1

Статья не опубликована, послана в Научно-технический журнал

«Строительство и реконструкция» в 2011 году, пропала без вести.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОРОДНОСТИ

ПАРОРАЗОГРЕТОЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ

INVESTIGATION OF THE HOMOGENEITY

OF STEAM-HEATED CONCRETE MIX

УДК 693.54.53:693.54.523

И. Б. КУЗЬМИН, канд. техн. наук, эл. почта: i.b.kuzmin@gmail.com;

http://kuzmin-ib.livejournal.com

KUZMIN Igor Borisovich, Ph. D., e-mail: i.b.kuzmin@gmail.com;

http://kuzmin-ib.livejournal.com

В статье описываются лабораторные исследования однородности

бетонной смеси и анализируются полученные в результате их зависимости,

моделирующие технологию бетонирования монолитных конструкций смеся-

ми, разогретыми паром в смесительном барабане автобетоносмесителя.

Процесс пароразогрева изменяет условия достижения оптимальных пара-

метров по сравнению с приготовлением неразогретых смесей. Результаты

лабораторных и производственных исследований свидетельствуют о повы-

шении эффективности достижения однородности пароразогретой смеси в

сравнении с неразогретой смесью.

The article describes the laboratory investigation of concrete mix homoge-

neity and presents analyze of dependences obtained as a their result, which model-

ing technology of monolithic designs concreting by steam-heated mixes in the mix-

ing drum of mixer truck. The process of steam heating is changing the conditions

of optimum parameters achieve, compared with the preparation of a not heated

mixes. Results of laboratory and manufacturing researches indicate achieve effi-

ciency increasing of steam-heated mix homogeneity in comparison with a not heat-

ed mix.

Ключевые слова: автобетоносмесители, пароразогретые бетонные

смеси, технология бетонирования, лабораторные исследования, однород-

ность бетонной смеси.

Keywords: concrete mixer trucks, steam-heated concrete mixes, concreting

technology, laboratory researches, homogeneity of concrete mix.

2

Основным критерием качества бетона в конструкциях является его

прочность при сжатии. Критерием же качества смешивания является одно-

родность распределения компонентов в смеси.

Однако высокая однородность распределения в смеси компонентов не

всегда предопределяет высокую однородность бетона по прочности, которая

зависит от характера контактов на границах раздела фаз, распределения воды

в микрообъемах цементных зерен и т.п.

Определение однородности по анализам свежеприготовленной смеси

имеет одно важное преимущество перед определением прочности затвер-

девшего бетона, – это экспрессный характер получаемых результатов. Таким

образом, нельзя отказаться ни от одного из двух методов анализа сроков

смешивания, рассматривая полученные результаты как дополняющие друг

друга

Из всех проанализированных методов, единственным, которым можно

воспользоваться при исследовании однородности бетонной смеси при приго-

товлении ее в автобетоносмесителях (АБС) с пароразогревом, является метод

определения однородности бетонной смеси по однородности ее объемной

массы. Только при использовании этого метода достигается возможность

снятия “пассивной” характеристики бетонной смеси, т.е. такой, которая при

возвращении бетонной смеси в исследуемую массу не повлекла бы за собой

изменения ее свойств и состояния.

В экспериментах по исследованию однородности пароразогретой бе-

тонной смеси, приготавливаемой в смесительном барабане АБС, использова-

лась бетонная смесь состава: портландцемент М 400 Ульяновского цементно-

го завода, песок Улыбышевского карьера с Мкр 1,2 – 1,35 объемной массой

сухого песка 1450 – 1500 кг/м³, щебень гранитный фракций 5 – 20 мм в соот-

ношении 1 : 2,13 : 3,67 из расчета получения бетона марки В 15.

Для проведения экспериментов была разработана (положительное ре-

шение по заявке на полезную модель «Бетоносмеситель» № 2009139681/22

(056224) от 12.11.2009) и выполнена опытная конструкция бетоносмесителя,

позволившая провести исследования процессов, сопровождающих пароразо-

грев бетонной смеси, аналогично условиям приготовления бетонной смеси в

смесительном барабане АБС (рис. 1).

За основу был принят гравитационный бетоносмеситель марки СБ-

116А с геометрическим объемом барабана 0,1 м³, который был переоборудо-

ван под пароразогрев. Так двигатель, предусматривающий смешивание ком-

понентов бетонной смеси при скорости вращения смесительного барабана 27

об/мин, был заменен двумя электродвигателями, вращающими барабан со

скоростью 9 об/мин, т.е. равной скорости вращения смесительного барабана

АБС в режиме перемешивания и 4 об/мин – режим побуждение. За счет этого

удалось при соответствующем объеме загрузки приблизиться к времени

смешивания компонентов бетонной смеси, составляющем 10-20 мин. Три

смесительные лопасти, выполненные в виде лопаток, были заменены на две

винтовые лопасти из листовой стали. Для фиксации положения паропровода

3

внутри смесительного барабана во втулке, вваренной в днище барабана, был

выполнен паз (рис.1а).

