Волновые процессы во всыпучивающейся упруговязкой среде при вертикальных ударных воздействиях

2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 6
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................ 12
1.1. Технологические аспекты формования газобетонных изделий ................................................. 12
1.2. Особенности реологии газобетонной смеси ................ 24
1.3. Задачи распространения плоских волн в вязко-
упругих средах и методы их решения ...................... 28
1.4. Структурно-прочностные исследования пористых тел
с замкнутой сферической пористостью ..................... 38
1.5. Постановка цели и задач исследования ..................... 43
ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ В ПРОЦЕССЕ ВСПУЧИВАНИЯ И СТРУК1У-Р00БРА30ВАНИЯ ГАЗОБЕТОННОЙ СМЕСИ,СОСТАВА, ХАРАКТЕРНОГО ДЛЯ УДАРНОГО СПОСОБА ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ........................................ 45
2.1. Выбор методики эксперимента и создание прибора .......... 45
2.2. Феноменологическое обсуждение поведения газо-
бетонной смеси в условиях объемного одноосного (компрессионного) деформирования .................. 48
2.3. Выбор реологической модели вспучивающейся газобетонной смеси .......................................... 55
2.4. Исследование поведения реологической модели СВУВ среды в условиях мгновенного нагружения постоянным давлением,выдержки под давлением и мгновенного снятия давления .................................. 58
2.4.1. Процесс мгновенного нагружения модели постоянно сжимающим давлением........................................... 58
2.4.2. Стабилизация деформации модели под давлением ........... 59
3
2.4.3. Деформирование модели под действием внешнего давления после участка стабилизации деформации ........................................................ 62
2.4.4. Поведение модели в зависимости от величины внешнего давления ............................................ 62
2.4.5. Мгновенная разгрузка модели после участка стабилизации деформации ...................................... 65
2.5. Расчет коэффициентов новой реологической модели СБУВ среды по данным эксперимента ................. 66
2.6. Исследование структурообразования газобетонной
смеси во время вспучивания и схватывания................ 67
2.7. Вывод уравнения свободного вспучивания СБУВ
среды .................................................. 76
2.8. Выбор реологической модели газобетонной смеси
при кратковременном действии давления .................. 78
Выводы по П главе ............................................ 79
ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ПЛОСКИХ ВОЛН В СТРУКТУРИРОВАННОЙ ВСПУЧИ-ВАКЩЕЙСЯ УПРУГОВЯЗКОЙ СРЕДЕ, ОБЛАДАЩЕЙ ТИКСОТРОПНЫМИ СВОЙСТВАМИ............................ 82
3.1. Общая постановка задачи о распространении волн в газобетонной смеси при ударной технологии формования газобетона .................................. 82
3.2. Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при свободном падении
ее в массивной форме ................................... 86
3.3. Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при ударном способе формования материала ......................................... 91
4
3.4. Упрощение реологической модели СВУВ среды для волновых процессов,происходящих в газобетонной смеси ..................................................... 98
3.5. Распространение плоских волн в структурированной вязкоупругой среде без учета вспучивания при свободном ее падении в массивной
форме .................................................... 99
3.6. Распространение плоских волн в структурированной вязкоупругой среде без учета вспучивания при ударном способе формования материала ......... юз
3.7. Учет степени тиксотропного разжижения вязко-
упругой среды при ударных воздействиях .................. 108
3.8. Влияние степени тиксотропного разжижения газобетонной смеси на поведение динамических параметров распространения плоских волн в данной
среде ................................................... 118
3.9. Волновые процессы ударной технологии формования вязкоупругого материала ............................ 122
3.10. Метод расчета режима ударного формования газобетона ................................................ 143
Выводы по Ш главе ............................................ 154
ГЛАВА 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ПОР В МАТЕРИАЛЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ВЫСОКОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА .................................................... 158
