Оцінка та урахування екзотермії цементів у технології залізобетонних контейнерів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оцінка та урахування екзотермії цементів у технології залізобетонних контейнерів

Спеціальність 05. 23. 05 - Будівельні матеріали та вироби

Гіль Юрій Борисович

УДК 666. 97

Харків -1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури на кафедрі “Фізико-хімічна механіка і технологія будівельних матеріалів і виробів”.

Науковий керівник: заслужений діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор Ушеров-Маршак Олександр Володимирович, кафедра “Фізико-хімічна механіка і технологія будівельних матеріалів і виробів” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор Вознесенський Віталій Анатолійович, завідуючий кафедрою “Процеси та апарати в технології будівельних матеріалів” Одеської державної академії будівництва та архітектури; доктор технічних наук, професор Філатов Лев Григорович, кафедра “Архітектура та інженерні вишукування” Сумського державного аграрного університету

Провідна установа: Дніпропетровське орендне підприємство науково-дослідного інституту будівельного виробництва Державного Комітету України у справах будівництва, архітектури і житлової політики

Захист відбудеться “9” вересня 1999 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64. 059. 01 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті Міністерства освіти України, за адресою: 310078, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 310078, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Загальна характеристика роботи

цемент контейнер тепловиділення гідрація

Актуальність роботи. Вирішення ряду значних екологічних проблем пов'язане з утилізацією або захороненням токсичних, радіоактивних та інших різновидів відходів промисловості та енергетики. Зокрема, експлуатація реакторів атомних електростанцій супроводжується природним процесом заміни відпрацьованих тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ). Одним із шляхів рішення цієї проблеми є сухий схов відходів ядерного палива (ССВЯП) в масивних вентильованих бетонних контейнерах (ВБК) на спеціальних майданчиках. Це один із варіантів захоронення ТВЕЛ, поширений в США, Франції, Англії та інш. країнах. Високий ступінь відповідальності конструкції обумовлює відповідні вимоги до властивостей і технології бетону. У цьому конкретному випадку не ставляться вимоги до радіаційної стійкості.

Масивність контейнера - фактор, що визначає вимоги до вибору компонентів і складу бетону, обгрунтуванню технологічних параметрів, режимів тверднення. Особливе значення при цьому відіграє тепловиділення бетону в результаті экзотермії цементу. Тепловиділення, як внутрішнє джерело тепла, може чинити негативний вплив на термонапружений стан і викликати появу дефектів структури бетону. Незважаючи на опрацьованість багатьох аспектів оцінки і урахування цього явища не вирішено ряд завдань коректного визначення та математичного опису функції тепловиділення для прогнозу температурних полів у твердіючому бетоні. Складність їх вирішення утруднює розробку і освоєння технологій бетону на сучасному інформаційному рівні. При цьому інформація про тепловиділення виконує подвійну роль. З одного боку, дані про тепловиділення на різних стадіях гідратації дозволяють обгрунтувати ефективність застосування цементів і добавок, з іншого - оцінка і урахування екзотермії необхідні для призначення раціональних режимів тверднення бетону в реальних умовах.

Мета роботи. Розробка і освоєння технології залізобетонних контейнерів з урахуванням екзотермії цементів.

Задачі роботи:

- оцінка придатності цементів України за даними про тепловиділення для технології контейнерів;

- аналіз ефективності дії хімічних добавок пластифікуючого і повітрявтягуючого типів на швидкість і повноту тепловиділення на ранніх стадіях гідратації цементів;

- формування банків нормативно-технологічних даних і бетонознавчих баз знань для визначення технологічних параметрів виготовлення ВБК;

- розробка методики розрахунку температурних полів і напружень в бетонних виробах циліндричного типу;

- проведення розрахунку температурних полів і напружень у бетоні, що твердіє, з урахуванням екзотермії цементу;

- розробка “Рекомендацій з технології вентильованого бетонного контейнера сухого схову відходів ядерного палива. Інформаційна система контролю якості і виробництва бетонних робіт при виготовленні вентильованого бетонного контейнера”;

- відпрацьовування елементів інформаційної технології при виготовленні експериментального і промислових контейнерів.

