книги из ГПНТБ / Иванов, Г. С. Эксплуатационная надежность и совершенствование технологии изготовления железобетонных шпал

Рассмотрим далее случай, когда между массами т и М су­ ществует некоторая упругая связь, роль которой может выпол­ нять уплотняемая бетонная смесь. Силы сопротивления движе­ нию не учитываем. !При принятых допущениях для расчетной схе­ мы |(рис. j37) решения дифференциальных уравнений колебаний имеют вид:

где Д(ш2) = (С +С 6—7Wco2)(C6—ти>2)—С\ ;

Psincu^ — возмущающая сила массы М.

Но эти решения справедливы лишь при условии, что

где Дб= ^ - - статическая деформация бетонной смеси под при-

грузом массой т.

Подставляя (3.24) в (3.25), получим выражение для опре­ деления критической минимальной массы пригруза, при кото­ рой последний по принятому условию не должен отрываться от бетонной смеси:

При изменении массы пригруза неизбежен сдвиг частот; «ц и ш2, определяемых по формуле

где <«м и шт — парциальные частоты колебаний системы.

При некотором соотношении р.=— может быть достигнут

М

на первый взгляд парадоксальный эффект: при постоянной частоте вынужденных колебаний виброплощадки М увеличение массы т приведет к возрастанию амплитуды колебаний мас­ сы '№ и уменьшению амплитуды , массы т. ; Подобные , явления ранее часто наблюдались в опытах, но исследователи объясня­ ли увеличение амплитуды колебаний виброплощадки исключи­ тельно возникновением резонанса частиц в столбе уплотняемой бетонной смеси.

В данном случае имеет место резонанс двухмассовой систе­ мы т и М, в которой роль упругой связи выполняет уплотняе­ мая бетонная смесь. Рассмотренный случай на практике соот­ ветствует действительным условиям формования на вибропло­ щадках изделий большого веса с тяжелыми гравитационными пригрузами, т. е., когда массы т и М соизмеримы ( т^ М) .

101

Если в качестве критерия количественной оценки динамиче­ ского действия вибрации на смесь принять удельную мощность ударов, то потеря кинетической энергии за один удар пригруза о (смесь составит

Тогда для случая т М, подставляя в эту формулу значе­ ние скоростей из (3.22) будем иметь

жить наличие удара. Для этого случая выразим энергию колеба­ ний пригруза через упругую характеристику бетонной смеси

Анализ выражения (3.29) показывает, что при увеличении массы энергия будет непрерывно возрастать, экстремум отсут­ ствует. Следовательно, при т Z М увеличение массы пригруза до тех пор, пока он будет отрываться от смеси, должно спо­ собствовать лучшему ее уплотнению.

В то же время из выражения (3-30) легко видеть, что энер­ гия деформации бетонной смеси неограниченно растет при Д(со2)2i>0. Отсюда в пределе

Одно из оптимальных значений массы гравитационного при­ груза для случая т « М определится выражением

где М = МВ+ « 1 Л4ф+/с2М6;

М в; Мф; Мб — соответственно масса вибрируемых частей вибро­ площадки, формы для изделия и бетонной смеси, уплотняемой в форме;

«1 и К2 — соответственно коэффициенты присоединения к виброплощадке массы формы и массы бетонной, смеси.

102

При этом значении т0 в действительности из-за вязкого сопро­

СПЭД 56М с регистрацией параметров вибрационного процес­

режиме, как правило, в противофазе с виброплощадкой с чис­ лом 2. Соударения гравитационного пригруза со смесью при уплотнении последней на электромагнитной виброплощад­ ке типа В-38Б с ударным режимом носят более закономерный характер по сравнению с колебаниями тех же пригрузов при уплотнении смеси на двухвальной виброплощадке. Удары при­ грузов различной интенсивности при т < М не вызывают какихлибо заметных изменений в осциллограммах колебаний самой виброплощадки, работающей в ударном режиме, а периоды ко­ лебаний гравитационного пригруза при этом более устойчивы.

Характер колебаний тяжелого гравитационного пригруза, когда т и М соизмеримы, резко отличается от случая т < М . В первом случае частота колебаний пригруза оказалась равной частоте колебаний виброплощадки. Пригруз колебался почти в противофазе с виброплощадкой с некоторым сдвигом фаз — <р , что объясняется влиянием вязкого сопротивления среды. По мере роста т действительно происходило некоторое увеличение амплитуды виброплощадки и уменьшение амплитуды пригруза

4(табя. 26).

103

Отсюда же вытекает рекоменда­ ция о возможности применения конструкции пригруза со следя­ щей массой.

Сравнивая (3.26) и (3.32), можем написать следующее не­ равенство:

р ю 2

(3.33)

g { M u > * — C )

исключить, если прибегнуть к известному конструктивному при­ ему [28]: разделить пригруз на две массы т\ = т0 и дополни­

ном оптимальном режиме. При этом можно считать, что сохра­ няется двумассовая система, к которой добавляется одна жест­ кость пружины Си

104

Значит, изменяя Сь можем получить систему со следящей оп­

тимальной массой пригруза т 0‘ .

