Методы уплотнения бетонных смесей.

Прессование. При прессовании происходит принудительное перемешивание и взаимное сближение твердых частичек бетонной смеси, характеризуемое большим или меньшим объемным сжатием системы. Наилучший эффект достигается при прессовании очень жестких, почти не связанных смесей с малым водосодержанием.

Каждой бетонной смеси присуще свое оптимальное прессующее давление. Это давление расходуется на преодоление сил трения и сцепления частичек между собой, преодоление сил трения материала о стенки форм, а также на давление защемленного воздуха. При формовании давление передается не сразу на всю толщину, а постепенно, по мере уплотнения верхних слоев. С увеличением прессующего давления возрастают силы сопротивления деформированию системы, поэтому прессование жестких смесей лучше проводить послойно.

Большим препятствием сближения частиц бетонной смеси является наличие практически несжимаемой воды в межзерновом пространстве, которую необходимо удалять, кроме того, препятствием деформирования смеси является заклинивание крупного и прочного заполнителя. В результате создается равновесие внешних и внутренних сил. При этом частицы смеси занимают весьма устойчивое положение, хотя и не размещены наиболее плотно и компактно в формуемом объеме бетона. В результате уплотнение не завершено. Таким образом, метод прессования наиболее эффективен при уплотнении жестких мелко-зернистых смесей и для изделий небольшой толщины. При изготовлении более толстых изделий необходимо применять послойное формование.

Прессующее давление зависит от жесткости и состава смеси, объема и размеров уплотняемого участка и изменяется от 0, 2 до 15 МПа. Высокое давление можно создать при формовании небольших по площади изделий либо при концентрированной передаче силового воздействия на небольшом участке уплотняемого слоя. Например, при помощи катков, перемещающихся по уложенной в форму бетонной смеси, либо протяжкой формы с бетонной смесью под стационарно установленными валками (силовой прокат). Такой способ прессования наиболее эффективен и относительно легко технически осуществим. Однако прессование в чистом виде, без сочетания с вибрированием, нельзя считать эффективным.

Трамбование можно рассматривать как мгновенно прикладываемое прессующее давление. В процессе трамбования бетонной смеси многократно повторяющимися ударами трамбовки частицам сообщается кинетическая энергия, под действием которой зерна и куски крупного заполнителя перемещаются в направлении действия сил, внедряются в основную массу бетонной смеси и наиболее плотно укладываются в ней. При ударах трамбовки отдельные частицы заполнителя внедряются в нижерасположенные слои бетонной смеси и уплотняют ее. Трамбование, в отличие от прессования, можно применять для уплотнения бетонной смеси в изделиях значительной толщины при ее послойной укладке.

Уплотнение бетонной смеси центрофугированием. При центробежном формовании трубчатых изделий распределение и уплотнение бетонной смеси в форме при ее быстром вращении происходят под действием центробежных сил N, величина которых пропорциональна массе частиц т:
N = г со2 т,
где r-радиус вращения, со -угловая скорость, m – масса частицы.

На практике для трубчатых конструкций среднего диаметра начальное число оборотов формы принимают в пределах 60- 150 об/мин, при этом чем больше диаметр, тем меньше число оборотов. На стадии уплотнения число оборотов формы увеличивают до 400-900 об/мин и более. При этом давление на бетонную смесь, развиваемое в центрифугах, постепенно увеличивается с 0, 0175 до 0, 065 МПа, в жироскопических центрифугах оно доходит до 0, 145 МПа.

При центробежном уплотнении бетонной смеси имеется тенденция к ее расслоению. Объясняется это тем, что масса зерен заполнителя, пропорциональная их объему, больше массы воды, а также массы малых частиц цемента и минеральных добавок. Поэтому величина центробежных сил, действующих на более крупные частицы, больше величины этих сил, действующих на более мелкие. В результате крупный заполнитель прижимается к стенке формы, а вода с наиболее дисперсными частицами твердой фазы отжимается и скапливается в виде шлама на внутренней поверхности формуемого изделия. Количество отжимаемой воды, в зависимости от режима центрифугирования, состава и характеристик смеси, может доходить до 25-30% от количества воды затворения. Это, несомненно, повышает плотность бетона в наружных слоях изделия.

