Конструкция установки для приготовления строительных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Смешивание и дозирование сыпучих материалов широко применяется в самых различных отраслях промышленности. В ряде технологических процессов дозирование является одной из основных операций. Качество готовой продукции и рациональное расходование исходных материалов во многом зависят от дозирования.

В строительной промышленности, например, состав бетонных смесей и качество бетона связано с работой отделений по дозированию песка, гравия, щебня, цемента, воды и других составляющих бетонной смеси.

Не меньшее значение имеют процессы смешивания в химической промышленности, в производстве удобрений, пластмасс, на коксохимических и металлургических заводах, агломерационных фабриках, в пищевой промышленности и т.д.

В различных отраслях промышленности все шире применяется весьма эффективный непрерывный поточный процесс смешивания и дозирования.

1. Обзор

1.1 Классификация и свойства дозируемых материалов

бетоносмеситель передача чаша барабан

Дозирование сыпучих дозируемых материалов - это определение заданного количества или дозы материала. Применяемые для этой цели приборы называются дозаторами.

В строительстве для приготовления бетонных смесей дозируются цемент, крупный и мелкий песок, гравий, щебень, вода и различные специальные добавки. В металлургии дозированием, составляется шихта.

Процессы дозирования в том или другом виде применяются почти в каждой отрасли производства. Количество наименований дозируемых материалов весьма велико, а их технические характеристики отличаются большим разнообразием.

Достаточно, например, указать, что объемная масса дозируемых материалов может колебаться от 50 до 3000 кг/мі.

Точно так же по своему гранулометрическому составу дозируемые материалы встречаются, начиная от тонкодисперсных порошков и до крупнокусковых материалов, когда отдельные куски, входящие в состав материалов, достигают 150 мм и более. Различаются также материалы и по своей гигроскопичности, корродирующим свойствам и т.д.

Наиболее важными характеристиками, определяющими в основном конструкцию дозатора, являются объемная масса материала, размер и форма его частиц.

Объемная масса определяет объем весового бункера при заданной порции и, следовательно, габариты всего дозирующего устройства.

Вместе с тем объемная масса, размер и форма частиц материала в основном определяют его сыпучесть. Наименее сыпучими являются порошкообразные и пылевидные легкие материалы. Кусковые и тяжелые материалы, наоборот, более подвижны.

Характеристика сыпучести материала обусловливает его прохождение через основные механизмы дозатора: питающий механизм, впускную воронку, весовой бункер и выпускной затвор, разгружающий взвешенную дозу в тот или иной приемник.

Сыпучесть дозируемого материала определяет конструкцию основных узлов дозатора и возможную точность взвешивания.

Некоторые материалы имеют хорошую подвижность и тем самым облегчают устройство дозатора. Другие склонны к слеживанию и сводообразованию и для своего прохождения через дозатор требуют специальных вспомогательных устройств: побудителей, питателей и пр.

По основным свойствам все сыпучие материалы можно разбить на 9 групп, которые указаны в табл. 1.

Таблица 1. Классификация дозируемых материалов

Номер группы	Группа материалов	Размер частиц в мм	Объемная масса в кг/мі	Сыпучесть (текучесть)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	Крупнокусковые… Кусковые……. Мелкокусковые…. Зернистые…… Порошкообразные… Пылевидные…. Хлопьевидные….	Более 150 50-150 10-50 0,5-10 0,05-0,5 Менее 0,05 Волокна, чешуйки, хлопья	600-2500 500-2000 400-1500 300-1500 200-1000 100-500 50-300	Достаточная » Достаточно хорошая Хорошая Затрудненная Весьма затрудненная То же Хорошая Достаточная Весьма затрудненная

В основу этой классификации положены размер частиц и объемная масса дозируемого материала, которые, как отмечалось, являются важнейшими характеристиками, определяющими процесс дозирования.

Необходимо отметить, что в отдельных случаях показатели дозируемых материалов могут не совпадать с показателями намеченных групп. Так, например, найдутся отдельные дозируемые зернистые материалы, объемная масса которых будет больше или меньше указанной в таблице.

Однако, независимо от своего вида и назначения для материалов каждой группы в основном могут быть применены общие типы дозирующих устройств и общие методы дозирования.

Из многочисленных и разнообразных свойств сыпучих материалов для процессов дозирования особенно важны те, которые в той или иной степени влияют на ход взвешивания или отмеривания дозы.

Анализ этих свойств показывает, что при дозировании материала необходимо знать объемную массу материала, размер и форму его частиц, угол естественного откоса, слеживаемость и комкуемость, склонность к сводообразованию, влажность, пыление, корродирующие свойства, склонность к самовозгоранию и, наконец, ядовитость.

Объемная масса дозируемого материала необходима для определения основных размеров узлов дозаторов: весовых бункеров, впускных воронок и т.д., а также для выбора величины дозы. Объемная масса выражается в кг/мі.

Различают объемную массу при свободной насыпке и для уплотненного насыпного груза.

В процессе дозирования материалы обычно направляются по коммуникациям самотеком и подвергаются принудительному уплотнению лишь на некоторых конечных операциях при наполнении готовым продуктом тары, например при развеске муки в мешки. Поэтому в дальнейшем изложении объемная масса материалов принята при свободной насыпке.

Объемную массу материалов определяют различными способами. Результаты часто отличаются один от другого, особенно когда проба материала берется небольшая.

