ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Слободян Наталія Михайлівна

УДК 666.97.033.1

ущільнення БЕТОННої СУМІШі адаптивним

привантаженням при формуванні ДЕКОРАТИВНИХ

дрібноштучних СТІНОВИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Ратушняк Георгій Сергійович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри теплогазопостачання.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дудар Ігор Никифорович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри містобудування та архітектури;

кандидат технічних наук Дехта Тетяна Миколаївна, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Провідна установа:

Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельного виробництва, м. Львів.

Захист відбудеться 6 ” липня 2006 року o 14 - 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.04 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця,

вул. Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий 6 червня 2006р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Попович М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному будівництві України поряд із традиційним спорудженням висотних житлових будинків великого поширення набуває індивідуальне будівництво малоповерхових будинків, котеджів і т.д. За технологією й архітектурним оздобленням малоповерхове будівництво відрізняється специфічними особливостями, серед яких найважливішими є переважне використання малих за розміром стінових виробів з різноманітною декоративною обробкою. У будівництві використовується значна кількість декоративних стінових дрібноштучних виробів, виготовлених з нових матеріалів і за новими технологіями, що мають самі різні геометричні параметри. Технологічним процесам, які відбуваються під час надання форми й ущільнення бетону та науковому обґрунтуванню вибору його складу, приділяється недостатньо уваги. А саме вирішення цих проблем дозволяє підвищити ефективність формування таких будівельних виробів із заданими якісними характеристиками.

Існуючі рекомендації по визначенню складу сумішей й технологічні параметри їх обробки відпрацьовані тільки для типових бетонних і залізобетонних виробів в умовах заводів будівельної індустрії. Одночасно такі рекомендації практично відсутні для виробництва дрібноштучних бетонних виробів. Досліджень на цю тему мало й вони мають несистемний характер. Впровадження закордонного досвіду в даній області обмежене через прив'язку до використовуваного ними конкретного устаткування й застосування різних складних компонентів.

Тому проблема системного дослідження ущільнення бетонної суміші та підбору її складу при формуванні декоративних стінових дрібноштучних виробів, як наслідок отримання необхідних якісних параметрів, є актуальною.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана відповідно до Державної науково-технічної програми “Розробка теорії армування та ущільнення композиційних матеріалів з метою підвищення їх несучої спроможності при динамічних і статичних навантаженнях”, номер державної реєстрації 0104U000744 (виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення технологічного процесу ущільнення бетонної суміші при формуванні декоративних стінових дрібноштучних виробів із заданими геометричними параметрами та якістю поверхонь з використанням еластичного адаптивного привантаження.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз існуючих технологічних параметрів формування та ущільнення бетонної суміші при виготовленні декоративних стінових дрібноштучних виробів;

- теоретично дослідити та обґрунтувати математичну модель процесів формування та ущільнення бетонної суміші при виготовленні декоративних стінових дрібноштучних виробів з використанням еластичного адаптивного привантаження;

- виконати чисельно-аналітичні дослідження робочого процесу форму-вання та ущільнення бетонної суміші виробу як динамічної системи з використанням адаптивного привантаження;

- експериментально дослідити технологію формування та ущільнення бетонних сумішей й параметрів робочого процесу виготовлення декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів;

- оцінити ефективність застосування віброверстата у поєднанні з техно-логією використання еластичного адаптивного привантаження для виготов-лення якісних будівельних виробів з заданими геометричними параметрами;

- розробити рекомендації по підбору та розрахунку складу бетонних сумішей і технології виготовлення декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів з застосуванням еластичного адаптивного навантаження.

Об’єкт і предмет дослідження.

Об’єктом дослідження в дисертації є декоративні стінові дрібноштучні бетонні вироби.

Предметом дослідження є спосіб формування та ущільнення бетонних сумішей при виготовленні декоративних стінових дрібноштучних виробів з використанням еластичного адаптивного привантаження.

Методи та методологія дослідження. В роботі застосовано системні підходи (огляд та аналіз моделей технології ущільнення бетонних сумішей, визначення раціональних параметрів); експериментально-теоретичні методи, що грунтуються на застосуванні основних положень класичної теорії суцільних і дискретних середовищ, і методи математичної статистики (теоретичні та експериментальні дослідження робочих процесів ущільнення сумішей, підбору їх складу при виготовленні декоративних стінових бетонних виробів); загальноприйняті положення технології будівельного виробництва.

Наукова новизна отриманих результатів роботи:

- теоретично обґрунтована можливість виготовлення декоративних дрібноштучних виробів із заданими геометричними характеристиками та визначеним складом при застосуванні еластичного адаптивного привантаження в процесі формування та ущільнення бетонної суміші;

- встановлено закономірності процесу формування декоративних бетонних виробів за рахунок використання адаптивного привантаження в запропонованій технології ущільнення бетонних сумішей та раціональному вибору їх складу;

- вперше розроблено математичні моделі робочих процесів виготовлення бетонних виробів і установлено оптимальні параметри частоти і амплітуди коливань вібраційного пристрою та часу при різних режимах ущільнення, при яких досягнута максимальна щільність суміші з мінімальними витратами енергії;

- запропоновано та експериментально дослідженні оптимальні режими та параметри ущільнення бетонної суміші: амплітуда, потужність, динамічний тиск на адаптивне привантаження при формуванні декоративних стінових дрібноштучних виробів з заданими геометричними параметрами та якісною поверхнею.