а б

в г

д е

Рисунок 1 – Экспериментальная лабораторная установка

а) переоборудованный барабан бетономешалки; б) крышка барабана в сборе;

в) крышка на барабан (вид снаружи); г) крышка на барабан (вид изнутри);

д) крышка барабана с короткой трубкой; е) крышка барабана с длинной

трубкой

4

В качестве источника пара использовались два паровых стерилизатора

марки ВК-30, нагревание воды в которых производилось трубчатыми элек-

трическими нагревателями. Регулирование давления пара в водопаровой ка-

мере производилось при помощи электроконтактного манометра, который

включал или выключал электромагнитный пускатель. Соединение парообра-

зователей с бетоносмесителем производилось термостойкими изолирован-

ными шлангами (рис. 1б).

Для исключения неорганизованного выхода неконденсирующейся ча-

сти пара загрузочно-разгрузочное отверстие бетоносмесителя было закрыто

крышкой, оборудованной резиновыми прокладками и проушинами для со-

единения накидными затворами крышки с барабаном, обеспечивающими

плотное прилегание ее к барабану (рис.1в, 1г).

Для поддержания внутри смесительного барабана необходимого давле-

ния и отвода неконденсирующегося пара на крышке было выполнено круглое

отверстие, закрываемое ввинчиванием болта (рис.1в).

Анализ существующих схем введения пара в барабан бетоносмесителя

показал, что все варианты предусматривают подачу пара внутрь смеси или во

внутреннее пространство бетоносмесителя. Поэтому для проведения иссле-

дований были выполнены две трубы, одна из которых имела один конец сво-

бодно расположенный внутри барабана на расстоянии около 0,2 м от крышки

(рис. 1д), а другая проходила по оси смесительного барабана и опиралась

своими концами в паз втулки в днище барабана и в отверстие в крышке

(рис.1е).

В обеих трубах была выполнена перфорация отверстий: в первой трубе

– на половине, находящейся внутри барабана; во второй – на половине ее,

находящейся в смеси.

При исследовании моделировались возможные технологические схемы

приготовления пароразогретой бетонной смеси в смесительном барабане

АБС, применяемые в условиях реального строительства (рис. 2):

- при строительстве объектов, время доставки бетонной смеси к кото-

рым не превышает технологически допустимого для данного вида смеси, – с

пароразогревом на бетонном узле, – I схема;

- при строительстве отдаленных (на сколь угодно большое расстояние)

объектов, объектов второй и последующих очередей, а так же на реконструи-

руемых предприятиях – с получением пара от: передвижного парогенератора,

существующих стационарной котельной или ближайшего паропровода, – II

схема;

- с приготовлением пароразогретой бетонной смеси по двухстадийной

обработке, – III схема.

При исследовании влияния режимов смешивания на однородность па-

роразогретой бетонной смеси применялся активный эксперимент с использо-

ванием матрицы полного факторного эксперимента с реализацией всех непо-

вторяющихся вариантов.

Матрица планирования экспериментов представлена в табл.1.

5

Рисунок 2 – Технологические блок-схемы приготовления бетонной смеси

с пароразогревом в автобетоносмесителе

I схема

Последовательно

Побуждение

Побуждение

Пропорционально

Перемешивание

Выдерживание

Загрузка

Разогрев

Транспортирование

Разгрузка

II схема

Последовательно

Побуждение

Побуждение

Пропорционально

Перемешивание

Выдерживание

Загрузка

Транспортирование

Разогрев

Разгрузка

Побуждение Выдерживание Транспортирование

III схема

Последовательно

Побуждение

Побуждение

Пропорционально

Выдерживание

Перемешивание

Загрузка

Транспортирование

Разогрев

Разгрузка

Побуждение Перемешивание

Транспортирование Побуждение Выдерживание

Разогрев

6

Таблица 1

Матрица полного факторного эксперимента

Факторы

Код

Уровни варьирования Применение

для смесей нижний верхний

Загрузка 1x Последовательная Пропорциональ-

ная 31 xx -

неразогретой

41 xx -

смоченной

51 xx -

сухой,

увлажнен-

ной,

влажной

Режим

смешивания 2x Побуждение Перемешивание

Обороты 3x 50 – 200 285 – 310

Подача

пара 4x На смесь В смесь

Подача

воды 5x П – В П + В

Загрузка может производиться последовательно или пропорционально

с вращением смесительного барабана в режиме перемешивание (9 об/мин);

разогрев при стоянке АБС в режимах побуждение или перемешивание;

транспортирование при вращении смесительного барабана в режиме побуж-

дение (чтобы избежать опрокидывания АБС) или без вращения (при выдер-

живании); разгрузка при вращении барабана со скоростью 9 об/мин (рис. 2).

