Технология прессования высокоточных пазогребневых пустотелых блоков из бетонов с заполнителями на основе промышленных отходов

Одной из приоритетных программ по структурной перестройке экономики России в связи с переходом к рынку является Государственная целевая программа «Жилище», дополненная в 1996 году «Основными направлениями нового этапа реализации Государственной целевой программы „Жилище“. В этих документах определяются принципиальные положения долгосрочной Государственной жилищной политики и намечаются конкретные меры по решению важной социальной проблемы -» обеспечение права каждому гражданину в соответствии с потребностями и возможностями семьи приобретать в собственность или получить в пользование благоустроенные жилище — квартиру или дом" [1].

Существовавшая структура жилищно-гражданского строительства характеризовалась значительным объемом использования сборного железобетона и составляла 50−55%. Программа «Жилище» предусматривает некоторые сокращения индустриального домостроения за счет более интенсивного развития малоэтажного строительства и возведения домов из местных материалов. Ориентация на местные строительные материалы позволяет использовать новые возможности, положительно влияющие на однородность и декоративные характеристики бетонов. В последние годы получило развитие малоэтажное строительство с использованием мелкоштучных изделий из местных материалов и отходов промышленности. Организация производства таких изделий требует обоснованного выбора технологий и формовочного оборудования необходимой производительности.

Значительный вклад в разработку и развитие этого направления в строительном производстве внесли Анищенко А. А., Барановский В. Б., Баршак И. С., Белкин Я. М., Блещик Н. П., Вахнин М. П., Граник Ю. Г., Ибрагимов Ж. А., Костенко Б. И., Лохвицкий Г. З., Максимовский И. А.,.

Перламутров Б.Jl., Руденко И. Ф., Стронгин Н. С., Сидорова Т. А., Сухов В. Ю., Хавкин JI.M. и др.

Существует несколько способов изготовления мелкоштучных стеновых бетонных блоков: формование блоков в формах из бетонных смесей разной консистенции, вибровакуумирование, вибропрессование, статическое прессование и др.

Изготовление в формах является традиционным, хорошо отработанным и относительно несложным способом изготовления бетонных блоков. В связи с промышленным производством высокоэффективных пластифицирующих добавок (суперпластификаторов) все шире применяют высокоподвижные и литые бетонные смеси. Такие смеси требует только побудительной вибрации, хорошо заполняют форму, однако в этом случае требуется учитывать мероприятия, препятствующие расслоению бетонной смеси, например, применять специальные тонкомолотые водоудерживающие добавки [10]. Рассматриваемый способ формования обладает высокой производительностью, позволяет формовать блоки на основе тяжелых и легких заполнителей, обеспечивать их хорошое качество. В то же время он не дает возможности использовать немедленную распалубку из-за повышенной подвижности бетонной смеси, особенно в случае применения суперпластификаторов. Вследствие этого требуется большой парк форм, что повышает стоимость оборудования и металлоемкость производства, особенно при применении высокоподвижных и литых смесей, поскольку возрастает продолжительность тепловой обработки. По указанной технологии нельзя изготавливать блоки высокой точности из-за необходимости разборки-сборки многоместных форм.

В силу отмеченных недостатков этот способ получил ограниченное распространение.

Для обеспечения немедленной распалубки блоков при сохранении возможности использования пластичных и литых бетонных смесей были выполнены разработки по их формованию способом вибровакуумирования. Однако, данный способ не получил распространения, так как при вибровакуумировании ухудшается качество поверхности и геометрия изделий, появляются направленные поры в бетоне, из-за засорения фильтров их приходится часто заменять. Кроме того, необходима утилизация отходов, состоящих из воды и высокодисперсных частиц цемента.

Английская фирма Гоу-Кон предложила технологию формования бетонных изделий из высокоподвижных смесей с последующим статическим отжатием излишков воды из бетона через бумажные фильтры и перфорацию в днище формы. Недостатки этой технологии, ограничившие ее применение, связаны с неоднородностью степени отжатия воды по толщине изделий, что особенно существенно при толщинах более 80−100 мм, направленность пор, по которым происходит эвакуация воды и большой расход бумаги для фильтров.

Одним из наиболее распространенных способов формования бетонных блоков является вибропрессование [84]. Вибрация с одновременным относительно небольшим давлением позволяет применять жесткие смеси и получать пустотелые блоки, используя в качестве штампа вибрирующую плиту. При этом обеспечивается немедленная распалубка свежеотформованных изделий, что исключает необходимость использования парка форм. Применяемые вибропрессы относительно несложны, малоэнергоемки и имеют сравнительно небольшой вес. Вследствие этого резко сокращается металлоемкость технологических линий. Способ вибропрессования позволяет при соблюдении технологических режимов получать блоки хорошего качества.

