Книга ПЕСЧАНЫЙ БЕТОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Автор: профессор К. И. Львович

5. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПЕСЧАНЫХ БЕТОНОВ

 5.4.1. Применение способов интенсивного уплотнения цементно-песчаных смесей

 5.4.1.1. Вибропрессование

В России наиболее широко применяется Вибропрессование; имеется как многолетний опыт применения способа, так и отечественные разработки в области технологии и оборудования [120, 121].

Выпускаются новые типы вибропрессов и автоматизированных линий, хорошо зарекомендовавших себя в процессе длительной эксплуатации. Показано, что вибропрессованием можно получать качественные изделия из цементно-песчаных смесей, причем не только отказаться от использования форм и сократить время тепловлажностной обработки, но и снизить требования к качеству песка-заполнителя, предъявляемые поставщиками зарубежного оборудования. Вибропрессование также обеспечивает получение калиброванных размеров и высококачественной поверхности изделий.

Анализ конструкций вибропрессов ведущих мировых и отечественных производителей с многолетним опытом их изготовления и эксплуатации в России и за рубежом показал, что в лучших вариантах оборудования матрица устанавливается на виброплощадку так, что на пуансон передаются вибрационные воздействия, близкие к воздействиям на бетонную смесь в матрице. Это позволяет сократить сроки формования изделий и увеличить жесткость формуемых смесей.

На рис. 5.7 приведена схема формовочного комплекса, включающего вибропресс с подъемной матрицей. Вибропресс состоит из трех основных узлов: формующий агрегат, механизм подачи поддонов и механизм подачи бетона. Формующий агрегат включает несущие колонны 1, верхнюю траверсу 2, нижнюю опорную плиту 3. На колоннах установлены кронштейны с амортизаторами, на которых располагается виброплощадка 4 с вибраторами 5. Матрица 6, состоящая из каркаса и вкладыша, передвигается по колоннам с помощью гидро- или пневмоцилиндров.

На верхней траверсе смонтирован цилиндр 7 пуансона 8, к которому крепятся штампы.

Механизм дозировки бетона представляет собой сварную раму 9, на которой укреплен бункер 10.

По направляющим системой рычагов 11 и привода 12 передвигается мерный ящик 13 с толкателем. На передней стенке ящика установлено устройство для очистки штампов пуансона от остатков бетона.

Механизм подачи поддонов включает накопитель 14, установленный на раме 15, по которой гидроцилиндром возвратно-поступательно движется тележка с откидными упорами. Вибропресс снабжен приемным столом 16, гидронасосной станцией 17 и системой управления 18.

Сам процесс объемного вибропрессования может быть разделен на 3 этапа:

Этап обычно совмещается с объемным вибродозированием: бетонная смесь укладывается в матрицу под действием вибрации. При этом происходит распределение смеси по площади матрицы, частичное удаление воздуха и предварительное уплотнение смеси за счет сближения частиц.

Частицы заполнителя, покрытые цементным тестом, в процессе вибрации автоматически занимают оптимальное положение — мелкие размещаются между крупными, снижая пустотность смеси.

Поскольку в процессе предварительного уплотнения производится дозирование смеси «на изделие», существенно обеспечить равномерность заполнения матрицы бетонной смесью, для чего практикой вибропрессования разработан ряд приемов:

Экспериментально подтверждено положительное влияние активного ворошителя на качество заполнения ячеек матрицы, особенно для изделий, включающих высокие тонкие стенки.

К числу мероприятий, обеспечивающих качественное заполнение матрицы вибропресса, также относятся:

Все эти проблемы имеют место и в зарубежной практике, хотя и в меньшей степени, в связи с использованием в технологии мытых, сухих, фракционированных заполнителей и чистоклинкерных цементов.

Обычно в цементно-песчаной смеси, поступающей в матрицу, содержится до 60 % воздуха. В результате проведения мероприятий по предварительному уплотнению его количество снижается до 20–25 %, и воздух этот достаточно равномерно распределен по объему смеси.

