Уплотнение бетонной смеси

Уплотнение бетонной смеси производят после ее укладки в форму, таким образом, чтобы в ней не оставались свободные места, а углы и суженные места формы заполняют особенно тщательно.После укладки бетонной смеси производят уплотнение ее вибрированием, виброштампованием, центрифугированием, вакуумированием, прокатом. Наиболее распространенным видом уплотнения бетонной смеси является вибрирование. Степень уплотнения бетонной смеси с помощью вибраторов зависит в основном от частоты и амплитуды колебаний, а также от продолжительности вибрирования.

В результате уплотнения бетонная смесь заполняет форму, причем уплотненная бетонная смесь должна иметь однородное строение и минимальный объем воздушных пустот; после уплотнения остается не более 2 — 3% воздуха (т. е. 20 — 30 дм³ на 1 м³ бетона).

Для получения плотного бетона необходимо, чтобы удобоукладываемость бетонной смеси соответствовала принятому способу и интенсивности уплотнения. При сильном механическом уплотнении (рисунок-1) жесткие бетонные смеси укладываются плотно. В результате повышается прочность бетона (при сохранении одинакового расхода цемента).

Рисунок-1. Влияние интенсивности уплотнения на прочность бетона:

 

 

 

 

 

 

 

1 — сильное уплотнение; 2 — слабое уплотнение

Вибрирование бетона

Основным способом уплотнения бетонных смесей является вибрирование. При вибрировании частые колебания, создаваемые вибратором, вызывают колебательные движения частиц бетонной смеси. Силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются, зерна заполнителей укладываются компактно, промежутки между ними заполняются цементным тестом, а пузырьки воздуха вытесняются наружу.

Плотность укладки бетонной смеси контролируют по величине коэффициента уплотнения, который равен отношению фактической объемной массы свежеуплотненного бетона к его расчетной объемной массе. Уплотнение считается «полным» при коэффициенте уплотнения 0,98 — 1.

Эффективность виброуплотнения зависит от продолжительности и интенсивности вибрирования. Интенсивность виброуплотнения характеризуют два параметра вынужденных колебаний: 1) амплитуда колебаний а (половина наибольшего перемещения частиц при колебательном движении); 2) частота колебаний ƒ (Гц) (число периодов колебаний в секунду).

Об интенсивности виброуплотнения можно судить по величине амплитудного значения ускорения w (см/с²), сообщаемого колеблющимся частицам при угловой скорости ω (рад/с); w=aω²=a4𲃲

Интенсивность вибрирования принято выражать в единицах земного ускорения g, например интенсивность равна 2g, 4g, 8g. Эта характеристика интенсивности показывает, во сколько раз ускорение, сообщаемое частицам при вибрировании, больше ускорения силы тяжести.

Эффективность уплотнения бетонной смеси значительно возрастает при резонансных режимах виброуплотнения, при которых частота вынужденных колебаний частиц смеси совпадает с частотой собственных колебаний вибратора. При этом достигается плотная укладка бетонной смеси за короткое время. Интенсивность (см²/с³) виброуплотнения по В.Н. Шмигальскому характеризуется произведением скорости колебаний ν= αω=а·2πƒ на ускорение:U=vw=8π³a²ƒ³, или в общем виде-U=ℜa²ƒ³.

Для каждой бетонной смеси имеется своя оптимальная интенсивность вибрирования, которая достигается правильным сочетанием амплитуды и частоты колебаний. На заводах сборных железобетонных изделий жесткие и малоподвижные бетонные смеси эффективно уплотнять на стационарных низкочастотных резонансных виброплощадках с амплитудой 0,7 мм и частотой 25 — 30 Гц; к тому же уровень шума при работе низкочастотных виброплощадок сравнительно невысок.

Для виброуплотнения подвижных и мелкозернистых бетонных смесей оптимальные амплитуды уменьшаются до 0,15 — 0,4 мм; соответственно необходимой интенсивности увеличивается частота колебаний до 50 — 150 Гц.

При принятых параметрах вынужденных колебаний для каждой бетонной смеси имеется своя критическая продолжительность виброуплотнения.

