Способы уплотнения, консистенция бетонной смеси

На рисунке показаны различные способы уплотнения бетонной смеси, применяемые в зависимости от конститенции смеси. Если консистенция отклоняется от предусмотренной в сторону повышения жесткости (в направлении V1), то требуемая степень уплотнения не достигается. В бетоне остается слишком много раковин, отрицательно влияющих на его качество. При отклонении в сторону повышения пластичности (в направлении V5) происходит расслаивание смеси.
Некоторые способы уплотнения допускают различные диапазоны консистенции. Так, внутренние вибраторы и вибростолы можно применять при сравнительно широком диапазоне пластичности, в то время как торкретирование, центрифугирование и вакуумирование можно производить только в сравнительно узком интервале консистенции. Расчет количества переработанной бетонной смеси показывает, что преимущество отдается виброуплотнению (80%) При изготовлении сборного бетона применяют прессование и прокат в сочетании с виброуплотнением. Литой и вакуумированный бетоны находятся еще в стадии развития, а центрифугированный бетон несколько отошел на задний план. Поэтому здесь будет рассмотрено только виброуплотнение.

Виброуплотнение бетонной смеси

Ранее было кратко описано развитие технологии уплотнения бетонной смеси от трамбования и литья до виброуплотнения. Последний способ применялся в отдельных случаях уже с 1911 г при строительстве бетонных дорожных покрытий, однако решающий толчок был получен с 1926 г после того, как его применим в строительстве из железобетона Основанием послужили выводы Деньо о том, что подвижность бетонной смеси можно улучшить путем погружения в нее возбудителя колебаний. Этот способ позволяет перерабатывать жесткие и крупнозернистые смеси и обеспечивает высокую прочность бетона. На основании многочисленных исследований были разработаны вибраторы и методы виброуплотнения, хотя теоретические аспекты состояния свежеуложенной бетонной смеси и виброуплотнения до сих пор недостаточно ясны. В последнее время все чаще вместо термина «вибрационное уплотнение» применяют термин «виброуплотнение».
Общие основы процесса вибрирования Прежде всего возникает вопрос, что происходит со смесью при вибрировании.

Рис. Способы уплотнения бетонных-смесей

При включении вибратора и возбуждении колебаний смесь приходит в движение Трение и сцепление между покрытыми цементным тестом частицами заполнителя уменьшаются, и ощутимо снижается вязкость цементного вяжущего. Смесь сначала быстро оседает, в связи с уплотнением рыхлоуложенного материала и вытеснением воздуха. В конце первой фазы бетонная смесь ведет себя как вязкая жидкость, устанавливается определенный уровень ее поверхности, достигается значительная степень уплотнения. При дальнейшем вибрировании частицы заполнителя располагаются еще плотнее и продолжают вытесняться небольшие пузырьки воздуха. При выключении вибратора (продолжительность вибрирования, как правило, составляет 20—180 с) эта дополнительная подвижность теряется.
В экстремальных случаях, при очень жестких смесях и специально подобранном составе свежеприготовленный бетон может быть настолько устойчив, что допускает распалубку без значительной деформации. С другой стороны, бесполезное длительное вибрирование пластичных смесей приводит к расслоению смеси из за всплывания более легкого цементного раствора и оседания крупного заполнителя (см 3 1) Опытный рабочий судит о достаточном уплотнении по постепенному обогащению поверхности цементным тестом и уменьшению выделения воздушных пузырьков. Требуемые для вибрирования механические колебания возбуждаются большей частью вращающимся дебалансом. Реже применяются электромагнитные или пневматические возбудители. Принцип действия вращающегося дебаланса. Возникающая при его вращении центробежная сила Р0, называемая также возмущающей силой вибратора, тем выше, чем больше масса дебаланса m0 или ее расстояние г0 от точки вращения (радиус вращения) и чем выше число оборотов. Отсюда следует, что при небольшом диаметре булавы (например, 38 мм) достигаются незначительные силы возбуждения, так как в них можно поместить лишь небольшие дебалансы с незначительными радиусами вращения.
Для оценки процесса вибрирования необходимо знать величину амплитуды колебания у и частоты колебания. Последняя, как правило, соответствует числу оборотов вибратора. Эти характеристики поразному влияют на эффективность виброколебаний, т. е. на интенсивность вибрирования.