Практичне значення роботи визначається впровадженням у практику будівельного виробництва методики для підбору та розрахунку складу бетонних сумішей та забезпечення технології формування й ущільнення бетонних сумішей декоративних стінових дрібноштучних виробів з застосуванням адаптивного еластичного привантаження з широкою номенклатурою їх конструктивних особливостей.

Достовірність положень, висновків і одержаних результатів досліджень обумовлено використанням загальноприйнятих методів системного аналізу і синтезу, положень технології будівельного виробництва, адекватністю теоретичних і експериментальних даних і підтвердженням використання результатів дослідження в практиці будівельного виробництва.

Особистий внесок здобувача полягає у вивчені стану проблеми, виконані експериментальних досліджень, аналізі та обробці одержаних результатів, а також у впроваджені результатів досліджень у навчальний процес. Особистий внесок здобувача в наукові роботі:

- встановлено закономірності процесу формування декоративних стінових дрібноштучних виробів із заданими якісними характеристиками за рахунок запропонованої технології ущільнення бетонних сумішей х використанням адаптивного привантаження [1, 6];

- розроблено нові математичні моделі процесів формування та ущільнення бетонної суміші та встановлено оптимальні величини технологічних параметрів, при яких досягнута максимальна щільність суміші з мінімальними витратами енергії, що дозволяє виготовляти вироби з заданими геометричними параметрами [4, 5, 7, 8];

- за результатами експериментальних досліджень розроблено методику вибору раціональних режимів та параметрів формування декоративних стінових бетонних виробів із заданими якісними характеристиками для будівництва малоповерхових будівель [9, 10].

Впровадження результатів досліджень. Розроблені в дисертаційній роботі технологічні особливості формування декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів впроваджені в ТОВ “БМУ-3’’ (м. Вінниця) та в навчальному процесі Вінницького національного технічного університету при викладанні дисциплін “Будівельні матеріали”, “ Основи системного аналізу”, “Технологія будівельного виробництва”.

Апробація роботи.

Основні положення дисертаційної роботи представлялися, доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ (2000 - 2005рр.), ІІІ республіканській науково-технічній конференції ”Індивідуальний житловий будинок”, м. Вінниця, 2001р., V Міжнародній конференції по математичному моделюванню (МКММ 2002р.), м. Херсон, 2002р., щорічних науково-технічних конференціях Київського національного університету будівництва та архітектури, 2003 - 2004р.р..

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць в фахових виданнях та отримано 2 патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел 126 найменувань і 7 додатків. Загальний обсяг основного тексту дисертації 149 сторінок, в тому числі 41 таблиця і 58 рисунків. Загальний обсяг роботи 189 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень та їх практична цінність, сформульовано мету та задачі, розкрита наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення.

У першому розділі проведено аналітичний огляд стану питання та визначені основні задачі досліджень. Констатується, що при виробництві бетонних виробів найбільш розповсюдженим є динамічний метод ущільнення.

Дослідженню технологічних параметрів та властивостей бетонних сумі-шей при їх ущільненні присвятили роботи И.Н. Ахвердов, Б.В. Гусев, А.Е. Десов, Л.Й. Дворкін, В.М. Деревянко, І.Н. Дудар, М.Ф. Друкований, П.В. Кривенко, І.І. Назаренко, П.М. Миклашевський, П.Ф. Овчінников, І.Ф. Руденко, Р.Ф. Рунова, М.А. Саницький, В.В. Чистяков та інші вітчизняні та закордонні вчені. Теоретично й дослідним шляхом доведено переваги й недоліки різних способів ущільнення бетонних сумішей при виготовленні будівельних виробів із заданими структурою та вимогами до якості.

Важливими аспектами малоповерхового будівництва є технологічні особливості виготовлення стінових дрібноштучних елементів, визначення основних принципів структурної схеми та параметрів формування бетонної суміші. На основі критичного аналізу існуючих фізичних та математичних моделей формування бетонних сумішей визначено, що найбільш близькою до реальних умов формування та ущільнення декоративних стінових бетонних виробів є модель системи з розподіленими параметрами. процес формування та ущільнення найбільш ефективним може бути при використанні системного технологічного засобу - вібрування з використанням адаптивного привантаження.

Сформульовано робочу гіпотезу досліджень, яка полягає в тому, що дрібноштучні декоративні стінові вироби будуть мати задані геометричні параметри та якість поверхні при використанні жорстких бетонних сумішей, які формуються та ущільнюються з використанням адаптивного еластичного привантаження, що дозволяє отримати максимальну щільність по всьому об’єму виробу.

