Формование изделий. Особенности уплотнения бетонных смесей


Прежде чем приступить к рассмотрению методических основ способов формования бетонных и железобетонных изделий, необходимо определиться с применяемой в пособии П2-01 к СНиП 3.09.01-85 терминологией. Так, например, в пособии встречаются выражения: "Производственный процесс", "Технологический процесс", "Технологическая операция".

Этими понятиями мы должны четко и однозначно оперировать при разработке технологической документации и при изготовлении изделий.
Согласно ГОСТ 3.1109-82 "Единая система технологической документации. Термины и определения. Основные понятия", технологический процесс — это часть производственного процесса, содержащая целенаправленное действие по изменению состояния предмета труда.
Как видим, формулировка, что такое технологический процесс, изложена архисложно. Поэтому в пособии приведены в общем виде все основные технологические процессы, связанные с производством бетонных и железобетонных изделий.
Наличие тех или иных технологических процессов зависит от конструктивных особенностей изготавливаемых изделий и принятой технологии их изготовления.

Производственный процесс — это совокупность всех технологических процессов, необходимых для изготовления изделий, начиная от складирования и хранения исходных материалов до складирования и хранения готовых изделий.
Производственный процесс в общем виде состоит из следующих технологических процессов:
— складирование и хранение исходных материалов;
— изготовление арматурных изделий, т.е. технологический процесс изготовления арматурных сеток, технологический процесс изготовления арматурных каркасов, технологический процесс изготовления закладных изделий, технологический процесс изготовления монтажных петель и т.п.;
— приготовление бетонной смеси;
— подготовка форм к формованию;
— формование изделий;
— тепловая обработка изделий;
— складирование и хранение изделий.
Учитывая особенности изготавливаемых изделий и принятой технологии, могут быть и другие технологические процессы, например, отделка поверхностей путем шлифования поверхности, отделка полимерными составами, глазурование, окраска и т.д.
Технологическая операция — это часть технологического процесса (если быть точным — законченная часть технологического процесса, выполненная на одном рабочем месте).
Для примера рассмотрим, из каких технологических операций состоит технологический процесс формования при агрегатно-поточной технологии изготовления изделий:
— строповка формы и подача сигналов крановщику на подъем формы и перемещение ее к виброплощадке;
— установка формы на виброплощадку и растроповка;
— подача бетоноукладчика к раздаточному бункеру и установка его под раздаточный бункер;
— заполнение бункера бетоноукладчика бетонной смесью;
— перемещение бетоноукладчика от раздаточного бункера к виброплощадке;
— укладка бетонной смеси в форму;
— отделка при необходимости лицевой поверхности, очистка закладных изделий, монтажных петель и бортов формы;
— строповка и съем формы с отформованным изделием с виброплощадки;
— перемещение, установка на пост предварительного выдерживания, расстроповка.

Последовательность и детальное описание (регламентирование) технологических процессов и операций должно быть изложено в технологической документации на изготовление конкретных изделий.
Выбор метода формования и способа уплотнения бетонной смеси зависит от принятой технологии производства и конструктивных особенностей изделий.
Технология производства изделий подразделяется на стендовую, поточно-агрегатную и конвейерную.
При стендовой технологии производства все операции по подготовке форм к формованию и формование изделий выполняются на одном рабочем месте.
При поточно-агрегатной технологии формы (поддоны) с помощью специальных или обычных подъемно-транспортных средств (кранами) перемещаются от одного рабочего места к другому. На одном рабочем месте выполняется последовательно или одновременно несколько операций, после завершения которых изделие передается на очередное рабочее место без соблюдения принудительного ритма.
При конвейерной технологии производства технологические операции выполняются на нескольких рабочих местах, на которые формы-вагонетки перемещаются с принудительным ритмом.

При изготовлении бетонных и железобетонных изделий уплотнение бетонных смесей является одной из наиболее ответственных операций.
Уплотнение бетонной смеси может осуществляться вибрационным методом, безвибрационным методом и комбинированным.
К способам безвибрационного метода уплотнения бетонной смеси относятся: прессование, вакуумирование, роликовое формование, центрифугирование, центробежный прокат, литьевое формование и т.д.
К способам комбинированного уплотнения бетонной смеси относятся способы, в которых вибрование бетонной смеси сочетается с другими способами безвибрационного уплотнения бетонной смеси, т.е. прессованием, вакуумированием, центрифугированием, прокатом и т.д.
По характеру передачи колебаний на бетонную смесь вибрационный метод подразделяется на следующие способы: объемный, поверхностный, глубинный, контактный.
В пособии изложены режимы уплотнения бетонных смесей с учетом особенностей всех вышеперечисленных способов, но учитывая, что вибрационный метод уплотнения является основным при производстве бетонных и железобетонных изделий, хотелось бы остановиться на этом методе более подробно.
Идея вибрирования бетонной смеси впервые была выдвинута французским инженером Э.Фрейсине в 1951 году и начала быстро внедряться в практику.
Как видим, виброуплотнение бетонной смеси стало применяться не так уже и давно. Опыт применения вибрационного воздействия на бетонную смесь составляет всего 52 года. Это даже в сравнении с продолжительностью человеческой жизни не так уже и много. Разве можем мы назвать человека в 52 года стариком (старухой)? Мне кажется, нет.
Прежде чем приступить к рассмотрению методов выбрационного воздействия на бетонную смесь, хотелось бы сделать краткий исторический обзор развития производства бетонных и железобетонных изделий.
После того, как в 1824 г. в Англии было изобретено вяжущее вещество — портландцемент, твердеющее на воздухе и в воде, стало возможным развитие строительства с использованием бетона.

