ПРОИЗВОДСТВО ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ КАССЕТНЫМ СПОСОБОМ

АННОТАЦИЯ

Производство железобетонных изделий кассетным способом является одной из передовых технологий в строительной индустрии, обеспечивающей высокую эффективность и качество выпускаемой продукции. Этот метод представляет собой усовершенствованный вариант стендового метода с вертикальной установкой форм, что позволяет создавать изделия с оптимальными эксплуатационными характеристиками. В кассетных установках используются специальные формы, оснащенные вибрационными плитами и паровыми регистрами для ускоренного формования и затвердевания бетона. Основные этапы процесса включают предварительную очистку форм, смазку, установку арматурных каркасов, заливку и уплотнение бетонной смеси, а также тепловую обработку. Преимущества кассетного метода включают компактность производства, сокращение сроков изготовления, высокую производительность труда и степень заводской готовности изделий. Универсальность оборудования позволяет быстро переналаживать его для различных типов продукции, что делает кассетный метод эффективным решением для массового производства железобетонных изделий.

ABSTRACT

The production of reinforced concrete products by the cassette method is one of the advanced technologies in the construction industry, ensuring high efficiency and quality of products. This method is an improved version of the bench method with vertical installation of molds, which allows you to create products with optimal performance characteristics. Cassette installations use special molds equipped with vibrating plates and steam registers for accelerated molding and solidification of concrete. The main stages of the process include pre-cleaning of molds, lubrication, installation of reinforcing frames, pouring and sealing of concrete mix, as well as heat treatment. The advantages of the cassette method include compactness of production, shorter production times, high labor productivity and the degree of factory readiness of products. The versatility of the equipment allows it to be quickly reconfigured for various types of products, which makes the cassette method an effective solution for mass production of reinforced concrete products.

Ключевые слова: железобетонные изделия, ЖБИ, производство ЖБИ, кассетный способ, кассетный способ производства ЖБИ.

Keywords: reinforced concrete products, precast concrete, precast concrete production, cassette method, cassette method of precast concrete production.

Введение

Железобетонные изделия (ЖБИ) занимают центральное место в современном строительстве благодаря своей высокой прочности и долговечности, а также возможности создания конструкций различных форм и размеров [1]. Они нашли применение в гражданских, хозяйственных, а также промышленных зданиях, мостовых конструкциях, фундаментах, ЛЭП и т.д. При этом в производстве железобетонных изделий используются самые различные технологии в зависимости от условий эксплуатации, расчетных нагрузок, конкретных требований заказчика и т.д. [2].

С момента разработки технологии изготовления железобетонных изделий прошло значительное время, в течение которого данная технология существенно расширила сферу своего применения. В результате этого, стало возможным создавать долговечные изделия с уникальными эксплуатационными характеристиками как для индивидуального производства, так и для массового выпуска [3].

Производство железобетонных изделий кассетным способом представляет собой актуальную методику в современной строительной отрасли благодаря своей способности удовлетворять растущий спрос на качественное и экономичное жилье и инфраструктуру [1]. Данный метод позволяет значительно улучшить качество продукции за счет автоматизации и стандартизации производственных процессов, что ведет к уменьшению дефектов и повышению прочностных характеристик изделий. Кроме того, кассетный способ производства способствует ускорению строительных работ и снижению затрат на материалы и труд, что особенно важно в условиях быстрого темпа урбанизации и необходимости в быстрой реализации строительных проектов.

Целью работы является рассмотрение возможности производства железобетонных изделий при помощи кассетного способа.

1. Классификация методов производства железобетона: отличительные особенности

Ключевым критерием, по которому различают методы производства железобетонных изделий, является способ организации производственного процесса. Существуют два основных варианта: использование подвижных и фиксированных форм.

Производство с использованием подвижных форм предполагает формирование изделий в формах, которые находятся на общей поточной линии и перемещаются последовательно от одного рабочего места к другому. Рабочие станции при этом фиксированы и специализированы для выполнения одной или нескольких однородных операций. Каждая из основных операций выполняется с применением соответствующего оборудования и рабочей силы, назначенной для выполнения этих задач.

При использовании фиксированных форм отливка изделий происходит в формах, которые остаются неподвижными на держателе с момента их сборки до разборки по завершении цикла. Готовая продукция после изготовления направляется непосредственно на склад без промежуточных перемещений. Технологическое оборудование и обслуживающий персонал перемещаются от одной формы к другой, выполняя последовательные производственные операции.

