Уплотнение бетонной смеси в формах

В зависимости от степени подвижности уплотнение бетонных и растворных смесей производится самоуплотнением (без применения внешних сил) или принудительным путем. К самоуплотняющимся смесям относят подвижные (текучие) смеси. К смесям, требующим применения принудительного уплотнения, следует отнести подвижные, малоподвижные, умеренно жесткие, жесткие, повышенной жесткости и особо жесткие смеси.

Различают следующие методы принудительного уплотнения бетонорастворных смесей: вибрирование, центрифугирование, прессование, прокатка, трамбование и торкретирование. В отдельных случаях смеси уплотняют комбинированным способом - вибропрессованием, вибротрамбованием и т. д.

Вибрирование является наиболее широко распространенным способом уплотнения смесей как в опалубках, так и в формах. Оно базируется на способности смесей к тиксотропному разжижению и изменению структурной вязкости при определенных напряжениях сдвига, сообщаемых частицами в виде виброимпульсов. В результате того, что во время вибрирования частицы совершают непрерывные колебательные движения около своих центров, даже жесткие смеси становятся подвижно текучими, что способствует самоуплотнению их в таком состоянии. С прекращением вибрации смесь переходит в уплотненное состояние и при этом восстанавливает свою прежнюю степень жесткости.

Вибрирование бетонных смесей производят с помощью вибраторов глубинного действия, погруженных в бетонную смесь или установленных в ней (вибровкладыши, вибробулавы и т. д.); поверхностным вибрированием, когда виброимпульсы сообщаются смеси вибрирующими плоскими или профилированными плитами, уложенными на ее поверхности (виброштампование, вибропрессование); объемным вибрированием смеси через установленные на виброплощадках формы и, наконец, путем передачи виброимпульсов от навесных вибраторов через отдельные элементы форм (кассетное формование, вертикальное формование труб, объемных элементов и т. д.).

Увеличение подвижности бетонных смесей в процессе вибрирования зависит от ряда факторов, из которых доминирующее значение имеют частота и амплитуда вынужденных колебаний. Для каждого вида бетонной смеси имеются свои оптимальные значения этих факторов. С увеличением жесткости смеси, а также с увеличением крупности заполнителя амплитуда колебаний увеличивается. Для обычных смесей, изготовленных с применением заполнителя средней величины зерна, амплитуда колебаний находится в пределах от 0,3 до 0,7 мм; с уменьшением крупности заполнителя она составляет от 0,15 до 0,4 мм. Частота колебаний для обычных смесей находится в пределах от 2800-3000 до 6000-7000 кол./мин. Необходимо отметить, что с уменьшением амплитуды частота колебаний возрастает. Так как в составе бетонных смесей заполнитель всегда бывает различной величины (крупный и мелкий), то следует применять двухчастотную вибрацию.

Оптимальная эффективность виброуплотнения достигается тогда, когда частота колебаний равна или близка к резонансной частоте собственных колебаний частиц, составляющих смесь.

Для каждого вида бетонной смеси существует своя оптимальная продолжительность вибрации, при которой достигается максимальное уплотнение, внешне характеризуемое прекращением оседания смеси и появлением на ее поверхности цементного молока. Дальнейшее продолжение вибрирования бесполезно, так как оно никакого эффекта не дает.

Однако как показывают специальные исследования, повторное вибрирование ранее уплотненных смесей, проведенное до окончания процессов схватывания, т. е. не позже 2-4 ч от укладки смеси в форму, дает возможность в некоторых случаях повысить прочность бетона на 15-20% по сравнению с однократным вибрировапнем. При тепловлажностной обработке повторное вибрирование должно быть закончено не позже 30-40 мин.

Бетонные смеси уплотняют внутренним вибрированием с помощью глубинных вибраторов и вибровкладышей.

Вибровкладыши или пустотообразователи, вводимые внутрь бетонной смеси в количестве нескольких штук при формовании пустотелых настилов, панелей перекрытий, вентиляционных блоков и других пустотелых изделий, представляют собой длинные полые металлические стаканы, внутри которых размещены вибромеханизмы типа И-50 с частотой колебаний 5800 кол./мин или валы с дебалансами, вращающиеся со скоростью 2900 об/мин. Во время работы вибромеханизма пустотообразователь вибрирует и сообщает смеси радиально-направленные виброимпульсы, что способствует ее уплотнению. Уплотнение смесей пустотообразователями часто сочетается с одновременной работой виброплощадок и пригрузочных виброщитов.

Поверхностное уплотнение бетонной смеси производят площадочными вибраторами, виброщи-тамп, вибронасадком и вибровалом.

Площадочные вибраторы представляют собой передвигаемые по поверхности бетонной смеси металлические площадки размерами 0,5X1 м или 0,1X4,25 м с установленным на них вибромеханизмом. Частота колебаний площадки составляет 2800 кол./мин. Максимальная толщина уплотненного слоя -0,2-0,3 м, производительность - 4-5 м³/ч.