Ради исторической справедливости необходимо отметить, что портландцемент был одновременно изобретен Е.Челиевым в России.
Изобретение в 1824 году портландцемента привело к быстрому развитию промышленности бетонных изделий. Однако очень скоро грубые формы бетонных конструкций перестали удовлетворять потребителей, и поэтому возникла необходимость изготавливать из бетона более тонкие изделия. Начались поиски. Впервые это удалось французу Ламбо, который в 1854 г. изготовил из железобетона гребную лодку, т.е. через 30 лет после начала изготовления бетонных изделий. В 1855 году ему был выдан первый патент на новый строительный материал — железобетон. Патент, выданный на изобретение, предусматривал замену дерева в кораблестроении и в различных конструкциях, подверженных действию влаги и находящихся в условиях переменной влажности (например, емкости для воды, доски, столбы и т.п.). Этот патент можно считать началом создания железобетона.
Идея предварительного напряжения при изготовлении железобетонных изделий впервые была предложена русским инженером Гадолиным А.В. в 1861 применительно к изготовлению стволов артиллерийских орудий.
В дальнейшем учеными ряда стран делались попытки найти более широкое применение преднапряженному железобетону. Так, например, в 1910 году немецким профессором Бахом проводились опыты с балками, имеющими предварительно напряженную арматуру. Эти первые опыты с предварительным напряжением не были внесены в практику строительства, так как в то время еще не были достаточно изучены физические свойства бетона, в особенности его способность с течением времени давать усадочные и пластические деформации, снижающие предварительные напряжения арматуры.

Вопрос о применении предварительно напряженной арматуры в железобетонных конструкциях был поднят вновь лишь в 1928 году в работах известного французского инженера Фрейсине.
В числе первых в области предварительно напряженных изделий в СССР необходимо особо отметить работы профессора Михайлова В.В., начатые им в 1930 году, Гвоздева А.А. и др.
Как видим, преднапряженные изделия у нас стали изготавливаться только после 1930 года.
На этом я заканчиваю краткий исторический обзор развития производства бетонных и железобетонных изделий.
Перейдем к рассмотрению вибрационных способов вибрационного воздействия на бетонные смеси.
Как говорилось ранее, вибрационный метод подразделяется на объемный, поверхностный, глубинный и контактный способы передачи вибрационного воздействия на бетонную смесь.
Рассмотрим, чем характеризуется каждый способ вибрационного воздействия на бетонную смесь.
Объемное виброуплотнение характеризуется тем, что бетонная смесь во всем объеме изделия вибрируется совместно с формой. Основное достоинство способа — универсальность и конструктивная простота формовочного оборудования. Объемное виброуплотнение осуществляется главным образом на виброплощадках. По конструктивным особенностям виброплощадки, применяемые на наших предприятиях, подразделяются на 4 вида. Более подробно конструктивные особенности виброплощадок мы рассмотрим ниже.
Поверхностное виброуплотнение характеризуется передачей колебаний на бетонную смесь со стороны открытой поверхности изделия. Вибрация на форму передается через бетонную смесь.
Поверхностное виброуплотнение осуществляется с помощью виброштампов, вибропригрузов, виброреек, поверхностных вибраторов, вибропротяжных установок и т.п.

Поверхностное уплотнение может применяться при толщине изготавливаемых изделий до 25 см.
Для улучшения качества и создания условий для получения равномерной плотности бетона по высоте изделия рекомендуется применять вибраторы с частотой колебаний не менее 4500 об/мин. При этом амплитуда колебаний должна быть 0,15-0,2 мм.
В случае применения вибраторов с частотой колебаний 3000 об/мин амплитуда колебаний должна составлять 0,3-0,35 мм.
Глубинное уплотнение бетонной смеси характеризуется тем, что вибровозбудитель размещается внутри бетонной смеси. Глубинное виброуплотнение бетонной смеси осуществляется с помощью глубинных вибраторов или вибровкладышей при формовании многопустотных плит.
Уплотнение глубинными вибраторами осуществляется при подвижности бетонной смеси не менее 1 см.
Необходимо отметить, что уплотнение бетонной смеси вибропустотообразователями при производстве многопустотных плит является наиболее эффективным и экономичным, так как колебания вибропустотообразователей передаются непосредственно частицам бетонной смеси и устраняют бесполезные затраты энергии на вибрирование тяжелой формы и рамы виброплощадки. Для работы вибропустотообразователей требуется мощность примерно в два раза меньше, чем для работы виброплощадки. Кроме того, вибрация вибропустотообразователей не передается на фундаменты, что улучшает условия труда.
Необходимо отметить, что, согласно "Руководству по технологии формования железобетонных изделий" НИИЖБ, Госстроя СССР, 1977 г., формование многопустотных плит на виброплощадках рекомендовалось только при их мелкосерийном производстве. Серийное производство рекомендовалось осуществлять только с применением вибропустотообразователей.
Специально проведенными советским учетным Шмигальским В.Н. опытами, которые опубликованы им в книге "Формование изделий на виброплощадках" (Стройиздат, Москва, 1968 г.), установлено, что наличие пустотообразователей изменяет характер и степень уплотнения бетонных смесей по сравнению с формованием без них.

