Придніпровська державна академія

будівництва та архітектури

Афанасьєв Микола Фірсович

УДК 666. 97. 035. 51

Технологія бетонних і залізобетонних виробів

із безперервним електророзігрівом бетонних сумішей

05. 23. 05. - Будівельні матеріали та вироби

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луганському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пунагін Володимир Миколайович

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідуючий кафедрою технології бетонів і в’яжучих;

доктор технічних наук, професор

Вировий Валерій Миколайович

Одеська державна академія будівництва і архітектури, завідуючий кафедрою технології бетонів і в’яжучих;

доктор технічних наук, професор

Шмигальський Володимир Никифорович

Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, професор кафедри технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів

Провідна установа: Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра будівельних матеріалів, виробів і автомобільних доріг, Міністерства освіти і науки України, м. Макіївка.

Захист відбудеться 21 грудня 2000 р. о 13 годинi

на засіданні cпеціалізованої вченої ради Д 08. 085. 01. Придніпровської державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600 м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури: 49600 м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий 16 листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В період становлення економічної самостійності України вкрай важливе використання нових енергозберігаючих технологій при виробництві бетонних і залізобетонних виробів. Вирішення цієї проблеми можливе на основі безперервного електророзігріву бетонних сумішей із використанням ефективних технологічних прийомів тепловологiсної обробки (ТВО) бетону.

Розроблені технології, при ефективному їх використанні, дозволяють:

підвищити продуктивність праці на 40…50 %;

скоротити тривалість циклу виготовлення виробів на 25…30 %;

знизити витрати цементу на 10…15 %;

зменшити металомісткість технологічного обладнання на 30…40 %;

полiпшити санітарно-гігієнічні умови праці обслуговуючого персоналу.

Оптимальна компоновка технологічного обладнання, раціональне використання специфічних особливостей розігрітих бетонних сумішей, застосування простого, надійного і зручного в обслуговуванні обладнання для безперервного електророзігріву бетонної суміші, комплексна механізація і автоматизація технологічних процесів забезпечують принципово новий етап розвитку технології бетонних і залізобетонних виробів.

В дисертації здійснене теоретичне узагальнення отриманих результатів досліджень, показані науково обгрунтовані шляхи вирішення проблеми в галузi будівельної індустрії, яка має важливе народногосподарське значення. Ця проблема розроблювалася протягом багатьох років і стала основою для прийняття державних постанов Ради Міністрів УРСР: № 236 від 17.05. 1972 р., № 33 від 16.01. 1975 р., № 422 від 30.08. 1976 р.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана згiдно з республіканською галузевою регіональною науково-технічною програмою “Про підвищення ефективності використання паливно-енергетичних робіт по Міністерству освіти УРСР “Економія матеріалів і енергетичних ресурсів у будівництві (завдання 01.32 “Розробити і впровадити технологію виробництва будівельних матеріалів і залізобетонної сировини.” Затверджена наказом Мінвузу УРСР №3 від 3.07.86р. ), а також у відповідності з цільовою комплексною міжнародною науково-технічною програмою із будівництва ОЦ 031.

Мета і задачі досліджень полягають у розробці, науковому обгрунтовуванні та впровадженні у практику нових високоефективних ресурсозберігаючих технологій бетонних і залізобетонних виробів із використанням тіксотропних явищ і екзотермії цементу розігрітих сумішей, що засновані на використанні принципів оптимальних компоновочних рішень схем розташування обладнання, розробці методів контролю, легкоукладальності бетонних сумішей, оптимізації та коректування складу бетону за величиною питомого електричного опору, комплексу технологічних заходів, які забезпечують у сукупності електророзігрів бетонних сумішей у безперервному потоці, їх транспортування до посту формування і розподілу за площиною формуючого виробу, тепловологісну обробку відформованих розігрітою сумішшю виробів у агрегатах безперервної дії.

Об’єкт дослідження - заводські технологічні процеси виробництва бетонних і залізобетонних виробів з використанням бетонних сумішей, розігрітих електричним струмом.

Предмет дослідження - бетонні суміші на важкому заповнювачі, які піддаються попередньому електророзігоріву.

Методи дослідження - прийняті у будівельних матеріалах та виробах стандартні, експериментальні і спеціальні методи. З застосуванням стандартних методів досліджень: вивчення нормальної густоти тіста, легкоукладальності розігрітих бетонних сумішей, визначення складу як звичайних бетонів, так і бетонів з пластифікованими добавками. Обробка експериментальних даних виконувалась по певним програмам з використанням ЕОМ.

Достовірність отриманих результатів підтверджувалась шляхом порівняння результатів теоретичних розрахунків з даними лабораторних і натурних експериментальних досліджень параметрів технологічних процесів.