Частота колебаний влияет на смесь гораздо сильнее, чем амплитуда. Отсюда следует, что производительность вибратора необходимо в основном повышать за счет увеличения частоты, тем более что слишком высокая амплитуда вызывает повреждение форм и расслоение смеси.
Что касается собственной частоты колебаний зерен, то теоретические исследования показали, что крупные частицы входят в резонанс при низкой частоте колебаний, а мелкие — при высокой. Поэтому с точки зрения техники уплотнения было бы целесообразно применять поличастотные вибраторы, однако на практике используют вибраторы высокой частот В результате многочисленных попыток свести обе характеристики колебаний к единому параметру интенсивности вибрирования были выведены равнозначные величины — «относительное ускорение» и «интенсивность»

При вибрации колебания затухают как при передаче через опалубку и части формы, так и в самой смеси, и тем сильнее, чем мягче материал опалубки и формы и чем больше рыхлость и пористость смеси. По окончании уплотнения можно оценить влияние затухания и тем самым радиус действия вибратора исходя из величины осадки поверхности. Если интенсивность вибрирования (при постоянной частоте и амплитуде) ниже требуемой для уплотнения, то смесь будет недостаточно уплотняться. Эта минимальная величина интенсивности зависит от состава и консистенции смеси. Для пластичных и хорошо уплотняемых смесей она меньше, чем для жестких. Равномерного уплотнения бетонной смеси целесообразнее всего добиваться путем равномерного распределения интенсивности вибрации, даже если при этом не полностью используется радиус действия вибратора. Чрезмерное увеличение продолжительности вибрации опасно, так как при этом происходит расслоение бетона вблизи вибратора и уплотнение в более удаленных местах Достигаемое при этом увеличение радиуса действия незначительно. Так как с помощью измерительной техники очень трудно определять амплитуду колебаний бетонной смеси, то приведенные зависимости и характеристики нашли применение в основном при технологической подготовке производственных линий и в теоретических исследованиях. Для оценки качества уплотнения детали или конструкции инженеру необходимо иметь простые, по возможности визуальные критерии, разработанные отдельно для каждого способа уплотнения.

Из сказанного можно сделать следующие выводы:
- при вибрировании воздействии механических колебаний на бетонную смесь значительно улучшается ее подвижность, что дает возможность уплотнять также жесткие бетонные смеси;
- производительность вибратора. Оценивается по энергии возбуждения колебаний. Амплитуда и частота воздействующих на бетон колебаний определяют интенсивность вибрирования;
- предельный радиус действия вибратора достигается тогда, когда вследствие затухания интенсивность вибрации становится минимальной, требуемой для уплотнения данной бетонной смеси;
- для равномерного уплотнения бетонной смеси необходима равномерная интенсивность вибрации. Это достигается при оптимальных продолжительности вибрации и расположении вибратора.

Требования к материалам. Было бы ошибочным считать, что смесь может быть достаточно уплотнена независимо от ее состава. Эффективность виброуплотнения (например, радиус действия и производительность, затухание, расслоение) в большой степени зависит от состава и консистенции смеси. Поэтому виброуплотнение предъявляет к уплотняемости смеси дополнительные требования.
Пределы консистенции зависят от энергии возбуждения вибратора — между V1 (очень высокая энергия возбуждения) и V3 (низкая энергия возбуждения). Крайне важно оптимально согласовывать мощность вибратора и консистенцию смеси, так как даже очень мощный вибратор может эффективно уплотнять только смеси с показателями пластичности V= до 1,15. При еще более жестких смесях необходим дополнительный пригруз. С другой стороны, в связи с возрастающей опасностью расслаивания уплотняемая вибраторами смесь должна иметь показатель пластичности не ниже 1,18 (консистенция V3). Оптимальные значения V находятся в пределах 1,25—1,35.

