Теоретичні основи робочих процесів машин набризку будівельних сумішей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ТЕРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ МАШИН НАБРИЗКУ БУДІВЕЛЬНИХ СУМІШЕЙ

Спеціальність 05.05.02.- Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

БАРАНОВ АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України на кафедрі “Механізація будівельних процесів”

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Ємельянова Інга Анатоліївна, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри "Механізація будівельних процесів"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сівко Володимир Йосипович, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри "Ремонт та експлуатація будівельних машин", доктор технічних наук, професор Лівінський Олександр Михайлович, Академія будівництва України, перший віце-президент, доктор технічних наук, професор Маслов Олександр Гаврилович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "конструювання машин і технологічного обладнання"

Провідна установа: Полтавський державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України (м. Полтава)

Захист відбудеться " 26 " червня 2001 р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (61002, м. Харків, вул. Сумська, 40).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий " 23 " травня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат техн. наук, доцент Ємельяненко М.Г.

АНОТАЦІЯ

будівельний бетонування ущільнення набризк

Баранов А.М. Теоретичні основи робочих процесів машин набризку будівельних сумішей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.02 - машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням розробки теоретичних основ створення машин набризку будівельних сумішей. У роботі розроблено новий напрямок створення машин на базі математичних моделей процесу ущільнення будівельних сумішей методом набризку з позицій удару і проникнення часток бетонної суміші в пластично стисливе середовище і процесу формування струменя при торкретуванні, засноване на механізмі утворення великомасштабних когерентних структур. Встановлено можливість керування утворенням великомасштабних когерентних структур і зміни їхньої орієнтації, що дозволило створити обладнання пневмонабризку з принципово новими характеристиками. На підставі моделі процесу ущільнення методом набризку розроблені способи виготовлення торкрет-бетону і виробів із набризксталефібробетону при роздільній пошаровій укладці бетонної суміші і фібрових елементів. Розроблено методики розрахунку і технічна документація на обладнання набризку способом мокрого торкретування і на обладнання технологічної лінії виробництва набризксталефібробетону. Створене обладнання використовувалося при виконанні торкрет-робіт в умовах реконструкції ряду будинків і споруджень.

Ключові слова: набризк, пластично стисливе середовище, великомасштабні когерентні структури, сталефібробетон, торкрет-бетон.

SUMMARY

A. N. Baranov. Theoretical fundamentals of technique Processes of Machines for sprayed mortar compounds. manuscript.

Dissertation for the degree of Doctor of Technical sciences by specialty 05.05.02 - Machines for manufacturing building materials and designs. - Kharkov State Technical University of Construction and Architecture. Ministry of Education and Science of Ukraine, city of Kharkov - 2001.

Dissertation deals with the problems of development of theoretical fundamentals of making machines for sprayed mortar compounds. In this paper a new direction of mathematical modelling of the process of compaction mortar compounds by the method of spray-up from position of shock and penetration of mortar compounds particles into compression yielding fluid and process of jet formation when guniting that is based on mechanism of formation large-scale coherent structures is worked out. ability of control is established for formation of large-scale coherent structures and alteration of their orientation that gave a possibility to develop guniting equipment pneumatic spraying with principally new characteristics. On the basis model of the process of compaction by the method of spraying methods of manufacturing of gunite and items from spray-steel-fibrous concrete when separate pouring in lifts and fibrous elements is used. Design procedures and production forms and records are elaborated for equipment of spraying by the method of wet shotcreting process and for equipment of production line spray-steel-fibrous concrete. The developed equipment was being used when guniting in the conditions of reconstruction of several buildings.

Keywords: spraying, compression yielding fluid, large-scale coherent structures, spray-steel-fibrous concrete, gunite.

АННОТАЦИЯ

Баранов А. Н. теоретические основы рабочих процессов машин набрызга строительных смесей. - рукопись.

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.02 - машины для производства строительных материалов и конструкций. - харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры министерства образования и науки Украины, Харьков, 2001.

диссертация посвящена вопросам разработки теоретических основ создания машин набрызга строительных смесей.

В работе развивается новое направление создания машин на базе математических моделей:

- процесса укладки и уплотнения строительных смесей методом набрызга с позиций удара и проникания частиц бетонной смеси в пластически сжимаемую среду;

- процесса формирования струи при торкретировании, основанного на механизме образования крупномасштабных когерентных структур.

Разработаны теоретические предпосылки для создания эффективного оборудования набрызга способом мокрого торкретирования с принципиально новыми характеристиками на основании:

- установленной возможности управления образованием и изменением ориентации крупномасштабных когерентных структур, возникающих в результате взаимодействия струи с окружающей средой;

- гидродинамической модели движения бетонной смеси по технологическому тракту "бетононасос - компенсатор - трубопровод - торкрет-сопло";

- нового подхода к ликвидации пульсаций при транспортировании потока смеси по трубопроводу, который базируется на осесимметричности движения смеси в компенсаторе и сохранении ядра потока;

- физико-математической модели движения воздушно-бетонного потока от торкрет-сопла до бетонируемой поверхности;

- исследований взаимодействия кольцевой струи воздуха и осесимметрического воздушно-бетонного потока.

На основании модели процесса уплотнения методом набрызга установлены закономерности проникания частиц крупного заполнителя в слой сталефибробетонной смеси в зависимости от их размера и скорости в момент удара о бетонируемую поверхность. разработан способ армирования бетона фиброй, который обеспечивает равномерное распределение фибровых элементов в бетонной смеси. Создана физико-математическая модель процесса изготовления изделий из набрызгсталефибробетона при раздельной послойной укладке бетонной смеси способом механического набрызга и фибровых элементов. установлено влияние геометрических параметров, количества и особенностей распределения фибровых элементов в бетонной матрице на прочностные характеристики набрызгсталефибробетона.

Разработаны методики расчета и техническая документация на оборудование набрызга способом мокрого торкретирования и на оборудование технологической линии производства набрызгсталефибробетона.

Созданное оборудование прошло экспериментальную проверку и использовалось при выполнении торкрет-работ в условиях реконструкции ряда зданий и сооружений.

Ключевые слова: набрызг, пластически сжимаемая среда, крупномасштабные когерентные структуры, сталефибробетон, торкрет-бетон.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності будівельного виробництва тісно пов'язане із впровадженням нових видів обладнання, що дозволяють реалізувати прогресивні методи будівництва і реконструкції, застосовувати перспективні конструкційні матеріали.

На властивості бетону значно впливає ущільнення бетонної суміші. Одним із найефективніших методів ущільнення є набризк, сутність якого полягає в тому, що макроструктура бетону формується з потоку часток бетонної суміші, які володіють запасом кінетичної енергії. Недостатнє теоретичне обгрунтування процесів набризку з позицій формування структури набризк-бетону не дозволяє створити широкий діапазон високоефективного обладнання для різних умов будівництва.

Відсутність науково обгрунтованих уявлень про формування структури потоку бетонної суміші, що набризкується, спричиняє великі її втрати у результаті явища “відскоку”. З цих позицій представляє інтерес дослідження способу мокрого торкретування.

Спосіб мокрого торкретування, як більш економічний і екологічно чистий, широко використовується в Німеччині, США, Японії і ряді інших країн. Однак можна констатувати, що обладнанню і технології мокрого торкретування в даний час не приділяється належна увага. Відсутні також будь-які відомості про наукові дослідження процесу мокрого торкретування. В даний час на Україні існує проблема створення ефективного обладнання для мокрого торкретування, яке дозволить успішно вирішувати питання, пов'язані з реконструкцією і реставрацією діючих будівель і споруд.

Застосування набризку для ущільнення бетонних сумішей дозволить ширше використовувати нові композиційні матеріали, найбільш перспективним з яких є фібробетон. В даний час фібробетон має широке поширення в будівельній індустрії Німеччини, США, Японії й інших країнах. З огляду на труднощі, що виникають при готуванні сталефібробетонних сумішей та їх ущільненні, необхідно вирішити проблему розробки і створення високоефективного обладнання для виготовлення набризксталефібробетону.

У зв'язку з цим теоретичні й експериментальні дослідження даного напрямку, створення на базі результатів таких досліджень нового обладнання є актуальними і становлять інтерес для різних видів будівництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Представлена робота є складовою частиною наукових досліджень держбюджетних тем: № 008 “Дослідження технологічних процесів бетонування за допомогою універсальних роторних метальників”; № 0022 “Розробка технічних основ методик розрахунку і технологічних комплексів для виготовлення фібробетону з використанням відходів підприємств України” і № 0041 “Розробка теорії, методик розрахунку процесу мокрого торкретування при використанні устаткування багатоцільового призначення з програмним забезпеченням”, що виконувалися відповідно до пріоритетного напрямку “Екологічно чиста енергетика і технології збереження ресурсів ” у 1994 - 1999 р.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка теоретичних основ робочих процесів машин набризку будівельних сумішей і створення на їхній базі високоефективного обладнання.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні задачі.

Розробити модель процесу ущільнення при набризку будівельних сумішей, виходячи із позицій теорії удару часток о поверхню, що бетонується .

Створити модель процесу бетонування за допомогою обладнання пневмонабризку, при цьому розробити модель руху бетонної суміші по всіх технологічних трактах від нагнітача по трубопроводу до торкрет-сопла і модель руху повітряно-бетонного потоку від торкрет-сопла до поверхні, що бетонується . Для цього розробити моделі:

- руху бетонної суміші в насосі і його елементах;

- руху бетонної суміші в компенсаторі;

- руху бетонної суміші в трубопроводі;

- розподілу швидкостей часток суміші в перетині потоку, що набризкується вісесиметричним струменем повітря;

- взаємодії вісесиметричного і кільцевого струменів повітря;

- розподілу швидкостей часток бетонної суміші в залежності від відстані до зрізу сопла.

Створити модель процесу виготовлення сталефібробетонних виробів за допомогою обладнання механічного набризку. При цьому розробити моделі:

- розподілу фібрових елементів у сталефібробетоні при роздільній укладці бетону та елементів, що армують;

- деформацій у бетонних конструкціях при динамічних навантаженнях;

- впливу геометричних параметрів фібрових елементів і їхньої кількості на міцнісні характеристики сталефібробетону;

- впливу параметрів процесу укладки фібрових елементів і набризку бетонної суміші на міцнісні характеристики сталефібробетону.

На основі дослідження моделей робочих процесів обладнання розробити:

- технологічну лінію мокрого торкретування (комплект малогабаритного обладнання);

- технологічну лінію по виготовленню пласких сталефібробетонних виробів.

Порівняти результати теоретичних і експериментальних досліджень і виявити умови оптимальної роботи обладнання.

Розробити:

- методики розрахунків машин;

- технічну документацію на нове обладнання.

Впровадити розроблене обладнання в будівництво.

Об'єкт досліджень - процес укладки будівельних сумішей методом набризку.

Предмет досліджень - машини й обладнання для набризку будівельних сумішей.

Методи досліджень.

Використано диференціальні рівняння, що розкривають:

- механізм проникнення твердого тіла (частки заповнювача) у пластично стисливе середовище (укладений шар бетонної суміші) при ударі, що дозволив визначити параметри ударної хвилі, яка виникає при набризку в укладеному шарі бетону, і оптимальні швидкості потоку, що набризкують;

- взаємодію вісесиметричного і кільцевого струменів повітря, що послужила основою для розробки конструкції торкрет-сопла;

- особливості руху бетонної суміші, як рідини Бінгама, що дозволили створити компенсатор пульсацій подачі бетонної суміші в торкрет-сопло.

Застосовано методи Даламбера і Фур'є по розв'язанню рівнянь гіперболічного типу для визначення необхідного відсотка армування бетону фіброю при виготовленні сталефібробетону.

Статистичні методи опрацювання експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці теоретичних основ робочих процесів машин набризку будівельних сумішей, що базуються на визначенні режимів руху матеріалу в струмені зі змінною орієнтацією когерентних структур, взаємодії струменя із навколишнім середовищем і шаром бетонної суміші з врахуванням властивостей пластично стисливого середовища.

Розроблено фізико-математичну модель процесу ущільнення будівельних сумішей методом набризку з нових позицій удару часток бетонної суміші об пластично стисливе середовище, яким є раніше покладений шар тієї ж суміші.

Побудовані:

- модель процесу бетонування за допомогою обладнання пневмонабризку, що описує: рух бетонної суміші по технологічних трактах до торкрет-сопла; рух повітряно-бетонного потоку від торкрет-сопла до поверхні, що бетонується; взаємодію кільцевого струменя повітря і вісесиметричного повітряно-бетонного потоку;

- фізико-математична модель процесу виготовлення виробів із набризксталефібробетону при роздільній пошаровій укладці фібрових елементів і бетонної суміші методом механічного набризку.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновано новий спосіб одержання торкрет-бетону при використанні прямоточного розчинобетононасоса, компенсатора і сопла.

Розроблено методики розрахунку прямоточних розчинобетононасосів і сопел.

Розроблено технічну документацію на прямоточний розчинобетононасос із підпружиненими конусними клапанами, компенсатор і комплект торкрет-сопел.

По розробленій технічній документації виготовлено комплект обладнання в складі: прямоточний розчинобетононасос, торкрет-сопло і кільцевий поршневий блок компенсаторів. Цей комплект обладнання використовувався при виконанні торкрет-робіт в умовах реконструкції будинків в місті Харкові по вул. Мироносицькій 44, вул. Фрунзе 18, вул. Пушкінській 27, вул. Сумській 6, при нанесенні гідроізоляційного покриття на фонтан у готельному комплексі по вул. Сумській 50.

Розроблено метод і обладнання для армування бетону при виготовленні набризксталефібробетону.

Розроблено технічну документацію на технологічну лінію виробництва пласких виробів із набризксталефібробетону, що прийнята АТ "Укрспецбудмеханізація" (м. Київ ) для наступного впровадження.

Особистий внесок здобувача.

Для створення нового обладнання набризку розроблені теоретичні основи:

- процесу ущільнення з позицій удару часток бетонної суміші об пластично стисливе середовище, яким є раніше покладений шар тієї ж суміші;

- прогнозування міцнісних показників набризксталефібробетону в залежності від робочих параметрів обладнання;

- створення однорідного повітряно-бетонного потоку з вирівнюванням швидкостей часток по його перетину;

- компенсації пульсацій подачі бетонної суміші розчинобетононасосом у торкрет-сопло.

Запропонована ідея зміни орієнтації когерентних структур на межі потоку, що набризкується, з метою запобігання розпилу струменя.

Брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень, розробці методик розрахунку і технічної документації на нове обладнання набризку і його впровадження в будівництво.

Особисто опубліковано 6 наукових статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень доповідалися на Міжнародній науково-технічній конференції "Будівельні машини" (Магдебург, 1987р.); восьми науково-технічних конференціях ХДТУБА (із 42-ой по 55-у в 1988-2000 роках), на Міжнародній науково-технічній конференції "Застосування коливань у технологіях. Розрахунок і проектування машин для реалізації технологій" (Вінниця, 1994 р.); на Міжнародному семінарі "Теорія і практика будівництва і будівельних матеріалів" (Суми, 1994 р.); на Міжнародній конференції "Ресурсо- і енергозберігаючі технології будівельних матеріалів, виробів і конструкцій" (Бєлгород, 1995 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції "Будівельні і дорожні машини і їхнє використання в сучасних умовах" (Санкт-Петербург, 1995 р.); на першій Всеукраїнській науково-практичній конференції "Прогресивні технології і машини для виробництва будматеріалів, виробів і конструкцій" (Полтава, 1996 р.); на регіональній науково - технічній конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кременчук, 1996 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції "Розвиток будівельних машин, механізації й автоматизації будівництва і відкритих гірських робіт" (Москва, 1996 р.); на Міжнародній технічній конференції "Промисловість будматеріалів і будіндустрія, енеpго- і ресурсозбереження в умовах ринкових відносин" (Бєлгород, 1997 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції "Interstroimech-98" (Воронеж, 1998 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції "Передові технології в промисловості і будівництві на порозі XXI століття" БГТАСМ (Бєлгород, 1998 р.); на 51-ій і 52-ій наукових конференціях ПДТУ (Полтава, 1999-2000 р.); на Міжнародній конференції "Heavy Machinery HM- 99" (Kraljevo, Yugoslavia, 1999 р.); на Міжнародній науковій конференції "Автомобільний транспорт і дорожнє господарство на рубежі 3-го тисячоріччя" (Харків, 2000 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції "інтербудмех-2000" (Харків, 2000 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції "Нові машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, сучасні будівельні технології" (Полтава, 2000 р.); експонувалися на виставці ярмарку "Комунжитлтехніка -94" (Харків, 1994 р.); на виставці "Вищі і середні професійні навчальні заклади: освіта, наука, виробництво" БєлГТАСМ 1998 р.; на виставці "Наука Харківщини 2000"; на семінарах кафедри "Експлуатації та ремонту будівельних машин" КНУБА та кафедри "Підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин та обладнання" ХДАДТУ.

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 54 роботи: у наукових журналах - 11; у збірниках наукових праць -19; у збірниках наукових праць і доповідей, у матеріалах і тезах міжнародних, всеукраїнських і регіональних наукових конференцій - 15; 7 патентів України і 2 позитивних рішення за заявками на видачу патенту України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з двох томів: основного і додатків. Основний том складається з вступу, п'ятьох розділів, основних висновків і списку використаних джерел із 326 найменувань. Загальний обсяг основного тому 318 сторінок друкарського тексту, 96 рисунків, 47 таблиць. Другий том складається з 14 додатків, де приведені результати експериментів і їх обробки, програмне забезпечення і розрахунки на ЕОМ, акти впровадження і патенти. обсяг другого тому 177 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність досліджень, викладено їх зв'язок з науковими програмами, мета, наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок, апробація та кількість публікацій.

У першому розділі розглянуто основні етапи розвитку обладнання набризку будівельних сумішей і виготовлення сталефібробетонних виробів. Наведено результати досліджень Бабиченко В.Я., Глужге П.І., Дюженко М.Г., Ємельянової І.А., Курбатова Л.Г., Кобзаря І.І., Кузеніної Є.Б., Кузьміної М.Б., Рабіновича Ф.Н. та ін.

При ущільненні методом набризку відбувається зіткнення часток бетонної суміші, що набризкується з частками раніше укладеного шару і у середовищі, що ущільнюється, виникає ударна хвиля. Параметри ударної хвилі і сили, що виникають у процесі деформації раніше укладеного шару бетонної суміші при ударі, визначають ефективність ущільнення. Ударна хвиля і процес деформації залежать від швидкості часток бетонної суміші, що набризкується. Дотепер ще не вирішена задача визначення швидкості часток при набризку, що забезпечила б максимальну пластичну деформацію раніше укладеного шару бетонної суміші і при якій не виникли б пружні деформації. Розглядаючи механізм ущільнення з цих позицій, можна визначити умови одержання бетону з високими фізико-механічними властивостями.

Формування й ущільнення шару бетонної суміші, що укладається, при набризку описується математичною моделлю удару твердого тіла о пластично-пружну поверхню як для механічного, так і для пневматичного набризку. З огляду на те, що ущільнення бетонної суміші супроводжується зміною об'єму, є підстава математичну модель ущільнення бетонної суміші методом набризку розробляти з позицій удару і проникнення часток бетонної суміші в пластично стисливе середовище.

Пневмонабризк бетонних сумішей дозволяє проводити бетонні роботи в таких умовах, коли реалізацію інших технологій важко здійснити. У 30-і роки в США проводилися дослідження швидкостей потоків, що набризкуються. Результати експериментальних досліджень показали, що міцність торкрет-бетону і відсоток відскоку залежать від швидкості потоку суміші. У результаті досліджень, проведених М.Г. Дюженко, А.К. Корольовим, А.К. Карасьовим та іншими вченими при проведенні торкрет-робіт, була знайдена оптимальна відстань від сопла до поверхні, що бетонується - 1 м і оптимальний робочий тиск повітря - 0,3 - 0,4 МПа. При цьому було встановлено, що кількість відскоку багато в чому залежить від розміру заповнювача і складає 20% і більше.

Однією з переваг мокрого способу торкретування в порівнянні із сухим є відсутність пилу, який складається з розсіяних часток цементу і дрібного заповнювача. Фірмою SIMENS-BAUNION (Німеччина) були проведені дослідження на предмет порівняння сухого і мокрого способів торкретування. Торкретування мокрим способом супроводжувалося меншою кількістю відскоку, зібраний матеріал, який потрапив у відскік, на відміну від сухого способу, вдруге може бути використаний при проведенні торкрет-робіт.

Процес мокрого торкретування можна розбити на три етапи:

- транспортування бетонної суміші від прийомного бункера по трубопроводу в змішувальну камеру;

- взаємодія часток бетонної суміші з потоком стисненого повітря в змішувальній камері сопла пневмонабризку;

- політ часток бетонної суміші від зрізу сопла до поверхні, що бетонується.

Конструктивні особливості обладнання для подачі бетонної суміші в змішувальну камеру визначають параметри процесу її руху по трубопроводі та характер взаємодії часток бетонної суміші з потоком стисненого повітря, а також впливають на швидкість часток потоку, що набризкується. Конструктивні особливості сопла пневмонабризку впливають на формування структури потоку, що набризкується, і на процес укладки й ущільнення бетонної суміші на поверхні, що бетонується.

Одним із нерозв'язаних завдань процесу пневмонабризку є нерівномірність подачі бетонної суміші в торкрет-сопло. Для ліквідації пульсацій транспортування матеріалів насосами по трубопроводах застосовуються різного виду компенсатори, однак, відомі конструкції не вирішують проблему рівномірної подачі малорухомих бетонних сумішей.

Потік суміші при пневмонабризку розглядається як двофазний струмінь. Проблема поширення двофазного турбулентного струменя має велике практичне значення і цією проблемою займалося і займається велика кількість дослідників у різних галузях науки і техніки. У роботах Абрамовича Г.М., Лаатса М.К., Фрішмана Ф.А. та інших авторів визначалися структура двофазного струменя, різниця швидкостей фаз, характеристики струменя. Дослідження Гіневського А.С., Гогиша Л.В., Карпмана і.М., Картушинського А.І., Клестова Ю.М., Кашафутдинова С.Т., Секундова А.Н. та ін. показали, що розподіл швидкостей у вільно затопленому струмені повітря залежить від розподілу швидкостей повітря в навколишньому середовищі. Звідси випливає висновок про можливість керування розподілом швидкостей у струмені за рахунок конструкції сопла пневмонабризку і, відповідно, забезпечення необхідної швидкості часток суміші при ударі об поверхню, що бетонується .

Проведений аналіз робіт з існуючих технологій і устаткування для виробництва сталефібробетонних виробів дозволяє стверджувати, що відоме обладнання не забезпечує однорідності сталефібробетонних сумішей. Віброущільнення сталефібробетонних сумішей призводить до того, що внаслідок різниці густини бетону і сталі, в процесі вібрації суміші фіброві елементи намагаються опуститися вниз до піддона. Найбільш ефективним видом фібрового елемента є профільований фібровий елемент із сталевого дроту, виготовлення якого вимагає мінімальних виробничих витрат. Не вивчено вплив геометричних параметрів фібри і коефіцієнта армування на міцнісні показники сталефібробетону.

У результаті аналізу існуючих технологій і обладнання набризку для виробництва бетону і сталефібробетону сформульовано мету і задачі досліджень.

В другому розділі розроблено теоретичні основи створення обладнання набризку на базі отриманих фізико-математичних моделей робочих процесів.

Бетонна суміш на поверхні укладеного шару набризк-бетону допускає кінцеві пружно-пластичні обўємні деформації зі зміною густини, тому її можна розглядати як пластично стисливу рідину. Після ущільнення бетонна суміш моделюється нестисливою рідиною. Для бетонної суміші існує критичний тиск (p0), при якому досягається максимальна відносна об'ємна пластична деформація (em). Збільшення тиску призведе до пружної деформації. Якщо тиск на бетонну суміш перевищує p0, то при його зниженні у залежності від режиму розвантаження може виникнути зворотна ударна хвиля, що призведе до зниження щільності і, відповідно, міцності набризк-бетону. Тому при ущільненні бетонної суміші необхідно, щоб виникаючі тиски були близькі до p0, але не перевищували його. Значення p0 в залежності від рухливості бетонної суміші наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Тиск (p0), при якому спостерігається максимальна відносна об'ємна пластична деформація

рухливість бетонної суміші(см).	3	4	5	6	7
p0 (МПа)	2,3	1,8	1,5	1,1	0,6

при ущільненні методом набризку, ударна хвиля в середовищі може бути пластичною або пружною в залежності від тиску, що створюється часткою при ударі. Якщо в результаті проникнення часток у поверхню, що бетонується, виникне тиск вищий p0 і пружна ударна хвиля, то буде спостерігатися великий відсоток відскоку і не буде досягнуто максимальне ущільнення бетонної суміші. Ефективність ущільнення визначається характеристиками ударної хвилі і процесу деформації раніше укладеного шару бетонної суміші при ударі. Ударна хвиля і процес деформації залежать від швидкості часток бетонної суміші, що набризкується.

модель процесу ущільнення бетонної суміші при набризку описана ударом жорсткої сфери об поверхню пластично стисливої рідини, що займає напівпростір. Швидкість удару спрямована по нормалі до поверхні середовища. Взаємодія сфери і пластично стисливої рідини відбувається з утворенням пластичної ударної хвилі, на якій щільність середовища незворотно зростає стрибком. Поза ударною хвилею щільність середовища постійна, однакова і воно являє собою однорідну нестисливу рідину. Введено нерухливу координату z, напрямок якої співпадає з напрямком руху сфери (частки), та рухливі системи координат з початком в центрі сфери (точка z0): полярну r, q і декартову x, y. Між змінними мають місце залежності:

, , (1)

де H(t) - глибина проникнення часток в укладений шар бетонної суміші за час t.

У полярній системі координат r, q граничні умови на проникаючій сфері і сферичній ударній хвилі записуються у вигляді:

r = Rc , vn = vr = dH(t)/dt; r = R , vn1 = vr1 =(1- b)dН(t)/dtЧ cos q ; p - pн =с0(1- b)(dН(t)/dtЧ cos q)2 (2)

де Rc - радіус сфери (частки); R - радіус сферичної ударної хвилі; р - тиск на проникаючій сфері; рн - зовнішній тиск; rо - початкова густина бетонної суміші; b - коефіцієнт ущільнення (b = 1 - em); vn1- швидкість по нормалі до поверхні; vr1- швидкість по радіальній координаті.

Компоненти швидкості vr, vq задовольняють рівнянню, що виражає закон збереження маси. Через потенціал швидкості j це рівняння записується в наступному виді

(3)

його рішення, що задовольнить граничним умовам

.

Гранична умова на поверхні проникаючої сфери дозволяє встановити залежність між радіусами частки (Rc) і ударної хвилі (R)

Закон розподілу тиску р по поверхні сфери запропонував Ліз

(4)

У залежності від рухливості бетонної суміші і швидкості набризку часток у результаті їхнього удару об поверхню укладеного шару будуть утворюватися кратери ( Hmax < Rc ) або каверни (Hmax > Rc ), де Hmax - максимальна глибина проникнення часток в укладений шар бетонної суміші. Змінюючи режими роботи обладнання набризку, можна забезпечити необхідну швидкість часток і, відповідно, їхню кінетичну енергію. По глибині кратера або каверни визначається робота (Акрат.), що затрачається на їхнє утворення

Робота Акрат дорівнює кінетичній енергії частки до моменту початку удару. Рівність енергій подано рівнянням

(5)

Максимальна глибина проникнення часток у поверхню, що бетонується, Hmax визначається експериментально. У результаті рішення рівняння (5) знаходиться значення b для досліджуваного складу бетонної суміші і швидкості потоку v0. За значенням b визначається тиск на фронті ударної хвилі, тиск на поверхні проникаючої частки і радіус ударної хвилі.

Процес проникнення часток заповнювача в пластично нестисливий шар бетонної суміші на поверхні, при середньому опорі pср, описується співвідношенням:

або ; H(0)=0; (6)

де f - сила взаємодії часток заповнювача та середовища; v0 - швидкість часток у момент контакту з поверхнею, що бетонується; m - маса часток.

Рішення рівняння (6) має вид

, звідки . (7)

Значення тиску pср дозволяє прогнозувати характер деформацій в укладеному шарі суміші й ефективність її ущільнення.

Порівняння тисків, що виникають у шарі бетонної суміші в результаті удару часток, і граничних тисків об'ємної пластичної деформації, дозволяє визначити швидкість часток, що забезпечує максимальне ущільнення і мінімальні втрати через відскік. Радіус сферичної ударної хвилі і глибина проникнення часток визначає товщину шару бетонної суміші, що укладається за один прохід. в табл. 2 приведені значення тисків для бетонних сумішей рухливістю 3-7см та при швидкості набризку 20-50 м/с., що виникають у шарі бетонної суміші в результаті удару часток.

Таблиця 2

Тиск (МПа), що виникає в шарі бетонної суміші внаслідок удару часток.

Рухливість сумішей швидкість часток (м/с)
	20	25	30	35	40	45	50
3	1,442	1,628	1,772	1,962	2,286	2,597	2,992
4	1,096	1,231	1,387	1,628	1,792	1,997	2,320
5	0,823	0,893	1,042	1,208	1,322	1,500	1,712
6	0,495	0,616	0,744	0,839	1,016	1,042	1,204
7	0,340	0,360	0,453	0,510	0,551	0,616	0,711

Порівняння тисків, що наведені в таблицях 1 і 2, дозволяє зробити висновок про те, що максимальне ущільнення при мінімальному відскоку для сумішей рухливістю 3-5см буде спостерігатися при швидкості набризку 35-40 м/с., а для сумішей рухливістю 5-7см при швидкості 40-45 м/с. Ці висновки справедливі як для механічного, так і для пневматичного набризку.

При реалізації пневмонабризку способом мокрого торкретування необхідна швидкість часток бетонної суміші забезпечується рухом турбулентного повітряного потоку, що може бути поданий вісесиметричним вільно затопленим повітряним струменем. Характер кривих свідчить про значне зниження швидкостей потоку на периферії його поперечного перетину незалежно від відстані до торкрет-сопла.

Встановлено, що після вильоту із сопла в центрі потоку концентруються великі частки, а на периферії спостерігається пилоподібна хмара, що складається переважно з часток розчинної складової. Це пояснюється ефектом Магнуса. У результаті досліджень встановлено, що перетин потоку можна розбити на п'ять характерних зон, що відрізняються гранулометричним складом часток бетонної суміші: центральне коло радіуса R1 і чотири кільця однакової ширини

(R2-R1) = (R3-R2) = (R4-R3) = (R5-R4) = R1.

Результати розрахунку кінетичної енергії, якою володіють частки суміші в двох периферійних і центральній зонах потоку показують, що в периферійних зонах зосереджено 23,68% від загальної маси потоку, а в центральній - 29,88%. Відповідно до характеру залежностей, наведених на рис.1, кінетична енергія часток в двох периферійних зонах складає 1,98% від загальної кінетичної енергії потоку, а в центральній - 53,49%. Питома кінетична енергія часток у центральній зоні в 21,4 рази більше, ніж у периферійних, що свідчить про цілком різні умови ущільнення в цих зонах, тому що середня швидкість у центрі повітряно-бетонного потоку в 4,6 рази вища.

Відомо, що вісесиметричні струмені підлягають різним формам нестійкості. При поширенні струменя у нерухомому середовищі на межі виникають так звані когерентні структури. Когерентними структурами називаються великі вихори, що мають повторювану структуру, залишаючись когерентними на значних відстанях від зрізу сопла.

Напрямок руху більш великих часток буде залежати від ступеня впливу на них великомасштабних когерентних структур, але у всіх часток буде з'являтися складова швидкості, спрямована перпендикулярно напрямку набризку. Цим механізмом пояснюється утворення хмари навколо струменя набризку при традиційному способі торкретування. Причому розміри хмари та ії склад залежать від швидкості набризку. Чим вища швидкість набризку, тим більше матеріалу буде виноситися зі струменя вихровими когерентними структурами.

Для збільшення швидкості часток на периферії потоку і, отже, її вирівнювання по всьому перетині, а також запобігання розпилення було запропоновано організувати кільцевий супутній потік повітря. швидкість його повинна бути вища ніж швидкість основного потоку повітря, що забезпечує набризк бетонної суміші. У такому випадку, потік суміші в момент вильоту із сопла буде знаходитися в концентричному потоці повітря і когерентні структури на межі кільцевого й основного потоку, будуть мати протилежну орієнтацію.

Для забезпечення оптимальних умов процесу набризку бетонної суміші соплом нової конструкції визначено ступінь впливу кільцевого супутнього потоку повітря на основний потік. Рівняння для напруги тертя двох струменів повітря (вісесиметричного і кільцевого) по теорії Прандтля має вид

(8)

d - товщина прикордонного шару взаємодії основного і кільцевого потоку; u - поздовжня складова швидкості; nт - турбулентна в'язкість; r - густина; с - коефіцієнт пропорційності; u0, uк - швидкості основного і кільцевого потоку; x - поздовжня координата струменя; y - поперечна координата струменя.

Система рівнянь руху і нерозривності (з урахуванням рівняння (8) для дотичних напруг) має вид:

(9)

де J - поперечна складова швидкості.

В результаті рішення системи (9), одержано розподіл швидкостей

(10)

де , y0,5 - ордината лінії, на якій швидкість дорівнює напівсумі швидкостей супутніх потоків, s - емпірична константа теорії Гертлера.

Рівняння (10) дозволяє побудувати поле швидкостей в основному потоці і визначити його характеристики в залежності від параметрів кільцевого потоку. Дослідження механізму формування набризк-бетону з позицій теорії удару і моделювання бетонної суміші у виді пластично стисливого середовища показали, що максимальне ущільнення бетонної суміші рухливістю 5-7см спостерігається при швидкості часток 40 - 45 м/с під час удару об поверхню, що бетонується. Встановлено, що при способі мокрого торкретування за допомогою сопла нової конструкції вищевказаний діапазон швидкостей набризку буде забезпечений при початковій швидкості основного потоку повітря 65-70 м/с і швидкості кільцевого супутнього потоку повітря 100 - 110 м/с.

При перекачуванні будівельних сумішей новим поршневим прямоточним розчинобетононасосом, заповнення робочої камери насоса відбувається за рахунок створюваного в ній вакууму і тиску стовпа бетонної суміші в завантажувальному бункері. При такій схемі подачі насос працює на малорухомих бетонних сумішах. Для підвищення ефективності роботи насоса запропонована нова конструкція конусного підпружиненого клапанна з підвищеною швидкістю руху. Згладжування нерівномірності подачі (пульсацій) суміші прямоточним розчинобетононасосом здійснювалося компенсаторами нових конструкцій. Особливістю конструкції нового кільцевого поршневого блока компенсаторів є те, що при транспортуванні через нього бетонної суміші не руйнується ядро потоку суміші і не змінюється напрямок його руху. Внаслідок того, що в компенсатор надходить бетонна суміш із периферійної частини потоку без енергетичних витрат на руйнацію центральної структури потоку, пульсація подачі й енергетичні витрати на транспортування будівельних сумішей знижуються. Крім того, зменшення ходу поршнів компенсатора й вісесиметричність руху бетонної суміші запобігають умовам виникнення великих вихорів у трубопроводі. У залежності від виду запропонованих компенсаторів, перетин, через який проходить бетонна суміш, може бути круглим або прямокутним. Для компенсаторів круглого перетину радіуса Rk і продуктивності насоса Q, перепад тиску в компенсаторі - Pk знаходиться за умови

(11)

де w - кутова швидкість кривошипа насоса; t - гранична напруга зрушення; m - динамічна в'язкість бетонної суміші.

Для блока, що складається з n компенсаторів прямокутного перетину шириною 2h, встановлених по периметру перетину трубопроводу, Pk знаходиться за умови

 (12)

Застосування компенсатора дозволяє здійснити рух суміші по трубопроводі в сталому режимі. Тиск, необхідний для перекачування бетонної суміші по трубопроводі радіуса R, визначається з рівняння

(13)

де L - довжина трубопроводу (м); H - висота подачі бетонної суміші (м); P - тиск, що розвивається насосом (Па); r - густина бетонної суміші (кг/м3); g - прискорення вільного падіння.

Знаючи тиск для перекачування заданої кількості суміші, представляється можливим розрахувати робочі параметри насоса і компенсатора, що забезпечать рівномірну подачу бетонної суміші в торкрет-сопло.

Механізм формування й ущільнення укладеного шару бетонної суміші, що розглянута як пластично стисливе середовище, дозволяє аргументовано підійти до використання обладнання набризку для виробництва композиційних матеріалів, зокрема, сталефібробетону. Пропонується принцип пошарової роздільної укладки бетонної суміші і фібрових елементів. При виготовленні набризксталефібробетону по черзі укладаються шари бетонної суміші і рівномірно розподілених фібрових елементів, що занурюються в глибину раніше покладеного шару суміші за рахунок удару і проникнення часток наступного шару суміші. Товщина шару суміші, покладеної за один прохід, визначається параметрами пластичної ударної хвилі і глибиною проникнення часток при їхньому ударі об поверхню, що бетонується. Для одержання максимальної міцності набризксталефібробетону, при діапазоні швидкостей набризку, що рекомендується, визначено максимально можливий коефіцієнт об'ємного армування бетону фібровими елементами (mVmax)

mVmax = (14)

де Lmin - мінімально припустима відстань між покладеними сусідніми фібровими елементами; dф - діаметр фібрового елемента; d - максимальна глибина занурення фібрового елемента в шар бетонної суміші при набризку наступного шару.

Укладка кожного фібрового елемента на поверхню, що бетонується, здійснюється безпосередньо відразу після його виготовлення. Тому відпадає необхідність попереднього готування сталефібробетонних сумішей.

Загальне збільшення міцності ( DRрозр) на розрив бетону характеризується напругою необхідною для розриву або виривання з бетонної матриці усіх фібрових елементів, через які проходить поверхня руйнації. Звідси загальне збільшення міцності на розрив ( DRрозр), при розмірі об'ємного армування бетону фіброю mV, визначається залежністю

(15)

де dф - діаметр фібрового елемента; lф - довжина фібрового елемента; lанк - довжина анкерування; Fp - сила розриву фібрового елемента.

Залежність (15), при заданому значенні DRрозр, породжує у факторнім просторі область зміни dф, lф, lанк, Fp і mV , в якій збільшення міцності на розрив сталефібробетону буде не нижче заданого значення. Машина по виробництву фібри повинна забезпечувати виготовлення її необхідної кількості з характеристиками, що знаходяться в області факторного простору породженої значенням DRрозр. Для цього необхідно знати закони зміни характеристик фібри lанк, Fp від її параметрів. Були проведені дослідження довжини анкерування і зміни розривного зусилля фібри в залежності від кроку профілювання, глибини профілювання і діаметра фібри. Причому, крок і глибина профілювання задавалися у відносних одиницях - діаметрах фібри (dф). Дослідження показали, що для кроку профілювання оптимальні значення лежать у межах 10dф - 12dф, а для глибини профілювання dф-2dф.

