Агрегатно-поточный способ производства напорных железобетонных центрифугированных труб

Московская Государственная Академия Коммунального Хозяйства и Строительства Технологический факультет Кафедра технологии вяжущих материалов и бетонов

Расчётно-пояснительная записка

к курсовому проекту по курсу: Прогрессивные технологии в производстве строительных материалов на тему: Агрегатно-поточный способ производства напорных железобетонных центрифугированных труб

Москва, 2010

Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ представляют собой искусственные строительные конгломераты (ИСК), получаемые в результате твердения рациональной по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Кроме основных компонентов в состав бетонной смеси могут вводиться дополнительные вещества специального назначения. Среди других ИСК бетоны относятся к самым массовым по применению в строительстве вследствие их высокой прочности, надежности и долговечности при работе в конструкциях зданий и сооружений. Кроме высокой прочности, у бетонов на основе неорганических вяжущих веществ имеется много и других достоинств: легкая формуемость бетонной смеси с получением практически любых наперед заданных форм и размеров изделий и конструкций, доступность высокой механизации технологических операций и т. п.

Большая экономичность изделий из бетона состоит в том, что для их производства применяют свыше 80% объема местного сырья — песка, щебня, гравия, побочных продуктов промышленности в виде шлака, золы и др. По некоторым зарубежным данным, количество энергии, требующейся для производства бетонных материалов, является минимальным по сравнению с энергией (приведенной к единому эквиваленту), необходимой для изготовления стали, алюминия, стекла, кирпича, пластмасс. Для затворения порошкообразных вяжущих в тестообразное состояние и получения бетонной смеси используют обычную воду — питьевую из водопровода или речную, озерную и др. Расход воды также ниже, чем при производстве стали. После твердения тесто образует камень, например, цементный камень (микроконгломерат), а уплотненная бетонная смесь — бетон (конгломерат). Часть объемов в бетоне, заполнителе и камне занимают поры и капилляры разного размера и в различном количестве.

Для бетонов применяются почти все разновидности неорганических вяжущих, соответственно чему бетоны разделяются на цементные, гипсовые, силикатные, шлаковые, специальные (на фосфатных, магнезиальных и других вяжущих). Для них применяются также все разновидности заполнителей, соответственно чему бетоны разделяют на плотные, пористые, специальные. При объединении вяжущих и заполнителей в принятых по составу количествах получают множество технических решений при производстве искусственных строительных конгломератов различного назначения. Если этих двух компонентов окажется недостаточно, тогда вводят дополнительные вещества (добавки). Еще более сильным фактором, которым пользуются при получении бетонов с заданными свойствами, является технология с ее многообразными операциями (переделами), режимами (тепловыми, механическими и пр.) и характеристиками оборудования.

К одному из показателей заданных свойств относится средняя плотность бетона. Величина средней плотности бетона зависит от разновидности заполнителя, а отчасти обусловлена пористостью цементного камня. Особо тяжелые со средней плотностью свыше 2500 получают при заполнителях в виде железной руды, барита, чугунного скрапа, обрезков стали или чугуна. Тяжелые — средней плотности 2200… 2500 получают применением в них в качестве заполнителя щебня из плотных горных пород — гранитов, диабаза, песчаника и др.; облегченные — со средней плотностью 1800… 2200. В легких бетонах со средней плотностью 500 …2000 кг/мЗ используется легкий заполнитель, природный или искусственный, в том числе пемза, туфы, керамзит, аглопорит, вакулит, а также в них нередко отсутствует песчаная фракция, вследствие чего возникают пустоты между щебнем, а сам бетон именуется крупнопористым легким бетоном. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) со средней плотностью менее 500 кг/мЗ характеризуются тем, что функции своеобразного заполнителя в них переданы воздушным или газовым ячейкам.

При наибольшей крупности заполнителя до 10 мм — бетоны мелкозернистые, более 10 мм — крупнозернистые.

В зависимости от производственного назначения бетоны разделяют на конструкционные, предназначенные для изготовления бетонных и железобетонных внутренних и наружных конструкций промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений (колонны, балки, плиты); гидротехнические — для строительства плотин, шлюзов, облицовки каналов и других гидротехнических сооружений; дорожные — для строительства дорожных и аэродромных оснований и покрытий; специальные — для использования при устройстве жароупорных покрытий, кислотоупорных изделий.

При проектировании заводов по выпуску напорных труб для систем водоснабжения и канализации применяют трехступенчатую технологию, предусматривающую послойную формовку железобетонного сердечника на центрифуге или на виброплощадке. Данный курсовой проект рассматривает конструкционный вид бетона для производства напорных железобетонных труб методом центрифугирования.

Формы для производства центрифугированных железобетонных труб, состоят из двух полуцилиндров соединяющихся с помощью откидных болтов.