Объемная масса для конкретного сыпучего материала не имеет постоянного значения. Колебания объемной массы зависят от гранулометрического состава материала: от размера частиц, наличия частиц разной величины в общем количестве материала, его влажности и т.п.

Колебания объемной массы одного и того же материала могут достигать 200-250%. Зависимость не остается постоянной для материалов различного гранулометрического состава. У одноразмерных порошкообразных и пылевидных материалов с увеличением влажности наблюдается уменьшение объемной массы. Для материалов, не однородных по своему составу (с крупными кусками и ограниченным количеством мелочи), увеличение влаги вызывает, в свою очередь, увеличение объемной массы.

Размеры частиц материала определяются линейными размерами. При этом берется наибольший размер, которым обычно бывает длина. Наибольший размер частиц дозируемого материала служит основанием для выбора сечения выпускных отверстий надвесовых бункеров, отверстий впускных воронок дозаторов и т.д.

Кроме того, при дозировании крупнокусковых материалов соответствующим образом должна быть рассчитана конструкция затворов, гарантирующая от застревания больших кусков материала. Вместе с тем наличие крупных кусков материала обычно снижает точность дозирования, особенно при автоматическом процессе. В конце взвешивания, когда отвешенная доза почти достигла заданного веса, большой кусок материала, попавший в бункер, может дать значительный перевес. Это обстоятельство должно учитываться при технологическом процессе дозирования крупнокусковых материалов. При этом в ряде случаев целесообразнее производить дозирование предварительно размельченных материалов.

Угол естественного откоса материала является одним из основных факторов, характеризующих сыпучесть материала. Этот угол образуется плоскостью естественного откоса материала с горизонтальной плоскостью. Подвижность материала тем больше, чем меньше угол естественного откоса.

Угол естественного откоса зависит от зернистости, влажности, температуры и других свойств материалов. Для его определения на горизонтальную плоскость ставят металлический цилиндр без дна и в него засыпают материал, угол откоса которого определяется. Затем цилиндр медленно поднимают, не отклоняя в стороны. Освободившийся материал образует на плоскости конус с углом естественного откоса.

Величина угла естественного откоса материала не является постоянной. При изменении влажности материала этот угол может изменяться в значительных пределах.

Образование свода в бункере

Слеживаемость, комкуемость, склонность к сводообразованию являются характеристиками плохой сыпучести материалов. От сыпучести или подвижности материалов, т.е. способности при известных условиях образовывать струю, текущую под действием силы тяжести, зависит характер движения материала через дозатор.

После образования свода дальнейшее истечение материала прекращается и может возобновиться только после разрушения свода. Образованию сводов способствует слеживаемость, комкуемость и липкость.

На слеживаемость некоторых материалов влияет длительность их хранения. Так, например, при непродолжительном хранении в течение 2-3 дней в бункере мукомольно-крупяные отходы не теряют сыпучести, но при длительном хранении они слеживаются и образуют своды. Пшеничные отруби при длительном хранении в силосах не только стоят отвесной стеной, но и не всегда сразу отваливаются при небольшом подкопе в толще насыпи.

Своды могут образовываться также вследствие недостаточно большого размера выпускного отверстия, не соответствующего размеру кусков дозируемого материала. Сводообразование нарушает нормальную работу дозаторов. Для борьбы с этим явлением необходимо принимать соответствующие меры: правильный выбор размеров выпускных отверстий, применение питающих механизмов, установка побудителей.

Влажность материала в основном влияет на его сыпучесть. С изменением влажности изменяется объемная масса и угол естественного откоса. При повышении процента влажности обычно увеличивается угол естественного откоса и уменьшается объемная масса материала. Это влечет за собой часто изменение сыпучести материала, способствует образованию комьев и сводов, что нередко вместо хорошей подвижности сухого материала приводит к прекращению его подачи.

В некоторых случаях изменение влажности сопровождается обратным явлением, т.е. если влажность материала повышается, то сыпучесть увеличивается. Так, например, при увеличении влаги в апатитовом концентрате от 0 до 1% резко возрастает порозность продукта, отчего его сыпучесть повышается в несколько раз. При дальнейшем увеличении влаги в апатите порозность изменяется мало, а угол естественного откоса продолжает возрастать; следовательно, сыпучесть ухудшается.

Следует отметить, что при дозировании влажных материалов часть веса порции идет за счет влажности и, таким образом, порция содержит меньшее количество материала, чем это предусмотрено технологическим процессом.

Когда это имеет существенное значение, необходимо вносить соответствующие коррективы.

Остальные свойства дозируемых материалов - пыление, корродирующее воздействие на дозатор, склонность к самовозгоранию, ядовитость - прямого влияния на ход процесса взвешивания не имеют. Если дозируемый материал имеет какое-либо из этих свойств, то в конструкции дозатора предусматривается соответствующее устройство или применяются защитные покрытия.

Так, например, для пылящих материалов вводятся соответствующие кожухи, фартуки, вплоть до герметизации всей установки, особенно при дозировании ядовитых материалов.

Рассмотренные свойства дозируемых материалов встречаются в различных сочетаниях и различно изменяют состояние материала. Поэтому для процесса дозирования весьма важно постоянство заданных характеристик дозируемого материала.

В ходе дозирования необходимо тщательно следить за состоянием материала и периодически производить проверку и анализ отдельных характеристик. В частности, необходимо следить за сохранением постоянства объемной массы материала, влажностью и средней крупностью частиц.

