Технологические переделы при изготовлении сборного железобетона и оборудование заводов
Перед рассмотрением процессов изготовления изделия сборного железобетона остановимся на существенно важном вопросе, связанном с технологией работ, по которому имеются различные мнения Опыт показывает, что любой технологический передел должен обязательно заканчиваться проверкой в технологическом комплексе. Иная постановка вопроса в отрыве от технологической цепочки при внедрении новых приемов работ, в том числе новых машин и оборудования, во многих случаях дискредитирует отдельные разработки и предложения, мешает совершенствованию и развитию новых приемов в технологии бетона. Кажущаяся простота технологических переделов при изготовлении сборного железобетона — причина значительного количества нереализованных предложений, авторы которых не учитывают специфики бетона.
Действительно, по прочности контрольного кубика и объемной массе тяжелого бетона нельзя судить о прочности изделия или о любом другом техническом свойстве бетона. На примере шпал с напряженной арматурой, которые формовались из одной бетонной смеси, на одной виброплощадке, видно, что морозостойкость их значительно отличается (как по числу циклов, так и по местам разрушения).
Следовательно, изменение состава бетонной смеси по ходу технологического процесса условий формования, уплотнения, режима твердения, ухода за твердеющим бетоном отражается на бетоне. Это подтверждает теоретические положения о влиянии различных факторов, в том числе случайных, в силу нестабильности свойств исходных компонентов бетонной смеси, которые изложены в ряде параграфов учебника.
Задача технологов — систематически работать над созданием машин и оборудования, проведением оперативного контроля качества исходных материалов в полном соответствии с теоретическими положениями, которые лежат в основе науки о бетоне и технологии его приготовления. Изучение причин неоднородности бетонов должно лежать в основе подхода к любому проектированию предприятий по изготовлению сборного железобетона. Технология, которая строится без учета этого основного технического принципа, не может считаться прогрессивной.
Неоднородность бетона также затрудняет разработку более экономичных конструкций. Отсутствие объективного анализа причин неоднородности бетонов не позволяет быстро и правильно решать технические задачи, связанные с выбором оптимальных приемов, изготовления сборного железобетона в масштабе страны. Как это осуществлено во многих отраслях народного хозяйства, необходимо от решения частных вопросов технического развития той или иной отрасли в отдельных ведомствах перейти к решению комплексной задачи их технического перевооружения на всех технологических переделах, осуществляя последние в большом производственном масштабе в хорошо организованных заводах-лабораториях для сборного железобетона и на полигонах.
Дальнейшее развитие предприятий сборного железобетона будет из года в год резко возрастать. Этот рост не столько связан с развитием существующих заводов, сколько со строительством новых предприятий. Без наличия научно организованной производственной проверки каждого нового проектного решения в указанных заводах-лабораториях будут вновь допущены ошибки, которые во многих случаях невозможно предвидеть, если ограничивать решение задачи технологической разработки только одной проектной стадией, без тщательной опытной проверки.
Свойства бетона — это функция многих параметров, среди которых параметры, связанные с твердением даже одного и того же цемента, в свою очередь, зависят от качества технологического передела. В таком направлении и рассмотрим организацию каждого из них: дозирование и смешивание компонентов бетонной смеси, подготовку форм и монтаж арматуры в формах, транспортирование бетонной смеси и ее распределение в формах, уплотнение — формование бетонной смеси, твердение бетона, распалубливание и отгрузку изделий.
Дозирование и смешивание компонентов бетонной смеси. Для дозирования применяют полуавтоматическое или автоматическое взвешивание материалов на один замес с учетом их влажности. Точность дозирования составляет: для цемента и воды ±1%, для заполнителей ±2% при длительности дозирования каждого замеса не более 45 с. Существуют два способа смешивания — периодический и непрерывный, поэтому соответственно этому имеются дозаторы периодического и непрерывного действия. Для дозирования цемента выпускается серия дозаторов, выдающая взвешенные порции цемента на замес — от минимальной в 40 кг до максимальной в 700 кг.
Подробные сведения о марках дозаторов, выпускаемых промышленностью, можно получить в работах. Дозаторы рассчитаны для работы на инвентарных заводах с двумя бетоносмесителями указанных загрузочных емкостей.
Заполнители в зависимости от количества фракций (одна, две и три) отвешиваются на дозаторах соответствующего исполнения (одно-, двух- и трехфракционного). Для этого бункера-питатели, в которых хранится запас материалов, имеют соответствующее число отсеков. Фракции заполнителей взвешиваются последовательно — одна за другой, что увеличивает продолжительность отмеривания материалов на каждый замес. Подача порций материала на весы осуществляется с помощью релейной системы автоматики.
В дозатор входит: загрузочное устройство, весовые механизмы, аппаратура управления затворами и весовыми механизмами. Дозаторы заполняются под давлением силы тяжести материала (гравитационные) или с помощью питателя. Дозаторы с полуавтоматическим управлением (а ранее и ручным) могут обслуживать не более двух бетоносмесителей только при их линейном расположении на одном уровне. Автоматические дозаторы позволяют резко увеличить производительность труда и на одном комплекте обеспечить работу до 4—5 бетоносмесителей при их размещении вокруг общего центра. Подробные сведения о конструкции дозаторов, их автоматизации и работе по совершенствованию аппаратуры даны в специальной литературе.
Опыт работы с дозаторами показывает, что неравномерность состава бетонной смеси часто связана с систематической их переналадкой из-за одновременного выпуска каждым заводом нескольких составов бетона. Следующим шагом в повышении качества бетона должна быть работа завода по заданной программе.
Исключение влияния оператора на выдачу бетонной смеси проектного состава и обеспечение бесперебойной работы дозаторов с необходимой точностью — первый шаг в технологической цепочке производства бетонной смеси с высоким коэффициентом однородности. Такое производство бетонной смеси устранит возможность бесконтрольного увеличения содержания в смеси воды. Научно организованное управление составом и очередность выдачи бетонной смеси не только значительно повысит ее однородность, но и резко улучшит использование транспортных средств.
Особенности смешивания компонентов бетонной смеси состоят в том, что значительное количество сборного железобетона изготавливают с применением крупного заполнителя, максимальный размер которого (из-за относительно небольших сечений деталей и большого количества арматуры) значительно меньше, чем заполнителя, используемого для конструкций. Кроме того, для получения бетона высоких марок следует применять жесткие смеси, в которых ограничивается содержание воды. Для перемешивания таких смесей пригодны смесители только принудительного действия. Следует иметь в виду, что расслоение смеси в силу небольших размеров сечения деталей сборного железобетона вызывает неоднородность смеси, не связанную с работой дозаторов. Жесткие смеси перемешивают дольше (160—180 с) смесей пластичных (60 с).
Нельзя изменять условия перемешивания смесей за счет модернизации смесителей до того момента, пока они не будут регламентированы нормативными документами. Известны предложения оо улучшении качества перемешивания смесей на смесителях принудительного действия. Например, вибрирование смесей во время перемешивания, т. е. виброперемешивание. Для изготовления монолитных бетонных и железобетонных конструкций был применен принцип разделения операций по смешиванию компонентов на стадии. Вместо перемешивания всех компонентов в смесителе, перемешивается только растворная часть (цемент+вода+песок). В одном из раздельных способов бетонирования — «погружения в раствор» в опалубку подают растворную смесь, в которую при ее тиксотропном разжижении засыпают заполнитель (в нашем случае при использовании внутренних вибраторов с частотой колебания 3000 кол/мин размер зерен допускается от 20 мм), а в другом (ранее применявшемся) в засыпанный гравий или щебень заливают растворную смесь. Как следует из этих описаний, в первом способа не было расслаивания бетонной смеси при транспортировании (на ленточных транспортерах) и упрощалось приготовление бетонной смеси в больших количествах, так как стадия перемешивания в смесителях заменялась погружением крупного заполнителя в растворную смесь. В этом случае как бы совмещаются две операции: смешивание и уплотнение, которое приводит растворную смесь в состояние тиксотропного разжижения и зерна крупного заполнителя погружаются в такой раствор — смешиваются с ним. Однако это неравноценно перемешиванию в смесителях всех компонентов с последующим уплотнением смесей вибрированием.
Если после предварительного перемешивания удается использовать крупный заполнитель с полным набором стандартных фракций выше 5 мм, то в случае раздельной укладки по способу «погружения в раствор» этого сделать не удается, так как мелкие фракции не погружаются в вибрируемый раствор. Крупные фракции при этом способе должны пройти в растворе больший путь, а следовательно, нельзя произвольно выбирать толщину слоев растворной смеси и крупного заполнителя. И, наконец, работа вибраторов должна быть надежной, иначе не произойдет смешивания.
Указанный способ представляет интерес при массовом бетонировании и позволяет отказаться от трудоемкого процесса смешивания крупного заполнителя с растворной частью бетона. Вибрирование как промежуточный процесс (после перемешивания смесь вновь подвергается механическим воздействиям) не может быть признано целесообразным, так как вибрация разрушает материалы и, в частности, механизм самого вибратора; она воздействует и на детали смесителя, постепенно его разрушая. По этой причине любые предложения, связанные с улучшением того или другого технологического эффекта при производстве бетонных работ, следует проверять не только по прямым показателям качества полученного материала — бетона (раствора), но и по надежной и стабильной работе тех агрегатов, которые позволяют его повысить.
Способ раздельного бетонирования проверен, начиная от массовых лабораторных до полигонных работ, и подтвердил сказанное о равноценности качества этого способа с обычным способом работ. Несомненно, в случае применения раздельного способа поверхность зерен не должна быть загрязнена. Надо иметь в виду, что перед началом выпуска смеси, а также по ходу работы завода необходима проверка выхода бетона. Для этого объем любого замеса замеряют в уплотненном состоянии. В случае необходимости корректируют дозы материалов, составляющих бетонную смесь.
Транспортирование бетонной смеси. На заводах сборного железобетона возможность расслоения бетонной смеси практически сведена на нет. Однако и здесь способ транспортирования должен быть увязан с условиями формования бетонной смеси. Действительно, объем замеса может презышать объем, который укладывается в форму для железобетонной детали (конструкции) или оказаться малым для ее заполнения. Такое соответствие и не обязательно. Обязателен учет времени укладки смеси из каждого замеса, так как решающее значение имеет снижение формуемости спустя определенный период, прошедший после изготовления смеси. Это время условно связывают со сроками схватывания цемента. Известно, что сроки схватывания цемента при стандартном определении отличаются от сроков его схватывания в бетонной смеси в силу разного содержания в них воды и различия температур помещения, в котором производится бетонирование, и лаборатории, где испытывался цемент. В жестких бетонных смесях В/Ц теста нормальной густоты значительно ближе по значению к В/Ц теста в жестких смесях, а температура помещения в ряде случаев может быть выше 15—20°С (стандартной температуры, при которой определяются сроки схватывания цемента). Поэтому сначала следует весьма обстоятельно решать вопрос о возможных сроках выдерживания бетонной смеси в форме до полного заполнения или о применении двукратного вибрирования одной части смеси, или многократного повторного вибрирования отдельных объемов ее, но с обязательным учетом химического связывания отдельных замесов смеси, засыпаемых в форму в единый монолит при последующем повторном вибрировании.
Смесь из раздаточного бункера бетоносмесителя, куда она поступает после окончания смешивания, загружается в соответствующую емкость — бадью, опрокидывающийся ковш, ленту транспортера, трубы для пневматранспортирования и т. д. Первые две емкости загружают с помощью следующих транспортных механизмов—мостовых кранов, позволяющих с необходимей гибкостью, не занимая площадей цеха, подавать смесь в любое место изготовления деталей; автокар; самоходных, бетонораздатчиков; автопогрузчиков с опрокидным ковшом; электропогрузчиков.
Учитывая характеристики формуемых деталей, объем и ассортимент выпускаемой продукции, схемы производства, используемые на заводе (стендовую, конвейерную, агрегатно-поточную, смешанную технологии), рассчитывают и подбирают транспортные средства, а также увязывают их с остальными механизмами и оборудованием для технологического процесса.
Следует учитывать еще один важный показатель, который оценивал бы транспортные средства с точки зрения загрузки формы смесью разной пластичности (жесткости) и обеспечения при этом ее стабильности (нерасслаиваемости). Этот показатель различен для разных средств.
В последнее время все больший размах приобретает автоматизация раздачи бетонной смеси, сблокированная в одну систему с ее приготовлением. Бетонная смесь необходимой марки подается к постам формования, оборудованным бетонораспределителями. Должны быть автоматизированы и последующие технологические переделы. Автоматизация процесса транспортирования смеси наиболее проста для транспортирования в бадьях, ковшах, вагонетках, режим работы которых может соответствовать режиму работы бетоносмесителей периодического действия.
Формование бетонной смеси — уплотнение в опалубке или форме определенного геометрического очертания и размеров до заданных технических свойств бетона. Рассмотрим задачи, возникающие при формовании смеси, и процесс ее уплотнения. Необходимо отличать уплотнение смеси при изготовлении контрольных образцов-кубов на лабораторных виброплощадках от уплотнения смеси при изготовлении деталей (конструкций), в том числе крупногабаритных из сборного (и монолитного) бетона (железобетона). В первом случае уплотняется небольшой объем смеси любого состава на стандартных виброплощадках, в одних и тех же условиях, строго выверенных и отработанных.
Получение образцов с раковистой поверхностью или иными дефектами — признак неуплотняемосги смеси и необходимости ее корректирования. При этом легко определить, какие из них близки по составу к неуплотняющеися смеси, а какие хорошо уплотняются.
Неуплотняемость смеси в изделиях различных геометрической формы, габаритов, массы при разной насыщенности арматурой очень часто зависит не только от состава смеси, но и от условий вибрирования (типа вибратора, места приложения источников колебания к уплотняемой смеси, максимальной крупности заполнителя и т. д.). Например, эффект вибрирования смеси различен при использовании синхронизированных виброплощадок, наружных навесных вибраторов, крепящихся к форме или устанавливаемых на уплотненной смеси и названных поверхностными, различных типов внутренних вибраторов.
При применении внутренних вибраторов необходимо правильно выбрать место установки — назначить радиус их действия, за пределами которого смесь остается неуплотненной, так как цементное тесто не приобретает текучести, связанной с его тиксотропным разжижением.
Лаборатория в процессе проектирования бетона, не ограничиваясь при выборе пластичности-жесткости только одним лабораторным экспериментом, обязана проверить ее соответствие условиям производства работ. Надо учитывать, что показатель достаточности вибрирования смеси по появлению влаги на поверхности детали не является объективным критерием ее уплотнения.
Завершенность уплотнения определяется совокупностью показателей: продолжительность вибрирования, осуществляемого в полном соответствии с назначенной схемой расстановки вибраторов внутренних, наружных или тех и других (или установки формы на виброплощадке и особенности крепления формы к ней, использованию пригруза), а не по продолжительности вибрирования образца на лабораторной виброплощадке. При этом необходимо полное соответствие проекту: состава смеси по всем показателям расположения и закрепления арматуры и, наконец, выделение влаги на поверхности точно в назначенный срок, соответствующий окончанию вибрирования смеси. Более раннее образование на поверхности цементного молока является признаком начала расслоения и требует изменения состава смеси или, в крайнем случае, ее повторного многократного вибрирования, чтобы удалить отделяющуюся воду из уплотняемой смеси.
В некоторых монографиях, технологических наставлениях и памятках имеются указания по вопросу достаточности времени вибрирования жестких смесей только по прекращению ее оседания и появлению блеска на поверхности, а пластичных смесей — по появлению цементного раствора на поверхности уплотняемой смеси. Указанные признаки связаны с тиксотропным разжижением не всего объема, а только части уплотняемой смеси.
Чем пластичнее смесь, тем ближе к максимальной степени ее уплотнения признак выделения раствора с появлением блеска на поверхности уплотняемой смеси. Следовательно, указанный визуальный признак показывает окончание уплотнения смесей высокой степени пластичности (8—10 см). Выше этой осадки конуса противопоказано уплотнять смеси с применением вибрирования, так как при возникновении колебаний частиц мгновенно наступает их расслоение. При этом в смеси происходит не только разделение составляющих ее частиц по высоте уплотняемого слоя, но и протекает миграция воды в верхние слои уплотняемой толщи, т. е. происходит расслоение— седиментация цементного теста, изменение В/Ц бетона по слоям. Это хорошо видно при использовании ультразвуковых и кондуктометрических приемов контроля уплотнения. Бетон, полученный из смеси со случайной степенью уплотнения (недоуплотненный бетон), имеет свойства, которые всегда ниже запроектированных и не могут быть оценены без прямых испытаний. Следовательно, такой бетон нельзя использовать в строящихся объектах.
Уход за твердеющим бетоном. Пропаривание производят в тоннельных и ямных устройствах—камерах, кассетах, под колпаком и при повышенных давлениях в автоклавах. Если в монолитном бетоне (железобетоне) под словом уход понимается обеспечение твердения бетона при сохранении в нем всей воды затворения при любых положительных температурах внешней среды, то для сборного бетона (железобетона) сказанное относится к твердению в искусственно создаваемой тепловлажностной среде.
К сожалению, очень часто твердение бетона ускоряется за счет искусственного повышения температуры внешней (паровоздушной) среды с испарением влаги из бетона. Резко увеличивается пористость бетона даже при обычном изменении относительной влаги воздуха. Опыт показывает, что в результате нарушения влажности воздуха затвердевший бетон не только имеет пониженную прочность по сравнению с эталоном (твердевшим в стандартных условиях), но и все другие низкие технические свойства. Следовательно, все камеры или другие устройства, в которых производится пропаривание, должны быть оборудованы автоматическими системами, следящими за обеспечением теплового режима, заданного лабораторией, и необходимой влажности воздуха. При технически необоснованном сокращении времени пропаривания для повышения съема продукции с единицы площади пола камер резко ухудшаются технические свойства деталей, несмотря на повышение в них содержания цемента для получения бетонов заданной марки. Такое увеличение расхода цемента нарушает технические условия и наносит ущерб народному хозяйству, не позволяя произвести большее количество бетона из такого же количества выпускаемого цемента.
Для выполнения плана предприятия должны иметь соответствующее количество камер пропаривания, чтобы не допускать снижения качества бетона и перерасход цемента. Также недопустимо неразумное удлинение режима пропаривания, так как снижается объем продукции без каких-либо положительных результатов для повышения ее качества, которое уже было оптимизировано для заданного, более короткого, режима тепловлажностной обработки.
Автоматизация последней включает не только общее время пропаривания, но каждый его этап, что особенно важно для этого процесса (выдержку детали перед подъемом температуры — длительность ее подъема, изотермический прогрев и снижение температуры — охлаждение детали).
Существуют следующие схемы регулирования режима пропаривания: 1) частичное регулирование, при котором задается лишь продолжительность процесса и максимальная температура (при которой протекает изотермический процесс); 2) полное или программное регулирование. При проектировании автоматизированных систем за основной параметр следует принимать температуру камеры, а также относительную влажность воздуха.
Направленное формирование структуры цементного камня со свойствами, заданными проектом, обеспечивает систематическое многолетнее твердение бетона в любых условиях его работы и, следовательно, его надежную долговечную работу. Зимой горячие детали нельзя выносить из помещений цеха на воздух. Резкий перепад температур приводит к появлению трещин в бетоне.
Недопустимо нарушать режим твердения независимо от условий твердения (обычные температуры наружного воздуха в любой период года, положительные температуры или пропаривание в камерах и автоклавах). Нарушение режима — это испарение из бетона влаги, что, в конечном счете, приводит к одному из видов его разрушения. Анализ результатов испытания пропаренных образцов бетона на двух цементах с близкими минералогическими составами (один содержал гидравлическую добавку — трепел, что видно из показателя нормальной густоты цемента) позволяет сделать следующие выводы.