Ударная и ударно-волновая технологии уплотнения бетона
В настоящее время в России заводы сборного железобетона и строительные организации для работы с бетонами оснащены вибрационным оборудованием с частотой колебаний 50 Гц и высоким уровнем шума — до 115 дБА, что вредно отражается на организме человека.
Работами НИИЖБ и МГОУ доказано, что снижение диапазона частот до 10–25 Гц, помимо понижения уровня шума в 5–10 раз на рабочих местах, способствует уменьшению расслаиваемости при уплотнении подвижных бетонных смесей, повышая к тому же возможность перехода к бетонированию укрупненных железобетонных конструкций или фрагментов.
В промышленности для получения низкочастотных режимов применяют ударные площадки, состоящие, например, из 2-х столов — верхней подвижной и нижней неподвижной рамы, между которыми имеется кулачково-роликовый механизм подъема верхнего стола. Падение верхней рамы с формой и бетоном осуществляется на рельсы нижней, жестко закрепленной на фундаменте площадки.
Отношение суммарной массы нижней рамы и фундамента к массе верхней — не менее 10. Частота соударений 4 Гц — при высоте падения верхнего стола на нижний до 3–4мм.
На ударных площадках формуются изделия высотой до 1м с высоким качеством поверхности, что важно для изделий с высокими требованиями по морозостойкости, водонепроницаемости и с улучшенной архитектурной (рельефной) выразительностью.
Однако формование изделий большой толщины требует последовательного послойного уплотнения слоев толщиной 10–15 см, при частоте ударов 220–240 в минуту на уплотнение требуется от 3 до 7 мин. Повышение производительности, по данным НИИЖБ, возможно обеспечить увеличением частоты до 300 ударов при одновременном повышении жесткости верхней рамы. Поэтому частоту ударов в целях повышения производительности площадок следует выбирать с учетом результатов экспериментального определения периода затухания собственных колебаний смеси при различных толщинах уплотняемого слоя.
Нами проводились исследования напряженно-деформированного состояния бетонной смеси под воздействием низкочастотной вибрации с ассиметричной формой колебаний для установления их влияния на степень уплотнения бетонной смеси.
Источником ассиметричных вертикально направленных гармонических колебаний служила лабораторная виброплощадка грузоподъемностью 1,5 т с частотой колебаний 600 об./мин. Регулировка зазора между упругими ограничителями позволяет изменять амплитуду от 1 до 6 мм. Путем изменения скорости вращения электродвигателя частота колебаний изменялась от 8 до 50 Гц. Основные динамические характеристики площадки (перемещение, скорость, ускорение) симметричны относительно оси абсцисс.
На столе вибростенда жестко и герметично закреплялась форма размером 20x90x150 см. Для измерения динамического давления в борт и дно формы были вмонтированы месдозы М-70 конструкции ЦНИИСК.
При исследовании напряженно-деформированного состояния бетонной смеси исключение влияния геометрии, жесткости формы и пристенного эффекта устраняли применением скругленного сечения в углах формы и соотношением ее ширины к высоте более 2. Для высоких столбов бетона форма имела прямоугольное сечение.
Особый интерес у бетоноведов вызывает проблема уплотнения малоподвижных и умеренно жестких смесей из-за их высокого водосодержания, рыхлого сложения и большого содержания воздуха. Неравномерный процесс их уплотнения различные исследователи разделяют на несколько стадий. Некоторые предлагают разделение на две стадии: объемоизменение и формоизменение (течение). И. Ф. Руденко, О. А. Савинов и Е. В. Лавринович предлагают разделить процесс на три стадии: переукладка составляющих, их сближение и компрессионное сжатие.
Объемоизменение менее изучено, но наиболее важно, поскольку при этом формируются свойства бетонной смеси, и в зависимости от дальнейшей стадии уплотнения бетон приобретает требуемую структуру. Особенно важен контакт между дном формы и бетонной смесью.
Представляя процесс формования смесей из двух этапов, первый характеризуется ударом (перидичностью импульсов давления от бетонной смеси на форму, составляющей 1,3–2 периода гармонического колебания площадки, а второй — постепенным переходом ударного режима в синусообразный с частотой, равной частоте вынужденных колебаний виброплощадки.