1.2 Основные сведения о процессе смешивания

Процесс смешивания материалов представляет собой механический процесс, в результате которого компоненты минеральных материалов и вяжущего равномерно распределяются в смешиваемом объеме, образуя однородную смесь. На основе развитых представлений различают следующие виды смешивания:

Конвективное - перемещение групп частиц из одного положения в другое переносом, внедрением, скольжением слоев, деформацией и истиранием порции слоя в результате механического движения рабочих органов смесителей.

Диффузионное - постепенное перераспределение частиц различных компонентов через границу фаз.

Конвективное смешивание относится к процессу макросмешивания, а диффузионное - микорсмешивания. Одновременно с процессом смешивания в смесителе идет процесс сепарации - разделение частиц компонентов и сосредоточение их в отдельных местах корпуса смесителя под действием гравитационных, центробежных и инерционных сил. Реальный процесс смесеобразования обычно заключается в наложении процессов смешивания и сепарации. Качество смеси характеризуется степенью приближения ее к материалу с некоторым идеальным порядком распределения отдельных компонентов. Так, если смешиваются три компонента, массы которых относятся как целые числа. А, В, С, то в любом малом объеме, взятом в произвольной точке, массы после идеального смешивания должны иметь тоже соотношение. Для количественной оценки качества смешивания пользуются коэффициентом изменчивости V (коэффициент вариации, %).

(1.1)

где - теоретическое значение концентрации компонента в массе выбранной пробы;

- фактическое значение концентрации компонента в массе выбранной пробы;

- количество проб.

При идеальном смешивании V=0; на практике считают качество смешивания удовлетворительным при V= 6 …8%, хорошим при V=4…6%, и очень хорошим при V<4%.

Для решения задачи получения однородных смесей необходимо изучение процесса смесеобразования, то есть изучение характера движения частиц в корпусе смесителя во времени и пространстве. Процесс смесеобразования в общем виде можно представить графиком (рис. 1.4.).

В первоначальный период работы смесителя качество смешивания, оцениваемое коэффициентом изменчивости V, повышается в основном за счет конвективного переноса компонентов (I участок кривой). В это время процесс смешивания идет на уровне макрообъемов. Поверхность раздела фаз между компонентами еще не велика, поэтому мала и доля диффузионного смешивания.

Кинетика процесса смешивания

Мало также влияние сепарации. Скорость процесса в это время зависит от характера движения потоков частиц в смесителе. После того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя t_k, процессы конвективного и диффузионного смешивания становятся сопоставимыми по их влиянию на общий процесс. Перераспределение минеральных компонентов и вяжущего идет уже на уровне микрообъемов. Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешивания становится преобладающим (II участок кривой). Заметное влияние в это время начинает оказывать процесс сепарации. В определенный момент времени t_опт два противоположных процесса - сепарации и смешивания - уравновешиваются. После этого дальнейшее смешивание не имеет смысла, так как качество смеси остается постоянным (III участок кривой).

Скорость перераспределения отдельных частиц на участках II и III зависит не только от характера движения материала, но и от его структурно-реологических свойств: размера частиц, величины межфазной поверхности, сил сцепления и т.п.

Конвективное смешивание М.В. Буниным предложено классифицировать характером движения отдельных объемов (макрообъемов) смешиваемой массы внутри корпуса смесителя. Известно, что произвольное движение тела в неподвижной системе координат в любой момент времени может быть определено шестью векторами скорости, определяющими поступательное движение: и вращательное: . Следовательно, по сложности движения массы способы смешивания можно разделить на шесть классов. Первому классу соответствует только поступательное движение смешиваемых материалов, совпадающее с какой-либо координатной осью, или только вращательное, происходящее только в одной координатной плоскости. Шестому классу соответствует произвольное движение смешиваемых материалов в пространстве, сочетающее в себе все виды поступательного и вращательного движений.

В существующих типах смесителей процессы смешивания по данной классификации соответствуют преимущественно II-IV классам. В смесителях свободного (гравитационного) перемешивания в основном проявляются такие виды конвективного смешивания, как перемещение групп частиц из одного положения в другое, внедрение и скольжение слоев; при принудительном смешивании к ним добавляются деформация и истирание порции слоя в результате механического движения рабочих органов. Основным недостатком смесителей свободного и принудительного перемешивания строительных материалов, несмотря на их широкое применение, является весьма слабое протекание диффузионных процессов смешивания на уровне микрообъемов. Это обуславливает при формовании изделий из смесей, приготовленных в подобных смесителях, появление дефектов, концентраторов напряжений и т.п., снижающих их физико-механические свойства.

Строительные смеси относятся к полидисперсным гетерогенным системам, на формирование которых оказывают большое влияние поверхностные явления, происходящие на границе раздела фаз. Для процессов перемешивания важнейшими из них являются адсорбционно-диффузионные, скорость протекания которых зависит от подвижности частиц минеральных компонентов, величины активной межфазной поверхности, дисперсности вяжущего, технологических особенностей процесса и других факторов.

Известно, что рассматриваемые смеси относятся к коагуляционным структурам, в которых сцепление частиц дисперсной фазы происходит через тонкие прослойки сольватных (гидратных) оболочек, образующихся из молекул дисперсионной среды. Формирование сольватных (гидратных) оболочек приводит к образованию пространственных структур, обладающих структурно-реологическими свойствами с высокими значениями сдвиговой прочности, вязкости, модуля упругости, времени релаксации. Первые два существенно затрудняют процесс перемешивания, целью которого является равномерное распределение минеральных компонентов и вяжущего по объему замеса.