В результате проведения исследований им было установлено, что под пустотообразованиями образуются зоны менее уплотненной бетонной смеси (он применил выражение "плохо уплотненной смеси"), и все изделие уплотняется неравномерно. Теоретического обоснования установленным явлениям он не сделал, но высказал предположение, что, очевидно, пустотообразователи создают дополнительные препятствия распространению колебаний от дна формы. Для устранения вышеприведенного явления Шмигальский В.Н. рекомендовал в случае уплотнения бетонной смеси на виброплощадке при отсутствии вибропустотообразователей пустотообразователи крепить к виброплощадкам.
При глубинном вибрировании наибольшее воздухововлечение наблюдается в глубине бетона, а поверхности получаются с минимальным количеством пор.
При объемном или поверхностном вибрировании наибольшее количество воздушных пор образуется у поверхности изделия, т.е. воздух, находящийся в бетонной смеси, в процессе виброуплотнения стремится переместиться к источнику вибрации.
Использование глубинных вибраторов может быть рекомендовано к уплотнению бетонных смесей в кассетных формах, что позволит повысить качество наружных поверхностей изделий. Предпочтительно использование глубинных вибраторов с частотой колебаний от 130 до 200 Гц.
Наружное (контактное) виброуплотнение бетонной смеси осуществляется за счет изгибаемых колебаний формы, главным образом за счет применения прикрепленных (навесных) вибраторов.
Способ наружного виброуплотнения используется только как вынужденная мера в тех случаях, когда технологически невозможно использовать другой способ передачи вибрации на бетонную смесь.
При использовании наружных вибраторов, прикрепленных к торцам разделительных листов, рекомендуются вибраторы с частотой колебаний 25 и 50 Гц.

Наиболее целесообразно на каждом из разделительных листов устанавливать два вибратора, по одному с каждой стороны. При этом вибраторы следует устанавливать в верхней трети листа на расстоянии не менее 500 мм от верхней кромки и роторы вибраторов располагать вертикально.
Для усиления вибрационного воздействия на бетонную смесь может быть рекомендована установка на каждом разделительном листе четырех вибраторов, по два на противоположных торцах. При этом один вибратор устанавливается в нижней части листа, а другой — в верхней. В процессе укладки и уплотнения бетонной смеси не рекомендуется одновременное включение вибраторов, установленных в верхнем и нижнем уровнях. С целью повышения интенсивности виброуплотнения и возможности использования более жестких бетонных смесей рекомендуется установка дополнительного вибратора на верхней кромке каждого из разделительных листов.
Для повышения эффективности виброуплотнения и надежности работы вибраторов непрерывное время работы прикрепляемых вибраторов не должно превышать 3 минут с последующими перерывами в течение от 6 до 8 мин. В соответствии со сказанным подачу бетонной смеси следует планировать таким образом, чтобы в течение не более 3 минут бетонная смесь подавалась в первые два отсека, затем в последующие с возвращением к первым отсекам до тех пор, пока форма не будет заполнена полностью.
При использовании дополнительных вибраторов, установленных на верхней кромке разделительных листов, включение их должно осуществляться поочередно с боковыми, установленными по торцам.

Роторы вибраторов должны вращаться во встречном направлении.
Из всех рассмотренных способов виброуплотнения бетонной смеси наиболее широко распространено уплотнение объемным способом. Объемный способ уплотнения осуществляется на виброплощадках.
Виброплощадками называют стационарные вибрационные машины для уплотнения бетонной смеси в формах. Виброплощадка представляет собой виброраму, опирающуюся на пружинные, резиновые или пневматические амортизаторы, укрепляемые на фундаментной раме. Снизу виброрама имеет вибровозбудитель, приводимый в действие вынесенным в сторону электродвигателем.
По конструкции виброрамы виброплощадки подразделяются на виброплощадки рамной и блочной конструкции.
По грузоподъемности виброплощадки бывают малой грузоподъемности — до 2 тонн, средней — 2-50 тонн и большой — свыше 50 тонн.
Различаются виброплощадки также амплитудой и частотой колебаний.
Грузоподъемность виброплощадки определяется конструктивными данными (жесткостью пружинных опор, прочностью рамы), а также динамическими возможностями вибровозбудителя, мощностью его привода и технологическими требованиями к амплитуде колебаний.
Амплитуда колебаний, сообщаемая форме и находящейся в ней бетонной смеси, равна суммарному статическому моменту массы дебалансов виброплощадки, деленному на общую массу вибрирующих сборочных единиц и деталей виброплощадки, массы формы и присоединенной массы бетонной смеси.
Статический момент массы дебаланса равен произведению массы дебаланса на расстояние от центра тяжести дебаланса до оси вала, на котором он закреплен.

