| 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРИРОВАНИЯ НА ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИИ ИЗ ЖЕСТКИХ СМЕСЕЙ
В настоящее время наиболее распространенным способом формования изделий на заводах железобетонных изделий является уплотнение бетонной смеси в металлических формах на вибрационных площадках. В последнее время получили также распространение агрегаты для изготовления многопустотных плит и блоков с помощью вибровкладышей.
Ведущими параметрами вибрационных площадок, определяющими возможность уплотнения жестких бетонных смесей, являются амплитуда и частота колебаний. Изучению влияния частоты и амплитуды колебаний на уплотнение бетонной смеси было посвящено большое количество работ. Большинство авторов оценивает эффект действия вибрации на бетонную смесь по прочности получаемых бетонных образцов. При этом оперируют понятием ускорения колебаний при вибрации, которое при гармонической вибрации прямо пропорционально амплитуде и квадрату частоты колебаний виброплощадки. Понятно, что с ростом ускорения эффективность вибрации возрастает.
По заключению Дэвиса, эффективность вибрации определяется главным образом величиной ускорения независимо от амплитуды и частоты колебаний. Лишь очень малые амплитуды колебаний (0,05 мм и менее) ухудшают условия вибрирования и понижают прочность бетона при данном ускорении. В опытах Дэвиса использовались довольно жесткие жирные смеси (состав 1 :4,44, при предельной крупности заполнителя 9,5 мм) с примерным водосодержанием 130—140 л/м3 и величиной коэффициента уплотняемюсти по методу Гланвилля (стр. 21) 0,6—0,675. Продолжительность вибрирования бетонных образцов при частотах 3 500—11000 кол/мин и амплитудах 0,4—0,05 мм составляло 3—3,5 мин.
На преобладающую роль ускорения по сравнению с частотой вибрации указывает и Мейснер. По его мнению, ускорение при вибрации должно составлять не менее 4g. Такое ускорение при частоте 3000 кол/мин достигается при амплитуде колебаний 0,4 мм. Аналогичные рекомендации выдвигаются и другими исследователями. По их мнению, при вибрировании изделий частота колебаний виброплощадки должна быть равна не менее 2 800 кол/мин, а ускорение — не менее 4g.
При недостаточном ускорении прочность бетона понижается из-за недоуплотнения. Минимальное ускорение, при котором достигается уплотнение бетонной смеси, в дальнейшем именуется критическим. Более высокие значения ускорения практически не вызывают увеличения прочности. Как замечает А. Е. Десов, величина критической амплитуды при данной частоте, т. е. критического ускорения, зависит от состава и особенно жесткости смеси, а также формы изделия. Так, по данным Н. М. Богина, изменение ускорения вибрации в пределах 2—10g не повлияло на прочность бетона. Такие же результаты были получены и Плауменом, опыты которого проводились при частоте 3 000 кол/мин на смесях состава 1 :6 (по весу), при В/Ц=0,5 и с предельной крупностью заполнителя 19 мм. В этих опытах величина критического ускорения составила 2 g. В опытах Дэвиса при более жестких смесях величина критического ускорения составила 12g. Выше этой величины дальнейший рост ускорения (вплоть до значения 20g) практически не оказывал влияния на прочность бетона.
Вместе с тем некоторые авторы [31, 71, 110] указывают на то, что чрезмерно интенсивная вибрация может привести к понижению прочности бетона за счет расслоения смеси и нарушения ее однородности. Особенно опасно в этом отношении использование слишком больших амплитуд.
В наших опытах прочность бетона, уплотненного при одинаковой продолжительности вибрирования (4,5 мин.), была при амплитуде 0,9 мм на 10—15% меньше, чем при амплитуде 0,5 мм. При трехминутной вибрации прочность бетона при амплитуде 0,9 мм была равна прочности бетона при амплитуде 0,5 мм, уплотненного за 4,5 мин. Аналогичное снижение прочности бетона при повышении амплитуды колебаний виброплощадки свыше 0,5 мм и постоянной продолжительности вибрации наблюдалось и в опытах Дессва.