После дозирования компонентов смеси в соответствующем объеме она

загружалась в смесительный барабан последовательно (песок, крупный за-

полнитель, цемент) или пропорционально (сразу всеми компонентами сме-

си). При этом барабан вращался в режиме загрузки со скоростью 9 об/мин, а

суммарное количество оборотов барабана не превышало 50.

После загрузки барабан вращался в режимах побуждение – 4 об/мин

или перемешивание – 9 об/мин. Через каждые 50 оборотов барабан останав-

ливался, и из него бралось 2 пробы объемом 1 дм³ (1 л) из противоположных

частей замеса. Пробы взвешивались на весах с ценой деления 0,5 г и возвра-

щались в смесительный барабан, после чего барабан опять пускался во вра-

щение и цикл повторялся. Замеры прекращались через 285 – 310 оборотов

барабана.

Для выявления влияния пароразогрева на процессы смешивания после

загрузки по последовательной или пропорциональной схемам в смеситель-

ный барабан бетоносмесителя подавался пар по одному из вариантов – в

смесь или на смесь. При загрузке сухой, увлажненной или влажной смеси до

достижения заданного водоцементного отношения подавалась вода после

подачи пара (П – В) или одновременно с ним (П + В), при этом температура

воды равнялась или была выше температуры смеси, которую собирались по-

лучить.

Разогрев смоченной смеси производился только паром П. Время разо-

грева смеси не превышало 15 мин, а температура 72ºС. При проведении экс-

7

периментов с разогревом пробы из замеса брались по окончании всего про-

цесса разогрева, т.е. при побуждении через 60 оборотов, а при перемешива-

нии через 135. После разогрева смесительный барабан бетоносмесителя вра-

щался в режиме побуждение. За последние 50 оборотов производилась вы-

грузка смеси из смесительного барабана при вращении его со скоростью 9

об/мин.

При исследовании по второй схеме после загрузки смесительный бара-

бан вращался в режиме побуждение перед разогревом 50, 100 или 150 оборо-

тов.

При исследовании по третьей схеме первый разогрев производился в

течение 5 или 10 минут, а второй – 10 или 5 мин. Между разогревом смеси-

тельный барабан вращался в режиме побуждения.

По результатам исследования были получены зависимости, представ-

ленные уравнениями регрессии при смешивании: неразогретой (холодной)

смеси; смоченной смеси с пароразогревом; сухой смеси с пароразогревом и

проведен регрессионный анализ моделей:

- при смешивании неразогретой (холодной) смеси:

;02,013,033,002,064,001,032,043,1 1232313123211 xxxxxxy

- при смешивании смоченной смеси с пароразогревом:

;01,010,001,087,003,061,103,078,059,2 1234123241343211 xxxxxxxxy

- при смешивании сухой смеси с пароразогревом:

12342314543211 02,002,01,035,001,074,002,029,034,1 xxxxxxxxy

Были построены графики, которые отражают зависимости:

- влияния продолжительности смешивания в бетоносмесителе в разных

режимах (побуждение, перемешивание) на однородность объемной массы

неразогретых (холодных) компонентов бетонной смеси различной влажности

(смесь сухая, увлажненная, влажная и смоченная) при разных схемах загруз-

ки (последовательная, пропорциональная);

- влияния продолжительности смешивания в бетоносмесителе в разных

режимах (побуждение, перемешивание) на однородность объемной массы

пароразогретой бетонной смеси при подаче пара (в смесь, на смесь) в сухую,

увлаженную, влажную и смоченную смесь в последовательности: для сухой,

увлажненной и влажной смеси – сначала пар, затем вода – (П – В) или одно-

временно пар и вода – (П + В); для смоченной смеси – пар – (П) при разных

схемах загрузки (последовательно, пропорционально) – I схема – 7х4 графи-

ков (рис.3, график 1.1);

- аналогичные представленным для I схемы. Отличительной особенно-

стью является то, что разогрев производится не на бетонном узле (I схема), а

после транспортирования (в режиме побуждение) на строительной площадке,

что отражает возможные варианты приготовления пароразогретой смеси в

АБС по II схеме – 14х4 графиков (рис.4, график 2.13).

- аналогичные полученным по первым двум схемам. Особенностью их

является то, что разогрев производится как на бетонном узле, так и на строи-

8

тельной площадке, что отражает возможные варианты приготовления паро-

разогретой бетонной смеси в АБС по III схеме – 12х4 графиков (рис. 5, гра-

фик 3.5).

Рисунок 3 – Влияние продолжительности смешивания

в бетоносмесителе на однородность объемной массы

пароразогретой бетонной смеси

Загрузка последовательная. Смесь сухая.