4.1. Анализ одномодальных структурных моделей
упаковок сферических пор ................................ 158
4.1.1. Кубическая упаковка ................................... 159
4.1.2. Тригонально-призматическая упаковка ................... 160
4.1.3. Ромбоэдрическая упаковка .............................. 160
5
4.2. Анализ многомодальных структурных моделей
упаковок пор ........................................... 160
4.2.1. Двухмодальная кубическая упаковка..................... 161
4.2.2. Тригонально-призматическая двухмодальная
упаковка.............................................. 164
4.2.3. Ромбоэдрическая трехмодальная упаковка ................ 165
4.3. Построение новой предельной наиплотнейшей пирамидальной упаковки ................................. 167
4.4. Экспериментальные исследования .......................... 169
4.5. Критерии отклонения макроструктуры материала
от плотнейшей пирамидальной упаковки ................... 181
4.6. Связь прочности высокопористого материала с
его макроструктурой .................................... 184
Выводы по 1У главе ........................................... 192
ОЩИЕ ВЫВОДЫ................................................... 196
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................... 199
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................... 219
6
ВВЕДЕНИЕ
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на XI пятилетку и на период до 1990 года, утвержденными ХХУ1 съездом КПСС,предусмотрено преимущественное развитие производства строительных изделий,обеспечивающих снижение металлоемкости, стоимости и трудоемкости строительства,веса зданий,сооружений и повышение их теплозащиты. Изделия из ячеистого бетона^ частности,полностью удовлетворяют указанным требованиям.
В целях обеспечения сельского и индивидуального жилищного строительства эффективными строительными материалами, во исполнение постановления майского (1982г.) Пленума ЦК КПСС и задач, вытекающих из Продовольственной программы СССР на период до 1990 года,министром промышленности строительных материалов СССР отдан приказ № 282 от 14 июля 1983 г. 110 мерах по ускоренному развитию производства мелких блоков из ячеистого бетона в 1983-1990 годах",в котором предусматривается строительство и ввод в действие более 50 заводов и цехов по производству мелких стеновых силикатных блоков из ячеистого бетона общей мощностью 5,44 млн.м3.
В настоящее время производится 1,54 млн.м3 ячеистого бетона в мелких блоках, из них 0,65 млн.м3 по ударной технологии.
Впервые созданная в СССР новая эффективная ударная технология позволяет выпускать высококачественные мелкие ячеистобетонные блоки. Поэтому исследование и развитие данной технологии в условиях продолжающегося ее широкого внедрения весьма актуально, а отсутствие теории ударного формования ячеистого бетона обуславливает необходимость и своевременность теоретических исследований волновых процессов, протекающих в газобетонной смеси как основных технологических факторов данного метода формования
7
материала.
Переход к изготовлению массивов ячеистого бетона различной высоты и состава требует проведения большого объема эксперимента поисковых работ для выбора подходящего режима ударного формования, поэтому создание метода инженерного расчета оптимального режима ударного формования газобетонных изделий является насущной задачей развития ударной технологии.
Газобетонная смесь представляет собой структурированную вспучивающуюся упруговязкую (СВУВ) среду,обладающую тиксотропны-ми свойствами, плотность которой и реологические параметры непрерывно меняются в широком диапазоне во времени вследствие физико-химических явлений, происходящих в течение вспучивания и структурообразования.
Исследование на теоретическом уровне волновых процессов, протекающих в данной среде в общем случае в настоящее время не представляется возможным.
Однако сама технология вертикального ударного формования требует для однородной проработки материала физической чистоты процесса распространения плоских волн в смеси, что корректно приводит к наиболее простому случаю - одномерному описанию волновых явлений в формуемой среде,рассматриваемому в Ш главе.
Выбор уравнения состояния газобетонной смеси для задачи распространения плоских волн в условиях вертикального ударного формования материала вылился в работе в самостоятельный раздел исследования изменения реологических свойств газобетонной смеси во времени с помощью новой методики объемного одноосного деформирования вспучивающихся сред, рассматриваемой во П главе.
