Содержание к диссертации
Введение
1. Уплотнение жестких бетонных смесей 8
1.1 Общие сведения о жестких бетонных смесях 8
1.2 Обзор методов уплотнения жестких бетонных смесей 11
1.3 Анализ оборудования для уплотнения жестких бетонных смесей
1.4 Исходные предпосылки, определяющие эффективность уплотнения жестких бетонных смесей плоским сферодвижущимся посредником
Выводы и задачи исследования 43
2. Аналитические исследования 45
2.1 Исследование интенсивности деформации жесткой бетонной смеси плоским сферодвижущимся посредником.
2.2 Исследование силовых параметров уплотнения жестких бетонных смесей сферодвижущимся посредником .
2.2.1 Определение толщины уплотняемого слоя смеси 48
2.2.2 Исследование изменения площади контакта сферодвижущегося посредника со смесью в процессе уплотнения
2.2.3 Определение момента сил сопротивления перекатыванию плоского посредника
Выводы 57
3. Экспериментальные исследования 58
Основные результаты и выводы по работе 101
Список использованной литературы 103
Приложения 114
- Обзор методов уплотнения жестких бетонных смесей
- Исходные предпосылки, определяющие эффективность уплотнения жестких бетонных смесей плоским сферодвижущимся посредником
- Исследование силовых параметров уплотнения жестких бетонных смесей сферодвижущимся посредником
- Определение момента сил сопротивления перекатыванию плоского посредника
Введение к работе
Перед строительной индустрией стоит задача более рационального использования ресурсов, снижения материалоемкости продукции, применения более дешевых и эффективных материалов и экономного их расходования [1].
Одним из путей решения данной задачи является более широкое использование в строительстве жестких и особо жестких бетонных смесей, обладающих рядом преимуществ по сравнению со смесями пластичной и тем более литой консистенции. Они обеспечивают, например, более быстрый набор прочности при твердении бетона, улучшение основных показателей, характеризующих эксплуатационные свойства [2].
В силу указанных преимуществ обычно стремятся снизить подвижность смеси, однако в тех пределах, которые обеспечивают качественное уплотнение. Смеси повышенной жесткости используются в ограниченном объеме и при небольшой номенклатуре изделий, например, производство тротуарных плит, бордюрного камня, шпал, труб и других изделий жилищного, промышленного и инженерного строительства. Между тем потребность в подобных изделиях из года в год растет. Так, основным материалом сборных покрытий, будь то тротуарные покрытия, покрытия откосов, различные огне- и теплозащитные покрытия и т.д., являются плиты, которые должны отвечать современным требованиям прочности, истираемости, водонепроницаемости, морозо- и теплостойкости и т.д. при одновременном снижении себестоимости изделий. Перечисленные показатели могут быть улучшены при качественном уплотнении жестких смесей. Это свидетельствует 6 том, что широкое использование жестких и особо жестких смесей при производстве плит может принести значительный экономический эффект, а поиск новых эффективных способов уплотнения жестких смесей и создание на их основе бетоноуплотняющего оборудования является одной из важнейших народно-хозяйственных задач.
Настоящая работа посвящена изучению процесса уплотнения бетонной смеси плоским сферодвижущимся рабочим органом (посредником).
Целью работы является определение рациональных параметров оборудования, необходимых для проектирования установки со сферодвижущимся плоским рабочим органом для уплотнения бетонных смесей, и разработка методики расчёта основных параметров подобного оборудования.
Научная новизна работы заключается в разработке математической модели уплотнения жёсткой бетонной смеси сферодвижущимся плоским рабочим органом, получении математических зависимостей, определяющих эффективность работы оборудования (энергоёмкость, мощность).
Практическая ценность работы заключается в:
-разработке методики расчёта основных параметров оборудования со сферодвижущимся посредником;
-разработке технической документации и изготовлении опытного образца оборудования со сферодвижущимся посредником для уплотнения изделий дорожного строительства;
-создании экспериментального стенда для проведения учебных и научно-исследовательских работ и дальнейшего развития научных исследований по данной тематике.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
-на научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (2000-2004);
-на международной научно - технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии», г. Могилев, Белорусско -Российский университет, 22 - 23 апреля 2004г.;
-на III Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004», 3-9 октября 2004г., г. Саратов.
