книги из ГПНТБ / Попов А.Н. Бетонные и железобетонные трубы

ния числа оборотов формы часть воды затворения отжи­ мается и удаляется на периферию через отверстия, имеющиеся в стенке формы. В связи с уплотнением сме­ си движение воды по поровым каналам затрудняется, чему не в малой степени способствует уменьшение про­ пускной способности фильтров, проявляющееся со време­ нем. При этом способе центрифугирования бетонная

а действующие силы стремятся расположить частицы по окружности большего радиуса, что приводит к наруше­ нию структуры бетона, выражающемуся в образовании в стенках труб продольных трещин, причем трещины мо­ гут распространяться на глубину до 0,25—0,3 толщины стенки трубы. В целях предотвращения появления таких трещин в процессе изготовления трубы наблюдают за ее внутренней поверхностью. Вращение формы со смесью прекращают, как только блестящая, глянцевитая внут­ ренняя поверхность бетонируемой трубы становится ма­ товой. Лишние 1,5—2 мин центрифугирования могут явиться причиной образования трещин. Чтобы скорость выхода воды не была слишком большой, площадь отвер­ стий в форме не должна превышать 0,3% площади ее внутренней поверхности.

Изучение структуры бетона труб, изготовленных спо­ собом центробежной фильтрации, показывает, что факти­ чески здесь происходит также и осадительное центрифу­ гирование. В начале процесса в близлежащих к внутрен­ ней поверхности слоях имеются признаки осадительного центрифугирования. Из этих зон отжимаемая вода на­ правляется к внутренней поверхности бетонируемой тру­ бы и образует здесь тот блестящий слой, о котором гово­ рилось выше. В дальнейшем, по мере обезвоживания наиболее удаленных от центра зон вращаемой трубы жидкая фаза под влиянием центробежных сил начинает перемещаться на периферию. Этот момент свидетельст­ вует о необходимости окончания процесса центрифугиро­ вания. Распределение вяжущего по толще бетона трубы, изготовленной центробежной фильтрацией, происходит более равномерно, но внутренний тонкий слой на трубе, однако, имеется.

90

При производстве конструкций центрифугированием процесс разделяется на несколько периодов. В первый период машину пускают в работу с тем, чтобы привести форму-ротор во вращательное движение и довести число ее оборотов до так называемой загрузочной скорости. После этого наступает второй период, характер­ ный вращением ротора с загрузочной скоростью и подачей тем или иным пу­ тем смеси в форму. Смесь попадает в лоток формы.

Вначале вовлекается во вращение пограничный слой, который в силу межмолекулярного взаи­ модействия прилипает к внутренней поверхности формы и получает одина­ ковую с ней скорость дви­ жения. Затем по мере преодоления предельного напряжения сдвига по­ слойно вовлекается во вращение и вся порция загруженной смеси.

согласно закону Ньютона, сила трения в смеси по грани

Величина центробежных сил в этом периоде недоста­ точна для удержания всей загруженной порции смеси в верхней зоне формы, поэтому происходит отрывное движение, т. е. падение смеси из верхней зоны формы

91

в нижнюю, что ведет к дополнительному перемешиванию

ми динамики тел с полостями, содержащими жидкость. Это обусловливается тем, что особенно в начале рассмат­ риваемого периода нет четкости распределения вращаю­ щихся масс и строгой закономерности вовлечения их в движение.

После загрузки полного количества смеси в форму на­ ступает третий период процесса, во время которого ско­ рость вращения формы повышается до максимального значения, задаваемого из условия достижения требующе­ гося центробежного давления. На этом этапе процесса происходит вовлечение всей смеси во вращение и форми­ рование структуры бетона. Крупный заполнитель, как об­ ладающий большей массой, стремясь расположиться ближе к внутренней поверхности формы, уплотняет це­ ментное тесто и частично его отжимает с частью воды затворения по направлению к центру вращения, что внешне выражается в ее выделении с дисперсными фрак­ циями на внутреннюю поверхность изделия. Перемеще­ ние заполнителей в цементном тесте можно характеризо­ вать как движение твердых тел в вязкой жидкости. Этот период процесса весьма важен для формирования струк­ туры бетона, так как в это время фиксируется простран­ ственное расположение отдельных составляющих бетона. Он является примером неустановившегося вращения, по­ скольку число оборотов формы последовательно воз­ растает и скорость движения является функцией време­ ни. Вращение смеси имеет динамический характер, при котором скорость отдельных ее частиц — величина пере­ менная.

Далее наступает четвертый период, когда форма вра-

. щается с максимальной скоростью, при этом происходит дальнейшее уплотнение смеси и отжатие воды затворе­ ния на внутреннюю поверхность изделия. По своему ха­ рактеру этот период — пример установившегося враще­ ния, поскольку его скорость постоянна и не зависит от времени. В пятый период работы происходит плавное за­ медление скорости вращения формы до полной ее оста­ новки.

В зависимости от конструкции оборудования и при-

92

нятой технологии труб на отдельных предприятиях име­ ются отступления от изложенного порядка выполнения процесса. Так, например, когда всю бетонную смесь, не­ обходимую для изготовления элемента, загружают в фор­ му до начала вращения, второй период процесса как са­ мостоятельный выпадает.