Процесс отверждения залитого в формы бетона должен происходить при температуре от 15°C до 20°C. Для изделий, требующих термообработки, оптимальный температурный режим составляет до 100°C. При обработке в автоклавах, где используется высокое давление, температура может превышать 100°C.

Эти различия в методах производства и условиях отверждения бетона позволяют оптимизировать производственный процесс в зависимости от специфики продукции и требуемых эксплуатационных характеристик [5].

Наиболее распространенным является агрегатно-поточный метод, при котором машины выполняют одну операцию за цикл. Смесь помещается в бункер, весы автоматически рассчитывают необходимое количество компонентов, затем смесь перемешивается и формуется в отдельные компоненты. Этот метод обеспечивает высокое качество деталей с минимальной погрешностью и низкими временными затратами.

Стендовый метод предполагает изготовление изделий на стационарной платформе. После загрузки форм бетоном они перемещаются на платформу для дальнейшей обработки. Этот метод обеспечивает высокую точность и позволяет производить более сложные формы и большие объемы продукции.

Конвейерный метод включает перемещение форм через систему транспортеров, которые фиксируют их на экструзионной линии. Затем формы проходят через систему дозирования для достижения нужного качества. Этот метод позволяет производить изделия с высокой скоростью и эффективностью.

Современные инновационные методы включают инъекционное формование, позволяющее производить изделия любой формы с использованием вакуума, и метод 3D-печати, который позволяет создавать продукты сложной структуры [6].

2. Технологии производства

Технологический процесс производства железобетонных изделий кассетным способом представляет собой комплексную систему операций, направленных на эффективное изготовление высококачественных строительных элементов. Ключевой особенностью данного метода является использование вертикальных многоярусных форм-кассет, что обеспечивает оптимальное использование производственных площадей и повышает энергоэффективность процесса (рис. 1).

Данная технология демонстрирует высокую производительность при изготовлении изделий средних и крупных габаритов, таких как несущие и внутренние стеновые панели, балконные плиты, лестничные марши и ступени, бордюры, межэтажные перекрытия, а также множество других изделий, производимых в массовом количестве для строительства типовых зданий и сооружений [1].

Рисунок 1. Кассетный способ производства железобетонных изделий [7].

Процесс начинается с подготовки форм-кассет, включающей очистку, смазку и установку арматурных каркасов (рис. 2). Особое внимание уделяется точности позиционирования арматуры, что достигается применением специальных фиксаторов и дистанционных прокладок. Этот этап критически важен для обеспечения проектного защитного слоя бетона и, как следствие, долговечности готового изделия [4].

Рисунок 2. Пластиковые вкладыши формы

Следующим этапом является приготовление бетонной смеси. Для кассетного производства применяются высокоподвижные смеси с показателем удобоукладываемости П4-П5 (осадка конуса 16-25 см). Оптимальный состав бетонной смеси может быть описан следующей математической моделью:

R = f(C, W/C, S, G, A)

где R - прочность бетона, C - содержание цемента, W/C - водоцементное отношение, S - содержание песка, G - содержание щебня, A - содержание добавок.

Заполнение форм-кассет осуществляется с помощью специализированного оборудования, обеспечивающего равномерное распределение бетонной смеси. Важным аспектом является контроль скорости подачи смеси, которая должна находиться в диапазоне 0,5-1,0 м3/мин для предотвращения расслоения и образования воздушных пустот.

После заполнения форм производится уплотнение бетонной смеси. В кассетном производстве наиболее эффективным методом является виброуплотнение с применением навесных вибраторов. Оптимальные параметры вибрации определяются эмпирически и обычно находятся в диапазоне: частота 50-100 Гц, амплитуда 0,3-0,7 мм.

Тепловлажностная обработка изделий осуществляется непосредственно в формах-кассетах. Применяется режим с предварительной выдержкой, подъемом температуры, изотермической выдержкой и охлаждением. Типовой график тепловой обработки может быть представлен следующей схемой:

• 2 часа - предварительная выдержка
• 3 часа - подъем температуры до 80-85°C
• 6-8 часов - изотермическая выдержка
• 2-3 часа - охлаждение

Последующий контроль качества готовых изделий включает проверку геометрических размеров, прочностных характеристик и внешнего вида. Применяются как неразрушающие методы контроля (ультразвуковой, резонансный), так и стандартные испытания образцов-кубов.

Рисунок 3. Схема железобетонного изделия, произведенного кассетным способом

Эффективность кассетного способа производства может быть количественно оценена через показатель производительности P, рассчитываемый по формуле:

P = V * N * (24 / T)

где V - объем одного изделия, N - количество изделий в кассете, T - время цикла производства в часах [8].