На защиту выносятся:
-результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей уплотнения жёсткой бетонной смеси сферодвижущимся плоским рабочим органом;
-результаты экспериментальных исследований по изучению влияния конструктивных параметров и технологических режимов работы сферодвижущегося посредника на качество уплотнения жесткой песчано -бетонной смеси;
-методика инженерного расчёта оборудования со сферодвижущимся посредником при уплотнении жёсткой бетонной смеси.
Обзор методов уплотнения жестких бетонных смесей
Общей задачей для всех методов уплотнения является получение изделий хорошего качества с заданными физико-механическими показателями. Физико-механические свойства бетонов зависят не от способа уплотнения, а от степени уплотнения и однородности свежеуложенного бетона в объеме изделия [2]. Степень уплотнения бетонных смесей оценивается коэффициентом уплотнения, представляющим собой отношение фактического объемного веса к теоретически возможному[3]. В реальных условиях коэффициент уплотнения обычно колеблется в пределах 0,95 - 0,98 в зависимости от применяемой жесткости смеси, и дальнейшее уплотнение смеси, имеющей повышенный показатель жесткости, представляет большие трудности, а прочность бетона при этом повышается незначительно [3]. С увеличением коэффициента уплотнения получается более плотная структура упаковки зерен заполнителя смеси с уменьшенной толщиной прослоек цементного теста между твердыми частицами. Получение минимальных прослоек цементного теста зависит от режимов уплотнения и свойств уплотняемой бетонной смеси [29,35]. Установление количественных зависимостей между показателями бетонной смеси и задаваемыми параметрами уплотняющих машин требует отчетливого понимания сущности метода формования. Так, при рассмотрении наиболее распространенного метода уплотнения- вибрирования специалисты считают, что частицам смеси сообщается механическое движение, в результате чего связи между ними постепенно разрушаются, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума. В силу указанных причин в случае уплотнения смеси с пониженной подвижностью в полной мере проявляется эффект тиксотропии, при этом бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости [33,34]. Камневидные составляющие под действием собственного веса стремятся занять более низкий уровень, они сближаются и более плотно располагаются друг относительно друга, вытесняя защемленные пузырьки воздуха на поверхность. С увеличением жесткости, когда смесь характеризуется высокой водоудерживающей способностью, колебания частиц смеси приводят к снижению видимого коэффициента трения, и на первый план в сравнении с тиксотропией выдвигается явление псевдоожижения смеси [2]. При этом чистая вибрация не может привести к значительному уплотнению смеси, т.к. вода, прочно закрепленная на частицах, увеличивает их диаметр, и поведение системы внешне напоминает поведение сухой смеси в отношении самоуплотнения. Получение оптимальной плотности бетона возможно при условии предельного разрушения связей между отдельными элементами смеси в неуплотненном состоянии, в результате чего увеличивается подвижность, т.е. понижается жесткость смеси. Для окончательного уплотнения смеси необходимо затратить определенное количество работы. Для каждого типа изделия при заданных параметрах уплотнения количество работы непосредственно связано с продолжительностью уплотнения. Недостаточная продолжительность уплотнения приводит к неуплотнению бетонной смеси, т.е. снижению прочности бетона. Конкретно для вибрирования зависимость прочности бетона от времени вибрирования представлена на рис.1, из которого видно, что в начальный период уплотнения прочность интенсивно возрастает [2]. При дальнейшем вибрировании интенсивность роста прочности падает и в конечном счете прекращается, и прочность даже может снижаться из-за расслоения смеси. Изделия из жестких смесей, требующие затрат значительно большей работы, желательно уплотнять за короткий срок.
