| 22 Ноября 2011
В данной статье приводится пример простого, но эффективно внедренного на Тушинском ЗЖБК рационального предложения для улучшения качества уплотняемой смеси за счет применения поличастотного вибрирования. Перед описанием эксперимента и его результатов мы приводим отрывок из статьи А.А. Кучеренко, Р.А. Кучеренко «Элементы самоорганизации в системе «Подвижная бетонная смесь – вибрация», опубликованной в двадцатом выпуске Вестника Одесской государственной академии строительства и архитектуры, наиболее подробно, по нашему мнению, описывающий физические процессы, протекающие в бетонной смеси при виброуплотнении.
Элементы самоорганизации в системе «Подвижная бетонная смесь – вибрация»
Задача технолога привести в колебание (разжижение, высокую подвижность) цементное тесто. А заполнитель уже имеет потенциальную энергию в виде сил гравитации (собственной массы), под действием которых возникнут процессы самоорганиза-ции на самоуплотнение.
У подвижных бетонных смесей с плавающей структурой механизм передачи вибрации следующий. Вибровозбудитель приводит в колебание форму, которая передает их пластичному тесту. В нем создаются волновые колебания от низа к верху (при вертикально-направленном колебании). Волновые колебания – это волнообразное (максимум-минимум) колебание плотности теста. Последнее встречает на своем пути непод-вижный заполнитель. Многократно ударяясь в него, пластичное тесто на толщину величины амплитуды колебаний разжижается. Даже граничный слой как бы разрыхляется, силы продольной когезии между молекулами исчезают. Происходит дезориентация адсорбировавшихся молекул и понижается плотность зон (3, 4). Это способствует гравитационному перемещению зерен заполнителя и облегчает их сближение и более плотную упаковку. Под действием сил гравитации, в менее плотной среде теста (смазки) заполнитель продвигается вниз («тонет»). При этом траектория движения его самоорганизована так, как необходимо для восстановления равновесия. Так, если масса сухого заполнителя 25 г, то извлекаемого из цементного теста под действием вибрации – 15 г, а полностью извлеченного с налипшим цементным тестом 35 г. Значит, силы трения гранитного щебня в среде цементного теста или выталкивающая сила вибрацион-ного воздействия составили 40%.
В сильной мере уплотнению бетонной смеси способствует и газообразная (скорее воздушная) фаза. В достаточно большом количестве ее поставляет цемент. Диспергирование его (адсорбционное, химическое, механическое) – это и выход воздуха из рас-крывшихся от ультро- до макро пор и капилляров. Если считать, что истинная плотность цемента 3,1, а насыпная – 1,1…1,3 г/см3, то межзернового воздуха в сухом цемен-те 55…65%.
Существует три этапа: зарождение пузырьков, их рост и удаление из смеси. В момент вибрации наступает стадия самоорганизации в сторону упорядочения размеров, связи (с другими компонентами) и направления перемещения воздушной фазы. Зарождение может быть искусственное и естественное. Искусственное – при введении воздухововлекающих и воздухообразующих добавок. Естественное – растворимый в воде кислород и воздух адсорбированный, в порах и капиллярах, вовлеченный и защемленный. Рост за счет преодоления энергии связи молекул воздуха и воды, молекул воздуха и цементного теста и сил трения в них. Удаляется воздух из бетонной смеси практически только в процессе вибрации. В этом один из недостатков литых бетонных смесей: в них воздух остается.
До вибрации цементное тесто характеризуется определенной вязкостью, количеством и размером воздушных пузырьков. Здесь давление воздуха в пузырьке уравновешивается силами поверхностного натяжения и вязкого трения. В момент вибрации, из-за разжижения, вязкость теста падает. Давление в пузырьках превосходит силы поверхностного натяжения и уже менее вязкого трения. Они начинают перемещаться и соединяться в более крупные пузырьки, но с давлением выше каждого из них. Должен существовать интервал активной, динамической вязкости цементного теста, но при определенных (для каждой смеси оптимальных) параметрах вибрирования. Это отрезок времени между началом вибрирования и вязко текучего состояния смеси до потери этого состояния. Дальше вибрация бесполезна, но этот отрезок можно продлить и смесь еще больше уплотнить, если изменить предыдущие параметры вибрирования (частоту, амплитуду, пригруз) и т. д. Именно в этот отрезок времени воздух уходит из смеси, а после – фиксируется в ней. В подвижных бетонных смесях этот интервал длиннее, у жестких – короче. В подвижных смесях происходит плавный и постепенный переход от вязко текучего до вязко жесткого состояния. Это позволяет большинству воздушных пузырьков покинуть бетонную смесь.