Наукова новизна отриманих результатів:

розроблені теоретичні основи технології безперервного електророзігріву бетонної суміші системою рухомих електродів, які здійснюють складні коливальні рухи;

доведено, що між електродами і бетонною сумішшю розвиваються процеси вискоінтенсивного електродинамічного характеру, які приводять до тиксотропії цементного тіста в приелектродній контактній зоні, забезпечують збереження рухомості розігрітої бетонної суміші;

встановлено, що механічна дія на бетонну суміш, яка розігрівається, значно інтенсифікує іонні взаємодії при гідратації в’яжучого, і цим самим забезпечує найбільш повне перетворення електричної енергії в теплову;

установлено невідоме раніше явище впливу зовнішнього електромагнітного поля на процеси гідратації в’яжучого, які відбуваються в бетонній суміші, що розігрівається, і свіжоукладеному бетоні, яке полягає в направленій орієнтації магнітних моментів заряджених часток молекулярних тіл, що становлять бетонну суміш, зумовлене залежністю моменту кількості руху (спину) від магнітного поля Землі;

вперше дано наукове обґрунтування спрямованого структуроутворення цементного каменю в твердіючому бетоні, яке полягає в тому, що процеси гідратації в’яжучого, які відбуваються в бетонній суміші, що розігріваються, і розігрітому свіжоукладеному бетоні, значно підвищуються під дією направленого штучно створеного електромагнітного поля. Це інтенсифікує гідратацію цементної системи і забезпечує створення у твердіючому бетоні дрібнозернистої структури цементного каменя, що сприяє суттєвому підвищенню водо- і морозостійкості, довговічності і міцності бетону (Патент Російської Федерації №2072339, 1997 р.);

запропонований новий оперативний метод визначення реологічних властивостей і легкоукладальностi розігрітих сумішей протягом технологічного циклу їх переробки;

забезпечено більш рівномірний електророзігрів бетонної суміші в результаті надійного контакту між активною поверхнею електродів і сумішшю, яка обробляється;

знайдені оптимальні параметри і оригінальні конструктивні рішення системи електродів, що забезпечують самоочищення їх активної поверхні при відсутності шкідливих вібраційних впливів та шуму;

розроблено новий метод визначення питомого електричного опору бетонної суміші, який встановлює залежність електропровідності від компонентів, що входять до її складу;

запропоновано новий оперативний метод визначення легкоукладальностi розігрітих бетонних сумішей;

розроблені основи ефективної ресурсозберігаючої технології бетонних і залізобетонних виробів, яка поєднує використання рухомих розігрітих бетонних сумішей та інтенсивне структуроутворення твердіючого бетону із суттєвим скороченням ТВО в агрегатах безперервної дії.

Практичне значення отриманих результатів. Основні результати роботи найшли промислове пристосування в проектуванні нових високоефективних ресурсозберігаючих технологій бетонних і залізобетонних виробів з поліпшеними технологічними характеристиками бетону в виробах. Розробки впроваджені на Краснолуцькому заводі БМ № 6 ВО " Луганськзалізобетон", Перевальському заводі ЗБВ ВО "Луганськвугілля", Рязанському ДБК ВО "Рязаньбуд".

Що стосується практичного значення встановленого автором невідомого раніше явища впливу зовнішнього електромагнітного поля на процеси гідратації і структуроутворення цементних систем, то ця проблема являється новим перспективним науковим напрямком, який вимагає продовження фундаментальних досліджень не тільки в галузі будівельної індустрії, але і в інших промислових галузях, де мають місце перехід із рідкої фази в тверду або ріст клітин біологічних об'єктів при їх вегетації.

Практичну цінність мають також результати досліджень та інженерно-конструкторських розробок, які реалізовані у вигляді: республіканських будівельних норм РСН 292-77, рекомендацій, монографій і посібників для спеціалістів підприємств будівельної індустрії.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: у створенні, розробці і впровадженні у виробництво ефективних ресурсозберігаючих технологій бетонних і залізобетонних виробів із безперервним електророзігрівом бетонних сумішей; в встановленні невідомого раніше явища впливу штучно створеного зовнішнього електромагнітного поля на процеси гідратації в’яжучого, які відбуваються в системі в період її переходу від коагуляційної структури бетонної суміші до кристалізаційної структури свіжоукладеного бетону під дією природнього магнітного поля; в розробці теоретичних основ електророзігріву бетонної суміші в безперервному потоці з використанням тіксотропії цементного тіста; у застосуванні принципів оптимальної компоновки технологічного обладнання і прийнятті оригінальних конструктивних рішень, у створенні промислових зразків бетоноукладальних машин безперервної дії, які забезпечують більш рівномірний електророзігрів бетонної суміші, тиксотропію цементного тіста в контактній зоні і самоочищення активної поверхні електродів; в розробці методик визначення електропровідності і легкоукладальностi розігрітих бетонних сумішей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати досліджень і впровадження розробок повідомлені і отримали схвалення на координаційних зборах із питань зимового бетонування (м. Москва, 1968 р.), семінарi з електротеплової обробки залізобетонних виробів (ВДНГ, СРСР, 1968 р.), науково-технічних зборах “Застосування попереднього розігріву сумішей в технології виробництва збірного залізобетону” (м. Мінськ, 1975 р.), республіканському семінарі “Нові технологічні рішення у виробництві збірного залізобетону для житлово-цивільного будівництва”.(м. Київ, 1977 р.), науково-технічному семінарі “Інтенсивні методи розвитку виробництва збірного залізобетону” (м. Москва, МДНТП, 1977 р.), конференції із проблеми “Ефективні методи бетонних і залізобетонних робіт в зимовий час” (м. Новосибірськ, 1977 р.), науковій раді із проблеми “Масо- і теплоперенос в технологічних процесах” ДК Ради Міністрів СРСР із науки та техніки (м. Краснодар, 1980 р., м. Ростов-на-Дону, 1986 р., м. Володимир, 1987 р., м. Тбілісі, 1988 р., м. Львів, 1992 р.), семінари Харківського інженерно-будівельного інституту (м. Харків, 1991 р.), семінарах Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 1995, 1997 р.р.), науково-технічних конференціях Луганського державного аграрного університету (м. Луганськ, 1987-2000 р.р.), науково-практичному семінарі “Енергозберігаючі технології у будівництві і будівельній індустрії” (м. Київ, грудень 1999 р.), науковому семінарі Кримської академії природоохоронного і курортного будівництва (м. Сімферополь, лютий 2000 р.), наукової конференції "Стародубовські читання - 2000" (м. Дніпропетровськ, квітень 2000 р.).