Проведенные исследования показали, что условия вибра­ ционного уплотнения бетонных смесей различных жесткостей с

ществующую практику определения массы гравитационных пригрузов по равенству их статических давлений на смесь при фор­ мовании небольших бетонных образцов-кубов и при фор­ мовании изделий большого веса на одной и той же вибропло­ щадке. Для случая, когда т ^М , наилучшее уплотнение бетона может быть достигнуто при применении гравитационного под­ рессоренного пригруза, оптимальная масса которого может быть определена из уравнения (3.34). Для случая, когда т<^М, оптимальная масса пригруза не установлена.

Эффективность производства шпал в большой мере зави­ сит от продолжительности цикла твердения бетона изделий в формах. Известно много приемов ускорения твердения бетона, в основе которых лежит метод тепловой обработки. Например, эффективным методом ускорения твердения бетона является формование быстро разогреваемой бетонной смеси.

Однако форсированный разогрев смеси до высоких темпера­ тур может оказать отрицательное влияние на формирование структуры твердеющего бетона и, в частности, снизить его прочность и морозостойкость, что недопустимо при изготовле­ нии железобетонных шпал.

В связи с этим особый интерес вызывают исследования пос­ ледних лет, в которых на основе комплексного анализа явлений, сопутствующих структурным изменениям системы цемент-вода, уточнены некоторые особенности механизма твердения, проведе­ ны теоретические обоснования физико-химических процессов структурообразования бетона и намечены основные направле­ ния решения проблемы по интенсификации этих процессов.

Изучение характера явлений, сопутствующих гидратации и твердению, позволило О. П. Мчедлову-Петросяну [29] разрабо­ тать принципы направленного структурообразования при теп­ ловых, механических и других воздействиях на бетон с учетом фактора времени, реализация которых в производственных ус­ ловиях дала положительный эффект.

А. Е. Шейкин и В. Б. Ратинов [30] особое внимание прида­ ют состоянию пленок вокруг зерен цемента из новообразований гидросульфоалюмината кальция; в их разрушении или увели­ чении проницаемости эти авторы видят один из главных клю­ чей ускорения процессов твердения цемента- В частности, вы­

105

сказывается предположение, что для разрушения пленок может оказаться очень перспективным применение «теплового уда­ ра», т. е. резкого кратковременного повышения температуры, которое может сочетаться с вибрацией, пригрузом и другими механическими или физико:механическими приемами.

Повторное вибрирование, как установил С. В. Шестоперов [3], |активно воздействует ,на процессы |структурообразования в твердеющем .бетоне ,и способствует не только росту его прочнос­ ти, но и повышению /морозостойкости. 1Следовательно, , можно предположить, |что деструктивные явления, вызываемые . темпе­ ратурными перенапряжениями в быстро 'разогреваемом бетоне, поддаются залечиванию ,при механическом воздействии на него в определенные периоды, зависящие от 'сроков схватывания це­ мента.

Отсюда возникает предположение о целесообразности сов­ мещения процесса быстрого разогрева формуемой смеси с ее интенсивным вибрированием, т. е. использования динамотермической обработки бетона.

Для проверки этого предположения в ЦНИИСе под руковод­ ством автора были проведены опыты, имевшие целью получить максимальный эффект по ускорению роста прочности бетона в ранние сроки (основной и выходной параметры), используя особо жесткие смеси с низким водо-цементным отношением (порядка 0,3) и специальные интенсивные способы их уплотне­ ния [31]. В этих опытах бетонные образцы размером 10Х10Х XlO см уплотняли на виброблоке конструкции ВНИИСтройдормаша типа В-38Б, создающие вертикально направленные удар­

напряжения посредством пластинчатых электродов, встроенных в формы. В опытах применялся низкоалюминатный (СзЛ=4%) портландцемент Белгородского завода марки 400, ГОСТ 10178—62, гранитный щебень и кварцевый песок. Расход цемен­ та составлял 450 кг/м3. Последовательность операций в процес­ се проведения опыта была следующей: уплотнение бетонной смеси без пригруза с одновременным ее электроразогревом до заданной температуры; доуплотнение с пригрузом интенсив­ ностью 50 гс/см2; изотермический прогрев до повторного виб­ рирования; повторное вибрирование и дальнейший изотерми­ ческий прогрев. Общая продолжительность цикла динамотермической обработки бетона составляла 2—3 ч. После этого об­ разцы остывали в формах в течение 45 мин до температуры 35—40° С и испытывались на сжатие через 10—15 мин после извлечения из формы, а также через 28 суток.

Опыты позволили установить оптимальный диапазон значе­ ний додосодержания ,(130—146 л/м3) ,и значений коэффициента

106

О о м с м

ЪООг-------

раздвижки зерен (1,15—1,30). При этом жесткость бетонной смеси изменялась от 100 до 300 сек, а коэффициент уплотне­ ния составлял 0,97—0,98.

