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 F можна 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.
П.И. Новосельский і В.В. Шестоперов експериментально довели, що адгезіонні сили мало залежать від складу сумішей і матеріалу випромінюючих поверхонь, тому можна вважати, що при прискореннях 6g відриву суміші ще не відбувається.
При дотичних коливаннях випромінюючої поверхні по відношенню до бетонної суміші можливість таких розривів виключається, що дає можливість дещо інтенсифікувати процес ущільнення шляхом підвищення розмахів прискорення випромінюючої поверхні.
Ефективність ущільнення бетонної суміші великою мірою залежить від того, що розташовує по відношенню до неї випромінюючій поверхні. Якщо випромінююча поверхня є площиною і розташовується зверху на бетонній суміші, таке ущільнення називають поверхневим. Якщо випромінююча поверхня (звичайно циліндрова) розташовується усередині масиву бетонної суміші, ущільнення називають глибинним. Якщо конфігурація випромінюючих поверхонь повторює конфігурацію виробу, тобто є формою, і бетонна суміш розташовується над нижньою випромінюючою поверхнею (звичайно площиною, звану піддоном), а вся форма в цілому скоює який-небудь коливальний рух, який розповсюджується у всьому об'ємі бетонної суміші, що знаходиться в ній, ущільнення називають об'ємним. Воно забезпечує високий ступінь ущільнення бетонної суміші і набуло найбільше поширення у виробництві збірного залізобетону. З цієї причини розглянемо деякі специфічні особливості об'ємного ущільнення.
При коливаннях форми відрив суміші від її випромінюючих поверхонь, перпендикулярних напряму коливань, і пов'язані з цим підсос повітря і ущільнення суміші почнуться при вказаних вище значеннях прискорень (6...7g). Якщо форма скоює гармонійні коливання із заданою частотою?, те максимально допустиме значення її амплітуди коливань хаmax = 6g/ ω.
При об'ємному ущільненні застосовують горизонтально і вертикально направлені коливання форми. При горизонтально направлених коливаннях форми ущільнення бетонної суміші здійснюється в основному за рахунок дотичних коливань піддону. Нормальна дія на бетонну суміш в цьому випадку походить лише від бортів торців форми, площа яких мала. Тому, як вже наголошувалося, при горизонтально направлених коливаннях може бути досягнута деяка інтенсифікація ущільнення бетонної суміші у разі формування тонкостінних виробів за рахунок підвищення прискорень форми. Ефективними шляхами підвищення прискорень є вживання бігармонічних і ударно-вібраційних коливань форми з бетонною сумішшю. Проте при будь-якій формі горизонтально направлених коливань вони повинні бути обов'язково симетричними, тобто прискорення при русі форми і в одну, і в іншу сторони повинні бути однаковими. Якщо симетрія коливань буде порушена, то виявиться транспортний ефект, і бетонна суміш почне переміщатися у бік менших прискорень, що неприпустимо, оскільки приведе до розшарування бетонної суміші і різностінності виробів.
При вертикально направлених коливаннях форми відрив суміші від піддону можливий лише в тій частині періоду її руху, коли інерційні сили, прикладені до частинок бетонної суміші, діють вгору. При дії ж інерційних сил на частинки вниз суміш притискається до піддону форми. Ця обставина відкриває перспективи інтенсифікації процесу ущільнення бетонної суміші за рахунок використовування асиметричних вертикально направлених коливань форми.