Публікації. Основні положення роботи відображені в 46 друкованих працях, які включають 3 монографії, навчальний посібник, 3 нормативно-методичних документи, 8 авторських свідоцтв на винаходи, 2 свідоцтва на промислові зразки, патент на 2 винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, восьми розділів, додатку і включає в себе 283 сторінки основного тексту, 81 рисунок і 30 таблиць. Список використаних джерел включає 244 назви.

Основний зміст роботи

Вступ. В дисертації показана актуальність поданої роботи, визначені мета й основні задачі досліджень, сформульована робоча гіпотеза, викладена наукова новизна, практична цінність розробок і їх реалізація в виробництві.

В першому розділі приведено аналітичний огляд даних по технології бетонних і залізобетонних виробів із застосуванням бетонних сумішей, розігрітих електричним струмом.

Великий внесок в теорію теплової обробки бетону електричним струмом і його практичну реалізацію внесли І. М. Ахвердов, О. С. Арбеньєв, О. О. Афанасьєв, В. І. Бабушкін, А. І. Бірюков, М. П. Блєщик, Р. В. Вегенер, А. М. Воробйов, В. М. Вировий, В. П. Ганін, В. Я. Гендін, Л. І. Дворкін, М. М. Данилов, І. Б. Засєдатєлєв, Б. О. Крилов, П.В. Кривенко, О. Л. Калишук, Б. М. Красновський, В. П. Лисов, О. П. Мчедлов-Петросян, С. А. Миронов, Л. О. Малінiна, У. Нерс, А. М. Плугін, Т. С. Пауерс, І. Ржига, М. А. Сторожук, О. О. Старосельський, Ю. Сторк, О. В. Ушеров-Маршак, О. С. Файвусович, М. Ш. Файнер та інші.

Одним із різновидів теплової обробки бетону електричним струмом є електророзігрів бетонних сумішей перед укладанням їх у форму. Технологія бетонування з електророзігрівом суміші, запропонована на початку 60-х років А. С. Арбеньєвим, дозволяє інтенсивно вносити тепло на початковій (найраціональнiшій) стадії затвердіння бетону (процес тужавлення, початок кристалізації), інтенсифікувати фізико-хімічні процеси (у тому числі екзотермію цементу), ущільнювати суміші у розігрітому стані, за рахунок часткового випаровування вологи отримати більш щільну і міцну структуру бетону з мінімальними температурними деформаціями, виключити час на витримку відформованих виробів перед ТВО, створити передумови для комплексної механізації і автоматизації технологічних процесів.

Успіхи вчених і спеціалістів в області теорії теплової обробки бетону електричним струмом, у тому числі форсованого електророзігріву бетонної суміші, загальновизнані, однак у питанні застосування безперервного електророзігріву бетонної суміші в заводській технології бетону є суттєві проблеми, пов’язані із необхідністю розробки теоретичних основ розігріву бетонної суміші електричним струмом в безперервному потоці, створенням на основі теорії нових способів і володіючих високою надійністю пристроїв для їх реалізації, що мають високу надiйнiсть.

Аналіз динаміки конкретних показників виробництва збірного залізобетону показує, що за останні 15-20 років, незважаючи на велику кількість способів і пристроїв для інтенсифікації процесу теплової обробки бетону із застосуванням бетонних сумішей, розігрітих електричним струмом, не вдалося досягнути суттєвого ефекту із скорочення загального технологічного циклу виробництва виробів і конструкцій, зниження витрат тепла, комплексної механізації і автоматизації виробничих процесів.

Виконано аналіз відомих пристроїв для електророзігріву бетонних сумішей, які використовувались або можуть бути рекомендовані до застосування у сучасних технологічних рішеннях при проектуванні нових і реконструкції діючих підприємств збірного залізобетону.

Аналіз експериментальних робіт, вивчення і узагальнення досвіду роботи будівництв і підприємств КПД і заводів ЗБВ, які застосовували для виробництва бетонних і залізобетонних виробів та конструкцій нову технологію бетонування, засновану на використанні короткочасного інтенсивного впливу електричної енергії на бетонну суміш, дозволяє зробити висновок про те, що у виробничих умовах випробувана велика кількість способів і пристроїв, які дозволяють достатньо ефективно проводити електророзігрів бетонних сумішей. При цьому встановлено, що найбільш поширеними пристроями для електророзігріву бетонних сумішей є бадді і бункери різноманітної форми і конструкції. На жаль, ці пристрої виготовляються кустарним способом, що негативно позначається на їх працездатності і надійності. Зовнішній вигляд пристроїв мало привабливий, а естетичні і ергономічні вимоги, які висуваються до пристроїв цієї категорії, не виконані.

Пристрої безперервної дії для електророзігріву бетонних сумішей також виготовлені кустарним способом і перевірені у роботі на стадії дослідних зразків головним чином для підтвердження пріоритетів при захисті авторських прав. Жоден із пристроїв не випускається серійно. Технологічний рівень обладнання для електророзігріву бетонних сумішей, які використовуються в сучасних технологічних рішеннях, занадто низький, що стримує впровадження у виробництво цього прогресивного способу теплової обробки бетону.

Виявлені суттєві протиріччя у підході до вибору раціональних режимів електророзігріву, недосконалість складів бетонів і нерiвномірність розігріву сумішей пояснюються недостатнім вивченням процесів переміщення і електророзігріву бетонних сумішей таким способом.

Випадки порушення структури електророзігрітих бетонних сумішей в процесі їх ущільнення, а також незначне підвищення міцності (до 20%), водонепроникності та інших технічних властивостей бетонів, виготовлених із електророзігрітих бетонних сумішей, в порівнянні з нерозігрітими слід пояснити відсутністю оптимальних технологічних, конструктивних і енергетичних параметрів. Складність в експлуатації і недосконалість конструкцій пристроїв для електророзігріву бетонних сумішей, відсутність серійного їх виробництва, прагнення до локального вирішення проблеми замість системного підходу до створення нових технологічних ліній, суттєво стримують поширення і обмежують область застосування цих ефективних технологій бетонних і залізобетонних виробів. Це дозволило визначити мету і задачі досліджень, сформулювати робочу гіпотезу, суть якої полягає в такому:

Високоефективну ресурсозберігаючу технологію бетонних і залізобетонних виробів створено на основі раціонального поєднання способу безперервного електророзігріву бетонної суміші з коливальними електродами та пристроєм для ТВО відформованих виробів в теплових агрегатах безперервної дії.

При цьому спосіб безперервного електророзігріву бетонної суміші коливальними електродами забезпечує високу тиксотропію цементного тіста, екзотермію цементу, більш рівномірний розігрів суміші і самоочищення активної поверхні електродів. а пристрій для ТВО відформованих виробів безперервної дії, крім прямого призначення, сприяє раціональному використанню теплової енергії, отриманої від електророзігріву суміші і екзотермії цементу. Таке поєднання способу і пристрою дозволяє прискорити процес структуроутворення бетону, суттєво скоротити тривалість циклу виготовлення виробів, створити передумови для комплексної механізації і автоматизації технологічних процесів.

Це повинні забезпечити: оптимальний склад бетонної суміші, призначений для електророзігріву в безперервному потоці;

оптимальні режими електророзігріву бетонних сумішей різного складу;

однорідна електропровідність бетонної суміші, для досягнення якої необхідно: не допускати відхилень у витратах складових бетону вище допустимих відповідними нормативно-методичними документами; перемішувати бетонну суміш не менше 3 хвилин, а при можливості продовжити цей термін до 5 хвилин;

при завантаженні, перевантаженні або вивантаженні суміші не допускають її падіння з висоти більш 50 см;

при інших рівних умовах перевагу віддають бетонним сумішам з важким заповнювачем менших фракцій;

високоефективні пристрої для безперервного електророзігріву бетонної суміші, простота їх конструкції, надійність в роботі, безпека в обслуговуванні.

У другому розділі викладені основи електророзігріву бетонної суміші в безперервному потоці, розглянуті проблеми направленого структуроутворення цементних систем в твердіючому бетоні із розігрітої суміші.

Кожному методу з різною інтенсивністю розігріву відповідає свій оптимальний склад бетонної суміші. Суміші, попередньо розігрітi електричним струмом, мають свої специфічні властивості. У відповідності з цим бетонна суміш оптимального складу, приготовлена для звичайного формування, не може бути одночасно раціональною для формування виробів з попереднім електророзігрівом. Склад бетонної суміші, призначеної для електророзігріву, повинен забезпечувати і мати:

нормальний хід процесу безперервного електророзігріву, тобто більш рівномірний теплообмін маси бетонної суміші, яка розігрівається;

мінімальний питомий електричний опір бетонної суміші;

задані властивості бетонної суміші після розігріву.

Електророзігрів бетонної суміші повинен забезпечувати в комплексі:

більш рівномірний розігрів бетонної суміші;

заданий градієнт швидкості розігріву бетонної суміші;

задану рухомість бетонної суміші після розігріву.

При електророзігріві бетонну суміш зручніше розглядати у вигляді моделі двофазного середовища, яка складається із цементного тіста і заповнювача. Основним провідником електричного струму, який проходить через бетонну суміш, є цементне тісто. Заповнювач набагато гірше (в 150…200 разів) проводить електричний струм, однак в складі бетонної суміші його електропровідністю нехтувати не можна, адже на його долю припадає 60…80% маси бетону. Після замiшування компонентів бетонної суміші водою в системі відбуваються складні фізико-хімічні і фізико-механічні процеси, при яких вода витрачається на хімічне сполучення з цементом, випаровування, деяка її частина поглинається заповнювачем. Частки заповнювача обволікаються цементним тістом по зовнішній поверхні, відбувається дифузійний процес проникання вологи в пори заповнювача. Поверхневий шар заповнювача в напрямку проходження електричного струму стає електропровідним. Електричний струм подолає подвійний електричний опір - поверхневий струмопровідний шар заповнювача і цементне тісто, яке знаходиться в міжзерновому просторі.

Електрична енергія, перетворюючись в теплову, виділяє в кожному опорі певну кількість тепла. Більш інтенсивно нагріваються поверхневі шари заповнювача і його внутрішня маса. Цементне тісто, яке швидко розігрівається, передає тепло заповнювачу. Процес теплообміну триватиме до тих пір, поки температура цементного тіста і заповнювача зрівняються. Описаний механізм електророзігріву бетонної суміші дозволяє зробити висновок про те, що при інших рівних умовах бетонну суміш рівномірно розігріти не можливо; чим більш крупний заповнювач, тим більше часу витрачається на розігрів бетонної суміші; чим вища температура, до якої нагріта бетонна суміш, тим більша кількість енергії витрачається на її нагрівання, тим швидше ця суміш охолоджується.

Нерiвномірність розігріву бетонної суміші обумовлено не тільки наявністю великого заповнювача в її складі, але й порушенням контакту бетонної суміші з активною поверхнею електродів. Причиною цього є утворення і збільшення у часі розігріву шляхів міграції вільної води (пару) і газового середовища (повітря), внутрішній тиск яких на масу бетонної суміші із збільшенням температури зростає.

Суттєвим фактором нерівномірного розігріву бетонної суміші є покриття активної поверхні електродів шаром цементного тіста, який переходить потім в цементний камінь. Механізм цього явища полягає ось в чому. Під час розігріву поверхня електродів покривається тонким шаром цементного тіста у вигляді плівки, яка швидко твердіє. В міру збільшення кількостi формовок відбувається накладення однієї плівки на іншу, в результаті накопичується шар із декількох плівок, який після затвердіння перетворюється в цементний камінь, що погано проводить електричний струм. В цих умовах бетонна суміш розігрівається не тільки нерівномірно, але й тривалий час. Цілком природно, що відновити початковий режим розігріву бетонної суміші можна тільки шляхом очистки електродів від цементного каменя.

Електророзігрів не дасть необхідного ефекту, якщо бетонна суміш, що розігрівається, не відповідає оптимальному складу за кількісними і якісними параметрами компонентів, які входять до її складу, що веде до утворення деструктивних процесів при її ущільненні, зниження міцності бетону. Це може бути наслідком не тільки нерівномірного теплового обміну і нераціональних способів і параметрів теплової обробки, але й конструктивних недоліків пристроїв для електророзігріву бетонної суміші, при яких маса суміші проходить між електродами нерівномірним розсипчастим шаром, має місце масопереніс цементного тіста під дією сил ваги, не вірно вибрані параметри коливань електродної системи.

Дослідженнями в лабораторних і виробничих умовах установлено, що бетонна суміш між нерухомими електродами спочатку переміщається нерівномірним шаром, а потім скупчується біля входу у зону нагрівання і її пересування припиняється повністю.

Це пов’язано з тим, що сили переміщення бетонної суміші, які визначаються її масою і коефіцієнтом зовнішнього тертя об транспортерну стрічку, меншi сил опору, які визначаються силами тертя бетонної суміші об поверхню електродів.

Для забезпечення процесу переміщення бетонної суміші, яка знаходиться на транспортерній стрічці, між електродами необхідно, щоб дотримувалася умова, при якій

(1)

де Рп - сила тертя, яка передається на бетонну суміш транспортерною стрічкою;

Рс - сила опору переміщенню електродів.

У загальному випадку залежність (1) можна записати у такому вигляді

, (2)

де F = bl - поверхня транспортерної стрічки, на яку опирається бетонна суміш; b - відстань між крайніми електродами; l - довжина електродів; f1 - коефіцієнт тертя бетонної суміші об поверхню стрічки; - щільність бетонної суміші; g - прискорення; h - висота шару бетонної суміші, що розігрівається; n - кількість електродів; f2 - коефіцієнт тертя бетонної суміші об поверхню електродів.

Для забезпечення транспортного ефекту переміщення бетонної суміші запропоновано надавати електродам коливальні рухи. У цьому випадку в приелектродному шарі між електродом і бетонною сумішшю утворюється в’язкий шар цементного тіста, у якому амплітуда швидкості зрушеної деформації дорівнює

, (3)

де А, - амплітуда і кругова частота коливань електродів;

b` - глибина пропрацювання бетонної суміші (приелектродний в’язкий шар цементного тіста).

Прискорена деформація, що визначається швидкістю транспортерної стрічки і силами тертя між транспортерною стрічкою і бетонною сумішшю, має залежність

, (4)

де V0- швидкість руху стрічки.

Сили опору переміщенню бетонної суміші будуть визначатися залежностями

; , (5)

де ’ еф - ефективна в’язкість бетонної суміші.

У цьому випадку залежність (2) для визначення сил опору буде мати вигляд

. (6)

Виведена формула, що дозволяє визначити сумарне зусилля, діючи на привід коливального механізму бетоноукладача з безперервним електророзігрівом суміші

. (7)

Вода замiшування в бетонній суміші подана у вигляді плівки (під плівкою розуміється тонка частина системи, яка знаходиться у міжзерновому поровому просторі), і яка містить поверхневий шар, характерний для фізико-хімічних зв’язків, і вільну воду, їх міжмолекулярну взаємодію, а також їх вплив на термодинамiчну рівновагу бетонної суміші, що розігрівається.

При розгляді механізму випаровування води і виходу нагрітого повітря із бетонної суміші, що розігрівається, можна припустити, що кількість води, яка випаровується, зменшується при збільшенні розмірів часток заповнювача і зменшенні розмірів часток заповнювача і зменшенні поверхневого натягу рідкої фази і збільшується при зменшенні крайового кута (кута змочування). Не вся вільна вода бетонної суміші в однаковій мірі піддається температурному впливу. При електророзігріві збезводнювання бетонної суміші відбувається нерівномірно не тільки в горизонтальній площині по висоті шару суміші, що розігрівається, але й у площині, паралельній поверхні електродів.

Можна припустити також, що в аналогічних умовах знаходиться і затиснене повітря. Нагріваючись, повітря, коефіцієнт об’ємного розширення якого приблизно у п’ять разів більший, ніж у пари, створює шляхи міграції, долаючи на своєму шляху сили міжмолекулярної взаємодії поверхневих плівок води і хімічних доповнень, якщо останні введені у бетонну суміш. Цими шляхами, в площинах, визначених формою і розмірами твердих часток, по лініях найменшого опору, долаючи опiр плівки води і доповнень, в навколишнє середовище виходить повітря, що розширилося, а разом з ним і пари води, утворюючи пори в цементному тісті, яке займає міжзерновий простір, і каверни на площинах бетону, прилеглих до електродів, і на активній поверхні електродів. Бетонна суміш при цьому буде мати пухку структуру, а виготовлений із неї бетон знижену тривкість.

Для усунення цього явища бетонну суміш під час розігріву необхідно піддавати вібраційним впливам. У запропонованому засобі ця проблема вирішується шляхом надання електродам коливальних рухів. У результаті вібраційних впливів електродів на бетонну суміш руйнуються плівки води і хімічних доповнень, істотно зменшується поверхнева енергія, руйнуються шляхі міграції повітря і вологи, стираються каверни на активній поверхні електродів. Тверді складові частково зближуються до зіткнення між собою по поверхневих шарах, розділених тонкою плівкою, що досягається при незначних затратах енергії електродів, що коливаються.

Установлено, що процеси коагуляційного структуроутворення бетонної суміші інтенсифікуються при температурі 50 0С і вище. Причиною цьому є підвищення при нагріванні хімічної активності води. Це відбувається у зв’язку iз зниженням в’язкості, розагрегування асоціативів води, дисоціюванням частин молекул води на іони водню і кисню. Рухомість часток води різко виростає і кількість контактів між ними і поверхнею цементних зерен збільшується, що призводить до більш активного хімічного сполучення води і появи в системі гідратних новоутворень.

Результати експериментальних досліджень показують, що міцність бетонів, виготовлених із бетонних сумішей, розігрітих до 600 С і 800 С, суттєво не відрізняється. Це дозволило установити верхню межу температури розігріву бетонних сумішей - 60 0С.

Установлено, що оптимальна температура розігріву бетонної суміші знаходиться в межах 50…60 0С. У цьому ж діапазоні температур відбувається інтенсивне тепловиділення цементу, що має суттєве значення у загальному балансі ТВО бетону.

Розігріта до заданої температури бетонна суміш подається безперервним потоком у форму, де і ущільнюється. Під час і після ущільнення процеси формування структури бетону проходять більш інтенсивно у порівнянні з бетонами, відформованими із нерозігрітих сумішей.

Міцність бетону, виготовленого із розігрітих бетонних сумішей по запропонованій технології, на 20-25 % вища, ніж у бетонів того ж складу із нерозігрітих сумішей.

Таке підвищення міцності бетонів із розігрітих бетонних сумішей дозволяє зменшити витрати цементу або скоротити час ТВО бетону.

В роботі розглянутий запропонований автором спосіб безперервного електророзігріву бетонної суміші у поєднанні з вібруванням (амплітуда 10…20 мм, частота 0,8…1,6 с-1), як із найпоширенішим і ефективним способом ущільнюючого механічного впливу на суміш, яка розігрівається.

Характерною особливістю запропонованого способу електророзігріву бетонної суміші є та обставина, що частина процесів фізико-хімічного і фізико-механічного характеру відбувається не після її ущільнення у формі, а під час розігрівання.

На сьогодні для регулювання властивостей бетонів і розчинів широкого застосування набули пластифікуючі та інші доповнення. На той же час практично не досліджена можливість регулювання та управління процесами структуроутворення цементних систем впливом на них зовнішнього електромагнітного поля.

При відсутності штучно утвореного магнітного поля для більшості речовин магнітні моменти заряджених часток врівноважують один одного і всередині магнітне поле не визначається, а для другої частини речовин магнітні моменти їх атомів і молекул дорівнюють нулю.

Зовнішнє магнітне поле впливає на траєкторії заряджених часток таким чином, що їх магнітні моменти орієнтуються вздовж напрямку силових ліній цього ж магнітного поля. Появлення “внутрішнього” магнітного поля отримала назву намагнічення речовини.

За інтенсивністю та характером намагнічення всі речовини поділяються на 3 групи:

До першої групи відносяться речовини, що складаються з атомів (молекул) з нульовим магнітним моментом за відсутності штучного зовнішнього магнітного поля. Намагніченість цих речовин утворюється із-за того, що зовнішнє магнітне поле в будь-якому атомі, в будь-який момент створює магнітний момент, пропорційний зовнішньому магнітному полю з індукцією В. В таких речовинах, що називаються діамагнетиками, результуюче магнітне поле незначне, але слабше поля зовнішніх струмів. До діамагнітних речовин мають відношення кварц, вода, срібло, сірка, інертні гази, ртуть, та багато інших речовин.

До другої і третьої груп відносяться речовини, у яких внутрішнє магнітне поле має напрямок згідно (в одному напрямку) із зовнішнім полем.

У другій групі речовин зовнішнє магнітне поле з індукцією В орієнтують вже існуючі магнітні моменти атомів або молекул вздовж поля так, що геометрична сума їх моментів не дорівнює нулю. У цій групі речовин, що називаються парамагнетиками, результуюче магнітне поле не на багато сильніше поля зовнішніх струмів. До парамагнетичних речовин відносяться алюміній, калій, натрій, повітря, марганець, платина, кисень та інші.

У третій групі речовин "внутрішнє" магнітне поле у тисячі, десятки тисяч разів більше ніж магнітне поле зовнішніх струмів у порожнечі. До таких речовин відносяться залізо, кобальт, нікель та їх сплави. Вперше властивість дуже сильної концентрації магнітного поля було виявлено у заліза та його сплавів. Тому такі речовини отримали назву феромагнітних.

Явище феромагнетизму пояснюється сукупністю деяких властивостей атомної структури та кристалічних решіток феромагнітних матеріалів.

Одну із головних ролей грає спин (обертання) електронів. Створення магнітного моменту за рахунок спину електрона одночасно супроводжується сильною електростатичною взаємодією між електронами сусідніх атомів. Ця взаємодія викликає взаємну орієнтацію нескомпенсованих спінових магнітних моментів. Нескомпенсовані моменти за рахунок спинів електронів зустрічаються тільки у елементів з незаповненими передостанніми оболонками. Так, атом заліза в передостанній оболонці має п'ять електронів іх позитивним (невистачає в оболонці чотири електрони), атом кобальту має три, а атом нікелю два електрони з нескомпенсованими магнітними спинами.

Компоненти, що входять у склад бетонної суміші (цемент, пісок, щебінь, вода та доповнення) за інтенсивністю і характером намагніченості є представниками усіх змальованих вище груп. Маючи відмінні між собою потенціальні можливості атомів і молекул компонентів, що входять у склад бетонної суміші, по різному реагують на вплив штучного зовнішнього поля, магніторухома сила якого залежить від параметрів струму, що приймають участь у створенні цього поля.

Процес затвердіння цементного каменю вміщує адсорбцію води по поверхні зерна цементу, диспергацію поверхні зерна цементу і переходу в рідинну фазу окису кальцію кременезема з послідуючою гідратацією утворених поверхонь та формуванням гідросилікатів і гідроалюмінатів кальцію.

У процесі утворення гідросилікатів кальцію в них індуктуються диполі. Диполь – дипольні взаємодії гідросилікатів кальцію приводять до формування плівки гідросилікаткальцієвого гелю на поверхні зерен цементу. Утворення плівки гелю призводить до появи в них макродиполей. Взаємодія макродиполей гідратованих зерен цементу, а також дія капілярних сил обумовлюють коагуляцію системи і утворення коагуляційної структури цементного каменю з коагуляційними контактами. Слід відзначити, що поруч з коагуляційними контактами формуються і фазові контакти за рахунок утворення і росту кристалів гідросилікатів кальцію із розчину в поровом просторі, а також за рахунок утворення і росту гідросульфоалюмінатів і гідроалюмінатів кальцію.

З плином часу кількість фазових контактів у затверділому цементному камені збільшується і його міцність підвищується. Міцність цементного каменю в основному залежить від пористості, характеру пор, типу контактів і виду гідросилікатів кальцію. Відомо, що низькоосновні гідросилікати кальцію характеризуються більшою міцністю, ніж високоосновні.

Накладення магнітного поля різної напруженості на цементне тісто, а потім і на створений цементний камінь у бетоні приводить до зміни магнітних властивостей диполей води, до визначеної орієнтації як диполей гідросилікатів кальцію, так і макродиполей гідратованого цементу. В результаті зміни і визначеної орієнтації диполей води у початковий період твердіння з'являється можливість більш інтенсивної деструкції поверхні зерна цементу і у більшому об'ємі. Це приводить до переходу в розчин більшої кількості оксиду кальцію кремнезему і формуванню більшого об'єму закристалізованих гідросилікатів кальцію у поровому просторі каменя з більшою кількістю фазових контактів. Зниження пористості цементного каменя і збільшення долі фазових контактів призводить до підвищення його міцності.

Взаємодія накладеного на твердіючий цементний камінь зовнішнього магнітного поля з диполями гідросилікатів і макрдиполями гідратованих зерен цементу приводять до присилення їх орієнтації і збільшенню сил взаємодії між ними. Це, сумісно з дією капілярних сил, сприяє видаленню більшого об'єму води як із усієї системи, так і з контактів і зменшенням товщини плівки води в них, аж до виникнення достотних контактів, що призводить до підвищення їх міцності та зниження пористості, а от же, підвищенню міцності цементного каменю і бетону.

