книги / Силикатные и полимерсиликатные композиты каркасной структуры роликового формирования

Большое внимание при заполнении пор каркаса матричным составом уделяется его пропускной способности. В работе В. Т. Ерофеева [109] была определена пропускная способность каркаса, из соотношения диаметра за­ полнителя каркаса к диаметру наполнителя матрицы:

(2.1)

где R — радиус заполнителя; 6КС — толщина клеевого слоя на зернах каркаса.

При формовании каркаса происходит движение вязкопластичных жид­ костей через пустоты между заполнителями, подчиняющееся уравнению Букингейма—Рейнера:

(2.2)

где АР — капиллярное давление; Q — расход жидкости; / — длина капил­ ляра; г|(. — структурная вязкость; хт — предельное напряжение сдвига; Rfc — радиус капилляра.

Заполнение порового пространства каркаса матрицей отождествляется с фильтрацией вязкой жидкости в пористой среде. Ее способность пропус­ кать через себя жидкость зависит от диаметра пор, вязкости, поверхностно­ го натяжения и краевого угла смачивания жидкости. Диаметр пор матема­ тически вычисляется по методике определения пористости грунтов [60, 243, 250]. Для этого крупный заполнитель в каркасе рассматривается как фиктивная (пористая) среда, где зерна принимаются шарами одинакового диаметра.

Второй фактор, влияющий на процесс заполнения пустот карка­ са, — реологические параметры матрицы, где определяющую роль играют вязкость и расслаиваемость [109]. Вязкость характеризуется внутренним трением, возникающим между частицами или слоями под действием внут­ ренних сил. По механическим свойствам, а также агрегатному состоянию пропиточные системы можно разделить на бесструктурные (свободнодис­ персные), структурные (связанные) и жесткие. В нашем случае были ис­ пользованы структурные матрицы (высоконаполненные). Структура в структурированных системах обусловливается концентрацией твердой фа­ зы. К структурным системам относятся и другие многофазные системы, такие, как эмульсии и аэрированные жидкости.

При установившейся структуре дисперсные системы неподвижны и нетекучи. Чтобы вывести их из равновесия, требуется приложить опреде­

31

ленное усилие (тг ) . Моделью вязкопластичных жидкостей (неньютонов­

ских или бингамовских тел) является следующее реологическое уравнение:

Т = ТГ +Т|2у",

(2.3)

где хт — предельное напряжение сдвигу; г|2 — пластическая вязкость.

Вязкость увеличивается при наполнении и для систем, где отсутствует взаимодействие дисперсных частиц с дисперсионной средой. Ее изменение может быть описано уравнением Эйнштейна, Бекера или Гука:

Л = Л0(1+2,5^);	(2.4)
л =По 0 +<*)”;	(2.5)
П= Ло(1+ а0 + Р^)>	(2. 6)

где ifo — вязкость ненаполненной системы; ф — объемная доля наполни­

теля; ц, а и q = cyv — коэффициенты.

Жесткие смеси — переход структурных смесей в результате повыше­ ния содержания наполнителя и снижения жидкой фазы. Жесткие смеси от­ носятся к категории материалов, имеющих пространственный каркас и ха­ рактеризуемых прочностью, упругостью, пластичностью и вязкостью. В отличие от смесей, уплотняемых традиционным вибрированием, у данных смесей вязкие и пластические связи проявляются значительно слабее. В процессе уплотнения под действием прессующего давления жестких смесей формирование структур, включающих твердую, жидкую и газообразную' фазы, происходит в результате разрушения относительно малопрочных свя­ зей между составляющими компонентами рыхлонасыпного материала с последующим перемещением и переупаковкой твердых частиц и образова­ нием новых связей между ними. При сближении частиц или их агрегатов из системы отжимаются воздух и жидкая фаза. Направление миграции влаги определяется силами гравитации, характером напряженного состояния и структурными характеристиками материала [199].

