Учебное пособие: Процеси у виробництві будівельних матеріалів і виробів

Приведемо місткість, в якій знаходиться бетонна суміш, в гармонійний коливальний рух з частотою ω, якщо в цю місткість зануримо яке-небудь тіло, що коливається. Тоді від внутрішніх поверхонь емкості або від поверхні зануреного тіла (випромінюючих поверхонь) коливання почнуть передаватися дотичним з ними частинкам крупного заповнювача і цементно-піщаному розчину. Сили сухого тертя між дотичними частинками крупного заповнювача і в'язкий опір цементно-піщаного розчину почнуть захоплювати в коливальний рух частинки бетонної суміші, видалені від випромінюючих поверхонь. Проте частинки крупного заповнювача володіють достатньо великою масою і, отже, інерційністю і тому чинитимуть опір залученню в цей коливальний рух. При цьому частинки крупного заповнювача з більшою масою матимуть менші розмахи коливань, а частинки з меншими масами великі, оскільки останні володіють меншим відношенням маси до поверхні, від якої залежать сили в'язкого опору залучаючого їх до коливального руху. Опір, що виникає при відносному русі частинок крупного заповнювача і цементно-піщаного розчину, викличе різні по значенню фазові зсуви переміщень частинок крупного заповнювача щодо коливань випромінюючих поверхонь. Таким чином, між частинками крупного заповнювача виникнуть відносні проковзування, швидкості яких у міру видалення від випромінюючих поверхонь знижуватимуться і на деякій відстані від них впадуть до нуля.

Відстань, на яку розповсюджуються коливання в товщі бетонної суміші, залежить від напряму коливань відносно випромінюючої поверхні. Якщо коливання перпендикулярні випромінюючій поверхні, то вони передаються бетонній суміші шляхом сполучення їй імпульсів стиснення або збудженням в ній нормальних напруг, що періодично змінюються. Якщо коливання дотичні у напрямку до випромінюючої поверхні, то збудження коливань в бетонній суміші відбувається за рахунок дотичних напруг, що періодично змінюються. При збудженні коливань за рахунок нормальних напруг вони розповсюджуються в бетонній суміші на більшу глибину, ніж у разі збудження коливань дотичними напругами.

В першому наближенні можна вважати, що при постійній амплітуді переміщення випромінюючої поверхні сили в'язкого опору цементно-піщаного розчину ростуть пропорційно швидкості і, отже, з підвищенням частоти гармонійних коливань вони ростуть пропорційно ω . Інерційні ж сили збільшуються пропорційно ω² . Отже, при зростанні частоти коливань абсолютні значення переміщень більш дрібних частинок крупного заповнювача знизяться, а це в сукупності із згаданими фазовими зсувами приведе до зростання швидкостей їх проковзування відносно навколишнього середовища. Цим пояснюється доцільність підвищення частоти коливань при формуванні бетонних сумішей з дрібним заповнювачем. Таким чином, в спрощеному вигляді пояснюються причини виникнення відносного проковзування частинок бетонної суміші при вібраційній дії на неї.

Мал.6.1. Паралелограм векторів сил і швидкостей

Тепер з'ясуємо причини, при яких різко знижуються сили зв'язків між частинками бетонної суміші в умовах їх відносного проковзування. Перш за все, з'ясуємо, чому при відносному проковзуванні частинок бетонної суміші сили їх тяжіння виявляються достатніми для подолання сил сухого тертя, обумовлених взаємним затисканням частинок крупного заповнювача. Для цього скористаємося результатами досліджень вібраційного зниження тертя, виконаних Г.Ю. Джанелідзе, И.И. Блехманом і І.І. Биховськім, і розглянемо поведінку тіла М , яке ковзає по поверхні іншого тіла із швидкістю v (мал.6.1). Цей рух може відбуватися за інерцією або під дією деякої сили Р. В останньому випадку вектор швидкості v співпадає по напряму з вектором сили Р . Тепер в позитивному напрямі осі х прикладемо до тіла М миттєвий імпульс сили, що викликає рух тіла з швидкістю і, вектор якої з первинним вектором швидкості v складає кут φ, і одночасно прикладемо до тіла М силу Q , що забезпечує постійність швидкості і. Для цього необхідно, щоб Q = F_u , тобто модулю видимої сили тертя, яку повинна долати сила Q . Вектор результуючої швидкості ω тіла визначиться як

.

Дійсна сила тертя F , прикладена до тіла М , діє уздовж вектора швидкості ω в напрямі, протилежному йому. Силу F можна розкласти на дві складові F_u і F_v які направлені відповідно в сторони, протилежні векторам швидкостей u і v .

З подібності трикутників виходить, що F_u = uF / ω . Підставивши в цей вираз значення ω, одержимо

(6.1)

Але сили тертя пропорційні коефіцієнтам тертя

(6.2)

де N - сила нормального тиску; f - дійсний коефіцієнт тертя ковзання; f_u - видимий (уявний) коефіцієнт тертя ковзання. З врахуванням (6.2) рівність (6.1) приймає вигляд

(6.3)

В окремих випадках при

.

Останні вирази показують, що при будь-яких значеннях кута φ , якщо . З цього виходить, що видимий коефіцієнт тертя, а,значить, і видима сила тертя сталі пропорційними швидкості u, тобто опір став як би лінійно-в'язким. Таке явище часто називають лінеаризацією тертя.