М = mR (кг·см)
Присоединенной массой бетонной смеси считают 25-40% ее общей массы, так как при вибрировании большее количество частиц смеси находится как бы во взвешенном состоянии (тем большая ее часть, чем пластичнее смесь) и своей силой тяжести не оказывает воздействия на форму.
Таким образом, если для уплотнения конкретной бетонной смеси требуется определенная амплитуда колебаний, то для ее получения при данном статическом моменте массы дебалансов будет выполнена определенная грузоподъемность. Увеличить грузоподъемность виброплощадки можно лишь увеличив статический момент массы дебалансов или уменьшив амплитуду колебаний.
Как было сказано ранее, по конструкции виброрамы виброплощадки подразделяют на виброплощадки рамной и блочной конструкции.
По траектории колебаний виброплощадки можно подразделить на:
— виброплощадки рамной конструкции с круговыми эллиптическими колебаниями;
— виброплощадки рамной конструкции с круговыми направленными колебаниями;
— виброплощадки рамной конструкции с многокомпонентными низкочастотными колебаниями;
— виброплощадки блочной конструкции с круговыми направленными колебаниями.
Необходимо отметить, что имеются и другие конструкции виброплощадок, например, резонансные с горизонтально направленными колебаниями, резонансные с асимметричными колебаниями и т.п., но они не находят широкого применения, т.к. создают повышенный уровень шума и требуют виброизоляции рабочих мест.
Давайте рассмотрим краткие характеристики применяемых виброплощадок и их влияние на уплотняемую бетонную смесь.
Виброплощадка рамной конструкции с круговыми эллиптическими колебаниями состоит из вибрирующей рамы с одним дебалансным валом, привода, упругих опор и фундаментной рамы.
Одним из недостатков данной виброплощадки является то, что для равномерного распределения амплитуды по всей плоскости вибрирования необходимо совпадение центра тяжести колеблющейся части площадки с осью вала вибратора, что не всегда возможно. При несоблюдении этого правила в форме возникают зоны с различной амплитудой колебаний и даже с "нулевой точкой", что отрицательно сказывается на степени уплотнения бетонной смеси.

Кроме этого, круговые эллиптические колебания вызывают также вредные явления подсоса воздуха и перемещения бетонной смеси в направлении вращения вибратора. Что касается угона бетонной смеси при круговых эллиптических колебаниях, установлено, что интенсивность угона возрастает с увеличением амплитуды колебаний, жесткости бетонной смеси и расстояния между стенками формы.
Несмотря на ряд вышеперечисленных замечаний, необходимо отметить, что они справедливы лишь при виброуплотнении бетонных смесей в относительно широких формах, т.е. при изготовлении пустотных, плоских, ребристых плит и т.п. изделий.
При виброуплотнении бетонных смесей в формах с шириной изделия до 30 см и высотой до 80 см угона бетонной смеси не наблюдается, а уплотнение осуществляется более равномерно и протекает быстрее, чем при направленном вибрационном воздействии такой же амплитуды.
Таким образом, при виброуплотнении бетонных смесей в высоких, узких и длинных формах применение круговых эллиптических колебаний дает больший эффект, чем направленные колебания таких же параметров. Это происходит потому, что при круговых эллиптических колебаниях наряду с днищем в качестве вибрирующих элементов работают и боковые стенки формы. Площадь, передающая энергию колебаний бетонной смеси, увеличивается, и общий эффект воздействия вибрации возрастает.
Из вышесказанного видно, что для каждого вида изделий существуют свои оптимальные параметры вибрационного воздействия.
Так, например, применение виброплощадок с круговыми эллиптическими колебаниями эффективно при изготовлении ригелей, балок, свай, опор линий электропередач и электроосвещения.
Рассмотрим конструктивные особенности виброплощадок рамной и блочной конструкции с направленными колебаниями. Отличительной особенностью виброплощадок с направленными колебаниями от виброплощадок с круговыми эллиптическими колебаниями является то, что колебания возникают при встречном вращении сдвоенных параллельно расположенных валов с дебалансовыми вибровозбудителями, имеющими одинаковую угловую скорость.