Естественно предположить, что максимальная прочность коагуляционной структуры будет получена в том случае, когда вокруг каждой частицы будет существовать сольватная (гидратная) оболочка, с одной стороны, и все частицы будут равномерно распределены в смеси, с другой.

Эти задачи решаются при двух стадийном перемешивании, предложенным еще в 30-е годы В.А. Бауманом:

- смешивание сухих компонентов;

- смешивание полуфабриката смеси с вяжущим.

Необходимость двух стадийного смешивания целесообразна по следующим причинам. Строительные смеси, как известно, состоят из частиц, размеры которых колеблются от 0,001 до 20 мм и более. Равномерное распределение мелких частиц по объему возможно только в сухом состоянии, когда силы сцепления между ними минимальны. В то же время эти частицы обеспечивают высокую прочность структуры за счет большой суммарной поверхности, которая достигает 80% от всей суммарной поверхности входящих в смесь заполнителей. Если эти частицы не будут равномерно распределены в смеси, то образуются микро- и микродефекты, которые ухудшают физико-механические свойства изделий.

Этот метод нашел широкое применение за рубежом путем приготовления сухих смесей, например, песка с цементом, которые при добавлении воды на строительных площадках превращаются в высококачественные строительные растворы.

К современным способам интенсификации процессов смешивания можно отнести применение вибрации.

В науке и технике принято рассматривать механизм вибрационного воздействия на обрабатываемые среды в двух представлениях: корпускулярном и феноменологическом.

Корпускулярное базируется на представлении среды как гетерогенной системы и формулируется следующим образом. При вибрировании частицам среды сообщаются колебания, которые вызывают уменьшение внутреннего трения между ними. Уменьшение внутреннего трения происходит как за счет сообщаемой частицам различного градиента скорости, так и за счет того, что во время вибрирования, благодаря вводимой энергии, частицы ее раздвигаются. При сдвиговых деформациях, возникающих в результате механических воздействий, зависимость касательного напряжения от физических параметров среды и внешней нагрузки аппроксимируется уравнением Кулона

 = tg + C₀, (1.2)

где - напряжение сдвига, возникающее в плоскости скольжения; - давление; С₀ - сцепление, которое при = 0 равно сопротивлению сдвига на единицу площади; - угол внутреннего трения.

Феноменологические рассматривают среду в виде гомогенной системы, характеризуемую вязкостью, плотностью, модулем упругости и другими физическими параметрами. Структура среды этими представлениями не рассматривается. Изучение свойств среды развивалось в следующих направлениях:

- реологические исследования, устанавливающие зависимость вязкости системы от скорости сдвига, параметров вибрации и т.п.;

- изучение закономерностей распространения колебаний (волновые процессы) с установлением радиуса действия вибраторов, коэффициентов затухания колебаний и других параметров.

Здесь среды в условиях сдвиговой деформации аппроксимировались уравнением Бенгама - Шведова

, (1.3)

либо Ньютона , (1.4)

где - предельное напряжение сдвига; - структурная вязкость; градиент скорости.

Типичная зависимость структурной вязкости рассматриваемых сред от параметров вибрации, представленная на (рис. 1.5.), разделяется на три участка.



Рис. 1.5 Зависимость эффективной вязкости от сочетания параметров вибрации

Первый характеризует вязкость ненарушенной структуры, когда сочетание амплитуды и частоты колебаний не вызывает ощутимого уменьшения сил взаимодействия между частицами. Второй - ниспадающая кривая - указывает на то, что воздействие вибрации определенной интенсивности обеспечивает тиксотропное разрушение структуры смеси, связанное со значительным уменьшением эффективной вязкости. Третий участок асимптотически приближается к значению, равному вязкости предельно разрушенной структуры.

Уменьшение вязкости системы обусловливает интенсификацию диффузионных процессов смешивания, с одной стороны, и способствует появлению новых видов смешивания, с другой:

- в виброкипящем слое, характеризующееся перемещением частиц по замкнутым траекториям, обусловленное значительным увеличением расстояния между ними и движением воздуха в смеси;

- гравитационное, обусловленное стремлением частиц перемещаться в направлении силы тяжести.

Рассмотрим теоретические предпосылки интенсификации диффузионного и гравитационного смешивания. Согласно формулам А. Эйнштейна и Дж. Стокса имеем:

, (1.5)

. (1.6)

где k - постоянная Больцмана; T - температура; r - радиус частицы; - вязкость; b - коэффициент диффузии; G - сила тяжести частицы; P₀ - выталкивающая сила Архимеда; - скорость движения частицы.

Сообщение частицам различного градиента скорости при вибрировании приводит к изотермическому уменьшению вязкости, что в соответствии с формулами (1.5) обеспечивает увеличение коэффициента диффузии при прочих равных условиях и (1.6) - к перемещению частиц в направлении силы тяжести с различными скоростями.

1.3 Строительные смеси

В странах Западной Европы производство и применение сухих смесей в строительстве носит массовый характер. В пересчете на одного жителя производство сухих смесей составляет в Германии около 30 кг в год, а в Финляндии и Швеции около 20 кг; в Польше, где развилось лицензионное производство сухих смесей, эта цифра составляет около 23 кг. В России же объем потребления сухих смесей значительно ниже - немногим более 2 кг в год. Современное производство сухих смесей в России находится в стадии становления. Но уже достигнуты определенные успехи. На территории России действует порядка 15 заводов на зарубежном оборудовании с производительностью 10-50 тыс. т смесей в год.