Наукова новизна роботи:

- за термокінетичними характеристиками процесів тверднення цементів у присутності хімічних добавок обгрунтована їхня придатність для технології залізобетонних контейнерів;

- для рішення задачі теплопереносу в бетоні, що твердіє, вперше введений фізико-хімічний параметр - умовний ступінь перетворення (гідратації) цементу за даними термокінетичного аналізу;

- запропонована методика розрахунку і моделювання температурних полів і напружень у бетонних виробах циліндричного типу з урахуванням екзотермії цементу;

- установлено закономірності розвитку температурних полів і напружень у залізобетонних контейнерах залежно від термокінетичних характеристик тверднення цементів;

- розроблена структура інформаційної технології залізобетонних контейнерів, база бетонознавчих знань якої доповнена методикою розрахунку і прогнозу температурних полів і напружень.

Практичне значення отриманих результатів:

- оцінена роль термокінетичного фактора при твердненні цементів у присутності добавок поверхнево-активних речовин у технології залізобетонних контейнерів;

- за даними термокінетичного аналізу визначений ряд переваги використання низькотермічних цементів і хімічних добавок, що знижують тепловиділення, у технології залізобетонних контейнерів;

- розроблена інформаційно-довідкова система оцінки якості компонентів, добору і коригування складів бетону для виготовлення залізобетонних контейнерів;

- розроблено “Рекомендації з технології вентильованого бетонного контейнера сухого схову відходів ядерного палива. Інформаційна система контролю якості і виробництва бетонних робіт при виготовленні вентильованого бетонного контейнера”;

- технологія виробництва контейнерів освоєна на Запорізькій АЕС.

Особистий внесок здобувача:

- аналіз літератури, вибір і обгрунтування методів досліджень;

- проведення експериментів і обробка їхніх результатів;

- розробка калориметра термосного типу для визначення тепловиділення в бетоні;

- розробка методики розрахунку температурних полів і напружень у бетоні, що твердіє, виробів циліндричного типу.

У публікаціях із співавторами здобувачем виконане наступне: розроблене програмне забезпечення для розрахунку і моделювання термокінетичних даних [1], за даними термокінетичного аналізу зроблений вибір цементів і хімічних добавок для виготовлення залізобетонних контейнерів [2], вивчене тепловиділення бетону в приоб'єктному калориметрі термосного типу в лабораторних і виробничих умовах, отримані дані занесені в базу знань інформаційної технології монолітного бетону [4], для формування бази знань інформаційної технології запропонована одна з характеристик процесу тверднення - величина ступеня перетворення (гідратації) цементу [5], пропонується рішення задачі теплопровідності у виробах циліндричного типу з граничними умовами 3-го роду з урахуванням екзотермії цементу [6], запропонована методика розрахунку температурних полів у бетоні, що твердіє, циліндричних контейнерів з урахуванням екзотермії цементу та обгрунтоване використання функції зміни умовного ступеня перетворення за даними термокінетичного аналізу [7].

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися на цілому ряді конференцій, в т. ч: щорічних науково-технічних конференціях ХДТУБА (1995-1999), 7 Міжнародній конференції з калориметрії та термічного аналізу (Закопане, Польща, 1997) ; Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми будівельного матеріалознавства” (Пенза, 1998) ; 38-му Міжнародному семінарі з проблем моделювання й оптимізації композитів (Одеса, 1999).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано сім робіт.

Обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів та загальних висновків. Робота вміщує 102 сторінки машинописного тексту, 45 рисунків, 18 таблиць, перелік літератури із 113 найменувань і 10 додатків.

Основний зміст роботи

Вентильовані бетонні контейнери - порівняно новий тип залізобетонних виробів для захоронення відходів техногенної природи, технологія яких передбачає ряд особливостей і специфічні вимоги до компонентів бетону, властивостей бетонних сумішей, параметрів бетонування і витримування в опалубці.

Контейнер являє собою залізобетонний виріб циліндричного типу. Він складається із бетонної оболонки, арматурного каркасу і внутрішньої металевої обичайки. Габарити виробу, мм: висота - 5810, зовнішній діаметр - 3378, товщина стінки - 682, висота днища - 600, товщина обичайки - 80. Об'єм бетону - 36 м3. Модуль поверхні - 3 м-1.

Для впровадження технології контейнерів потрібно було вирішити декілька задач. В їх числі - оцінка та урахування показників тепловиділення як фактора, що визначає придатність цементів і хімічних добавок поряд з призначенням складів та вибором параметрів технології ВБК.

Аналіз доволі широкої за кількістю джерел і обсягу літератури про роль тепловиділення в технології збірного та монолітного, в т. ч. масивного, бетонів свідчить про позитивні та негативні аспекти впливу теплоти гідратації цементів і значення розробки коректних методів оцінки та урахування його показників (І. Заседателев, В. Петров-Денісов, І. Запорожець, О. Парійський, Ш. Плят) при розрахунках міцнісних та деформаційних характеристик твердіючого бетону (С. Олександровський, О. Гвоздєв, Г. Вишневецький, В. Лук'янов, О. Солов'янчик).