Виброплощадка рамной конструкции с направленными колебаниями состоит из общей неподвижной рамы, закрепленной на фундаменте, на которую опираются через пружины три параллельно расположенные рамы, средняя из которых выполнена сдвоенной. На виброплощадке установлены две группы одновальных вибраторов. Обе группы одновальных вибраторов работают синхронно от электродвигателя через синхронизатор.
Виброплощадка блочной конструкции отличается от виброплощадки рамной конструкции тем, что собирается из унифицированных виброблоков.
Каждый виброблок имеет электромагнит, двухвальный вибровозбудитель и два кронштейна, которые опираются на четыре пружинные опоры, закрепленные на опорной раме.
В зависимости от веса, длины и ширины формуемых изделий из унифицированных виброблоков грузоподъемностью 1-2 т создают одно-двух-трехрядные виброплощадки необходимой грузоподъемности.
При двух-трехрядном расположении виброблоков каждый ряд виброблоков монтируют на опорной раме так, чтобы расстояние по осям рядов составляло 1426 мм или 2006 мм, что отвечает размерам входящих в комплект виброплощадки двух синхронизирующих валов.
Достоинство блочных виброплощадок заключается в том, что, различные по грузоподъемности, по форме, они монтируются из унифицированных сборочных единиц, а это снижает номенклатуру запасных частей, облегчает эксплуатацию и ремонт.
Однако имеют они и существенные недостатки, заключающиеся в применении в одной виброплощадке большого числа пружинных опор, вибровозбудителей, карданных валов, которые требуют точного монтажа, постоянного контроля за состоянием многочисленных соединений.
Вибрационное воздействие на бетонную смесь от виброплощадок рамной конструкции с направленными колебаниями и от блочных виброплощадок идентично. Поэтому наряду с блочными виброплощадками на многих заводах применяют рамные виброплощадки.
Рассмотрим конструктивные особенности виброплощадки рамной конструкции с многокомпонентными низкочастотными колебаниями.
Колебания в виброплощадках такого вида возбуждаются вибровозбудителями с вертикальным валом конструкции экспериментального конструкторского бюро "Вибротехника" Полтавского инженерно-строительного института.
В зависимости от назначения виброплощадки компонуют одним или двумя вибровозбудителями, установленными по торцам, сбоку или в средней части рамы.

Виброплощадки создают частоту колебаний 20-25 Гц и амплитуду перемещений по горизонтали 0,6-1,0 мм, по вертикали — 0,35-0,4 мм. Широкого применения они не находят, поэтому на этом их краткую характеристику заканчиваю.
Рассмотрев способы передачи вибрационного воздействия на бетонную смесь, рассмотрим влияние вибрирования на степень и характер уплотнения бетонных смесей.
Качество виброуплотнения бетонной смеси зависит, с одной стороны, от ее подвижности (жесткости), а с другой — от способа и режима вибрирования. При одинаковых материалах, точности дозирования, тщательности перемешивания прочность бетона определяется его плотностью. Плотность бетона зависит от степени уплотнения бетонной смеси и от В/Ц.
Смысл же зависимости прочности от В/Ц заключается в том, что последняя в значительной мере определяет плотность готового бетона.
Наибольший прирост прочности и плотности бетона можно достичь при В/Ц = 0,876 Кн.г. + Вз/Ц, где:
В/Ц — водоцементное отношение бетонной смеси;
Кн.г. — коэффициент нормальной густоты цементного теста;
Вз — влагоемкость заполнителей, применяемых для приготовления 1м3 бетонной смеси, кг;
Ц — расход цемента на приготовление 1м3 бетонной смеси, кг.
Ориентировочно влагоемкость крупнозернистого песка составляет 4-6% (40-60 г/кг), песков средней крупности 6-8% (60-80 г/кг), мелких песков 8-10% (80-100 г/кг) и очень мелких песков — более 10% (более 100 г/кг).
При приготовлении бетонной смеси для тяжелого бетона с Кн.г цемента, равным 0,26, оптимальное значение В/Ц составит (ориентировочно) 0,32. Для мелкозернистых бетонов оно будет выше.
Для бетонных смесей с меньшим водосодержанием гидратация (взаимодействие) всего используемого цемента возможна лишь при поступлении влаги извне, т.е. при твердении в нормально влажностных условиях при влажности окружающей среды не менее 95% или в пропарочных камерах при температуре не выше 60°С.

При оптимальном значении ВЦ и твердении в пропарочных камерах при температуре 40°-60°С прочность бетона (при марке цемента 500) достигает прочности 600 (60) кг/см2 (МПа) и более.
Может возникнуть вопрос, почему прочность бетона выше марки цемента. Объясняется это тем, что при определении марки цемента В/Ц=0,4, а уплотнение бетонной смеси в приведенном случае осуществлялось методом вибропрессования. О влиянии вибропрессования на плотность бетона мы еще поговорим позже.
На существующем в настоящее время оборудовании не всегда можно добиться плотной укладки бетонной смеси с таким водосодержанием.
Исключение составляют изделия, изготавливаемые с применением пригруза, например, многопустотные плиты, а также изделия, изготавливаемые методом вибропрессования: тротуарные плиты, бортовой камень.
На современном этапе развития технологии бетонные смеси содержат обычно 40-70% воды от веса цемента.
Избыточная (не прореагировавшая с цементом) вода — один из основных источников пористости бетона. Поэтому чем меньше водосодержание бетонной смеси и чем плотнее она уложена, тем прочнее бетон, тем выше его водонепроницаемость, коррозионная стойкость и долговечность.
Опытами установлено, что уменьшение плотности на 5% снижает прочность бетона на 30%. Грубо можно считать, что изменение плотности бетона на 1% изменяет его прочность на 5-6%.