По Ю. Сторку, в начале виброуплотнения происходит разрушение свободной пространственной структуры бетонной смеси, насыпанной в форму, а затем смесь в виде сплошной разжиженной массы начинает вибрировать как одно целое. Возникновение связной системы проявляется в выделении влаги на поверхности смеси (рисунок-2).
Рисунок-2. Структура бетонной смеси:

 

 

 

 

 

 

а — рыхло насыпанной в форму; б — после виброуплотнения (по Ю. Сторку)

Более продолжительное вибрирование приводит к расслоению смеси и снижению прочности бетона. В зависимости от рода привода и движущей энергии различают электромеханические, электромагнитные и пневматические вибраторы.

Применяют главным образом вибраторы, приводимые в действие электродвигателем; колебания создаются механическим путем в результате вращения неуравновешенных грузов (эксцентриков или дебалансов), которые могут быть расположены непосредственно на оси ротора двигателя либо соединены с ним при помощи гибкого вала. Рабочая часть вибратора выполняется в виде площадки (виброплощадки, переносные поверхностные вибраторы), или наконечника (штыка, булавы и т. п.).

Для формования сборных железобетонных изделий широко используют стационарные виброплощадки различной грузоподъемности. Можно собирать виброплощадки необходимых размеров и нужной грузоподъемности (2, 4, 8, 12 и 24 т) из однотипных унифицированных виброблоков. Предусматривается изготовление виброплощадок с различными режимами работы: одночастотных с гармоническими -вертикальными колебаниями, двухчастотных, виброударных и др. Схемы вибраторов представлены на рисунке-3.
Рисунок-3. Основные схемы вибраторов (по В. Д. Мартынову)

При применении вибраторов наряду с обычными мерами по охране труда следует обращать особое внимание на технические мероприятия по устранению вредного действия вибрации на организм человека.

Переносные вибраторы применяют при изготовлении изделий (в особенности крупноразмерных) на стендах, а также для уплотнения монолитного бетона на строительной площадке.

Переносной поверхностный вибратор (рисунок-3) применяют при бетонировании плоских конструкций (плит, полов, дорожных покрытий), а внутренние вибраторы — при изготовлении сборных железобетонных конструкций в неподвижных формах и бетонировании монолитных конструкций.Эксцентриковые внутренние вибраторы имеют частоту 5820 — 5700 кол./мин.

Для уплотнения бетонных смесей, укладываемых в массивные (например, гидротехнические) сооружения, применяют перемещаемые краном пакеты внутренних вибраторов. Они позволяют устранить ручной труд, применять малоподвижные бетонные смеси (с осадкой конуса 0 — 2 см) и сильно увеличивать толщину слоя бетонирования. Этот способ уплотнения используют также для укладки камнебетона.

На практике часто используют комбинированные способы уплотнения бетонной смеси. Так, при формовании сборных железобетонных изделий из жестких и малоподвижных бетонных смесей применяют вибрирование под нагрузкой (рисунок-4).
Рисунок-4. Виды пригрузов при формовании изделий на виброплощадках:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а — безынерционным (пневматический); б — инерционный (гравитационный); в — то же, подрессорный; г — вибрационный

При величине прессующего давления поверхности изделия 0,05 — 0,15 МПа можно способом вибропрессования плотно уложить особо жесткие бетонные смеси с количеством воды затворения 120 — 130 кг/м³ и В/Ц= 0,3 — 0,35.

Способы уплотнения бетонной смеси

Виброштампование часто применяют для формования коробчатых и ребристых плит, лестничных маршей со ступеньками и других профилированных изделий. Бетонная смесь, уложенная в форму, формуется и уплотняется при помощи погружаемого в нее виброштампа.

Вибропрокат осуществляется на специальных вибропрокатных станках. Этим способом изготовляют изделия из тяжелого и легкого бетонов (например, вибропрокатные керамзитобетонные панели).

При центробежном способе формования для уплотнения бетонной смеси используют центробежную силу, возникающую при вращении формы с уложенной в нее бетонной смесью. Для этой цели применяют так называемые центрифуги, представляющие собой форму трубчатого сечения, которой в процессе уплотнения сообщается вращение до 600…1000 мин ^-1. Скорость вращения формы также может составлять 400 — 900 об/мин.

Рисунок-5. Центрифуга для изготовления труб

 

 

 

 

 

 

 

1-опорные ролики; 2-форма

Загруженная в форму бетонная смесь ( обязательно подвижной консистенции ) под действием центробежных сил , развивающихся при вращении, прижимается к внутренней поверхности формы и уплотняется при этом.В результате различной плотности твердых компонентов бетонной смеси и воды из бетонной смеси удаляется до 20…30 % воды,тем самым понижается величина В/Ц, что способствует получению бетона высокой плотности.