Анализ имеющихся литературных данных по безвибрационному роли­ ковому способу уплотнения [127, 191, 198] свидетельствует об актуально­ сти разработки технологии изготовления плитных конструкций, полов в промышленных зданиях и изделий из бетона, полученных методом ролико­ вого формования.

Для заполнения каркасов матричным составом принято применять ме­ тод вибрирования или вибрирование с пригрузом. Вибрирование структу­ рированных систем, на наш взгляд, менее эффективно, нежели роликовое уплотнение, в результате которого структура не расслаивается и, сохраняя структуру, переуплотняется в более плотную с наилучшими свойствами и с наименьшими дефектами.

32

2.2.Особенности безвибрационного роликового формования

бетонных смесей

Первые исследования возможностей применения роликового способа уплотнения для формования плитных строительных конструкций были вы­ полнены в начале 70-х годов прошлого века в институте «Гипростроммаш» [191]. Несколько ранее данный принцип уплотнения положен в основу раз­ рабатываемых как у нас в стране [198], так и за рубежом [264] устройств для изготовления безнапорных железобетонных труб методом радиального прессования.

Результаты многочисленных исследований, а также достаточно боль­ шой опыт промышленного производства безнапорных и низконапорных труб [153] подтверждают эффективность применения данного способа уп­ лотнения. В последнее время различными зарубежными фирмами [264], а также институтами «Гипростроммаш» и ВНИИВОДГЕО [191] разработано множество разновидностей формовочного оборудования для изготовления железобетонных и бетонных труб диаметром от 150 до 2 400 мм.

Данные сравнительного технико-экономического анализа различных способов изготовления труб, выполненного институтом «Гипростроммаш», свидетельствуют о несомненных преимуществах технологии радиального прессования по сравнению с центрифугированием и вибрированием. Наря­ ду с улучшением качества формуемых изделий, данная технология обеспе­ чивает повышение производительности труда, снижение производственных трудозатрат, металлоемкости формовочного оборудования и расхода энер­ горесурсов [191].

Разработка технологии безвибрационного роликового формования плитных бетонных и железобетонных конструкций параллельно с «Гипростроммашем» осуществлялась в НИИЖБ, НИЛ ФХММ, ТП Главмоспромсгройматериапов, ВНИИстроме, Киевском инженерно-строительном институ­ те. Опубликованные по результатам научных исследований литературные данные по безвибрационной роликовой технологии свидетельствуют о том, что данный способ уплотнения относится к числу наиболее эффективных приемов формования плоских строительных конструкций из сверхжестких мелкозернистых бетонных смесей [71, 127,179,191,198,201].

В публикуемых материалах авторы исследований среди главных дос­ тоинств роликового способа уплотнения отмечают возможность получения бетонов с высокой степенью уплотнения и, следовательно, с улучшенными прочностными и структурными характеристиками за счет применения бе­ тонных смесей с низким водосодержанием [127]. Отсутствие вибрации и низкий уровень шума на формовочном посту, а также широкие возможно­ сти механизации и автоматизации производственного процесса при совме­ щении операций укладки, уплотнения и заглаживания смеси в одном агре­ гате обеспечивают данной технологии преимущество в плане социальной привлекательности труда обслуживающего персонала по сравнению с тра­ диционной вибротехнологией [127, 191].

3 Заказ687

33

Наиболее всесторонние и глубокие исследования процесса роликового формования были проведены в лаборатории совершенствования заводской технологии бетона и железобетона НИИЖБ В. Н. Кузиным, С. А. Селива­ новой под руководством И. Ф. Руденко [198]. Характерной особенностью исследований, проводимых в НИИЖБ, является комплексный подход к проблеме, сочетающий решение вопросов бетоноведческого плана с одно­ временной оптимизацией конструктивных решений узлов и агрегатов фор­ мовочного оборудования. Основываясь на многочисленных результатах исследований, проведенных на экспериментальном лабораторном стенде, ученые установили зависимости, характеризующие технологический про­ цесс формования. Разработана оригинальная методика подбора состава мелкозернистого бетона [127,198].