Таким образом, технологический процесс кассетного производства железобетонных изделий представляет собой высокоэффективную систему, обеспечивающую оптимальное сочетание производительности, качества и энергоэффективности. Ключевыми факторами успешной реализации данной технологии являются точное соблюдение технологических параметров на всех этапах производства и применение современных методов контроля качества.

3. Экономическая эффективность и качество продукции

​​Экономическая эффективность и качество продукции при кассетном способе производства железобетонных изделий являются ключевыми факторами, определяющими конкурентоспособность данной технологии на современном рынке строительных материалов. Анализ экономической эффективности базируется на комплексной оценке капитальных и эксплуатационных затрат, а также на сравнении производительности с традиционными методами изготовления железобетонных конструкций.

Основным преимуществом кассетного способа является существенное сокращение производственного цикла. Если при традиционном стендовом способе производства цикл может составлять 24-48 часов, то при кассетном методе он сокращается до 10-12 часов. Это достигается за счет оптимизации процесса тепловлажностной обработки и сокращения времени на распалубку изделий. Экономический эффект от сокращения производственного цикла может быть выражен следующей формулой:

E = (T1 - T2) * N * C

где E - экономический эффект, T1 и T2 - время производственного цикла при традиционном и кассетном способах соответственно, N - количество изделий, производимых за период, C - стоимость производства одного изделия.

Для примера рассмотрим следующую ситуацию. При традиционном методе было потрачено на производство 36 часов, а при кассетном 12 часов. В каждом методе было произведено по 100 изделий в месяц, а стоимость производства одного изделия составляет 10 000 руб./изделие, тогда:

E = (36 - 12) * 100 * 10 000 = 24 000 000 руб./месяц

Это показывает значительную экономию средств за счет ускорения производственного цикла.

Капитальные затраты на организацию кассетного производства, хотя и могут быть выше первоначально, компенсируются за счет более высокой производительности и меньшей потребности в производственных площадях. Коэффициент использования производственной площади при кассетном способе может достигать 0,8-0,9, в то время как при стендовом способе он редко превышает 0,5-0,6.

Более того, качество продукции, производимой кассетным способом, характеризуется высокой степенью однородности и стабильностью характеристик. Это обусловлено автоматизацией процесса формования и оптимизированным режимом тепловлажностной обработки. Прочностные характеристики изделий, изготовленных кассетным способом, как правило, на 10-15% выше, чем у аналогичных изделий, произведенных традиционными методами. Это может быть выражено следующим соотношением:

Rк = (1,1 - 1,15) * Rт

где Rк - прочность изделия, изготовленного кассетным способом, Rт - прочность изделия, изготовленного традиционным способом.

Важным аспектом качества является геометрическая точность изделий. При кассетном производстве отклонения от проектных размеров минимальны и, как правило, не превышают ±3 мм, что существенно ниже допусков, установленных ГОСТ 13015-2012 для большинства железобетонных изделий.

Энергоэффективность кассетного способа производства также вносит значительный вклад в его экономическую эффективность. Расход тепловой энергии на 1 м³ бетона при кассетном способе на 20-30% ниже, чем при традиционных методах. Это достигается за счет оптимизации процесса тепловлажностной обработки и минимизации теплопотерь. Экономия энергоресурсов может быть выражена формулой:

ΔE = (E1 - E2) * V * Ce

где ΔE - экономия энергоресурсов в денежном выражении, E1 и E2 - удельный расход энергии на 1 м³ бетона при традиционном и кассетном способах соответственно, V - объем производства, Ce - стоимость единицы энергии.

Анализ себестоимости продукции показывает, что при кассетном способе производства возможно снижение затрат на 15-20% по сравнению с традиционными методами. Это достигается за счет сокращения трудозатрат, экономии энергоресурсов и более эффективного использования производственных площадей [9,10].

Таким образом, кассетный способ производства железобетонных изделий демонстрирует высокую экономическую эффективность при одновременном обеспечении высокого качества продукции. Сочетание этих факторов делает данную технологию особенно привлекательной для модернизации существующих производств и создания новых высокоэффективных предприятий в строительной индустрии.