Вместе с тем этому способу присущи существенные недостатки. Нельзя использовать многие местные материалы и промышленные отходы, поскольку только при использовании кондиционного заполнителя достигается прочность сырца, достаточная для немедленной распалубки изделий. При формовании изделий имеет место высокий уровень шума и вибрации. Кроме того, такая технология не позволяет формовать изделия высокой точности с пазами и гребнями. Малая структурная прочность свежеотформованного бетона (прочность сырца) приводит к повреждению изделий при немедленной распалубке, а применение многоместных тонкостенных форм повышенной деформативности не обеспечивает получение высокоточных изделий, которые могут применяться при эффективной безрастворной кладке. Отмеченные недостатки ограничивают применение данной технологии.

С целью снижения значительных давлений и упрощения оборудования была разработана отечественная технология роликового прессования на установках роторного типа мелкоштучных бетонных изделий, в том числе тротуарной плитки, кирпича, полнотелых блоков и т. п. Эту технологию выгодно отличает отсутствие шума и вибрации. К негативным сторонам следует отнести невозможность формования пустотелых изделий, худшее уплотнение бетона в углах форм, недостаточно точное выдерживание толщины формуемых изделий.

Помимо вибрационных и вибропрессовочных способов формования в производственной практике нашли применение способы статического и динамического прессования различных мелкоразмерных бетонных изделий: кирпичей, тротуарных и отделочных плит, блоков, деталей заборов и других. Особенно широкое распространения указанный способ получил в производстве силикатного кирпича [102]. Как показала практика, для эффективного уплотнения бетонных смесей требуются достаточно большие давления порядка 15−30 МПа. Поэтому при изготовлении плит германская фирма Хенке применяет тяжелые прессы усилием 600−1200 т.

Особый интерес представляют выполненные в ЦНИИЭП жилища поисково-экспериментальные разработки по формованию способом прессования пустотелых пазогребневых блоков высокой точности [39].

Было показано, что можно существенно снизить прессовочное усилие за счет увеличения пустотности формуемых блоков до 50−55%, применять некондиционные заполнители, в том числе и порошковые, в виде местных материалов и промышленных отходов, получать высокопрочные бетоны классов В25-В30 и более за счет низкого водосодержания и эффективного уплотнения при сравнительно невысоких расходах цемента 320−400 кг/м3 (в зависимости от дисперсности заполнителя), и обеспечить соблюдение малых допусков при отклонении от проектных размеров не более ±0,5 мм благодаря применению жестких неразъемных пресс-форм. При этом исключаются такие вредные воздействия как вибрация и высокий уровень шума.

Вместе с тем в упомянутых исследованиях оказались нерешенными вопросы, связанные с отработкой рациональных режимов изготовления блоков и параметров технологического оборудования, целесообразных схем организации производства, оценкой экономической эффективности технологических линий, а также определением качественных показателей блоков и кладок из них. Исследование комплекса этих проблем позволит решить актуальную задачу создания эффективной технологии изготовления мелкоразмерных пустотелых пазогребневых блоков повышенной точности с использованием местных заполнителей и промышленных отходов.

Цель диссертационного исследования заключалась в определении рациональных режимов прессования мелкоразмерных пустотелых пазогребневых блоков повышенной точностиподборе составов бетонных смесей из мелкозернистых местных заполнителей и промышленных отходоввыявлении принципов проектирования технологического оборудования и схем организации производств разной мощности, обеспечивающих получение высококачественных изделий при сокращении их себестоимости и энергозатрат.

В соответствии с поставленной целью в работе решали следующие задачи:

1. Обобщение опыта и анализ способов производства * мелкоразмерных бетонных блоков с оценкой перспективности принятых технологий.

2. Исследование влияния режимов прессования на качество изделий (прочность, плотность и однородность бетонакачество поверхностей).

3. Подбор рациональных составов бетонных смесей для данного способа формования при использовании разных заполнителей.

4. Определение рациональных режимов тепловлажностной обработки прессованных блоков.

5. Определение основных физико-механических характеристик кладки из пазогребневых бетонных блоков.

6. Разработка принципов проектирования технологического оборудования и схем организации производств разной мощности с определением их эффективности.

Методика работы включала информационно-аналитическую, лабораторную, расчетно-конструкторскую и производственно-проверочную части. В зависимости от характера выполненных исследований в отдельных разделах работы использованы частные методики, приводимые в соответствующих разделах диссертации.