Для пояснення цього явища розглянемо сили, діючі на деякий об'єм бетонної суміші масою тб, що знаходиться на горизонтальній поверхні-піддоні, який скоює вертикально направлені коливання за законом x0 ( t ) (мал.6.2)
Мал.6.2. Схема сил, діючих на бетонну суміш, що знаходиться на площині, що скоює вертикально направлені гармонійні коливання
Рівняння руху цього об'єму можна записати у вигляді
(6.4)
Тут х - переміщення об'єму щодо піддону; перший член справа - інерційна сила, обумовлена коливаннями піддону; другий - вага частинки суміші; 
При русі частинок разом з піддоном х = 0, звідки нормальна реакція
(6.5)
Відрив частинки від піддону відбувається при N= 0, тобто при
(6.6)
Звідси видно, що відрив можливий лише при негативних прискореннях піддону. Експериментально встановлено, що відрив може відбутися в тому випадку, якщо
(6.7)
При відриві бетонної суміші від піддону в простір, що утворився, спрямовується повітря, яке потім перетворюється на бетонну суміш, що приводить до її ущільнення. Таким чином, для того, щоб не відбувалося ущільнення, негативні прискорення піддону не повинні перевершувати по модулю 7g.
Мал.6.3. Зразкові осцилограми прискорень при гармонійних і асиметричних коливаннях
При гармонійних коливаннях графік прискорення піддону симетричний (мал.6.3, крива 1), і максимальні значення позитивних і негативних прискорень рівні між собою. При асиметричних коливаннях (мал.6.3, крива 2) можна сформувати такі закони руху піддону, при яких максимум модуля негативного прискорення 
менше 7g, а максимум позитивних прискорень 
досягає 15-20 g.
Таким чином, при гармонійних коливаннях піддону для виключення відриву бетонної суміші необхідно обмежувати амплітуду прискорення, тоді як при асиметричних коливаннях достатньо обмежити по модулю лише негативні прискорення піддону. Позитивні ж прискорення можуть бути доведені до 20 g. В результаті виключається можливість відриву бетонної суміші від піддону, а великі інерційні сили, що притискують суміш до піддону, з одного боку, сприяють поліпшенню процесу ущільнення за рахунок виникаючого при цьому трамбуючого ефекту, і з другого боку, підвищують швидкості відносного проковзування частинок бетонної суміші, від яких, як відомо, залежить ступінь зниження її внутрішніх опорів, і, відповідно, якість ущільнення. Цим і пояснюється підвищена ущільнююча здатність машин з асиметричними коливаннями.
Асиметричні коливання робочих органів з необхідними співвідношеннями максимумів модуля позитивних і негативних прискорень найбільш просто досягаються в ударно-вібраційних ущільнюючих машинах шляхом відповідного підбору їх основних параметрів.
Випромінюючі поверхні робочих органів ударно-вібраційних машин здійснюють складні за формою коливання, які можуть бути представлені у вигляді суми гармонік, перша з яких ω1 (частота основного тону) рівна частоті ударів, друга ω2 = 2ω1, третя ω3 = 3 ω 1 і т.д., тобто в таких випадках говорять, що спектральний склад коливань збагатив вищими гармоніками, з яких перші 4...5 звичайно достатньо значущі. Ця обставина, з викладених вище причин, покращує ущільнення дрібнозернистих сумішей. Останніми роками завдяки своїй конструктивній простоті і високій ущільнюючій здатності все більше поширення набувають ударно-вібраційні ущільнюючі машини.
При розрахунках вібраційних ущільнюючих машин обов'язково виникає необхідність обліку впливу бетонної суміші на динаміку машини. Приведений вище опис закономірностей вібраційного ущільнення бетонної суміші говорить про те, що для вирішення цієї задачі необхідно розглядати ущільнюючу машину і бетонну суміш як єдину динамічну систему. Але бетонна суміш є складним в’язкопластичним середовищем, яке за наявності повітря (особливо в початковий період ущільнення) володіє і деякими пружними властивостями. Все це украй утрудняє рішення єдиної динамічної системи "ущільнююча машина - бетонна суміш". Тому при практичних розрахунках ущільнюючих машин прийнято враховувати вплив бетонної суміші на їх динаміку введенням коефіцієнта приєднання бетонної суміші.
