ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

Краткое описание конструкции железобетонных предварительно напряженных автоклавов на 8 и 12 ати

Автоклав на 8 ати запроектирован в виде проходного прямо­угольного тоннеля, состоящего из железобетонного предварительно напряженного корпуса и двух торцовых стальных оголовьев с крышками кассетного типа и механизмами для их открывания и закрывания (фиг. 1). Автоклав расположен на сплошной фунда -

Ментной плите, сверху которой имеется тонкий слой песка и сталь­ной лист толщиной 2 мм. Они предназначены для обеспечения равномерной передачи усилий на фундамент и уменьшения сил трения при деформации автоклава.

Для удобства производства работ по натяжению поперечной и продольной арматуры, корпус автоклава запроектирован сбор­ным из отдельных рам трех типоразмеров, отличающихся в основ­ном армированием.

Автоклав оборудован рельсовыми путями для сквозного дви­жения вагонеток. Паронепроницаемость стенок корпуса обеспе­чивается сварной рубашкой из листовой стали толщиной 5—10 мм.

Внутренние размеры корпуса 3700 X 2700 х 26 390 мм позво­ляют размещать в нем 24 стеновые панели с наибольшими разме - 474 рами 640 X 320 х 25 см и обеспечить коэффициент заполнения объема 0,5 (130 ж3).

Железобетонные рамы сборного корпуса имеют вес 5 т и сече­ние стоек и ригелей 230 X 600 мм (фиг. 2). Рамы изготовляются в металлических формах на заводах сборного железобетона из бетона марки «400» (фиг. 3). Они армируются сварными карка­сами из горячекатаной стали класса А-ІІ и А-ІІІ (марки Ст. 5

И 35 ГС) и напрягаемой арматурой из высокопрочной холодно­тянутой проволоки диаметром 5 мм, расположенной по наружному контуру. Натяжение проволоки и ее намотка на раму произво­дятся арматурно-ригельной машиной с последующей защитой ее слоем цементного раствора.

При сборке корпуса стыки между отдельными рамами запол­няются цементным раствором и обжимаются в продольном напра­влении 46-ю предварительно напряженными пучками из 24 про­волок диаметром 5 мм. Анкерами для пучков служат стальные оголовья, к которым крепятся крышки.

Суммарное усилие обжатия корпуса продольными пучками составляет около 2760 т. После проявления потерь предвари­тельного напряжения усилие обжатия оказывается достаточным, чтобы при испытательном давлении 11 ати и площади крышки г=«10 мг внутреннее усилие 1100 т не вызвало раскрытия трещин в стыках между рамами.

Принятая конструкция затвора позволяет при открывании крышки опускать ее вниз в приямок, расположенный с торца автоклава.

Термоизоляция автоклава выполняется из пенобетонных бло­ков объемным весом 400—500 кг/м3.

Таблица 1

Отличительными особенностями автоклава на 12 ати являются большие размеры рам, армирование и конструкция механизма открывания затвора крышек. В этом автоклаве крышки откры­ваются путем их поворота вокруг горизонтальной оси, закреплен­ной в верхней части корпуса (фиг. 4). Крепление крышек в ого­ловьях производится с помощью четырех стальных скоб, обору­дованных механизмами для их перемещения вдоль крышек.

Основные показатели железобетонных автоклавов приведены в табл. 1.

Если учесть, что один железобетонный автоклав (в зависимо­сти от коэффициента заполнения объема) может заменить в работе 1,45—3,0 стальных автоклава диаметром 3,6 м, то, несмотря на менее выгодную конструктивную форму железобетонных автокла­вов, экономия стали составляет не менее 35%.

Влияние повышенных температур на физико-механические свойства материалов и предварительно напряженный железобетон

Для статического расчета корпусов железобетонных автокла­вов важно знать прочность и деформативность бетонов, работаю­щих в условиях повышенной температуры 174—190° С.