Достоверность результатов исследований подтверждена сходимостью теоретических положений и экспериментальных данных, применением разных методов инструментального определения экспериментальных данных, а также близким совпадением данных ^ лабораторных и производственных экспериментов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Установлены рациональные параметры изготовления способом прессования пустотелых блоков, имеющих значительную высоту и малую толщину стенок при наличии пазов и гребней на их верхних и нижних гранях.

2. Разработаны рациональные составы бетонных смесей на основе мелкофракционных и дисперсных (порошковых) заполнителей.

3. Изучены способы тепловлажностной обработки пустотелых блоков и их влияние на качество бетона изделий и эффективность производства.

4. Определены технологические нагрузки на оборудование и принципы его конструирования.

5. Разработаны принципы проектирования основных типов заводских технологических линий разной производительности и компоновки в различных производственных пролетах.

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложена эффективная технология изготовления способом прессования мелкоразмерных пустотелых пазогребневых блоков повышенной точности, обеспечивающая получение изделий высокого качества с минимальными допусками, большой прочностью при относительно небольших расходах цемента, позволяющая применять местные материалы и промышленные отходы.

2. Выполнены проекты технологического оборудования (роторных прессов, пресс-форм, тепловых агрегатов и др.), обеспечивающего комфортные условия на рабочих местах (отсутствие шума и вибраций).

3. На основе разработок автора в ЦНИИЭП жилища разработана техническая и методическая документация, включающая технологические регламенты, рекомендации и инструкции по применению способа прессования бетонных блоков.

Внедрение результатов работы включает:

1. Организацию производства мелкоразмерных пустотелых пазогребневых блоков на предприятиях ЖБК г. Жезказгана (Республика Казахстан).

2. Разработку комплекта рабочих чертежей роторного пресса, пресс-форм, транспортных линий, грузозахватных траверс, поддонов и другого технологического оборудования линий по выпуску пустотелых пазогребневых блоков.

3. Выпуск альбома технических решений технологических линий разной мощности по производству пазогребневых бетонных блоков способом прессования (2002 г.).

Апробация полученных результатов.

Основные результаты работы доложены на международной научно-технической конференций «Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского региона» (1997 г.) и на научно-практической конференции «Московские ВУЗы-строительному комплексу Москвы для обеспечения устойчивого развития города» (2003 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 154 страницы, включая 89 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 29 таблиц, библиографию из 107 наименований и 14 страниц приложения.

Общие выводы.

1. В результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований научно обоснована и решена технологическая задача, позволяющая на более высоком техническом уровне обеспечить производство мелкоразмерных тонкостенных пазогребневых пустотелых блоков для безрастворной кладки.

Предлагаемая технология позволяет изготавливать блоки высокого качества, экономить энергоресурсы, снизить приведенные затраты на производство и обеспечить комфортные санитарно-гигиенические условия работы в формовочных цехах, благодаря отсутствию шума и вибрации.

2. Экспериментально подтверждена возможность изготовления способом прессования пустотелых пазогребневых блоков в неразъемной форме на установке одностороннего действия с подпрессовкой смеси со стороны неподвижной плиты пресса.

Для бездефектной распалубки блоков стенки пресс-формы должны иметь уклон 1 мм в сторону выпрессовки, а пазы и гребни блоков угол наклона 45 .

3. Определены рациональные режимы прессования пазогребневых блоков. Установлено, что для эффективного уплотнения бетонной смеси давление прессования следует назначать в диапазоне 20−30 МПаболее высокие значения давления не способствуют к лучшей уплотняемости смеси, но требуют в то же время более тяжелого технологического оборудования, в том числе пресс-форм, и приводят к существенному увеличению усилия выпрессовки.

4. Изучен процесс изменения объема бетонной смеси при прессовании, и установлено, что для получения блока заданной высоты первоначальный объем рыхлого бетона, загружаемого в пресс-форму, должен превышать объем готового блока в 2−2,2 раза, в связи с чем высота пресс-формы должна соответственно превышать высоту готового блока. Прессование изделий осуществляется в две стадии. Скорость прессования на первой стадии рекомендуется принимать 50 мм/с, на второй — 5 мм/с.

На основе выполненных исследований получена формула определения усилия выпрессовки пазогребневых блоков.

5. Определены рациональные составы бетонов, учитывающие специфику технологии прессования пазогребневых пустотелых тонкостенных блоков. Установлено, что для изготовления могут использоваться различные заполнители от порошкообразных до мелкофракционных (крупностью до 5 мм). Экспериментально проверены такие материалы, как пылеуносы керамзитового производства, золы ТЭЦ, кварцевые и керамзитовые пески, шлаки, туфы, отходы камнедробления и др. Для увеличения прочности бетона-сырца рациональный расход высокодисперсной фазы следует устанавливать для каждого конкретного состава бетонной смеси опытным путем. Расход цемента для получения необходимой прочности бетона должен находится в диапазоне 360−400 кг/м3. В исследованных составах прочность бетона-сырца л составляла 0,45−0,8 МПа (4,5−8 кгс/см"), что достаточно для немедленной распалубки блока-сырца. В специально подобранных (по критерию прочности) составах бетона прочность сырца доходила до 1,2−1,4 МПа.