При завантаженні форми бетонною сумішшю, що знаходиться на працюючій формуючій машині із зарезонансною настройкою, відбувається зниження амплітуд віброзміщень через збільшення маси, що коливається. Таке ж по величині зниження амплітуд віброзміщень може бути досягнуте шляхом жорсткого приєднання до порожньої форми зосереджених вантажів. Відношення маси цих вантажів до всієї маси бетонної суміші, завантажуваної у форму, називають коефіцієнтом приєднання бетонної суміші k1. Експериментально встановлено, що залежно від густини армування і складу бетонної суміші k1 = 0,15...0,4. Склад суміші робить значно менший вплив на k1, ніж густина армування. Тому звичайно для малоармованих виробів приймають k1 = 0,2...0,25, для середньоармованих k1 = 0,25...0,3 і для густоармованих k1 = 0,3...0,4. При розрахунку з гармонійними вертикально направленими коливаннями, що працюють в зарезонансному режимі, їх розглядають в спрощеному вигляді як диссипативну систему (тобто з розсіюванням енергії) з одним ступенем свободи. При цьому вібруюча маса буде рівна
тв = тk + тф + k1тбс (6.8)
де тk - маса частин вібромайданчика, що коливаються; тф - маса форми; k1тбс - приєднана маса бетонної суміші.
Останній доданок моделює приведену масу пружно-в'язко-пластичного середовища, яким є бетонна суміш.
Дисипація енергії, пов'язана з ущільненням бетонної суміші в цьому випадку моделюється опором, від якого залежить кут φ зсуву фаз між силою і переміщенням, що є вимушеним. При розрахунку вібромайданчиків амплітуду їх коливань Ха і потужність, необхідну для підтримки коливань, Nср знаходять як
(6.9) 
(6.10)
де т0 - маса дебалансів; r - ексцентриситет дебалансів; ω - кутова частота коливань вібромайданчика.
Відцентрове формування
При центрифугуванні дія на тіло або оброблюване середовище здійснюється відцентровими силами. Машини, в яких здійснюється така дія, називаються центрифугами. Центрифуги призначаються для розділення сумішей на складові частини, осадження частинок, зважених в рідині, ущільнення різних середовищ і інших цілей. Робочий орган центрифуг може обертатися щодо вертикальної або горизонтальної осі.
При обертанні щодо вертикальної осі на оброблюване тіло або середовище діє відцентрова сила, вектор якої обертається в горизонтальній площині, а вектор сили тяжіння перпендикулярний їй.
При цьому результуюча сила, діюча на оброблюване тіло або частинки матеріалу
(6.11)
де т - маса тіла або частинки матеріалу; R - радіус, на якому знаходиться центр тяжіння тіла або частинки від осі обертання. При обертанні робочого органу щодо горизонтальної осі результуюча сила, діюча на оброблюване тіло або частинку матеріалу (мал.6.4)
Мал.6.4. Схема діючих сил при відцентровому формуванні
(6.12)
При ωt = 0, коли частинка або тіло знаходяться в точці А, cosωt = - 1.
Тоді
(6.13)
при ωt = 180°, коли частинка знаходиться в точці В, cosωt = - 1.
(6.14)
Отже, при горизонтальному тому, що розташовує осі обертання робочого органу в точці А (мал.6.4) тиск нижче, ніж в точці В. При циліндровому робочому органі і обробці плинних середовищ це примушує їх при роботі центрифуги рівномірно розподілятися по внутрішній поверхні робочого органу.
У виробництві збірного залізобетону застосовують центрифуги з горизонтальною віссю обертання і циліндровим робочим органом для формування трубчастих виробів. В цьому випадку (мал.6.4) результуюча відцентрова сила, діюча на елементарне кільце бетонної суміші радіусом r1 завтовшки стінки dr1 і завдовжки l, буде
(6.15)
де ρ - густина бетонної суміші (ρ = 600...2400 кг/м3). Інтегруючи останній вираз R1 до R, одержимо
(6.16)
де R - зовнішній радіус труби; R1 - внутрішній радіус труби.