"Он как бы заменяет недостающий верхний слой, создавая более равномерное давление на все слои бетонной смеси в форме" [7]. При уплотнении бетонных смесей существует оптимальная величина давления и для инерционного, и для безынерционного пригрузов, которая изменяется в соответствии с изменением жесткости смеси и параметров уплотнения. Так, при применении особо жестких смесей эффективность пригруза возрастает с увеличением амплитуды. При амплитуде 0,3 мм наличие пригруза сокращает время уплотнения в 2 раза, при амплитуде 0,45 -в 3 раза, при амплитуде 0,9мм - в 7-8 раз [3]. С уменьшением жесткости смеси эффект действия пригруза в зависимости от изменения амплитуды падает, а время уплотнения сокращается только в 2-3 раза. Оптимальная величина пригруза (инерционного) для особо и нормально жестких смесей не превышает ЗкПа, а для сверхжестких составляет 10-14 кПа. Дальнейшее увеличение величины пригруза не дает эффекта, кроме отрицательного, т.к. это ведет, по мнению многих ученых, к гашению вибрации и необходимости дополнительного возбуждения, чтобы ускорение частиц смеси сохранялось постоянным. Кроме того, это ведет к увеличению сил внутреннего трения и некоторому заклиниванию частиц смеси, что ухудшает условия формования [7]. С уменьшением амплитуды колебаний величина оптимального удельного давления уменьшается. "Сравнение инерционного и безынерционного пригрузов, передающих равное давление при равных условиях, указывает на большую эффективность инерционного пригруза. Это объясняется тем, что инерционный пригруз колеблется не всегда совместно с бетонной смесью и его действие носит часто ударный характер".
К интересным выводам пришли в результате исследований С.А.Осмаков и Ф.Г.Брауде: " Наиболее эффективное использование пригруза имеет место в тех случаях, когда величина давления согласуется с состоянием, в котором находится бетонная смесь в процессе её уплотнения. В начальное время вибрирования, когда смесь предварительно уплотняется, наличие пригруза нежелательно, т.к. он приводит к увеличению сил трения и затрудняет протекание процесса предварительной упаковки зерен заполнителя. В дальнейшем, когда предварительная упаковка закончена, уплотнение должно происходить с оптимальным пригрузом, который способствует быстрому разжижению смеси, и окончательное уплотнение должно происходить при максимальном, но не выше давления защемления скелета смеси" [39].
К такому же выводу пришли и при исследовании уплотнения грунтов [43,66]. Для достижения заданного коэффициента уплотнения при изменении режимов уплотнения по уплотняющей нагрузке и по скорости обкатки можно значительно (в 2-3 раза) повысить производительность процесса уплотнения [66].
Исходные предпосылки, определяющие эффективность уплотнения жестких бетонных смесей плоским сферодвижущимся посредником
С целью определения целесообразности использования сферодвижущегося плоского рабочего органа (посредника) с элементами адаптации для уплотнения жесткой бетонной смеси рассмотрим процесс его взаимодействия с уплотняемым материалом (рис. 12).
Принцип работы посредника с элементами адаптации заключается в следующем. По плоскому посреднику (1), свободно лежащему на смеси, перемещается бегун (2). Отсутствие жесткой связи между посредником и бегуном дает возможность посреднику отслеживать состояние уплотняемого материала (рис.12). В каждый момент времени посредник изменяет свое положение, "подстраиваясь" к новому состоянию среды. Угол наклона посредника у в процессе деформации смеси изменяется в интервале от максимального до нуля.