Производство железобетонных труб производят в такой последовательности: сначала методом трехслойного центрифугирования изготовляют предварительно напряженный бетонный сердечник, на который навивают спиральную напряженную арматуру и наносят цементно-песчаный слой толщиной 15—20 мм. Затем изделие пропаривают. При однослойном центрифугировании под влиянием прессующего давления, возникающего от центробежной силы, из бетонной смеси отжимают излишнюю воду, которая оставляет в стенках трубы радиально направленные поры. При многослойном формовании трубы каждый слой бетонной смеси уплотняют отдельно; образующиеся поры перекрывают следующим слоем и обеспечивают высокую водонепроницаемость напорных труб.

Отформованные таким способом трубы способны выдерживать гидравлическое давление до 2,4 МН/м².

Процесс изготовления напорных труб начинают с подготовки формы. Оба полуцилиндра, очищенные и смазанные солидолом, соединяют с помощью стяжных болтов. В собранную форму вставляют раструбное кольцо и к ее торцам прикрепляют днище. Продольное натяжение арматуры в форме осуществляют на посту, где арматура с высаженными головками пропускается через отверстия кольца и днища внутрь формы (рис. 1.1). Подготовленную форму укладывают на центрифугу, после чего ее включают на малые обороты для регулирования положения формы точно по оси центрифуги (рис. 1.2).

Бетонную смесь загружают в приемный бункер ленточного питателя и затем питатель вводят внутрь формы (рис. 1.3). При включении транспортера питатель совершает возвратно-поступательные движения, и бетонная смесь поступает во вращающуюся форму. Цикл перемещения ленточного транспортера повторяется до полной загрузки формы. После этого уменьшают обороты центрифуги, чтобы загруженная в форму бетонная смесь распределилась равномерным слоем по внутренней поверхности формы и покрыла арматуру (рис. 1.4). Затем обороты центрифуги увеличивают до номинальных для уплотнения бетонной смеси. Время центрифугирования зависит от диаметра формуемого изделия. Для труб диаметром 500 мм оно составляет 37 мин, для труб диаметром 600 мм — 43 мин, для труб диаметром 700 мм — 50 мин. При формовании железобетонных труб центрифугированием целесообразно использовать шнековые или ленточные раздатчики, хотя в настоящее время широко применяют ложковые питатели. Ложки бетоноукладчика загружают бетонной смесью по всей длине и включают привод самоходной тележки, а бетоноукладчик подают так, чтобы его ложка вошла в форму. После включения механизма поворота ложки постепенно опрокидывают и после освобождения от бетонной смеси их возвращают в первоначальное положение и ставят на очередную загрузку бетонной смесью.

После этого форму с изделием с помощью кантователя перемещают в вертикальном положении на пост пропаривания раструбом вниз, а торец формы прикрывают крышкой (рис. 1.5). В этом положении сердечник с формой выдерживают около 2 ч, а затем внутрь сердечника подают пар. Пропаривание производят в течение 4 ч при температуре 90… 95 °C (рис. 1.6). Затем с помощью кантователя форму приводят в горизонтальное положение и подают на пост распалубки (рис. 1.7). На этом посту также плавно передают напряжение арматуры на бетон. При температуре не более 50 °C бетонные сердечники освобождают от форм и подают в камеры водного твердения, где они находятся до 3 сут при температуре воды 45… 50 °C и приобретают не менее 70% прочности от проектной (рис. 1.8). Готовые сердечники укладывают на арматурно-навивочный станок для навивки предварительно напряженной арматуры — высокопрочной проволоки периодического профиля диаметром 4 или 5 мм (рис. 1.9). Предварительное напряжение вызывается грузом (усилием 30…35% от заданного натяжения) и одновременно нагреванием (в процессе намотки) электрическим током до температуры 250…300°С.

После навивки спиральной арматуры сердечники перемещают на станок для нанесения защитного слоя (рис. 1.10). Готовую трубу с нанесенным защитным слоем помещают в линейную камеру для пропаривания по режиму: предварительная выдержка — 2 ч, подъем температуры до 80…95°С — 2 ч и пропаривание при этой температуре — 4 ч, т. е. всего 8 ч (рис. 1.11). После этого железобетонную трубу подвергают гидравлическим испытаниям на внутреннее давление (рис. 1.12). Если на поверхности трубы при контрольном давлении в 1,5 МН/м2, создаваемом водой в течение 10 мин, не обнаруживаются признаки водопроницаемости (струи, капли, влажные пятна), не возникнут трещины в защитном слое, то она считается годной к использованию. Трубы, успешно прошедшие испытания, хранятся на складе готовой продукции (рис. 1.13).

