесей бетононасосами, их производительности, выбору типа и количества.

Формы механизации транспорта бетонной смеси весьма разнообразны и зависят от типа сооружения, объемов и интенсивности укладки бетона, а также от местных условий строительства. Поэтому решение вопроса о рациональном способе механизации процессов транспортировки представляет достаточно сложную задачу.

Обычно при сравнении различных способов транспортирования бетонной смеси за основу принимаются три технико-экономических показателя: стоимость транспорта, расход энергоресурсов и затраты рабочей силы на 1 м3 бетона. Кроме того, к транспортным средствам предъявляется и ряд технических требований: обеспечение требуемой высоты, дальности и интенсивности подачи, сохранение качества бетонной смеси и др.

Отечественный и зарубежный опыт, а также экономические расчеты позволяют считать, что насосная транспортировка бетонной смеси является в настоящее время наиболее технически совершенным и для большинства сооружений самым экономичным способом.

Основные технические преимущества этого способа: 1) сочетание горизонтального и вертикального непрерывного (без перегрузок) перемещения бетонной смеси по закрытому трубопроводу до места укладки при отсутствии возврата тары и ручной перекидки смеси; 2) простота и компактность бетононасосного оборудования, обеспечивающие хорошую его мобильность, наименьшее стеснение строительной площадки и рабочего места, а также приспосабливаемость к любым условиям производства работ; 3) хорошая сохранность пластичности и однородности бетонной смеси при полном отсутствии потерь; 4) положительное влияние на прочность и плотность бетона; 5) сравнительно высокая производительность (свыше 50 м 3/час) насосных агрегатов при непрерывном потоке бетона.

Современные бетононасосы подают бетонную смесь на расстояния свыше 350 м по горизонтали или более 40 м по вертикали.

Бетононасосы современной конструкции не могут перекачивать любую бетонную смесь. Как сама бетонная смесь, так и ее составляющие должны отвечать определенным условиям. Это обстоятельство, на первый взгляд, кажущееся недостатком насосного транспорта, в конечном итоге способствуют улучшению качества бетона, так как требует более тщательного подбора и дозировки его состава.

К недостаткам насосного транспорта следует отнести необходимость производить очистку бетоновода и бетононасоса при длительных перерывах в работе. Как показывает практика, допустимая длительность перерыва - от 0,5 до 1,0 часа, что зависит от ряда факторов: температуры бетонной смеси, сорта цемента, пластичности и возраста бетонной смеси к моменту перекачки, протяженности бетоновода.

Скорость движения бетонной смеси в бетоноводе все время меняется - в соответствии со скоростью поршня насоса. При этом развивается значительная сила инерции, толкающая бетоновод в сторону, обратную направлению движения смеси. Поэтому бетоновод должен быть надежно закреплен, особенно на поворотах. Перед перекачкой бетонной смеси для смазки стенок труб необходимо прокачать 200–300 л цементного раствора состава 1:2 пластичной консистенции.

К настоящему времени не разработаны рекомендации по расчету и выбору рациональных параметров трубопроводного транспорта литых бетонных смесей для выполнения балластировки морской платформы, хотя и приводятся [1] результаты опытных работ по данному вопросу.

В теоретическое обоснование технологии балластировки морской платформы литыми бетонными смесями, по нашему мнению, должно входить решение следующих задач:

- разработка методики определения сопротивлений движению бетонных смесей по трубопроводам с учетом режимов движения и реологических свойств смесей;

- получение математических зависимостей, связывающих предельное напряжение сдвига и структурную вязкость перекачиваемых бетонных смесей с составом смесей;

- выявление зависимости ряда факторов (местных сопротивлений, инерционных составляющих давления при сдвиге смесей, объемного заполнения бетонной смесью цилиндров бетононасоса) на изменение технологических параметров перекачки бетонных смесей (дальность подачи, производительность) современными бетононасосными установками;

- разработка методики расчета общих сопротивлений трассы бетоновода.