Как говорилось ранее, плотность бетона зависит от В/Ц, а также от режима вибрирования.
В общем случае "измерить вибрацию" нельзя, так же, как нельзя измерить переменный ток. Можно определить лишь какие-то величины или параметры, характеризующие ее.
Такими параметрами являются: амплитуда колебаний А в см: круговая частота колебаний f в с-1 и их производные:
V=A·f — путь, совершаемый колеблющейся частицей в единицу времени, т.е. скорость колебаний; а = A·f2 — ускорение колебаний.
Каждый из перечисленных параметров может в определенной степени характеризовать вибрационное воздействие на бетонную смесь. Однако исследования показали, что это достаточно надежно выражает величина, которую можно подсчитать по формуле И=А2·f3.
Это выражение можно записать так:
А2·f3 = Af·Af2, т.е. произведение скорости колебаний и их ускорения называется интенсивностью вибрации (измеряется в см2/сек3).
Все параметры, входящие в эти формулы, определяются контрольно-измерительной аппаратурой, выпускаемой серийно.
Каждой бетонной смеси соответствует свое оптимальное значение интенсивности вибрации.
Оптимальные значения интенсивности вибрации могут колебаться от 80 до 300 см2/сек3.
Чтобы более наглядно представить зависимость интенсивности вибрации от частоты и амплитуды колебаний, рассмотрим примеры.

Пример 1.
Определим, какая интенсивность вибрации возникает при работе лабораторной виброплощадки при стандартных параметрах амплитуды А=0,5 мм и частоте 2900±100 оборотов в минуту.
По формуле интенсивности вибрации И=А2·f3 определим, что И=0,052·493 = 0,0025·117649 = 294 см2/с3.
При этом значении интенсивности мы можем качественно уплотнять практически любые бетонные смеси.

Пример 2.
Рассмотрим, т.е. определим, какая интенсивность вибрации возникает при работе виброплощадки с А=0,5 мм и f=1440 об/мин, т.е. при частоте колебаний 24 с-1.
И = 0,052·243 = 34,5 см2/с3.
Как видим, при такой интенсивности вибрации качественное уплотнение бетонной смеси, а тем более жесткой, невозможно.

Пример 3.
Определим интенсивность вибрации при работе виброплощадки с А=0,2 мм и частоте колебаний 6000 об/мин.
И = 0,022·1003 = 400 см2/с3.

Как видно из приведенных примеров, интенсивность вибрации в зависимости от возрастания частоты повышается быстрее, чем при увеличении амплитуды.
Опытами установлено, что чем жестче бетонная смесь, тем больше должно быть значение величины оптимальной интенсивности вибрации.
Назначая режимы вибрирования, следует учитывать, что большие амплитуды колебаний (более 0,7 мм) при объемном виброуплотнении вызывают нежелательный подсос воздуха в бетонную смесь, которого в бетонной смеси и так предостаточно. Перед уплотнением бетонной смеси объем воздуха в ней достигает 10-12%.
Подсос воздуха отрицательно сказывается на прочности бетона и снижает эффект виброуплотнения.
Для хорошего уплотнения мелкозернистых бетонов желательно оптимальную интенсивность получать за счет увеличения частоты вибрации. Другими словами, чем меньше крупность заполнителя, тем предпочтительно более высокая частота при неизменной интенсивности вибрации.
Исходя из вышеизложенного, хотелось бы привести значения оптимальных параметров частоты и амплитуды колебаний в зависимости от подвижности бетонной смеси и от вида бетона.

При уплотнении бетонных смесей на крупном заполнителе жесткостью до 21 с при частоте колебаний 50 с-1 (3000 об/мин) амплитуда колебаний должна быть в пределах 0,35-0,5 мм. Для смесей с жесткостью более 21 с амплитуда колебаний должна быть в пределах 0,6-0,7 мм.
При уплотнении бетонных смесей на крупном заполнителе жесткостью до 11 с и менее при частоте колебаний 75 с-1 (4500 об/мин) и более амплитуда колебаний должна быть в пределах 0,1-0,3 мм.
При уплотнении бетонной смеси для мелкозернистого бетона амплитуда колебаний должна быть в пределах 0,1-0,25 мм.
Уплотнение бетонной смеси при визуальном определении считают достаточным, если наблюдается прекращение ее оседания в форме и выделение на поверхности пузырьков воздуха, а также погружение крупного заполнителя в раствор и появление раствора на поверхности изделия и у бортов формы.
Говоря об интенсивности вибрации, нельзя не конкретизировать процессы уплотнения бетонной смеси при частоте колебаний до 50 с-1 (до 3000 об/мин) и при частоте 75 с-1 (4500 об/мин) и более.
При любой продолжительности вибрирования с частотой колебаний 50 с-1 удельная поверхность цемента не изменяется. С увеличением частоты вынужденных колебаний она значительно возрастает, одновременно повышается плотность цементного геля.
Так, например, в результате проведенных опытов было установлено, что при частоте колебаний 117 с-1 (7020 об/мин):
— удельная поверхность цемента возрастает с 3800 см2/г до 4500 см2/г и с течением времени достигает 5000 см2/г.
— если после уплотнения при частоте колебаний 50 с-1 (3000 об/мин) плотность цементного геля составляла 1920 кг/м3, то при частоте колебаний 117 с-1 она возросла до 2020 кг/м3, т.е. на 5%, а прочность увеличилась на 30%.
Необходимо отметить, что явления повышения плотности и прочности при уплотнении бетонных смесей с частотой колебаний 75 с-1 (4500 об/мин) и более наблюдаются только при уплотнении бетонных смесей с жесткостью не менее 10 с и при наличии пригруза.
Мы более или менее полно рассмотрели зависимость степени уплотнения бетонных смесей от интенсивности вибрирования, но необходимо помнить, что степень уплотнения зависит и от продолжительности вибрационного воздействия на бетонную смесь.
Время, после которого плотность и прочность практически не нарастают, и соответствует оптимальной продолжительности уплотнения.
При значениях ниже этой величины бетонная смесь будет недоуплотнена, и, следовательно, прочностные возможности ее компонентов не будут полностью использованы.