Статистическая обработка полученных экспериментальных данных позволила установить степень влияния различных технологических фак­ торов на параметры технологического процесса и получить соответст­ вующие уравнения. Так, например, производительность формовочной линии определяется геометрическими характеристиками уплотняющих рабочих органов, частотой воздействия их на бетонную смесь (количество двойных ходов уплотняющего ролика), толщиной захватываемого слоя, зависящего от вида уплотняемой бетонной смеси [215]. Оптимальная скорость перемещения под уплотняющим агрегатом составляет около 1 м/мин.

Использование комплекса контрольно-измерительной аппаратуры по­ зволило в работах [71, 106] оценить величину нагрузок (Р), действующих на элементы формы в процессе уплотнения, и установить затраты мощно­ сти (N) приводных устройств формовочного оборудования на разных ста­ диях производственного процесса. Предложены эмпирические зависимости указанных величин от факторов, их определяющих.

В работе [239] предлагается математическая зависимость для расчета коэффициента уплотнения бетонной смеси в изделии в зависимости от ра­ диуса уплотняющего ролика и толщины формуемого изделия.

И.Ф. Руденко, В. Н. Кузиным, С. А. Селивановой и Л. В. Зарецким разработано и внедрено сначала в условиях экспериментального стенда, а затем и на заводской формовочной линии устройство для принудительного поворота уплотняющего ролика, что позволило значительно улучшить ка­ чество уплотнения бетона в изделии [198]. Применение данного устройства позволило исключить присущий роликам со свободным вращением вслед­ ствие их инерционности эффект проскальзывания при изменении направле­ ния движения балки.

И.Г. Лавринев [127] детально изучил процесс формования изделий ро­

ликами с устройством принудительного поворота. Им были установлены необходимые коэффициенты, корректирующие уравнения, полученные в исследованиях [106,202], а также изучены вопросы формования по безвибрационной технологии изделий из мелкозернистого бетона, армированного стальной фиброй.

34

В вышеперечисленных работах оценка качества изделий, формуемых по роликовой технологии, осуществлялась по показателям прочности на осевое сжатие и изгиб, морозостойкости, газонепроницаемости, огнестой­ кости, истираемости.

Результаты комплекса исследований, проведенных в НИИЖБ, институ­ те «Гипростроммаш» и НИЛ ФХММ и ТП Главмоспромстройматериалов, положены в основу разработанных в лаборатории совершенствования завод­ ской технологии «Рекомендаций по изготовлению железобетонных изделий методом роликового формования» [191].

По техническому заданию НИИЖБ ЭКБ ЦНИИСК разработана проектно-техническая документация на несколько разновидностей техно­ логических линий роликового формования для различной нЬменклатуры изделий.

Исследования, направленные на расширение областей применения безвибрационной роликовой технологии и номенклатуры формуемых изделий, были проведены А. К. Казыбековым и Т. Н. Мирзабаевым Ими были изуче­ ны перспективы использования при данном способе уплотнения мелких барханных песков в качестве заполнителя и вопросы роликового формова­ ния бетонных смесей с добавлением щебня.

В работах [74, 198] описываются результаты опытов, направленных на изучение возможностей изготовления роликовым способом изделий раз­ личной номенклатуры и конфигурации. Доказана возможность формования по данной технологии плоских и ребристых плит, решетчатых изделий, многопустотных плит, крышек люков канализационных колодцев и других изделий из мелкозернистых цементных бетонов.

Результаты исследований, проводимых НИИЖБ, полностью подтвер­ ждаются данными других авторов. Так, при участии НИИЖБ во ВНИИстроме В. Н. Русаковым, 10. В. Ивановой, Е. В. Фридманом разработана тех­ нология изготовления виноградных стоек с предварительно напряженной арматурой типа ВС 24-Ш. По качеству изделия, формуемые по роликовой технологии (судя по приведенным показателям прочности, однородности, морозостойкости), значительно превосходят аналогичные конструкции, изготовляемые вибрационным методом.