Однако в целом структура бетона по сечению элемента оказывается неравномерной – наряду с очень плотной структурой наружных слоев имеется довольно пористая во внутренних. Для устранения этого и уменьшения расслоения смеси обычно ограничивают наибольшую крупность заполнителя 15-20 мм, подбирают достаточно вязкие и пластичные смеси, а при необходимости получения в трубчатых изделиях особо плотного и водонепроницаемого бетона формование изделия производят в несколько слоев (от 2 до 4) с удалением шлама с внутренней поверхности после каждого этапа формования.

Центробежное формование труб и трубчатых конструкций осуществляют в станках-центрифугах, в которых цилиндрическая форма с бетонной смесью вращается с заданной скоростью. В зависимости от способа крепления форм и приведения их во вращение различают три типа центрифуг: осевые, в которых форма прочно зажимается с торцов между двух бабок планшайбами, центрально насаженными на вращающиеся шпиндели;
свободно-роликовые, в которых форма свободно укладывается своими бандажами на вращающиеся катки (ролики) и приводится во вращение за счет сил трения от приводных катков; ременные жироскопического типа, в которых форма свободно подвешивается на ремнях и приводится во вращение благодаря силам трения между текстропными ремнями и ребордами формы.

Рис. 5.5.2. Схема центрифуг: а- однорядовая роликовая центрифуга, 1- приводной ролик, 2 – поддерживающие ролики, 3 – форма, 4 – предохранительная скоба; б – осевая центрифуга, 1 – бабка с разгонным двигателем, 2 – бабка с редуктором, 3 – двигатель, 4 – торцевые планшайбы, зажимающие форму, 5 – форма; в – ременная жиро-скопическая) центрифуга, 1 – ограждение привода, 2 – ведущий вал, 3 – ведомый вал, 4 – ремни, 5 – поддерживающие ролики, б – форма, 7 – защитный кожух

Осевые и роликовые центрифуги могут быть одно- и многогнездовыми, позволяющими одновременно формовать одно или несколько изделий.

Для центробежного формования применяют неразъемные и разъемные формы. Последние состоят из двух продольно стыкуемых половинпо-луформ, стягиваемых при сборке стяжными болтами.

Процесс формования изделий на центрифугах слагается из ряда операций. На постах вне центрифуги осуществляют операции по подготовке и сборке форм, установке и раскреплению арматурных каркасов, а при изготовлении напорных труб и других изделий с напряженной арматурой – и натяжению продольной арматуры на упоры в торцевых кольцах форм. Далее производят укладку бетонной смеси в форму на центрифугах с помощью ложковых, шнековых и других питателей, позволяющих подавать смесь во вращающуюся форму для более равномерного ее распределения. Если же это невозможно, форма закрыта с торцов (при осевых центрифугах) или имеет значительную длину и малый диаметр, то смесь укладывают с помощью бункерных питателей в раскрытую нижнюю полуформу. Затем форму собирают и устанавливают на центрифугу и на небольших оборотах распределяют смесь по стенкам формы.

После распределения смеси увеличивают скорость вращения центрифуги до уплотнения бетона в строгом соответствии с принятым режимом центрифугирования. Когда изделие отформовано, обороты центрифуги плавно снижают до полной остановки. Если это необходимо, сливают из изделия отжатую воду, приподнимая один конец формы, и затем ее снимают с центрифуги и направляют в камеры тепловой обработки.

Торкретирование – один из способов формования бетонной смеси, осуществляемый путем последовательного нанесения на поверхность формуемого изделия тонких слоев цементно-песчаного раствора или мелкозернистой смеси под давлением сжатого воздуха. Торкретирование предусматривает подачу к месту формования сухой бетонной смеси в отличие от пневмобетонирования, при котором используется готовая смесь. При торкретировании совмещаются несколько операций: транспортирование, перемешивание, укладка и уплотнение. Раствор наносят установкой, состоящей из так называемой цемент-пушки 2, компрессора 5, бака для воды 6, воздухоочистителя 4 и шлангов: для сжатого воздуха 5, для воды 7 и для материала 8 (рис. 5.5.3).