Физико-химические свойства бетона

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемостъ, т. е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.

Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

> подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;

> жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;

> связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость бетонной смеси характеризуется временем © вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/мЗ) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а, следовательно, и технические свойства бетонной смеси — подвижность и жесткость.

Водопотребностъ заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.

Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15−25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.

Область условно упругой работы бетона — от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.

Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.

Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости.

При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7−2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой:

Есж = Ер = Еб

Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки.

Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя — щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми.

Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может вызвать рост ползучести.

Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т. е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень.

Введение

заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Морозостойкость бетона определяют путём попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20 °C и оттаивания в воде при температуре 15−20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 суток выдержки в камере нормального твердения или через 7 суток после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной, пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.

Теплопроводность — наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий.

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т. е. она в 2−4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя. Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах -0,75−0,92 Вт/(м. С°).

Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,1°С, следовательно, при увеличении температуры на 50 °C расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой, протяженности разрезают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры. Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Физико-химические процессы твердения бетона

Структура бетонной смеси при затвердевании сохраняется. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне.

Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности. На рисунке 2 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.

Рис 2. Основные типы макроструктуры бетона

1- плотная; 2- плотная с пористым заполнителем;; 3- зернистая; R6-средняя прочность структуры; R1 и R2 — прочности составляющих бетона Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, а наименьшей — с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением. Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Они создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен цемента с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненное в той или иной мере новообразованиями. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т. е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов, и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства. Свойства цементного камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктуры цементного камня. Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цементного камня может изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента. Структура бетона, как правило, изотропна, т. е. ее свойства по разным направлениям (приблизительно) одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, т. е. ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении. Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных — плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористыезернистую. Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, например, в плотной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне и т. д. Однако представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.

Бетоны являются искусственными каменными материалами. Известно, что прочность подобных материалов зависит от их плотности, т.к. она определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов (пор, микротрещин).

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня. Примером может служить изменение свойств цементного камня в контактной зоне. Сама контактная зона, как основной массив цементного камня, неоднородна, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала. Кроме того, структура и свойства бетона могут колебаться в незначительных пределах в разных изделиях и образцах, даже изготовленных из одного и того же состава. На рис. 2 показана элементарная ячейка структуры бетона. Наглядно видна неоднородность структуры, включающей плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему, что показано на рис. 3.

Схема структуры бетона и напряженного состояния сжатого бетонного образца показана на рис. 4.

Структура бетона и схема напряженного состояния сжатого бетонного образца 1 — цементный камень; 2 — щебень; У — песок; 4 — поры, заполненные воздухом и водой; «—» — сжатие: «¦ «- растяжение

Номенклатура продукции

Трубы напорные и безнапорные, опоры ЛЭП, шпалы, тюбинги тоннельной отделки, дорожные и аэродромные плиты ПАГ и т. д. относят к конструкциям и изделиям спецжелезобетона.

В зависимости от условий эксплуатации железобетонные трубы подразделяются на: напорные (с расчетным внутренним гидростатическим давлением 0,5−2 МПа), низконапорные (при давлении 0,3 МПа) и безнапорные.

Напорные трубы предназначены для прокладки напорных трубопроводов, по которым транспортируют жидкости с температурой не выше 40 °C с неагрессивной степенью воздействия на железобетон. Современные способы заводского изготовления позволяют выпускать напорные (раструбные) трубы диаметром 300−2500 мм, бетонные стенки которых при толщине 50−150 мм имеют прочность 40−100 МПа и обеспечивают водонепроницаемость при гидростатическом давлении до 3 МПа.

Основные типы напорных труб:

со стальным сердечником, состоящие из сварного стального цилиндра с приваренными к нему по концам обечайками, обеспечивающими гибкий или жесткий (сварной, фланцевый) стык внутреннего бетонного покрытия, арматуры, навитой на стальной цилиндр, и наружного защитного слоя из бетона; с предварительно напряженным железобетонным сердечником и защитным слоем без напряжения, в которых напряженная спиральная высокопрочная холоднотянутая проволочная арматура навита на предварительно напряженный в продольном направлении железобетонный сердечник, спиральная арматура покрыта защитным слоем из мелкозернистого бетона предварительного напряжения; с предварительно напряженной по всей толщине стенкой (сердечник и защитный слой) в кольцевом и продольном сечениях.

В зависимости от расчетного внутреннего гидростатического давления в трубопроводе напорные трубы подразделяются на четыре класса:

— рассчитанные на давление 2,0 МПа;

I — рассчитанные на давление 1,5−1,8 МПа;

III — рассчитанные на давление 1,0−1,2 МПа;

IV — рассчитанные на давление 0,5−0,8 МПа.

