9.2. Основні параметри вібраційного ущільнення бетонної суміші

Ущільнення суміші як пружньов’язкопластичного тіла може відбутися, якщо енергетичні параметри зовнішніх впливів достатні для подолання граничного опору зсуву бетонної суміші. При відповідності параметрів вібрації, а саме – амплітудно-частотної характеристики реологічним властивостям бетонної суміші досягається особливий ефект вібраційного впливу як фактора легкоукладальності. У віброваній бетонній суміші, на відміну від недеформованого твердого тіла, коливання часток відбуваються несинхронно і несинфазно, виникають різні амплітуди. Ці особливості коливального руху пов'язані з розходженнями в крупності і масі частинок і зумовлюють виникнення градієнта швидкості зсувних деформацій частинок у дисперсійному середовищі, що і спричинює тиксотропне розрідження суміші в цілому. Необхідною умовою безладного руху зерен заповнювачів є наявність у бетонній суміші порожнеч, зокрема заповнених водою пор. Об'єм цих пор і пустот може збільшуватися у результаті активного тиску, що виникає у середовищі.

Вібрування тим більше впливає на рухливість бетонної суміші, чим ширше діапазон розмірів зерен заповнювача, залучених у коливальний рух, тому що зерна різних розмірів мають неоднакову частоту коливань. Основні параметри вібраційного впливу на бетонну суміш при періодичних синусоїдальних коливаннях - амплітуда (половина розмаху коливань R) і частота коливань f. Для кругових коливань характеристикою частоти є кутова швидкість W. Частотні характеристики вібраційного впливу зв'язані між собою:

W = 2 π f (9.2)

Похідними параметрами, що відбивають інтенсивність коливального руху часток, є:

амплітудна швидкість коливань

V =A· W = 2A π f (9.3)

амплітудне прискорення коливань

а = А W ²=4А π² f² (9.4)

інтенсивність несинусоїдальних коливань

(9.5)

інтенсивність синусоїдальних коливань

І = А² f ³ (9.6)

Слід зазначити, що найбільш повно ефект вібрації характеризується інтенсивністю синусоїдальних коливань, що представляє собою функцію швидкості й прискорення.

Доведено, що однакового ступеня ущільнення бетонної суміші одного і того самого складу можна досягти за однакові проміжки часу при різних сполученнях амплітуд і частот вібрування, якщо між цими параметрами дотримується залежність (9.7). В цьому випадку потужність вібраційних імпульсів, що впливають на бетонну суміш, залишається незмінною:

(9.7)

Інтенсивність вібрування І для більшості бетонних сумішей, що використовуються у будівництві, змінюється від 80 до 300см²·с^–3. Частота й амплітуда коливань повинні бути погоджені одна з одною так, щоб забезпечити при вібруванні незатухаючі коливання часток. Знаючи оптимальну інтенсивність коливань суміші по номограмах, можна визначити граничну амплітуду, за якої досягається найкраще ущільнення бетонної суміші.

Амплітуда коливань залежить від розмірів крупного заповнювача бетонної суміші. Із зменшенням крупності заповнювача амплітуда повинна зменшуватися при відповідному збільшенні частоти коливань. При крупності заповнювача 40; 30 і 10мм оптимальна частота коливань відповідно дорівнює 33; 50 і 100Гц. Для дрібнозернистих бетонних сумішей оптимальна частота коливань-133Гц.

Вібрування з високою частотою (більше 100Гц) і малою амплітудою коливань дає високий ефект тиксотропного розрідження цементного тісту й розчину в бетонній суміші. Однак при цьому частки великого заповнювача слабко утягуються в коливальний рух. У результаті розріджене цементне тісто й розчин швидко стікають донизу, а крупні заповнювачі занадто повільно поринають у нього, і рухливість суміші в цілому збільшується незначно (суміш стає неоднорідною). Тому для підвищення ефективності вібраційного впливу доцільно викликати в бетонній суміші різночастотне вібрування. Накладені одна на одну частоти змушених коливань значно підвищують градієнти швидкостей зсувових деформацій. Зміна результуючої амплітуди, а отже й швидкості коливань при накладенні коливань із різними амплітудно-частотними характеристиками, забезпечує несинусоїдальний характер коливального руху часток бетонної суміші. Вплив цього складного коливання відрізняється від впливу кожного з коливань і не може розглядатися як проста сума складових його.