В технології масивних бетонів, до яких можна з певним припущенням віднести ВБК, екзотермія цементів розглядається як внутрішнє джерело тепла, що враховується за допомогою спеціальних методів в розрахунках температурних полів і напружень у виробах, конструкціях і спорудах. Складність вирішення таких задач пов'язана із мінливістю значень - тепловиділення, теплоємності, коефіцієнтів тепло- та температуропровідности, що входять до диференційного рівняння теплообміну, особливо значної на ранніх стадіях тверднення. Теоретичні методи розрахунку показників тепловиділення грунтуються на досить наближених правилах адитивності значень теплоти гідратації цементу теплотам гідратації основних клінкерних мінералів, обчисленні т. зв. температурних функцій та інш. Експериментальне визначення екзотермії у термосних калориметрах пов'язане із значною погрішністю результатів. Тому математичне моделювання тепло- і масообмінних процесів носить достатньо умовний характер і потребує свого подальшого розвитку в методологічному плані.

Потрібно вважати найбільш розробленими на емпіричному рівні технологічні аспекти регулювання - зниження або збільшення тепловиділення шляхом використання різних цементів, хімічних добавок, підігрівом або охолодженням бетонних сумішей і бетону. Будь-які технологічні рішення реалізуються за рахунок штучних (зовнішніх) або природних (екзотермія) теплових впливів на твердіючий бетон і його енергетичний потенціал.

Оцінка ефективності прийнятих варіантів включає експериментальне визначення термокінетичних залежностей типу dQ/d?=f (?) і Q=f (?) з їх використанням при розрахунках температурних полів і термонапруженого стану виробу або конструкції в будь-який завданий момент часу.

У загальному вигляді можна вважати правомірним положення про необхідність оцінки та урахування дії термокінетичного фактора у технології бетону. Саме його нерівнозначність є основною причиною нерівномірності температурних полів у бетоні, розвитку деформацій і напружень в тілі виробів і конструкцій.

Можливості термокінетичного аналізу реакцій гідратації в ізотермічних і неізотермічних умовах, які були показані раніше для збірного залізобетону, кількісні залежності між параметрами імітаційних моделей кінетики тепловиділення та наростання міцності дозволяють реалізувати елементи інформаційних технологій (ІТ) бетону. Подібні розробки відомі із технічних описів комп'ютерних інтерактивних систем США, Данії та інш. країн, включають як обов'язкові елементи визначення тепловиділення бетону в спеціальних приоб'єктних калориметрах і пакети прикладних програм для одержання та обробки даних про екзотермію та міцність бетону.

В основу розробки технології ВБК покладено принцип створеної в ХДТУБА ІТ “Термобет”. До неї входять банки нормативно-технологічних даних (БД) і база бетонознавчих знань (БЗ) з правилами і методиками добору складів бетону, визначення показників тепловиділення в ізотермічних і неізотермічних умовах. Для технології ВБК база знань повинна бути доповнена інформацією на основі прогнозних розрахунків температурних полів і термонапруженого стану бетону в перерізах контейнера.

При виконанні досліджень використовувались відповідні методики, прилади та обладнання вимірювально-обчислюючого комплексу термокінетичного аналізу калориметричного центру будівельного матеріалознавства ім. О. П. Мчедлова-Петросяна. Крім того, розроблено і виготовлено термосний (приоб'єктний) калориметр для виміру характеристик тепловиділення виробничих складів бетону безпосередньо при виготовленні ВБК. Обробка та накопичення інформації проводилися з допомогою пакету прикладних програм для IBM-сумісного персонального комп'ютера.

Для розрахунку температурних полів розроблена методика з моделлю виробу циліндричного типу (рис. 1).

Вирішення поставленного завдання ускладнюється рядом обставин. Серед них - визначена вище зміна значень коефіцієнтів теплоємності, тепло- і температуропровідності бетону на ранніх стадіях тверднення (до 5…10 год), а також величин температури всередині виробу внаслідок того, що розвивається теплообмін. Після прийняття ряду допущень та обмежень одержана система рівнянь, яка описує зміни теплопровідності бетону виробу з урахуванням умовного ступеня перетворення (гідратації), температури повітря всередині контейнера та умов теплообміну з навколишнім середовищем.

