Гидромеханические процессы

Существенным недостатком  бетононасосов поршневого типа является относительно быстрый износ рабочих цилиндров, непосредственно соприкасающихся с бетонной смесью, компоненты которой обладают высокой абразивностью. В связи с этим обращают на себя внимание конструктивные разработки, в которых металлические рабочие детали не имеют непосредственного контакта с транспортируемой смесью. Так, для бетонных смесей созданы ротационные бетононасосы, принцип действия которых сводится к тому, что бетонная смесь с помощью металлических роликов выдавливается из неопреновой гибкой трубы. Однако характеристики такого насоса существенно уступают характеристикам цилиндрических гидронасосов.

Наиболее удачно идея бесконтактности транспортируемой смеси с рабочими металлическими поверхностями решена в конструкции растворонасоса мембранного типа (рисунок 30).

Рисунок 30 – Схема растворонасоса мембранного типа:

1 – приемная воронка; 2 – нагнетательный трубопровод;

3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан;

5 – корпус насоса; 6 –  гибкая мембрана; 7 – приводной  шток

Принцип работы растворонасоса сводится к тому, что гибкая мембрана, перемещаясь вниз, создает разряжение в объеме растворонасоса, в результате чего растворная смесь через клапан 3 засасывается внутрь насоса, а при движении вверх через клапан 4 подается в нагнетательный трубопровод.

Растворонасос мембранного типа отличается простотой обслуживания, надежностью и долговечностью в работе. Поэтому на протяжении уже нескольких десятилетий он является незаменимым оборудованием на строительных площадках.

4.8.9 Перемешивание  жидких и жидкообразных масс

4.8.9.1 Сущность процесса, значение для технологии

Перемешивание – это процесс усреднения состава многокомпонентной смеси.

В зависимости от физических свойств обрабатываемых веществ  различают перемешивание текучих сред (ньютоновских и неньютоновских жидкостей), пастообразных и сыпучих материалов.

Перемешивание осуществляется в целях: 1) обеспечения равномерного по объему распределения компонентов получаемой смеси; 2) интенсификации тепловых процессов; 3) интенсификации массообменных процессов.

В строительно-технологических  процессах каждая из обозначенных целей  актуальна, но, тем не менее, главное  внимание научных работников, конструкторов, производственников сосредоточено  на процессах получения однородных жидких или жидкообразных масс. В заводской технологии – это шликерные массы при производстве тонкой керамики, глиносодержащие тестообразные пасты при производстве грубой керамики, достаточно текучие массы при производстве ячеистых бетонов, традиционные тяжелые бетонные и растворные смеси и т.п.

Качество перемешивания  в значительной степени предопределяет качество получаемого материала или изделия.

Качество перемешивания  оценивается по степени однородности состава получаемой массы. При этом используют такие статистические характеристики, как дисперсия, среднеквадратичное отклонение, коэффициент вариации. Предварительно проводят многократно повторяющиеся лабораторные исследования. Например, на заводах железобетонных изделий с технологической линии отбирают пробы бетонной смеси, и в каждой пробе определяют по принятым методикам содержание воды, цемента, песка и щебня. Полученные выборки соответствующих значений минимум по 6 пробам позволяют получить требуемые статистические характеристики.

Аппарат, в котором осуществляется процесс перемешивания, называется смесителем.

В промышленности нашли применение следующие методы перемешивания жидких и жидкообразных масс: 1) при помощи механических мешалок с вращательным или колебательным движением; 2) барботажный – путем подачи в жидкую массу газа, который, поднимаясь вверх в виде пузырей, перемешивает эту массу или поддерживает длительное время ее однородность; 3) турбулизаторный – путем создания в потоке жидкости или газа искусственной турбулизации, например, установкой в транспортирующем канале многочисленных перегородок; 4) циркуляционный – путем циркуляции содержимого аппарата при помощи центробежного или струйного насоса.

Из представленных четырех  методов в промышленности строительных материалов и изделий преимущественное применение получили смесители с механическими мешалками. Этот метод и станет предметом нашего дальнейшего рассмотрения.

4.9 Процессы вибрационного  формования бетонных

и железобетонных изделий

4.9.1 Сущность и  значение процессов формования

Процессы формования присущи  технологиям большинства строительных изделий. В качестве таковых используют методы литья, экструзии (выдавливания смеси из формообразующего насадка), прессования, проката, виброуплотнения и другие. Каждому из названных методов свойственны свои законы протекания. Нас же пока интересуют лишь те методы, в основе которых лежат законы гидродинамики. К ним можно отнести методы экструзии, литья, виброуплотнения (в дальнейшем мы убедимся в том, что процессы виброуплотнения с полным основанием можно отнести к гидродинамическим).