В Ш главе совместно с разработкой методики определения степени тиксотропного разжижения среды при вертикальном ударном формовании исследовано влияние степени разжижения среды на поведе-
8
ние динамических параметров распространения волн в данной среде. Учет изменения реологических свойств смеси в процессе вспучивания и структурообразования в работе осуществлен с помощью кусочно-линейной аппроксимации.
На основе теоретического описания распространения плоских волн в СВУВ среде с учетом изменения ее реологических и тиксо-тропных свойств в Ш главе предлагается инженерный метод расчета режимов ударного формования газобетонных массивов с целью обеспечения оптимальных условий развития и формирования макроструктуры материала при изготовлении изделий различной высоты и различного состава.
О правильности выбранного режима ударного формования материала можно судить по структурно-механическим качествам конечного продукта исследуемой технологии - газобетона. Поскольку главной отличительной особенностью газобетона является его макроструктура,представляющая собой плотную упаковку замкнутых пор формы,близкой к сферической,и определяющая его эксплуатационно-механические качества,то необходимо было для завершения разработки метода расчета режима ударного формования материала создать критерии сравнения макроструктуры различных образцов газобетона,изготовленных с помощью разных режимов или технологий. Указанному вопросу посвящена 1У глава диссертации.
Научная новизна проведенных в работе исследований заключается в :
- разработке методики изучения реологических свойств вспучивающихся сред,использующей одномерное деформирование при отсутствии поперечной деформации, в частности, компрессионное;
- экспериментальном установлении стабилизации деформации вспучивающейся газобетонной смеси после мгновенного приложения давления и установлении превышения деформацией мгновенной разгруз-
9
ки деформации мгновенного сжатия;
- предложении реологической модели,описывающей установление особенности поведения вспучивающейся среды;
- аналитическом решении задачи распространения плоских волн во вспучивающейся упрутовязкой среде,описываемой предложенной моделью, при одиночном вертикальном ударном цикле;
- разработке методики определения степени тиксотропного разжижения среды вследствие удара и последующих ее собственных колебаний;
- установлении и расчете зависимости динамических параметров упруговязкой среды (спектров коэффициента затухания колебаний ${ коэффициента отклонения срединного уровня колебаний оС; , частоты собственных колебаний Д »скорости распространения плоских волн в упруговязкой среде С01 ) от степени ее тиксотропного разжижения;
- теоретическом построении,расчете и экспериментальном подтверждении существования новой неправильной наиплотнейшей пирамидальной упаковки сферических включений в композитном материале с максимальным коэффициентом заполнения ср =88,7$;
- разработке методики определения наивероятнейшего типа упаковок сферических включений,реализуемых в реальном композитном материале;
- установлении и экспериментальном подтверждении функциональной связи между прочностью композитного материала, ослабленного
' сферическими порами, и его наивероятнейшей упаковкой пор.
Практическая ценность:
Предложенный метод расчета режима ударного формования газобе
тона позволяет назначить режим ударного формования для газобетон
ной смеси заданного состава и заданной высоты получаемого изделия, обеспечивающий повышение прочности материала при одновре-
10
менном снижении его объемной массы или же, при сохранении нормативной прочности, экономию вяжущего и облегчение изделий.
На основе теоретического описания распространения плоских волн в упруговязкой среде (газобетонной смеси) при ударном методе формования изделий разработан комплекс программ для ЭВМ, позволивший провести интерпретацию экспериментальных данных о волновых процессах, протекающих в газобетонной смеси, а также заменить трудоемкое экспериментальное изучение волновых процессов в газобетонной смеси при ударном формовании материала определением лишь ее реологических и тиксотропных свойств по методике, предложенной в данной работе.
Разработанные алгоритмы и программы в виду общности подхода могут быть применены для расчета аналогичных волновых процессов во вспучивающихся и не вспучивающихся линейных упруговязких средах (например, на основе полимеров, стекла и т.п.).
Предложенные критерии оценки качества макроструктуры газобетона как отклонение от предельной оптимальной структуры, образованной пирамидальной упаковкой сферических пор, могут быть использованы для суждения о качестве структуры других композитных материалов со сферическим заполнителем дискретного или непрерывного распределения по размерам.