Смешивание в режимах: А, Б – побуждение, В, Г – перемешивание.

9

Пар: А, В – в смесь, Б, Г – на смесь; – – – без разогрева, 1 – П–В, 2 – П+В

Рисунок 4 – Влияние продолжительности смешивания

в бетоносмесителе на однородность объемной массы

пароразогретой бетонной смеси

Загрузка последовательная. Смесь смоченная.

Смешивание режимах: А, Б, В – побуждение, Г – перемешивание.

Пар: – – – без разогрева, 1 – пар в смесь, 2 – пар на смесь

10

Рисунок 5 – Влияние продолжительности смешивания

в бетоносмесителе на однородность объемной массы

пароразогретой бетонной смеси

Загрузка пропорциональная. Смесь сухая. Пар в смесь.

Первый разогрев 5 мин., второй – 10 мин.

Смешивание режимах: А, Б, В – побуждение, Г – перемешивание.

Пар: – – – без разогрева, 1 – П–В, 2 – П+В

11

Идентичность полученных данных проверялась в сравнении с приго-

товлением в АБС. Расхождение не превышало ± 3,6%. С учетом погрешности

дозирования компонентов бетонной смеси в реальных условиях, лаборатор-

ные исследования можно считать корректными.

Проведенные исследования и полученные графические зависимости

выявили следующие общие закономерности:

1. При пропорциональной загрузке неразогретой (холодной) смесью

компонентов из предварительно высушенных заполнителей однородность

смеси достигается быстрее, чем при последовательной загрузке смеси ком-

понентов с начальной влажностью.

2. Достаточное смешивание в режиме перемешивание происходит за

меньшее суммарное число оборотов, чем в режиме побуждение.

3. С увеличением влажности смеси однородность ее уменьшается.

4. Подача пара в смесь приводит к более быстрому (за меньшее число

оборотов барабана) смешиванию, чем подача пара на смесь.

5. Последовательное введение пара и воды ведет к более быстрому

смешиванию, чем одновременное введение пара и воды.

6. Наименьшее число оборотов барабана для получения однородной

смеси достигается при последовательном введении пара в смесь и воды при

вращении барабана в режиме перемешивания.

7. Пароразогрев смеси позволяет добиться лучшей однородности смеси

при смешивании за более короткое время.

8. При последовательной загрузке смесью компонентов с повышенной

влажностью заполнителей необходимой однородности смеси (изменение

объемной массы меньше 1%) можно добиться только при пароразогреве сме-

си.

9. Смешивание зависит от этапа пароразогрева. Изменение объемной

массы минимально при побуждении после 200 оборотов.

10. Минимальное изменение объемной массы получено при пропорци-

ональной загрузке сухой смеси и подаче пара в смесь.

Проведенные лабораторные исследования и выявленные общие зако-

номерности изменения однородности распределения компонентов бетонной

смеси при смешивании позволили оптимизировать технологию приготовле-

ния бетонных смесей в смесительных барабанах АБС с учетом особенностей

пароразогрева их. Достижение однородности смешивания ведет к получению

температурной однородности. Оба этих технологических параметра имеют

принципиально важное значение при применении технологии бетонирования

монолитных конструкций пароразогретыми в АБС смесями.

Как малая, так и большая продолжительность смешивания не может

обеспечить получения высокого качества смесей и бетона. В первом случае

из-за недостаточного времени смешивания не достигнуто равномерное рас-

пределение составляющих, во втором, - из-за измельчения заполнителей, вы-

зывающего повышение водопотребности смеси, а также из-за возможного

12

расслоения составляющих. Процесс пароразогрева изменяет условия дости-

жения оптимальных параметров по сравнению с приготовлением неразогре-

тых смесей. При этом определяющее значение, как показали лабораторные

исследования, имеет учет технологической схемы.

Стандарты разных стран ограничивают минимальное общее число обо-

ротов смесителя для получения однородной смеси и максимальное для

предотвращения измельчения крупного заполнителя и избыточного разогре-

ва смеси из-за перехода механической энергии в тепловую. Для АБС мини-

мальное и максимальное число оборотов для неразогретых смесей составляет

соответственно 70 и 100 при максимальной скорости вращения, а общее чис-

ло оборотов смесительного барабана АБС вне зависимости от скорости его

вращения ограничивается 300 оборотами. Соблюдение приведенных ограни-

чений особенно важно при приготовлении составов на малопрочных извест-

няковых заполнителях. Пароразогрев компонентов бетонной смеси позволяет

эти параметры для АБС сократить, что приводит к повышению эффективно-

сти их работы.

Таким образом, по результатам лабораторных и производственных ис-

следований, можно констатировать факт повышения эффективности одно-

родности пароразогретой смеси в сравнении с неразогретой смесью.

© И. Б. Кузьмин, 2010