Материалы для сооружения силоса и методы строительства

При выборе конструкционного материала для силоса необходимо учитывать целый комплекс факторов. Одним из наиболее важных аспектов является грунт, на котором будет построен элеватор.

Если основание имеет небольшую несущую способность или возможно оседание почвы, обычно предпочитают легкие сооружения. Кроме того, продолжительность строительства, степень предварительного изготовления сборных элементов, экономические аспекты и т. п. — все это может оказать влияние на выбор. Имеется несколько моментов, которые следует рассмотреть: достаточно ли прочен материал; относительная дешевизна; требуется ли сложная строительная техника; поглощение влаги, тепловая изоляция, герметичность; подвергается ли влиянию химических веществ; соответствует ли предъявляемым требованиям внутренняя поверхность стен; подвергается ли строительный материал влиянию погодных условий; огнестойкость; требуется ли значительный ремонт.

Рассматриваются на пригодность такие строительные материалы, как дерево, синтетические материалы, сталь и бетон. Дерево уже не применяется в качестве строительного материала для силосов, хотя в прошлом его широко использовали для строительства хранилищ небольшой вместимости. Синтетические материалы (стекловолокно, армированное полиэфиром) в настоящее время успешно используются для небольших, изготовленных как одно целое силосов, и весьма возможно, что этот материал в будущем будет применяться для силосов большой вместимости. В настоящее время сталь и бетон — наиболее подходящие материалы для сооружения силосов. Они имеют специфические характеристики, которые приведены ниже.

Металлические силосы в основном используются для хранилищ небольшой вместимости и для временных хранилищ, а именно на фермах и в кооперативах. Их себестоимость относительно невысока благодаря небольшой массе конструкций, заводскому изготовлению отдельных элементов, использованию стандартных материалов, в достаточном количестве имеющихся на рынке, незначительному времени монтажа и применению интенсивных методов строительства. Очень небольшие отдельно стоящие круглые силосы диаметром 2,5—3,0 м, которые часто можно увидеть на фермах, доставляются на автомобилях в готовом виде. Из-за транспортных проблем монтаж высоких силосов большого диаметра должен осуществляться на месте.

Преимущества металлических силосов следующие:

• гладкая поверхность стен и более низкий коэффициент трения;
• возможность монтажа внутри существующих зданий;
• возможность осуществления сложных проектов;
• заполнение пневматическим путем и опорожнение методом псевдоожижения;
• увеличение вместимости простой сваркой;
• обеспечение контроля заполнения и температуры с помощью лазов и т. п.

Однако эти силосы имеют и недостатки:

• разгрузка по типу центрального потока, т. е. при минимальном трении о стенку;
• конденсация влаги на стальных стенах, что может сделать необходимым очистку внутренних стен выше уровня продукта или устройство теплоизоляции стен и крыши;
• необходимость в периодической окраске;
• коррозия металла под воздействием некоторых химических веществ в хранящейся массе;
• при опорожнении силоса необходимо поступление достаточного количества воздуха в силос, иначе возможен пневматический удар за счет вакуума, образующегося внутри силоса.

Наиболее широко используемые конструкции металлических силосов будут рассмотрены ниже.

Бетонные силосы используют в больших, постоянных хранилищах, которые должны быть долговечными и требуют минимум ремонта и обслуживания. Современные бетонные элеваторы большой вместимости наиболее экономичны. В частности, при строительстве их важную роль играет применение метода скользящей опалубки.

Исключительные преимущества бетона над всеми другими строительными материалами можно суммировать следующим образом:

• бетон (без специальных добавок) «дышит», снижая тем самым опасность конденсации влаги;
• позволяет сооружать закругленные углы;
• бетон водонепроницаем и огнестоек, легко очищается, почти не подвергается воздействию химических веществ, является плохим проводником тепла, почти не требует ухода, может заливаться на месте в любую форму, хорошо выдерживает как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки.