Практическая реализация.
Комплекс программ для ЭВМ системы ЕС на языке Г0ЙТ13АМ-1У для расчета волновых процессов, происходящих в газобетонной смеси при ударном формовании, внедрен в научно-исследовательскую работу Государственного научно-исследовательского и проектного института силикатного бетона автоклавного твердения Министерства строительных материалов СССР (г.Таллин, ЭССР).
11
По предложенному методу расчитан режим ударного формования для газобетонных смесей состава, характерного при ударной технологии (водотвердое отношение В/Т = 0,37 - 0,38, показания прибора Суттарда 5 = 12 - 14 см) и высоте формуемых массивов 0,6 м, который прошел заводские испытания на ПО Сморгоньсиликатобетон (г.Сморгонь, БССР). Эффективность предложенного метода инженерного расчета режима ударного формования подтвердилась: прирост прочности составил,в среднем, 10 - 15$ при одновременном снижении объемной массы на 8 - 12$ по сравнению с газобетоном,отформованным ударным способом по заводскому режиму формования.
12
Глава I
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОСНОВНЫЕ ПРВДЮСЬШИ
И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ,
1.1. Технологические аспекты формования газобетонных изделий.
Одним из самых ответственных и сложных участков в технологической цепи изготовления газобетона является его формование. Именно здесь происходит непосредственное формирование его макропористой структуры. При этом материал непрерывно меняет свои свойства, как геометрические, так к физико-химические и реологические.
Основным фактором при создании макроструктуры газобетона является образование газовой фазы (водорода) из изотропно распределенной в сырьевой смеси алюминиевой пудры при ее реакции -со щелочью. В результате этого в смеси появляется огромное количество газовых пузырьков, которые при отсутствии тотальной коалесценции и наличии достаточной плотности их распределения образуют в материале некоторую упаковку.
Главная технологическая задача на этом этапе есть обеспечение оптимальных условий для формирования газовых пузырьков, удержание как можно большего количества образующейся газовой фазы в смеси, т.е. устранение газовыделения смеси через поверхность формуемого изделия и создание наиплотнейшей упаковки из газовых пор.
Для достижения данной цели технологи используют многочисленные методы, которые в первом приближении можно разделить на три группы: I) введение в газобетонную смесь различных веществ в виде добавок с физико-химическим механизмом воздействия,
13
2) использование механических воздействий, основывающихся на эффекте тиксотропного и квазиразжижения [1] ( вибрации, удар, раскачивания смеси и т.п.), 3) смешанные методы [2,3.].
В данной работе рассматриваются механические воздействия на газобетонную смесь во время ее вспучивания, а именно:распространение плоских волн, возникающих в смеси после свободного падения ее в форме на жесткую плоскость с определенной высоты при вертикальном ударном способе формования изделий.
В практике производства ячеистых бетонов применяется все многообразие из упомянутых способов формования, отличающихся друг от друга различным сочетанием факторов, определяющих процесс вспучивания газобетонной смеси. За счет изменения этих факторов производится регулирование процесса формирования макроструктуры газобетона. Наиболее частому изменению подвергаются такие исходные характеристики газобетонной смеси, как вязкость, температура и состав смеси, в том числе вид вяжущего ( его щелочность) и количество алюминиевой пудры. Именно оптимальное сочетание этих факторов используется при формовании газобетона по литьевому методу, когда реологические свойства исходной смеси подбираются с учетом создания оптимальных условий для формирования ячеистой структуры материала, а температура газобетонной смеси - из условия ускорения или замедления реакции газовы-деления и гидратационного твердения вяжущего [4] .
При вибрационном методе формования газобетона используются высоковязкие сырьевые смеси, реологические характеристики которых доводятся до оптимальных вибрационным разжижением. Прекращение вибрации приводит к замедлению или прекращению вспучивания смеси, что позволяет регулировать этот процесс [4] .
