Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в строительной индустрии при монолитном бетонировании строительных конструкций и при заводском изготовлении их элементов. Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий состоит из приготовления бетонной смеси, ее укладки в форму, ультразвукового воздействия во время предварительной выдержки, которое осуществляют колебаниями, сформированными системой электроакустических излучателей и распространяющимися в объеме изделия, при этом ультразвуковые колебания (УЗК) модулируют по частоте с относительной девиацией 0,02 - 0,2 и частотой модуляции 10 - 500 Гц, а также осуществляют последующую выдержку изделия и распалубку. Изготовление изделий из бетона может производиться также при воздействии УЗК в импульсном режиме при осуществлении подстройки рабочей частоты УЗК, воздействующей на изделия, и при воздействии УЗК на изделие через согласующую звукопроницаемую среду. Использование способа позволяет за счет сокращения времени схватывания и ускоренного нарастания прочности бетона исключить из технологического процесса операции уплотнения бетонной смеси, термовлажностной обработки (пропарки) отформованных изделий, тем самым сократив общее время изготовления изделий при уменьшении энергоемкости процесса, а также обеспечивает повышение прочности и улучшение качества поверхности бетонных и железобетонных изделий. 3 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к строительству и может быть применено в строительной индустрии при монолитном бетонировании строительных конструкций и при заводском изготовлении их конструкций.

Известно, что ультразвуковые колебания (УЗК) используют для интенсификации некоторых технологических процессов, в том числе и в технологии изготовления бетонных изделий.

Было установлено, что воздействие УЗК повышает механическую прочность небольших образцов из бетона, увеличивает твердость и плотность их поверхности, сокращает сроки схватывания и нарастания прочности бетонов [1] Вместе с тем установлено, что интенсивность ультразвуковой волны в жидкой бетонной смеси быстро падает с расстоянием. На основании полученных данных и с учетом возможностей техники шестидесятых годов, для технологического процесса изготовления бетона, авторы указанной книги рекомендовали осуществлять ультразвуковое воздействие на бетонную смесь после ее непосредственного приготовления и перед заливкой в формы. Между тем облученная бетонная смесь схватывается значительно быстрее, что привело к нецелесообразности использования этого способа в условиях крупного бетонного производства с высокой производительностью и продолжительным временем между приготовлением смеси и ее разливкой по формам. Поэтому такой способ не был реализован.

Известен способ воздействия ультразвуком на бетонную смесь, заливаемую в пространство между обсадной трубой и стенками скважины [2] основанный на обработке свежего бетонного теста мощным акустическим полем частотой 20-100 кГц и интенсивностью более 5 кВт/м². При этом в зоне действия акустического излучения в процессе объемной кристаллизации раствора достигается сокращение срока схватывания и повышается прочность бетона. Однако в указанном способе акустическое воздействие ограничилось временем, когда бетонная смесь находилась в стадии жидкой фазы, что привело к получению эффекта лишь вблизи излучателя. Для всестороннего длительного облучения этим способом бетонной смеси по всей длине скважины требовались гирлянды ультразвуковых излучателей длиной от 4 до 6 м, что тогда технически было неосуществимо. Таким образом задача была поставлена, но не была решена.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления бетонных и железобетонных изделий [3] включающий приготовление бетонной смеси, укладку ее в форму, уплотнение, воздействие ультразвуковых колебаний на палубу формы в процессе предварительной выдержки отформованного изделия, термообарботку и распалубку.

При воздействии ультразвуком на поверхность формы, соприкасающейся с твердеющим после формования изделием, на поверхности палубы формы происходит образование слоя кавитационных пузырьков, которые захлопываясь, нарушают образующиеся при твердении связи между опалубкой и изделием. Таким образом достигается высокое качество поверхности изделия из бетона, что положительно сказывается на его прочности и влагонепроницаемости.

