Уплотнение бетонной смеси
Укладываемая в бетонируемую конструкцию бетонная смесь в начальном состоянии не полностью заполняет форму, имеет рыхлую структуру с высокой пористостью и большим объемом вовлеченного воздуха, что без дополнительной обработки ведет к снижению качества бетона в частности его прочности и внешнего вида - появлению каверн. Поэтому бетонная смесь в блоке должна подвергаться дополнительной обработке с целью повышения плотности и полного заполнения формы. Это достигается путем введения технологической операции, называемой уплотнением. Таким образом, уплотнение бетонной смеси является одним из основных технологических процессов при бетонировании конструкций, в значительной мере определяющим качество уложенного бетона.
Известны следующие способы уплотнения бетонной смеси: ручное трамбование; механическое трамбование; вибрирование; вибровакуумирование; центрифугирование; самоуплотнение. Применение тех или иных способов уплотнения зависит от подвижности бетонной смеси и типа конструкций. В табл. 21.1 приведены принципиальные рекомендуемые способы уплотнения в зависимости от пластичности (0К) и содержания воды в смеси.
Рекомендуемые способы уплотнения в зависимости от пластичности бетонных смесей
Поскольку в гидротехническом строительстве для возведения массивных бетонных сооружений применяются в основном жесткие и малопластичные бетонные смеси, то основным методом уплотнения при возведении таких конструкций является виброуплотнение.
Виброуплотнение заключается в передаче бетонной смеси механических колебаний от источника этих колебании - вибратора. Процесс виброуплотнения сводится к разрушению первоначальной структуры укладываемой смеси (трехфазной) и в переводе ее в разжиженное состояние (пластично-вязкое течение), при которой смесь подчиняется действию силы тяжести, растекается, занимая всю возможную форму, уплотняется и приобретает более устойчивую, плотную (приближающуюся к двухфазной) структуру. При этом зерна заполнителя перемещаются в результате чего достигается заполнение межзернового пространства цементным тестом с одновременным вытеснением воздуха, отделением части воды на поверхность уплотняемой смеси. Таким образом, вибрирование позволяет уменьшить содержание воздуха (рис. 21.6) и расход воды для приготовления бетонной смеси, а следовательно, повысить плотность и прочность бетона (рис. 21.7).
Улучшается не только механическая прочность бетона, но и его морозостойкость, водонепроницаемость и стойкость к агрессивным средам. Эффективность и степень уплотнения зависят от таких факторов, как амплитуда колебаний, частота колебаний и длительность вибрирования. В принципе, чем выше частота колебаний, тем эффективнее идет процесс уплотнения и тем меньше продолжительность уплотнения (рис. 21.8). Однако очевидно, что каждой крупности зерна соответствует собственная частота колебаний, поэтому наибольший эффект обеспечивается при поличастотном вибрировании ,когда в резонанс вовлекаются все зерна смеси. Но конструктивное решение поличастотных вибраторов довольно сложно. Поэтому режим вибрирования рассчитывается на средний размер частиц заполнителя. Оптимальные амплитуды колебаний вибраторов зависят не только от размера частиц, но и от подвижности смеси. Для смесей с крупным заполнителем, а также малоподвижных и жестких смесей необходима более низкая частота колебаний с большой амплитудой (до 0,7 мм). Для смесей с мелким заполнителем и подвижных эффективнее более высокая частота с меньшей амплитудой (0,15-0,40 мм).
По способу воздействия на бетонную смесь вибраторы подразделяются на: глубинные, поверхностные, наружные, виброплощадки (вибростенды) (рис. 21.9) .
Глубинные вибраторы для уплотнения погружаются в бетонную смесь и передают колебания вибронаконечником или корпусом (рис.21.10). Это наиболее распространенные вибраторы для уплотнения бетонной смеси в армированных и неармированных блоках массивных сооружений (в частности, гидротехнических). фундаментах, колоннах.
Поверхностные вибраторы устанавливается на уложенную бетонную смесь и переда ют колебания с поверхности через рабочую площадку. Они действует на глубину 10-20 см. Применяются при бетонировании плит, панелей, дорожных и аэродромных покрытий.
Наружные вибраторы прикрепляются к опалубке или другим устройствам и передают колебания через опалубку. Глубина уплотнения смеси 10-20 см. Применяются для уплотнения при бетонировании тонких элементов с повышенной густотой армирования, а также для побуждения выгрузки, бетонной смеси из бункеров, бадей, автосамосвалов.
Виброплощадки (вибростенды) применяют главным образом при изготовлении сборных элементов в заводских условиях.