Ограничения при применении бетона следующие:

• высокая собственная масса сооружения из бетона, что делает необходимым мощный фундамент для предотвращения возможного оседания грунта;
• монтаж элементов транспортных средств, питающих устройств, люков и других дополнительных элементов, необходимых для активизации разгрузки силосов, более сложен и требует больше времени, чем при использовании стальных конструкций;
• поверхность внутренних стен силосов относительно грубая, например, из-за остатков гравия, каверн, вызванных воздушными пузырями при бетонировании, или других неровностей, отпечатков опалубки, что требует ремонта, как только свежие бетонные стены освобождаются от опалубки;
• определенная потеря объема (стальной силос диаметром 5 м, высотой 30 м и со средней толщиной стен 5 мм имеет полезный объем 590 м³, тогда как бетонный силос одинакового наружного диаметра и высоты, но со стенами толщиной около 15 см имеет объем только 520 м³, т. е. на 12 % меньше);
• общее время строительства и затраты значительно выше.

Металлические силосы: типы конструкций

Для строительства круглых силосов средних размеров обычно используются гофрированные металлические листы. Такие листы по сравнению с плоскими более прочны на разрыв и изгиб.

С точки зрения относительной толщины стен таких силосов важно, что на эти стены не оказывается вторичного давления.

Силос предпочтительно выгружать по типу гравитационного истечения через центральное отверстие и в виде центрального потока. Эксцентричное расположение выпускного отверстия создает более высокие нагрузки на стены, что может привести к потере круглой формы. Силосы из гофрированных металлических листов армируют вертикальными стержнями, устанавливаемыми снаружи и передающими давление на стену, а собственную массу — на бетонный фундамент. При необходимости теплоизоляции снаружи силоса устанавливают аналогичную вторую стену, которую крепят на болтах к вертикальным стержням.

При сооружении крупных силосов (диаметром около 30 м) стены из гофрированных листов иногда делают двойными, при этом наружная стена с горизонтальными рифлями воспринимает разрывные нагрузки массы продукта, тогда как дополнительная внутренняя стена с вертикальными рифлями, заменяя вертикальные стержни, воспринимает давление, возникающее при трении о стены. Этот способ позволяет получить силос со стенами повышенной жесткости, высоким сопротивлением давлению и теплоизоляцией.

Кроме того, гладкие вертикальные закругления внутренней поверхности стен улучшают истечение продукта и делают силос пригодным для хранения трудносыпучих продуктов.

Описанные здесь силосы часто используют для хранения свежеубранного зерна с высокой влажностью. Действительно, эта модель силоса оптимальна для применения вентиляционных систем. Выпускные воронки силосов могут быть из металла или бетона, коническими или плоскими. Гофрированные листы, используемые для этих силосов, предварительно оцинковывают, а толщина листов изменяется в зависимости от высоты и диаметра силоса. Болты, гайки, вертикальные стержни и все другие металлические части также покрывают цинком, как при использовании в морских конструкциях. В зависимости от погодных условий и химического загрязнения воздуха такие конструкции служат около 15 лет.

Стены многоугольных силосов состоят из плоских сегментов или панелей заводского изготовления, собираемых на месте. Плоские стены должны оказывать сопротивление изгибу, а также растяжению, возникающим от воздействия массы продукта. Панели заводского изготовления состоят из изогнутых листов, соединяемых вместе с помощью вертикальных стержней, которые усиливают место стыка.

Полые вертикальные стержни образуют общую раму силоса и передают вертикальные нагрузки на бетонный фундамент. Вертикальные нагрузки создаются собственной массой конструкции и трением продукта о стены.

Для распределения вертикальных нагрузок на возможно большую бетонную поверхность вертикальные стержни обычно опираются на фундаментные плиты. После того как силос будет полностью сварен, полые вертикальные балки можно заполнить бетоном, что повысит их несущую способность. Крышу силоса так же собирают из рифленых металлических панелей заводского изготовления, сваривая их вместе по всей длине. Эта система сборки позволяет группировать несколько силосов в одну батарею, что обеспечивает максимальную вместимость хранилища при минимальной занимаемой площади. Последующее расширение вместимости элеватора возможно простым добавлением дополнительных панелей. Чем больше силосов, тем ниже стоимость 1 м³ сооружения, так как стены новых силосов примыкают к уже существующим.

Такие силосы могут иметь различные днища, например, горизонтальное или в виде конусной воронки на стойках, позволяющее обеспечить гравитационное истечение продукта. Для центрального потока требуется расположение выпускного отверстия по центру силоса. Нория для вертикальной транспортировки продукта может быть установлена как внутри силоса, если нет вертикальной шахты, так и снаружи силоса.