При рассмотрении процесса центрифугирования бе­ тонной смеси приняты следующие положения:

смесь в первоначальный период вращения представ­ ляет собой вязкую жидкость постоянной плотности; не принято во внимание некоторое расслоение смеси и сопротивление, оказываемое перемещению фракций за­

полнителя жидкой фазой, которая движется по направле­ нию к оси вращения;

скорость вращения пограничного слоя, непосредствен­ но соприкасающегося с внутренней поверхностью формы, мгновенно приобретает значение скорости вращения формы;

трение смеси о торцевые шайбы форм и трение сво­ бодной поверхности бетонируемого изделия о воздух не принимается во внимание;

движение смеси относительно продольной оси формы является симметричным; это равносильно предположе­ нию, что поток имеет плоскую форму и круговую сим­ метрию;

наличие арматурных каркасов в стенке бетонируемой конструкции не учитывается.

Третий период процесса центрифугирования является неустановившимся вращательным движением бетонной смеси, которую условно можно принимать за вязкопластичную несжимаемую жидкость. Это движение является осесимметричным с плоской формой потока. Рассматри­ вая элемент объема вращающейся жидкости, проецируем действующие на него силы на направление радиуса, при этом находим,что

93

откуда видно, что (vr, г) постоянно и, следовательно, ско­ рость в направлении радиуса равна нулю.

Фактически бетонная смесь в процессе центрифугиро­ вания несколько уплотняется и поэтому до достижения какого-то предела скорости смесь будет двигаться вдоль радиуса.

При выводе основного уравнения вращения применя­

ем известное положение, что угловое ускорение тела — ,

dt

вращающегося вокруг неподвижной оси с угловой скоро­ стью ю, равно сумме моментов всех приложенных к нему сил относительно оси вращения, разделенной на момент инерции тела относительно этой же оси.

Величина сил /і и f2, действующих на элемент объема, пропорциональна площади сторон а\Ь\ и а2Ь2 и величине касательных напряжений т, возникающих на соприка­ сающихся поверхностях. Эти напряжения в свою оче­ редь пропорциональны относительной скорости переме­

Высказанное положение применяем к части объема жидкости, выделенной в форме кольца радиусом г, шири­ ной dr и длиной, равной единице. Тогда силы трения по внутренней и наружной поверхностям кольца будут Fi = = F2 = 2nf2. Момент инерции вращающейся массы

94

или

Но поскольку для вязкопластичной жидкости дейст­ вительно, чтобы

Для решения уравнений (5) и (6) необходимы на­ чальные и граничные условия. Не останавливаясь на пре­ дыстории вращения смеси в течение первого и второго периодов, рассмотрим третий период как начальный, предполагая, что ко времени его наступления смесь рас­ пределилась по внутренней поверхности формы и прак­ тически находится в жидком состоянии. Не учитывая пластическую постоянную, ограничимся рассмотрением уравнения

95

•Gl/T)

5/ •(«vTV

где /і — модифицированные функции Бесселя первого рода.

Используя обращение преобразования Лапласа, име­

Уравнение (11) можно записать в виде

л = 1

96

где v0 — начально заданная скорость в точках с радиусом г, V — изменяющаяся часть скорости.

Из формул видно, что устойчивое движение наступает при t-> со, когда ѵ-хлг, т. е. когда смесь вращается как твердое тело. Исследования показывают, что в случае вращения бетонной смеси это наступает через 50—80 ces после достижения скорости, обеспечивающей уплотняю­ щее давление 0,3—0,7 кгс/см2.

Выше бетонная смесь отождествлялась с вязкой жид­ костью. Но смесь представляет собой неоднородную си­ стему, состоящую из жид­ кой и твердой фаз. Поэтому при вращении смеси имеет­ ся ряд закономерностей, вы­ ражающихся в разделении фаз, образовании структуры бетона, выходе части воды затворения и др. При изуче­ нии процесса центрифугиро­ вания представляют практи­ ческий интерес условия во­ влечения жидкости во вра­ щение, определение вида

давления по поверхности формы и оптимальных скоро­ стей вращения формы в различные периоды процесса. Для рассмотрения перечисленных зависимостей восполь­ зуемся представлениями элементарной теории центри­ фугирования.

Условия приведения смеси во вращение. При загрузке во вращающуюся форму смесь попадает в лоток и после­ довательно вовлекается в движение. Благодаря прилипа­ нию цементного теста к внутренней поверхности формы образуется тонкий пристенный слой, который начинает вращаться вместе с формой. Для приведения во враще­ ние всего объема необходима определенная скорость вра­ щения формы.

Вначале элементарный объем смеси из положения 0 перемещается в положение /, характеризуемое углом а (рис. 37). В этой фазе процесса Т\ (Г у — сила, удер­ живающая объем смеси на поверхности формы; Т\ — си­ ла, сопротивляющаяся удерживанию смеси на поверхно-

сти формы), и условие равновесия элементарного объе­ ма смеси, находящегося в соприкосновении с формой, за­ писывается так:

Практически число оборотов формы исходя из усло­ вия вовлечения смеси в движение назначают по формуле

приняв К= 1,3 н-1,4.

Вид свободной поверхности центрифугируемой жидко­ сти. Возьмем элементарную частицу массы, принадлежа­ щей центрифугируемому телу. Эта частица определяется

98

координатами х, у и z. Считаем, что на нее действует си­ ла собственного веса и центробежная сила.

Силы тяжести, действующие на бетонную смесь вследст­

рования силы тяжести стремятся к наименьшему значе­ нию потенциала, или, ины­

местном действии центробежных сил и сил тяжести для определения поверхности уровня, а значит и вида сво­ бодной поверхности можно воспользоваться основным уравнением равновесия гидростатики:

dp = р(Х dx + Y dy - f Z dz)

стоянии покоя по отношению к форме, получаем, что на каждую частицу вращаемой массы действует сила тяже­