Динамический процесс второго этапа можно представить в виде синусоиды. Размах ее заходит за пределы нулевой линии. Часть, находящаяся ниже нулевой линии, характеризует вакуум, возникающий при отрыве бетона от формы.
С другой стороны наличие вакуума обес-печивает сцепление бетона с формой и тем самым движение бетонной смеси с частотой вынужденных колебаний площадки.
Уплотнение при переходе от первого ко второму этапу сопровождается существенными изменениями в структуре смеси.
Недостатком гармонических колебаний при частоте 3 000 кол./мин. является неоднородность уплотнения бетона по высоте изделия. Так, при уплотнении изделий при высоте более 300 мм с использованием виброплощадок, по литературным данным, разброс прочности составляет 30–40%. В наших исследованиях при уплотнении фрагментов изделий высотой 0,5 м на ударной площадке и выпиленных из верхней и нижней части фрагментов разброс прочности составил 23,5%. Т.е. при низкочастотных ассиметричных колебаниях бетон имеет более равномерное распределение прочности по высоте изделия, чем при симметричных колебаниях более высокой частоты.
Хорошее качество поверхности изделий, прилегающей к форме, обусловлено тем, что контакт смеси с формой находится в безотрывном режиме, так как смесь и форма падают вниз (когда идет разгрузка воздушной фазы) практически с одинаковым ускорением силы тяжести.
Эффективность ударных площадок, имеющих, казалось бы, низкую частоту ударов, определяется как следствие подвода к бетонной смеси ударных импульсов с возникновением собственных затухающих колебаний более высокой частоты.
Период затухания этих колебаний тем больше, чем меньше величина вязкого сопротивления смеси и чем больше величина подводимого ударного импульса. Подводимый импульс, в свою очередь, тем больше, чем больше высота падения и чем более жесткие соударяемые элементы, т. е. чем меньше будет рассеиваться энергия удара в конструкциях соударяемых рам и формы.
Однако большинство известных механических ударных устройств для уплотнения работает с фиксированными амплитудно-частотными характеристиками.
Полученные выше данные свидетельствуют о том, что на разных стадиях уплотнения бетонной смеси требования по уровню и характеру амплитудно-частотных характеристик динамических и статических воздействий должны изменяться для получения материала с оптимальными технико-экономическими показателями.
Нами был использован новый источник уплотнения — энергия ударно-волнового воздействия. От источников импульсного, периодически действующего ударно-волнового газодинамического устройства или взрывогенераторов энергия передается в окружающую среду в виде импульсов давления, имеющих определенную собственную частоту (или спектр частот) и амплитуду, а также определенную частоту следования импульсов (частоту циклов). В зависимости от значений амплитудно-частотных характеристик импульсные воздействия вызывают различные эффекты в материалах (средах или объектах), связанные в первую очередь с ударными или упругими волнами, вызываемыми импульсными эффектами.
Наиболее перспективными для создания комплекса импульсного воздействия на объекты являются ударно-волновые газодинамические устройства (УВГУ). В них реализуется процесс быстрого горения с возможностью регулирования в широком диапазоне энергетических и амплитудно-частотных характеристик.
Для экспериментальной проверки ударно-волновой технологии, защищенной патентами [3–6], создана лабораторная установка. Она обеспечивает ударно-волновые воздействия при уплотнении бетонной смеси в стандартной стальной форме с ребром 150 мм. На поверхности бетонной смеси размещается поршневая группа для передачи ударно-волновых воздействий, формируемых в камере сгорания. Водород и воздух через штуцеры подаются в форкамеру для перемешивания и осуществления поджига с помощью свечи поджига. Поджиг осуществляется с частотой следования импульсов с помощью электронного блока.
Экспериментальные испытания проводились на мелкозернистых бетонах, структура которых по сравнению с обычными тяжелыми бетонами обладает большей однородностью, характеризуется отсутствием жесткого каменного скелета. Такой подход создал предпосылки приближения поведения смеси при уплотнении к принятой модели, характеризуемой тремя стадиями, на каждой из которых проявляется доминирующая роль одного из трех состояний — пластичное, вязкое, упругое.