Воздействие уплотняющей нагрузки осуществляется через промежуточную, жесткую плиту, которой сообщается движение по поверхности воображаемой сферы с центром, перемещающимся по направлению уплотнения. Одновременно, так как плита свободно лежит на уплотняемой поверхности и из-за эксцентрично прикладываемой нагрузки, по мере повышения плотности смеси угловые параметры штампа, определяющие ее пространственное положение, изменяются в зависимости от свойств смеси. Данный принцип воздействия уплотняющей нагрузки реализован в установке (рис.11), которая работает следующим образом. Бетонная смесь загружается в форму 1. На поверхность смеси опускается промежуточная плита 8, при этом фиксатор 7 растормаживает ее, а замок 6 замыкает штамп 2 с формой 1 и включает привод 4. При движении дна формы вверх промежуточная плита деформирует смесь. Геометрия опорных фланцев коленообразного вала 3 приводит к эксцентричной передаче уплотняющей нагрузки на смесь, что ведет к созданию качательного, циркуляционного движения промежуточной плиты 8. По мере увеличения плотности смеси амплитуда качания плиты уменьшается до нуля, и процесс уплотнения заканчивается. При движении привода 4 по направляющим вверх происходит раскрытие замка 6 и стопорение фиксатора 7, что ведет к поднятию промежуточной плиты 8 над формой 1. Движением дна формы вверх производится распалубка отформованного изделия [32]. При данной схеме воздействия уплотняющей нагрузки на бетонную смесь, в начальный момент уплотнения штамп располагается под некоторым углом к горизонту, а затем по мере возрастания плотности смеси данный угол изменяется практически до нуля. Этим обеспечивается активное изменение соотношения нормальных и касательных (сдвиговых) напряжений в процессе уплотнения. В начальный момент уплотнения из-за наклонного положения штампа преобладают касательные составляющие, которые обеспечивают интенсивное перемещение частиц смеси и способствуют достижению ими наиболее компактного размещения. По мере дальнейшего контакта рабочего органа со смесью касательные силы уменьшаются и начинают преобладать сжимающие усилия, которые способствуют сближению частиц, занявших наиболее компактное положение относительно друг друга. Такой характер приложения и действия нагрузки создает наиболее благоприятные условия для достижения высокой плотности и прочности бетона. Изменение направления действия результирующего усилия из-за изменения угловых параметров пространственного положения рабочего органа в процессе уплотнения приводит к повышению равномерности распределения плотности смеси по всему объему изделия [60, 61]. Влияние эксцентрично прикладываемой уплотняющей нагрузки на состояние материала было довольно подробно исследовано при деформации грунтов [51-54]. Зависимость напряженно-деформированного состояния грунта от траектории нагружения отмечается в работах А.К. Бугрова [53], Е.А. Сорочана, К.Е. Егорова, также в работах К. Роскоу, X. Пурушасба, Т. Лэмба [52]. Обширные исследования по данному вопросу были выполнены Ю.К. Зарецким, М.В. Малышевым, Г.М. Ломизе и другими исследователями [51-54]. Одним из выводов анализа полученных авторами зависимостей является то, что эксцентрично прикладываемая нагрузка на плиту (Р) вызывает увеличение давлений в зоне контакта. Таким образом, недостаток вертикальной нагрузки при преднамеренном увеличении контактных давлений можно, в некоторых пределах, компенсировать увеличением эксцентриситета (а) (рис.13).
Результаты этих исследований показали, что при внецентренном приложении нагрузки на плоский штамп снижается несущая способность грунтов. Применительно к уплотнению жестких бетонных смесей плоским штампом при действии внецентреннои уплотняющей нагрузки можно предположить, что требуемые плотности смеси будут достигнуты при меньших значениях последних и за меньшее время уплотнения.
Следует отметить, что рабочие органы, совершающие сложное сферическое движение для снижения прессующих давлений, широко используются при обкатке металлов давлением [89-92]. Предпосылкой эффективности использования подобных рабочих органов (с эксцентрично прикладываемыми нагрузками с элементами адаптации по отношению к механическим свойствам уплотняемого материала) явилось то, что так называемые сферодвижущиеся рабочие органы проявляют признаки статических рабочих органов и динамических, реализующих колебательный характер приложения уплотняющей нагрузки, причем силовое воздействие осуществляется при самопроизвольном изменении угловых параметров рабочего органа в пространстве в зависимости от свойств уплотняемой смеси. Выводы и задачи исследования
Учитывая вышесказанное и отсутствие данных, необходимых для создания оборудования с подобным рабочим органом, целью работы является изучение процесса уплотнения жесткой бетонной смеси сферодвижущимся плоским рабочим органом и получение данных для проектирования оборудования с подобным рабочим органом.
Поставленная цель определила следующие задачи исследования: 1.Изучение характера деформации жесткой бетонной смеси сферодвижущимся посредником с элементами адаптации угловых параметров.