Интервалы изменения технологических параметров процесса формова­ ния, по данным ВНИИстрома, совпадают с результатами, полученными в НИИЖБ. Четко выявлены недостатки, присущие процессу уплотнения бе­ тонной смеси роликами со свободным вращением. Степень уплотнения крайних элементов значительно ниже, чем у расположенных в центральной зоне формования.

Цикл научно-исследовательских и экспериментальных работ, прове­ денных в НИЛ ФХММ и ТП Главмоспромстройматериалов в сотрудниче­ стве с НИИЖБ Л. И.Эпштейном, И. С. Нахшуновым и другими исследова­ телями, позволил авторам разработать и внедрить технологическую линию по производству элементов городского благоустройства широкой номенк­ латуры на заводе строительных конструкций в г. Кретинга.

3* 35

Работы, проведенные в Киевском инженерно-строительном институте В. Н. Гарнецом и В. Т. Рюшиным, посвящены изучению механизма взаимо­ действия уплотняющего органа с бетонной смесью в процессе уплотнения и описанию напряженно-деформированного состояния уплотняемого массива.

Также изучались вопросы поведения арматурного каркаса в процессе роликового формования. Установлено, что из-за упругого последействия элементов арматуры вследствие снятия сжимающего давления ролика после его прохождения происходит частичная деструкция отформованного мате­ риала, сопровождающаяся появлением видимых трещин по боковым граням. Указанный факт обусловливает необходимость проведения дополнительных исследований с целью установления четких требований к армированию из­ делий, формуемых роликовым способом.

Краткий обзор литературных данных о существующих разработках в области безвибрационного роликового формования свидетельствует о пер­ спективности данного способа уплотнения. Комплекс исследований, прове­ денных в различных организациях, позволил разработать несколько вариан­ тов формовочных устройств.

Перспективы дальнейшего расширения областей применения техноло­ гии роликового формования связаны с исследованием возможностей уплот­ нения по данной технологии новых видов материалов, к качеству которых предъявляются повышенные требования. К числу таких материалов отно­ сятся бетоны на жидкостекольном вяжущем, конструкции из которых экс­ плуатируются в условиях агрессивного воздействия жидких и газообразных сред, что обусловливает необходимость его высокой плотности и непрони­ цаемости.

С технологической точки зрения процесс изготовления конструкций из данного бетона сопряжен с необходимостью преодоления ряда трудностей, вызванных некоторыми особенностями, отличающими бетонные смеси на жидкостекольном вяжущем от традиционных цементных. Бетонные смеси на жидком стекле и активном тонкомолотом наполнителе имеют повышен­ ную вязкость из-за присутствия в составе высоковязкой жидкой фазы. Уве­ личение расхода жидкого стекла или снижение его плотности за счет раз­ бавления водой улучшают однородность перемешивания и удобоукладываемость бетонной смеси, однако отрицательно сказываются на характери­ стиках структуры и прочности затвердевшего бетона. Поэтому применяе­ мые бетонные смеси должны быть жесткими, а это и обусловливает трудно­ сти в процессе их уплотнения.

На основе выполненного анализа возможностей применения различных методов при формовании бетонных смесей на полимерсиликатном вяжущем Б. В. Гусев [71] в качестве наиболее перспективных способов уплотнения рекомендует традиционное виброуплотнение и вибропрессование. Отмечено также, что для формования отдельных видов изделий из мелкозернистых бетонных смесей целесообразно применение безвибрационной роликовой технологии. Данный способ уплотнения обеспечивает возможность получе­ ния изделий из песчаного бетона, прочность которых достигает 100 МПа.

36

Перспективность применения роликового способа уплотнения вытека­ ет из анализа теоретических представлений о механизме твердения полимерсиликатных композиций [170, 183]. Здесь наиболее оптимально сочета­ ются возможности применяемого способа уплотнения и требования к кон­ систенции формуемых бетонных смесей. При этом следует отметить, что использование в формовочном агрегате уплотняющих рабочих органов с устройством принудительного поворота позволяет качественно уплотнять бетонные смеси с крупным заполнителем.