Рівняння теплопровідності з внутрішнім джерелом тепла в циліндричних координатах записується у вигляді

(1)

де ? - щільність бетону, кг/м3;

с - питома теплоємність бетону, Дж/кг??С;

? - коефіцієнт теплопровідності бетону, Вт/м??С;

Ц - витрати цементу, кг/м3;

Q28 - тепловиділення цементу в 28 діб, Дж/кг;

?28 - умовний ступінь перетворення в 28 діб.

Рис. 1. Схема для розрахунку температурних полів

Зміна умовного ступеня перетворення при гідратації в залежності від температури і часу визначається за виразом

, (2)

де а0 і а1 - коефіцієнти, що визначаються за калориметричними даними в ізотермічних умовах при двох різних температурах

(а0 - безрозмірний коефіцієнт, а1 - має розмірність 1/?С) ;

T0 - температура, при якій визначається коефіцієнт а0, ?С;

? - умовний ступінь перетворення цементу в момент часу ?.

Зміна температури повітря всередині контейнера описується рівнянням

. (3)

Тут ?в - щільність повітря, кг/м3;

св - питома теплоємність повітря, Дж/кг??С;

?1 - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2??С;

?1 - коефіцієнт теплопровідності сталі, Вт/м??С;

Tв - температура повітря всередині виробу, ?С;

Tо - початкова температура повітря, ?С;

r1 - внутрішній радіус контейнера, м;

h - товщина кришки, м;

H - висота стінки, м.

Температурні напруження для циліндра з концентричним круглим отвором розраховуються за відомими залежностями А. Коваленка з поправкою С. Олександровського для граничного значення модуля миттєво пружної деформації, залежного від віку і швидкості набору бетоном міцності.

Перший етап роботи був присвячений обгрунтуванню придатності цементів українських виробників і хімічних добавок для технології ВБК. Згідно з вимогами нормативних документів, в т. ч. ASTM С150-94, теплота гідратації цементів не повинна перевищувати 70 кал/г у віці 7 діб. Враховувалось, що, відповідно з попередніми розрахунками, температура бетону ВБК може досягати 60... 70?С.

Для калориметричного аналізу вибрано низько- і середньоалюмінатні цементи українських і молдавського заводів. Було встановлено, що для цементів, які вивчаються, значення теплоти гідратації за 7 діб наближено рівні цим показникам при температурі 40?С за 24 год. За результатами експерименту обгрунтовано ряд переваги цементів таких заводів: Кам'янець-Подільський (61 кал/г) > Рибницький (50 кал/г) > Івано-Франківський (48 кал/г) > Здолбуновський (44 кал/г).

Технологія контейнерів передбачає використання ряду хімічних добавок регуляторів властивостей бетонних сумішей, структури бетону (повітрявтягування). Відомо, що добавки цих типів на основі ПАР, сприяючи покращенню реологічних властивостей, скороченню водовмісту і витрат цементу, уповільнюють гідратацію на ранніх стадіях внаслідок їх адсорбції на вихідному в'яжучому і новоутвореннях, знижуючи показники тепловиділення.

У роботі виконано термокінетичний аналіз тепловиділення при твердненні вказаних вище цементів у присутності пластифікаторів - С-3, Реобілд-1000 і Поліхід-997, повітрявтягувальних добавок - смоли деревної омиленої (СДО) і Майкро-еар. Добавки, в залежності від технологічних міркуваннь, вводяться окремо або в комплексі.

Всі добавки, що вводяться, уповільнюють початкову гідратацію. Знижується значення основного екзоефекту, збільшується час досягнення найбільшої швидкості тепловиділення. Ці факти служать безперечним підтвердженням справедливості уявлень про механізм впливу сильних пластифікаторів на швидкість і повноту гідратаційної взаємодії в результаті переважної їх адсорбції на новоутвореннях. Добавка С-3 уповільнює час настання максимуму екзотермії на 7... 8 год, а його значення знижується в 1, 5 рази з 50 до 34 кал/г. При реалізації завдань технології ВБК це дозволить більш тривалий період зберігати властивості бетонної суміші при транспортуванні від моменту виготовлення до формування. Крім того, що не менш важливо, низька інтенсивність процесів тверднення цементу в присутності добавки буде сприяти зниженню швидкості розігрівання бетону в тілі контейнера. Ця обставина підтверджується і зниженням інтегральних значень тепловиділення в першу добу під дією всіх добавок, які вивчаються.