Якщо бетонна суміш, що складається з розчину й великих заповнювачів, буде піддана вібруванню при низьких частотах (порядку 500хв^-1), то розчин і заповнювачі набувають практично однакової амплітуди (можливо, заповнювач навіть більшої, у силу резонансу). У результаті заповнювачі будуть коливатися, не викликаючи розрідження розчину.

При збільшенні частоти амплітуда коливань заповнювачів значно зменшиться. Майже вся кінетична енергія коливань акумулюється в такому випадку в розчині, ефект вібрування значно зростає й розрідження розчину приводить до розрідження бетонної суміші в цілому (виникає змащення між зернами великого заповнювача).

Тривалість вібрування залежить від інтенсивності коливань і жорсткості бетонної суміші. Зі збільшенням інтенсивності тривалість ущільнення зменшується й, навпаки, при зменшенні збільшується. Співвідношення між інтенсивністю І₁ й тривалістю вібрування t рухливих і малорухомих сумішей може бути виражено емпіричною залежністю (9.8):

(9.8)

де: «к» – показник, що залежить від консистенції суміші, при жорсткості Ж = 5 - 50с «к», = 2.

Оптимальна тривалість вібрування дорівнює показнику жорсткості суміші, помноженому на 4 і збільшеному на 30 с.

Поширення енергії коливань у бетонній суміші - хвильовий процес, що є результатом пружної деформації, що супроводжується зростанням потенційної енергії, яка трансформується потім у кінетичну енергію змушених коливань часток суміші. Залежно від способу передачі коливань хвилі можуть бути плоскими, якщо вібрування здійснюється на вібромайданчику або поверхневим вібратором (знизу нагору або навпаки) і кільцевими, якщо віброзбуджувач розташований усередині бетонної суміші. Поширення хвиль і їхнє згасання в міру віддалення від збудника коливань пов'язане з акустичними параметрами середовища, коефіцієнтом відбиття й заломлення хвиль на границях розподілу середовищ.

Процес поширення коливань у бетонній суміші можна поділити на два етапи. На першому етапі коливання передаються від вібрувального органа до середовища, при цьому ефективність ущільнення можна оцінити коефіцієнтом передачі коливань у суміші (К_с):

К_с = І_с / І_в (9.9)

де: І_с, І_в – інтенсивність коливань суміші і вібрувального органа, см²·с^–3, відповідно.

На другому етапі коливання поширюються в бетонній суміші. Внаслідок того, що – бетонна суміш є пружнов’язкопластичним тілом, енергія коливань у суміші в міру віддалення від джерела коливань поглинається, амплітуда вібрації затухає. У процесі вібрування змінюються реологічні характеристики бетонної суміші, тому характер поширення коливань також змінюється в процесі ущільнення. При розміщенні збудника коливань усередині бетонної суміші амплітуда частинок затухає за експоненційним законом (9.10):

(9.10)

для плоских хвиль:

(9.11)

де: А₁, А₂ – амплітуда коливань на відстані r₁ і r₂ від вібратора; h – товщина шару бетонної суміші, що ущільнюється, β – коефіцієнт затухання коливань у бетонній суміші.

За експериментальними даними коефіцієнт β залежить від консистенції бетонної суміші, частоти коливань, форми й розмірів зерен заповнювачів і виду хвиль. Для кільцевих хвиль β = 0,02-0,08 см^-1 при f = 150–200Гц, для плоских хвиль β = 0,07-0,1см^-1 при f = 50-100 Гц.

Амплітуда коливань згасає за експоненційним законом тільки в межах товщини вібрувального шару. Якщо ця умова не виконується, необхідно враховувати вплив відбитих від границь виробу хвиль і можливість власних коливань усього ущільненого шару.

Зі збільшенням рухливості та ступеня ущільнення суміші затухання коливань зменшується, а швидкість їхнього поширення зростає до граничного, відповідно до даних умов коливань. В одній і тій же бетонній суміші коливання високих частот затухають більш інтенсивно, ніж низьких.