Предприятия изготавливают трубы: виброгидропрессованием (напорные диаметром 500−1600 мм); центрифугированием (напорные диаметром 300−600 мм со стальным сердечником); центробежным прокатом (напорные диаметром 1200−2000 мм).

Безнапорные трубы предназначены для прокладок подземных трубопроводов для транспортирования самотеком бытовых жидкостей и атмосферных сточных вод, а также грунтовых вод и производственных жидкостей, не агрессивных к железобетону и к уплотняющим резиновым кольцам стыковых соединений труб. Наиболее распространены:

— РТБ — раструбные цилиндрические с внутренним диаметром 400−1600 мм и длиной 5 м с упорным бутиком на поверхности втулочного конца и стыковыми соединениями, уплотняемыми при помощи резиновых колец;

— РТС — раструбные цилиндрические с внутренним диаметром 400−1600 мм и длиной 2,5−5 м со ступенчатой стыковой поверхностью втулочного конца и уплотнением стыковых поверхностей при помощи резиновых колец;

— РТПБ и РТПС — раструбные с подошвой и внутренним диаметром 1000−1600 мм и длиной 3,5−5 мм и упорным бутиком на стыковой поверхности втулочного конца (РТПБ) или со ступенчатой стыковой поверхностью втулочного конца (РТПС) и стыковыми соединениями, уплотняемыми при помощи резиновых колец. Предприятия изготовляют трубы: радиальным прессованием (безнапорные диаметром 300−800 мм); виброформованием (безнапорные диаметром 800−2000 мм).

Основные параметры изделий, принятых для производства.

Требования к материалам

Исходные материалы, применяемые в производстве железобетонных напорных труб со стальным сердечником, подразделяют на основные и вспомогательные.

К основным материалам относятся:

портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТ 10 178–85* для изготовления труб, предназначенных к эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат-ионов до 5000 мг/л;

сульфатостойкий портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТ 22 266–76* для изготовления труб, предназначенных для эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат-ионов св. 5000 мг/л;

песок по ГОСТ 10 268–80. Фракции песка более 5 мм подлежат отсеву;

щебень по ГОСТ 8267–93, фракции 20 мм;

вода по ГОСТ 23 732–79 для приготовления бетона труб;

горячекатаная лента толщиной 4 мм из углеродистой качественной конструкционной стали марки 08кп или 10кп по ГОСТ 1050–74** для изготовления калиброванных соединительных колец (втулка, раструб) и закладных изделий электрохимзащиты;

— арматурная проволока класса Вр-I диаметром 5 мм по ГОСТ 6727–80*, класса Врп-I диаметром 6 мм по ТУ 14−170−119−80 или класса СЭТО по ТУ

14−4-1120−82 для армирования труб;

— проволока цинковая или алюминиевая диаметром 1 — 2,2 для металлизации калиброванных соединительных колец. Сорта проволоки алюминиевой AT (твердая, нагартованная), АПТ (полутвердая, полунагартованная) и AM (мягкая, отожженная).

К вспомогательным материалам относятся:

— кольца резиновые уплотнительные круглого поперечного сечения диаметрами 16 и 24 мм, для герметизации стыков труб при гидравлических испытаниях и при монтаже трубопровода;

— смазка эмульсионная ОЭ-2 для смазки раструбных и втулочных торцевых шаблонных колец в соответствии с Инструкцией по приготовлению и применению эмульсионной смазки ОЭ-2 для форм при производстве железобетонных изделий (М., 1965);

— краска маркировочная ФЛ-59 по ТУ 1043−79 для маркировки труб;

— растворы марок КМ по ТУ 38−10 796−76 или МС 5, МС 6, МС 8 по ТУ

6−15−978−76, или МЛ 51, МЛ 52 по ТУ 84−228−76, или лабомид 101, 203 по ТУ 38−30 726−71 для обезжиривания стального сердечника;

— сварочная проволока диаметром 0,8 — 1,2 мм марки Св. 08Г2С и Св. 08ГА для сварки соединительных колец со стальным цилиндром;

— электроды диаметром 3 мм типа Э-42А для ремонта стальных цилиндров;

круги шлифовальные или диски шлифовальные фибровые диаметром до 200 мм для зачистки стыковых соединений калиброванных колец и ремонтируемых участков цилиндра;

— добавки, применяемые для приготовления бетона, должны удовлетворять требованиям нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке, в данном случае используется суперпластификатор С-3;

— для контроля качества обезжиривания применяют медный купорос (CuS04x5H20) марок, А и Б по ГОСТ 19 347–84*Е.