Поскольку в автоклавостроении могут применяться бетоны мар­ки «200—500», то необходимо знать их временное сопротивление

477

На сжатие, сжатие при изгибе и растяжении при воздействии температуры до 200° С.

Исследованием свойств обычного бетона в условиях действия повышенных температур занимался ряд исследователей: Некра­сов К. Д - [2 ]; Мурашев В. И. [З ], Милованов А. Ф., Прядко В. М. [4], Салманов Г. Д. [5], Mathieu Н. [17] и др., однако их иссле­дования оказались недостаточными. Это обусловлено тем, что составы бетонов, режимы нагрева, методика проведения испытаний опытных образцов существенно отличались от условий, в которых должны работать бетоны, предназначенные для возведения железо­бетонных автоклавов. Исследования в основном проводились на бетонах марки «200».

В большинстве выполненных ранее исследований температура образцов в течение всего времени их нагрева сохранялась постоян­ной, а влияние на прочность бетона повторных нагревов, если и изучалось, то при сравнительно небольшом числе теплосмен (не более 10); при этом образцы испытывались после их охлажде­ния до температуры 10—20° С.

При эксплуатации железобетонных автоклавов на 8 и 12 ати В условиях установившегося режима работы на внутренней по­верхности стенок температура периодически изменяется соответ­ственно от 174—190° С до 75—100° С, а на наружной поверхности стенок остается почти неизменной и равной ^=100° С; при этом наибольшие усилия в автоклаве от давления пара совпадают по времени с максимальной температурой его стенок. После про­должительного перерыва работы автоклава его стенки могут иметь температуру 15—20° С. Следовательно, для установления влияния повышенной температуры на прочность бетона требо­валось провести дополнительные испытания образцов, периоди­чески нагреваемых и охлаждаемых в указанном интервале тем­ператур.

Как показали опыты многократное запаривание бетонов при давлении пара 8 ати и температуре 174° С приводит к значитель­ному снижению его прочности. Например, после 60 циклов запарки прочность бетона на сжатие составила всего 54% от его прочности до запаривания.

Столь большое снижение прочности бетона в стенках автоклава недопустимо, так как при нескольких тысячах запарок изделий прочность бетона может снизиться еще заметнее.

Резкое снижение прочности бетона объясняется вредным влиянием на него попеременного увлажнения и высушивания. Этого можно избежать, если на внутренней поверхности автоклава' предусмотреть гидроизоляцию.

1 М и т н и к Г. С. Внедрение предварительно напряженных железобетон­ных поддонов. Научно-технический отчет НИИЖБ, 1961.

Учитывая большое давление пара, гидроизоляцию стенок удобнее выполнить из тонкой листовой стали, что и предусмотрено в обоих головных образцах железобетонных автоклавов.

По указанной причине авторы настоящего сообщения сочли необходимым произвести испытания бетонных образцов на проч­ность только на воздействие длительного переменного нагрева и охлаждения в интервале температур 15—200° С.

Для изготовления образцов был применен портландцемент Белгородского завода марки «400», активность которого составляла 401 кГ/см2. В качестве мелкого заполнителя применялся речной песок с объемным весом 1575 ке/м3 и влажностью 2,7%. Крупный заполнитель — известняковый щебень с объемным весом 1386 кг/ж3 и объемом пустот 38,5%.

Основные данные по составу бетона, водоцементному отноше­нию, объемному весу при температуре 15—20° С и после нагрева до 180—200° С для всех шести серий образцов (129 кубов) приве­дены в табл. 2.

Таблица 2

Кубы всех серий делились на две равные части. Одна часть кубов в возрасте одного месяца помещалась в сушильный шкаф. Исключение составляли кубы серии А, которые загружались в шкаф в возрасте 490 дней.

Образцы подвергались нагреву до 200° С и охлаждению до температуры 15—20° С (при охлаждении образцы не вынимались из шкафа).