Для назначения технологических режимов введен показатель импульсного воздействия, равный произведению полного времени уплотнения бетонной смеси на собственную частоту импульса (ц=Тц • fс) или, что численно равнозначно, частному полного времени обработки бетонной смеси Тц в серии ко времени действия импульса (ц =Тц/фс). Полное время обработки Тц рассчитывается как отношение количества импульсов N в серии к частоте следования импульсов.
Приняв за единичный показатель о величину импульсного воздействия для эталонного времени при частоте следования импульсов 1 Гц, можно рассчитать относительный показатель импульсного воздействия = ц / цо-. При обычном вибрационном воздействии с частотой 50 Гц для стандартного времени воздействия 120 сек. относительный показатель =0,25.
Показатель для оценки комплекса ударно-волновых параметров воздействия при уплотнении включает характеристики,косвенно учитывающие скважность импульсов, что отражает соотношение спектрального периода действия импульса и периода отсутствия динамических воздействий. Последнее согласуется с проблемой учета релаксационных процессов в бетонной смеси.
Полученные мелкозернистые бетоны, а также образцы, полученные по вибрационной технологии со стандартными режимами, исследовались по физико-механическим свойствам (предел прочности при сжатии, капиллярная пористость и др.), оценивалась структура цементного камня по результатам анализа данных рентгенограмм и термограмм. Дополнительно разработана методика оценки микростуктуры камня и бетонов методом сканирующей зондовой микроскопии и получены дополнительные результаты по оценке исследуемого материала.
Зависимость прироста прочности от относительного показателя импульсного воздействия носит колебательный характер, при этом для эффективного воздействия имеет значение не только суммарное воздействие импульсов, но и параметры единичного импульса и время его приложения.
Увеличение прочности при относительно небольших воздействиях и дальнейшая тенденция снижения прочностных показателей со стабилизацией при значении относительного показателя импульсного воздействия >1 подтверждает правильность тео-ретических предположений о необходимости отдавать предпочтение импульсным волновым источникам с изменяющимися частотными характеристиками.
Накопленный материал исследований позволил сделать следующие выводы.
1. При ударной технологии по показаниям месдоз на дне формы установлен момент отрыва смеси от дна и сила реакции (динамическое давление) понижается до нуля, а при контакте смеси с площадкой сила реакции повышается.
2. Импульсные ударно-волновые газодинамические установки (УВГУ), в которых реализуется процесс детонации газо-образных компонентов топлива, формируют комплекс импульсных воздействий с широким диапазоном рабочих параметров и возможностью осуществлять регулирование энергетических и амплитудно-частотных характеристик, а теоретический анализ и экспериментально выполненные работы позволяют сделать вывод о возможности использования в строительной индустрии принципиально новых ударно-волновых технологий, внедрение которых может дать существенный технический и экономический эффект.
3. Бетоны, полученные уплотнением на УВГУ, обладают улучшенными характеристиками, обусловленными формированием микростуктуры, при этом экспериментально подтверждено теоретическое предположение о необходимости рассмотрения трех стадий уплотнения бетонных смесей.
Литература
1. Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. «Концепция импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей». // «Бетон и железобетон», №2, 2002.
2. Зеленов К. И. и др. «Технология импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей». // Механика разрушения. — М.: Истек, 1999, с. 95–106.
3. «Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формовании искусственных строительных материалов»: Патент 2164204 РФ, 1999, МПК (7)В 28 В 1/04// Б.И., 2001, №8.
4. «Клиновая ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонов»: Патент 2163543 РФ, 1999, МПК (7)В 28 В 1/10 // Б.И., 2001, № 6.
5. «Поверхностный ударно-волновой газодинамический виброуплотнитель для формования бетонных объектов»: Патент 2160663 РФ, 1999, МПК (7)В 28 В 1/04 // Б.И., 2000, №5.
6. «Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами»: Патент 2169073 РФ, 1999, МПК (7)В 28 В 1/08//Б.И., 2001, № 17.
| Автор: Б. А. Усов, К. И. Зеленов Дата: 23.04.2007 Журнал Стройпрофиль 3-07 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |