Физико-механические основы процессов перемешивания бетонных смесей

Задача смешивания – равномерно распределить все компоненты по объему, чтобы проба, взятая из любого места бетонной смеси, имела один и тот же состав. Кроме однородности бетонная смесь должна также обладать необходимой связностью, т.е. способностью формоваться без разрывов и расслоения. Эти свойства смеси обычно обеспечиваются правильным подбором состава бетона, необходимой точностью дозирования составляющих материалов и качественным их перемешиванием в бетоносмесителе.

Способы перемешивания

В зависимости от состава и требуемых свойств бетонной смеси применяются различные способы перемешивания. Традиционными являются гравитационное и принудительное перемешивание.

Смешивание при свободном падении материала в гравитационных смесителях эффективно применять для приготовления пластичных смесей, содержащих крупнозернистый заполнитель из плотных горных пород. В гравитационных бетоносмесителях на стенках смесительного барабана укреплены лопасти, которые при вращении барабана поднимают материал вверх. Падая, исходные компоненты перемешиваются под действием собственной силы тяжести. Достоинства гравитационных смесителей: низкая стоимость, простота конструкции и эксплуатации, невысокая метало- и энергоемкость.

Смешивание в смесителях принудительного действия применяется при приготовлении малоподвижных, жестких, мелкозернистых смесей, а также смесей с легкими пористыми заполнителями. В бетоносмесителях принудительного действия материалы перемешиваются при вращении лопастей в неподвижной чаше. Этот способ используется в тех случаях, когда перемешивание при свободном падении материалов не обеспечивает получение однородной смеси при увеличении длительности перемешивания. Принудительное перемешивание вызывает повышенный расход электроэнергии.

Наряду с традиционными способами внедряются и новые методы: виброперемешивание, турбулентное и струйное перемешивание.

Виброперемешивание заключается в воздействии на смесь вибрационных импульсов, нарушающих силы трения и сцепления между частицами. Смесь тиксотропно разжижается, становится текучей. Кроме того, происходит определенная виброактивация компонентов смеси, что приводит к повышению прочности бетона. Данный способ эффективен для жестких и особо жестких смесей. Вибросмесители требуют значительного расхода энергии на перемешивание и создают большой шум и вибрацию рабочих мест.

Турбулентное перемешивание основано на создании высоких градиентов скоростей при смешивании в результате скоростного вращения ротора. В нижней части смесительного бака происходит вихревое перемещение компонентов смеси. Оно возникает в результате беспорядочного движения компонентов, отскакивающих от стенок бака и лопаток ротора. Здесь также имеет место активация.

Выпускаются турбулентные смесители для подвижных цементно-песчаных растворов и бетонов. Смесь получается с высокой степенью однородности и не расслаивается за счет того, что уменьшается ее вязкость, улучшается текучесть, резко снижается водоотделение.

Струйное перемешивание заключается в смешивании материалов струями воздуха, выходящими из трубок с соплами под давлением 0,4-0,5 МПа (двухвальный смеситель Машина).

Режим перемешивания

Качество бетонной смеси зависит от порядка загрузки компонентов и длительности перемешивания.

При перемешивании тяжелые частицы под действием силы тяжести стремятся переместиться вниз, а легкие – вверх. Поэтому при перемешивании тяжелых бетонных смесей крупный заполнитель целесообразно вводить в последнюю очередь или одновременно с другими твердыми компонентами. А при перемешивании легкобетонных смесей крупные фракции необходимо загружать в первую очередь.

Длительность перемешивания определяется условием достижения однородности бетонной смеси во всех ее частях. Определяется, как правило, опытным путем для конкретных составов. Критерием является коэффициент вариации прочности образцов определенной серии. Для установления оптимума строится кривая зависимости коэффициента вариации и продолжительности перемешивания (рис. 4). Время, когда кривая выполаживается, считается оптимальным.

Чем подвижнее бетонная смесь, больше плотность заполнителей, выше скорость смесительных устройств, тем меньше необходимая продолжительность перемешивания.

В зимнее время продолжительность перемешивания необходимо увеличивать на 20-25 % и применять подогрев компонентов или самой смеси в процессе перемешивания. Бетонная смесь после перемешивания должна иметь температуру 20-25 ºС (но не менее 5 ºС).

Задача 3. Определить температуру свежеприготовленной бетонной смеси, если вода подогревается до 75 ºС, песок до 40 ºС. Щебень оттаивается до +2 ºС, Цемент имеет температуру -10 ºС. При перемешивании бетонная смесь остывает на 2,5 ºС.

Исходные данные: лабораторный состав бетона – цемент 320 кг, песок 610 кг, щебень 1240 кг, вода 180 л; песок имеет влажность 6 %, щебень – 3 %. Коэффициент теплоемкости для сухих материалов принять С = 0,2.

Решение.Исходя из равенства запаса тепла в бетонной смеси и ее составляющих составляется уравнение:

t_б.с [0,2 (Ц + П + Щ) + В] = 0,2 (Ц t_ц + П t_п + Щ t_щ) + В t_в,

откуда:

t_б.с = 0,2 (Ц t_ц + П t_п + Щ t_щ) + В t_в / [0,2 (Ц + П + Щ) + В]

Учитывая то, что песок и щебень имеют в своем составе воду (влажность материала), которая будет попадать в смесь с температурой материала, знаменатель будет иметь следующий вид:

0,2 (Ц t_ц + П t_п + Щ t_щ) + В_п t_п + В_щ t_щ + В t_в , где

В_п – количество воды, содержащейся в песке, В_п = 610 · 0,06 = 36,6 л;

В_щ – количество воды содержащейся в щебне, В_щ = 1240 · 0,03 = 37,2 л;

В - количество воды, добавляемой в смесь: В = 180 – 36,6 – 37,2 = 106,2 л.

t_б.с = 0,2 [320 · (- 10) + 610 · 40 + 1240 · 2] + 36,6 · 40 + 37,2 · 2 + 106,2 · 75 / [0,2 (320 + 610 + 1240) + 180] = 14239,4 / 614 = 23,2 °С.

Так как при перемешивании смеси бетонная смесь остывает на

2,5 °С, температура смеси после приготовления составит: 23,2 – 2,5 = 20,7°С.