Продолжительность одной теплосмены составляла 24 ч. Нагре­тые образцы испытывались в специальном контейнере, оборудован­ном нагревателем из нихромовой проволоки, обеспечивающем постоянную температуру 180—200° С.

Вторая часть образцов не подвергалась нагреву и испытыва - лась в холодном состоянии (при температуре 15—20° С). Такая

Методика позволяла установить влияние многократного нагрева и охлаждения бетона на его прочность.

Результаты испытания нагретых и холодных кубов приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что образцы всех шести серий при хранении в условиях нормальных температур в течение 60—967 суток зна­чительно увеличили свою прочность по сравнению с прочностью на 28-й день. Аналогичное увеличение прочности, по сравнению с прочностью на 28-й день, наблюдалось и у образцов, подвергну­тых нагреву.

Однако для образцов одного и того же возраста нагрев до температуры 200° С (28—789 теплосмен) уменьшает прочность бетона. Этот вывод можно распространить на все бетонные кубы, к моменту испытания которых прочность на сжатие составляла от 173 до 582 кГ/см2. 480

Приведенные данные мало отличаются от данных, полученных за рубежом при испытании бетона на портландцементе [17]. По французским данным отношение прочности бетонных образцов на сжатие, нагретых до 200° С, к их прочности при температуре 20° С составило от 90 до 120%.

При нагреве обычного бетона, кроме снижения прочности, наблюдается снижение и его модуля упругости. В расчетах кон­струкций величина снижения модуля упругости может быть учтена введением коэффициента Рб < 1. По опытам, выполненным Куренковым А. Ф. [6 ], значение этого коэффициента для обычного бетона можно принимать при температуре 20° С рб = 1, а при 200° С рб = 0,8.

Следует отметить, что в указанных опытах прочность бетона не превышала 250 кГ/см2.

Ввиду отсутствия данных о величине снижения модуля упру­гости обычного бетона марки «400» и, тем более, предварительно напряженного железобетона при длительном воздействии перемен­ных температур 15—200° С, значение коэффициента рб при рас­чете автоклавов принималось равным 0,8. Последующие испытания предварительно напряженных рам, выполненных в натуральную величину, показали, что и для бетона марки «400» коэффициент Р„ может быть принят равным 0,8.

При воздействии на бетон повышенной температуры наблю­даются также его необратимые деформации укорочения, вызван­ные термической усадкой. Термическая усадка может вызывать значительные потери предварительного напряжения в напря­гаемой арматуре и, как следствие этого, снизить трещиностой - кость конструкции. Она может также нарушить работу затвора автоклава и внутренней стальной рубашки, если ее не учитывать при разработке конструкции и монтаже затвора и рубашки.

В технической литературе отсутствуют данные о величине термической усадки бетона марки «400» при длительном воздей­ствии переменных температур. Опыты Оямаа Э. Г. [7] показали, что величина термической усадки жароупорного бетона при тем­пературе 175°С составляет 0,06%, а обычного бетона при темпе­ратуре 100° С—0,05%. Однако в указанных опытах не учиты­вались некоторые факторы, которые имеют место в конструкциях подобных автоклаву: различная температура нагрева по высоте сечений, наличие арматуры и предварительного обжатия бетона.

Авторы проводили исследования термической усадки не на образцах, выполненных из бетона, а учитывая конструктивные особенности корпусов железобетонных автоклавов, — на рамах, выполненных в натуральную величину (фиг. 5). Результаты испьь таний приведены в табл. 4.

Экспериментальные данные по термической усадке ригелей и стоек рам достаточно близко совпадают с данными Оямаа Э. Г. и позволяют, с достаточной для практики точностью, оценить

31 Сборник 1835 481

Величину потерь предварительного напряжения в напрягаемой арматуре. Величина этих потерь может быть оценена по прибли­женной эмпирической формуле

Оц - 11.5 Tip,

Где Tcp — температура нагрева бетона посередине сечений риге­лей и стоек.