Результати калориметричного аналізу наповнюють відповідні банки даних і базу знань ІТ “Термобет-М” і використовуються для добору і оперативного коригування складів бетону в залежності від температури навколишнього середовища і виробничих факторів.

Елементи ІТ освоєні персоналом будівельної лабораторії УБ Запорізької АЕС. Сформована і функціонує інформаційно-довідкова система ІТ ВБК, у яку вводяться відомості контролю якості компонентів, складу бетону, властивостей бетонної суміші за показниками легкоукладальності, щільності, кількості втягнутого повітря, температури.

У серпні 1996 р. при виготовленні натурного макету ВБК відпрацьовувалися параметри технології. На цій стадії відзначався значний розкид властивостей бетонної суміші та бетону. Особливий інтерес представляє аналіз температурних змін у бетоні, який твердіє (рис. 3). Максимальний розігрів бетону внаслідок екзотермії цементу відзначається через 19... 22 год. Характерні більш високі значення температур біля внутрішньої поверхні стінки контейнера, ніж на зовнішній. Перепад температур між ними при охолодженні бетону коливається від 24 до 10?С. Найбільш істотні значення температурного градієнта в перерізі II-II стінки, яка розігрівається до 68?С. Ця частина виробу, таким чином, найбільш небезпечна з точки зору можливостей виявлення температурних напружень, які перевищують допустимі значення. Температурні поля в перерізах стінки і днища змінюються досить плавно і на 7 добу температура в них вирівнюється.

Для порівняльної оцінки впливу витрат цементу і хімічних добавок на розподіл температур виконано розрахунок температурних полів у стінці ВБК за розробленою методикою з використанням пакету “Mathematica 3. 0”. На рис. 4 наведено приклад розрахунку температурних полів для бетону без добавок (а) і з комплексом “Поліхід+Реобілд” (б). При обчисленнях використовувалися дані про тепловиділення портландцементу М500 Рибницького заводу в ізотермічних умовах при температурах 20 і 40?С.

З наведених результатів видно, що в першому випадку максимум температурної кривої до 6 год знаходиться в середині стінки. Потім він повільно зміщується до внутрішньої поверхні. Це пояснюється меншою тепловіддачею і накопиченням тепла в порожнині, заповненої повітрям. Максимальна температура бетону - 67?С зафіксована на відстані 80 мм від внутрішньої поверхні стінки через 36 год тверднення. Температурний градієнт у цей момент досягає 26?С. В подальшому температура в стінках ВБК повільно знижується до 21…23?С через 165 год.

При використовуванні комплексу “Поліхід+Реобілд” тепловиділення цементу знижується (див. рис. 2), а отже, повинна зменшитись і температура у виробі при твердненні бетону. Збільшується тривалість індукційного періоду, що впливає на час виявлення найбільших значень температур у перерізах. Розрахунок температурних полів показав, що максимальна температура бетону внаслідок саморозігріву досягається через 42 год і складає 57?С. Величина температурного градієнту - 21?С. Потім бетон повільно охолоджується і через 165 год температура знижується до 21…23?С.

Розроблена методика прогнозу дозволяє встановити параметри температурних полів в перерізах ВБК з кількісною оцінкою впливу технологічних факторів, наприклад, виду цементу та хімічних добавок, зміни температур бетонної суміші і навколишнього середовища.

Визначення температурних полів є складовою частиною прогнозування температурних напружень в бетоні ВБК і важливо для забезпечення тріщиностійкості виробу. Для визначення температурних напружень в порожньому циліндричному тілі, яким і є ВБК, використовувались залежності А. Коваленка. При цьому враховувалась мінливість модуля миттєво пружної деформації бетону від часу тверднення.

Результати розрахунків, проведених для твердіючого бетону з комплексною добавкою за початковою температурою укладки суміші 20?С, показують, що радіальні напруження ?r є стискаючими по всій товщині стінки і дорівнюють нулю на внутрішній і зовнішній поверхні. Максимальна величина цих напружень зафіксована через 56 год на відстані 360 мм від обичайки (320 мм від опалубки) и становить 0, 7 кгс/см2.

Тангенційні ?? та осьові ?z напруження досягають своїх максимальних значень в точках циліндра з граничними температурами. Результати розрахунку свідчать, що найбільші розтягуючі напруження виникають від зусиль ?? и ?z на зовнішній поверхні стінки через 56 год і становлять 5, 8 кгс/см2. Максимальні стискаючі напруження під дією зусилля ?z зафіксовані на відстані 80 мм від обичайки і досягають величини 3, 2 кгс/см2.