Щоб визначити тиск на зовнішній поверхні труби, ліву і праву частині виразу ділять на зовнішню площу труби
(6.17)
Як видно, останній вираз дає зв'язок між тиском на поверхні труби з її параметрами і швидкістю обертання центрифуги. Таким чином, можна вибрати основні параметри центрифуг для формування трубчастих залізобетонних виробів. Крім того, з останнього виразу видно, що відцентрове формування за своєю суттю є одним з різновидів формування пресуванням, в якому пресуючим зусиллям є відцентрова сила.
Роликове формування
Процес роликового формування полягає в укочуванні рихлої бетонної суміші роликами. У такий спосіб формують плоскі і трубчасті бетонні і залізобетонні вироби. Він істотно відрізняється від вібраційного способу і відноситься до одного з різновидів формування шляхом пресування. При такому формуванні ущільнення бетонної суміші відбувається під дією нормального контактного тиску ролика на суміш, який прийнято називати пресуючим тиском. Пресуючий тиск прикладається до бетонної суміші з певною швидкістю і зростає від нуля до максимуму, а потім знижується. При цьому відбувається порушення порівняно слабких зв'язків між частинками бетонної суміші, які під дією пресуючого тиску долають опір зсуву і переміщаються в більш стійкі положення, витісняючи при цьому пухирці повітря. Після зняття пресуючого тиску (після проходу ролика) відбувається розвантаження бетонної суміші, і частина її первинної деформації пружно відновлюється (мал.6.5).
Подальші дії пресуючих роликів в умовах безперервного надходження під них бетонної суміші приводять до нових переміщень її частинок і подальшого витіснення повітря. У міру збільшення числа дій роликів ущільнення суміші відбувається не тільки унаслідок повторення навантаження, але і унаслідок збільшення пресуючого тиску роликів на суміш. Поступово суміш ущільнюється, що виражається в накопиченні необоротних деформацій бетонної суміші, величина яких за кожну нову дію поступово зменшується і після 40...80 проходів ролика стає неістотною. Це свідчить про те, що бетонна суміш ущільнена.
Мал.6.5. Схема роликового формування: 1 - форма; 2 - бетонна суміш, 3 - ролик.
Мал.6.6. Схема ущільнення суміші при роликовому формуванні
При формуванні плоских виробів вісь пресуючого ролика (одного або декількох) скоює поворотно-поступальний рух. На схемі (мал.6.5) показаний момент, коли ролик і форма рухаються щодо один одного зліва направо. При формуванні порожнистих циліндрових виробів пресуючі ролики встановлюють на спеціальній головці, яку називають пресуючою. На ній встановлюють три або більше число роликів так, що їх зовнішні твірні співпадають з внутрішньої циліндрової поверхні твірної трубчастого виробу. Пресуюча головка з роликами обертається в одному напрямі.
Головним чинником, що визначає ступінь ущільнення бетонної суміші при роликовому формуванні, є пресуюче тиск ролика на суміш.
Спрощена схема сил, діючих на ролик в процесі формування, приведена на (мал.6.6). Пресуючий тиск
(6.18)
де Е - модуль першого роду бетонної суміші; а - кут захоплення бетонної суміші роликом.
Для особливо жорстких бетонних сумішей при α = 30° пресуюче зусилля рівно
(6.19)
де lp - довжина пресуючого ролика; r - радіус ролика.
Процес роликового формування достатньо складний. Вираз для р дає значення тиску безпосередньо під роликом. У міру видалення від поверхні ролика тиск в бетонній суміші падає і на деякій глибині h0 досягає свого початкового значення р0, тобто тиску, який був в бетонній суміші до дії на нього роликом. Оскільки густина бетонної суміші є функція р на глибині h0, ущільнення не відбувається. Значення р і h0 ростуть із збільшенням радіусу ролика r. Залежність пресуючого тиску і, отже, густини суміші при роликовому формуванні від властивостей суміші, геометрії виробу і параметрів формуючої установки дуже складна. Тому при практичних розрахунках установок частіше всього використовує емпірична залежність.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 222.