Использование вибровспучивания сразу же дало улучшение качества,уменьшение времени вызревания массивов сырца, повышение
14
прочности и морозостойкости газобетона [2] .
После разработки и внедрения в производство вибрационной технологии формования газобетона - первого метода формования газобетона с применением динамических воздействий [2,5] , в СССР был предложен еще ряд динамических способов формования, таких как плавное раскачивание смеси в форме - люльке [б] , сочетание раскачивания формы с ударами об упоры в горизонтальной плоскости [7] , вертикальное ударное формования [8] ( удар формы со смесью о жесткую плоскость после свободного падения) и некоторые, разновидности этих способов
Все данные динамические способы можно объединить между собой эффектом тиксотропного разжижения смеси вследствие динамичес-киз воздействий.
Динамические методы формования газобетона по своей цели и смыслу существенным образом отличаются от методов динамического уплотнения тяжелого бетона^О] . Динамические воздействия в технологии изготовления ячеистого бетона призваны в первую очередь обеспечить оптимальные условия для образования и развития газовых пузырьков, а впоследствие - формования макроструктуры.
Оптимальные условия следует считать те, которые при регулировании интенсивности динамических воздействий ( в частности частоты, амплитуды вибраций) обеспечивают максимальный прирост объема смеси с бездефектной мелкопористой структурой, с равномерно распределенными сферическими порами при минимальном изменении объема после прекращения воздействий [п] .
Формирование макроструктуры газобетона определяется только двумя составляющими характеристиками: объемом образующегося газа и реологическими свойствами раствора, характер изменения которых во времени зависит от исходного состояния смеси, а имен-
15
но: щелочности, текучести, температуры, газообразующей способности раствора, а также от интенсивности динамических воздействий в процессе вспучивания. Причем все перечисленные характеристики практически независимы друг от друга [4] .
При литьевой технологии процесс вспучивания материала
всецело определяется исходным состоянием смеси. Поэтому подбор исходного состояния смеси по сути является пассивным управлением процессом вспучивания. Использование же динамических воздействий позволяет вмешиваться в этот процесс и изменять его ход с учетом технологических концепций в соответствии с изменением реологических свойств смеси, т.е. активно управлять им при заданном исходном состоянии. Кроме того, и это самое главное, исходное состояние смеси можно подбирать в соответствии с технологическими возможностями последующих динамических воздействий, т.е. управлять процессом вспучивания комплексно.
Если вязкость смеси ниже оптимальной, то нарушается баланс газовой фазы, газовыделение через поверхность смеси начинает преобладать над газообразованием, газообразователь полностью не используется, происходит или недовспучивание, или осадка смеси. Если же вязкость выше оптимальной, вспучивание идет замедленно, а прирост объема не достигает заданного уровня. Давление газа в порах приводит к трещинообразованию в межпоровых сводах -оболочках, ввиду затруднения перегруппировки пор и снижения релаксационной способности густеющей смеси [II] , что также приводит к выделению газа из смеси через разрывы.
Поэтому максимальная прочность материала обычно фиксируется при минимальном газовыделении с поверхности смеси [12] .
Это означает, что на прочность газобетона в первую очередь влияет качество макроструктуры, а затем уже прочность межлоро-вого вещества [13] .
16 ■
Известно, что прочность межпорового вещества растет с уменьшением В/Т, но до известного предела. Теоретически этот предел соответствует химически необходимому количеству воды затворения для протекания реакций гидратации и кристаллизации, он оценивается, примерно, как 10-15# массы воды от общей массы вещества (В/ (В + Т)) [14] . Практически изготовить такую смесь невозможно, поскольку технологически трудно равномерно распределить химически необходимое количество воды в смеси.
Предполагаемый ход зависимости прочности газобетона и межпорового вещества от В/(В+Т) представлен на рис. 1.1.