Рынок сухих строительных смесей по темпам своего развития можно считать лидером в строительной отрасли многих стран СНГ. Такой факт не мог остаться незамеченным и привлек внимание ряда европейских производителей. Мировой и отчасти отечественный опыт применения сухих смесей в строительстве показал их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными растворами на основе смеси песка и цемента.

Сухая строительная смесь - это приготовленный в заводских условиях, строго дозированный в соответствии с рецептом набор ингредиентов, который составлен для возможности выполнения определенного вида строительных и ремонтных работ. Современные сухие смеси - многокомпонентные специализированные системы, в которых кроме минерального вяжущего и заполнителя содержится комплекс химических добавок, обеспечивающих необходимые реологические свойства смеси, регулирующих скорость схватывания и твердения вяжущего и обеспечивающих необходимые физико-механические свойства раствора после затвердевания.

Опыт использования сухих смесей показал их высокую эффективность по сравнению с традиционными методами приготовления растворных смесей:

- производительность труда повышается в 2-5 раз;

- снижается расход основных материалов в 3-10 раз (при плиточных работах - до 7 раз, при устройстве полов - до 10 раз);

- обеспечивается высокая стабильность свойств материалов;

- приготовление раствора возможно в строго необходимых количествах (это также позволяет экономно расходовать материалы);

- смеси (в сухом состоянии) можно достаточно долго хранить и транспортировать без потери качества.

Регулирование реологических свойств смесей достигается с помощью пластификаторов и суперпластификаторов, разжижающих растворные смеси без увеличения содержания в них воды (эти компоненты производятся в России под марками ЛСТ, С-3, НФ и др.). Повышение подвижности смеси может привести к ее расслоению и отсасыванию из нее воды в случае нанесения на пористое основание. Для предотвращения этих нежелательных явлений применяют водоудерживающие (загущающие) добавки: в основном водорастворимые эфиры целлюлозы (МЦ, ОЭЦ, КМЦ и др.), поливиниловый спирт и т.п. Эти добавки в большинстве своем привозные; один из основных производителей эфиров целлюлозы - фирма WALOCEL (Австрия).

Для получения сухих смесей, которые можно применять в зимнее время, используют противоморозные добавки. Чаще других для этой цели используют комплексные солевые добавки, такие как нитрит-нитрат кальция (ННК) и нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК).

В состав сухой смеси входят: вяжущее вещество (цемент / гипс и известь или их комбинации), нейтральные наполнители для обеспечения оптимального объема (чаще всего это песок) и специальные модифицирующие добавки, придающие смеси необходимые свойства.

Ко всем добавкам для сухих смесей предъявляется требование - низкая гигроскопичность. Это необходимо для обеспечения сохранности смеси (т.е. предотвращения преждевременного твердения вяжущего за счет адсорбируемой влаги). Поэтому гигроскопичные вещества, такие как хлорид кальция или поташ, в сухих смесях не используются.

Разработано огромное число различных модифицирующих добавок в сухие смеси, влияющих на определенные свойства конечного продукта. В составе отдельных видов смесей их может быть до двенадцати, причем некоторые из них занимают в объеме смеси ничтожно малый процент. Они ускоряют или замедляют твердение, улучшают удобоукладываемость, уменьшают количество воды, повышают морозостойкость и пористость.

Замедлители необходимы при бетонировании в жаркую погоду и в ряде других случаев, в частности, при цементировании скважин. Воздухововлекающие добавки необходимы для увеличения морозостойкости (за счет образовавшихся пустот бетон получает возможность расширяться, воздух вовлекается и при обычном перемешивании, но в недостаточном количестве). Водопонижающие добавки, или пластификаторы, позволяют достичь достаточной текучести при меньшем количестве воды, что ведет к увеличению прочности бетона.

Важнейшим компонентом большинства сухих смесей являются полимерные добавки. Опыт применения полимерных дисперсий (латексов, эмульсий) для модификации растворов и бетонов на минеральных вяжущих насчитывает не один десяток лет. Добавка полимерных дисперсий улучшает удобоукладываемость смесей, повышает прочность, деформативность и водонепроницаемость затвердевших растворов. Главная же цель введения полимерных добавок в растворы - придание им высокой клеящей способности, т.е. повышение адгезионных свойств.

Механизм действия полимерных добавок заключается в том, что во время твердения в результате постепенного обезвоживания раствора из водной дисперсии полимера путем слияния ее частиц формируются полимерные пленки. Именно они обеспечивают раствору требуемые свойства: деформативность, водонепроницаемость и др. Пленки, формирующиеся на границе раздела материалов (например, «раствор - керамическая плитка»), служат клеем, обеспечивающим хорошее сцепление материалов. Однако формирование таких пленок возможно лишь при температурах выше определенного предела, называемого минимальной температурой пленкообразования (МТП), различной для разных видов полимерной добавки. Поэтому если в рекомендациях по применению сухой смеси есть указание на минимально допустимую температуру применения (например, до +5 оС), оно должно неукоснительно выполняться.

Таким образом, именно добавки делают сухую смесь наиболее привлекательной для выполнения конкретного вида работы. Они придают ей особые, нужные свойства и качества.