Одержаний результат говорить про те, що якщо тіло М рухалося рівномірно під дією сили Р з деякою швидкістю v (згідно закону Кулона, Р≥ Nf ), змінити модуль або напрям вектора швидкості тіла М , що рухається, може практично будь-хто скільки завгодно мала сила Q . Проте це лише уявне зниження тертя, оскільки в напрямі, протилежному від результуючого вектора швидкості ω (мал.6.1), діє повна сила тертя F=Nf . Отже, коли при вібраційній дії на бетонну суміш починаються відносні проковзування частинок бетонної суміші, то сила їх тяжіння, подібно малій по значенню силі Q , здатна примусити ці частинки рухатися вниз.

Окрім крупного заповнювача бетонна суміш складається з цементно-піщаного розчину з включеннями бульбашок повітря. Цей розчин може розглядатися як деяке дисперсне середовище, яке під дією вібрації піддається деформаціям зсуву. Доведено, що текучість цементно-піщаного розчину підвищується із зростанням швидкості деформацій зсуву. Значить, під дією вібрації падає диссипативний опір деформаціям бетонної суміші.

Одним з домінуючих чинників, що впливають на процес вібраційного ущільнення бетонної суміші, є інерційні сили, діючі на її частинки. Ці сили є причиною виникнення відносних прослизань частинок бетонної суміші і в сукупності з силою тяжіння, діючої на частинки, забезпечують її ущільнення. Значить, чим вище прискорення коливань випромінюючих поверхонь, тим більше інерційні сили, діючі на частинки, і тим повніше протікає процес ущільнення бетонної суміші. Проте встановлено, що коли вектори прискорень нормальні до випромінюючої поверхні, і їх максимальні значення перевершують 6...7 g , інерційні сили, діючі на частинки, робляться такими великими, що долають сили адгезіонного зчеплення між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею в ті інтервали часу, коли вони направлені від неї. При цьому виникає розрив між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею, який приводить до підсосу повітря, тобто до ущільнення бетонної суміші.

П.И. Новосельский і В.В. Шестоперов експериментально довели, що адгезіонні сили мало залежать від складу сумішей і матеріалу випромінюючих поверхонь, тому можна вважати, що при прискореннях 6g відриву суміші ще не відбувається.

При дотичних коливаннях випромінюючої поверхні по відношенню до бетонної суміші можливість таких розривів виключається, що дає можливість дещо інтенсифікувати процес ущільнення шляхом підвищення розмахів прискорення випромінюючої поверхні.

Ефективність ущільнення бетонної суміші великою мірою залежить від того, що розташовує по відношенню до неї випромінюючій поверхні. Якщо випромінююча поверхня є площиною і розташовується зверху на бетонній суміші, таке ущільнення називають поверхневим. Якщо випромінююча поверхня (звичайно циліндрова) розташовується усередині масиву бетонної суміші, ущільнення називають глибинним. Якщо конфігурація випромінюючих поверхонь повторює конфігурацію виробу, тобто є формою, і бетонна суміш розташовується над нижньою випромінюючою поверхнею (звичайно площиною, звану піддоном), а вся форма в цілому скоює який-небудь коливальний рух, який розповсюджується у всьому об'ємі бетонної суміші, що знаходиться в ній, ущільнення називають об'ємним. Воно забезпечує високий ступінь ущільнення бетонної суміші і набуло найбільше поширення у виробництві збірного залізобетону. З цієї причини розглянемо деякі специфічні особливості об'ємного ущільнення.

При коливаннях форми відрив суміші від її випромінюючих поверхонь, перпендикулярних напряму коливань, і пов'язані з цим підсос повітря і ущільнення суміші почнуться при вказаних вище значеннях прискорень (6...7g). Якщо форма скоює гармонійні коливання із заданою частотою?, те максимально допустиме значення її амплітуди коливань х_аmax = 6g/ ω .

При об'ємному ущільненні застосовують горизонтально і вертикально направлені коливання форми. При горизонтально направлених коливаннях форми ущільнення бетонної суміші здійснюється в основному за рахунок дотичних коливань піддону. Нормальна дія на бетонну суміш в цьому випадку походить лише від бортів торців форми, площа яких мала. Тому, як вже наголошувалося, при горизонтально направлених коливаннях може бути досягнута деяка інтенсифікація ущільнення бетонної суміші у разі формування тонкостінних виробів за рахунок підвищення прискорень форми. Ефективними шляхами підвищення прискорень є вживання бігармонічних і ударно-вібраційних коливань форми з бетонною сумішшю. Проте при будь-якій формі горизонтально направлених коливань вони повинні бути обов'язково симетричними, тобто прискорення при русі форми і в одну, і в іншу сторони повинні бути однаковими. Якщо симетрія коливань буде порушена, то виявиться транспортний ефект, і бетонна суміш почне переміщатися у бік менших прискорень, що неприпустимо, оскільки приведе до розшарування бетонної суміші і різностінності виробів.

При вертикально направлених коливаннях форми відрив суміші від піддону можливий лише в тій частині періоду її руху, коли інерційні сили, прикладені до частинок бетонної суміші, діють вгору. При дії ж інерційних сил на частинки вниз суміш притискається до піддону форми. Ця обставина відкриває перспективи інтенсифікації процесу ущільнення бетонної суміші за рахунок використовування асиметричних вертикально направлених коливань форми.

Для пояснення цього явища розглянемо сили, діючі на деякий об'єм бетонної суміші масою т_б , що знаходиться на горизонтальній поверхні-піддоні, який скоює вертикально направлені коливання за законом x₀ ( t ) ( мал.6.2)

Мал.6.2. Схема сил, діючих на бетонну суміш, що знаходиться на площині, що скоює вертикально направлені гармонійні коливання