При правильно подобранных составе бетона, параметрах вибрационных воздействий и величине давления со стороны пуансона обеспечивается разжижение цементного теста, т. е. частицы заполнителя сближаются, вокруг них образуются тонкие структурированные оболочки из цементного теста. В результате цементно-песчаная смесь приобретает свойства текучести, что обеспечивает практически полное удаление защемленного воздуха.

Эта стадия формования в лучших образцах вибропрессующего оборудования характеризуется пульсирующим характером взаимодействия смеси и пуансона. В процессе вибрации пуансон периодически отрывается от бетонной смеси с последующим ударным воздействием на формуемое изделие.

Суммарное воздействие от пуансона (собственный вес, гидравлическое (пневматическое) давление) и характер вибрационных воздействий назначаются так, чтобы инерционные силы отрыва смогли создать условия пульсирующего режима во взаимодействии «виброплощадка — уплотняемое изделие — пуансон».

Полученное на предварительных этапах уплотнение можно считать близким к требуемому — на этой стадии видимого перемещения пуансона практически не происходит, а осуществляется лишь удаление (частично более равномерное распределение по объему) остатков защемленного воздуха.

Чтобы исключить деструктивные процессы в свежеотформованном изделии и подсос воздуха, на пуансон в этой стадии уплотнения подается добавочное усилие, обеспечивающее замкнутость вибрирующей системы «пуансон — изделие — виброплощадка».

Целесообразно одновременно с увеличением давления повысить частоту колебаний виброплощадки, например, до 100 Гц, что вводит в резонанс мелкие частицы заполнителя, способствуя уплотнению бетонной смеси.

Приведенный выше механизм формования жестких и особо жестких смесей является результатом многолетних исследований и положен в основу алгоритма работы подавляющего большинства зарубежных и отечественных вибропрессов.

Однако вибропрессование в существующих моделях оборудования успешно реализуется при изготовлении конструкций либо имеющих форму толстых плоских пластин, либо изделий, имеющих постоянную высоту и сечение в направлении формования.

При изготовлении конструкций переменной толщины или разновысоких в направлении формования или тонких пластин указанная выше схема формования не обеспечивает качественного уплотнения.

Ухудшение качества уплотнения не только влияет на прочностные характеристики бетона изделий, но и делает плохо предсказуемыми характеристики, зависящие от структуры материала — морозостойкость, водопоглощение, водонепроницаемость.

Ниже приведены способы получения вибропрессованием изделий переменной толщины и изделий фиксированной высоты [47, 53, 57].

Вибропрессование, как технология в ее классическом варианте, предполагает изготовление изделий постоянной высоты в направлении формования. Обычно это плиты или блоки сплошные либо включающие вертикальные каналы. Эти изделия — классический вариант формования на плоском поддоне.

Получение изделий переменной толщины на поддонах сложной конфигурации, как правило, признается нецелесообразным из-за чрезмерно высокой их стоимости, которая и при плоских поддонах близка к стоимости формовочного оборудования.

Придание изделию иной конфигурации с помощью пуансона гораздо более широко используемый прием.

Так изготавливаются лотки, желоба, крышки колодцев, камни накрывные для цоколей и др.

Однако практика формования изделий переменной толщины способами, применяемыми для изделий постоянной толщины, приводят к недоуплотнению в них отдельных участков. Действительно, при формовании на плоском поддоне мерный ящик смесью постоянной высоты заполняет весь объем матрицы. В результате под фигурным пуансоном уплотняется только самый тонкий участок изделия. При формовании «разновысоких» изделий из смесей с высокой удобоукладываемостью последняя перемещается под пригрузом, а в жестких, особо и сверхжестких смесях этого не происходит, поэтому изделие оказывается неуплотненным.