Использование в способе-прототипе одиночного излучателя УЗК не позволяет одновременно и равномерно озвучить крупногабаритные изделия из бетона. Это связано с тем, что с одной стороны, интенсивность воздействия УЗК падает с расстоянием от излучателя и требуется большая мощность воздействия, а с другой стороны, при воздействии УЗК на одной постоянной частоте в ограниченном объеме отформованного изделия возникают стоячие волны, что не обеспечивает равномерного озвучивания объема изделия и препятствует проникновению УЗК вглубь изделия. При этом даже в случае механического перемещения излучателя вдоль поверхности изделия не обеспечивается равномерной интенсивности воздействия УЗК, так как различные участки поверхности в том случае подвергаются ультразвуковому воздействию на разных стадиях становления бетона. При больших размерах изделий УЗК недостаточно проникают в их объем вследствие указанных причин и не влияют на сроки схватывания бетона и повышение его прочности в объеме изделий. Для сокращения этих сроков в известном способе вынуждены после предварительной выдержки использовать энергоемкую операцию термообработки изделий (пропарку). Далее изделие подвергают последующей выдержке в соответствии со стандартным режимом.

Цель изобретения сокращение времени технологического процесса за счет сокращения времени схватывания и времени нарастания прочности бетона по объему изделий, в том числе крупногабаритных, при уменьшении энергоемкости их изготовления.

Цель достигается тем, что в заявляемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий, включающем приготовление бетонной смеси, ее укладку в форму, предварительную выдержку отформованных изделий, воздействие ультразвуковыми колебаниями на поверхность изделия во время предварительной выдержки, последующую выдержку и распалубку формы, ультразвуковое воздействие осуществляют колебаниями, сформированными системой электроакустических излучателей, и распространяющимися в объеме изделия, при этом ультразвуковые колебания модулируют по частоте с относительной девиацией 0,02-0,2 и частотой модуляции 10-500 Гц.

Использование системы ультразвуковых излучателей, позволяет обеспечить воздействие УЗК большой мощности, с интенсивностью 20-50 кВт/м², равномерно распределенной по поверхности изделия, что особенно важно для изделий больших размеров. При этом происходит равномерное проникновение УЗК не только в узкий приповерхностный слой, но и в глубокие слои изделия, где также начинают происходить изменения, связанные с процессами диспергации и гидратации, приводящие к сокращению времени схватывания бетона и времени нарастания его прочности в объеме изделия. Формирование УЗК с помощью системы ультразвуковых излучателей обеспечивает также равномерность этого воздействия на изделие во времени для каждой стадии ускоренного процесса становления бетона. Таким образом достигается пространственно-временная равномерность ультразвукового воздействия УЗК по объему изделия.

В свою очередь частотная модуляция формируемых колебаний позволяет устранить в объеме узлы и пучности поля, возникающие при воздействии УЗК с одной рабочей частотой. Эффект достигается при частотной модуляции с изменением длины волны на 20-25% что в диапазоне УЗК соответствует частоте модуляции 10-500 Гц с относительной девиацией 0,02-0,2. Верхняя граница частотной девиации 0,2 определяется частотным диапазоном эффективной работы системы излучателей. Нижняя граница девиации 0,02 соответствует минимально необходимому изменению частоты УЗК для обеспечения равномерного поверхностного и объемного воздействия. Таким образом использование частотной модуляции позволяет еще больше повысить равномерность озвучивания изделий.

Равномерность распределения интенсивности по поверхности или в объеме количественно может быть оценена как отношение минимальной интенсивности к максимальной соответственно на поверхности или в объеме изделия. В предлагаемом способе эти отношения достигают 0,8 на поверхности и 0,5 в объеме при фиксированном расстоянии облучаемой поверхности, а в способе-прототипе только 0,4 на поверхности и 0,2 в объеме.

Воздействие на изделие частотно-модулированных УЗК большой мощности, при обеспечении пространственно-временной равномерности этого воздействия, приводит к тому, что процесс схватывания бетона и нарастание его прочности до нормативной величины успевает произойти за короткое время воздействия УЗК в период предварительной выдержки отформованных изделий и непродолжительное время последующей выдержки при обычной температуре, позволяет отказаться от энергоемкой операции их термовлажностной обработки (пропарки), что особенно актуально для крупногабаритных изделий.

Кроме того, при воздействии частотно-модулированными УЗК на бетонную смесь, которая из-за наличия многочисленных включений с разными акустическими сопротивлениями является нелинейной средой, в ней выделяется низкочастотный (НЧ) сигнал. Нелинейный эффект, связанный с изменением параметров скорости звука в многокомпонентной газожидкостной среде при больших мощностях ультразвукового воздействия, в значительной степени усиливается как приповерхностной кавитацией, так и кавитацией внутри объема изделия. На практике эффект нелинейности распространения УЗК заключается в свободной передаче в среде полуволн сжатия и практически полном поглощении средой полуволн разрежения. Такое распространение частотно-модулированных УЗК приводит к эффекту детектирования, при котором огибающая высокочастотных колебаний может быть выделена в объеме изделия в виде низкочастотного акустического колебания с частотой модуляции 10-500 Гц.