Содержание цемента и воды в смеси должно быть таким, чтобы образовывался минеральный клей, хорошо обволакивающий крупные зерна и прилипающий к ним. Клейкость помогает передаче колебаний, а обволакивающая способность необходима для разжижения смеси при вибрировании. Если цементное тесто слишком сухое (В/Ц<0,23), то смесь несвязная, рыхлая и плохо уплотняется даже при максимальной энергии вибрации или дополнительном пригрузе.
Если гранулометрический состав заполнителя находится между предельными кривыми Л и С, то это создает благоприятные условия для вибрирования. Отклонения в пределах крупной фракции (с 8 мм) при соблюдении максимальной крупности не имеют значения. Если гранулометрический состав находится у нижнего предела, то смеси с низким содержанием цемента становятся малопластичными и склонны к расслаиванию. Такая же опасность возникает в случае прерывистого гранулометрического состава. Заполнитель с высоким содержанием мелкого песка и щебеночный заполнитель требуют при прочих равных условиях большей продолжительности вибрации.
Смесь с очень высоким содержанием мелкого песка и каменной муки обладает упругими свойствами и, будучи резиноподобной, плохо проводит колебания, в то время как при достаточном содержании крупных частиц в результате тесного контакта между ними обеспечивается хорошая передача колебаний. Необходимые для эффективного виброуплотнения смеси клейкость, влажность и обволакивающая способность раствора обусловливаются оптимальным содержанием каменной муки и мелкого заполнителя.
Часть каменной муки или мелкого заполнителя можно заменить искусственными воздушными пирами без изменения уплотняемости. Повышающие морозостойкость воздушные поры диаметром менее 0,3 мм, как правило не ликвидируются при вибрации. Особенно благоприятное действие при виброуплотнении оказывает применение пластифицирующих добавок, заметно снижающих внутреннее трение в смеси.
Из сказанного следует:
- для виброуплотнения пригодны смеси с консистенцией V1—V3; виброуплотняемость можно улучшить путем оптимизации состава смеси что уменьшает затраты труда по уплотнению;
- консистенция, состав смеси и мощность вибратора должны быть согласованы;
- при значениях В/Ц<0,23 виброуплотнение невозможно; воздухововлекающие и пластифицирующие добавки улучшают виброуплотняемость.

Наряду с этими общими положениями зависимости между виброуплотняемостыо и составом смеси необходимо иметь в виду, что при некоторых методах виброуплотнения к смеси предъявляются дополнительные требования в зависимости от формы изделия, способа воздействия интенсивности вибрации и способа передачи колебаний. Эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах.
Уплотнение внутренними вибраторами. Внутренние вибраторы, как правило, погружают в смесь вручную, в результате непосредственного контакта достигается хорошая передача колебаний. Возможность наблюдения за процессом уплотнения, позволяющая согласовывать количество мест погружения вибратора и расстояние между ними с консистенцией смеси, привела к применению на строительных объектах в основном внутренних вибраторов. Как видно из рис. 47, обычно радиус действия внутреннего вибратора больше зависит от конструкции, чем от продолжительности вибрации. Исходя из этого рекомендуется назначать небольшие расстояния между местами погружения. Связанное с этим уменьшение продолжительности вибрации позволяет избежать расслаивания.

Равномерное уплотнение смеси достигается тогда, когда толщина уплотняемого слоя и расстояние между местами погружения вибратора находятся в пределах. Эти исходные значения распространяются на вибраторы со средней энергией возбуждения. При очень малых диаметрах булав необходимо выбирать меньшие расстояния (например, вибратор IVA 3000 с диаметром булавы 38 мм требует расстояния между местами погружения м). только в исключительных случаях (при неблагоприятной форме или сложной арматуре) допускается некоторое увеличение этих расстоянии, что влечет за собой увеличение продолжительности вибрации. Однако при этом состав смеси должен обеспечивать высокую устойчивость против расслаивания.

Наилучший результат достигается при общей продолжительности вибрации 20-30 с, когда булава вибратора быстро погружается в смесь и после кратковременного действия медленно извлекается. По характеру заплывания отверстия при извлечении булавы можно судить о возможности уплотнения смеси данным вибратором. Не допускается распределение смеси булавой, так как при этом вытекает цементное вяжущее и образуются пустоты. При наклонных изделиях или опалубках необходимо начинать вибрирование с самых глубоких мест, чтобы избежать дополнительной осадки уже уплотненных слоев.