Закономерности и количественные соотношения протекания процессов экструзии будут такими же, что уже рассмотрены применительно к течению в трубах вязкопластичных высококонцентрированных паст.

Метод литья по своей природе  достаточно прост, напоминает обычное течение жидкости. С точки зрения раннего структурообразования – это пассивный метод, так как приводит к неуправляемому, случайному расположению структурных элементов в теле формуемого изделия.

Вибрационный же метод  – это метод активного воздействия  на формирующуюся структуру строительного композита. Наиболее наглядно это прослеживается при формовании бетонных и железобетонных изделий. В связи с этим сосредоточим наше дальнейшее внимание на процессах, присущих этому виду формования.

Применительно к бетонным и железобетонным изделиям под формованием следует понимать определенную совокупность элементарных процессов, в результате которых исходная бетонная смесь приобретает заданную геометрическую форму и размеры и, самое главное, достигает предельно высокой плотности.

Если проанализировать макроструктуру свежеприготовленной бетонной смеси, то можно отметить (рисунок 31), что она представляет собой рыхлую конгломератную слипшуюся массу случайным образом расположенных зерен крупного заполнителя в оболочках из растворной составляющей, которая, в свою очередь, представляет композицию зерен мелкого заполнителя, окутанных цементным тестом. В этой массе большая доля объема занята воздушными полостями. Если из такой бетонной смеси отформовать изделие, не изменяя ее структуру, то после отвердевания бетонной смеси свойства бетона в изде лии будут весьма низкими.

Рисунок 31 – Макроструктура неуплотненной бетонной смеси

Вибрационные же воздействия  на бетонную смесь приводят к упорядочению, усовершенствованию ее структуры (рисунок 32). Происходит переукладка ее зернистых составляющих таким образом, что зерна крупного заполнителя, как наиболее тяжелые, размещаются предельно компактно в первую очередь, растворная же составляющая бетонной смеси наиболее плотно заполняет затем оставшиеся промежутки. Если формуется мелкозернистый бетон (на песке), то компактное расположение приобретают в первую очередь зерна песка. Затвердевший бетон такой совершенной структуры обладает максимально высокими прочностью и другими физикомеханическими свойствами, так как среди его структурных составляющих (цементный камень, воздушные и капиллярные поры, заполнитель) крупный заполнитель из природных горных пород с высокими свойствами занимает максимум объема. В связи  с изложенным видится оправдан- ным тот факт, что на практике в исходных составах бетонных смесей, подлежащих виброуплотнению, содержание щебня всегда выше, чем у литых бе- тонных смесей.

Рисунок 32 – Макроструктура виброуплотненной бетонной смеси

Таким образом, вибрационный метод уплотнения бетонной смеси  имеет определенные преимущества перед  другими методами и поэтому он остается доминирующим как в заводских  технологиях, так и непосредственно на строительной площадке. Поэтому наше внимание к нему является вполне оправданным.

 

4.9.2 Сущность (механизм) процесса виброуплотнения

При самом общем подходе  виброуплотнение происходит в результате того, что бетонной смеси передаются частые, периодически повторяющиеся механические импульсы, под воздействием которых она вовлекается в колебательные движения. Как уже известно, из курсов физики, теоретической механики, любое колебательное движение характеризуется частотой, амплитудой, скоростью, ускорением, фазой колебания. Для разных по размеру частиц бетонной смеси они по ряду причин оказываются разными. В результате зернистые составляющие бетонной смеси совершают колебательные движения с фазовыми (относительно друг друга) сдвигами, и даже в противофазах. Итогом этого является бесчисленное множество взаимных сдвиговых деформаций в объеме бетонной смеси, в ходе которых проявляются реологические свойства бетонной смеси, рассмотренные нами ранее.

В первом приближении можно  считать, что взаимное перемещение  частиц будет обеспечено в том  случае, если инерционная сила частицы, сообщенная ей внешним механическим импульсом, обеспечит преодоление предельного напряжения сдвига бетонной смеси, а точнее – тонкодисперсной ее составляющей. После этого возможно течение бетонной смеси с проявлением переменной, убывающей с увеличением скорости сдвига, вязкостью. Скорость сдвига легко регулируется частотой и амплитудой колебаний. Но так как колебательный процесс знакопеременный, то скорость в нем также переменна и изменяется в пределах от нуля до некоторой предельной в каждом случае величины. Это говорит о том, что управлять процессом виброуплотнения через параметр скорости трудно.