Заполнителем в сухих смесях, в основном, служит кварцевый песок. Природный песок, получаемый из карьера, в обязательном порядке подвергается «облагораживанию». Производится разделение на фракции с целью ограничения максимальной крупности зерен. Она определяется назначением сухой смеси. Так, для традиционных штукатурных растворов не допускаются зерна размером более 2,5 мм, а в смесях для отделочного слоя - 1,25 мм. Пески должны быть отмыты от глиняных и пылеватых примесей и высушены. Во многих импортных сухих смесях используют «обогащенные» пески. Их получают разделением природного песка на фракции, а затем смешиванием определенных фракций в заданной пропорции, обеспечивающей, например, при малом расходе вяжущего высокие прочностные показатели.

В сухих смесях, используемых в тонких слоях или от которых не требуются высокие прочностные показатели, используют тонкодисперсные наполнители: молотый известняк, мел, тонкодисперсные золы электростанций и т.п., как бы разбавляющие цементное вяжущее.

Наиболее значимыми являются состав и процентное соотношение материалов и веществ, составляющих рецептуру сухих строительных смесей, поскольку именно эти параметры определяют качество как готовых смесей, так и конечного продукта, получаемого из них или с их помощью.

Номенклатура сухих строительных смесей обширна. Это штукатурки, шпаклевки, клеи, затирки, грунтовки и т.д. Некоторые торговые марки насчитывают до сотни и более различных видов смесей. Словом, обзор всех видов сухих смесей (составов, их технических характеристик, особенностей приготовления и применения) занял бы несколько десятков страниц.

1.4 Обзор смесителей

Современные смесители, нашедшие наиболее широкое применение на практике, могут быть подразделены на две группы: гравитационные и с принудительным смешиванием.

Первоначально появились гравитационные смесители. Применение в строительстве умеренно жёстких и жёстких смесей повлекло за собой применение смесителей с принудительным смешиванием.

Кроме перечисленных двух основных «классических» типов смесителей - гравитационных и принудительных - также на растворосмесительных установках применяются турбулентные, вибрационные, дезинтеграторные и струйные смесители.

Гравитационные смесители по конструкции могут быть разбиты на три оновные группы:

Опрокидные (рис. 1.6 а), в которых загрузка и выгрузка после смешивания производится с одной стороны путём опрокидывания барабана. Смесительный барабан в этом случаее может занимать три положения: загрузки, смешивания и выгрузки. эти смесители по конструкции барабана различаются на смесители: а) с грушевидным барабаном, у которого загрузка составляющих и выгрузка смеси происходят с одного открытого торца, и б) смеситель с двухконусным барабаном, у которого загрузка и выгрузка, в зависимости от расположения смесителя на заводе (гнездовое или линейное), может производиться с одного или двух противоположных торцов барабана.

Неопрокидные реверсивные (рис. 1.6 б), загрузка и выгрузка материала в таком смесителе происходит с двух противоположных сторон, причём во время загрузки и смешивания барабан вращается в одну сторону, а при разгрузке - в противоположную.

Неопрокидные с выгрузочным лотком (рис. 1.6 в). Во время загрузки, смешивания и выгрузки барабан вращается в одну и ту же сторону. После окончания смешивания внутрь барабана вводится разгрузочный лоток, по которому бетонная смесь удаляется из барабана.

Рис. 1.6 Схема гравитационных смесителей

а) - опрокидного, б) - реверсивного, в) - неопрокидного с выгрузочным лотком

Циклические смесители с принудительным смешиванием могут быть разделены на две группы:

С корытообразным корпусом, с горизонтально расположенным одним или двумя смешивающими валами.

С корпусом-чашей цилиндрической формы, с вертикально расположенными одним или несколькими смешивающими валами.

На рис. представлены основные типы смешивающих аппаратов смесителей с принудительным смешиванием.

Циклические смесители с корытообразным корпусом и горизонтально расположенными смешивающими валами.

С одним смешивающим валом и выгрузкой путём опрокидывания. Наибольший объём готового замеса 440 л (рис. 1.7, а).

С одним смешивающим валом и выгрузкой через люк, находящийся в нижней асти корпуса. Наибольший объём готового замеса 440 л (рис. 1.7, б).

С двумя смешивающими валами и с донной выгрузкой через люк. Наибольший объём готового замеса 3000 л (рис. 1.7, в).

Цикличные смесители с цилиндрическим корпусом-чашей и вертикально расположенными валами.

Противоточный с одновременным вращением чаши и смешивающих валов. Чаша в другом исполнении может быть и неподвижной. Очистка вертикальной поверхности чаши от налипшей смеси или неподвижными скребками при вращающейся чаше, или вращающими скребками при неподвижной чаше. Выгрузка - опрокидыванием. Наибольший объём готового замеса 250 л (рис. 1.7, г). С вращающейся чашей лопасти могут иметь свой привод и не иметь его и вращаться только от касания с движущейся смесью, очистка - неподвижными скребками. Выгрузка - опрокидыванием. Наибольший объём готового замеса 100 л (рис. 1.7, д).

Чаша неподвижная, вращаются лопасти на центральном валу. Одна из лопастей заменена на вал со своими лопастями и имеет планетарный привод от центрального вала. Очитка - вращающими лопастями. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 1000 л (рис. 1.7, е).

Чаша неподвижная. Две системы смесительных лопастей вращаются по принципу противотока. Очистка - вращающейся лопастью, подающей материал под вторую систему лопастей. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 660 л (рис. 1.7, ж).