Рис.І.І. I - прочность межпорового вещества
2 - прочность газобетона при постоянной объемной массе
Для литьевой технологии максимальная прочность Р&ЭбббМй заданного состава по данным [15] соответствует В/(В+Т) =0,39
(или В/Т=0,63), т.е. при данном В/Т образуется бездефектная
і
макроструктура материала. Анализ рис.Цуказывает путь повышения
прочности газобетона в сближении экстремумов кривых I и 2 на оси
В/(їМ'). Однако,переместить максимум кривой I вправо нецелесообразно, а получить бездефектную макроструктуру при максимальном приросте объема смеси с уменьшением В/(В+Т), в принципе, можно. Для этого необходимо создать в высоковязкой сырьевой смеси оптимальные реологические характеристики для возникновения, разви-
17
тия газовых пузырьков и формирования макроструктуры за счет тик-сотропного разжижения смеси.
Воду затворения качественно можно разделить на три части:
V^^ ) — химически необходимая влага для реакций гидратации,или химически связанная влага,\/г(1) - физически связанная влага,адсорбированная твердыми компонентами смеси благодаря дипольному взаимодействию, ^(1) - свободная влага [16 - 19]
Сразу же после затворения смеси количество химически связанной влаги) непрерывно увеличивается за счет поступлений из
V (1 ), а V(^ ) восполняет свои запасы за счет поступлений влаги 2 2
изУ( I ). Отсос свободной влаги происходит также и в жидкостные
О
оболочки газовых пузырьков. Поскольку общее количество влаги остается постоянным ( без учета потерь), тоХ/^С“4: ) неуклонно снижается, приводя к повышению вязкости и предела пластичности смеси.
Для завершения химических реакций в межпоровом веществе необходимо, чтобы В/Т было бы равно, примерно 0,1 - 0,15. Для оптимального формирования макроструктуры в условиях литьевой технологии требуется обеспечить вязкость смеси, соответствующую В/Т = 0,63 [15] . Но вязкость смеси определяется в основном количеством ), при отсутствии коагуляционных связей. Явление же тиксотропии заключается в разрушении слабых коагуляционных структур с помощью динамических воздействий и в переводе защемленной (иммобилизованной) и,частично, адсорбированной влаги в свободное состояние. Поэтому динамически воздействуя на смесь с определенной интенсивностью, можно добиться оптимальной вязкости смеси в течение всего процесса вспучивания, правда,если она не является ниже вязкости предельно разжиженной смеси данного состава [ 20] . Для максимального сдвига экстремума кривой 2 влево ( рис.1.1), при помощи интенсивного виброперемешивания сме-
18
си, ее В/Т возможно снизить до 0.27 [20] . При применении заводских вибросмесителей эта величина в настоящее время составляет 0.35 - 0.38.
Динамические воздействия, кроме того, обладают еще рядом функций. Так, если в начале процесса гидратации они разрушают коагуляционную структуру и тем самым придают бетонной смеси необходимую подвижность, то позднее они обеспечивают более плотную упаковку межпорового вещества и содействуют преодолению энергетического барьера мевду частицами,приводя к близкой коагуляции и способствуя образованию кристаллизационной структуры [21,22] .
Для ликвидации напряжения срастания и снятия напряжений, возникающих в межпоровых перегородках после завершения вспучивания ячеистого бетона, было предложено назначать повторные динамические воздействия (вибрацию) [11,23,24]] . Экспериментальные исследования [23-27] показали, что вместе с возникновением новообразований в межпоровом веществе существенно изменилась и макроструктура материала. Данные суммарные изменения повысили прочность материала на 30$.
Очевидно, следует ожидать, что динамические воздействия в процессе вспучивания приводят к более плотному пространственному расположению пор в газобетоне. Это предстоит проверить в нашей работе.
Степень динамических воздействий ограничена, во-первых, возможностью чрезмерного разжижения смеси, приводящего к уходу газа из нее за счет всплытия газовых пузырьков, проявляющегося особенно на первом этапе вспучивания, пока не началось схватывание, во-вторых, возможностью разрушения формирующейся макроструктуры, особенно опасной на втором этапе вспучивания, когда межпоровое вещество густеет, а материал начинает схватываться
19
[12].Отсюда возникает задача определения предела допустимых динамических воздействий.
