Строительные машины и оборудование
Основные способы уплотнения бетонных смесей
При формовании железобетонных изделий и конструкций применяют различные способы уплотнения бетонной смеси: прессование—воздействие на бетонную смесь значительных давлений; центрифугирование— воздействие на бетонную смесь центробежной силы при производстве трубчатых изделий; вакуумирование — отсос из бетонной смеси избыточной воды и воздуха; вибрирование - воздействие на бетонную смесь колебательных движений.
196
Наиболее распространен последний способ уплотнения. Сочетание вибрации с другими способами значительно повышает эффективность процесса уплотнения бетонной смеси. Так, сочетание вибрации с прессованием — виброштампование — используется пр» производстве сборного железобетона, сочетание вибрации с ваку - умированием — вибровакуумирование — широко используется при возведении монолитных конструкций, а также при производстве отдельных типов железобетонных изделий.
Рассмотрим воздействие вибрации на процесс уплотнения бетонной смеси. До воздействия вибрации на бетонную смесь умеренной жидкости она представляет собой аморфную рыхлую массу. При воздействии вибрации частицы заполнителей приводятся в интенсивное движение, в результате которого происходит их взаимное перемещение, проскальзывание одних частей относительно других в объеме системы. При этом достигается значительная скорость движения каждой частицы относительно ее центра массы. При некоторой скорости сдвига частиц заполнителей наступает проявление вязких свойств (текучесть) бетонной смеси, и она переходит в состояние «тяжелой жидкости», приобретая заданную геометрию изделия. Такого рода вязкость называют структурной вязкостью. Текучесть бетонной смеси может наступить только при условии, если будут разрушены структурные связи между частицами заполнителя, т. е. структурная вязкость достигнет определенного предела, который будет зависеть от скорости деформации сдвига частиц. Эти изменения в структуре бетонной смеси называют тиксотропними превращениями. Структурная вязкость и тик - сотропия бетонной смеси непосредственно связаны с понижением действительного и видимого коэффициентов трения.
Бетонная смесь представляет собой трехфазную грубодисперс - ную систему (твердая фаза — фракции щебня или гравия и песка, жидкая — цементный раствор, газообразная —находящийся в массе смеси воздух—10... 15% от объема смеси). В процессе уплотнения смесь разрушается и в конце его переходит в двухфазную систему (твердая + жидкая фазы), при содержании в ней воздуха не более 2 ... 3%. В результате процесса виброуплотнения тело бетона (железобетона) получает однородную плотную структуру, что обеспечивает готовым железобетонным изделиям заданные физико-механические показатели.
Рис. 18.1. Схема передачи колебаний от вибровозбудителя внутрь бетонной смеси |
Получение такой структуры уплотненного тела бетона может быть обеспечено только при правильной оценке динамического состояния системы в условиях вибрационного и других механических
воздействий. Структура бетона в основном определяется ее реологическими свойствами: вязкостью цементного раствора, силами трения и сцепления между частицами заполнителя, наличием тиксотропних превращений смеси, сохранением целостности упру - говязких каналов цементного раствора. Для обеспечения управления данными реологическими свойствами необходимо правильно назначить вибрационный режим работы уплотняющей машины (устройства). Под вибрационным режимом понимают вид и характер колебаний, их направление относительно сечения уплотняемого тела бетона, а также колебательные параметры (угловая частота со и амплитуда колебаний) и динамический режим работы машины.
Бетонная смесь при уплотнении представляется в виде крупного заполнителя, окруженного раствором из мелких зерен, объединенных между собой поверхностными силами сцепления. Такая смесь будет обладать упруговязкими свойствами и при небольших деформациях передача колебаний будет происходить по каналам, уподобляющимся пружинам с упруговязкой характеристикой.
При этом (рис. 18.1) частицы заполнителей, как правило, контактируют между собой через упруговязкие каналы и в отдельных случаях непосредственным контактом. Тогда колебания перегородки 1 передадутся частице Лі, в свою очередь, частица А передаст колебания частице А% непосредственным контактом и частицам А з и Л4 — через упруговязкие каналы и т. д. Такая взаимосвязь частиц А заполнителей исключает возможность их изолированного колебания. Возбужденные частицы А заполнителей колеблются вынужденной частотой вибровозбудителя, но с различными амплитудами колебаний в зависимости от их масс и жесткости упруговязких каналов раствора. Несмотря на определенную условность представленной схемы, на ее основе можно сделать следующие выводы:
1) выбранный динамический режим работы виброуплотняющей машины должен обеспечить сохранность упруговязких каналов цементного раствора, иначе возникнут турбулентные перемещения
Частиц заполнителя смеси, которые вызовут ее расслоение, сопровождаемое выбросом частиц заполнителя А на поверхность изделия и значительным подсосом атмосферного воздуха;
10 о |
Рис. 18.2. Зависимость эффективности вибраций от угловой частоты |
2) вид и направление колебания рабочего органа машины должны приниматься с учетом его конструкции, типа формуемого изделия и способа формования. Конструкция рабочего органа при правильно принятом виде и направлении колеба-
ний должна обеспечить передачу последних сечению изделия в направлении наибольшей свободы перемещения частиц заполнителя А, эффективное удаление включенного воздуха, получение однородной, пло. тной структуры уплотненного бетона;
3) характер колебаний рабочего органа машины должен выбираться с учетом требований, предъявляемых к формуемому изделию (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, долговечность) ;
4) выбранный вибрационный режим уплотнения бетонной смеси должен обеспечить возбуждение наибольшего числа единиц А, входящих в состав смеси фракций крупного заполнителя, и эффективное использование порожденных сил инерции для разрушения начального структурного состояния частиц заполнителя системы с последующим сближением.
Эффективность вибрации при уплотнении бетонной смеси состоит в том, что приводятся в движение частицы относительно друг друга в объеме системы, и, кроме того, возбужденные частицы развивают значительные скорости относительно своих центров масс. Эффективность вибрирования характеризуется отношением полуразмаха скорости зерен заполнителя относительно окружающей среды к амплитуде скорости приведенной вибрации. На рис. 18.2 приведены кривые зависимости параметра эффективности вибрации і] от угловой частоты (со) при постоянной амплитуде скорости (aco=const), для пяти значений размера зерен заполнителей, причем г : г2: гз: a : г5=1 : 2 : 5 : 10 : 20. Проведя прямую, параллельную оси со на уровне необходимой эффективности ту (пунктирная линия), находим на пересечении с кривыми частоты, необходимые для поддержания колебаний частицы разных размеров скорости возбуждения при одинаковой амплитуде. Если ка - кая-то частота обеспечивает необходимые относительные колебания частиц данного размера, она заведомо обеспечивает эффективные колебания частиц больших размеров. Рационально выбранный вибрационный режим процесса уплотнения бетонной смеси должен оптимизировать динамическую систему, т. е. обеспечить ей такое состояние, при котором наблюдается наименьший уровень реологических сопротивлений. Этим создается условие снижения энергоемкости процесса виброуплотнения бетонной смеси при формовании. Степень уплотнения бетонной смеси оценивается коэффициентом уплотнения /Супл — отношением фактической плотности бетона к теоретической массе — плотности (/СуПл^0,98). Плотность бетона повышается с уменьшением водоцементного отношения В/Ц смеси, что обосновывает широкое применение жестких бетонных смесей.