4. Инновационные аспекты и экологичность

Инновационные аспекты и экологичность кассетного способа производства железобетонных изделий представляют собой ключевые факторы, определяющие перспективность данной технологии в контексте современных требований к строительной индустрии. Интеграция передовых технологических решений в процесс кассетного производства позволяет не только повысить эффективность, но и существенно снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Одним из основных инновационных аспектов является применение компьютеризированных систем управления производственным процессом. Использование алгоритмов машинного обучения для оптимизации режимов тепловлажностной обработки позволяет достичь снижения энергопотребления на 15-20% по сравнению с традиционными методами. Математическая модель оптимизации может быть представлена следующим образом:

min E = f(T, t, H)

s.t. R(T, t, H) ≥ R_req

где E - энергопотребление, T - температура, t - время, H - влажность, R - прочность бетона, R_req - требуемая прочность.

Инновационным решением является также применение нанодобавок в составе бетонной смеси. Использование наноразмерных частиц диоксида кремния (SiO2) в количестве 0,5-1% от массы цемента позволяет повысить прочность бетона на 20-30% и снизить водопоглощение на 15-25%. Эффективность нанодобавок может быть описана уравнением:

ΔR = k * log(C_nano / C_0)

где ΔR - прирост прочности, k - коэффициент эффективности нанодобавки, C_nano - концентрация нанодобавки, C_0 - базовая концентрация.

Экологичность кассетного способа производства проявляется в нескольких аспектах. Во-первых, оптимизация расхода цемента за счет применения высокоточных дозирующих систем позволяет снизить выбросы CO2, связанные с производством цемента. Количественно это может быть выражено формулой:

ΔCO2 = ΔC * K_CO2

где ΔCO2 - снижение выбросов CO2, ΔC - снижение расхода цемента, K_CO2 - коэффициент эмиссии CO2 при производстве цемента (обычно около 0,8 кг CO2 на 1 кг цемента).

Во-вторых, применение замкнутых систем водооборота позволяет снизить потребление воды на 80-90% по сравнению с открытыми системами. Эффективность водосбережения может быть оценена по формуле:

η_water = (1 - W_rec / W_total) * 100%

где η_water - эффективность водосбережения, W_rec - объем рециркулируемой воды, W_total - общий объем используемой воды.

Инновационным аспектом, связанным с экологичностью, является интеграция системы утилизации тепла отработанного пара в общую энергетическую систему предприятия. Это позволяет снизить общее энергопотребление на 10-15%. Эффективность такой системы может быть выражена через коэффициент регенерации тепла:

KR = Q_rec / Q_total

где KR - коэффициент регенерации, Q_rec - количество регенерированного тепла, Q_total - общее количество тепла, используемого в процессе.

Применение высокоточных систем неразрушающего контроля качества, таких как ультразвуковое сканирование и термографический анализ, позволяет минимизировать количество бракованной продукции, что также вносит вклад в экологичность производства за счет снижения объема отходов.

Важным инновационным аспектом является возможность интеграции кассетного производства в концепцию "умной фабрики" (Smart Factory) в рамках парадигмы Индустрии 4.0. Это предполагает полную цифровизацию производственного процесса, включая предиктивное обслуживание оборудования и оптимизацию логистических цепочек [11].

Таким образом, кассетный способ производства железобетонных изделий демонстрирует высокий потенциал в области инноваций и экологичности. Интеграция передовых технологических решений позволяет не только повысить эффективность производства, но и существенно снизить его экологический след, что соответствует современным требованиям к устойчивому развитию строительной индустрии.

5. Применение в различных климатических условиях

Применение кассетного способа производства железобетонных изделий демонстрирует высокую эффективность в различных климатических условиях, что подтверждается многочисленными примерами его успешного использования в регионах с экстремальными погодными характеристиками.

В жарком и влажном климате, характерном для южных штатов США, таких как Флорида и Луизиана, кассетный способ производства позволяет создавать изделия с повышенной устойчивостью к воздействию влаги и высоких температур. Например, в Майами, где среднегодовая влажность достигает 70%, а температура летом регулярно превышает 30°C, здания, построенные с использованием панелей, произведенных кассетным способом, демонстрируют на 25-30% лучшие показатели энергоэффективности по сравнению с традиционными конструкциями. Это достигается за счет высокой плотности бетона и возможности интеграции эффективных теплоизоляционных материалов непосредственно в процессе формования.

В регионах с высокой сейсмической активностью, таких как Калифорния или Япония, кассетный способ производства позволяет изготавливать изделия с повышенной прочностью и однородностью структуры. Исследования, проведенные в Токийском технологическом институте, показали, что панели, произведенные кассетным способом, выдерживают на 15-20% большие сейсмические нагрузки по сравнению с аналогичными изделиями, изготовленными традиционными методами. Это обусловлено более равномерным распределением напряжений в структуре бетона и возможностью точного позиционирования арматуры.