Противоточный смеситель с вращающейся чашей и лопастями. Очистка - неподвижной лопастью с переменным радиусом. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 250 л (рис. 1.7, з).

Противоточный смеситель с вращающейся чашей и лопастями. Очистка - неподвижная скребками. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 2000 л (рис. 1.7, и).

Противоточный бегунковый смеситель с вращающейся чашей. Дополнительно внутри чаши установлен ротор с пальцами, имеющий отдельный привод. Очистка - неподвижными скребками. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 2000 л (рис. 1.7, к).

Планетарный смеситель, имеющий неподвижную чашу и один вращающийся центральный вал, от которого с помощью планетарной передачи провидятся во вращение вокруг своих осей два вала со смесительными лопастями. Очистка - вращающимися от центрального вала лопастями. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 1000 л (рис. 1.7, л).

Турбинный смеситель с неподвижной чашей. Очистка - вращающимися лопастями. Выгрузка - донная. Наибольший объём готового замеса 2300 л (рис. 1.7, м).

Рис. 1.7 Основные типы смешивающих аппаратов принудительных смесей

1.5 Анализ конструкций вибрационных смесителей

Известны разнообразные конструкции вибрационных смесителей. Несмотря на их разнообразие по конструкционным особенностям и способу смешивания, их можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся вибрационные смесители, в которых процесс смешивания происходит за счёт самоциркуляции смеси, возникающей в результате колебаний корпуса и отдельных элементов. Типичные представители этой группы представлены на рис. 1.10, 1.12, 1.14. Для обеспечения самоциркуляции смеси и, следовательно, конвективного смешивания, как показали исследования, необходимы амплитуды колебаний равные 2…6 мм, и частоты 150…300 рад\с.

Положительными качествами подобных вибросмесителей являются: простота конструкции, отсутствие быстро изнашиваемых элементов, что снижает эксплутационные затраты, большие площади передачи вибрации и невысокая стоимость изготовления. К основным недостаткам необходимо отнести: большие колеблющиеся массы и низкая надёжность. Технологическая потребность больших амплитуд колебаний приводит к необходимости проектирования резонансных вибросмесителей, что в свою очередь влечёт за собой значительные динамические нагрузки на фундамент, привод и т.д. Как показал опыт эксплуатации промышленных образцов перечисленные недостатки существенны и не позволяют проектировать надёжные конструкции.

Ко второй группе относятся вибрационные смесители, в которых принудительное перемешивание сочетается с вибрационным воздействием на смесь через корпус, лопастной вал, либо встроенный элемент конструкции. Типичные предсиавители этой группы представленына рис. 1.8, 1.11.

К третьей группе относятся вибрационные смесители, в которых происходит свободное перемешивание смеси с одновременным воздействием через корпус, либо встроенный элемент конструкции (рис. 1.9).

По принципу действия вибросмесители подразделяются на циклического и непрерывного действия. В качестве привода вибровозбудителей используются повсеместно инерционные (дебалансные), реже - электромагнитные и пневматические. В зависимости от конструкции вибрационного механизма колеблющийся орган смесителя совершает круговые (элиптические), либо направленные колебания в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Поличастотное вибрирование применяется очень редко, так как значительно усложняет конструкцию.

Положительными качествами вибросмесителей второй и третьей групп является разделение функций процесса смешивания: конвективное смешивание осуществляет перемешивающий орган, либо вращающийся барабан, диффузионное - встроенный вибровозбудитель. Это приводит к стабилизации процесса и повышает универсальность вибросмесителя с точки зрения приготовления различных смесей.

Анализ работы вибросмесителей различного типа показывает, что долговечность и надёжность их зависит от надёжности соединительных элементов, муфт, подшипниковых узлов и конструкций упругих связей и демпферов.

К типовым недостаткам промышленных образцов вибросмесителей можно отнести наличие больших колеблющихся масс, в результате чего возникают значительные динамические нагрузки, низкая надёжность элементов привода рабочих органов, большая энергоёмкость процесса смешивания, малая производительность. Так например, удельная энергоёмкость вибросмесителей опытно-промышленных образцов составляет 2…6 квт. ч\мі, в то время как у смесителей принудительног действия этот показатель равен 1…1,5.

1.6 Обзор вибрационных бетоносмесителей

Одним из способов перемешивания жестких бетонных смесей является вибрирование. При вибрировании разрушаются структурные связи смеси, и она становится более текучей. При этом улучшается также использования вяжущих свойств цемента, так как при соударении частиц с них удаляются продукты гидротации и в реакцию вступают новые поверхности. Однако некоторыми исследованиями установлено, что применение вибрации для перемешивания смесей, содержащих большое количество воды, существенно не увеличивает прочность бетона, в то время как энергозатраты при виброперемешивании увеличиваются в 1,5 - 2 раза.

Таким образом, виброперемешивание экономически выгодно применять для приготовления жестких бетонных смесей с мелкозернистыми заполнителями. Для этих смесей отмечается повышение прочности бетона в раннем возрасте (до 7 дней) на 25 - 30% и конечной прочности на 10 -15%. Вибрация может передаваться смеси через корпус смесителя, через лопасти или вибровозбудителем размещенным в камере смешивания.