Рис. 5.5.3. Схема нанесения бетонной смеси торкретированием

Цемент-пушка загружается сухой смесью цемента с песком (с наибольшей крупностью зерен до 8 мм) и под давлением по шлангу 8 подается к наконечнику-соплу. Из бака с водой по шлангу 7 под несколько большим давлением в тот же наконечник поступает вода, которая смачивает сухие компоненты. Затем через сопло раствор с большой скоростью (около 100 м/с) выбрасывается на торкретируемую поверхность. При ударе большая часть частиц раствора внедряется в массу уложенного бетона и уплотняет его, а около 25-35 % отскакивает. Торкретирование поверхности производят слоями толщиной около 20 мм. Торкретбетон сразу после нанесения имеет высокую пластическую прочность, которая позволяет безопалубочным способом формовать любые поверхности (вертикальные и горизонтальные). Получаемый торкретбетон имеет высокую плотность, прочность и водонепроницаемость. Торкретирование применяют при бетонировании тонкостенных армоцементных конструкций, для нанесения защитного слоя при изготовлении предварительно напряженных напорных железобетонных труб, исправлении дефектов бетонирования, получении фактурного слоя и т.п.

Виброштампование отличается тем, что вибрационное воздействие и статическое давление создаются одним рабочим органом-виброштампом, опускаемым сверху на открытую поверхность бетонной смеси, уложенной в форму.

Вибрирующий штамп, установленный на поверхности уложенной в форму ровным слоем жесткой бетонной смеси, разжижает ее и под действием собственного веса вытесняет в пространство, ограниченное боковыми поверхностями самого виброштампа, бортами формы и прижимной рамой (рис. 5.5.4).

Рис. 5.5.4. Схема виброштампования бетонной смеси: 1 – форма; 2 – бетонная смесь; 3 – виброштамп; 4 – прижимная рама

Виброштамп выполняет сразу две функции перераспределяет бетонную смесь внутри формы, придавая нужные очертания изделиям, и уплотняет ее.

В зависимости от формы рабочей поверхности виброштампа, которая может быть плоской, рельефной и с пустотообразователями, получаются изделия с верхней поверхностью заданного профиля – ребристые, кессонные и т.п. Виброштампование изделий сложного профиля, эффективно используя свойства жестких бетонных смесей, позволяет заменить парк форм сложной конфигурации плоскими поддонами с простейшей бортовой оснасткой.

Вибропрокат представляет собой скользящее виброштампование бетонной смеси, которое сочетается с прессующим давлением валков, плит, вкладышей.
На заводах сборного железобетона распространены следующие разновидности вибропроката (рис. 5.5.5). Для изготовления железобетонных изделий способом непрерывного вибропроката применяют мелкозернистые бетонные смеси жесткостью не менее 40-45 с.

Рис. 5.5.5. Схемы вибропроката: а – схема уплотнения бетонной смеси на прокатном стане, б – силовой вибропрокат, в – вибробрус, г – скользящий вибросердечник, д – вибронасадка, е – пустотообра-зующий бетонирующий агрегат

Стан силового вибропроката позволяет формовать изделия длиной до 6, 5 м, шириной 1, 5-2, 0 м и толщиной 0, 2 м.

Вибровакуумирование бетонной смеси при формовании изделий позволяет удалить из нее до 10-20% воды от общего количества, взятого при затворении. При этом под действием атмосферного давления вакуумные устройства (вакуум-щиты, вакуум-вкладыши), укладываемые на поверхность изделий или вводимые внутрь, оказывают прессующие усилия на бетонную смесь, в результате которые она уплотняется. Интенсивность уплотнения бетонной смеси увеличивается, если в процессе вакуумирования или после проводят кратковременное вибрирование.

На рис. 5.5.6 приведена схема установки для вибровакуумирования бетона. Она состоит из вакуум-насоса, ресивера для выравнивания разряжения в системе, сборника для воды и шлама, трубопровода, гибких вакуум-шлангов, вакуум-устройства (вакуум-щита) для отсасывания из бетона воды и воздуха и виброплощадки. Вакуум-устройство представляет собой герметизированную коробку (вакуум-полость), перекрытую со стороны поверхности, укладываемой на бетонную смесь, проволочной сеткой, на которую натянута фильтровальная ткань, препятствующая засасыванию частиц цемента и песка в вакуум-полость.