По мнению Плаумена, чрезмерно высокие амплитуды колебаний вызывают нежелательное движение стенок форм, что приводит к некоторому засасыванию воздуха в бетонную смесь во время вибрирования и к снижению прочности бетона. При исследовании зависимости прочности бетона от водоцементного отношения
Плаумена ввел понятие о критическом В/Ц (по-видимому для данного постоянного расхода цемента), при котором прочность бетона не зависит от ускорения колебаний при вибрировании. При значениях В/Ц меньше критического прочность бетона с ростом ускорения увеличивается, а при более высоких В/Ц уменьшается. Снижение прочности при больших В/Ц и высоких ускорениях Плаумен объясняет эффектом расслоения и засасыванием воздуха в бетонную смесь. При составе 1 :4 критическое В/Ц было 0,47, а при составе 1: 6 — 0,5. При неблагоприятном зерновом составе (наличие мелких зерен песка, вызывающих «вращательное» движение смеси и засасывание воздуха) величина критического В/Ц понижалась (например, 0,39 при составе 1:6).
Стюарт установил, что для любого состава бетона имеется критическое водосодержание, при котором изменения частоты колебаний не влияют на прочность. При более низком или высоком водосодержании некоторые частоты более эффективны, чем другие. Тот же эффект может быть получен и изменением максимальной крупности заполнителя при неизменном водосодержании.
Худшее уплотнение бетонной смеси при увеличении ускорения было установлено и в опытах авторов. При определении показателя уплотняемости особо жестких смесей при вибрировании без пригрузки была найдена оптимальная величина амплитуды (а следовательно, и ускорения), дающая наилучший эффект (табл. 22).
Ухудшение условий вибрирования при повышенной амплитуде обусловлено очень интенсивными колебаниями отдельных зерен крупного заполнителя, особенно на поверхности смеси в форме, что затрудняет обволакивание их раствором и в конечном итоге увеличивает время, необходимое для полного уплотнения бетонной смеси. При менее жестких смесях это обстоятельство уже не имеет решающего значения. В работе Киркхэма и Уиффина был получен лишь положительный эффект от увеличения амплитуды колебаний. В этих опытах определялась степень уплотнения бетонной смеси состава 1 :2,5 : 5 (коэффициент уплотняемости по Гланвиллю 0,8) при поверхностном вибрировании плит толщиной 45 см. Частота колебаний вибратора менялась в пределах 1500—6000 кол/мин., амплитуда — от 0,1 до 1,6 мм. Результаты опытов показали, что повышение амплитуды колебаний при данном ускорении увеличивает глубину проработки, так же как и понижение скорости прохождения вибратора, т. е. увеличение продолжительности вибрирования. Наилучший эффект достигается при большой амплитуде и малой частоте колебаний. Наибольшая глубина проработки при оптимальных параметрах вибрации составила в этих опытах 30 см.
Повышение частоты колебаний также оказывает положительное действие на уплотнение бетонной смеси, особенно по мере уменьшения предельной крупности заполнителя. По данным И. Г. Совалова, повышение частоты с 3000 до 9 000 кол/мин уменьшает (при наибольшей крупности щебня 20 мм) время уплотнения более чем в 2 раза. При наибольшей крупности 40 мм эффективность увеличения частоты колебаний значительно меньше. Аналогичные результаты приводятся и А. Е. Десовым. Он установил, что при полном уплотнении бетонной смеси изменение частоты колебаний не отражается на прочности бетона.
Стюарт указывает , что повышение частоты в пределах 1 500—4 000 кол/мин значительно сокращает продолжительность уплотнения для всех смесей (жирных и тощих, сухих и влажных). Дальнейшее увеличение частоты колебаний (до 8000 кол/мин) целесообразно лишь для составов 1:4—1:7 с В/Ц 0,39—0,6, т. е. практически для всех составов, используемых при производстве железобетонных изделий. Стюарт, Киркхэм, Десов отмечают, что применение высокочастотной вибрации значительно улучшает поверхность вибрируемых изделий, приводя к выделению более мелких пузырьков воздуха.