Исследование силовых параметров уплотнения жестких бетонных смесей сферодвижущимся посредником
Рассматривая жесткие бетонные смеси как дисперсную среду, к которой относятся и грунты, можно утверждать, что деформации бетонной смеси до момента активного «схватывания» цемента аналогичны деформации грунта в том случае, когда по своему гранулометрическому составу они идентичны. На это указывают и выводы, сделанные такими исследователями как академик П.А. Ребиндер, В.Ф. Бабков, А.А. Иноземцев [99].
Для случая уплотнения жестких бетонных смесей применяем ho=A (где А-толщина уплотняемого изделия). Влажность уплотняемой смеси примем равной оптимальной, то есть W=Wo. Прочность свежеуплотненного бетона для жестких бетонных смесей ( принимается равной 0,ЗМПа [3]. При данной прочности бетонные образцы не рассыпаются сразу после распалубки изменяется незначительно и составляет 25% общей площади посредника. При этом давление в зоне контакта посредника со смесью, определяемой по зависимости (6) для уплотняющей нагрузки Р=800Н, рекомендованной в работе [44], будет составлять о0= (2,8-5-3)-105 Па.
Анализ полученной формулы показывает (табл.8, приложение 8), что при В=10см для всех значений уплотняющей нагрузки момент сил сопротивления перекатыванию посредника принимает максимальное значение в начале уплотнения, когда деформируемая среда находится в рыхлом состоянии.
Это можно обосновать тем, что посредник в данный момент занимает максимально наклонное положение по отношению к оси приводного вала.
При перемещении уплотняющей нагрузки по круговой траектории (с эксцентриситетом «а») происходят одновременно деформация среды и изменение угла наклона штампа (уменьшение), что приводит к уменьшению и в конечном счете к стабилизации момента сил сопротивления перекатыванию посредника.
1. Получена зависимость осадки посредника в процессе уплотнения жесткой бетонной смеси сферодвижущимся посредником, анализ которой показывает, что в начальный момент уплотнения деформация идет очень интенсивно.
2. Анализ зависимости изменения площади контакта плоского сферодвижущегося посредника со смесью в процессе уплотнения смеси при принятых допущениях показывает, что площадь изменяется незначительно и составляет 25% площади посредника.
3. Анализ зависимости момента сил сопротивления перекатыванию посредника по смеси показал, что момент сил сопротивления меняется в процессе уплотнения.
4. Максимальное значение момента сил сопротивления перекатыванию соответствует началу уплотнения.
5. При дальнейшей деформации смеси момент сил сопротивления перекатыванию стабилизируется и приближается к значению момента сил сопротивления качения движителя по плоскому посреднику.
6. Изучение характера изменения момента сил сопротивления перекатыванию посредника показывает, что посредник в процессе деформации меняет свое положение в пространстве. В начальный момент уплотнения он располагается под максимальным углом наклона по отношению к оси приводного вала, а в конце уплотнения этот угол приближается к нулю.
7. Стабилизация момента сил сопротивления перекатыванию наступает после 4-5 оборотов приводного вала.
Определение момента сил сопротивления перекатыванию плоского посредника
Эспериментальная работа имеет своей целью исследование влияния выбранных факторов на процесс уплотнения жесткой бетонной смеси сферодвижущимся рабочим органом с элементами адаптации и установления основных зависимостей, имеющих место при заданном методе уплотнения. Исходя из априорной информации, были выделены основные технологические факторы, определяющие физико-механические характеристики жесткой бетонной смеси. Основная задача исследований - их оптимизация, заключающаяся в нахождении совокупности варьируемых факторов, при которых выбранная целевая функция принимает экстремальное значение. При этом полученная математическая модель может быть использована для регулирования свойств смеси и параметров технологического производства изделий из жесткой бетонной смеси.
Систему рабочий орган - бетонная смесь предполагается изучать на модели рабочего органа без изменения свойств уплотняемого объекта с использованием математической теории планирования эксперимента и методов физического моделирования [45-50,62].
