Процеси у виробництві будівельних матеріалів і виробів (стр. 3 из 14)
Розрізняють наступні способи формування: пресування, литво, прокат, брикетування, центрифугування, віброформування, вакуумування і ін.
Формування буває: попереднє, остаточне, дискретне (циклічне), безперервне і ін.
В промисловості збірного залізобетону найбільше розповсюдження одержало вібраційне, відцентрове, прокатне і екструзійне формування бетонних і інших формувальних сумішей.
2.1. Вібраційне формування (ущільнення) бетонних сумішей
Вібраційне формування буває: ударне, власне вібраційне, імпульсне, вібровакуумне і комбіноване.
Вібраційне формування - це формування з використанням вібраційної дії на бетонну суміш, при якій внутрішні опори в ній знижуються, настільки, що сили тяжіння частинок суміші виявляються достатніми для її ущільнення.
В процесі формування бетонної суміші відбувається більш повне укладання частинок, яке супроводжується видаленням з суміші повітря і зростанням в 1,3...1,4 рази густині суміші в порівнянні з первинною, тобто відбувається її ущільнення. Звичайно ступінь ущільнення суміші оцінюють коефіцієнтом ущільнення Ку = 1 - П, де П - погрішність суміші. Для важких бетонів з осіданням конуса більше 4 см Ку повинне бути не менше 0,98, а для жорстких і дрібнозернистих сумішей не менше 0,96.
При найпоширенішому вібраційному формуванні зв'язку між частинками свіжоукладеної бетонної суміші слабшають настільки, що пухирці повітря спливають, вгору, а частинки заповнювача бетонної суміші під дією сил тяжіння опускаються вниз, сприяючи витісненню повітря. При вібраційній дії різко падає в'язкість бетонної суміші, і вона по своїх властивостях наближається до рідин. Падіння в'язкості, тобто ослаблення зв'язків між частинками бетонної суміші, відбувається завдяки тому, що вібрація викликає відносне переміщення частинок, і ослаблення цих зв'язків відбувається тим повніше, чим вище відносні швидкості їх проковзування. Отже, щоб встановити основні закономірності вібраційного формування, необхідно з'ясувати причину виникнення відносного проковзування частинок бетонної суміші при вібраційній дії на неї і причину, що обумовлює істотне зниження зв'язків між частинками при виникненні цього проковзування.
Процес вібраційного формування бетонних сумішей дуже складний. Тому розглянемо його у вигляді, що схематизував. Дня цього представимо бетонну суміш у вигляді різних за розміром частинок крупного заповнювача, дотичних між собою і стінками судини, в якій знаходиться бетонна суміш. Простір між частинками крупного заповнювача займає цементно-піщаний розчин, що включає пухирці повітря. Отже, бетонна суміш є трифазним середовищем, що складається з твердої (частинки крупного заповнювача), рідкої (цементно-піщаний розчин) і газоподібної (пухирці повітря) фаз.
Приведемо місткість, в якій знаходиться бетонна суміш, в гармонійний коливальний рух з частотою ω, якщо в цю місткість зануримо яке-небудь тіло, що коливається. Тоді від внутрішніх поверхонь емкості або від поверхні зануреного тіла (випромінюючих поверхонь) коливання почнуть передаватися дотичним з ними частинкам крупного заповнювача і цементно-піщаному розчину. Сили сухого тертя між дотичними частинками крупного заповнювача і в'язкий опір цементно-піщаного розчину почнуть захоплювати в коливальний рух частинки бетонної суміші, видалені від випромінюючих поверхонь. Проте частинки крупного заповнювача володіють достатньо великою масою і, отже, інерційністю і тому чинитимуть опір залученню в цей коливальний рух. При цьому частинки крупного заповнювача з більшою масою матимуть менші розмахи коливань, а частинки з меншими масами великі, оскільки останні володіють меншим відношенням маси до поверхні, від якої залежать сили в'язкого опору залучаючого їх до коливального руху. Опір, що виникає при відносному русі частинок крупного заповнювача і цементно-піщаного розчину, викличе різні по значенню фазові зсуви переміщень частинок крупного заповнювача щодо коливань випромінюючих поверхонь. Таким чином, між частинками крупного заповнювача виникнуть відносні проковзування, швидкості яких у міру видалення від випромінюючих поверхонь знижуватимуться і на деякій відстані від них впадуть до нуля.
Відстань, на яку розповсюджуються коливання в товщі бетонної суміші, залежить від напряму коливань відносно випромінюючої поверхні. Якщо коливання перпендикулярні випромінюючій поверхні, то вони передаються бетонній суміші шляхом сполучення їй імпульсів стиснення або збудженням в ній нормальних напруг, що періодично змінюються. Якщо коливання дотичні у напрямку до випромінюючої поверхні, то збудження коливань в бетонній суміші відбувається за рахунок дотичних напруг, що періодично змінюються. При збудженні коливань за рахунок нормальних напруг вони розповсюджуються в бетонній суміші на більшу глибину, ніж у разі збудження коливань дотичними напругами.