В испытанной раме Р-2 автоклава величина потерь предвари­тельного напряжения от термической усадки бетона ригелей и стоек составила около 1200 кГ/см2.

Таблица 4

Величина термической усадкн ригелей н стоек предварительно напряженной

Железобетонной рамы

При расчете элементов корпуса автоклава необходимо учиты­вать ползучесть бетона при длительном воздействии нагрузки и повышенной температуры. Поскольку авторами специальных опытов не производилось, то для учета потерь от ползучести бетона применялась эмпирическая формула [8]

A.lt - 0,0(Шсро-2,

Где TLP — температура нагрева бетона по середине сечений эле­ментов конструкции; сг, — величина потерь предварительного напряжения в ар­матуре, вызванная ползучестью бетона при обычной температуре с учетом в необходимых случаях коэф­фициента (J (определяется по указаниям СН и П П-В. 1-62).

Испытание рамы Р-2 показало, что при TLp = 107° С, (J = --- 0,735, потери предварительного напряжения при T = 20° составили сг2 = 312 кГ/см2, а потери предварительного напряже­ния от ползучести бетона при повышенной температуре соста­вили A2I = 100 кГ/см2.

Известно, что при воздействии высоких температур увеличи­вается релаксация напряжений в арматуре. Это явление может привести к значительным потерям напряжений и вызвать в кон­струкции преждевременное появление трещин. Величина потерь от релаксации напряжений стали зависит от вида арматуры и окружающей температуры. Она особенно резко увеличивается при температуре арматуры более 40° С. При этом степень увели­чения потерь от релаксации тем больше, чем ближе предваритель­ное напряжение к временному сопротивлению стали.

По зарубежным данным [18] потери предварительного напря­жения в высокопрочной проволоке от релаксации напряжений резко возросли при изменении температуры с 20 до 220° С и при 220° С составляли около 38% от величины контролируемого напря­жения при натяжении арматуры на упоры.

Величину потерь предварительного напряжения от релаксации арматуры, нагретой более 40° С (выполненной из отечественных марок стали), можно определить по формуле Инструкции [8J

ОAt = kttao0,

Где Ta — температура нагрева арматуры;

Kt — коэффициент, принимаемый в зависимости от вида арматуры и имеющий размерность 1/град.

Согласно Инструкции [8] для высокопрочной проволоки коэффициент Kt может быть принят равным 0,0018. Применительно к конструкции железобетонного автоклава величина этих потерь для напрягаемой арматуры рам составила бы 18%, а для про­дольной пучковой — 27% от сг0. Однако опыты Михайлова К. В,

•И" 483 и Кричевской Э. А. [10] показали, что фактическая величина по­терь от релаксации напряжений проволоки при повышенной температуре приводит к лучшему совпадению с опытом при коэф­фициенте Kt = 0,00113.

Кроме рассмотренных выше потерь напряжений для конструк­ций, работающих в условиях повышенных температур, следует учитывать потери, вызванные разной величиной удлинения арма­туры и бетона при их нагреве. Величина этих потерь может быть определена по формуле Инструкции [8]

А9 ~ 3ta,

Где 3 — численное значение коэффициента, размерность которого дана в кг - см~ 2град~1.

Суммарная величина потерь предварительного напряжения контурной арматуры рам автоклавов на 8 и 12 ати составила соот­ветственно 4230 и 4500 кГ/см2, а для пучковой арматуры соответ­ственно 4350 и 4600 кГ/см2. Как показали испытания рам, опытная величина усилий, вызывающих появление трещин в ригелях рам, хорошо совпадает с вычисленной при учете потерь от воздействия повышенной температуры, подсчитанных по указанным выше фор­мулам. Столь большие потери позволяют сделать вывод о нецеле­сообразности использования для армирования автоклава напря­гаемой арматуры из горячекатаной стали (включая сталь класса A-IV), так как вследствие больших потерь эффект ее пред­варительного напряжения почти полностью пропадает.