Уплотнение бетонной смеси необходимо производить до начала ее схватывания, когда химическая реакция между вяжущими и водой не успела получить достаточного развития. Бетонная смесь на этой стадии может рассматриваться как механическая смесь, к которой применимы элементы физики дисперсных систем. Эксперименты планируется проводить на лабораторной установке (рис.20). Ее силовая часть состоит из механизма привода рабочего органа - переоборудованного сверлильного станка марки 2118-8, состоящего из электромотора постоянного тока с клиноременной передачей для вращения приводного вала и механизма создания уплотняющего усилия. Величина уплотняющего усилия устанавливается набором стандартных гирь.
Для исследования параметров стенд оснащен следующими датчиками: датчик вертикального перемещения рабочего органа, датчик числа оборотов приводного вала и датчик величины момента сил сопротивления перекатыванию рабочего органа. Датчиком вертикального перемещения выбран потенциометр, соединенный с приводным валом установки. В качестве датчика момента сил сопротивления перекатыванию использован тензометрический узел, основным элементом которого является тензометрическая балка равного сопротивления с наклеенными на нее тензодатчиками, соединенными в общую схему. Балка одним концом закреплена на ведущем шкиве клиноременной передачи, свободно вращающемся относительно вала. Съем сигнала с вращающейся балки осуществляется токосъемником щеточного типа (рис.21). Тарировка датчиков производилась перед началом и в конце серии опытов.
Датчик числа оборотов - нормально разомкнутый контакт. Для визуального наблюдения использован тахометр, закрепленный на приводном валу. Сигналы указанных датчиков после усиления записывались на ленту осциллографа. Для экспериментов использовались песок с модулем крупности 1,2 и портландцемент марки М400. Элементы экспериментальной установки для уплотнения бетонной На первом этапе экспериментов исследовалась особенность деформации смеси сферодвижущимся рабочим органом, на втором-определялись координаты приложения уплотняющей нагрузки, на третьем -параметры уплотнения, при которых достигалась заданная прочность бетона, а также влияние масштабности рабочего органа на свойства бетона.
Исследование деформации в вертикальной плоскости необходимо производить следующим образом: в форму равномерно засыпают разноокрашенные слои смеси. Затем осуществляется уплотнение смеси рабочими органами, совершающими пространственное движение. Изменения взаимного расположения и толщины окрашенных слоев смеси после уплотнения будут характеризовать деформацию материала в вертикальной плоскости. Для определения деформации смеси в горизонтальной плоскости окрашенный слой смеси необходимо закладывать вертикально и производить уплотнение с фиксацией смещения данного слоя от первоначального положения при различных величинах осадки. В обоих случаях в качестве цветного слоя использовалась смесь цемента с белым красителем.
Второй этап исследований был направлен на определение рациональной величины эксцентриситета приложения уплотняющей нагрузки. При ее определении учитывалось, что окончательная поверхность уплотнения должна быть горизонтальной. В начале уплотнения, когда смесь находится в неуплотненном состоянии, первоначальное положение рабочего органа соответствует максимальному углу расположения посредника относительно оси приводного вала движителя. При этом исключается выжимание смеси из-под посредника. Для проведения экспериментов посредник был выполнен с центральным углублением, в которое последовательно вставлялись для уплотнения смеси кольца различного диаметра. Этим определялась траектория движения точки контакта плоского посредника и движителя (конуса с тупым углом при вершине) (рис.22). С учетом вышесказанного эксперименты проводились при величине эксцентриситета равной, 20, 30 и 40 мм, при размере посредника в плане 100x100 мм.
Дальнейшие исследования (третий этап) проводились с применением многофакторного эксперимента [45,50]. При этом использовался униформ-ротатабельный план второго порядка, позволяющий получить одинаковую информацию о поверхности отклика для всех параметров в точках, равноудаленных от центра эксперимента. Была составлена матрица планирования, основой которой явился полный факторный эксперимент (таблица 4). При реализации плана эксперимента каждый опыт дублировался троекратными параллельными испытаниями, рандомизированными по времени.