У другому розділі наведено теоретичні дослідження технологічного процесу ущільнення бетонної суміші при формуванні декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів із заданими якісними характеристиками. На першому етапі розглядається фізична модель та наводиться аналіз поведінки бетонної суміші під дією вібрації, а на другому етапі – математична модель роботи гнучкого еластичного адаптивного привантаження для забезпечення необхідних геометричних параметрів виробів та розраховуються його геометричні параметри.

Бетонна суміш при формуванні дрібноштучних виробів розглядається як система з розподіленими параметрами, рух якої описується рівнянням:

(1)

де переміщення прошарків бетонної суміші при коливаннях, поздовжня координата (просторова), час; прискорення переміщення бетонної суміші; c – швидкість хвилі, що залежить від пружно-інерційних властивостей бетонної суміші і враховується модулем пружності та щільністю , ; коефіцієнт втрат за рахунок внутрішнього тертя у суміші, який характеризує розсіяння енергії у ній; , де – енергія, яка поглинається елементарним прошарком суміші за період її коливань; - потенціальна енергія деформації вказаного прошарку.

Модуль пружності, що визначає вплив пружних властивостей на процес деформування бетонної суміші, рекомендується визначати за формулою:

Е= , (2)

де – відповідно, атмосферний і статичний тиск на бетонну суміш; – щільність; – висота шару суміші; – пористість суміші; g – прискорення вільного падіння.

Із (2) випливає, що динамічний модуль пружності суміші – величина, котра залежить від умов формування виробу, його висоти і ступеня ущільнення матеріалу. Оскільки напружений стан у бетонній суміші пов’язаний з деформацією, то було встановлено зв’язок між динамічним тиском і пружністю матеріалу (2). Спостерігається (рис.1) досить висока стабільність розрахункових та експериментальних значень залежності динамічного тиску від частоти коливань для товщини суміші 0,05; 0,1 та 0,2 м.

Отримана залежність для визначення резонансних коливань бетонної суміші:

рез . (3)

Наявність резонансних ефектів потребує врахування їх при формуванні декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів, що досягається застосуванням еластичного адаптивного привантаження, математична модель якого обґрунтовується на основі використання бігармонічного рівняння Лапласа.

Рис. 1 Залежність динамічного тиску у суміші від частоти коливань

при товщині прошарку 0,2 м: 1 – амплітуда коливань вібратора; 1а – розрахун-кові значення; 1б – експериментальні значення; при товщині прошарку 0,1 м, відповідно, – 2, 2а, 2б; при товщині прошарку 0,05 м, відповідно, – 3, 3а, 3б

Для граничних умов формування декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів бігармонічне рівняння Лапласа вирішено методом скінчених різниць. Отримано епюри прогинів пластини і числові значення параметрів проги-ну пластини та проведено порівняння результатів теорії й експерименту (табл. 1).

Таблиця 1

Значення параметрів прогину еластичного адаптивного привантаження

q,0,3 | 0,45 | 0,6 | 0,75 | 0,9 | 1,05 | 1,2 | 1,35 | Wтеор, м | 0,0087 | 0,013 | 0,0174 | 0,0217 | 0,02609 | 0,03034 | 0,03467 | 0,03901 | Wексп, м0,019 | 0,024 | 0,0267 | 0,0288 | 0,0309 | 0,0397 | 0,0368 | 0,0384 | Wекс/Wтеор2,18 | 1,84 | 1,53 | 1,32 | 1,18 | 1,14 | 1,06 | 0,98 | Дані табл. 1 свідчать, що розбіжність теоретичних і експериментальних результатів для реальних умов навантаження (q>0,9) складає найбільшу величину 18%.

У третьому розділі виконано чисельно-аналітичні дослідження технології робочих процесів формування декоративного стінового дрібноштучного бетонного виробу за допомогою ЕОМ. Наведено результати оцінювання прогину поверхні адаптивного привантаження та розглянута математична модель процесу формування декоративного бетонного виробу із заданими якісними характеристиками на основі варіаційних принципів. Встановлено, що якщо гнучке привантаження розташовано над формою (штампом), в якому знаходиться бетонна суміш, то при формуванні декоративного стінового дрібноштучного виробу поверхня бетонної суміші під дією вібрації гнучкого привантаження прийме криволінійний обрис. При цьому біля країв форми бетонна суміш буде мати відмітки рівні висоті форми, а посередині буде максимальний прогин.

Оскільки розміри еластичного адаптивного привантаження в плані трохи більші розмірів форми бетонного виробу, то в частині гнучкого привантаження за рамками форми виробу крім вертикального навантаження будуть виникати розтягуючі зусилля по контуру обпирання на форму. Для оцінювання прогинів еластичного адаптивного привантаження застосовано рівняння Пуассона при граничних умовах з реального процесу, яке моделює привантаження гнучкою пластиною. Відносна стріла прогину визначається за залежностями:

де q* = (; =/(1–2), (6)

де q* – рівномірно розподілене навантаження на поверхні привантаження; – модуль пружності матеріалу привантаження; –коефіцієнт Пуассона привантаження; – відповідно, ширина та товщина пластини привантаження.

Розрахункова схема мембрани на пружній основі, яка моделює ущільнювану суміш бетонного виробу, наведена на риc. 2.

Рис. 2. Розрахункова схема мембрани на пружній основі

Абсолютне значення прогинів w() визначається за формулою:

= (7)

де і - безрозмірні координати (=/ і =/); S - параметр, який відображає рівномірний натяг мембрани від дії рівномірного навантаження , що моделює привантаження.

З рівняння потенціальної енергії пластини при формуванні декоративного стінового виробу отримано аналітичний вираз для визначення прогинів адаптивного еластичного привантаження:

(8)

де - циліндрична жорсткість еластичного привантаження.

Виконані розрахунки дозволили встановити емпіричну залежність для визначення об’єму суміші, що підлягає вилученню при дії еластичного адаптивного привантаження, забезпечуючи при цьому високу якість поверхні виробу.

Розбіжність в проведених за методом скінчених різниць розрахунках моделювання привантаження за мембранною аналогією Прандтля та за моделлю жорстко закріпленої пластини знаходяться у межах 7%.

Визначено, що амплітуда згину гнучкої пластини за підвищення частоти коливань суттєво зростає і у 2–4 рази може перевищувати власну товщину цієї пластини. Подібних резонансних явищ слід уникати, бо це може суттєво вплинути на якість формування поверхні декоративних бетонних виробів за допомогою еластичного привантаження. Розглянуто вплив джерела енергії і визначені уніфіковані критерії, що характеризують властивості джерела енергії по відношенню до параметрів коливальної системи.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням технології ущільнення бетонних сумішей рядового компонентного складу, що наведено в табл. 2, та параметрів робочого процесу виготовлення декоративних стінових бетонних виробів. Наведені також результати експериментальних досліджень та порівняння їх з розрахунковими значеннями.

Таблиця 2

Склад бетонної суміші декоративного дрібноштучного стінового виробу

Компоненти | Цемент

ПЦ I-500 | Дрібний наповнювач | Крупний наповнювач | Вода | Витрати (кг/м3) | 400 | 867 | 1024 | 160 | За результатами виконаних експериментальних досліджень були отримані осцилограми амплітуд коливань віброверстата та коливань в шарах суміші. Аналіз осцилограм показав, що характер коливань віброверстата і суміші, принаймні для висот = 0,1 ; = 0,2 , дещо відмінний. В суміші спостерігається негармонічний характер руху, що можна пояснити можливим відривом суміші від дна форми. За величиною коливань для висоти стовпа суміші = 0,1 встановлено збільшення амплітуди коливань суміші у порівнянні з амплітудою коливань віброверстата.

Зі збільшенням висоти стовпа суміші до = 0,2 і особливо до = 0,3 характер руху змінювався. Так, для висоти = 0,3 слід зазначити зміну амплітуд коливань не тільки за характером, а також за величиною. Амплітуда коливань віброверстата зменшилася з величини = 0,0005 м до = 0,0041 м. Таким же чином зменшилася амплітуда коливань в шарі суміші на відстані = 0,15 .

Амплітуда коливань у верхньому шарі (для даного експерименту датчик знаходився на відстані = 0.25 від дна форми) навіть дещо зросла у порівнянні з амплітудою коливань при = 0,15 . Якщо величина амплітуди на від-стані = 0,15 складала величину Аб = 0,0003 м, то на відстані = 0,25 (фактично на поверхні виробу) амплітуда коливань навіть перевищила значення амплітуди віброверстата і складала величину Аб = 0,0006 м. Це явище можна пояснити можливими резонансними підсиленнями, що обумовлено хвильовими явищами в бетонній суміші виробу.

Введення адаптивного еластичного привантаження суттєво змінило картину технології ущільнення бетонної суміші виробу. За характером коливання віброверстату і суміші одинакові, що позитивно впливає на процес ущільнення та зменшує час на досягнення максимальної щільності. За величиною амплітуди коливання також вирівнюються, зменшується їх розбіжність. Особливо це відзначається для висот стовпа суміші = 0,1 і = 0,2 . Для більшої висоти в середній частині суміші амплітуда коливань дещо навіть збільшилася у порівнянні з амплітудою коливань привантаження і склала для даного експерименту: =0,00037 м; = 0,00042 м і = 0,00032 м (де – амплітуда віброверстата; – амплітуда коливань в середній частині виробу; – амплітуда коливань привантаження). Розподіл амплітуд коливань наведено на рис. 3.

Рис. 3 Розподіл амплітуд коливань (10-3м) по висоті стовпа бетонної суміш без привантаження (а) і з привантаженням (б)

Встановлено, що оптимальний тиск еластичного адаптивного привантаження бетонної суміші виробу можна визначити за формулою

, (9)

де амплітуда збурювальної сили; –маса бетонної суміші виробу; – площа опори привантаження; – маса частин віброверстата, що коливаються.

