Омоноличивание макропустот в грунтовых основаниях зданий с повышенным тепловыделением в условиях вечной мерзлоты

Актуальность темы

В связи со сложившимися обстоятельствами при эксплуатации производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электрических станций и др.) в условиях вечной мерзлоты весьма актуальной является задача совершенствования технологии омоноличивания элементов зданий. Недостаточная монолитность сборных конструкций в зданиях, ослабление стыков и швов при сдвиговых деформациях вызывают значительное снижение их прочности, устойчивости, термической сопротивляемости, долговечности. При этом, как показывает опыт, омоноличивание сборных конструкций путем заливки стыков и швов растворами и бетонами на обычном портландцементе (ГГЦ) не отвечает предъявляемым требованиям из-за усадочных явлений. Усадка цементного камня при твердении приводит к образованию микротрещин по поверхности контакта материала шва и омоноли-чиваемых элементов, что неизбежно приводит к постепенному разрушению бетонной конструкции. Известно, что применение растворов и бетонов на специальных расширяющихся цементах позволяет получить наиболее плотные, прочные и водонепроницаемые швы.

С другой стороны, в условиях вечной мерзлоты при строительстве и эксплуатации зданий на отсыпках со временем образуются макропустоты на границе «монолитное покрытие (бетон, железобетон, асфальтобетон и др.) — грунт». Установлено, что образование макропустот в основном связано с нарушением тепловлажностного режима и гидрогеологических условий в местах примыкания к конструкциям зданий мерзлого грунта, а также с внешним воздействием, например, за счет механических колебаний при работе мощных дизельных электростанций, технологического оборудования, машин и т. д., что ведет к разрушению монолитного покрытия.

Анализ возможности использования портландцемента М400 с расширяющей добавкой (РД) из местного сырья — молотой слюды ОАО «Якутс-люда» (разработчик — ЯкутПНИИ строительства) показал их эффективность применения при залечивании микротрещин в бетонных конструкциях. Однако для омоноличивания достаточно большого объема макропустот под покрытиями цокольной части зданий и дорог, эксплуатируемых в условиях многолетней мерзлоты, использование ПЦ с РД оказалось неэффективным из-за низких температур подстилающего грунтового основания и невозможности применения тепловлажностной обработки.

Поэтому для омоноличивания макропустот в грунтовых основаниях зданий, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с целью укрепления фунтов и восстановления эксплуатационных свойств монолитного покрытия предлагается использовать реакционноспособные композиции повышенной активности на основе местного минерального сырья и полимерных смол.

Работы выполнялись в рамках Тематического плана НИР ЯГУ на 2005;2006 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (per. № 1.11.06) и республиканской научно-технической программы «Проблемы строительного комплекса на Севере».

Научная новизна работы:

— обоснована технология производства строительных работ в условиях вечной мерзлоты при восстановлении несущей и теплоизолирующей способности грунтовых оснований монолитных покрытий полов для производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальные котельные, дизельных электростанций и др.) с применением реакци-онноспособных композиций, содержащих в своем составе полимерные смолы (карбамидные, полиуретановые) и минеральные материалы (песок, отходы переработки мрамора), повышенной активности;

— обоснованы и реализованы физическая и математическая модели динамики температурного поля в грунтовом основании здания с учетом теплового воздействия сооружения, эксплуатируемого в условиях вечной мерзлоты, что позволяет установить динамику границы промерзания и распределение температур в толще криогенной зоны в зависимости от ее глубины;

— обоснованы и реализованы физическая и математическая модели динамики температурного и прочностного полей в реакционноспособных композиционных материалах после омоноличивания макропустот, позволяющие выбирать оптимальные технологии и материалы для производства строительных работ;

— получены зависимости физико-механических свойств реакционно-способных материалов от состава исходной композиции и технологических параметров производства строительных работ;

— предложена рациональная технологическая схема производства работ и их параметры в зависимости от состава используемых реакционно-способных композиций, характера и объема образовавшихся макропустот, теплофизических условий подстилающего грунта и вечной мерзлоты района строительства.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов с аргументацией достоверности всех элементов математических моделей в совокупности с современными средствами вычислительной математики для изучения динамики температурного поля в грунтовом основании и в композиционных материалах — заполнителях с учетом теплового воздействия зданий в условиях вечной мерзлоты и внутренних источников тепла, достаточным объемом экспериментальных исследований и сходимостью их результатов с данными расчетов.

Объектом исследования является технология производства работ по омоноличиванию макропустот в фунтовых основаниях производственных зданий с повышенным тепловыделением, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с использованием местного минерального сырья и полимерных смол повышенной активности.

Практическая значимость и реализация полученных результатов: -впервые разработаны технологические параметры производства работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях производственных зданий с повышенным тепловыделением в условиях вечной мерзлоты с применением композиционного пенополиуретана (К1111У);

— реализация результатов исследований при реконструкции здания ДЭС пос. Депутатский (Якутия). Автор защищает:

— технологию производства строительных работ в условиях вечной мерзлоты при восстановлении несущей и теплоизолирующей способности фунтовых оснований монолитных покрытий полов производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электростанций и др.) с применением пенополиуретановых композиций с повышенной реакционной способностью;

— результаты математического моделирования, позволяющие установить динамику границы промерзания и распределения температур в толще криогенной зоны в зависимости от ее глубины с использованием усовершенствованных программы и алгоритма решения двухмерной задачи Стефана в условиях вечной мерзлоты с учетом теплового воздействия сооружения;

— результаты математического моделирования, позволяющие установить пригодность того или иного реакционноспособного материала в производстве строительных работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях зданий, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с использованием усовершенствованных программы и алгоритма решения трехмерного дифференциального уравнения теплопроводности с учетом нестационарности начальных и граничных условий;

— результаты исследований физико-механических свойств реакцион-носпособных материалов в зависимости от состава исходной композиции и технологических параметров производства строительных работ;

— технологию производства строительных работ и их параметры в зависимости от состава используемых реакционноспособных композиций, характера и объема образовавшихся макропустот, теплофизических условий подстилающего грунта и вечной мерзлоты района строительства;

— результаты практической реализации и оценку их технико-экономических показателей.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены: на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященного 150-летию В. Г. Шухова (Белгород, 2003 г.), на Международной научно-практической Интернет-конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (Белгород, 2005 г.), на Международном семинаре АТАМ «Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2006 г.), на 62-й научно-технической конференции ППС НГАСУ (Сибстрин" (Новосибирск, 2005 г.), на научно-технической конференции «Современные проблемы теплофизики» (Якутск, 2003 г.), на республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного комплекса и ЖКХ РС (Я)» (Якутск, 2004 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 6 научных статьях, в том числе в журнале с внешним рецензированием «Изв. Вузов. Строительство» (2004 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Она содержит 137 страниц основного (компьютерного) текста, включая 24 таблицы, 49 рисунков, 91 литературных источников и 2 приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана технология производства строительных работ в условиях вечной мерзлоты при восстановлении несущей и теплоизолирующей способности грунтовых оснований монолитных покрытий полов для производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электростанций и др.) с применением пенопо-лиуретановых композиций с повышенной реакционной способностью.

2. Применение метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов позволило:

— установить динамику границы промерзания и распределение температур в толще криогенной зоны в зависимости от ее глубины и годового периода с учетом теплового воздействия сооружения, что способствует выбору наиболее благоприятных гидрогеологических и температурных условий грунта для производства строительных работ по омоноличиванию макропустот (установленный период проведения работ — январь — момент максимальной глубины оттаивания под зданием ДЭС, достигающей 2,5−3,0 м);

— установить пригодность реакционноспособных материалов в производстве строительных работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях зданий, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты.

3. Получены зависимости физико-механических свойств и области применения реакционноспособных материалов (композиционных материалов на основе карбамидной смолы и отходов переработки мрамора — КМК, пенополиуретановых — КППУ и пенобетонных смесей) от состава исходной композиции и технологических параметров производства строительных работ, в числе:

— разработаны КМК для омоноличивания макропустот в грунтовых основаниях зданий, которые подходят по технологическим параметрам, но не пригодны по прочностным показателям (0,25−0,35 МПа при средней плотности 95−120 м), а значит могут быть рекомендованы в качестве теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях зданий;

— установлены достаточные прочностные показатели композиционных пенополиуретанов (0,5 и более МПа), которые достигаются двумя способами: а — введением мелких минеральных заполнителей, например, песка (коэффициент заполнения 0,35−0,40 по массе), б — управлением структурой и свойствами пенопластов регулированием начальной температурой композиции (10−15°С для заполнения макропустоты в мерзло-талых грунтах с температурой около 0°С) композиции и введением катализаторов (810 м.ч. от м.ч. рабочей смеси).

4. Предложены рациональные технологические схемы производства строительных работ и их параметры в зависимости от состава используемых реакционноспособных композиций (пенополиуретановых и пенобетонных смесей), характера и объема образовавшихся макропустот, теплофизических условий подстилающего фунта и вечной мерзлоты района строительства;

5. Практическая реализация результатов исследований осуществлена при реконструкции здания ДЭС пос. Депутатский (Якутия), а также в ремонте автомобильной дороги по Намскому тракту (17 км от г. Якутска) с использованием пенобетонов низкой плотности (400−500 кг/м3 при прочности на сжатие соответственно 0,78 и 1,4 МПа) для заполнения макропустот в фунтовом основании асфальтобетонных дорог в летних условиях — в период, когда установившейся температурный режим фунта обеспечивает нормальные условия твердения бетона.

6. Подтверждена технико-экономическая эффективность использования разработанной автором технологии омоноличивания макропустот в здании ДЭС пос. Депутатский с использованием пенополиуретановых композиций достигнута за счет снижения сроков проведения ремонтно-восстановительных работ в условиях бесперебойной работы систем теплои энергоснабжения.