По результатам исследований процесса безвибрационного роликового формования цементных бетонных смесей выявлено, что данный способ уп­ лотнения за счет использования сверхжестких бетонных смесей и благодаря возможностям самой технологии позволяет получать материалы с повы­ шенной прочностью и, что особенно важно, с улучшенными характеристи­ ками структуры по сравнению с традиционным виброформованием. По аналогии можно с большой вероятностью предположить, что и для полимерсиликатного бетона данная закономерность будет соблюдаться.

2.3. Механизм формирования структуры жесткой бетонной смеси при безвибрациониом уплотнении

Жесткие бетонные смеси нашли широкое применение в практике завод­ ского производства сборного железобетона благодаря совершенствованию существующих и внедрению новых технологических приемов и методов формования бетонных и железобетонных изделий. Результаты многочис­ ленных исследований и опыт промышленного производства доказали, что использование жестких смесей обеспечивает ускорение твердения бетона, повышение долговечности и прочности формуемых изделий и снижение расхода вяжущего [74, 125,201,254].

Формирование структуры уплотняемого материала определяется качест­ венным составом и количественным соотношением исходных компонентов и характеристиками внешнего уплотняющего воздействия. Совокупность каче­ ственных и количественных характеристик исходной бетонной смеси в ко­ нечном счете выражается ее реологическими и прочностными параметрами.

Применяемые при роликовом способе уплотнения жесткие бетонные смеси относятся к категории материалов, имеющих пространственный кар­ кас и характеризуемых прочностью, упругостью, пластичностью и вязко­ стью [198]. Процесс формирования таких бетонных смесей по безвибрационной роликовой технологии во многом аналогичен процессу уплотнения грунтового основания дорожного полотна катком с гладкими вальцами. Поэтому при изучении механизма уплотнения жестких бетонных смесей полностью обосновано использование некоторых положений, разработан­ ных в механике грунтов (Н. А. Цытович [250], М. Н. Гольдштейн [60], М. Е. Харр [243]) и в теории дорожного строительства (Я. А. Калужский [106], Г. Д. Дубелир [77] и др.).

37

В начальный период процесс уплотнения характеризуется преимуще­ ственным развитием необратимых деформаций, величина которых при по­ следующем многократном повторении циклических прессующих воздейст­ вий постепенно уменьшается и в конечном счете становится незначитель­ ной. Одновременно упругие свойства материала увеличиваются за счет по­ вышения прочности его межкомпонентных связей.

Деформации материала, степень его уплотнения, определяются вели­ чиной прессующего давления, прилагаемого к уплотняемому массиву. Минимальная величина прессующего усилия должна обеспечивать созда­ ние в уплотняемом массиве напряжений, превышающих величину пре­ дельного сопротивления сдвигу (т), которое согласно [127] определяется выражением

Z = C +tg(fKS

(2.7)

где о — величина сжимающих напряжений; tg<f> — коэффициент внутрен­

него трения; с — коэффициент сцепления, равный сумме структурного жест­ кого сцепления fc), обусловленного цементационно-кристаллизационными связями и пластичного сцепления (c j, обусловленного водоколлоидными обратными связями.

Максимальная величина контактного давления, передаваемая уплот­ няющим рабочим органом на смесь, не должна быть больше предела проч­ ности самого материала, применяемого при изготовлении бетона, так как появляющиеся в данном случае сдвиговые дефекты приводят к нарушению сплошности системы.

Изучение напряженного состояния материала при уплотняющем воз­ действии на него цилиндрического тела рассматривалось еще в начале XV1I1 века при изучении движения по грунтовой дороге колеса, нагружен­ ного силой Р, под действием тягового усилия F. Принимая, что зависимость между удельным давлением и деформациями (осадкой) грунта описывается уравнением Винклера, Генстенер получил уравнение, описывающее взаи­ мосвязь между геометрическими характеристиками колеса, свойствами грунта и нагрузкой, действующей на него:

Р = —cbhyfD h,	(2.8)
3

где D и b — соответственно диаметр и ширина колеса; с = g / y — постоян­ ный коэффициент осадки; h — глубина колеи.