Почему в вибрируемой бетонной смеси воздушные пузырьки приобретают движение? В процессе вибрации между двумя рядом расположенными зернами заполни-теля в цементном тесте возникает разная плотность: максимальная в центре, то есть в зоне ламинарного потока (7), в зоне устойчивого равновесного состояния и минимальная – в зоне бифуркационного потока (6), то есть в зоне неустойчивого равновесного состояния, рис. 1б. Здесь бифуркация – это раздвоение или качественная перестройка ламинарного потока в более сложный бифуркационный (быть может, турбулентный) под действием вибрации. Приграничная с заполнителем зона изначально разжижена и более текуча, чем ламинарная. Поэтому плотность цементного теста в ней ниже, чем в последней. Воздушные пузырьки, образовавшиеся в зоне ламинарного потока, и выросли до такого размера пор, что возникло избыточное давление, легко прорывают оболочку цементного теста со стороны бифуркационного потока, где плотность цементной оболочки ниже, покидают ее и перемещаются в сторону бифуркационного потока. В том и раздвоение, что в цементном тесте бифуркационной зоны увеличивается количество воздушной фазы. Потому и плотность ниже, что в единице объема такого цементного теста (матрицы) повышенное количество воздуха. С укрупнением воздушных пузырьков их энергетический потенциал возрастает и возможность прорыва оболочки усиливается. Потому они способны преодолеть не только сопротивление оболочки по горизонтали, но и по вертикали (плюс силы антигравитации). Кроме этого воздух выжимается и более тяже-лыми, уплотняющимися твердыми компонентами смеси. Следовательно, воздушные пузырьки в основном скапливаются в зоне бифуркации (вокруг заполнителя) в зоне контакта с опалубкой, а затем по ним, огибая заполнитель, и двигаясь вдоль бортов формы уходят из вибрируемой бетонной смеси.
Жидкая фаза вначале совместно с воздушной, а затем и вслед за ней перемещает-ся по тем же путям следования. Во внутренних слоях уплотняемой смеси уменьшается количество свободной воды затворения, В/Ц и толщина цементных прослоек между зернами заполнителя. От этого бифуркационный поток уже в тонкой цементной оболочке вновь превращается в ламинарный. Последний более предпочтителен для образования цементной прослойки твердеющего бетона. Именно в этот момент технолог должен прекратить вибрирование. Но вполне возможно, что можно и дальше вибрировать, но это уже будет бесполезным. Очевидно, чем крупнее заполнитель и подвижнее матрица, тем больше разжижена бифуркационная зона. Это плохо, так как эта зона формирует цементную прослойку. Кроме того, чем крупнее заполнитель, тем менее подвижен он в среде цементного теста, то есть труднее вовлекается в процесс вибрации. Вибрирующее цементное тесто и неподвижный заполнитель – система малоэффективна. Уменьшая размер крупного заполнителя (вплоть до перехода к мелкозернистым бетонам) возникает система, более четко реагирующая на параметры вибрирования и лучше уплотняемая. Представляется, что только мелкозернистая смесь, приготовленная в высокоскоростных смесителях (возможно с измельчением части песка и перевода его в силикагель) и более четко реаги-рующая на параметры уплотнения и упаковки твердых компонентов приведет нас к высокопрочным бетонам. При этом силикагель надо затворять бетоном на известковой воде, в которой СаО столько, сколько необходимо SiО2-гель перевести в гидросиликаты нужной основности.
При этом воздушная фаза выполняет роль: уменьшения плотности того сечения смазки, в котором она находится; уплотнения тех зон, которые она покинула; улучшает смазку для зерен твердых компонентов; образует полости под зернами заполнителя, а потому нужно работать в области обеспечения оптимальной формы последних. Воздушная фаза может и должна покинуть бетонную смесь и уйти в атмосферу, но часть ее может остаться защемленной в составе бетонной смеси, что, очевидно, зависит от па-раметров вибрирования, вязкости теста, формы твердых компонентов и других факторов.
Гидродинамика цементного теста может проявиться в том случае, если геометрия рядом расположенных поверхностей зерен заполнителя такова, что существуют сужающиеся зазоры, рис. 2. В них цементное тесто может заклиниваться, особенно при вертикально направленных колебаниях. Если такая полость полностью заполнена цементным тестом, то, при соответствующем режиме вибрации и при ударе вверх, поток цементного теста создает подъемную силу (минус сила гравитации зерен), а при обратном – удар вниз (плюс силы гравитации зерен).
Кроме того, гидродинамика цементного теста может возникнуть и тогда, когда поверхности зерен заполнителя расположены относительно направления колебания так, что образуют каналы, сужения и расширения, рис. 3. Тогда цементное тесто, перемещаясь вверх-вниз и заполняя эти каналы, выполняет роль микро- или макроклиньев. Это способствует диспергации зерен цемента и проворачиванию зерен заполнителя, что создает силы трения качения. Опять же, способствуя укладке и уплотнению заполнителя, так как силы трения качения в десятки раз меньше сил трения скольжения.