Виброщит - это плоская или профилированная металлическая плита, укладываемая на размещенную в форме бетонную смесь. На наружной поверхности виброщита размещен вибромеханизм, сообщающий щиту гармонические колебания, которые воспринимаются смесью. Виброщит должен свободно входить в форму и покрывать всю свободную поверхность смеси. Удельное давление, сообщаемое виброщитом, составляет 15-20 Г/см², что в 3-4 раза меньше оптимальных давлений, необходимых для вибропрессования смесей, поэтому для повышения давления до оптимального применяют дополнительно пружинные или пневматические прижимающие устройства, доводящие его до оптимальных величин порядка 70-100 Г/см². Пневматические прижимы в виде подушек заполнены сжатым до 2 ат воздухом. Уплотнение бетонных смесей с помощью виброщитов, работающих как с дополнительным пригрузом, так и без них, представляет собой один из видов вибропрессования. Если виброщит обладает профилированной рабочей поверхностью и придает уплотняемой смеси соотвествующую конфигурацию, то такое уплотнение называют виброштампованием. Для регулирования глубины погружения виброштампов их снабжают соответствующими ограничителями. Обычно виброщиты используют в сочетании с объемным уплотнением бетонной смеси на виброплощадке.

Вибронасадок - это механизм, разравнивающий и уплотняющий бетонную смесь при поступлении ее в форму. Он подвешен на пружинных амортизаторах к порталу самоходного бетоноукладчика или к формующему устройству прокатного стана. Вибронасадок состоит из жесткой сварной рамы и прикрепленных к ней на некотором расстоянии друг от друга двух поперечных (на всю ширину формы) металлических коробов с гладкой рабочей поверхностью, обращенной к бетону. В каждом коробе шириной 300- 400 мм по всей его длине находится вибромеханизм, сообщающий коробу вертикально направленные колебания. В процессе бетонирования вибронасадок подминает под себя бетонную смесь, разравнивает и уплотняет ее, а также заглаживает поверхность изделия.

Вибровалы как механизмы для уплотнения жестких бетонных смесей применяют при изготовлении железобетонных конструкций методом силового вибропроката на станах. Вся установка для силового вибропроката состоит из станины, в раме которой ступенчато расположено семь вибровалов диаметром 700 м и длимой, равной ширине изготовляемого изделия. Вибровалы прижимаются к поверхности изготовляемого изделия пружинами. Благодаря такому размещению давление на бетонную смесь по мере уплотнения ее постепенно возрастает и на последнем этапе формования достигает 9-10 Т/м вала. Каждый из этих валов оборудован вибрирующим дебалансным механизмом, сообщающим ему колебания частотой в 3000 кол/мин. Амплитуда колебаний, составляющая для первого вала 0,8 мм, постепенно уменьшается до 0,25 мм у последнего. Коэффициент уплотнения бетонной смеси довольно высок, он составляет 0,98-1,00; производительность всей установки около 8000 м³ в год.

Объемное виброуплотнение бетонных смесей проводится в плотно установленных на виброплощадках формах, через которые смесь получает от вибрирующей площадки соответствующие виброимпульсы.

Виброплощадка представляет собой плоский металлический стол, установленный горизонтально на упругих спиральных или плоских рессорных пружинах. Последние закреплены на фундаментной раме.

К нижней стороне стола прочно прикреплен вибромеханизм, сообщающий столу вынужденные колебания соответствующей амплитуды и частоты. Унифицированный вибромеханизм представляет собой двухвальный дебалансный вибратор с вертикально направленными колебаниями и средней величиной амплитуды колебаний 0,6 мм при частоте колебаний 3000 кол./мин. В зависимости от количества виброблоков грузоподъемность виброплощадок может колебаться от 2 до 24 т.

Виброплощадки широко используют как в сочетании с вибровкладышами, пустотообразователями, виброщитами, так и без них для изготовления в горизонтальном положении широкого ассортимента железобетонных конструкций различного назначения.

Изделия из жестких бетонных смесей после уплотнения в форме на виброплощадке подвергают немедленной распалубке, т. е. освобождают от бортоснастки и оставляют только на поддонах.

В некоторых случаях уложенную в форму бетонную смесь уплотняют навесными вибраторами, сообщающими ей вибрацию через такие элементы формы, как борта, формующие плоскости, сердечник и т. д.

Центробежное формование заключается в том, что уложенная в форму бетонная смесь во время вращения сначала под действием центробежных сил равномерно распределяется по внутренней поверхности формы, а затем уплотняется в ней. Развивающиеся при этом центробежные силы сообщают частицам смеси ускорения, пропорциональные массе частицы, квадрату угловой скорости и расстоянию от оси вращения. При постоянной массе частиц и постоянном расстоянии их от оси вращения центробежная сила будет тем больше, чем больше угловая скорость, т. е. чем больше форма делает оборотов, поэтому в начальной стадии формования для равномерного распределения бетонной смеси по внутренней поверхности формы количество оборотов должно быть одним, а для уплотнения смеси - другим. Для изделий трубчатого сечения среднего диаметра начальная скорость вращения формы колеблется в пределах от 60 до 150 об/мин. При таком вращении бетонная смесь хорошо распределяется по внутренней поверхности формы. Уплотнение происходит при более высокой скорости вращения, достигающей 400-900 об/мин.