Режим работы основных цехов предприятия

Подбор состава бетона

Подберем состав тяжёлого бетона марки М500, с жёсткостью бетонной смеси 5… 10 с. Материалы: портландцемент марки М500, песок средней крупности с водопотребностью 7% и истинной плотностью 2,65 кг/л; щебень с предельной крупностью 20 мм, истинной плотностью 2,6 кг/л.

Определим цементноводное отношение по формуле:

Ц/В = (Rб^пр+ 0,37Rц^пр+ 3,22) / (0,43Rц^пр +5,6)

где Rб^пр — прочность бетона после тепловой обработки, МПа;

Rц^пр — активность цемента при пропаривании, МПа.

Ц/В = (35+0,37*30+3,22)/(0,43*30 + 5,6) = 2,7.

Расход воды по таблице ориентировочного расхода воды для приготовления бетонной смеси составит:

В = 160 л/м3.

Определим расход цемента по формуле:

Ц = В*Ц/В;

где В — расход воды, л;

Ц/В — цементноводное отношение.

Ц = 160 * 2,7 = 432 кг/м3.

Определим абсолютный объем заполнителя:

V₃ = 1000 — B/_в — Ц/_ц

где с_в — плотность воды, равная 1 кг/м³;

с_ц — плотность цемента, равная 3,1 кг/м³.

V3 = 1000 — 160/1 — 432/3,2 = 700,6 кг/м³.

Определим расход мелкого заполнителя — песка:

П = V₃ * r * с_п;

где с_п — плотность песка, равная 2,65 кг/л;

r — доля песка в смеси заполнителя, принимаемая по таблице 3,1 кг/м3.

П = 700,6 * 0,37 * 2,65 = 686,9 кг/м³.

Определим расход щебня по формуле:

Щ = V_{3 *} (1 — r) * _щ;

где _щ — плотность щебня, равная 2,6 кг/м3;

r — доля песка в смеси заполнителя, принимаемая по таблице 3,1 кг/м3.

Щ = 700,6 * (1 — 0,37) * 2,6 = 1147,6 кг/м3.

Добавка вводится 0,7% в цементной массе:

Д = Ц * 0,7/100 = 432*(0,7/100) = 3,02 кг/м³.

Состав бетонной смеси:

В = 160 л/м³;

Ц = 432 кг/м³;

Щ = 1147,6 кг/м³; П = 686,9 кг/м³;

Д = 3,02 кг/м³.

Плотность бетонной смеси:

Ц + В + Щ + П + Д = 160 + 432 + 1147,6 + 686,9 + 3,02 = 2 430 кг/м³.

Расчёт потребности расхода сырьевых материалов

Количество изделий в год:

Q_{изд.год} = П_г/v_1изд., кол. шт, где Пг — производительность завода в год, м³;

v_1изд. — объём одного изделия, м³.

Q_{1изд.год} = 14 000/1,98 = 7071 кол.шт.

Q_{2изд.год}= 9800/3,93 = 2494 кол.шт.

Количество бетонной смеси в год:

Q_{б.см.год} = Пг * 1,015,

Пг — исходная производительность завода в год, м³;

1,015 — коэффициент технологических потерь.

Q_{б.см.год, 1 изд.} = 14 000 * 1,015 = 14 210 м³.

Q_{б.см.год, 2изд}. = 9800 * 1,015 = 9947 м³.

Количество цемента в год:

Q_{ц.год.1изд.} = 14 210 * 0,432 = 6 138,7 т.

Q_{ц.год.2изд.} = 9947 * 0,432 = 4 297,1 т.

Количество воды в год:

Q_{в.год.1изд.} = 14 210 * 0,16 = 2 273,6 м³. Q_{в.год.2изд.} = 9947 * 0,16 = 1 591,5 м³.

Количество щебня в год:

Q_{щ.год, 1изд} = 1,1476*14 210*1,02/1,45 = 11 471,4 м³.

Q_{щ.год, 2изд} = 1,1476*9947*1,02/1,45 = 8030 м³.

Количество песка в год:

Q_{п.год, 1изд} = 0,6869*14 210*1,02/1,5 = 6637,4 м³.

Q_{п.год, 2изд} = 0,6869*9947*1,02/1,5 = 4646,2 м³.

Количество добавки в год:

Q_{д.год, 1изд} = 3,02 *14 210 = 42,9 т. Q_{д.год, 2изд} = 3,02 * 9947 = 30,04 т.

Производственная программа

Расчет и проектирование складов заполнителей

Вместимость складов заполнителей V₃ определяется по формуле:

V₃ = Q_сут * T_хр * 1,2,

где Q_сут — суточный расход материалов;

T_хр — нормативный запас хранения материалов, равный 10 суткам.

1,2 — коэффициент разрыхления.

V_3,1изд. = (45,3 + 26,2) * 10 * 1,2 = 858 м³.