Распределение продукта по силосам может быть традиционным, т. е. посредством горизонтальных ленточных, скребковых или винтовых конвейеров. Использование плоских металлических листов, которые свариваются в кольца, делает возможным сборку отдельных силосов. Пространство между силосами также можно использовать, применив панели заводского изготовления. Образующуюся между силосами шахту можно использовать как самостоятельный силос или как место для установки лестницы. Если шахта будет использована как силос, то следует рассмотреть необходимость установки горизонтальных стягивающих арматурных стержней, воспринимающих давление продукта внутри этой шахты и на стены соседних круглых силосов.

Сборка сварной металлической конструкции силоса на месте иногда осуществляется с помощью центрального подъемника, что дает возможность поднимать различные кольца в соответствующей последовательности. Сначала самое верхнее кольцо с крышей поднимается до такого уровня, что к нему может быть приварено второе кольцо, которое остается на земле. Существуют и другие методы сборки металлических силосов.

Показана конструкция круглого силоса из стальных колец заводского изготовления на болтах, приведена система Липп (запатентованная), представляющая собой спиралеобразную конструкцию из оцинкованной или нержавеющей стали. Корпус силоса изготовляется с помощью навивочной машины с роликами, которые придают ленте определенную форму и непрерывно закрепляют ее, сворачивая в спираль, в результате чего получают корпус силоса. Крыша и другие дополнительные элементы собираются на земле и монтируются сразу же по мере формирования корпуса.

После завершения процесса конструкция поднимается с помощью любого подъемного механизма.

Такой же процесс дает возможность сооружать трубчатые подвесные платформы для монтажа приемных конвейеров.

Наиболее существенным недостатком металлических силосов с незащищенными компонентами или с недостаточной защитой является их коррозия. Поэтому необходимо принимать меры для защиты заводского покрытия от повреждения при транспортировке и сборке этих конструкций.

Коррозия начинается сразу же, как только покрытие повреждено, например, когда сборочные элементы часто переставляют с места на место или когда болты или гайки закрепляют плохо подогнанным инструментом.

Гальванизация дает хорошую защиту от ржавчины, если металлическая поверхность тщательно очищена и цинковое покрытие достаточно толстое. После сооружения силоса его необходимо покрывать краской, защищающей от ржавчины, в соответствии с условиями и методикой, рекомендуемой изготовителем. Если через несколько лет появятся пятна ржавчины, соответствующие меры защиты должны быть приняты немедленно.

Бетонные силосы

Бетон — строительный материал с высокой прочностью на сжатие и незначительной прочностью на разрыв. Для улучшения характеристик бетона и расширения области его применения используют стальную арматуру и различные дополнительные меры. Силосы элеваторов из железобетона строят различными путями, а именно:

путем сборки из бетонных колец, которые после твердения бетона укладываются друг на друга. При этом кольца должны быть правильной формы для обеспечения точной подгонки и тщательной герметичности горизонтальных швов между сборными элементами;

методом передвижной опалубки, когда элементы конструкции формуются и твердеют на месте. После твердения бетона наружная и внутренняя рамы опалубки снимаются, очищаются и поднимаются на следующую ступень. Арматурные стержни и бетон заливаются в форму, и работа продолжается до тех пор, пока не будет достигнут верхний уровень. Важно, чтобы новый бетон плотно соединялся с затвердевшим бетоном, поэтому большое значение имеет непрерывность арматурных стержней.

Оба эти метода успешно использовались в течение недолгого периода и только при сооружении небольших бетонных силосов. Они перестали применяться, так как был разработан метод возведения силосов в скользящей опалубке.

В настоящее время метод скользящей опалубки широко используется для бетонных сооружений большой высоты и постоянного диаметра; он известен с начала этого столетия, но только в последние 40 лет стал широко применяться. Этот метод обычно выбирают для сооружения круглых или многоугольных силосов, возводимых на месте.