Разработан технологический прием, включающий дополнительную операцию перед вибропрессованием: после засыпки бетонной смеси мерным ящиком при непрекращающихся вибрационных воздействиях смесь пригружают пуансоном усилием, составляющим ~20 % усилия формования. Таким образом, бетонная смесь, перемещаясь под воздействием вибрации в замкнутом пространстве, приобретает в верхней ее части форму, соответствующую конфигурации пуансона.

Следующий этап формования — традиционное вибропрессование, однако уплотнение в изделии, содержащем участки разной высоты, в этом случае будет более качественным.

Таким образом, несмотря на сложившуюся практику, становится очевидной недопустимость недоуплотнения бетона в изделиях с невысокой прочностью, например, в стеновых блоках.

Другой путь получения требуемого уплотнения в изделиях переменной толщины — увеличение удобоукладываемости смеси до уровня, позволяющего на конкретном оборудовании вибрационными воздействиями на бетонную смесь перевести ее в вибросжиженное состояние. Это обеспечит свободное ее перемещение в матрице, причем давление от пуансона не должно этому препятствовать.

Однако при повышении удобоукладываемости бетонной смеси в процессе уплотнения появляется цементное молоко на поверхности свежеотформованного изделия. Цементное молоко может появиться также в результате некачественного перемешивания, когда отдельные объемы смеси имеют повышенное водосодержание либо от неравномерности амплитудного поля виброплощадки или пуансона. Тогда цементное молоко может выступать не по всей поверхности формуемого изделия, а в отдельных его точках. В результате бетонная смесь прилипает к пуансону, образуя после его подъема вырывы на поверхности изделий.

При повышении удобоукладываемости смеси до уровня, приводящего к появлению цементного молока на всей поверхности формования, происходит прилипание изделия к пуансону, причем ван-дер-ваальсовые силы сцепления так велики, что свежеотформованное изделие, даже освобожденное от матрицы, поднимается вместе с пуансоном при его возвращении в исходное положение.

Технические решения, исключающие прилипание к пуансону, были получены при разработке технологии вибропрессования цементно-песчаной черепицы — тонкой пластины переменной (10–25 мм) толщины.

Размещение полимерной пленки между изделием и пуансоном полностью исключило прилипание, формуемая поверхность получалась идеально гладкой. Разработан механизм непрерывной протяжки пленки после каждого формования.

Еще более качественный результат был достигнут при формовании черепицы нагретым до 110–120 C пуансоном. В этом случае между ним и формуемым изделием образовывалась паровая прослойка. В результате черепица не прилипала к пуансону, а ее поверхность после формования была зеркальной. Кроме того, черепица после вибропрессования оказывалась горячей. Было показано [92], что аккумулированного изделием тепла достаточно для прохождения смесью периода структурообразования, что соответствует времени предварительной выдержки в режиме тепловлажностной обработки.

Не менее важным является разработка способа получения вибропрессованием изделий фиксированной высоты и, в первую очередь, стеновых блоков — одной из наиболее массовых конструкций, выпускаемых по технологии вибропрессования.

Калибровка блоков по высоте позволяет не только применить схему кладки «на клей», но и улучшить теплозащитные свойства стен за счет исключения горизонтальных мостиков холода.

Схема уплотнения цементно-песчаных смесей в технологии вибропрессования предусматривает опускание жестко связанных между собой элементов пуансона в ячейки матрицы, что предполагает равномерную засыпку бетонной смеси в каждую из ячеек.

Засыпка смеси в матрицу производится мерным ящиком, т. е. производится объемная дозировка смеси, причем в худшем ее варианте. В результате, даже при реализации мероприятий по улучшению засыпки, как правило, количество смеси в каждой ячейке оказывается различным и, следовательно, по-разному уплотненным. В действительности только одно из изделий либо одна из стенок изделия, оказываются качественно уплотненными, все остальные — в той или иной мере недоуплотнены.