V_3,2изд. = (31,7 + 18,4) * 10 * 1,2 = 601,2 м³.

Принимаем штабельно-полубункерный склад с разгрузочной машиной ТР-2 (С-492), емкостью 5500 м³, мощностью 232 кВт, с расходом электроэнергии 79 тыс. кВт, с длиной штабеля 108 м и шириной 29 м.

Общая площадь склада заполнителей:

А_скл = А_n — К_n, м²,

Где А_n — полезная площадь склада, равная суммарной площади всех штабелей; К_n= 1,45 — коэффициент увеличения площади склада для устройства проездов.

А_скл = 108 * 29 * 1,45 = 4541,4 м².

Расчёт и проектирование склада цемента

Вместимость склада цемента V рассчитывается по формуле:

V_ц = (Q_сут*Т_хр)/0,9, где

Q_cym — суточный расход цемента, Т_хр = 10 — нормативный запас хранения цемента;

0,9 — коэффициент заполнения ёмкостей.

V_ц = (24,3+ 16,98)*10/0,9 = 459 т.

Исходя из полученных данных, принимаем склад со способом приема цемента из всех видов транспорта, емкостью 480 т, количеством силосов 4 шт, расходом сжатого воздуха 36,4 м3/мин, мощностью 141 кВт.

Расчёт и проектирование БСУ

Определим годовую производительность Q_г бетоносмесителя:

Qг=Q_ч-*Т_см*N*Т_ф

Q_ч — часовая производительность бетоносмесителя; Т_см — время работы в смену; N— количество смен;

Т_ф — годовой фонд времени работы оборудования.

Часовая производительность Q_ч бетоносмесителя установки:

Q_ч= (V*n₃*K_в*K_n*m)/1000, где

V— объём смесительного барабана;

n₃ = 30 — число замесов в час;

К_в = 0,91 — коэффициент использования времени;

К_н — 0,8 — коэффициент неравномерности выдачи бетонной смеси;

М= 0,73- коэффициент выхода бетонной смеси.

Выбрали гравитационный бетоносмеситель СБ-80 с вместимостью по загрузке 250 л, объемом готового замеса 165 л, наибольшей крупностью заполнителя 40 мм, частотой вращения барабана 31 об/мин, мощностью электродвигателя 5,5 кВт, с размерами 1,91×1,55×1,08 и массой 1170 кг.

Q_ч = (250*30*0,91*0,8*0,73)/1000 = 3,98 м³.

Q_г = 3,98 * 8 * 2 * 253 = 16 111 м³.

Количество бетоносмесителей п_б, необходимое для обеспечения заданной годовой производительности П_г, определяем по формуле:

n_б= П_г/ Q_г, шт, где П_г — производительность завода в м³ в год.

n_б = (14 210+ 9947) / 16 111 = 1,5 шт.

Окончательно принимаем 2 гравитационных бетоносмесителя СБ-80.

Расчёт формовочного цеха

Годовая производительность П_га агрегатно-поточной технологической линии определяется по формуле:

П_га =(В_р* ф* h*60*V*n_u) /T_ф, м³,

где В_р — расчётное количество рабочих суток в году, 253;

ф — продолжительность рабочей смены, 8 ч;

h - количество рабочих смен в сутки, 2;

V- объём бетона одного изделия, м³;

п_и — количество одновременно формуемых изделий, 1 шт;

Т_ф - максимальная продолжительность ритма работы линии, 30 и 50 мин.

Пга, 1изд =(253*8*2*60*1,98*1)/30=16 030, м³.

П _{га, 2изд}.= (253*8*2*60*3,93*1)/50= 19 090, м³.

Количество формовочных постов:

n_a= 1000*П_г/П_га, шт

n_a= 1000*14,21/16 030 = 0,9.

Принимаем 1 формовочный пост для обеспечения заданной производительности 14 тыс. м³ в год первого вида изделия.

n_a2изд = 1000*9,9/19 090 = 0,5

Принимаем 1 формовочный пост для обеспечения заданной производительности 9,8 тыс. м³ в год второго вида изделия.

Потребность в формах п_ф для одной технологической линии агрегатно-поточного способа производства определяется по формуле:

n_ф= 1,05*60*Т_об.ф./Т_ф, шт где Тф — максимальная продолжительность ритма работы линии, 30 и 50 мин; Тоб.ф. - продолжительность режима оборота формы, ч.