Сначала подъем рамы опалубки представлял большую проблему. Теперь, когда для подъема используются гидравлические или пневматические домкраты, этот метод достиг совершенства, но он все еще требует высококвалифицированных специалистов. Для успешной работы со скользящей опалубкой, помимо многих других второстепенных деталей, необходимо учитывать следующее:

скользящая опалубка делает возможным послойное бетонирование без какого-либо повреждения предыдущего, еще не застывшего слоя бетона последующим;

толщина стен должна быть одинаковой на каждом уровне, а арматура — достаточно прочной, чтобы противостоять максимально возможным давлениям; минимальная толщина стен обычно составляет 14 см с учетом размещения арматурных и домкратных стержней, требуемой герметичности и возможной коррозии определенными химическими веществами; кроме того, расстояние от наружного края до ближайшего арматурного стержня должно быть не менее 3 см;

важно, чтобы площадка, где возводится силос, была хорошо организована, профессиональные специалисты осуществляли полный контроль процесса и на площадке обслуживания были достаточно опытные рабочие.

Многие подрядчики, по-видимому, недооценивают сложности работы, определяя число рабочих, необходимых на площадке обслуживания, в соответствии с их обычными производственными стандартами и средним объемом бетона и арматурной стали, расходуемых в час. Они не принимают во внимание трудности работы, ее монотонность, когда работа может продолжаться в течение нескольких дней и ночей, включая и выходные дни, не учитывают непредсказуемых ошибок в организации процесса (особенно из-за неритмичной поставки бетона) и многих других факторов. Эти практические трудности обычно являются основными причинами проблем, с которыми приходится сталкиваться во время сооружения силосов элеватора. Ошибки, допускаемые при заливке бетона в скользящую опалубку, могут иметь катастрофические последствия и потребовать последующего ремонта с чрезвычайно большими затратами.

С эффективной и обладающей преимуществами системой скользящей опалубки, позволяющей сокращать сроки строительства и экономить формы для последующего использования, должны работать только специальные подрядчики, чья репутация и компетентность в этой области не вызывают сомнения. Перед тем как доверить им работу, руководитель, инженер-консультант и специалисты должны подробно обсудить организацию работы методом скользящей опалубки и подписать соответствующие документы. Кроме того, специалисты, знающие этот метод и работающие обычно в качестве субподрядчиков, должны иметь право и обязаны после консультации с инженером прекращать работу, если станет ясно, что качество строительства может пострадать из-за неправильной организации работы.

Скользящая опалубка состоит из внутренних и наружных щитов, обычно изготовляемых из сухих, смолистых досок, которые прибивают гвоздями к горизонтальным планкам.

Доски образуют стены опалубки, которые в зависимости от скорости подъема и времени схватывания бетона имеют высоту от 1 до 1,3 м. Плоскости скольжения в некоторых случаях покрывают металлическими листами или влагостойким твердым картоном. Для получения оптимальных результатов плоскости скольжения должны быть отделаны очень тщательно и смазаны специальным маслом.

Внутренние и наружные элементы опалубки крепятся к жестким хомутам или эстакаде, смонтированной из металлического прокатного профиля или труб. Для облегчения работы выбирают эстакаду с максимальным открытым пространством в зависимости от толщины стен и арматуры. Хомуты со встроенным подъемным механизмом удерживают стены опалубки на постоянном расстоянии друг от друга в соответствии с толщиной стен, необходимой для силоса, и размещены по периферии силоса на расстоянии 1,5—2,5 м друг от друга. Недостаточное расстояние между хомутами затрудняет подъем после установки на место арматурных стержней.

Каждый хомут снабжен гидравлическим или пневматическим домкратом со сдвоенным зубчатым захватным механизмом, отличительной особенностью которого является наличие небольших подъемных зубьев. Эти домкраты соединены с центральным насосом с помощью гибких шлангов, и подъемные зубья открываются и замыкаются одновременно по команде с полностью автоматизированного приводного механизма насоса. Домкраты с хомутами и опалубкой поднимаются на вертикальном стержне, размещенном в середине каждой стены и опирающемся на фундаментную плиту на уровне земли. Подъемные стержни, осадка которых не допускается, сделаны из закаленной стали и имеют диаметр 30—40 мм. Подъем по вертикальным стержням проходит последовательными шагами по 3—4 см. При подъеме опалубки постоянно проверяются оптическим прибором вертикальность стен опалубки и горизонтальность площадки обслуживания. Сильный ветер, солнце, мороз или ливень отрицательно влияют на нормальную работу. Современные домкраты снабжены сервомеханизмом с ручным управлением, что позволяет регулировать их независимо друг от друга.