Вакуумирование осуществляют при разряжении 75-85% от полного вакуума. Продолжительность вакуумирования в зависимости от толщины обрабатываемого изделия принимают 5-15 мин. Эффективность вакуумирования уменьшается по мере удаления от вакуум-устройства (глубина вакуу-мирования 12-15 см). Поэтому Вакуумирование применяют при формовании тонкостенных изделий и для поверхностного уплотнения бетона в монолитных конструкциях. Вакуумирование повышает конечную прочность бетона на 20-25%.

Эффективность вибровакуумирования зависит от степени разрежения, продолжительности вибровакуумирования и начального содержания воды в смеси. При небольшом содержании воды (малоподвижные и жесткие смеси) вакуумирование не обеспечивает уплотнения их, поэтому применимо лишь для обработки пластичных смесей.

Рис.5.5.6. Схема установки для вибровакуумирования бетона: а. – общая схема; б – схема устройства вакуум полости; 1 – формируемое изделие; 2 – виброплащадка; 3 – вакуум щит; 4 – сборный коллектор; 5 – всасывающие шланги; 6 – водосборник; 7 – всасывающая труба; 8 – вакуум насос; 9 – крышка вакуум камеры; 10 - вакуум-полость: 11-крупная проволочная сетка; 12-тонкая сетка; 13 -фильтровальная ткань; 14 – штуцер для присоединения к вакуум - сети

Формование изделий на виброплощадках. Виброплощадки являются универсальным формовочным оборудованием для формования широкой номенклатуры изделий в переносных и передвижных формах грузоподъемностью 4-40 т. Уплотнение бетонной смеси достигается различными вибрационными устройствами, создающими колебания: гармонически круговые, вертикально и горизонтально направленные, пространственные (многокомпонентные) и негармонические ударно-вибрационные.

Виброплощадки и ударновибрационные площадки применяют в конвейерных и поточно-агрегатных линиях, виброустановки и ударные площадки только на поточно-агрегатных линиях.

Виброплощадки передают колебательные движения от рамы с вибровозбудителем к закрепленной на нем форме с бетонной смесью. Рама бывает сплошная и секционная. Рамы имеют упругие опоры и устройства для крепления форм. Вибровозбудители используют одно- или двухвальные.

Различают следующие виды виброплощадок: – ударно-кулачковые, которые имеют верхнюю подвижную раму, на которой крепится форма и нижнюю неподвижную раму, закрепленную на фундаменте и обеспечивающую передачу ударного импульса падающей верхней раме в момент контакта с ней (рис. 5.6.1). Подъем верхней рамы обеспечивается кулачковым механизмом. Частота ударов и высота падения определяются угловой скоростью вращения кулачковых валов и профилем кулачков. На ударных площадках можно формовать изделия высотой до 1 м с высоким качеством. При формовании на виброплощадках бетонная смесь получает вертикально или горизонтально направленные импульсы.

Рис. 5.6.1. Схема ударной (кулачковой) площадки: а – общая схема, б – кинематическая схема: 1 – форма, 2, 3 – продольные и поперечные элементы рамы, 4 – направляющие, 5 – ролики рамы, 6, 7 – ударные балки, 8 – кулачки, 9 – поперечные валы, 10 – клиноременная передача, 11 – электродвигатель, 12 – продольный вал

Ударные виброплощадки требуют небольшого расхода энергии, а за счет лучших условий формования достигается экономия до 20 % цемента.

- ударно-вибрационные площадки (рис. 5.6.2) имеют две колеблющиеся рамы: одна рабочая (с формой), вторая – уравновешивающая, опирающаяся через упругие опоры на фундамент.

Рис. 5.6.2. Схема ударно-вибрационной (резонансной) площадки: 1 – ударная площадка (рама); 2 – уравновешивающая рама; 3 – упоры; 4 – кривошип-но-шатунный привод; 5 – упругий шатун; б – буфера; 7 – упругие элементы

Между рамами находятся упругие элементы и буфера, соударяющиеся при встречном движении рам. Колебания возбуждаются кривошипно-ша-тунным приводом с упругим шатуном. В этих площадках используется асимметричный режим колебаний.