В связи с тем, что небольшое сокращение продолжительности виброуплотнения по сравнению с оптимальным сопровождается заметным снижением прочности бетона, то, чтобы избежать недоуплотнения бетонной смеси, бетонную смесь лучше "перевибрировать".
Одинаковой степени уплотнения можно достичь при различных комбинациях интенсивности вибрации и продолжительности вибрирования. С увеличением интенсивности вибрации время, необходимое для уплотнения бетонной смеси, сокращается, и наоборот: с уменьшением интенсивности вибрации время, необходимое для уплотнения бетонной смеси, увеличивается.
Недостаточная интенсивность вибрации может быть зачастую компенсирована увеличением ее продолжительности. Это не относится к случаям, когда интенсивность так мала, что даже при длительном вибрировании не удается получить заданную плотность бетонной смеси.
Как отмечалось ранее, при интенсивности вибрации менее 80 см2/с3 качественное уплотнение жесткой бетонной смеси невозможно при любой продолжительности вибрирования.
Если недостаточную интенсивность вибрации компенсируют увеличением продолжительности вибрирования, то следует учитывать, что производственный цикл удлиняется, производительность изготовления изделий сокращается, износ оборудования возрастает.
Кроме этого, необходимо учитывать, что при длительном вибрировании может произойти расслоение бетонной смеси, и качество бетона снизится.
Максимальная продолжительность вибрирования на виброплощадках не должна превышать 5 мин., а внутреннего — 60 с.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что интенсивность вибрации в зависимости от возрастания частоты повышается быстрее, чем при увеличении амплитуды.

Высокочастотное вибрирование приводит к более быстрому и более сильному разжижению цементного теста (геля), а при виброуплотнении жестких смесей с пригрузом позволяет увеличить прочность бетона до 30%.
Мы рассмотрели общие принципы виброуплотнения бетонных смесей. Сейчас рассмотрим частные случаи вибрационного воздействия на бетонные смеси, т.е. поличастотное и разночастотное вибрационное воздействие на бетонные смеси.
Сущность поличастотного воздействия на бетонную смесь заключается в одновременном воздействии колебаний различных частот. Иногда так называют и последовательное воздействие на бетонную смесь разных частот, но это не совсем верно, и такие режимы лучше называть разночастотными.
Поличастотное и разночастотное виброуплотнение является наиболее эффективным способом уплотнения бетонных смесей.
Поличастотное и разночастотное виброуплотнение бетонных смесей применяется при изготовлении многопустотных плит с вибропригрузом, а также тротуарных плит и бортового камня при изготовлении их методом вибропрессования.
Поличастотное уплотнение бетонной смеси эффективно при определенном сочетании колебаний. В результате опытов установлено, что наиболее эффективное уплотнение бетонной смеси получается, когда одна частота отличается от другой на значение, кратное трем. Например, при одной частоте, равной 25 с-1 (1500 об/мин), а другой — 75 с-1 (4500 об/мин).
Поличастотное уплотнение позволяет повысить скорость формования и улучшить качество поверхностей изделий, а при использовании высокочастотного виброуплотнения жестких смесей с пригрузом — и повысить прочность бетона изделий.
Достичь вышеприведенных частот вибрационного воздействия не всегда представляется возможным. Поэтому более целесообразно осуществлять разночастотное виброуплотнение.
Сущность разночастотного виброуплотнения заключается в последовательном воздействии на бетонную смесь колебаний с различными частотами. При разночастотном воздействии на бетонную смесь с крупным заполнителем оптимальным считается сочетание воздействия виброплощадки с частотой колебаний 3000 об/мин (50 с-1) с высокочастотным пригрузом. Частота колебаний пригруза должна составлять 4500-9000 об/мин, т.е. 75-150 с-1.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение высокочастотных колебаний пригруза, незначительна по сравнению с мощностью электродвигателя виброплощадки.
При разночастотном виброуплотнении осуществляется двухстадийное уплотнение бетонной смеси.
На первой стадии, при частоте колебаний до 3000 об/мин (50 с-1) происходит придание бетонной смеси заданной формы и достижение компактной упаковки зерен заполнителей. На второй стадии, при частоте колебаний 4500 об/мин (75 с-1) и более значительно увеличивается разжижение цементного теста, частицы цемента сближаются и в результате их взаимодействия удельная поверхность цемента значительно возрастает, что приводит к увеличению степени гидратации цемента и плотности цементного теста, а следовательно, и прочности бетона.
Это возможно, когда высококачественному уплотнению подвергаются бетонные смеси с жесткостью не менее 10 сек. и применяется пригруз.
Для качественного уплотнения бетонной смеси на мелком заполнителе оптимальную интенсивность вибрации желательно получать за счет увеличения частоты и уменьшения амплитуды колебаний.