Площадку обслуживания (рабочую платформу) делают из грубых, неструганых досок и достаточно просторной для облегчения работы.

Наилучшим и самым безопасным решением является настил из досок, снабженный поручнями и прибитый гвоздями к прочной деревянной раме, которая образует одно целое со стенами опалубки. Эта площадка всегда располагается в верхней части вертикальных стен опалубки и поднимается вместе со всей системой. С этой площадки:

• арматурщики укладывают горизонтальные и вертикальные стержни арматуры и закрепляют их проволокой;
• жидкий раствор заливается между стенками опалубки слоями 15—18 см;
• свежий раствор уплотняется вибратором или перемешивается;
• лица, ответственные за строительство, осуществляют постоянный контроль за работой.

Ниже уровня вертикальных стен опалубки подвешиваются на эстакаде металлические подмости, как внутри, так и снаружи. С этих подмостей можно проводить отделку бетонной поверхности сразу же после того, как передвигается опалубка. Скопления гравия, обычно вызываемые расслоением раствора в отдельных местах, небольшие трещины в бетонной поверхности в результате слишком быстрого затвердевания или слишком низкой скорости перемещения опалубки и неровности стен обычно можно очень легко заделывать с этих подмостей.

Хотя теоретическое исследование для определения размещения арматурной сетки в стене силоса имеет большое значение, не менее важно, чтобы сетку размещали в соответствии с расчетами инженеров-консультантов.

Теоретические исследования проводятся специалистами, однако фактическая работа осуществляется квалифицированными практиками, которым часто приходится работать в таких трудных условиях, что возникают опасения за качество бетонирования. Велика роль арматурной сетки внутри стенки силоса, и опасны последствия возможных трещин. Эти отрицательные последствия всегда становятся очевидными при сдаче силоса в эксплуатацию, т. е. когда весь корпус уже завершен. Особое значение придается абсолютной необходимости постоянного контроля — час за часом, день за днем — компетентным и независимым строительным инспектором. Диаметр, число, взаимное расстояние, длина соединений внахлестку, закрепление вязальной проволоки, расстояние до поверхности стены и т. п. должны контролироваться особенно тщательно в соответствии с указаниями и планами консультантов.

Бетон, используемый при сооружении методом скользящей опалубки, должен быть пластичным, с минимальным количеством влаги и большим содержанием цемента. Во время заливки бетона в форму его необходимо регулярно уплотнять с помощью вибратора по следующим причинам:

• если раствор хорошо перемешивают, то он дает прочное монолитное соединение с предыдущим слоем, который еще не затвердел и не схватился с арматурной сеткой;
• исчезнут воздушные пузыри;
• гравий и вода будут лучше перемешиваться;
• если бетон достаточно долго уплотнять вибратором, он будет плотнее и даст минимальную усадку.

В любом случае раствор должен быть высокого качества, приготовлен из чистых компонентов, хорошо смешан и должен затвердевать в течение указанного времени.

В очень холодную погоду можно использовать добавку, ускоряющую твердение бетонной смеси (например, хромид кальция). Кроме того, бетон, с которого только что снята опалубка, можно защитить от внезапного охлаждения и мороза брезентовым покрытием или путем вентилирования горячим воздухом. В очень жаркую погоду может использоваться добавка, ускоряющая твердение, а содержание воды в растворе можно увеличить. Продолжительность затвердевания должна соответствовать высоте стен опалубки и скорости ее перемещения, которая заранее планируется (2,5—4,5 м в сутки). Скорость подъема опалубки зависит от количества бетона (в м³), перерабатываемого в час, и грузоподъемности крана.

Грузоподъемность крана часто зависит от следующих факторов:

• чем выше поднята площадка обслуживания, тем больше времени необходимо для подъема и опускания контейнера с бетоном;
• размещение крана и возможности его перемещения к месту доставки влияют на подачу бетона (маневрирование внутрь и наружу);
• размеры и содержимое контейнера;
• хороший обзор площадки обслуживания из кабины крановщика;
• сноровка рабочих, обслуживающих контейнер с бетоном.

Ночью строительная площадка должна быть освещена прожектором. При наличии плотного тумана очень полезным является дистанционное управление краном с площадки обслуживания.