Различные динамические способы формования газобетона принципиально отличаются друг от друга видом динамического воздействия на смесь. Вибрационные воздействия ( вертикальные, горизонтальные, круговые, сдвиговые и их сочетания) это, прежде всего, - вынужденные колебания смеси, для которых характерно быстрое затухание с возрастанием расстояния от вибратора, интерференционные и резонансные эффекты, что в конечном счете, приводит к изготовлению неоднородных по объему массивов газобетона. Кроме того, технологические потребности виброформования заключаются в независимом регулировании частоты и амплитуды вибраций. Промышленного же воплощения такие управляемые виброплощадки пока так и не нашли, что сводит на нет многие преимущества виброформования как динамического способа. Существующие виброплощадки недолговечны; быстро расстраиваются, произвольно меняя тем самым режим формования; при включении и выключении, проходят через резонанс; сравнительно энергоемки; уровень шума превышает санитарные нормы.
Указанными недостатками совершенно не обладают метод горизонтального раскачивания смеси [6] и ударно-колебательный спо-соб [7] 9приводящие также к вынужденному движению смеси.Основными преимуществами этих способов являются самая низкая энергоемкость (энергия тратится лишь на преодоление сил инерции формы со смесью), бесшумность и простота производственного воплощения, однако, в стране пока работает лишь одна ударно-колебательная площадка ( завод ЖБК-1 г. Вангажи, ЛССР). Слабость же данных методов заключается в неравномерности проработки смеси (наличие угловых застойных зон), что также приводит к неоднородности массивов по объему.
20
В настоящее время наиболее прогрессивной технологией, с точки зрения получения однородного материала высокого качества следует признать ударную технологию формования газобетона, основанную на собственных свободных колебаниях смеси между ударами. Мелким газобетонным блокам, отформованным по данной технологии, в 1979 г. была присвоена высшая котегория качества.
Ударная технология формования газобетона впервые предложена в СССР в 1979 году К.Э.Горяйновым и А.В.Домбровским с сотрудниками [в] ( НИЛИ силикатобетон г. Таллин). Под руководством К.Э. Горяйнова А.В.Домбровским проведено первое научное исследование данной технологии и процессов, присущих ей [29] . В работе убедительно доказана принципиальная возможность ударного формования газобетона; экспериментально подобраны и рекомендованы составы смеси с В/Т =0,38-1-0,40 и начальной текучестью смеси 5 = 12-14 см, для которых наиболее ярко проявляются преимущества ударной технологии; опытным и логическим путем установлены режимы ударного формования газобетонных массивов высокой 0,6м заданного состава ( частота ударов постоянная Р =1+ 0,5 Гц, высота падения формы по мере вспучивания убывает от 7 мм до 2 мм, согласно эмпирическому выражению АуЭ = <0/(2. где Кф -
коэф.продолжительности формования, туЭ - время формования) [ДО], [28]. Л.В.Домбровским и Н.П.Сажневым [29-31] отмечены также первые выявленные закономерности, характерные для ударного способа формования газобетона, в том числе:
а/ колебания смеси в форме в период между ударами ка основной собственной частоте и экспоненциальный закон их затухания; б/ "волнообразный" характер изменения вязкости смеси, находящейся в форме,при низкой частоте ударных воздействий; в/ влияние параметров ударных воздействий и количества воды за-творения на динамические параметры колебаний величины ускоре-
21
ний на разных уровнях сглеси; г/ наложение колебаний от предыдущего удара на колебания от последующего при частоте ударов более 1гц, приводящее к значительной неравномерности распределения величины ускорений в объеме массива;
д/ зависимость вязкости и пластической прочности смеси и сырца от состава смеси и параметров ударных воздействий.
Литературы по ударному формованию газобетона к настоящему времени, сравнительно, мало [3,29 -39] . Научные исследования ударной технологии в основном ведутся сотрудниками НИЛИ силикатобетона на высоком экспериментальном уровне в лабораторных и заводских условиях.