Проведенные в работе [2] исследования подтвердили линейную зависимость удельных потерь давления от скорости движения бетонных смесей на плотных заполнителях. Это позволило для расчетов сопротивлений и реологических параметров смесей использовать теоретическое уравнение Букингама – Рейнера, выведенное для случая бингамовской жидкости [3]:

, (1)

линейной аппроксимацией которого является выражение

(2)

или

, (3)

где: Q – расход бетонной смеси через цилиндрическую трубу; R o и R - радиус ядра потока и

внутренний радиус трубопровода, соответственно; ηо - структурная вязкость бетонной смеси;

Jд - градиент давления, равный ∆ р / ∆ L (∆ р – удельные потери давления на отрезке ∆ L);

а и b - коэффициенты линейной аппроксимации, получаемые из опыта.

Распределение скоростей для бингамовской жидкости [3] имеет вид:

- при R< R

- при 0

где: U - скорость движения бетонной смеси.

После преобразования зависимости (4) можно получить выражение для определения удельных потерь давления в прямолинейном трубопроводе в виде:

(6)

Для определения реологических параметров бетонной смеси могут использоваться графики сопротивлений движения бетонной смеси по трубе круглого сечения в прямолинейном трубопроводе.

Для каждого исследуемого состава литой бетонной смеси строится зависимость:

Δρ = f(U), (7)

с помощью которой из (6) можно определить η о и τо:

МПа (8)

МПа (9)

По зависимостям (8) и (9) можно определить реологические характеристики для разных составов бетонных смесей. Исходные сырьевые материалы для приготовления бетонных смесей обычно выбираются с учетом основных требований, предъявляемых как к транспортированию бетонных смесей по трубам, так и к гидротехническим бетонам (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость) железобетонных конструкций.

Как показали исследования, приведенные в [1] и [2] , для приготовления бетонных смесей и последующего их транспортирования по трубопроводам на дальние расстояния применяются следующие исходные материалы: вяжущее – портландцемент марок 500 и 400; песок с модулем крупности – 1,95; гравий фракции 5- 20 мм; химические добавки - суперпластификатор С-3, пластифицирующая – воздухововлекающая лесохимическая добавка (ЛХД), лигносульфонат технический (ЛСТ).

Расход цемента в литой бетонной смеси обычно изменяется от 280 до 400 кг/куб. м с долей песка в общей массе заполнителей до 40%.

Пластичность бетонной смеси обычно характеризуется осадкой нормального конуса и его диаметром расплыва. Эти характеристики по [1] и [2] изменяются за счет введения суперпластифицирующих добавок С-3 (от 0 до 0,8% от массы цемента) и комплекса С-3 и ЛХД (от 0 до 0,1% от массы цемента) от эталонной подвижности, равной 4 см по ОК, до литой консистенции с ОК = 24-26 см.

Оценка изменения технологических свойств бетонных смесей, таких как удобоукладываемость, плотность, воздухововлечение и расслаиваемость бетонных смесей осуществлялась в соответствии с ГОСТами 10181.0 … 10181.4-81, соответственно.

В работах [1], [2] представлены результаты экспериментальных исследований по технологии трубопроводного транспортирования суперпластифицированных высокоподвижных смесей и литых бетонных смесей, а также исследовалось влияние добавок С-3 и комплекса С-3 + ЛХД на технологические и реологические свойства бетонных смесей.

Анализ характера движения и деформации литых бетонных смесей [2] и [3] позволил установить, что режим движения всех исследуемых составов бетонных смесей структурный, с образованием ядра потока, относительная величина которого изменяется в пределах 0,4-0,7. Проведенные исследования [2] и [3] подтвердили приемлемость использования для расчетов соотношения (1), при этом получено упрощенное выражение этого соотношения в виде зависимости (3) с коэффициентами а = 0,93; b = 1,13.

Особое внимание уделяется исследованию сопротивлений и определению параметров бетонных литых заливочных смесей при их течении в трубе круглого сечения.

Поскольку вызывает определенный интерес влияние отдельных компонентов состава на выходные параметры η и τ о, нами была использована математическая теория экспериментов (расчетный эксперимент) с матрицей планирования типа 2 n + 2n + 1.

Уровни варьирования факторов представлены в табл. 1, матрица ортогонального центрального композиционного плана 2 n + 2n + 1 представлена в табл. 2.

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Таблица 2