Порівнюючи значення зусиль ?r, ??, ?z і меж міцності при стискуванні і розтягуванні, можна зробити висновок про можливість утворення тріщин, викликаних температурними напруженнями.

Максимальне значення розтягуючих напружень досягається на зовнішній поверхні стінки, де створюються умови для утворення дефектів поверхні у вигляді тріщин. Розрахунковий опір бетону осьовому розтягуванню Rbt через 56 год становить 10, 7 кгс/см2, що більше відповідних зусиль ?? і ?z, які виникають у виробі в той самий період часу. Таким чином, у випадку застосування низькотермічного цементу складові температурних напружень ?? и ?z не можуть викликати утворення тріщин на поверхні ВБК, тому час розпалублення визначається потрібною міцністю бетону.

Таким чином, можна констатувати, що при додержанні технологічних вимог відносно виду цементу і складу бетону, визначення часу досягнення необхідної міцності з урахуванням екзотермії цементу можна уникнути термічного тріщиноутворення. Ці висновки підтверджуються розрахунками для температури 25 и 30?С.

Аналогічні розрахунки температурних полів і напружень в тілі ВБК виконано для високотермічного швидкотвердіючого цементу М500 Здолбуновського заводу (рис. 4, в). Значення повного тепловиділення за 24 год при 40?С досягає 89 кал/г, що майже на 40 кал/г перевищує аналогічний показник для Рибницького цементу. Встановлено, що у випадку використання цього цементу температура внутрішньої стінки контейнера може бути більше 100?С навіть при температурі повітря 20?С, а значення тангенційних і осьових розтягуючих напружень на зовнішній поверхні виробу в інтервалі 14... 47 год перевищити припустимі. Це може обумовити утворення і розвиток подовжніх і кільцевих поверхневих тріщин і ще раз підтверджує доцільність прийнятого підходу до вибору цементів для ВБК за даними калориметричного аналізу.

Виконані дослідження і методики використано при виготовленні промислових ВБК в травні-липні 1998 р. Функціонувала інформаційно-довідкова система лабораторного контролю якості компонентів і підбору складу бетону, контролювалася температура на поверхнях опалубки і обичайки контейнера. В з'вязку з високою літньою температурою 38?С бетонна суміш охолоджувалась поливанням барабану автобетонозмішувача водою.

Встановлено, що запровадження розробок дозволило:

- вибрати для технології ВБК низькотермічні цементи і хімічні добавки, що знижують тепловиділення і температурні напруження в бетоні виробу;

- підвищити однорідність бетонної суміші за показниками щільності, рухливості і кількості втягнутого повітря;

- знизити температурні градієнти за товщиною стінки з 26 до 21?С у період максимального підвищення температури.

Результати, отримані при виконанні роботи, покладено в основу перспективної інформаційної технології бетонних виробів і конструкцій природного тверднення ІТ “Термобет-М” для виробництва ВБК. За техніко-економічними розрахунками і даними інформаційного відділу Запорізької АЕС система тимчасового сухого схову відходів ядерного палива більш ніж у п'ять разів економічніша транспортування і захоронення їх у Красноярському краї Росії.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розглянуто можливості реалізації специфічної задачі виготовлення масивних залізобетонних контейнерів для схову відходів техногенної природи з урахуванням тепловиділення при твердненні цементу і бетону, як фактора, що підлягає кількісній оцінці і регулюванню на основі інформаційного підходу для вирішення технологічних проблем.

2. Розроблено методику розрахунку і прогнозу температурних полів і напружень у тілі залізобетонних виробів циліндричного типу з урахуванням екзотермії цементів із метою дотримання нормативних вимог до властивостей бетону, мінімізації або усунення дефектів внаслідок несприятливого розвитку термонапруженого стану.

3. Виконано термокінетичний аналіз придатності низькотермічних цементів і хімічних добавок пластифікуючого і повітрявтягуючого типів для виготовлення контейнерів. Запропоновано ряд переваги вибору цементів за критерієм мінімізації екзотермії: Кам'янець-Подільський (61кал/г) > Рибницький (50кал/г) > Івано-Франківський (48кал/г) > Здолбуновський (44 кал/г). Показано, що рекомендовані добавки дозволяють знижувати тепловиділення на ранніх стадіях тверднення цементів на 15... 30%.

4. Вирішено задачу розрахунку і прогнозу температурних полів і напружень при твердненні бетону у виробах циліндричного типу по рівнянню теплопровідності з внутрішнім джерелом тепла, вираженим фізико-хімічною функцією зміни ступеня перетворення (гідратації) цементу за даними диференціальної калориметрії.