Таким образом, повышение частоты колебаний оказывает благоприятный эффект на уплотнение бетонной смеси. Особенно большой эффект может дать использование вибрации с переменной частотой, создающей оптимальные условия для колебания различных по крупности частиц в бетонной смеси.
С. В. Шестоперовым совместно с ВНИИСтройдормашем показана высокая эффективность двухчастотной вибрации (3000 и 7000 кол/мин), изготовлена и освоена такая виброплощадка.
Вместе с тем известно, что применение высокочастотной вибрации связано со значительными производственными трудностями. Чрезвычайно быстрый износ оборудования, вызываемый высокими скоростями, необходимость использования дополнительного оборудования (преобразователей тока, периодумформеров и т. д.) пока затрудняют быстрое внедрение высокочастотных виброплощадок на заводах железобетонных изделий. Поэтому нашей целью было исследовать в первую очередь влияние на уплотнение жесткой смеси амплитуды колебаний виброплощадки. При установлении надлежащего времени вибрирования, подборе оптимального зернового состава бетонной смеси и применении пригрузки повышение амплитуды колебаний виброплощадки позволяет значительно уменьшить продолжительность уплотнения жестких бетонных смесей. Понижение прочности бетона с ростом ускорения при водоцементных отношениях, больших критического, не должно иметь места, так как величина критического водосодержания при надлежащем зерновом составе лежит в области пластичных, а не жестких смесей.
В наших опытах вопросы влияния амплитуды колебаний виброплощадки на формование жесткой смеси изучались посредством определения показателя жесткости бетонной смеси на техническом вискозиметре при различных амплитудах вибрирования.
Для исследования были приготовлены бетонные смеси на щебне (фракции 3— 10 мм — 30% и 10—20 мм — 70%), тучковском песке и цементе № 1. Доля песка в смеси заполнителей (r) составляла во всех опытах 0,33. Расход цемента был равен 300 кг/м3. Различная жесткость бетонных смесей достигалась при этом изменением водосодержания в пределах 133—200 л/м3. Во всех опытах использовалась лабораторная виброплощадка ЦНИПСа с частотой 2 800 кол/мин. Вибратор жестко крепился к площадке с помощью клина, что вызывало эллипсоидальный характер колебаний. Величина амплитуды горизонтальных колебаний, измеренная по торцам площадки, была вдвое меньше величины амплитуды вертикальных колебаний при всех режимах, подвергавшихся изучению. Благодаря жесткому креплению форм к площадке колебания вибростола почти полностью передавались формам. Амплитуда колебаний дна форм составляла 85—90% от величины амплитуды колебаний вибростола. В то же время горизонтальные колебания стенок форм составляли лишь 20—25% от величины амплитуды колебаний вибростола, т. е. практически почти не оказывали влияния на вибрируемую бетонную смесь.
Для изменения амплитуды колебаний виброплощадки, помимо обычных дебалансов, использовались специально изготовленные утяжеленные дебалансы, что позволило получить амплитуду колебаний 0,9 мм. Средняя амплитуда колебаний виброплощадки под нагрузкой определялась путем измерения вибрографом амплитуды колебаний в местах закрепления формы к площадке. Подсчитывалось среднее значение амплитуды из четырех измерений.
На рис. 30. полученные данные представлены в виде зависимости показателя жесткости бетонной смеси от амплитуды вибрирования. Кривые выпрямляются по мере увеличения жесткости бетонной смеси. Если для смеси с жесткостью 40 сек. увеличение амплитуды выше 0,5 мм не уменьшает показателя жесткости и, следовательно, является нецелесообразным, то для смеси с жесткостью 70 сек. величина такой эффективной амплитуды составляет 0,55 мм, а для более жестких смесей оказывается целесообразным увеличение амплитуды вибрирования до 0,9 мм и более. Вместе с тем становится очевидным, что при формовании жестких бетонных смесей необходимо использовать амплитуду вибрирования не ниже 0,5 мм. Примерно такие же кривые приводятся и А. Е. Десовым.
