Статьи

Перспективы применения высокопрочного сталефибробетона для железобетонных башенных градирен

к.т.н. В.А. Дорф, к.т.н. Р.О. Красновский, к.т.н. Д.Е. Капустин
(АО "Институт "Оргэнергострой")

Одним из наиболее ответственных сооружений на атомных и тепловых электростанциях являются железобетонные башенные вытяжные градирни. Все элементы этих сооружений имеющих высоту до 200 м, работают в очень сложных эксплуатационных условиях, испытывая помимо обычных статических нагрузок такие опасные воздействия, как циклические знакопеременные динамические (ветровые и сейсмические), а также температурные нагрузки [1]. К этому надо добавить химическое воздействие конденсирующейся из пара и текущей по поверхности железобетонных элементов горячей пресной воды, вызывающей эффект выщелачивания бетона, а также сульфатную коррозию, вызываемую дымовыми газами на угольных тепловых станциях.

Пример такой коррозии по данным крупной германской фирмы Zerna [1] приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Кислотная коррозия бетона оболочки градирни

В результате на всех без исключения тепловых и даже атомных станциях возникает проблема ремонта градирен, имеющего высокую трудоемкость, в особенности с учетом высоты и труднодоступности многих участков градирни.

В нормы [3] уже заложена периодичность капитального ремонта железобетонных градирен 4 года.

Все это приводит к стремлению закладывать в проект такие высокие параметры долговечности, как морозостойкость бетона до F1500 и более, водонепроницаемость не ниже W8 – W14, толщину защитного слоя бетона до 50 мм. Во многих случаях в проект заранее закладывается необходимость устройств защитных покрытий  железобетонных конструкций градирни самыми разнообразными органическими и неорганическими материалами..

Хотя корпус башенной градирни является относительно тонкостенным сооружением, его толщину и, следовательно, материалоемкость и нагрузку на фундамент можно было бы снизить, повысив прочность бетона. Однако, этому препятствует записанное в российских нормах [2] ограничение по прочности – не более класса B50. В немецких нормах VGB-R 135 [8] для бетона башни градирни  дано близкое ограничение  - класс C45. Это ограничение связано с тем, что, как известно, с повышением прочности бетона растет его хрупкость, что в условиях многоцикловой ветровой и сейсмической нагрузки является недопустимым.

Большинство проблем, связанных с физико-механическими характеристиками бетона градирен, включая хрупкость и трещиностойкость, и его долговечностью могут быть эффективно решены при использовании для производства железобетонных конструкций высокоэффективного  бетона - сталефибробетона с процентом армирования 1,5 ‑ 5 %. Это решение позволяет полностью снять проблему хрупкости бетона, повысить его прочность на растяжение при изгибе - в 3 раза, на растяжение при раскалывании в 2,4 раза, в несколько раз повысить динамическую прочность, обеспечить морозостойкость свыше F1000 и водонепроницаемость свыше W20 [4 ‑ 6].

Не случайно сталефибробетон заложен в качестве долговечной и надежной гидроизоляции в проекты современных АЭС ВВЭР-2006 и регламентирован в проекте ГОСТ Р "Монолитная сталефибробетонная гидроизоляция подземных  железобетонных конструкций объектов использования атомной энергии. Технология изготовления и контроль качества" [7].

Низкое водовяжущее отношение высокопрочного сталефибробетона (менее 0,3) в сочетании с эффектом фибр, препятствующих развитию трещин, приводит к высокой коррозионной стойкости сталефибробетона, что очень важно для конструктивных элементов градирни.

Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что возведение башни градирни из высокопрочного сталефибробетона позволит отказаться от систематического ремонта в течение срока эксплуатации сооружения (50 лет и более).

Опыт эксплуатации башенных градирен [9, 10] показал высокую стоимость ремонтных работ, составляющих порядка 2500 руб./м3 бетона конструкции.

В результате, как показано в таблице 1, при нормативной периодичности ремонта бетона башни градирни каждые 4 ‑ 5 лет [2, 8], замена обычного бетона на высокопрочный сталефибробетон класса B80 – B100  приведет к некоторому удорожанию материалов, прежде всего, за счет стоимости стальной фибры,, но за счет исключения многократного дорогого ремонта за время службы сооружения, вдвое снизит общую стоимость строительства и эксплуатации башни градирни.

Таблица 1. Сопоставительный расчет стоимости строительства и эксплуатации башни градирни при использовании обычного бетона и сталефибробетона

 

Статья затрат на 1 м3 бетона башни градирни

Бетон со стержневой арматурой

Сталефибробетон

Цена, руб.

Объем

Затраты, руб.

Цена, руб.

Объем

Затраты, руб.

1.       

Расход цемента, кг

5.1

400

2040

5.6

800

4480

2.         

Расход арматуры, кг

73

22.9

1669

73

22.9

1669

3.

Расход фибры, кг

-

0

0

50

152.4

7620

4.      

Изготовление арматурного каркаса*), кг

7.72

22.9

176

7.72

22.9

176

5.      

Установка арматурного каркаса*), кг

13.7

22.9

313

13.7

22.9

313

6.      

Ремонт 1 раз в 5 лет, руб.

2500

10

25000

-

0

0

7.       

ИТОГО:

 

 

29198

 

 

14258

*) цены приняты по ФЕР-2001 м38-01-003-2 и 37-01-027-3

Если грубо ориентировочно принять, что толщина башни железобетонной вытяжной градирни пропорциональна его классу по прочности при сжатии то при переходе от класса B50, например, к классу B80 ‑ B100, сечение можно уменьшить 1,5 – 2 раза. Если же учесть, что для градирни лимитирующей характеристикой является прочность не при сжатии, а при растяжении, и усталостная прочность, то снижение будет еще большим. Это даст дополнительный экономический эффект.

Следует отметить, что высокая трещиностойкость и коррозионная стойкость высокопрочного сталефибробетона делает его перспективным материалом, не только для башни вытяжной градирни, но и для других ее элементов: наклонной колоннады, водоохладительного устройства, водосборного бассейна и др.

При необходимости, для повышения коррозионной стойкости сталефибробетон может готовиться на фибре из нержавеющей проволоки.

Описанные принципиальные решения по применению высокопрочного сталефибробетона для железобетонных башенных градирен базируются на многолетних исследованиях АО "Институт "Оргэнергострой" в области сталефибробетона и его применения для несъемной опалубки и гидроизоляции на АЭС. Однако, для эффективного использования этого материала для башенных градирен требуется провести дополнительные целенаправленные НИОКР, которые могут быть выполнены за 18 – 20 мес.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. К. Котц Планирование и реализация мероприятий по ремонту бетона на электростанциях. Совещание Москва –Санкт-Петербург, 18-21 апреля 2010 г.
  2. СП 340.1325800.2017 Свод правил конструкции железобетонные и бетонные градирен. Правила проектирования
  3. Положение. Техническая эксплуатация промышленных зданий и сооружений. ПОТ РО 14000-004-98" (утв. Департаментом экономики машиностроения Минэкономики РФ 12.02.98). Периодичность капитального ремонта сооружений промышленного назначения
  4. Дорф В.А., Красновский Р.О., Капустин Д.Е. Рогачев К.В., Горбунов И.А., Денисов А.В. Влияние типа и содержания стальной фибры на прочностные характеристики сталефибробетонов с цементно-песчаной матрицей. II Международная, III Всероссийская конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — взгляд в будущее». Москва, 12–16 мая 2014 г.
  5. Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова, В.Ю. Голубев Проблемы применения высокопрочного сталефибробетона, Технологии бетонов, 2010, № 3-4
  6. Дорф В.А., Красновский Р.О., Капустин Д.Е.,   Горбунов И.А., Капустин Д.Е. Статическая и динамическая прочность на растяжение при изгибе сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей. Бетон и железобетон, 2015, №1, с.5-9
  7. ГОСТ Р Монолитная сталефибробетонная гидроизоляция подземных железобетонных конструкций объектов использования атомной энергии. Технология изготовления и контроль качества (проект)
  8. Hans-Jürgen Niemann, Reinhard Harte, Joachim Meyer and Ralf Wörmann Recent amendments to the VGB Guideline on the design and construction of cooling towers in power plants. VGB PowerTech 9/2011
  9. Компания промышленного альпинизма АльпСфера https://alpsfera.ru/remont-gradirni
  10. Компания ИРВИК (г.Москва): Проблемы обеспечения надежности железобетонных вытяжных башен градирен https://studylib.ru/doc/338526/opisanie-vidov-korrozii-v-gradirnyah

© 2022. Акционерное общество "Институт "Оргэнергострой"
Член Ассоциации организаций строительного комплекса атомной отрасли