Для рішення задачі визначення області зміни dф, lф, lанк, Fp і mV необхідно знати значення DRрозр. Однією з актуальних задач є визначення необхідного ступеня зміцнення бетону при ударних навантаженнях. Типовим видом ударних навантажень бетону є процеси, що відбуваються при забиванні фундаментних паль і в бетонних покриттях доріг, аеродромів, танкодромів, іспитових полігонів та ін.

Деформації, що виникають на поверхні покриття, можуть бути описані рівняннями коливань напівпростору, а деформації в палі - рівняннями коливань стержня. Коливання пружної поверхні і граничного шару розглядаються як суперпозиція двох задач: коливань мембрани і повздовжніх коливань стержня. Причому, ступінь впливу кожної задачі буде змінюватися в залежності від навантажень, які сприймаються покриттям.

Процес коливань плоскої однорідної поверхні описується рівнянням гіперболічного типу

Utt = a2DU (16)

Виходячи з того, що коливання поширюються в усі сторони однаково, розглянемо коливання круглого елемента (мембрани) радіуса r0. У цьому випадку необхідно визначити поперечні коливання U круглого елемента поверхні з жорстко закріпленим краєм, викликані радіально - симетричним початковим розподілом відхилень і швидкостей. У полярних координатах задача запишеться у виді

(17)

де r0 - радіус круглого елемента (мембрани);

; T - сила натягу мембрани; rп - поверхнева густина мембрани.

Рішенням цієї задачі являється вираз

(18)

де

точки де I0(m) = 0;

I0 , I1 - функції Беселя.

Друга задача описує коливання, що виникають у бетонних виробах типу фундаментної палі. У процесі удару робочого органа по палі в ній виникають повздовжні зсуви U(x,t), для визначення котрих необхідно розв'язати крайову задачу

; ;

(19)

де ; Е - модуль пружності; r - густина матеріалу палі; S - площа перетину палі; l - довжина палі ; М - маса робочого органа; V0 - швидкість робочого органу на початку удару.

Крайова задача описує наступну ситуацію. Нижня основа палі закріплена, а верхня вільна. По верхній основі наноситься удар робочим органом масою М , що рухається із швидкістю V0, спрямованій по осі палі. У інтервалі часу від 0 до t0 спостерігається поширення повздовжніх коливань по тілу палі.

Відповідно до формули Даламбера, рішенням крайової задачі є

(20)

, функція j(z) визначається з наступних умов: ; ;

l<z<Ґ;

- відношення маси робочого органа до маси палі.

Функція j(z) визначається з урахуванням безперервності зміни U(l,t) із перебігом часу

, l<z<3l;

3l<z<5l ;

.

Розмір і швидкість зміни деформацій дозволяють визначити напруги у виробах із сталефібробетону і розрахувати DRрозр. Рішення задачі (15) по визначенню породженої у факторнім просторі області зміни dф, lф, lанк, Fp і mV ( параметрів фібрових елементів і їхньої необхідної кількості) дає інформацію для створення машин по виготовленню сталефібробетону.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень:

- механізму формування шару бетонної суміші, що ущільнюється, з позицій теорії удару;

- процесу мокрого торкретування соплом нової конструкції;

- нового обладнання для подачі бетонних сумішей у торкрет-сопло;

- пошарової роздільної укладки бетонної суміші і фібрових елементів із застосуванням способу механічного набризку.

Удар часток суміші об поверхню досліджувався для різних умов бетонування способом торкретування і механічного набризку. Роботи проводилися при різних складах бетонної суміші і різних швидкостях набризку. Внаслідок досліджень знайдено параметри проникнення часток в шар бетонної суміші, що дозволило за допомогою розробленої моделі набризку визначити оптимальні швидкості набризку та розмір шару бетонної суміші, який укладається за одне проходження. Проведені дослідження процесу набризку часток бетонної суміші підтвердили висновки теоретичних досліджень із позицій теорії удару про раціональний діапазон швидкостей набризку, що забезпечує максимальну міцність набризк-бетону.

Експериментальні дослідження були проведені з метою визначення робочих параметрів обладнання і перевірки адекватності результатів теоретичних досліджень. Для проведення експериментальних досліджень використовувався технологічний комплект обладнання мокрого торкретування, схема якого приведена на рис.5.

Ефективність торкрет-робіт визначалася в залежності від параметрів робочого процесу мокрого торкретування. Для рішення поставленої задачі використовувався центральний композиційний план 2-го порядку.

Як параметри оптимізації, прийнято: міцність торкрет-бетону при стиску; міцність торкрет-бетону на розтяг при вигині; втрати бетонної суміші при набризку ("відскік"); витрати потужності на перекачування бетонної суміші; об'ємний ККД.

Досліджувався вплив на вищевказані показники наступних чинників: відстані до поверхні, що торкретується; початкової швидкості повітряного потоку на зрізі торкрет-сопла; початкової швидкості повітряного потоку на зрізі кільцевої насадки; залишкової пульсації подачі бетонної суміші в торкрет-сопло; довжини транспортного трубопроводу від насоса до торкрет-сопла; водоцементного співвідношення; вмісту заповнювача діаметром 8-10мм у бетонній суміші; вмісту заповнювача діаметром 5-7 мм у бетонній суміші; витрат піску на 1м3 бетонної суміші; витрат цементу на 1м3 бетонної суміші. Дослідження проводилися в декілька етапів із використанням D - оптимального плану з зоряними точками. Варіювання чинниками передбачалося на трьох основних рівнях і двох додаткових.

На першому етапі визначення міцності і відскоку проводилися від восьми незалежних чинників без зміни пульсації подачі бетонної суміші в торкрет-сопло та довжини транспортного трубопроводу від насоса до торкрет-сопла.

...