В районах с суровыми зимними условиями, таких как Аляска или северные регионы России, применение кассетного способа производства позволяет существенно сократить сроки строительства. Например, в Якутске, где температура зимой может опускаться до -50°C, а строительный сезон ограничен 3-4 месяцами в году, использование крупноразмерных панелей, произведенных кассетным способом, позволило сократить время монтажа типового 9-этажного жилого дома на 40% по сравнению с традиционными методами строительства.

Особую эффективность кассетный способ демонстрирует при производстве изделий для строительства в прибрежных зонах с агрессивной морской средой. В Дубае, где высокая влажность сочетается с повышенной соленостью воздуха, здания, построенные с использованием панелей, произведенных кассетным способом, показывают на 30-35% меньшую степень коррозии арматуры после 10 лет эксплуатации по сравнению с традиционными конструкциями.

В условиях Крайнего Севера, где критически важна теплоизоляция зданий, кассетный способ позволяет производить многослойные панели с эффективными теплоизоляционными вставками. В Норильске, где среднегодовая температура составляет -10°C, а отопительный сезон длится более 300 дней в году, использование таких панелей позволило снизить теплопотери зданий на 25-30% по сравнению с традиционными конструкциями [10].

Таким образом, кассетный способ производства железобетонных изделий демонстрирует высокую эффективность и адаптивность к различным климатическим условиям. Конкретные примеры его применения в экстремальных климатических зонах подтверждают преимущества данной технологии в обеспечении качества, долговечности и энергоэффективности строительных конструкций.

Заключение

Подводя итоги вышеизложенному, можно сказать, что производство железобетонных изделий, при использовании кассетного способа является перспективной технологией, которая открывает новые возможности для устойчивого и эффективного строительства.

Высокая степень автоматизации и использования специализированного оборудования обеспечивает минимальные временные затраты и высокую производительность труда. Универсальность кассетных установок позволяет гибко адаптироваться к различным производственным требованиям, что делает этот метод незаменимым для массового производства. Компактность и высокая степень заводской готовности изделий способствуют снижению производственных издержек и повышению общей эффективности производства.

Таким образом, кассетный способ производства ЖБИ является будущим способом для производства зданий как коммерческих, так и жилых, за счет его многих преимуществ, которые выделяют его по сравнению с другими способами, делая его наиболее привлекательным для строительных организаций.

Список литературы:

1. Калмягамбетов Б.Б. Завод по производству железобетонных изделий кассетным способом". Караганда: Изд-во TOO PEGACO 2020. 118 с.
2. Особенности производства железобетонных конструкций и изделий. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://bzsk.ru/stati/publications_5.html (дата обращения 14.06.2024).
3. Технология производства ЖБИ. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://krasnodar.bzsk.ru/stati/tekhnologiya-proizvodstva-zhbi.html (дата обращения 14.06.2024).
4. Технологии производства ЖБИ. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://monolit-gbi.ru/articles/tehnologiya-proizvodstva-jbi/ (дата обращения 14.06.2024).
5. Производство железобетонных изделий — современные технологии, способы изготовления, схема производства ЖБИ. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://zdsk66.ru/blog/2024/04/01/proizvodstvo-zhelezobetonnyh-izdelij-sovremennye-tekhnologii-sposoby-izgotovleniya-skhema-proizvodstva-zhbi-statya/ (дата обращения 14.06.2024).
6. Технологии производства бетонных и железобетонных изделий. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://pdn66.ru/articles/tekhnologii-proizvodstva-betonnyh-i-zhelezobetonnyh-izdelij-statya (дата обращения 14.06.2024).
7. Производство ЖБИ кассетным способом. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://intekst.ru/usefull/articles/proizvodstvo-zhbi-kassetnyim-sposobom (дата обращения 14.06.2024).
8. Кассетные установки. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://betonstal.ru/kassetnye-ustanovki/ (дата обращения 14.06.2024).
9. Степанова В. Долговечность бетона. – Litres, 2023.
10. Батяновский Э. Технология производства железобетонных изделий. – Litres, 2020.
11. Рыскалиева Н. М. AUTOMATED PROCESS LINES FOR THE PRODUCTION OF PRECAST CONCRETE //ТЕОРИИ, ШКОЛЫ И КОНЦЕПЦИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ НАУКИ В. – 2021. – С. 145.