Виброформование

Вибрирование является основным методом формования бетонных и железобетонных изделий. Кроме того, научно-исследовательские разработки и опытно-производственное опробование показывают, что метод виброформования достаточно перспективен и в производстве различного рода керамических изделий.

Большинство формовочных масс в промышленности строительных материалов состоит из связующего (как правило, высокодисперсных частиц в смеси с водой) и более или менее крупных частиц заполнителя. Для компактной упаковки последних при отсутствии связующего достаточно интенсивное встряхивание при амплитуде, способной вызвать перемещение зерен. Чем больше размер зерен, тем больше должна быть амплитуда колебаний, сообщаемых вибратором. В формовочных массах такому перемещению заполнителя препятствуют вязкопластические свойства связующего. Для того чтобы зерна заполнителя получили возможность более компактно взаиморасположиться в пространстве, необходимо нарушить структурные связи в связующем с последующим их восстановлением после прекращения возмущающих воздействий.

Таким образом, сущность метода виброформования заключается в эффекте тиксотропного разжижения формуемой массы. При этом энергия внешнего воздействия будет расходоваться на нарушение структурных связей связующего, пространственную перегруппировку зерен заполнителя, придание массе заданной формы, коагуляционное уплотнение связующего, сопровождающееся уплотнением всего объема смеси за счет собственной массы и внутреннего воздействия сил, вызывающих тиксотропное упрочнение системы.

Эффективность виброуплотнения зависит как от параметров вибрации, так и от реологических характеристик смеси. Параметры вибрирования характеризуются амплитудой колебаний А (см), частотой колебаний f (Гц) и продолжительностью вибрирования t (с). Многочисленными исследованиями установлено, что отдельно взятые параметры вибрирования не могут характеризовать эффекта уплотнения. Качество уплотнения определяется совокупностью этих параметров, критериями которых являются скорость колебаний Аf (см/с), ускорение колебаний (см/с²) или интенсивность колебаний (см²/с³). Наиболее достоверным критерием эффективности вибрирования является показатель интенсивности вибрации. Интенсивность вибрации характеризует поток энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади вибрируемой бетонной смеси.

Параметры вибрации должны быть выбраны такими, чтобы энергия вибрации превысила значения предельного напряжения сдвига данной системы. При превышении значений предельного напряжения сдвига уплотняемая смесь превращается в подвижную текучую массу. Подчиняясь законам гидростатики, она приобретает способность заполнять форму даже со сложным очертанием и уплотняться под действием сил тяжести, вытесняя имеющиеся пузырьки воздуха наружу. Под влиянием сообщенных вибрацией импульсов частицы смеси находятся в непрерывном колебательном движении около некоторых осредненных положений неустойчивого равновесия. В результате смещения соседних частиц образуется пустота, которая и заполняется вышележащей частицей под действием силы тяжести.

Чем выше предельное напряжение сдвига и вязкость смеси, тем больше должна быть интенсивность вибрирования. Увеличение интенсивности вибрирования выше определенного предела нежелательно, так как это может привести к расслаиванию смеси.

Необходимая интенсивность вибрирования может быть достигнута при различных сочетаниях значений амплитуды и частоты колебаний. Оптимальные значения амплитуды колебаний тем выше, чем крупнее зерновой состав смеси. Чем больше значение реологических характеристик смеси, тем выше должна быть частота колебаний; увеличение амплитуды колебаний в этом случае менее эффективно.

Увеличение амплитуды выше определенных пределов может вызвать подсос воздуха у стенок формы и, как следствие, разуплотнение смеси. Недостаточная амплитуда увеличивает необходимое время вибрации и снижает производительность формующих машин.

Тиксотропия связующего может быть вызвана высокочастотными вибрационными колебаниями любой направленности. Однако для плотной упаковки заполнителя и предотвращения разрыхления смеси в процессе вибрирования возникающие инерционные силы должны совпадать с направлением силы тяжести.

Обычно формовочная смесь состоит из частиц, разнородных по размерам и плотности, поэтому для ее уплотнения желательно применять поличастотное вибрирование. При этом, поскольку вибрация низкой частоты эффективна для крупных зерен (типа щебня), средней частоты для зерен песка и высокой частоты для тонких зерен связующего, использование поличастотного вибрирования должно увеличить однородность уплотнения.

В промышленности строительных материалов помимо простого вибрирования применяют различные варианты виброуплотнения – вибрирование с пригрузом, виброштампование, вибротрамбование, совмещение вибрирования с вакуумированием массы. Все эти методы направлены на получение изделий максимальной плотности.

Основным агрегатом, используемым для виброформования изделий, является виброплощадка. Часто при формовании жестких и особо жестких смесей в дополнение к виброплощадке используют вибропригруз, а при наличии пустот в изделиях – вибровкладыши соответствующей конфигурации.

В промышленности сборного железобетона применяют виброплощадки с круговыми, горизонтально или вертикально направленными колебаниями (рис. 8.1).

а) – с круговыми колебаниями; б) – с горизонтально направленными колебаниями;

в) – с вертикально направленными колебаниями

Рисунок 8.1 – Схемы виброплощадок

Для хорошей работы виброплощадок с круговыми колебаниями необходимо обеспечить соосность дебалансного вала виброплощадки и центра тяжести формы с уплотняемой массой. В противном случае траектории круговых колебаний смеси превращаются в эллипсоидные с неодинаковой амплитудой в различных точках изделия, что приводит к разноплотности изделия. Подобные дефекты наблюдаются и в изделиях, имеющих большую толщину и ширину из-за смешения бетонной смеси в сторону направлении вращения дебалансного вала. Кроме того, при формовании широких изделий на виброплощадках этого типа отмечается повышенное засасывание воздуха у стенок формы.

Виброплощадки с вертикально направленными колебаниями отличаются равномерным распределением амплитуд колебаний, следовательно, равномерным уплотненном смеси при изготовлении широких изделий относительно небольшой высоты. К недостаткам их следует отнести более сложную по сравнению с предыдущим типом конструкцию, а также сильные шумы при работе, зачастую превышающие допустимые нормы.

На виброплощадках с горизонтальными колебаниями смесь получает колебания от поддона и боковых стенок формы в касательном направлении. Они хорошо зарекомендовали себя при формовании длинномерных изделий.

Для вибрирования используют также поверхностные (например, при формовании железобетонных изделий в кассетах) и глубинные вибраторы. Для формования коротких труб больших диаметров нередко применяют вибросердечник – разновидность поверхностного вибратора.