З метою отримання заданої геометричної поверхні декоративного бетонного виробу встановлені параметри привантаження, за допомогою яких під час формування та вібрування бетонної суміші виробу можна досягти заданої поверхні. Основним критерієм привантаження є його прогин , який залежить від трьох змінних параметрів :– величини інтенсивності питомого привантаження (кПа); – коефіцієнта недозаповнення форми (м); – терміну дії привантаження ().

Число факторів впливу на прогин привантаження дорівнює трьом , кількість рівнів варіювання кожного фактора теж три. За результатами шести серій експериментальних досліджень побудовані залежності максимального прогину від коефіцієнту недозаповнення форми для різної інтенсивності еластичного привантаження та залежність максимального прогину від терміну дії еластичного привантаження для різних значень інтенсивності його та висот декоративного виробу.

Для інтенсивності еластичного привантаження = 90 кПа (рис. 4, а) оптимальною висотою недозаповнення форми є величина = 0,008 м - це є несприятливий фактор.

Рис. 4 Залежність максимального прогину wmax від коефіцієнту недозаповнення форми при різних значеннях питомого тиску

При =0,008 м, отримуємо небажані результати – відсутність рівної поверхні відформованого виробу. Для інтенсивності еластичного привантаження = 33 кПа (рис. 4, б) оптимальною висотою h* є величина h* = 0,004 м. При h* = 0,008 м та 0,011 м отримуємо небажані результати – відсутність рівної поверхні відформованого виробу. Для q = 45 кПа (рис. 4, в) небажаною величиною є h*< 9 , нахил кривої (залежності wmax від h) визначається терміном дії привантаження під час вібрування . При = 10 крива ввігнута, при = 15 крива опукла. Із графіка на рис. 4, г можна зробити висновок, що мінімальною величиною привантаження q = 60 кПа, для якого величина має бути менше

h = 0,008 м. Більшій величині мінімального привантаження q = 9, 12 кПа може відповідати більше значення величини h для утворення рівної поверхні виробу. Також визначався оптимальний термін дії еластичного привантаження з метою отримання рівної поверхні декоративного виробу.

Графіки на (рис. 4, г) дають мінімальне значення h* = 0,002 м для величини q = 60 кПа та максимальне значення h* = 0,008 м для q = 90, 120 кПа. Для q = 60 кПа величина h* = 0,007 м вже є недопустимою (не отримаємо рівної поверхні виробу).

Із графіка (рис. 5 а) можна зробити висновок, що при мінімальній величині еластичного привантаження = 60 кПа є величина h*< 0,008 м. Більшій величині мінімального привантаження q = 90, 120 кПа може відповідати більше значення величини h*для утворення рівної поверхні виробу. Результати досліджень (рис. 5 б) дозволяють визначити, що оптимальний термін дії еластичного при-вантаження для q = 120 кПа складає приблизно 6 , оптимальна величина для q = 45 кПа – біля 8...9.

Рис. 5 Залежність прогину еластичного привантаження: а) від величини питомого тиску; б) від терміну дії еластичного привантаження.

Шоста серія дослідів була присвячена визначенню величини прогину різних точок відформованого декоративного блока від величини інтенсивності еластичного привантаження. Розташування точок зображено на рис. 6.

На рис. 7 (а, б, в) наведено прогини для характерних точок поверхні привантаження по довжині та ширині його, а також відмічено точки з однаковим прогином w (ізолінії w) за даними для q = 135 кПа. Побудована номограма і визначені області технологічних аспектів формування декоративних стінових бетонних блоків щодо раціональних границь заповнення форми в залежності від висоти і інтенсивності еластичного адаптивного привантаження. Встановлено, що суміш буде вести себе по різному в залежності від інтенсивності вібрації і при цьому міцність відформованого виробу Rб, як основна реологічна характеристика також буде змінюватися.

Існує оптимальна величина часу ущільнення tопт, при якій досягається найбільше значення міцності Rб.

Досліджено вплив складу крупних заповнювачів на процес ущільнення. Визначено, що із зміною середнього діаметру крупного заповнювача у межах від 2,5-12 мм, відмічається майже лінійна зміна пустотності при збільшенні діаметра заповнювача.

Рис. 6 Експериментальні дані прогинів в точках відформованого блочка в залежності від величини еластичного привантаження (кПа)

Рис. 7 Геометричні параметри, що характеризують якісні характеристики поверхні декоративного дрібноштучного бетонного виробу: а) ізолінії прогину еластичного адаптивного привантаження (w10-3 м) при q =135 кПа; б) епюра прогинів еластичного адаптивного привантаження по ширині (w10-3м); в) епюра прогинів еластичного адаптивного привантаження по довжині (w10-3м)

Важливим показником для правильного вибору складу суміші є оцінка коефіцієнта змочування фракцій, який вливає на вибір необхідної кількості води. Отримана залежність між витратами води і необхідною консистенцією суміші. Так, для консистенції у межах 2-10 по Вебе витрати води знаходяться в межах відповідно 150 - 100 л/м3.

Розробленні рекомендації для підбору та розрахунку складу бетонних сумішей при виготовленні стінових виробів з застосуванням еластичного адаптивного привантаження.

У п’ятому розділі за результатами теоретичних та експериментальних досліджень наведені практичні рекомендації, які забезпечують удосконалення технологічного процесу ущільнення бетонної суміші при формуванні декоративних стінових дрібноштучних виробів із заданими геометричними параметрами та якістю поверхонь, що відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.1-7-94. Будівельні матеріали. Вироби бетонні стінові дрібноштучні.

Розділ включає практичні рекомендації раціональних режимів та параметрів формування бетонних виробів і часу ущільнення. В технології формування та ущільнення бетонної суміші виробів рекомендується врахувати наступне:

- процес віброущільнення бетонної суміші блоків функціонально залежить від прискорення коливань 2, а його тривалість пов'язана з питомою потужністю та властивостями бетонної суміші;

- використання вібраційних впливів сумісно з еластичним адаптивним привантаженням з амплітудами (0,5...4,4)10-3м здійснює позитивний вплив на ущільнення бетонної суміші декоративного стінового виробу;

- за підвищеної жорсткості бетонної суміші (великих значеннях о і ) слід збільшувати швидкість коливань.

Запропоновано схему проектування складу бетонної суміші та оцінку її параметрів для забезпечення розрахункової міцності виробу, а також структурно-технологічну схему виготовлення дрібноштучних виробів. Визначена економічна ефективність впровадження в технологію формування та ущільнення бетонних виробів еластичного адаптивного привантаження. Економічна ефективність досягається за рахунок підвищення конкурентоспроможності та інвестиційної привабливості декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів, що забезпечується високою естетичною якістю зовнішніх архітектурних форм з регламентованими геометричними параметрами та зменшенням витрат матеріалів при виробництві архітектурних форм й кількості технологічних операцій при будівництві.

ВИСНОВКИ

1. Виконано аналіз існуючих технології і технологічних параметрів ущільнення бетонної суміші при виготовленні декоративних стінових дрібноштучних виробів. На сьогоднішній день відсутні науково-практичні рекомендації з ущільнення бетонних сумішей адаптивним привантаженням з метою формування виробів з заданими геометричними параметрами та якістю поверхонь.

2. За результатами теоретичних досліджень обґрунтовано і розроблено фізико-механічну модель ущільнюваної бетонної суміші, обґрунтовано її склад та встановлено її основні динамічні параметри, а саме: динамічний модуль пружності, динамічна жорсткість суміші. Знайдена залежність динамічного модуля пружності від умов формування суміші, висоти виробу і ступеня ущільнення матеріалу, а також встановлено зв’язок між динамічним тиском й жорсткістю матеріалу суміші, вплив яких визначає напружений стан бетонної суміші.

3. Обґрунтована можливість моделювання стовпа бетонної суміші висотою h ? (0,03…0,05) при круговій частоті w ? 120...230 c-1 звичайною пружиною, тобто системою із зосередженими параметрами, нехтуючи при цьому інерційним опором. Виявлено, що для виробів із характер спільного безвідривного руху робочого органа і суміші визначається співвідношенням вимушеної сили сили ваги робочого органа й привантаження на ньому реакції пружних зв’язків, сил зчеплення, що діють у контактній зоні, і зводиться до виконання нерівності .

4. Підтверджено, що наявність резонансів бульбашок стисненого у суміші повітря визначає й режим збудження останньої. Для реалізації ефекту вібраційного кипіння (вібраційного вибуху) необхідно збуджувати у досліджуваній системі коливання високої частоти, які розриватимуть бульбашки. Це суттєво підвищить якість ущільнення бетонної суміші, що використовується у процесі виготовлення декоративних виробів. Резонансна частота залежить від товщини прошарку, так при hб= 0,05 м резонансна частота f = 50 Гц.

5. Визначено величини прогинів еластичного привантаження під час формування бетонних виробів у його середині та порівняно з експериментальними результатами досліджень. Відхилення розрахункових теоретичних прогинів від експериментальних значень складає для привантаження q = 0,9…1,35 кПа відповідно 2-10%. Рекомендовано визначати об’єм бетонної суміші, що вилучається з форми бетонного виробу, за встановленою залежністю 1,12 , де - об’єм піраміди, висота якої визначається як максимальний прогин із математичної моделі мембранної аналогії Прандтля.

6. Запропоновано критерії необхідності врахування взаємодії коливної системи та джерела енергії у процесі вібраційного формування бетонних виробів різної висоти. Режим буде стійкий при використаній константі умов стійкості А0 ? 0,162 для систем з одним степенем свободи руху. Раціональний час залежить від жорсткості суміші та режиму ущільнення. Так, для отримання жорсткості суміші 20 с при найбільш раціональному ударно-вібраційному режимі ущільнення потрібно 15 с.