Данные динамические экспериментальные исследования по определению поля колебаний давления и ускорения в массиве весьма трудоемки, дорогостоящи и сложны запись ведется по 14 каналам одновременно) [36,35] , а получаемые результаты относятся лишь к конкретной исследуемой смеси при конкретных условиях формования. Кроме того, полученную информацию не всегда удается правильно интерпретировать, а часть информации вообще не подлежит расшифровке, вследствие отсутствия теории распространения волн в газобетонной смеси при ударном способе формования.
В связи с широким внедрением новой технологии на заводах страны и предполагаемым значительным расширением производства ячеистобетонных изделий встает задача разработки метода инженерного расчета режимов ударного формования массивов газобетона различной высоты и различного состава. Поскольку главным технологическим фактором ударной технологии формования материала являются распространяющиеся в нем плоские волны, то теоретическое описание волновых процессов, происходящих в газобетонной смеси, должно послужить основой разрабатываемого метода.
22
При собственных колебаниях смеси во время падения и после удара, вследствие распространения плоского фронта волн, поверхность смеси движется как единая плоскость,за исключением прибор-товых областей, где наблюдается искривление поверхности во время колебаний за счет прилипания смеси к бортам (эта зона составляет 10-15% от общей площади и меняется во времени) (см.приложу ).ч
На рис* 1.2. схематично изображены зоны распространения плоского фронта волн и краевого эффекта.
т _
А В СО
_ £ --------------------------------
Рис. 1.2. Ь-уровень смеси в форме
с1Н-амплитуда колебаний поверхности.
Зона ВС - видимая зона распространения плоского фронта
волн, зоны АВ и Сй видимые зоны краевого эффекта искривления поверхности при колебаниях. Глубина проникновения краевого эффекта ( имеется ввиду горизонтальное направление) зависит, оче-
I
|
|
видно, от величины касательных напряжений, возникающих в смеси
на границе контакта ее с бортами. Поэтому зона краевого эффекта будет убывать в направлении днища до нуля по некоторой кривой ( на рис.1.2. зоны с частой штриховкой). При увеличении уровня смеси краевая зона будет соответственно увеличиваться, вплоть до перекрывания ее с зоной от противоположного борта, что можно ожидать при ударном методе формования в кассетных формах, у которых высота значительно больше их ширины. В этом
23
случае основным технологическим фактором будут не плоские волны, идущие от днища, а сдвиг среды, распространяющийся от бортов, или комплексное воздействие плоских волн и сдвиговых деформаций. Следует отметить, что комплексная динамическая проработка среды позволяет разжижать наиболее высоковязкие смеси. Например, с целью выравнивания уровня свежеуложенной в форму жесткой бетонной смеси, перед вертикальным формованием материала применяют удары по бортам формы [9] . Очевидно, что вертикальное ударное формование материала одновременно с горизонтальными ударами по бортам формы будет осуществляться наиболее эффективно в высоких кассетных формах, где продольные волны, распространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях, будут взаимодействовать со сдвиговыми деформациями.
Распространение плоских сдвиговых волн в структурированной вязкоупругой среде, возбуждаемых синусоидальными возмущениями на плоской границе, аналитически рассмотрено в работах М.П.Во-ларовича и Ф.Б.Милявской [40,41] . В нашей работе предпринята попытка теоретического описания и разработки режимов лишь вертикального ударного способа формования материала в его технологически чистом виде.
В зонах сдвиговых деформаций следует ожидать повышенное тик-сотропное разжижение смеси [42] . Следовательно, уменьшение зоны краевого эффекта, может привести к равномерной проработке плоскими волнами практически всего массива. Для этого нужно уменьшить касательные напряжения вдоль бортов формы, снизив,' например, высоту падения формы со смесью и соответственно ам-.’ • плитуду колебаний смеси. При этом есть вероятность неоправданно вступить в противоречие с технологическим режимом формования. Более рационально-сма'чивать борта формы маловязкими смазками,