Какова мера этого недоуплотнения, и насколько это значимо для свойств бетона? По данным [5], каждый процент недоуплотнения приводит к снижению прочности на 5–7 %. В целом эту оценку можно считать правильной. Однако это интегральная оценка. Суть недоуплотнения — это несформированная структура бетона: наличие неудаленного из бетонного изделия стихийно расположенного воздуха. Этот воздух может оказаться, например, в зоне главных растягивающих напряжений, и тогда речь уже идет не о процентах снижения прочности — разрушающаяся нагрузка может уменьшиться в несколько раз. Воздух может оказаться близко от граней изделия (так часто бывает при изготовлении тротуарных плит), и тогда эти грани раскрашиваются, обламываются уже в процессе транспортных операций или пакетировки, что ухудшает долговечность и товарный вид изделий.

Но это еще не самый худший результат недоуплотнения. Для изделий, к которым предъявляются требования по морозостойкости, наличие в них каверн «неорганизованного» воздуха приводит к заполнению их водой. Замерзание–оттаивание этой воды разрушает изделия в течение 1–2 сезонов.

Анализ практики изготовления мелкоштучных бетонных изделий показывает, что достаточным (в том числе и по долговечности) является коэффициент уплотнения Ку = 0,97, т. е. в свежеотформованном бетоне допускается наличие около 3 % воздушной фазы. Точность дозировки цементно-песчаной смеси на изделие оценивается в 4–6 %, т. е. суммарный объем воздушной фазы может достигать 9 %. Это также означает появление в параллельных формовках разновысоких изделий, что недопустимо, в первую очередь, для стеновых и отделочных материалов.

В практике вибропрессования для получения изделий постоянной высоты используется прием остановки пуансона вибропресса на фиксированной высоте. Это может быть механическая фиксация — упор либо движение пуансона прекращается под влиянием сигнала от датчика положения.

Очевидно, что при этом недоуплотняются все изделия. Выходом из противоречия является предлагаемый способ использования бетонов с воздухововлечением. Существо способа во введении в бетонную смесь воздухововлекающей добавки в количестве, обеспечивающем до 10 % воздухововлечения [42].

При вибропрессовании изделий с фиксированной высотой опускания пуансона это будет означать, что вовлеченный воздух в разном количестве будет в каждом изделии. Однако этот воздух уже оказывается не случайно размещенным в виде крупных пор, а равномерно распределенным по массе в виде мелких пор воздухововлечения по всему объему изделия. Известно, что такой воздух для бетонов, изготовленных из особо жестких цементно-песчаных смесей, в количестве 5–6 % практически не снижает несущей способности изделий, значительно увеличивая их морозостойкость.

Кроме того, воздухововлечение пластифицирует бетонную смесь, и, с учетом этого обстоятельства, прочность бетона может даже вырасти.

Таким образом, механизмом реализации способа формования изделий калиброванной высоты является использование в особо жестких бетонных смесях слитной структуры (т. е. при избытке цементного теста) воздухововлекающей добавки, обеспечивающей воздухововлечение до 10 % и фиксация пуансона вибропресса на уровне требуемой стандартом высоты изделия.

 5.4.1.2. Роликовое формование

Производство мелкоштучных бетонных изделий в отечественной и мировой практике осуществляется, главным образом, вибропрессованием. Преимущества способа настолько значимы, что разработкой других механизмов уплотнения занимаются явно недостаточно.

Однако у вибропрессования имеются и серьезные недостатки: очень «шумная» и «вибрационная» технология, размеры изделий, изготавливаемых вибропрессованием, ограничены.

При габаритах изделий свыше 1,0 м оборудование становится громоздким, металлоемким. Нагрузки на оборудование возрастают многократно. Нет опыта массового изготовления вибропрессованием железобетонных конструкций.

В значительной мере с целью исключения указанных недостатков был разработан безвибрационный способ уплотнения бетонных (в первую очередь, цементно-песчаных) смесей — роликовое формование.

Сущность способа — послойное уплотнение цементно-песчаной смеси катками, создающими необходимое для уплотнения давление реакцией в катучих опорах [32].