Для того чтобы выяснить, в какой степени увеличение амплитуды вибрирования позволяет повысить жесткость укладываемой бетонной смеси, а следовательно, уменьшить ее водосодержание, и какой можно получить экономический эффект за счет сокращения расхода цемента или повышения прочности бетона, необходимо установить, каким условиям должна отвечать бетонная смесь для ее качественного формования на производственных виброплощадках.
Наблюдения и анализ работы вибромеханизмов на действующих предприятиях позволили в 1955—1956 гг. установить следующее.
На большинстве заводских виброплощадок (с амплитудой колебания 0,25—0,3 мм) за сравнительно непродолжительное время (1—2 мин.) эффективно уплотняются смеси, имеющие жесткость около 25 сек. Те же смеси при амплитуде 0,3 мм имеют показатель жесткости 50 сек.
Машина по формованию многопустотных настилов, установленная до 1958 г. на первом конвейере завода № 1 Главмосжелезобетона, при амплитуде колебаний вибровкладышей 0,4 мм довольно легко уплотняет смеси с жесткостью 35—40 сек., что соответствует приблизительно показателю жесткости 50 сек., определенному при амплитуде 0,4 мм.
При испытании однотонной и пятитонной виброплощадок конструкции ВНИИСтройдормаша с амплитудой колебаний 0,7—0,8 мм удалось сравнительно легко за 120 сек. уложить смеси с жесткостью 120 сек. Эти же смеси при амплитуде 0,7—0,8 мм характеризовались показателем жесткости около 50 сек. Такие же результаты были получены при испытаний 16-тонной виброплощадки на Остаповском заводе (Москва).
На заводах Главмосжелезобетона и на Ленинградском заводе «Баррикада» уже несколько лет работают установки по формованию пустотных настилов, на которых при амплитуде колебаний виброплощадки 0,5 мм легко укладываются смеси с жесткостью 50—60 сек.
На основе всех этих наблюдений сделан вывод, что бетонные смеси, показатель жесткости которых, определенный техническим вискозиметром при данной амплитуде колебаний, равен около 50 сек., могут быть уложены за короткое время (до 3 мин.) на виброплощадке с той. же амплитудой колебаний. Безусловно этот вывод — ориентировочный, так как он не учитывает влияния размеров формуемого изделия, способа крепления формы, распределения амплитуды и других факторов, более или менее существенно влияющих на формование железобетонных изделий. Эти факторы должны быть изучены дополнительно в лабораторных и производственных условиях.
В табл. 23 показано возможное изменение водосодержании бетонной смеси при увеличении амплитуды вибрирования. Если учесть, что с повышением жесткости бетонной смеси прочность при том же водоцементном отношении увеличивается, то станет ясно, что уже одно повышение амплитуды вибрирования может привести к значительному техникоэкономическому эффекту, например снизить расход цемента на 30% и более.
Особенно эффективно повышение амплитуды колебаний от 0,3 до 0,5 мм; последняя является обязательной для формования жестких бетонных смесей без пригрузки (при частоте 2 800—3000 кол/мин).
Данные табл. 23 показывают, что максимально возможная жесткость бетонной смеси, при которой может быть достигнуто уплотнение ее в изделии за рациональный в производственных условиях срок, составляет при амплитуде 0,9 мм около 150 сек. Это было учтено при классификации жестких бетонных смесей. Смеси с жесткостью до 150—200 сек. отнесены к нормально жестким или умеренно жестким.
Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона
д-р техн. наук В.И.Сорокер, инж. В.Г.Довжик
Москва 1958
|