Предполагается, что кран должен быть готов для использования без перерыва днем и ночью, в течение двух-трех недель. Современные краны с их большими возможностями чаще выходят из строя, так как они сложны. Большинство неисправностей требует, по меньшей мере, несколько часов для их устранения. Случайности должны быть устранены либо наличием двух кранов, либо путем подачи бетона на площадку обслуживания с помощью специального насоса.

Для обеспечения высокого качества работы следует избегать перерывов в перемещении скользящей опалубки. Помимо дефектов поверхности, это приводит к узким горизонтальным трещинам в месте стыка слоев, и силос уже не будет водонепроницаемым на этом уровне.

Прежде всего необходимо принять меры к предотвращению прилипания бетона к щитам опалубки, когда работа останавливается. Этого можно избежать возможно большим наращиванием арматурной сетки в течение первых нескольких часов после прекращения подачи раствора и путем перемещения стенок опалубки вверх и вниз с интервалами до тех пор, пока бетон не затвердеет настолько, чтобы исключить возможность сцепления его с опалубкой. При продолжении работы всю поверхность затвердевшего бетона покрывают специальным герметиком перед подачей новой порции бетона. Такие герметики обеспечивают хорошую сцепляемость твердого бетона с жидким раствором. После снятия опалубки с такой поверхности особое внимание должно быть уделено отделке и плотности всей поверхности.

Ремонт бетонных конструкций

Хотя и говорят, что железобетон, используемый в качестве строительного материала, требует незначительного ремонта, это положение изменилось в последние годы вследствие загрязнения окружающей среды. Железобетонные конструкции, расположенные в промышленных и плотно населенных районах или вблизи автомобильных дорог, все более подвергаются воздействию смесей сернистых и углеродных дымов, паров и выхлопных газов, содержащих SO₂, SO₃ и СО₂. Типичная болезнь бетона, или «проказа бетона», — результат химической реакции между загрязненным влажным воздухом и бетоном, имеющим щелочной состав. Это явление усиливается с увеличением кислотности среды.

На практике процесс протекает следующим образом. После возведения рамы вводятся арматурные стержни и жидкий раствор заливается в формы. Вибрация бетонной смеси приводит к более высокой концентрации цемента на поверхности, а тем самым к более твердому поверхностному слою и мягкой внутренней структуре. Во время процесса затвердевания-свежего бетона образуется гидроокись кальция Ca(ОН)₂, которая делает бетонную массу щелочной и предотвращает ржавление арматурных стержней. Быстрая сушка и твердение поверхности приводят к мелким трещинам, способствующим проникновению влаги и химически агрессивных веществ, а именно диоксида углерода из окружающей среды. Диоксид углерода в сочетании с влагой приводит к образованию карбонатов в бетоне. Результатом этой реакции является водный растворимый продукт, который легко впитывается. Это уменьшает щелочность бетона, увеличивает пористость и ускоряет деградацию структуры цемента.

Проникновение вредных веществ через поверхность приводит к увеличению пористости бетонной массы и при недостаточной толщине верхнего защитного слоя — к коррозии арматурных стержней. По мере того как ржавчина распространяется на пространство примерно в восемь раз больше, чем занимаемое ржавеющим металлом, защитный слой бетона в этом месте отслаивается. Скорость развития этой типичной болезни бетона зависит от различных факторов, а именно:

качества бетона (плотность, структура, содержание цемента); качества строительных работ; сложности конструкции опалубки;

толщины защитного верхнего слоя и наружной защиты бетона. Если применяется износостойкое покрытие с хорошими защитными свойствами, поглощение влаги и разрушающих химических веществ будет или исключено, или, по меньшей мере, существенно замедлено. Покрытие может наноситься через несколько месяцев после окончания строительства.

Если болезнь бетона уже началась, ремонтные работы должны включать следующие операции:

тщательная пескоструйная очистка оголенной арматуры, если потребуется, замена недостающих стержней;

удаление всех отслаивающихся и разрушенных кусков бетона; подготовка поврежденных бетонных поверхностей; ремонт повреждений специальными синтетическими смесями после консультации со специальной фирмой.

Перед нанесением на стены защитного покрытия все неповрежденные на вид поверхности следует очистить и простучать молотком для придания им шероховатости и обнаружения возможных повреждений.