В першому наближенні можна вважати, що при постійній амплітуді переміщення випромінюючої поверхні сили в'язкого опору цементно-піщаного розчину ростуть пропорційно швидкості і, отже, з підвищенням частоти гармонійних коливань вони ростуть пропорційно ω. Інерційні ж сили збільшуються пропорційно ω2. Отже, при зростанні частоти коливань абсолютні значення переміщень більш дрібних частинок крупного заповнювача знизяться, а це в сукупності із згаданими фазовими зсувами приведе до зростання швидкостей їх проковзування відносно навколишнього середовища. Цим пояснюється доцільність підвищення частоти коливань при формуванні бетонних сумішей з дрібним заповнювачем. Таким чином, в спрощеному вигляді пояснюються причини виникнення відносного проковзування частинок бетонної суміші при вібраційній дії на неї.
Мал.6.1. Паралелограм векторів сил і швидкостей
Тепер з'ясуємо причини, при яких різко знижуються сили зв'язків між частинками бетонної суміші в умовах їх відносного проковзування. Перш за все, з'ясуємо, чому при відносному проковзуванні частинок бетонної суміші сили їх тяжіння виявляються достатніми для подолання сил сухого тертя, обумовлених взаємним затисканням частинок крупного заповнювача. Для цього скористаємося результатами досліджень вібраційного зниження тертя, виконаних Г.Ю. Джанелідзе, И.И. Блехманом і І.І. Биховськім, і розглянемо поведінку тіла М, яке ковзає по поверхні іншого тіла із швидкістю v (мал.6.1). Цей рух може відбуватися за інерцією або під дією деякої сили Р. В останньому випадку вектор швидкості v співпадає по напряму з вектором сили Р. Тепер в позитивному напрямі осі х прикладемо до тіла М миттєвий імпульс сили, що викликає рух тіла з швидкістю і, вектор якої з первинним вектором швидкості v складає кут φ, і одночасно прикладемо до тіла М силу Q, що забезпечує постійність швидкості і. Для цього необхідно, щоб Q = Fu, тобто модулю видимої сили тертя, яку повинна долати сила Q. Вектор результуючої швидкості ω тіла визначиться як
.Дійсна сила тертя F, прикладена до тіла М, діє уздовж вектора швидкості ω в напрямі, протилежному йому. Силу Fможна розкласти на дві складові Fu і Fv які направлені відповідно в сторони, протилежні векторам швидкостей u і v.
З подібності трикутників виходить, що Fu = uF/ω. Підставивши в цей вираз значення ω, одержимо
(6.1)Але сили тертя пропорційні коефіцієнтам тертя
(6.2)де N - сила нормального тиску; f - дійсний коефіцієнт тертя ковзання; fu - видимий (уявний) коефіцієнт тертя ковзання. З врахуванням (6.2) рівність (6.1) приймає вигляд
(6.3)В окремих випадках при
.Останні вирази показують, що при будь-яких значеннях кута φ, якщо 
. З цього виходить, що видимий коефіцієнт тертя, а,значить, і видима сила тертя сталі пропорційними швидкості u, тобто опір став як би лінійно-в'язким. Таке явище часто називають лінеаризацією тертя.
Одержаний результат говорить про те, що якщо тіло М рухалося рівномірно під дією сили Р з деякою швидкістю v (згідно закону Кулона, Р≥Nf), змінити модуль або напрям вектора швидкості тіла М, що рухається, може практично будь-хто скільки завгодно мала сила Q. Проте це лише уявне зниження тертя, оскільки в напрямі, протилежному від результуючого вектора швидкості ω (мал.6.1), діє повна сила тертя F=Nf. Отже, коли при вібраційній дії на бетонну суміш починаються відносні проковзування частинок бетонної суміші, то сила їх тяжіння, подібно малій по значенню силі Q, здатна примусити ці частинки рухатися вниз.
Окрім крупного заповнювача бетонна суміш складається з цементно-піщаного розчину з включеннями бульбашок повітря. Цей розчин може розглядатися як деяке дисперсне середовище, яке під дією вібрації піддається деформаціям зсуву. Доведено, що текучість цементно-піщаного розчину підвищується із зростанням швидкості деформацій зсуву. Значить, під дією вібрації падає диссипативний опір деформаціям бетонної суміші.
Одним з домінуючих чинників, що впливають на процес вібраційного ущільнення бетонної суміші, є інерційні сили, діючі на її частинки. Ці сили є причиною виникнення відносних прослизань частинок бетонної суміші і в сукупності з силою тяжіння, діючої на частинки, забезпечують її ущільнення. Значить, чим вище прискорення коливань випромінюючих поверхонь, тим більше інерційні сили, діючі на частинки, і тим повніше протікає процес ущільнення бетонної суміші. Проте встановлено, що коли вектори прискорень нормальні до випромінюючої поверхні, і їх максимальні значення перевершують 6...7 g, інерційні сили, діючі на частинки, робляться такими великими, що долають сили адгезіонного зчеплення між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею в ті інтервали часу, коли вони направлені від неї. При цьому виникає розрив між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею, який приводить до підсосу повітря, тобто до ущільнення бетонної суміші.