4.3. Новые способы безвибрационного формования смесей

Укладка в формы и уплотнение легкобетонных и керамических материа­лов в высокоармированные, а также имеющие свободные пространства изде­лия (оконные, дверные проемы) способами, основанными на создании пере­пада давлений, затруднена.

Применение традиционных способов при формовании изделий на основе пористых заполнителей, особенно плотных их упаковок, требует изменения технологических параметров, так как под действием вибрационных воздейст­вий воздушная фаза и пористые заполнители поднимаются («всплывают») на поверхность.

Для устранения данных проблем в ЛЕНЗНИИЭП разработан способ без­вибрационного формования с помощью перепада давлений, создаваемого над и под предварительно приготовленной смесью, получивший название «импл озивного».

Теоретические и экспериментальные исследования пневматического формования показали его преимущества перед другими способами. Автором предусмотрено разделение процесса пневматического формования на три стадии: на первой стадии - стационарное ламинарное течение, на второй ста­дии - перемещение отдельными разорвавшимися объемами, на третьей - уп­лотнение под действием массы вышерасположенных слоев и ударного давле-

ния (рис. 4.1-4.3). Касательные напряжения (τxz) определены посредством выделения элемента в общем объеме материала плотностью р, движущегося равномерно с постоянной скоростью VZ(X) в форме высотой Н, шириной 2В под действием перепада давлений ΔР, ускорения силы тяжести g

τ_xz= - ( ΔP/H+ρg)x, (4.6)

Выражение касательных напряжений через градиент скорости по фор¬муле Ньютона, интегрирование уравнения, нахождение постоянной интегри¬рования дало зависимость распределения скорости движения смеси между плоскостями шириной 2В

V_z= - 1/ τ₀ ( ΔP/H+ρg)(x² /2 – B² / 2), (4.7)

где τ₀ – предельное напряжение сдвига, Па.

Рис. 4.1. Расчётная схема сил, действующих на выделенный элемент

Рис.4.2. Элементарный граничный объем, разделяющийся бетонной смесью: F_u - силы сцепления; Т-силы трения; Р - перепад давлений, действующий на частицу

Рис.4.3. Схема сил, действующих на частицу, возвращающуюся в основной объем: Р - ударное давление; G-вес частиц; Т - силы трения при вхождении частицы в основной объем

Исходя из условия, что сдвигающие силы больше сил трения, определен необходимый перепад давлений, обеспечивающий движение бетонной смеси:

ΔP_mp>(2τ/d_o-ρg), (4.8)

где d₀ - толщина среднего слоя, м;

τ = τ_о +μ(du/dv) - напряжение сдвига, Па;

du/dv - градиент скорости слоев материала друг относительно друга.

На третьей стадии - стадии завершения заполнения формы и уплотнения материала - основной объект исследования представляют частицы, возвра­щающихся после их соприкосновения с формой. Уравнение сил, действую­щих на частицы, ударившихся о форму, возвращающихся в основной объем и создающих в нем ударное давление, имеет вид

G<Vz²(k_cS_midγ_e-S_mfγ_c)/2g, (4.9)

где к_с - коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от числа

Рейнольдса;

S_mid - «миделево» сечение, м²;

S_m - площадь обтекаемой боковой поверхности частиц, м²;

f - коэффициент трения скольжения при вхождении возвращающейся

частицы в основной объем смеси;

р_в и р_с - средние плотности воздуха и смеси, кг/м³.

В экспериментальной работе на полупромышленной и промышленных установках производилось транспортирование смеси и укладка ее из бунке­ров и смесителей в формы, расположенные под ними.

Таким образом, рассматривалось вертикальное и горизонтальное формо­вание. Формы находились как при пониженном, так и при атмосферном дав­лении.

Общий вид и схема полупромышленной установки, на которой произ­водилось изготовление внутренних перегородок высотой 2 метра, показан на рис. 4.4, 4.5.

С уменьшением подвижности материалов, требуемая величина давления при уплотнении увеличивается. Применение высоконасыщенных пористыми заполнителями смесей снижает отличия в величинах требуемого перепада давления при изменении подвижности материалов. Понижение подвижности материалов увеличивает силы внутреннего сцепления. Оба вышеотмеченных положения способствуют снижению расслаиваемости материалов. Исследо­ваниями У.Катша (ФРГ) и автора в ЛенЗНИИЭП показано, что материал,из-готовленный новым способом формования ,имеет прочностные показатели,не уступающие вибрационному. В табл. 4.4 дано сравнение прочности цилинд­ров, вырезанных из бетонных элементов, изготовленных методом перепада давлений и прочности виброуплотненных стандартных кубиков, изготовлен­ных из материалов тех же составов.

Рис. 4.4. Общий вид полупромышлен­ной установки

Рис.4.5. Схема работы установки комплексно­го вакуумирования:

1- вакуум-смеситель; 2 - герметичный затвор; 3 - вакуум-камера; 4 - кассета; 5 - ресивер; 6 -вакуум-насос

Таблица 4.4

Сравнение прочности материала изделий, изготовленных пневматическим

формованием и вибрированием

№	Размеры изделий		Наклон формы, градус	Прочность бетона, МПа		Отклонения, %
	Высота, мм	Ширина, Мм		Вибрирован-ный	Пневматиче­ский
1 2 3 4 5 6	2500 1000 2500 1000 2000 2000	85 85 120 85 100 100	90 90 45 0 90 0	30,72 28,65 31,58 27,25 18,50 17,40	38,21 32,65 28,97 25,85 20,20 16,30	+24 + 14 -8 -5 +8 -6

В табл.4.4 данные, соответствующие тяжелому бетону (номера экспери­ментов 1-4) получены У.Катшом, легкому бетону (номера экспериментов 5-6) - автором.

Комплексные испытания панелей состояли в определении физико-механических свойств, средней плотности и влажности бетона по площади изделий. В процессе исследований использовались неразрушающие способы контроля: ультразвуковой, радиоизотопный и нейтронный. При этом приме­нялись приборы УКВ-1М и РВПП-1. Полученные данные показали хорошую стабильность свойств бетона в изделиях. Наблюдалось увеличение прочности бетона на сжатие и растяжение при перемещении от верхних слоев к нижним от 7 до 12%. Колебания значений средней плотности и влажности бетона по площади изделий составляли соответственно 5-10% и 3-6%. Аналогичные изделия, отформованные вибрационным способом в вертикальном положе­нии, имели разброс физико-механических свойств по высоте до 40%. Изме­нения средней плотности и влажности бетона по площади изделий, изготов­ленных по обычной технологии, составляли соответственно 9-18 и 6-10%.

Таким образом, «имплозивный» способ формования позволяет примерно в два и более раз повысить однородность свойств бетона по площади изде­лий.

Необходимость использования при традиционной технологии формова­ния в вертикальных формах подвижных смесей приводит, как известно, к ухудшению качества изделий. В первую очередь это связано с возрастанием неоднородности материала по высоте изделий. В этой связи для бетона кас­сетного производства коэффициент условий работы принимается 0,5. Ис­пользование способа формования с помощью перепада давлений позволяет повысить данный коэффициент до 0,9.

Вышеприведенные результаты испытаний позволяют применительно к стеновым изделиям утверждать о преимуществах «имплозивного» способа формования перед вибрационным.

Важным вопросом в технологии производства строительных изделий, в частности бетонных и железобетонных, является обеспечение конструктив­ных условий создания различной плотности по толщине. Нами разработано устройство для прессования многослойных изделий переменной плотности, общий вид и схема работы которого представлены на рис. 4.6 и 4.7. Отличи­тельной способностью разработанной конструкции является то, что с целью упрощения изготовления слоистых строительных изделий раздельным мето­дом оно снабжено механизмом для втапливания крупного заполнителя, вы­полненным в виде сетки, установленной посредством гидродомкратов на не­сущей плите с возможностью вертикальных перемещений относительно по­следней.

Работа устройства осуществляется следующим способом. В форму 1 ус­танавливается плоский арматурный каркас на границе между нижним и сред­ним слоем, затем укладывается весь объем цементно-песчаного раствора с осадкой конуса 12-16 см, необходимого для выполнения защитных и средне­го теплоизоляционного слоев. При этом плита 2 вместе с сеткой 4 находится вне формы 1 и не препятствует установке каркаса и укладке раствора. После укладки раствора сетку 4 с помощью гидродомкратов 5 совмещают с плитой 2. Плиту 2 перемещают приводом 3 и выравнивают поверхность раствора. За­тем приводом 3 плиту выводят из формы. На раствор укладывают пористый заполнитель, а сверху второй арматурный каркас. Сетку 4 с помощью гидро­домкратов 5 отводят от поверхности плиты 2 на расстояние верхнего защит­ного слоя. Затем прессующую плиту перемещают вниз и сетка 4 осуществля­ет втапливание заполнителя в цементно-песчаный раствор. Втапливание про­изводят до тех пор, пока нижняя поверхность крупного пористого заполните­ля не достигнет расчетной границы нижнего защитного слоя. Так как рас­стояние между сеткой 4 и плитой 2 равно толщине верхнего защитного слоя, то прошедший при втапливании заполнителя раствор образует верхний за­щитный слой. После этого сетку 4 гидродомкратами 5 поднимают к поверх­ности плиты 2.

Классификация усовершенствованных и вновь разработанных способов формования бетонных и керамических изделий на пористых заполнителях представлена в табл. 4.5. Наряду с широко используемыми способами фор­мования: поверхностное вибрирование, виброударное уплотнение, в класси­фикации представлены области применения и основные параметры усовер­шенствованного способа контактного вакуумирования и разработанных спо­собов: «пресс-самовакуумирование» и «имплозивного» формования.

Рис. 4.6. Схема устройства для прессования Рис 4.7. Общий вид полупромышлен- многослойных строительных изде- нои установки

лий: 1 - форма; 2 - прессующая плита; 3 - привод плиты; 4 - сетка; 5 - гидродомкраты

При вибрационных способах формования происходит расслоение рас­творной составляющей и пористых заполнителей.

Перемещения заполнителей и растворной составляющей в смесях рас­смотрены по закону Дарси. При этом учтены такие факторы как удельная по­верхность заполнителей S, их пустотность П, удерживающая способность по­верхности х. В общем виде сила, вызывающая расслоение заполнителей и раствора, определена по зависимости

P = χS²B/(GП³F_сk_t), (4.10)

где В - толщина изделия, м;

F_c - рассматриваемая площадь, м²;

G - постоянная Козени;

k_t - коэффициент изменения удерживающей способности поверхности за­полнителей.

Максимальная суммарная продолжительность динамических воздейст­вий, не приводящая к образованию пустот в смеси заполнителей, определена на основе установленной И.Н.Ахвердовым взаимосвязи частоты со и ампли­туды А вибрирования с отличиями в плотностях заполнителей р_р, условным диаметром dy_c, коэффициентом формы частиц ф, средней скоростью их пере­мещения V3. Окончательный вид зависимости следующий

t=πd²_усy[0.04d_ycAω ₊ d_yc(1-p _р.р₃.)]/(24φV₃mg). (4.11)

В процессе уплотнения вибрированием вначале объем материала V₂ от­носительно первоначального объема V₁ уменьшается V₁-V₂>0, а после на­ступления расслоения заполнителей и раствора увеличивается – V₁-V₂<0. При этом пустотность Пг относительно первоначальной IIi может не изме­няться П₁-П₂=const.

Наряду с поверхностным вибрированием определены оптимальные па­раметры и области применения других способов получения плотных упако­вок пористых заполнителей, омоноличенных пленками вяжущих заданной плотностью.

В исследованиях вибрационных способов установлена эффективность повышения амплитуды колебаний с 0,5-0,6 мм, оптимальной для материалов с плотными заполнителями, до 0,9 мм. Анализ собственных эксперименталь­ных данных, а также литературных, позволил внести некоторые изменения в режимы виброударного способа уплотнения. В связи с тем, что масса порис­тых заполнителей, ниже массы плотных, при их уплотнении следует несколь­ко снижать амплитуду удара с 6-8 мм до 4—5 мм. Учитывая возможность пе­ремещения заполнителей в момент вибрационных действий,их амплитуду, по отношению к материалам с плотными заполнителями, можно повышать с 0,1 мм до 0,15-0,2 мм.

Таблица 4.5

Классификация способов формования в зависимости от

удобоукладываемости смесей (марки) П, Ж, продолжительности уплотнения

τ_мин,температуры материала, толщины изделий Д, см

Способы формования

Поверхностное вибрирование

Виброударное уплотнение

Контактное вакуумирование

«Пресс-самовакуумирование

«Имплозивное» вакуумирование

П, Ж

τ

Д

П, Ж

τ

Д

П, Ж

τ

Д

П, Ж

τ

Д

П, Ж

τ

Д

Температура смеси

-25°С

П1 Ж1

3 4

300

Ж1 Ж2

2 3

300

П3 П4

8 10

200

П1 Ж1

6 8

200

П2 П1

0,1

400

Температура смеси

-65°С

П2

2

П1

2

ПЗ

4

П1

4

П2

300

300

100

200

0,1

400

П1

3

Ж1

3

П4

5

Ж1

5

П1

Сложности процессов изменений влажности и средней плотности в про­цессе уплотнения требуют при определении режимов их проведения, а также при периодическом контроле работы устройств получения непрерывной ин­формации об основных параметрах. Для получения надежной информации о влажности и средней плотности бетона в процессе уплотнения нами было предложено использовать одновременно радиоизотопный и нейтронный ме­тоды. Достижение максимальной плотности при минимальной влажности ма­териалов является основой применяемой при этом методики.