Это явление также способствует уменьшению пористости и водопроницаемости бетона.Способ центрифугирования сравнительно легко позволяет получать изделия из бетона высокой плотности, прочности (40…60 МПа) и долговечности. При этом для получения бетонной смеси высокой связности требуется большое количество цемента (400…450 кг/м³), иначе произойдет расслоение смеси под действием центробежных сил на мелкие и крупные зерна, так как последние с большой силой будут стремиться прижаться к поверхности формы. Способом центрифугирования ( центробежное формование) формуют трубы, опоры линий электропередач, стойки под светильники.

Вибровакуумирование используют для уплотнения подвижных бетонных смесей. Оно позволяет извлечь из свежеуложенной бетонной смеси 10 — 20% от общего количества воды затворения и получить более плотный бетон. Вакуумирование осуществляют специальным оборудованием (вакуум-щитами, вакуумвкладышами и т. п.). Основной его частью является вакуум-полость, в которой создается разрежение порядка 75 — 85% от полного вакуума.

Вакуум-щиты укладывают своей рабочей поверхностью, снабженной фильтровальной тканью, на бетон. Фильтр предотвращает отсос частиц цемента в процессе вакуумирования. При вакуумировании в бетонной смеси создается разрежение до 0,07…0,08 МПа и воздух, вовлеченный при ее приготовлении и укладке в форму а также немного воды удаляется из бетонной смеси под давлением этого разряжения: освободившиеся при этом места занимают твердые частицы и бетонная смесь приобретает повышенную плотность.

Кроме того наличие вакуума вызывает прессующее действие на бетонную смесь атмосферного давления , равного величине вакуума.Это также способствует уплотнению бетонной смеси. Вакуумирование сочетается, как правило, с вибрированием. В процессе вибрирования бетонной смеси, подвергнутой вакуумированию, происходит интенсивное заполнение твердыми компонентами пор, образовавшихся при вакуумировании на месте воздушных пузырьков и воды.

Однако вакуумирование в техническом отношении имеет важный технико-экономический недостаток, а именно: большую продолжительность процесса — 1…2 мин на каждый 1 см толщины изделия в зависимости от свойств бетонной смеси и величины сечения. Толщина слоя, которая может быть подвергнута вакуумированию, не превышает 12… 15 см. Вследствие этого вакуумированию подвергают преимущественно массивные конструкции для придания поверхностному слою их особо высокой плотности. В технологии сборного железобетона вакуумирование практически не находит применения.

Прессование
Прессование — редко применяемый способ уплотнения бетонной смеси в технологии сборного железобетона, хотя по техническим показателям отличается большой эффективностью, позволяя получать бетон высокой плотности и прочности при минимальном расходе цемента (100…150 кг/м³ бетона);

Распространению способа прессования препятствуют исключительно экономические причины. Прессующее давление, при котором бетон начинает эффективно уплотняться, — 10…15 МПа и выше. Таким образом, для уплотнения изделия на каждый 1 м² его следует приложить нагрузку, равную 10… 15 МН. Прессы такой мощности в технике применяют, например, для прессования корпусов судов, но стоимость их оказывается столь высокой, что полностью исключает экономическую целесообразность использования таких прессов.

В технологии сборного железобетона прессование используют как дополнительное приложение к бетонной смеси механической нагрузки при ее вибрировании. В этом случае потребная величина прессующего давления не выходит за пределы 500… 1000 Па. Технически такого давления достигают под действием статически приложенной нагрузки в результате принудительного перемещения отдельных частиц бетонной смеси.

Различают прессование штампами плоскими и профильными. Последние передают свой профиль бетонной смеси. Так формуют лестничные марши, некоторые виды ребристых панелей. В последнем случае способ прессования называют еще штампованием. Прокат является разновидностью прессования.

В этом случае прессующее давление передается бетонной смеси только через небольшую площадь катка, что соответственно сокращает потребность в давлении прессования. Но здесь особую значимость приобретают пластические свойства бетонной смеси, связность ее массы. При недостаточной связности будет происходить сдвиг смеси прессующим валком и разрыв ее.