Тоб.ф. = tтво+tр+tа+tф+tз+tв+tо

где tтво — продолжительность режима тепловой обработки (предварительное выдерживание, подъём температуры, изотермический прогрев и остывание изделий), 10 ч;

t_p — продолжительность распалубки, чистки и смазки формы, 0,2 ч;

t_a — продолжительность установки и при необходимости натяжения арматуры, 0,05 ч;

tф — продолжительность формования изделий, 0,3 ч;

t₃ - продолжительность загрузки форм в камеру тепловой обработки и закрытия крышки, ч:

t₃ = (m*T_ф)/60 + 0,1,

где m — количество форм в камере тепловой обработки, 1 шт;

t_{3,1 изд}. = (1*30)/60 +0,1 = 0,6 ч.

t_{3,2 изд}. = (1*50)/60 +0,1 = 0,9 ч

t_в=0,1m=0,1 — продолжительность выгрузки форм из камеры, ч;

t₀ = продолжительность ожидания формы перед формованием, 0,05 ч.

n_{ф, 1} изд. = 1,05*60*(10+0,2+0,05+0,3+0,6+0,1+0,05)/30 = 24;

n_{ф, 1} изд. =1,05*60*(10+0,2+0,05+0,3+0,9+0,1+0,05)/50 = 15.

Для обеспечения производительности одной технологической линии (формовочного поста) требуется 39 форм.

Для обеспечения заданной производительности П_г потребуется следующее количество форм:

n_фа=n_ф*n_а, шт.

n_{фа, 1изд.} = 24*0,9 = 21,6 шт.

Принимаем 22 формы для обеспечения заданной производительности цеха 14 тыс. м³ в год.

n_{фа, 2изд}. = 15 * 0,5 = 7,5 шт.

Принимаем 8 форм для обеспечения заданной производительности цеха 9,8 тыс. м³ в год.

Количество камер тепловой обработки периодического действия (ямных камер) для одной технологической линии определяется по формуле:

n_k= (60*ф*h*T_об.к)/24Т_ф*m, шт, где ф — продолжительность рабочей смены, 8 ч;

h — количество рабочих смен в сутки, 2;

Т_об.к. — средняя продолжительность оборота камеры, ч:

Т_об.к. = t_om + t_р +t₃ + t_mвo ,

где t_om — продолжительность снятия крышки, 0,1 ч;

tp — продолжительность разгрузки и очистки камеры, 0,33 ч;

t₃ — продолжительность загрузки форм в камеру тепловой обработки и закрытия крышки, ч:

t₃ = (m*Т_ф/60) + 0,1

где m — количество форм в камере тепловой обработки, 1 шт;

t_{з, 1изд}. = (1*30/60)+0,1 = 0,6, ч;

t_{з, 1изд}. = (1*50/60)+0,1 = 0,9, ч;

t_тво — продолжительность режима тепловой обработки (предварительное выдерживание, подъём температуры, изотермический прогрев и остывание изделий), 10 ч.

Т_{0б.к, 1изд}. = 0,1 + 0,33 + 0,6 + 10 = 11,03,ч.

Т_{0б.к., 2изд.} = 0,1 + 0,33 + 0,9 + 10 = 11,33,ч.

n_к.1изд= ((60*8*2*11,03)/(24*30*1))=14,7

n_к.2изд= ((60*8*2*11,33)/(24*50*1))=9

Для обеспечения производительности одной технологической линии (формовочного поста) требуется 24 камеры тепловой обработки.

Потребность в камерах тепловой обработки для обеспечения заданной производительности в год составит:

n_ka=n_k*n_a, шт, где n_к — количество камер тепловой обработки периодического действия (ямных камер) для одной технологической линии, шт;

n_а — количество формовочных постов, шт.

n_{ka, 1изд}= 14,7*0,9=13

n_{ka, 2изд.}= 9*0,5 = 4,5

Принимаем 13 ямных камер для обеспечения производительности цеха 14 тыс. м³ в год изделий с O1200мм и 5 камер для обеспечения производительности цеха 9,8 тыс. м³ в год изделий O1800мм.

Размеры камеры тепловой обработки (ямной камеры) для агрегатно-поточного способа производства определяются по следующим формулам:

Длина камеры:

l_К =m₁*l + (m_l +1)*l₁, м;

где m₁ — количество форм по длине камеры, шт.;

l — длина формы, м;

l₁— расстояние между формами и стенкой камеры, 0,45 м.

Ширина камеры:

b_K =n₁* b + (n + l)* b_l, м, где n₁— количество изделий по ширине камеры, шт.;

b — ширина формы, м;

b₁ — расстояние между формами и стенкой камеры, 0,35 м.

Высота (глубина) камеры:

h_K =m * (h + h_l)+h₂ + h₃, м;

где m — число форм по высоте камеры, шт;

h — высота формы, м;

h₁— расстояние между формами, 0,2 м;

h₂— расстояние между формой и дном камеры, 0,15 м;

h₃ — расстояние между верхним изделием и крышкой камеры, 0,05 м.