Позднее В. П Вихарев [50] доказал, что деформации грунта растут не пропорционально увеличению нагрузки, и предложил более общее выраже­ ние, описывающее данную зависимость:

38

Я =с/.	(2 .9)
где у — деформация грунта.
Н. М. Летошневым [131] экспериментально	установлено, что при

р = 0,5 данная зависимость наиболее правильно описывает свойства мате­ риала. Исходя из этого Г. Д. Дубелир [77] зависимость (2.8) трансформиро­

вал в следующий вид:
= 1 ,2 ^ • .	(2. 10)

Ъс yJD

Используя аналогичный подход, 0 . 10. Коротин и В. М. Гайсинский [122] рассмотрели процесс уплотнения с учетом обратимых деформаций. В данном случае процесс уплотнения описывается выражением

р = cbyfD(1 - ^)(А£+0-5 + А|‘+0,5) ,

(2.11)

где А] — начальная деформация материала; А2 — величина обратимой де­ формации.

Указывая на практические трудности использования уравнений (2.8) и (2.11), Н. Я. Хархута [244] предлагает определять контактные давления при уплотнении на основе теории Герца— Беляева, разработанной для случая взаимодействия двух криволинейных упругих тел. Принимая, что жест­ кость грунта по сравнению с жесткостью катка равна нулю, он теоретиче­ ски выводит и экспериментально подтверждает адекватность уравнения

о.		(2.12)
где Еа — модуль деформации грунта.
Глубина активной зоны	уплотнения согласно	исследованиям
Н. Я. Хархуты определяется из выражения
Ао = ( 0 , 3 - 0 , 4 ) ^ 7 ^ ,		(2.13)

wo

где W и W0— соответственно влажность и оптимальная влажность грунта, %. Теоретические вопросы по механизму уплотнения жестких бетонных смесей исследовались в работах М. Небулони [264], О. П. Мчедлова-

Пегросяна, А. Г. Вандоловского [153] и других авторов.

39

На основании исследований, проведенных во ВНИИжелезобетона, предложен ряд формул для расчета параметров процесса радикального прессования. На основе анализа напряженно-деформированного состояния бетонной смеси в процессе уплотнения получено дифференциальное урав­ нение для определения величины прессующего давления.

Большое внимание изучению динамических давлений на элементы формовочного оборудования уделено в работе В. Н. Кузина [124]. Прове­ денные им исследования показали, что величина динамических давлений определяется толщиной захватываемого слоя ( Изахв), пористостью бетонной

смеси (п) и интенсивностью уплотняющего воздействия (р}\

(2.14)

Статистическая обработка многочисленных экспериментальных данных позволила автору получить эмпирическое выражение зависимости давле­ ний от характеристик смеси и оборудования:

/>тах=— 0.26/?(l-cosa)102, Мпа,	(2.15)
кР

где R (l-cosa) =h3axe — толщина захватываемого слоя; кт — технологи­

ческий коэффициент, зависящий от условий формований; (кг =1,0н -2,5);

кР — коэффициент, зависящий от частоты воздействия уплотняющих

роликов.

В. Н. Кузин также изучал распределение давлений по длине уплот­ няющего ролика. Им установлено, что эпюра давлений под роликом имеет треугольный вид. Максимальное давление возникает под центром уплот­ няющего ролика.

В отличие от исследований В. Н. К узина, которой изучал процесс уплотнения роликами со свободным вращением, П. Г. Лавриневым [124] эксперименты были проведены на установке, обеспечивающей принудительное вращение уплотняющего рабочего органа.

Напряженно-деформированное состояние материалов, уплотняемых различными механическими способами, наглядно описывается реологи­ ческими моделями, которые представляют среду в виде комбинации уп­ рощенных механических моделей [129]. В свою очередь любую механи­ ческую модель можно представить как сочетание простейших единич­ ных моделей, каждая из которых характеризует какое-либо свойство среды, а в совокупности все они описывают характер напряженнодеформированного состояния уплотняемого материала.

40