7. Вперше експериментально досліджено застосування еластичного привантаження і запропонована технологія його використання в залежності від часу ущільнення, коефіцієнту недозаповнення форми, інтенсивності привантаження. Експериментально підтверджена оптимальна тривалість дії привантаження в залежності від питомого тиску. Експериментальними дослідженнями режимів ущільнення та формування бетонної суміші підтверджені теоретично обґрунтовані числові значення технологічних параметрів з допустимою розбіжністю прогинів еластичного адаптивного привантаження в межах 2...12%. Виявлено характер осідання поверхні бетонної суміші від консистенції при різній величині еластичного привантаження та вплив складу крупних заповнювачів на процес ущільнення. Зі зміною середнього діаметру заповнювача в межах 2,5…12 мм спостерігається лінійна зміна пустотності при збільшенні діаметра заповнювача. Отримано залежність між витратами води і необхідною консистенцією бетонної суміші при формуванні декоративних виробів. Для консистенції в межах 2…10 по Вебе витрати води складають відповідно 150…100 л/м3.

8. В результаті експерименту встановлено такі робочі режими формування та ущільнення декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів:

- недозаповнення форми бетонною сумішшю (1...5)10-3м;

- величина прогинів відформованого виробу змінюється в межах (10…5)10-3м; при варіюванні навантаження від 15 до 30 кПа;

- амплітуда коливань системи “вібростенд-бетонна суміш” складає

0,410-3 м при тривалості ущільнення 9 с.

Запропоновано рекомендації для підбору та розрахунку складу бетонних сумішей при виготовленні декоративних стінових дрібноштучних виробів з застосуванням адаптивного привантаження.

9. Проведено дослідно – промислове випробування технології формування дрібноштучних стінових виробів з ущільненням бетонної суміші адаптивним привантаженням в ТОВ “БМУ- 3” м. Вінниці. Економічний ефект від використання технології формування дрібноштучних виробів з заданими геометричними характеристиками за допомогою адаптивного привантаження полягає в тому, що виходячи із потужності виробництва біля 300 виробів в день точку беззбитковості буде досягнуто на початку другого кварталу роботи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Власенко А.М., Слободян Н.М. Оцінка прогину поверхні адаптивного привантаження // Вісник ВПІ. - 2000. - №6. - С.14 - 17.

2. Слободян Н.М. Математична модель розрахунків прогинів еластичного привантаження під час формування декоративних бетонних блочків // Вісник ВПІ. - 2001. - №1. - С. 10 - 12.

3. Слободян Н.М. Критерії необхідності врахування взаємодії коливної системи та джерела енергії у процесі вібраційного формування бетонних блочків // КНУБА. Техніка будівництва - 2002. - №12. - С. 28 - 31.

4. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Порівняльний аналіз математичних моделей розрахунків прогинів еластичного привантаження під час формування декоративних бетонних блочків: моделі гнучких пластин та мембран. І // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2002. - № 2(15) - Ч. I – С. 393 - 395.

5. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Порівняльний аналіз математичних моделей розрахунків прогинів еластичного привантаження під час формування декоративних бетонних блочків: моделі гнучких пластин та мембран. ІІ // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2002. - № 2(15) - Ч. II – С. 396 - 398.

6. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Дослідження факторів формування декоративних бетонних виробів на віброверстаті // Вісник ВПІ. - 2002.-№2. - С. 24 - 26.

7. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Математическое моделирование процессов формования декоративных бетонных блочков: Метод матрицы Грина в анализе динамики вязкоупругой среды, характеризуемой моделью Максвелла // Теорія і практика процесів. Збірник наукових праць. Випуск 10. Одеська національна морська академія. Ч. I - 2003. -

С. 147-151.

8. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Математическое моделирование процессов формования декоративных бетонных блочков: Метод динамической функции Грина в анализе поля перемещений, генерируемого обьемным источником упругих волн // Теорія і практика процесів. Збірник наукових праць. Випуск 10. Одеська національна морська академія. Ч. II - 2003. - С. 151-154.

9. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Аналіз математичних моделей гнучкого адаптивного привантаження для вібраційного ущільнення бетонної суміші // Вісник ВПІ. – 2005. – №2. – С. 26 - 28.

10. Ратушняк Г.С., Слободян Н.М. Моделювання процесу вібросилового формування декоративних блоків із застосуванням еластичних адаптивних доущільнювачів // Вісник ВПІ. – 2005. – №5. – С. 40 - 42.

11. Деклараційний патент № 3744 кл.В22С15/30. Пристрій для вібропресування пустотних виробів / Власенко А.М., Пентюк Б.М., Назаренко І.І., Слободян Н.М. – №2004031483 заявлено 01.03.2004. опубліковано 15. 12. 2004, бюл. №12.