Воздействие такого НЧ-сигнала в течение всего времени предварительной выдержки отформованного изделия адекватно известному процессу уплотнения бетонной смеси, что позволяет в предложенном способе исключить операцию уплотнения по сравнению со способом-прототипом.

При изготовлении заявляемым способом изделий из железобетона в нем будут происходить все физические процессы, указанные для бетона, так как металлическая арматура, входящая в состав железобетона и являющаяся идеальным проводником для звука, усиливает эффект от воздействия УЗК. В связи с этим все изложенное в заявляемом способе в отношения изготовления изделий из бетона равным образом относится также к изготовлению изделий из железобетона.

Таким образом, совокупность указанных признаков позволяет за счет сокращения времени схватывания и нарастания прочности бетона исключить операции уплотнения бетонной смеси и термообработки отформованных изделий, сократить время технологического процесса и уменьшить энергоемкость изготовления бетонных и железобетонных изделий, в том числе изделий больших размеров.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий воздействие УЗК на поверхность отформованного изделия можно осуществлять также в импульсном режиме при длительности импульса излучения 1-50 мс и скважности 2-4.

На практике мощность ультразвукового воздействия, как правило, ограничена средней мощностью преобразования, определяющей тепловой режим излучателей.

Использование указанного режима работы равносильно использованию амплитудно-частотной модуляции, при которой граничные значения длительности импульсов в 1-50 мс определяются граничными значениями частоты огибающей несущего сигнала 10-500 Гц частотой модуляции при значении скважности 2. Увеличение скважности до 4 используется для улучшения теплового режима систем акустических излучателей при соответствующем сокращении длительности импульсов излучения.

При этом импульсный режим позволяет повысить максимальную мощность в импульсе и среднюю мощность ультразвукового воздействия, что усиливает проникновение УЗК вглубь обрабатываемого изделия и способствует ускорению времени схватывания и нарастания прочности бетона.

Кроме того, в этом случае также за счет детектирования средой ультразвуковых сигналов, модулированных не только по частоте, но и по амплитуде, и выделения соответствующих НЧ-сигналов, проиходит усиление эффекта уплотнения бетонной смеси.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий в процессе воздействия УЗК можно осуществлять подстройку частоты этих колебаний из условия обеспечения максимальной интенсивности ультразвукового воздействия, для чего выделяют и измеряют контрольный электрический сигнал, уровень которого пропорционален амплитуде УЗК на поверхности изделия, и осуществляют подстройку частоты этих колебаний.

Воздействие ультразвуковыми колебаниями начинается на бетонную смесь, залитую в заданную форму, когда бетон находится в жидкой фазе, а заканчивается на стадии практически твердой фазы. Это значит, что в период озвучивания постоянно меняется волновое сопротивление среды при распространении ультразвука и происходит рассогласование рабочей частоты, вследствие чего падает интенсивность воздействия УЗК.

Указанная подстройка рабочей частоты УЗК и служит для обеспечения требуемой интенсивности ультразвукового воздействия на изделие во времени, т.е. для повышения временной равномерности независимо от стадии становления бетона.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий воздействие УЗК на изделие можно осуществлять также через согласующую звукопроницаемую среду.

Использование согласующей звукопроницаемой среды улучшает пространственное согласование УЗК по всей поверхности изделия, контактирующей с этой средой и имеющей постоянное волновое сопротивление. При этом повышается пространственная равномерность УЗК-воздействия на поверхность изделия из бетона независимо от его формы. Кроме того, использование согласующей звукопроницаемой среды позволяет обеспечить ультразвуковое воздействие одновременно на несколько отформованных изделий, размещенных в емкости с согласующей средой.

На чертеже представлен пример выполнения устройства формирования УЗК, равномерно распределенных по поверхности изделия с заданной интенсивностью.