6. Учитывая возможности технологии, предусматривающей использование жестких, прочных пресс-форм, экспериментально подтверждена возможность достижения высокой точности изготовления блоков, при которой максимальное отклонение габаритных размеров от номинала не превышает ±0,5 мм. Расчетным путем определены условия собираемости кладки стен из пазогребневых блоков. При этом собираемость стен составляет 99,73%.

7. Для обеспечения простоты изготовления, сокращения числа разновидностей пресс-форм и упрощения кладочных работ в результате выполненных проектных разработок и исследований для безрастворной кладки наружных и внутренних стен, а также перегородок жилых домов установлено два основных типоразмера блока: целый размером 398×198×205 мм и продольная половина размером 398×98×205 мм. На верхней грани блоков предусмотрены гребни, а в нижней части пазы, в которые эти гребни входят. В 1 целях экономии материалов блоки выполнены тонкостенными (30 мм) с двумя большими пустотами (135×135 мм). Пустотность блоков составляет 54,5%.

Принятая конструкция и номенклатура блоков позволяют осуществлять j сплошную и слоистую кладку наружных стен. Установлено, что кладка из пазогребневых блоков дает существенное снижение трудозатрат на кладочных работах, проводимых без применение раствора. Такая кладка отличается от традиционной пониженной бетоноемкостью (до 25%), поскольку пустотность пазогребневых блоков в 2 раза больше, чем стандартных блоков по ГОСТ 613 384.

Разработаны проекты 2-этажных 6-и и 7-и комнатных жилых домов.

8. Изучена прочность безрастворной кладки из пазогребневых блоков на минеральном клее. Расчетная оценка результатов показала, что несущая способность по СНиП П-22−81 «Каменные и армокаменные конструкций» составляет 40% от фактической разрушающей нагрузки, полученной экспериментальным путем.

Установлено, что полимерцементные швы не приводят к снижению прочности кладки, а характер работы кладки соответствует стене из монолитного бетона.

9. Определена категория безрастворной кладки, т. е. возможность ее использования в регионах с тем или иным уровнем сейсмичности. Временное сопротивление осевому растяжению по горизонтальным швам Rep (нормальное сцепление) в проведенных испытаниях составило 217 кПа, что позволяет отнести данную кладку в соответствии с п. 3.39 СНиП И-7−81* «Строительство в сейсмических районах» к 1-ой категории (Д* >180 кПа).

10. На основе выполненных исследований разработан комплект технологического оборудования для формования пазогребневых блоков, включающий: карусельный пресспресс-формы для стендовых и карусельных установоктепловые агрегаты разных типовманипуляторы-съемщики свежеотформованных блоковавтоматические траверсы для поддоновтраверсы для транспортирования готовых изделийдлинные и короткие поддоны и шаговый конвейер.

11. Предложены проектные решения технологических линий малой (5200 м3 и 10 400 м³ блоков в год) и большой (22 000 м3 блоков в год) мощности для изготовления мелкоразмерных пазогребневых пустотелых блоков. Технико-экономические расчеты показали, что производство пазогребневых блоков в сопоставлении с существующими аналогами по приведенным затратам более эффективно. В частности, за счет значительного сокращения материалоемкости пазогребневых блоков и меньшей стоимости заполнителей их себестоимость производства меньше, чем у стандартных блоков на 20−40%. Благодаря большой пустотности пазогребневых блоков расход бетона на один блок снижается на 31,7%, а расход цементного клея при безрастворной кладке (6 л на 1 м³ стены) в 20 раз меньше расхода кладочного раствора.

При рыночной цене 20,4 руб. (на декабрь 2002 г.) за один бетонный блок объемом 16 л рентабельность пазогребневых блоков составляет 54−67% и в 1,25−1,6 раза эффективнее стандартных блоков.

12. Внедрение разработок автора осуществлено на заводе ЖБК г. Жезказгана (Республика Казахстан), где задействовано производство пазогребневых блоков на опытно-промышленной полуконвейерной линии производительностью 5200 м³ блоков в год. Изготовлено более 800 м³ (50 000 шт.) блоков. Полученный экономический эффект составил 325 тыс. рублей, а ожидаемый годовой экономический эффект составляет 2 650 тыс. руб.