У Луганському державному аграрному університеті розроблені способи виготовлення бетонних виробів і пристроїв для його здійснення. Спосіб включає електромагнітну обробку укладеної та ущільненої у форму бетонної суміші, яку виробляють впливом на твердіючий бетон змінним електромагнітним струмом промислової частоти напругою < 1000 В і постійним зовнішнім магнітним полем напруженістю <100 Е, що утворюється напругою постійного струму. Зовнішнє магнітне поле орієнтують відносно магнітного поля Землі.

Реалізація способу впроваджена тим, що в пристрої, схема якого зображена на рис.1, для комплексної електромагнітної обробки цементних систем, що включає форму, магнітопровод, виготовлений з вирізом для

1 – підставка; 2 – форма; 3 – бетонна суміш; 4 – стінки форми, виконані з ізоляційного матеріалу; 5 – стінки-електроди; 6 – клеми; 7 – електропроводка; 8, 12, 14, 15, 16 – перемикачі; 9 - автотрансформатор; 10, 11 – обмотки трансформатора; 13 – випрямник; 17, 18 – котушки; 19 – магнітопровід; 20 – автомат; 21 – екран.

установки форми, борти якої є електродами, підключеними до джерела змінного струму, а котушки насаджені на магнітопровід і підключені відповідно або зустрічно до джерела постійного струму.

Дослідам була піддана бетонна суміш із послідуючим розподілом матеріалів на 1 м3 бетону: цемент – 263 кг, пісок – 580 кг, вода – 194 л, щебінь – 1087 кг, В/Ц – 0,74.

Для приготування бетонної суміші застосовувався портландцемент марки М400 Амвросієвського цементного заводу, пісок з модулем значності 0,9-1,2, щебінь фракції 5-20 мм із пісчаника Марусинського родовища. Із бетонної суміші приведеного складу формували зразки-куби з розміром 10 см. Приготовлену бетонну суміш вкладали у форму, ущільняли, потім застосовували електромагнітну обробку – електророзігрів за визначеним режимом і впливу зовнішнього магнітного поля, орієнтованому відносно магнітного поля Землі. Контрольні зразки піддавалися тільки електророзігріву. Початкові параметри електромагнітної обробки твердіючого бетону: електророзігрів - напруга змінного струму = 110 В; струм = 1,5 А; магнітна обробка: напруга постійного струму = 1,9 В; струм = 5 А.

Проведені дослідження показали, що межа міцності при стиску зразків бетону, що піддавалися магнітній обробці склав 27-35 МПа, а непідвергнутих – 18-23 МПа.

Таким чином проведені дослідження показали, що магнітна обробка бетонної суміші, виходячи з вищеприведених механізмів регулювання структури цементного каменю, дозволяє підвищити міцність бетону у 1,5-2,0 рази.

В третьому і четвертому розділах приведені результати досліджень властивостей розігрітих бетонних сумішей, розглянуті проблеми управління іх легкоукладанністю.

Одним із способів покращення якості бетону є введення у бетонну суміш пластифікуючих і суперпластифікуючих добавок, особливо ефективне їх застосування в технології бетонних і залізобетонних виробів з електророзігрівом бетонних сумішей.

Попередній електророзігрів надає бетонним сумішам нові ефективні властивості, що заключаються у більш коротких термінах структуроутворення та прискоренню зросту пластичної міцності бетону в порівнянні з холодними сумішами, однак нагріті суміші є власниками єдиного негативного фактору, до якого відноситься порівняно швидка втрата початкової рухомості бетонної суміші, що залежно від температури розігріву, тривалості інтервалу між приготуванням і укладкою суміші, а також його вихідного водозбереження.

Для забезпечення заданої рухомості електророзігріваємої бетонної суміші в момент її укладки практикується деяке підвищення її водозбереження (від 2 до 25%) або застосування пластифікуючих доповнень.

Якщо впливу хімічних доповнень на легкоукладальність звичайних бетонних сумішей у літературі приділяється достатньо уваги, то їх вплив на формовочні властивості розігрітих бетонних сумішей вивчено недостатньо.

Враховуючи це у Луганському державному аграрному університеті виконані роботи по вивченню впливу пластифікуючих доповнень СДО, ПАЩ-1, суперпластифікуючих доповнень С-3, Дофен, 10-03 та інші на формовочні властивості розігрітих бетонних сумішей.

Вплив доповнень на формовочні властивості розігрітих бетонних сумішей вивчався на цементах Амвросієвського цементного заводу, мілких пісках Огороднянського кар'єру (Мкр 1,0-1,2), щебені з пісчанику Марусинського родовища.

У таблицях 1-2 приведені данні, що характеризують вплив суперпластифікуючого доповнення С-3 на формовочні властивості розігрітих бетонних сумішей.

У бетонних сумішах на порталндцементі марки М500 (табл. 1) з вихідною рухомістю 2-4 см осадки стандартного конуса при застосуванні суперпластифікуючого доповнення С-3 у кількості 0,5; 0,6 і 0,7 % від маси цементу рухомість збільшується до 12, 13 і 14 см. Після розігріву до 60 0С ці суміші легкоукладуємі та характеризуються рухомістю 1,8 і 9 см. При подальшому витримуванні ці суміші зберігають рухомість упродовж 10-20 хвилин.

Таблиця 1.

Вплив суперпластифікатора С-3 на формотворну властивість

бетонної суміші