Был разработан опытный образец агрегата и проведены исследовательские работы на экспериментальной линии для изготовления крупноразмерных неармированных тротуарных плит 1000 × 1000 × 100 мм.

Эти исследования позволили определить основные параметры установки (диаметр катков, их длину, число двойных ходов), позволяющие получить качественное уплотнение и исключить такие специфические недостатки роликового формования, как слоистость, трещины разрыва и др. Схема агрегата роликового формования приведена на рис. 5.8, где 1 — форма, 2 — балка, 3 — прессующие ролики, 4 — опорные ролики, 5 — изделие.

На Кретингском заводе строительных конструкций по этой технологии организовано промышленное производство дорожных изделий широкой номенклатуры [122].

На рис. 5.9 приведена схема технологической линии, включающей 2 горизонтально расположенных транспортных потока с формовочным агрегатом 1 и перекладчиком 2. Формовка производится на поддонах 3, формовочное пространство образуется поперечными перегородками поддона и продольными бортами установки.

Процесс термообработки изделий разделен на 3 ступени:

Затвердевшие изделия в процессе транспортировки остывают до 25–30 C в течение 4–5 часов.

Такая схема тепловлажностной обработки позволила создать компактную высокопроизводительную линию.

Порядок работы линии: поддон со свежеотформованными изделиями 4 толкателем 5 устанавливается на рольганг 6 камеры 7, в которой проходит первая ступень термообработки. Затем поддон с изделиями перекладчиком 2 передается на рольганг 8 камеры 9 для проведения второй ступени ТВО. Поддоны перемещаются толкателем 10. После прохождения камеры 9 затвердевшие изделия распалубщиком 11 снимаются с поддона и устанавливаются на свежеотформованные изделия, находящиеся на рольганге 6, для прохождения третьей ступени термообработки. Освобожденные от изделий поддоны через механизм чистки и смазки 12 направляются на формовочный стол 13.

Перекладчик выполняет две функции: пакетирует изделия, прошедшие полный цикл термообработки, и переносит поддоны с рольганга 6 на рольганг 8.

Роликовое формование позволяет одновременно выпускать различную номенклатуру изделий. Так, на указанной линии из 87 поддонов, имеющихся в технологическом потоке, 40 % предназначены для изготовления магистральных бортовых камней, 11 % — газонных камней, 49 % — тротуарных плит.

Разовый цикл формования составляет 3 минуты. Предложенная технология по сравнению с вибропрессованием расширяет возможности производства изделий с отделанной поверхностью, в том числе при использовании для поддонов рельефных листов промышленного изготовления, использовании вместо смазки поддонов замедлителя твердения и др.

Замедлитель твердения позволяет получить декоративную поверхность типа «шагрень», образуемую после «отмывки» поверхностного слоя бетона в изделиях, прошедших тепловлажностную обработку.

Показана принципиальная возможность изготовления роликовым формованием крупноразмерных железобетонных конструкций из песчаного бетона, в том числе дорожных плит 3,0 × 1,75 м [36].

Пресспрокат — весьма ограничено применяемая технология, используемая в России практически только для изготовления цементно-песчаной черепицы.

Черепица изготавливается на фигурных литых поддонах, непрерывной лентой подающихся под формующее устройство.

Из бункера формующего агрегата на поддон высыпается порция особо жесткой цементно-песчаной смеси, которая затем прокатывается (уплотняется) профилированными роликами. Нижняя (профильная, с нерегулярными выступами) поверхность черепицы формуется по профилю поддона, верхняя (продольные волны, элементы замкового соединения) — роликовым устройством.

Преимущества способа: малошумность, высокая производительность, хорошая геометрия изделий, возможность использования особо жестких смесей.

Недостатки: дороговизна поддонов, плохое перераспределение цементно-песчаной смеси под формующим роликом, необходимость использования качественных, преимущественно подготовленных заполнителей, возможность изготовления ограниченного числа конструктивных форм изделий.