Устройство формирования УЗК содержит транзисторный ключевой усилитель 1 мощности (КУМ), управляемый фазо-импульсным модулятором 2, согласующее устройство 3, систему 4 из ряда N электроакустических излучателей, соединенных между собой (фиг. 1). При этом КУМ 1 и согласующее устройство 3 могут быть реализованы, например, в соответствии с а.с. СССР N 1660170, фазо-импульсный модулятор 2 например, в соответствии с а.с. СССР N 1614110.

Система 4 электроакустических излучателей может быть реализована на основе пьезоэлектрических стержневых или цилиндрических преобразователей. (Справочник. Подводные электроакустические преобразователи. Под ред. Богородского. Л. Судостроение, 1983).

В указанном устройстве КУМ 1, управляемый фазо-импульсным модулятором 2, формируют мощный частотно-модулированный (ЧМ) сигнал с рабочей частотой в пределах 18-25 кГц с частотой модуляции 10-500 Гц и относительной девиацией 0,02-0,2. Сформированный сигнал поступает на вход системы 4 электроакустических излучателей, формирующей УЗК большой мощности с заданным фронтом распространения, обеспечивающими равномерное озвучивание поверхности обрабатываемого изделия из бетона с заданной интенсивностью, которая замеряется системой контрольных гидрофонов, расположенных на поверхности или в объеме изделия. При этом для уменьшения количества излучателей можно применять их механическое сканирование вдоль поверхности изделия, а для более рационального расхода электрической мощности на облучение наряду с механическим сканированием можно применять электрическое сканирование.

Результаты измерений приведены в таблице.

П р и м е р. Свежеприготовленную бетонную смесь марки 400 с водоцементным отношением 0,5 заливают в форму с размерами, указанными в таблице.

На поверхность отформованного изделия воздействуют УЗК, сформированными системой электроакустических излучателей с определенной интенсивностью и параметрами воздействия, приведенными в таблице для каждого конкретного примера. При этом в течение предварительной выдержки изделия контролируют время, необходимое для схватывания бетона, также приведенное в таблице.

Далее на стадии последующей выдержки изделие выдерживают на открытом воздухе до достижения бетоном нормативных прочностных характеристик, т.е. его полного становления, и производят его распалубку.

После этого проводились испытания на прочность в соответствии с ГОСТ 12730.5-84 на прессе П-125 и испытания на водонепроницаемость в соответствии с ГОСТ 10180-90 на установке Агама-2Р, результаты которых приведены в таблице.

Анализ полученных данных, приведенных в таблице, показывает, что использование заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом позволяет сократить время схватывания бетона для изделий одинакового размера с 3 ч до 30 мин, при исключении операций уплотнения и термообработки и сокращении времени технологического цикла их изготовления.

При этом показатели прочности изделий, изготовленных заявляемым способом, оказались выше, чем у аналогичных изделий, изготовленных в соответствии со способом-прототипом. Кроме того, было отмечено существенное улучшение качества поверхности изделий из бетона по сравнению с прототипом и получены более высокие показатели влагонепроницаемости, отраженные в таблице.

Реализация способа с проведением подстройки рабочей при воздействии УЗК на изделие обеспечивается тем, что для выделения контрольного сигнала в устройство формирования УЗК вводится электроакустический датчик, подключаемый к фазо-импульсному модулятору. В качестве такого датчика может быть использован, например, один из излучателей системы, включенный в режиме приема (4_N+1 на чертеже).

Реализация способа при воздействии УЗК на изделие через согласующую звукопроницаемую среду осуществляется аналогично описанному выше, при этом в качестве такой среды может быть использована вода или, например, полиуритан.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий приготовление бетонной смеси, укладку ее в форму, предварительную выдержку отформованных изделий, ультразвуковое воздействие на поверхность изделия во время предварительной выдержки, последующую выдержку и распалубку формы, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие осуществляют колебаниями, сформированными системой электроакустических излучателей и распространяющимися в объеме изделия, при этом ультразвуковые колебания модулируют по частоте с относительной девиацией 0,02 0,2 и частотой модуляции 10 500 Гц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют в импульсном режиме при длительности импульса излучения 1 50 мкс и скважности 2 4.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе воздействия ультразвуковыми колебаниями выделяют и измеряют контрольный электрический сигнал, уровень которого пропорционален амплитуде ультразвуковых колебаний на поверхности изделия, и осуществляют подстройку частоты этих колебаний из условия обеспечения максимальной интенсивности ультразвукового воздействия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие на изделие осуществляют через согласующую звукопроницаемую среду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3