12. Деклараційний патент № 7876 кл.В22С15/30. Пристрій для виготовлення виробів із будівельних матеріалів / Власенко А.М., Пентюк Б.М., Назаренко І.І., Слободян Н.М. – №20041209962 заявлено 06.12.04. опубліковано 12. 07. 2005, бюл. №7.

АНОТАЦІЯ

Слободян Н.М. Ущільнення бетонної суміші адаптивним привантаженням при формуванні декоративних дрібноштучних стінових виробів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2006.

У дисертаційній роботі на основі оцінювання формування декоративних стінових дрібноштучних бетонних виробів, аналізу технологічних параметрів, фізичних та математичних моделей і результатів проведення теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що привантаження є ефективним допоміжним елементом у системі “вібромашина – бетонна суміш” і його доцільно використовувати на завершальній стадії процесу ущільнення, дослідним шляхом уточнюючи питомий тиск. Розроблена фізико-механічна модель ущільнюваної бетонної суміші, розраховані її основні динамічні параметри, а саме: динамічний модуль пружності, жорсткість. Знайдена залежність вказаного модуля від умов формування суміші, висоти виробу, ступеня ущільнення мате-ріалу. Встановлений зв’язок між динамічним тиском й жорсткістю матеріалу суміші, вплив яких визначає напружений стан бетонної суміші. Розроблена й всебічно досліджена математична модель гнучкого еластичного адаптивного привантаження системи, розраховані основні параметри робочого процесу.

Ключові слова: адаптивне привантаження, віброверстат, суміш, прогин, варіаційні принципи, ущільнення, жорсткість, віброущільнення, коливання, декоративні вироби, стріла, переміщення, бетонні вироби.

АННОТАЦИЯ

Слободян Н.М. Уплотнение бетонной смеси адаптивным пригрузом при формировании декоративных мелкоштучных стеновых изделий. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2006.

В диссертационной работе на основе оценки формирования декоративных стеновых мелкоштучных бетонных изделий, анализа технологических параметров, физических и математических моделей и результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований установлено, что пригруз есть эффективным вспомогательным элементом в системе “вибромашина – бетонная смесь” и его целесообразно использовать на завершающем этапе процесса уплотнения, экспериментальным путем уточняя удельное давление. Разработана физико-механическая модель уплотняющейся бетонной смеси, рассчитаны её основные динамические параметры, а именно: динамический модуль упругости, жесткость. В результате численно-аналитических исследований технологии рабочих процессов движения динамической системы в режиме формирования бетонной смеси предложено четыре варианта математической модели эластического адаптивного пригруза системы. Разработано програмное обеспечение для численного расчета прогибов эластического адаптивного пригруза при формировании декоративных стеновых бетонных изделий с использованием метода конечных разностей. Найдена зависимость указанного модуля от условий формирования смеси, высоты изделия, степени уплотнения материала. Установлена связь между динамическим давлением и жесткостью материала бетонной смеси, определяющими её напряженное состояние. Разработана и всесторонне исследована математическая модель упругой эластичной адаптивной нагрузки системы, рассчитаны основные параметры рабочего процесса.

Экспериментально установлено, что процесс уплотнения стеновых бетонных изделий с пригрузом и без его применения имеет отличия как за характером действия, так и за величиной технологических параметров рабочего процесса. Полученные числовые значения технологических параметров, которые в сравнении с теоретическими имеют допустимые расхождения. Экспериментально исследовано применение эластичного пригруза и предложена технология его использования в зависимости от времени уплотнения, а также от величины заполнения формы. Найдена зависимость прогиба эластичного пригруза от технологии формирования бетонных изделий. Рассчитана и экспериментально подтвержена оптимальная продолжительность действия пригруза в зависимости от удельного давления. Чтобы повысить качество изготовления бетонных изделий обоснованная необходимость применения современных технологий управления и организации, предложено бизнес-процессы развития технико-экономических систем этого производства.

Ключевые слова: адаптивный пригруз, вибростанок, смесь, прогиб, вариационные принципы, уплотнение, жесткость, виброуплотнение, колебание, декоративне изделия, стрела, перемещения, бетонные изделия

ANNOTATION

Slobodyan N. The compression of concrete mixture by means of adaptive loading during the forming of decorative small-sized wall items. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in technical sciences. Specialization 05.23.05-Building materials and articles. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2006.

In this thesis on the base of evaluating and estimating of ornamental wall concrete units, the analyses of technological parameters, physical and mathematical models and the results of theoretical and experimental researches is determined, that the additional aggregate is the effective auxiliary element “in the system vibration equipment – concrete mixture ”, and this aggregate is advisable to be used at the finishing stage of compression process, the pressure being specified experimentally. The physics mathematical model of compressing concrete mixture is worked out, the main dynamical parameters of this mixture are determined and calculated, that is: dynamical modul of elasticity, stiffness. The dependence of this modul from the mixture forming conditions, the hight of unit and the compression degree are found. The connection between the dynamical pressure and the stiffness of mixture is determined, the main parameters of working