Отечественная практика производства черепицы пресспрокатом сталкивается с серьезными проблемами по обеспечению водонепроницаемости изделий.

Отсутствие четких требований к качеству песка-заполнителя, использование карьерных, речных песков без переработки приводит к постоянно меняющимся реологическим характеристикам цементно-песчаной смеси. В результате смесь оказывается неравномерно распределенной по плоскости поддона и, следовательно, по разному уплотненной в различных частях изделий. При принятой схеме формования смесь не имеет возможности, как это происходит, например, при вибропрессовании, перемещаться по поддону под воздействием вибрации. Неравномерность засыпки и связанная с этим неоднородность уплотненного материала приводит не только к снижению прочности, но и к невозможности гарантировано обеспечить водонепроницаемость черепицы. Невозможно проверить каждую черепицу — водонепроницаемость должна обеспечиваться технологией. Ряд фирм, в течение нескольких лет ставивших целью выйти на российский рынок кровельных материалов, несмотря на значительные инвестиции, так и не смогли довести до конца решение этой задачи.

Попытки стабилизировать характеристики сырьевых материалов поставкой песков с определенных карьеров также не привели к необходимым результатам, а попытки использования сухих смесей для выпуска черепицы настолько повысили стоимость изделий, что она приблизилась к стоимости металлочерепицы.

В результате производители стали наносить на поверхность затвердевшей черепицы полимерный слой, который не только исключил протечки в кровле, но и украсил ее. В рекламном проспекте, однако, потребителю предлагается не только цветная с нанесенным покрытием черепица, но и черепица без покрытия. Целесообразно было бы нанесение на свежеотформованную черепицу цветного коллоидно-цементного клея (результат совместного помола цемента с пигментом), обеспечивающего кольматацию пор поверхностного слоя. Кроме того, это позволило бы сэкономить краситель и исключить возможность отслоения полимерного слоя.

Имеются сведения об использовании технологических линий пресспроката для изготовления тротуарных плит — изделий, пользующихся гораздо более высоким спросом, чем черепица. Тротуарные плиты — толстые плоские пластины постоянной толщины, и их формование пресспрокатом более простая задача, чем изготовление черепицы.

Формование тротуарных плит происходит на плоском поддоне, представляющем собой металлический лист толщиной 4 мм, что делает изготовление поддонов весьма несложной задачей.

Высота тротуарных плит (обычно это 70–80 мм) позволяет перемещение смеси под уплотняющим роликом и, следовательно, более качественное их формование.

К недостаткам технологии следует отнести возможность получения в тротуарных плитах рельефа только в виде продольных полос и фаски только в направлении перемещения плит по конвейеру.

Из литературных источников неясно, удалось ли получить фаску в направлении, перпендикулярном движению, при резке непрерывной ленты формуемой плиты на изделия. Предполагалось, что образование поперечной фаски может быть организовано одновременно с разрезкой.

Полусухое прессование — технология, предусматривающая разовое интенсивное силовое воздействие прессующего органа на бетонную смесь без вибрации. Очевидны как недостатки способа, так и его преимущества.

К последним относятся малошумность, возможность использования смесей более высокой подвижности, чем при вибропрессовании, в первую очередь, из-за отсутствия вибрации, приводящей к прилипанию пуансона к изделию. Технология полусухого прессования позволяет обеспечить увеличение производительности формующего оборудования, возможность расширить диапазон удобоукладываемости формуемых смесей, а также получать изделия с декоративной поверхностью. При полусухом прессовании цементно-песчаных смесей получается поверхность типа «шагрень», потому что цементное молоко не выступает на поверхность изделия, «замазывая» заполнитель.

Основной недостаток полусухого прессования — сложно только давлением без вибрации качественно уплотнить бетонную смесь. Поэтому, как правило, технология применяется при производстве тонких ненесущих либо малонагруженных изделий, например, отделочных материалов.