Формование изделий центробежным способом совершается в два или несколько этапов. Так, например, центробежное формование труб диаметром от 600 до 1000 мм на некоторых предприятиях проводится по такому режиму: распределение смеси по внутренней поверхности формы длится 3-4 мин при 60 об/мин, начальное уплотнение в течение 6-8 мин - при 250-300 об/мин, окончательное уплотнение при 350-450 об/мин составляет 9 - 12 мин и, наконец, замедление скорости вращения до полной остановки формы - от 1 до 3 мин. Таким образом, полный цикл формования - 20-25 мин. Продолжительность центрифугирования определяется величиной прессующего давления, которое возникает в смеси при ее вращении. Оно зависит от скорости вращения и диаметра формы. Время, необходимое для уплотнения смеси при центробежном давлении в 0,6- 0,7 кГ/см², в среднем составляет 1,5 мин на каждые 10 см диаметра изделия. С увеличением скорости вращения центробежные силы возрастают, вследствие чего смесь в конечном итоге начнет расслаиваться. Вода как наиболее подвижная часть смеси отжимается внутрь формы и при этом образуются радиально направленные капилляры, которые значительно снижают плотность и водонепроницаемость конструкции. Исходя из этого нерационально увеличивать скорость вращения формы и продолжительность центрифугирования против расчетных величин, так как это никакого положительного эффекта не дает. Центробежным способом обычно формуют полые, конусообразные, цилиндрические или многогранные изделия, представляющие собой тела вращения. Формование этих изделий производят как в неразъемных цельнометаллических, так и в разъемных (состоящих из двух сбалчиваемых половин) формах. Формы вращаются с помощью осевых, свободнороликовых и ременно-жироскопических центрифуг.

Формование железобетонных конструкций прессованием и трамбованием основано на принудительном перемещении частиц смеси под действием внешних сил. Во время прессования смесь находится под действием прилагаемого к ней с поверхности прессующего давления, которое может колебаться в пределах от 50 до 150 кГ/см².

Различают следующие способы прессования железобетонных конструкций: штамповое прессование, гидропрессование, экструзия и прессование прокаткой.

Штамповое прессование характерно тем, что смесь воспринимает прессующее давление от штампа, перекрывающего всю ее свободную поверхность. Этот способ используют при изготовлении малогабаритных изделий. Для прессования больших изделий, поверхность которых велика, требуются мощные прессы, что технически и экономически не всегда рационально.

Гидропрессование применяют при изготовлении бетонных напорных труб. Сущность его заключается в том, что уложенная в форму смесь через эластичный резиновый чехол, покрывающий сердечник формы, подвергается довольно высокому прессующему давлению, составляющему около 25-30 ат. Под этим давлением смесь находится в форме в процессе схватывания и твердения. Благодаря этому прочность бетона на сжатие получается значительно выше, чем при других способах уплотнения, и почти достигает прочности цементного камня.

Экструзия, или мундштучное прессование, заключается в продавливании бетонной смеси через суживающийся к выходу мундштук. Форма и размеры выходного отверстия мундштука определяют очертание выдавливаемого бруса. Этот способ применим для формования изделий из мелкозернистых смесей с небольшим поперечным сечением.

Прокаткой называют формование изделий перемещающимися по поверхности смеси катками, сообщающими ей прессовое давление. Благодаря тому, что при прокатке прессовому давлению подвергается только та часть смеси, которая в данный момент находится под катком, прессовое давление может быть значительно увеличено, что способствует наиболее эффективному уплотнению смеси. Этот способ дает возможность формовать плоские крупногабаритные изделия.

Трамбование отличается от прессования тем, что при трамбовании смесь подвергают многократно повторяющимся ударам трамбовки. При этом частицы смеси перемещаются в направлении удара и смесь уплотняется. Бетонная смесь поступает в форму порциями и трамбуется послойно до тех пор, пока будет достигнута требуемая толщина изделия. Режим трамбования определяется качеством бетонной смеси, массой, высотой и частотой падения трамбовки. Несмотря на то, что трамбование представляет собой трудоемкий процесс, его применяют для изготовления толстых и крупногабаритных - массивных изделий.

Торкретирование, или формование изделий набивным способом, заключается в том, что полусухую формовочную, преимущественно мелкозернистую смесь наносят на поверхность формы (обычно сложного профиля) с помощью растворометов (цемент-пушки). Последняя выбрасывает смесь сжатым воздухом под давлением 4-5 ат со скоростью 100-120 м/с. Послойное нанесение смеси торкретированием дает возможность формовать изделия сложного профиля, а также наносить поверхностный защитный слой на арматуру при армировании изделий по затвердевшему бетону.