Ударно-вибрационные площадки работают в резонансном режиме. Их уравновешивающая рама связана с линейными упругими элементами и установлена на резиновые опоры. Рамы соударяются через размещенные между ними буфера. Крепление форм электромагнитное. На них можно формовать изделия соответственно размером в плане: 3X6 и 1, 5X6 м при частоте колебаний 9-11 и 8-10 Гц и амплитуде 6-10 мм.

- в настоящее время используют виброплощадки, которые состоят из унифицированных двухвальных виброблоков с приводом от электродвигателей и электромагнитов для крепления форм (рис. 5.6.3). На них можно формовать изделия размером в плане 3X6, 3X12 и 3X18 м при частоте колебаний 47, 5 Гц и амплитуде 0, 4-0, 6 мм.

Рис. 5.6.3. Схема унифицированной двухвальной виброплощадки: 1 – правый привод; 2 – поперечный вал; 3 – левый привод; 4 – карданный вал; 5- виброблок; б – опорная рама; 7 – звукоизолирующий кожух

- виброустановка с продольно-горизонтальными колебаниями (рис. 5.6.4) также работает в резонансном режиме и имеет две виброгруппы, создающие направленные горизонтальные колебания. Форма, закрепленная в пневматических траверсах, свободно опирается на два ряда упругих прокладок. На этих установках формуют изделия размером в плане 3 XI2 м при частоте колебаний 40-48 Гц и амплитуде 0, 4-0, 6 мм. – виброплощадки с пригрузом. Для повышения качества верхнего слоя изделий и однородности бетона по высоте применяют пригрузы (Рис. 5.6.5).

Инерционный пригруз (рис. 5.6.5а), создающий давление 0, 001-0, 002 МПа на бетонную смесь только за счет своего веса рекомендуется применять для всех видов оборудования.

Вибрационный пригруз (рис. 5.6.56) применяют при использовании невибрирующих пустотообразователей.

Рис. 5.6.4. Схема виброплощадки с продольно-горизонтальными колебаниями: 1 – привод; 2 – рама с виброгруппой; 3 – опора рамы; 4 – опора формы; 5 – виброгруппа; б – промежуточная (неподвижная) опора

Рис. 5.6.5. Виды пригрузов: а – инерционный; б- инерционный с автономным вибровозбудителем; в – безынерционный; г – безынерционный с автономным вибровозбудителем; д – безынерционный с пневматической подушкой; е – безынерционный с гидро- и пневмоцилиндрами

Безынерционный пригруз, в котором основное давление обеспечивается дополнительной виброизоляционной (подрессоренной) массой (рис. 5.6.5в) либо автономным возбудителем (рис. 5.6.5г), либо силовыми (пневматическими) подушками (рис. 5.6.5д), гидро- или пневмоцилиндрами (рис. 5.6.5е), применяют совместно с виброплощадками с эллиптическими колебаниями при толщине изделий 30-60 см. Во всех случаях давление от при-груза должно быть не более 0, 02 МПа.

Все виды пригрузов приводят в действие через 15-30 с после предварительного уплотнения смеси.

Укладку и распределение бетонной смеси в формах осуществляет бункерами, бетонораздатчиками и бетоноукладчиками.

Бункера и бетонораздатчики поставляют бетонную смесь в формы без разравнивания.

В зависимости от вида и назначения укладываемой бетонной смеси используют бетоно-, фактурно- и раствороукладчики.

Бетоноукладчики оснащают вибронасадками (рис.5.6.6а), вибролот-ковьдми и винтовыми питателями (рис. 5.6.6д), плужковыми разравнителями (рис. 5.6.6в), поворотными воронками (рис.5.6.6г) равномерно распределяющими бетонную смесь в формах.

Рис. 5.6.6. Схемы укладки бетонной смеси: а – вибронасадком; б – вибролотковым питателем; в – плужковым сбрасывателем; г – поворотной воронкой; 7 – форма; 2 – бункер; 3 – ленточный питатель; 4 – вибронасадка; 5 – вибролотковый питатель, б – воронка поворотная; 7 – плужковый разбрасыватель