14. Физико-механические основы формования и уплотнения.

Бетонная смесь обладает рыхлой нестабильной структурой с высокой пористостью и большим объемом вовлеченного воздуха. Необходимое условие получения однородного по плотности и прочности бетона - уплотнение бетонной смеси на стадии формования изделий.

В процессе формования и уплотнения частицы бетонной смеси находятся под воздействием силового поля, слагаемого из сил тяжести частиц и внешнего силового воздействия (давления, ударов, встряхивания, колебательных движений), оказываемого на частицы. Вместе с тем частицы находятся под воздействием внутренних сил в системе (сил вязкого, сухого трения, межмолекулярного сцепления, капиллярного давления и др.), которые определяют физико-механические свойства бетонной смеси, ее реологические характеристики.

Оптимальное соотношение между силами тяжести частиц и внешним силовым воздействием - необходимое условие качественного формования и уплотнения бетонной смеси, которое зависит в основном от реологических свойств, а также от формы изделия и его насыщенности арматурой.

Основными способами механического воздействия на бетонную смесь с целью ее уплотнения являются вибрирование, прессование и центрифугирование.

1. Виброуплотнение. Виброформование сводится к разрушению сложившейся первоначальной структуры бетонной смеси и переводу ее в состояние пластично-вязкого течения, при котором смесь подчиняется действию силы тяжести, свободно растекается, хорошо заполняет форму, самоуплотняется и приобретает устойчивую, более плотную структуру. При этом зерна заполнителя размещаются более компактно, в результате достигается плотное заполнение межзернового пространства цементным тестом и раствором с одновременным вытеснением пузырьков воздуха, отделением части воды на поверхность уплотненной смеси.

Эффективность виброуплотнения характеризуется коэффициентом уплотнения или прочностью бетона, поскольку прочность - функция плотности бетона при прочих равных условиях. Критерием качества следует считать равномерность уплотнения бетонной смеси по всему объему изделия.

2. 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 производить 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. Метод прессования наиболее эффективен при уплотнении жестких смесей и для изделий небольшой толщины. При изготовлении более толстых изделий необходимо применять послойное формование.

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 ниже расположенные 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. Трамбовать можно и крупнозернистые смеси.

Степень уплотнения зависит от жесткости смеси и затраченной работы трамбования (в кДж) на объем данного изделия.

3. Центробежное формование. Сущность центробежного формования заключается в том, что форма вместе с загруженной в нее бетонной смесью вращается вокруг своей продольной оси с заданной скоростью. Под действием развивающихся центробежных сил частицы смеси отбрасываются к стенкам формы, прижимаются к ним, и смесь распределяется в форме слоем равномерной толщины. Возникающее при этом прессующее давление, величина которого пропорциональна массе частиц бетонной смеси, их расстоянию от оси вращения и квадрату угловой скорости, способствует отжатию части воды затворения, что ведет к уплотнению бетона. Центрифугирование эффективно используется при изготовлении напорных и безнапорных труб, опор ЛЭП, колонн и других конструкций кольцевого сечения.

Процесс центробежного формования можно разделить на две стадии: распределение бетонной смеси по стенкам формы и образование внутренней полости в изделии, т.е. начальная стадия формования изделий, и завершающая стадия - уплотнение бетонной смеси в сформованном изделии.

На первой стадии пластичная бетонная смесь загружается во вращающуюся форму и вследствие возникающего трения о ее стенки начинает вращаться вместе с ней. Благодаря пластичности и необходимой подвижности смесь распределяется равномерным слоем по стенкам формы, сохраняя сплошность своего строения.

При вращении формы частицы бетонной смеси испытывают одновременно воздействие двух силовых полей: сил тяжести и центробежных сил. Чтобы частицы смеси при вращении формы не отрывались, необходимо равенство сил центробежного ускорения и ускорения сил тяжести. Поскольку для центробежного формования применяют пластичные бетонные смеси, на бетон передается прессующее давление и оно равномерно распределяется через прослойки цементного теста, заполняющего межзерновые пространства в бетоне.

Уплотнение и распределение бетонной смеси происходит при вращении формы. При этом возникает центробежное давление, в результате которого частицы твердой фазы сепарируют по крупности и сближаются. Прессующее давление от центробежной силы по толщине распределяется неравномерно - от минимума на внутренней до максимума на наружной поверхности изделия, поэтому зерна большей массы располагаются ближе к наружной поверхности, а вода как наиболее легкий компонент отжимается внутрь изделия. Количество отжимаемой воды в зависимости от режима центрифугирования и состава смеси может доходить до 25÷30% количества воды затворения.

4. Комбинированные способы уплотнения. По мере перехода к формованию изделий из более жестких бетонных смесей роль вибрационного воздействия уменьшается, однако сочетание виброобработки с одновременным давлением значительно повышает эффективность уплотнения.

Для подвижных смесей в сочетании с основными способами используют вакуумирование. Этот технологический прием основан на создании разности между атмосферным давлением и давлением в сообщающихся порах и капиллярах бетона; в результате образовавшегося градиента давления влага, водяной пар, воздух или паровоздушная смесь удаляются из бетона, бетон уплотняется, а освободившееся пространство заполняется мелкими частицами твердых компонентов. При этом следует отметить, что удаление избыточной воды без уменьшения объема не дает должного эффекта, оно рационально в сочетании с прессованием или вибрированием.