5. Калориметрична інформація з результатів термокінетичного аналізу гідратації цементу і вимірів тепловиділення бетону в спеціальному термосному калориметрі, а також технологічні характеристики використано при розробці комп'ютерної інформаційно-довідкової системи контролю якості компонентів для добору, оперативного коригування складів бетону при відпрацьовуванні параметрів виготовлення експериментального і промислових вентильованих бетонних контейнерів на Запорізькій АЕС.

6. Проведено комплекс досліджень властивостей бетонної суміші і бетонів, вивчено характер розподілу температурних полів у перерізах контейнерів. Підтверджено справедливість теоретичних і експериментальних передумов про можливість регулювання процесів тверднення бетону в масивних виробах циліндричного типу з урахуванням екзотермії цементів.

7. Обгрунтовано варіант структури інформаційної технології бетону “Термобет-М” стосовно до виготовлення бетонних контейнерів, що складається з банку нормативно-технологічних даних із вимогами до компонентів бетонної суміші та критеріями оптимізації і бази бетонознавчих знань із правилами та методиками добору складів, визначення тепловиділення цементу і бетону, розрахунку температурних полів і напружень.

8. Розроблено “Рекомендації з технології вентильованого бетонного контейнера сухого схову відходів ядерного палива. Інформаційна система контролю якості і виробництва бетонних робіт при виготовленні вентильованого бетонного контейнера”, на підставі яких разом із харківським інститутом “Енегропроект” і одеським ВАТ “Укроргенергобуд” освоєно виробництво контейнерів на Запорізькій АЕС.

Основні положення дисератції опубліковані в таких роботах

1. Usherov-Marshak A., Sinyakin A., Zavarski A., Ghil Yu. Application of calorimetry to knowledge base of informative technology of concrete // 7th Conference on Calorimetry and Thermal Analysis. - Zakopane (Poland). - 1997. - P. 111.

2. Ушеров-Маршак А. В., Синякин А. Г. Гиль Ю. Б. Выбор цементов и добавок для изготовления массивных конструкций // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 1998. - Вип. 3. - С. 45-48.

3. Гиль Ю. Б. Приобъектный калориметр для оценки тепловыделения в бетоне // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 1998. -Вип. 3. - С. 49-52.

4. Синякин А. Г., Гиль Ю. Б., Литвинов В. В., Ушеров-Маршак А. В. Термокинетические основы информационной технологии бетона // Материалы Междунар. научно-техн. конф. “Современные проблемы строительного материаловедения”. - Часть 1. - Пенза: Изд-во ПГАСА. - 1998. - С. 55-56.

5. Ушеров-Маршак А. В., Синякин А. Г., Гиль Ю. Б., Фунг Бао Ань. Развитие технологии бетона на основе информационного подхода // Вопросы современного строительного материаловедения. - Львов: Львовский филиал образовательной компании “НОЗ”. - 1998. - С. 134-140.

6. Гиль Ю. Б., Доля П. Г., Синякин А. Г., Ушеров-Маршак А. В. Расчет и моделирование температурных полей при твердении бетона в цилиндрических контейнерах // Материалы к 38-му междунар. семинару по моделированию и оптимизации композитов “Оптимизация в материаловедении”. - Одесса: АстроПринт. - 1999. - С. 22-23.

7. Гиль Ю. Б., Доля П. Г. Методика расчета температурных полей при твердении бетона в изделиях цилиндрического типа // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 1999. - Вип. 6. - С. 58-62.

АНОТАЦІЯ

Гіль Ю. Б. Оцінка та урахування екзотермії цементів у технології залізобетонних контейнерів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05. 23. 05 - будівельні матеріали і вироби. - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 1999.

Поставлено і вирішено завдання розробки технології вентильованих бетонних контейнерів для схову радіоактивних, токсичних та інш. техногенних відходів з урахуванням екзотермії твердіючого бетону. За допомогою калориметричного аналізу здійснено вибір цементів і хімічних добавок для бетону. Засвоєно інформаційно-довідкову систему контролю якості компонентів для підбору і коригування складу бетону. Розроблено методику розрахунку температурних полів і напружень в тілі виробу з урахуванням характеристик тепловиділення і температури повітря. В промислових умовах відпрацьовано технологічний регламент виготовлення виробів на основі “Рекомендацій з технології вентильованого бетонного контейнера сухого схову відходів ядерного палива (ССВЯП). Інформаційна система контролю якості і виробництва бетонних робіт при виготовленні вентильованого контейнера (ВБК) ”, запроваджених на Запорізькій атомній станції.