Наиболее распространенными вибраторами для уплотнения смесей при бетонировании массивных гидротехнических сооружений являются глубинные. Глубинные вибраторы наиболее просты, экономичны и эффективны. Они представляют собой вибробулавы или виброиглы длиной 40-80 см и диаметром 18-150 см (наиболее распространены вибраторы длиной 60-80 см) (табл. 20.2). В мировой практике частота колебаний этих вибраторов с годами непрерывно увеличивается с целью привести в движение все более мелкие частицы смеси (6000 кол/мин в 1940 г., 10000 кол/мин в 1955 г. и 20000 кол/мин в настоящее время). Колебания низких частот воздействуют на крупные частицы, высоких - на более мелкие.
Радиус действия вибраторов, определяющий размер зоны уплотнения смеси, зависит от частоты колебаний и диаметра вибратора. Для ручных вибраторов он невелик и составляет 25-35 см. Радиус действия вибратора легко определить экспериментально. Для этого достаточно поместить в бетонную смесь стержни диаметром 20 мм длиной, равной длине вибратора, на все более увеличивающемся расстоянии от вибратора. После 1 мин вибрирования все стержни в радиусе действия полностью погрузятся в смесь, вне радиуса действия - частично.
При работе с вибраторами рекомендуется соблюдать следующие правила.
Погружать вибратор в смесь следует вертикально. При этом конец вибронаконечника углубляют в ранее уложенный (но не схватившийся) слой на глубину около 5 см. Этим обеспечивается совместное вибрирование контактного слоя ранее уложенного и уплотняемого слоя и стирание границы между слоями.
Толщина слоя вибрирования должна соответствовать длине рабочей части вибратора и при ручном вибрировании не должна превышать 50 см. Шаг перестановки вибраторов не должен превышать 0,5 радиуса его действия и зависит от толщины слоя, подвижности смеси, крупности заполнителя, вида применяемого цемента и добавок. Поэтому в каждом случае радиус действия следует уточнять на месте.
Лучше вибрировать смесь короткими "рывками" в точках, как мокло ближе расположенных друг к другу, чем длинными в более отдаленных друг от друга точках.
Извлекать вибратор следует медленно, так как иначе образуются впадины, которые заполняются цементным молоком.
Не следует вибрировать смесь, расположенную ближе 10 см от поверхности опалубки.
Продолжительность вибрирования зависит от многих факторов, в частности от частоты колебаний (рис. 21.8). Она сокращается с повышением частоты, подвижности смеси, увеличением количества мелких фракций в смеси, уменьшением массы бетона, а также с повышением густоты армирования. Для отечественных ручных вибраторов она в среднем составляет 15-30 с.
Не следует вибрировать смесь слишком долго. Излишняя вибрация может вызвать расслоение смеси в связи с различной плотностью цементного теста, и заполнителя (рис. 21.11). При этом наиболее тяжелые крупные зерна опускаются на дно формы. Расслоение усиливается при недостаточной однородности смеси, а также при перерасходе воды. Введение добавок, особенно воздухововлекающих, позволяет уменьшить это явление. В зависимости от продолжительности вибрирования часть вовлеченного воздуха выделяется из смеси (главным образом крупные пузырьки). Эти потери тем больше, чем выше энергия уплотнения, чем пластичнее смесь и чем дольше проходит вибрирование (рис. 21.6).
Для уплотнения бетонной смеси при возведении крупных гидротехнических сооружений применяют пакеты вибраторов, закрепленные на специальной траверсе. Траверса подвешивается к крюку крана или к концу телескопической подъемной стрелы, установленной на полноповоротной платформе с пневмоколесным или гусеничным шасси (рис. 21.12, рис. 21.12.а). Применение вибропакетов с подвесными глубинными вибраторами позволяет повысить механизацию процесса, качество уплотнения и производительность труда.
Для повышения качества бетона при определенных условиях применяют так называемое повторное вибрирование. Этот метод предусматривает вторичное вибрирование бетона через 1,5-3,0 ч после первого. По исследованиям ряда авторов повторное вибрирование повышает его прочность при сжатии и растяжении в раннем возрасте. По этим исследованиям повторное вибрирование приводит к увеличению плотности смеси за счет уменьшения пор. Оно позволяет снова закрыть волосяные трещины, которые образуются в результате усадки до схватывания.
Однако повторное вибрирование вызывает изменения в кристаллическом теле, которые могут привести к неблагоприятным последствиям для определенных видов цемента и составов бетонной смеси. Считается, что повторное вибрирование нежелательно для смесей с высокой степенью жесткости. И наоборот, оно весьма эффективно для смесей пластичной консистенции. Весьма полезно введение в смесь добавок, выполняющих одновременно воздухововлекающие и пластифицирующие функции. Вибрирование можно повторять как один, так и два, три раза, но в течение непродолжительного времени, составляющего 1/2 и 1/3 времени первого вибрирования. Операция эта требует большой осторожности, необходимы предварительные испытания на строительной площадке.