Рассмотрим это на примере: пусть на бетонную смесь передается вибрационное воздействие с амплитудой колебаний 0,5 мм. Для зерен диаметром 5 мм амплитуда колебаний составит 1/10 их размера, зерна размером 1,0 мм будут колебаться с амплитудой, равной половине диаметра, а зерна размером 0,1 мм — с амплитудой, равной пятикратному значению их диаметра. Для крупных зерен это относительно небольшие перемещения, а для мелких — сплошное завихрение. Уплотняя бетонные смеси, богатые мелким заполнителем, необходимо иметь столь малые амплитуды, чтобы избежать завихрения.
Опытами установлено, что чем меньше крупность заполнителя, тем предпочтительнее более высокая частота колебаний при неизменной интенсивности вибрации.
Применение пригруза сокращает в 2-4 раза продолжительность уплотнения жестких бетонных смесей, улучшает равномерность уплотнения, препятствует расслоению смеси.
При использовании вибропригруза целесообразно, чтобы его частота в 1,5-3 раза превышала частоту колебаний виброплощадки.
Пригруз целесообразно устанавливать после предварительного вибрирования бетонной смеси в течение 20-40 сек., когда она осела и разровнялась.
Отдельно хотелось бы остановиться на взаимодействии пригруза с бетонной смесью.

Различают следующие виды пригруза:
— Инерционный. Он представляет собой пригрузочную плиту, устанавливаемую на бетонную смесь.
— Инерционный с автономным вибровозбудителем. Он представляет собой плиту с установленным на ней источником вибрации.
— Безынерционный с подрессориванием. Он состоит из легкого пригрузочного щита (плиты), соединенного эластичными пружинами с плитой. Вес плиты регулируют таким образом, что она практически не испытывает колебаний и не снижает амплитуды вибрации, оказывая в то же время давление на бетонную смесь.
— Безынерционный с автономным вибровозбудителем. Он представляет собой безынерционный с подрессориванием пригруз с установленным на нижней плите вибровозбудителем.
— Безынерционный с пневматической подушкой. Его, как правило, применяют, когда нужно создать значительное давление на бетонную смесь.
— Безынерционный с гидро- или пневмоцилиндрами. Его действие аналогично вибропригрузу с пневматической (воздушной) подушкой.
При всех видах пригруза взаимодействие его с поверхностью бетонной смеси возможно с отрывом (вибротрамбование) либо без отрыва (вибропрессование).
При применении инерционных пригрузов происходит процесс вибротрамбования.
При применении безынерционных пригрузов происходит процесс вибропрессования.
Среди перечисленных видов пригрузов мы не видим пригруза, используемого при изготовлении тротуарных плит и бортового камня способом вибропрессования. Он представляет собой безынерционный пригруз с гидроцилиндром и установленным на нем вибровозбудителем.
Применение пригруза с установленным на нем вибровозбудителем обеспечивает поличастотное или разночастотное уплотнение бетонной смеси.
Высокое качество уплотнения бетонных смесей при изготовлении тротуарных плит и бортового камня методом вибропрессования является хорошим примером эффективности поличастотного и разночастотного воздействия на бетонную смесь.

Способы повышения качества лицевых поверхностей изготавливаемых изделий
Для улучшения качества лицевых поверхностей, примыкающих при изготовлении изделий к поддону, рекомендуется применять:
— пластификацию нижнего слоя бетонной смеси водой;
— пластификацию литыми растворами;
— укладку на поддоны специальных паст;
— стеклопластиковые или металлические поддоны с полимерным покрытием;
— высокочастотные режимы уплотнения.
Водная пластификация повышает подвижность бетонной смеси в слое, прилегающем к поддону. Пластификация достигается путем распыления воды по смазанной поверхности поддона. На 1 м2 площади поддона разбрызгивается 0,5-0,7 л воды.
Водная пластификация уменьшает размер и количество пор, однако не обеспечивает получения лицевой поверхности под окраску без дополнительного шпатлевания.
Поддоны должны смазываться только водоупорными смазками (рекомендуется ОЭ-2).
Пластификация литыми цементно-песчаными растворами обеспечивает более высокое качество поверхности, чем пластификация водой, при этом прочность бетона практически не снижается. Для пластификации могут быть использованы литые цементно-песчаные растворы состава 1:1 или 1:2. При этом чем мельче фракция песка, тем более высоким будет качество лицевой поверхности. Пластификацию нижнего слоя бетонной смеси необходимо осуществлять механизированно, путем распыления (напыления). Средний расход раствора на м2 площади изделия составляет 1,2 л.
Более высокое качество лицевых поверхностей можно получить за счет применения пастообразных смазок на основе парафина или стеарина с пластификацией бетонной смеси цементно-песчаным раствором. Еще более высокое качество лицевой поверхности можно получить за счет пастообразных смазок, пластификации поддона литыми растворами и высокочастотных режимов уплотнения.
Необходимо отметить, что высокочастотное уплотнение при применении даже эмульсионных смазок существенно сказывается на качестве формуемых поверхностей.

В.В. МАЗОВСКИЙ, главный специалист РУП "Стройтехнорм"


Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 19 за 2003 год в рубрике бетон

©1995-2022 Строительство и недвижимость