Ключові слова: бетонний контейнер, екзотермія, хімічні добавки, температурні поля.

THE SUMMARY

Ghil Yu. B. An estimation and calculation of cement exotermy in technology of reinforced-concrete containers. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05. 23. 05 - building materials and products. - The Kharkov State Automobile and Highway Technical University, Kharkov, 1999.

The tasks of development of a technology of ventilated concrete containers for storage of radioactive, toxic and other techno scraps with taking into account the heat evolution of hardening concrete are posed and solved. The choosing of cements and chemical additives for concrete is realized with the help of calorimetric analysis. The directory monitoring system of quality of components for a selection and adjustment of structures of concrete is mastered. The techniques for calculation of temperature fields and pressure in a product are developed in view of performances of heat evolution and air temperature. In industrial conditions the technological rules of manufacture of products, as a basis of the “Recommendations for a technology of ventilated concrete container for dry storage of scraps of nuclear fuel (DSSNF) is completed. The information monitoring system of quality and production of concrete work at manufacture of the ventilated concrete container (VCC) ”, introduced on the Zaporozhye atomic server.

Key words: concrete container, heat evolution, chemical components, temperature fields.

АННОТАЦИЯ

Гиль Ю. Б. Оценка и учет экзотермии цементов в технологии железобетонных контейнеров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 23. 05 - строительные материалы и изделия. - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999.

Сформулирована и решена задача разработки технологии железобетонных контейнеров для хранения отходов промышленности и энергетики с соблюдением соответствующего уровня требований нормативно-технологического характера. Обоснована целесообразность использования информационного подхода к решению технологических задач с применением компьютерной техники.

Отмечена особая роль тепловыделения в технологии массивных железобетонных изделий, а также необходимость оценки и учета экзотермии цементов для снижения и устранения термических напряжений и деформаций, которые могут привести к возникновению дефектов структуры в виде температурных трещин. Доказана необходимость получения количественной информации о характере распределения температуры в сечениях контейнера. Показано, что до настоящего времени не решен корректно ряд задач определения и математического описания функции тепловыделения для прогноза температурных полей в твердеющем бетоне.

Методом дифференциальной микрокалориметрии осуществлен выбор низкотермичных цементов и химических добавок пластифицирующего и воздухововлекающего типов для технологии железобетонных контейнеров. Предложен ряд предпочтительности выбора цементов по критерию минимизации экзотермии: Каменец-Подольский (61кал/г) > Рыбницкий (50кал/г) > Ивано-Франковский (48кал/г) > Здолбуновский (44 кал/г).

Сформирован банк данных информационно-справочной системы лабораторного и технологического контроля качества компонентов и свойств бетонной смеси и бетона.

Разработана методика расчета и прогноза температурных полей в твердеющем бетоне изделий цилиндрического типа с использованием аппарата теплопереноса. Внутренний источник тепла (экзотермия) описывается с помощью предложенной функции ??/?? - изменения условной степени превращения (гидратации) цемента по данным термокинетического анализа.

С применением информационно-справочной системы выполнен подбор составов бетонов, изучены технологические свойства бетонной смеси и физико-механические характеристики бетона в соответствии с целями и задачами технологии железобетонных контейнеров. Для оценки тепловыделения производственных составов бетона непосредственно на площадке бетонирования изделия сконструирован и используется приобъектный калориметр термосного типа.

Осуществлен прогноз температурных полей и напряжений при твердении бетона в сечениях контейнера. Показано, что при применении низкотермичных цементов и снижающих тепловыделение добавок, обеспечивается благоприятное термонапряженное состояние, которое не приводит к образованию дефектов структуры в виде трещин.

Результаты исследований внедрены в технологию вентилируемых бетонных контейнеров для захоронения отработанных тепловыделяющих элементов на Запорожской АЭС. Проведены натурные измерения распределения температуры в сечениях контейнера, установлены основные закономерности теплопереноса, подтвердившие правильность выдвинутых предпосылок и перспективность информационного подхода к решению конкретных технологических задач.

Разработаны “Рекомендации по технологии вентилируемого бетонного контейнера сухого хранения отходов ядерного топлива. Информационная система контроля качества и производства бетонных работ при изготовлении вентилируемого бетонного контейнера”.

Ключевые слова: бетонный контейнер, экзотермия, химические добавки, температурные поля.

Размещено на Allbest.ru