Размер ямной камеры для тепловой обработки напорных труб с диаметром O1200 мм и длиной 5195 мм при размере формы 5600×1770×1770 мм составит:

l_K = 1 * 5,6 + (1 + 1) * 0,45 = 6,5 м;

b_к = 1−1,77 + (1 + 1) * 0,35 = 2,47 м;

h_K = 1 * (1,77 + 0,2) + 0,15 + 0,05 = 2,17 м.

Размер ямной камеры для тепловой обработки напорных труб с диаметром O1800 мм и длиной 5225 мм при размере формы 5630×2430×2430 мм составит:

l_k = 1 * 5,63 + (1 + 1) * 0,45 = 6,53 м;

b_k = 1 * 2,43 + (1 + 1) * 0,35 = 3,13 м;

h_k = 1 * (2,43 + 0,2) + 0,15 + 0,05 = 2,83 м.

Коэффициент загрузки камеры определяется по формуле:

k₁ = (m*v)/v_k

где m — количество изделий в камере, 1 шт;

v — объём бетона одного изделия, м³;

v_k — объём камеры, м³.

Коэффициент загрузки камеры изделий O1200:

k₁= (1*1,98/6,5*2,47*2,17)=0,057.

Коэффициент загрузки камеры изделий O1800:

k₂= (1*3,93/6,53*3,13*2,83)=0,068

Коэффициент использования объёма камеры определяется по формуле:

k_исп = (m*v_ф/v_к)

где v_ф — объём формы, м³.

Коэффициент использования объёма камеры изделий O1200:

k_{исп, 1изд.}= (1*2,88/6,5*2,47*2,17)=0,083

Коэффициент использования объёма камеры изделий OI8OO:

k_{исп, 2изд.}= (1*4,83/6,53*3,13*2,83)=0,084

Окончательно принимаем 13 ямных камер для обеспечения производительности цеха 14 тыс. м³ в год изделий с O1200мм с коэффициентом загрузки 0,057 и коэффициентом использования 0,083 и 5 камер для обеспечения производительности цеха 9,8 тыс. м³ в год изделий O1800мм с коэффициентом загрузки 0,068 и коэффициентом использования 0,084.

Количество ванн для твердения железобетонных сердечников для одной технологической линии определяется по формуле:

n_k= (60*ф*h*T_об.к)/24Т_ф*m, шт, где ф — продолжительность рабочей смены, 8 ч;

h — количество рабочих смен в сутки, 2;

Т_об.к. — средняя продолжительность оборота камеры, ч:

Т_об.к. = t_om + t_р +t₃ + t_mвo ,

где t_om — продолжительность снятия крышки, 0,1 ч;

tp — продолжительность разгрузки и очистки камеры, 0,33 ч;

t₃ — продолжительность загрузки форм в камеру тепловой обработки и закрытия крышки, ч:

t₃ = (m*Т_ф/60) + 0,1

где m — количество форм в камере тепловой обработки, 1 шт;

Т_ф — максимальная продолжительность ритма работы линии, 120 мин;

t_{з, 1изд}. = (1*120/60)+0,1 = 2,1, ч;

t_mво — продолжительность режима обработки, 72ч.

Т_об.к., 1изд. = 0,1+0,33+2,1+72= 74,53 ч.

n_k.1изд. = (60*8*2*74,53)/(24*120*1) = 24,8

Принимаем 25 ванн для твердения железобетонных сердечников для обеспечения производительности цеха 14 тыс. м³ в год изделий с O1200мм и 9,8 тыс. м³ в год изделий O1800мм.

Размеры ванн для твердения железобетонных сердечников для агрегатно-поточного способа производства определяются по следующим формулам:

Длина ванны:

l_К =m₁*l + (m_l +1)*l₁, м;

где m₁ — количество форм по длине ванны, шт.;

l — длина изделия, м;

l₁— расстояние между формами и стенкой ванны, 0,45 м.

Ширина ванны:

b_K =n₁* b + (n + l)* b_l, м, где n₁— количество изделий по ширине ванны, шт.;

b — ширина изделия, м;

b₁ — расстояние между формами и стенкой ванны, 0,35 м.

Высота (глубина) ванны:

h_K =m * (h + h_l)+h₂ + h₃, м;

где m — число форм по высоте камеры, шт;

h — высота формы, м;

h₁— расстояние между формами, 0,2 м;

h₂— расстояние между формой и дном камеры, 0,15 м;

h₃ — расстояние между верхним изделием и крышкой камеры, 0,05 м.

Размер ванны для твердения для напорных труб с диаметром O1200 мм и длиной 5195 мм составит:

l_K = 1 * 5,2 4- (1 + 1) * 0,45 = 6,1 м;

b_к = 1 * 1,37 + (1 + 1) * 0,35 = 2,07 м;