В процессе опыта регистрировалось удельное электросопро­ тивление бетона, которое изменяется во времени и имеет ярко

107

ности бетона. Опытами установлено, что решающее влияние на сокращение хРгп|п оказывает температура ее разогрева. В усло­ виях наших опытовх?т1п = 40-f 45 мин. получено после его разог­ рева до температуры 60—80°С (рис. 40). Изменения водосодер-

80°С.

108

жания (136—142 л/м3), начальной температуры (5—15°С) и пе­ риода предварительной выдержки смеси (30—45 мин) незна­ чительно влияли на трт1п (40—50 мин) при температуре ее ра­ зогрева 80°С. Введение добавки ССБ в количестве до 0,15% веса цемента снизило первоначальную жесткость смеси, но pmln

которых наиболее быстро твердеет бетон, оказались в интерва­

ле 80—95°С. [Таким образом, наиболее эффективен двухступен­ чатый режим разогрева: первая ступень 60—80°С (до повторно­ го вибрирования) и вторая ступень 80—95°С после него. При этом необходимо обеспечивать достаточную степень защиты бе­ тона от высушивания.

Во второй серии опытов была сделана попытка получить наилучший результат строгими математическими методами оп­ тимизации и установить оптимальные сочетания важнейших факторов. Использован комбинированный метод планирования экстремальных экспериментов [31], сочетающий достоинства ортогонального рототабельного факторного эксперимента [32]

исимплекс восхождения.

Врезультате использования этого приема при применении белгородского цемента марки 500 были получены наивысшие прочности 346 и 420 кгс/см2 соответственно через 3 и 4 ч (включая остывание). Это имело место при жесткости смеси

ратуре прогрева до повторного вибрирования 75°С, повторном вибрировании продолжительностью 4,5 мин сразу же после на­ ступления минимума удельного электросопротивления смеси и температуре последующего изотермического прогрева 94°С-

Физико-механические свойства бетонов из смесей, подвер­ гнутых динамометрической обработке при оптимальном сочета­ нии значений параметров, характеризовались высокими абсо­ лютными показателями прочности (/?28=509—650 кгс/см2) и морозостойкости (Мр = 300400).

Таким образом, установлено, что динамотермический метод в границах его оптимальных параметров является чрезвычайно эффективным для ускорения твердения бетона и направлен­ ного структурообразования в нем, приводящих к повыше­ нию плотности, прочности и улучшению других физико-механи­ ческих свойств бетона.

В целом проведенный в данном разделе анализ основных вопросов совершенствования технологии изготовления железо­ бетонных шпал показал, что имеются реальные возможности при определенных условиях предупредить обрывы арматуры при ее натяжении, значительно улучшить конструкции силовых форм, уменьшить отклонения арматуры от проектного положе­ ния, обеспечить высококачественное уплотнение бетонной сме­

109

си при формовании изделий и значительно сократить продол­ жительность тепловой обработки бетона, не снижая его ка­ чества.

Для этого необходимо осуществить целый комплекс инже­ нерных мероприятий, который должен позволить улучшить ка­ чество шпал и одновременно повысить эффективность произ­ водственного процесса при их изготовлении на заводах. В пер­ вую очередь должны быть решены задачи по совершенствова­ нию ведущих операций технологического процесса, связанных с армированием и формованием изделий, в процессе выполнения которых при принятой на заводах технологии возникает наи­ большее число дефектов, снижающих долговечность шпал.

2. Совершенствование процессов армирования шпал

Итак, анализ появления дефектов в шпалах позволил уста­ новить, что значительная часть пороков вызвана несовершенст­ вом применяемой технологии арматурных работ. В то же вре­ мя доля обнаруженных конструктивных недостатков в таких шпалах чрезвычайно мала, что с положительной стороны ха­ рактеризует принятую конструкцию шпалы типа С-56, а также различных модификаций по ГОСТ 10629—71, которые прошли всестороннюю проверку и признаны рациональными.

Рассмотрим на конкретных примерах из отечественной и зарубежной практики особенности приемов армирования шпал.

Комплект оборудования ЦНИИС — Гипростройматериалы

создан в 1955 г. и применен при строительстве первых стендо­ вых линий по производству железобетонных шпал. Созданию этого оборудования предшествовала разработка новой конст­ рукции стержневого захвата для арматуры, который позволил по сравнению с ранее известными конструкциями челюстных захватов типа Гонскампф (рис. 41, а) значительно механизиро­ вать и упростить процесс заготовки проволочных пакетов. Про­ волока удерживается в захвате за счет поочередного сгибания стержней (рис. 41, б).

Перед закладкой в захват на концах проволоки высажива­ ют волны при помощи специального высадочно-отрубного прес­ са. Трудоемкость производства арматурных работ при исполь­ зовании этого комплекта оборудования на стендах в Дмитро­ ве составила около 12% общей трудоемкости изготовления шпал. Основным недостатком рассматриваемого оборудования является отсутствие комплексной механизации работ. Попытки дальнейшего совершенствования технологии на базе этого ком­ плекта успеха не имели.

Комплект оборудования типа СМ-535 конструкции Гипро-

стройиндустрии широко известен как протяжной конвейер и

110