Уплотнение с помощью поверхностного вибратора. При плоских элементах (бетонные покрытия, полы, плиты) не слишком большой толщины применяют поверхностные вибраторы. Для хорошего уплотнения очень важно, чтобы вибробрус прилипал к смеси для их совместного колебания. Сила сцепления увеличивается с увеличением поверхности соприкосновения, частоты колебаний и снижается с уменьшением В/Ц (цементное тесто становится более клейким). Обычно оно эффективно только тогда, когда брус прижимается к поверхности уплотняемого слоя пригрузом от 3000 до 8000 Па. При этом более жесткий бетон требует и более высоких пригрузов. Ширина бруса должна быть в два раза больше толщины слоя смеси, рабочая скорость — 0,5—2 м/мин. Но так как рабочая скорость бетоноукладчиков обычно устанавливается постоянной и поэтому не позволяет реагировать на изменение консистенции, то необходимы предварительные лабораторные исследования по выбору оптимальных консистенций и рабочей скорости.

Как показывает практика, хорошо уплотняются слои толщиной 20 см, при толщине 30 см нижние зоны уплотняются недостаточно. Арматура ухудшает уплотняемость. Конечно, глубину уплотнения можно увеличить путем снижения жесткости смеси и скорости бетоноукладчика, однако при этом возникает опасность обобщения поверхности слоя раствором или цементным тестом. В связи с возможностью расслаивания рекомендуется применение только жестких смесей Содержание растворной части бетонной смеси необходимо ограничить до предела, так как в противном случае будет происходить погружение виброплиты или обогащение раствором поверхности и в результате снизится износо- и морозостойкость. Отсюда следует, что вибробрус можно устанавливать непосредственно на поверхность слоя лишь при жесткой консистенции смеси (V>1,26), а при пластичных смесях он должен перемещаться по рельсам или опалубке Крупнозернистый заполнитель непрерывного состава (кривая гранулометрического состава А) способствует передаче колебаний. Необходимо помнить, что при слишком большом уплотнении часть искусственно введенных в поверхностную зону дорожного покрытия воздушных пор снова удаляется, в результате чего снижается морозостойкость и устойчивость бетона к действию солей.

Уплотнение наружным вибратором. В случае сложных, мелкоразмерных и высоких конструкций, а также при большой плотности арматуры, когда нельзя ввести внутренний вибратор, применяют наружные вибраторы. Поскольку вибратор, форма и бетонная смесь должны колебаться совместно, то необходимы прочные крепления. Для форм и опалубок опасно критическое число оборотов в области резонанса частот при пуске и выключении вибраторов, так как оно может привести к повреждению форм и расслаиванию смеси. Недавно вибраторы были реконструированы таким образом, что вибрация начинается лишь после прекращения критического числа оборотов.
Тип вибраторов, их количество и расстояние между ними следует устанавливать (для данного изделия) исходя из радиуса их действия, причем наряду с консистенцией смеси играют роль вид и жесткость опалубки. Как правило, выбранное расстояние соответствует 1,5—2,5 м. Рекомендуемая глубина действия одностороннего вибратора 20—30 см, двухстороннего — 70 см. Так как передаваемая энергия вибрации не очень высока, то в отличие от поверхностных вибраторов здесь рекомендуются бетонные смеси более пластичной консистенции (от V2 до V3). На опалубке должна образовываться смазывающая пленка. Отсюда вытекает необходимость применения смеси с большим содержанием растворной части (как в бетонной смеси, подаваемой насосом) и с не очень крупным заполнителем (кривая В). Так как при использовании наружных вибраторов уплотняющее действие нельзя оценить визуально, то в строительстве часто в качестве дополнительной меры предосторожности используют смесь с пластичностью выше требуемой. В результате увеличивается опасность расслаивания. Необходимость применения смесей пластичной консистенции и с высоким содержанием растворной части при уплотнении наружными вибраторами ведет к повышенному расходу цемента.