Таким образом, в основе виброуплотнения лежит хаос (в разнородности геометрии твердых компонентов, качества матрицы, параметров вибрирования и др.), который надо упорядочить, чтобы получить нужный результат. При виброуплотнении бетонной смеси именно из хаоса рождается порядок. В хаосе постепенно зарождаются устойчивые структуры, так как идут самоорганизующиеся процессы. Самоорганизация присутствует всегда только там, где есть хаос и где еще нет порядка (нужного результата, то есть свежеотформованного бетона). Поэтому единственное, что остается технологу – это научится управлять хаосом, а результатом этого будет качественный свежеотформованный бетон. Хотя даже в самом хаосе зарождается, существует и укрепляется порядок: в создании смазочного слоя из цементного теста, во все более упорядоченном движении воздушной фазы, во взаимодействии воды с твердыми компонентами (адсорбция, диффузия, синтез и др.). Часть приемов упорядочивания хаоса в подвижных бетонных смесях нам известны (введение добавок, модификация твердых компонентов и др.), другая (параметры вибрирования) – изучены недостаточно.
Эксперимент
На Тушинском заводе ЖБК ОАО «ДСК1» г.Москва, был проведен эксперимент по улучшению качества уплотнения бетонной смеси в кассетных установках вертикального формования СМЖ 3350, применяющихся для производства сплошных плит перекрытий. Необходимое оборудование для проведения этих работ было предоставлено компанией «Авелана». Методика эксперимента отрабатывалась специалистами ООО «Авелана» совместно с главным технологом Тушинского ЖБК Куликовым Виктором Ивановичем.
До проведения эксперимента бетонная смесь уплотнялась в кассетных установках СМЖ 3350 с помощью четырнадцати электрических низкочастотных навесных вибра-торов марки ИВ-98 Н с частотой вибрации 2800 об/мин, установленных на разделительных листах кассет (по семь штук на обоих торцах кассетного блока). Кассетный блок включает в себя 8 тепловых отсеков(стенок) и 7 разделительных листов длиной 6,5, и высотой 3,7 метра.
Суть модернизации состояла в размещении на кассетных установках дополнительных двенадцати пневматических высокочастотных вибраторов марки VP-6000 (по шесть штук на левый и правый торец кассетного блока, выше электрических вибраторов) с частотой вибрации до 14 500 об/мин.
Для оптимизации подачи воздуха к пневматическим вибраторам были установлены два ресивера емкостью 0,15 м³ каждый с двух торцов кассетной установки. Воздух от ресиверов к вибраторам подавался через трубопровод диаметром 100 мм и гибким воздуш-ным шлангам внутренним диаметром 10 мм. От трубопровода через пневмоклапан МС202-V16 посредством гибкого шланга сжатый воздух подавался к каждому вибратору. Электрическая схема перепускных клапанов на установленных пневматических и имеющихся электрических вибраторах была замкнута на одну пусковую кнопку для каждого отсека в отдельности. Данная схема подключения позволяла включать не более 4-х пневмо- и 4-х электровибраторов одновременно, а также обеспечила независимость времени вибрирования от человеческого фактора, и устанавливалось по реле времени.
Полный перечень применяемых при эксперименте устройств:
– 12 пневматических высокочастотных вибратора марки VP-6000
– 2 ресивера для подачи воздуха по 0,15 м³
– гибкие воздушные шланги длиной 24 метра
– 14 электрических пневматических клапанов на 24 В
– 2 воздушных фильтра марки С401-F00 после каждого ресивера
Заливка бетонной смеси в кассеты производится поэтапно по 1м³ бетонной смеси. При заливке одной кассеты применялась одинаковая последовательность включения электрических и пневматических вибраторов и продолжительность вибрирования каждого типа вибраторов. Эксперимент состоял в переборе различных вариантов последовательности и продолжительности включения электрических и пневматических вибраторов с целью нахождения наиболее эффективного в плане уплотнения смеси варианта совместной работы двух типов вибраторов. В заводской лаборатории проводились испытания на прочность бетонного кубика из формы, закрепляемой на кассете. Наиболее оптимальным вариантом сочетания работы двух типов вибраторов, давший наилучший результат увеличения коэффициента прочности и уплотнения бетона, оказался способ одновременного запуска электрических низкочастотных и пневматических высокочастотных вибраторов на 10–15 секунд.
Вывод
При использовании дополнительного комплекта пневматических вибраторов
а) «визуально» увеличился выход пузырьков воздуха на поверхности смеси в момент ее уплотнения, что характеризует улучшение уплотнения бетонной смеси;
б) на готовых изделиях наблюдалось уменьшение пор и раковин;
в) по результатам лабораторных испытаний на бетонных кубиках (таблица 1) уплотнение бетона увеличилось на 1,5–2 % , прочность бетона увеличилась на 8-12%.
Выбор пневматических вибраторов обусловлен следующими причинами:
1. Они дешевле
2. Надежнее за счет другого принципа действия: отсутствуют дебалансы, внутри ката-ется стальной цилиндр.
3. Ремонтнопригодность: следует только почистить и заменить вибрирующую пластинку.
4. Нет необходимости в дорогих электрических конверторах, требуется только сжатый воздух, доступный на любом заводе ЗЖБИ.