Вибрирующий механизм соединяется с осью при помощи упругого шарнира, обеспечивающего возможность колебаний и предохраняющего от поворота при вращении барабана вибромешалки. Вибромеханизм представляет собой электромотор с эксцентриком на оси ротора в верхней части. Лопасти 2 механизма, кроме перемешивания в нижней части барабана, переводят, в следствии вибрации их, смесь в жидкое состояние, и этим облегчают перемешивание. Благодаря использованию вибромешалок этого типа получается равномерное перемешивание смеси и уменьшается срок перемешивания.

Вибросмеситель работает следующим образом: при включении привода 3 начинают вращаться опорные валы 2 и вместе с ними диски 4, под воздействием которых емкость 1 совершает как вращательное движение с переменной скоростью вокруг своей продольной оси (за счет эксцентрично закрепленных дисков), так и колебательное движение относительно ее поперечной оси (за счет противоположно направленных эксцентриситетов смежных дисков и взаимно перпендикулярных направлений эксцентриситетов противоположных дисков). Диски 4, фрикционно связаны с емкостью 1, являются приводными. Диски, выполненные с подшипниковыми обоймами, служат для получения колебательного движения, а также устранения пробуксовывания одного из смежных дисков на каждом валу. В зависимости от положения эксцентриситетов приводных дисков 4, подшипниковая обойма 5 диска будет получать через емкость 1 положительное или отрицательное ускорение по отношению к самому диску. Таким образом, при работе смесителя на материал воздействуют чередующиеся положительные и отрицательные ускорения в результате переменной скорости вращения емкости и одновременно отрицательные ускорения в результате колебательных движений, что интенсифицирует процесс перемешивания. Данная конструкция позволяет повысить надежность смесителя в целом.

На рис.  представлен смеситель, содержащий корпус с размещёнными в нём полым валом с полостями, установленное концентрично валу посредством сферических подшипников водило в виде вала с шатунной шейкой и дебалансирами, отличающийся тем, что, с целью повышения надёжности, полый вал выполнен в виде барабана, соединённого посредством упругих элементов с цилиндрическими оболочками, а вал водила - с размещённой оппозитно основной дополнительной шатунной шейкой, эксцентриситет которой равен эксцентриситету основной шейки.

Смеситель

Смеситель работает следующим образом.

Материал загружается в корпус 1 при открытой крышке 2. Затем крышку 2 закрывают. При включении электродвигателя 11 перемещающийся орган 5 вместе барабаном 7 начинают вращаться, дополнительно за счёт вращения водила 8 барабан 7 совершает сложное колебательное движение с постоянной частотой и переменной амплитудой. При этом амплитуды колебаний на концах барабана 7 равны величине и противоположны по знаку. Последнее обеспечивает создание в смеси цилиндрических волн, максимумы которых смещены на 180 градусов. В результате их взаимодействия (сложения) в корпусе 1 создаётся вибрационное поле, способствующее получению однородной разрушающей структуры смеси. Последнее повышает интенсивность процесса смешивания.

Выгрузка готовой продукции осуществляется путём поворота камеры смешивания на подшипниках 4 при открытой крышке 2.

Схематически изображено устройство для непрерывного перемешивания сыпучих материалов в резервуаре.

Устройство имеет корпус 1 с установленными в нём наклонным днищем 2, и размещённой параллельно днищу отражательной плоскостью 3, выполненных из эластичного материала. Днище 2 и отражательная плоскость 3 соединены с высокочастотными точечными вибраторами 4. Отражательная плоскость 3 смонтирована с возможностью перемещения параллельно днищу 2 с помощью винтовой передачи 5 для регулирования рабочего зазора между ними. Днище 2 и отражательная плоскость 3 соединены между собой эластичными стенками, образуя камеру 6 смешивания.

Загрузка смешиваемого материала осуществляется через патрубок 7. Готовая смесь выгружается через патрубок 8. Регулирование силы натяжения днища 2 и отражательной плоскости 3 осуществляется при помощи винтов 9. Угол наклона устройства изменяется посредством винтовой передачи 10.

Работает устройство следующим образом.

После установки требуемого угла наклона устройства при помощи винтовой передачи 10 через загрузочный патрубок 7 смешиваемый материал подаётся на днище 2. Под действием высокочастотных колебаний днища 2 с амплитудой 1,5 - 2,0 мм смесь получает ускорение, направленное в сторону отражательной плоскости 3. Ударяясь о вибрирующую отражательную плоскость 3, смесь получает дополнительный импульс, направленный в противоположную сторону. При этом имеет место интенсивное соударение частиц материала, что приводит к его смешиванию. Готовая смесь выгружается через патрубок 8. Необходимые для эффективного смешивания частота и амплитуда колебаний днища 2 устанавливаются посредством регулирования величины напряжения, подаваемые на вибраторы 4, и силы натяжения днища 2 и отражательной плоскости 3. Режим работы устройства регулируется также путём изменения расстояния между днищем 2 и отражательной плоскостью 3 посредством винтовой передачи 5.

Использование предполагаемого устройства позволит сократить время, необходимое для смешивания путём интенсификации процесса при использовании отражательной плоскости из эластичного материала и повысит эффективность смешивания при непрерывном режиме работы устройства.



Устройство для непрерывного смешивания сыпучих материалов

На рис. изображён общий вид вибромешалки. Вибромешалка состоит из корпуса 1, патрубков 2 и 3, соответственно, для входа и выхода жидкости, электоромагнитного двигателя 4 с катушками 5 и 6, внутри которых находится якорь 7 со штоком 8, на котором жёстко закреплены перемешивающие элементы 9, выполненные в виде закрученных по спирали пластин 10 и закреплённых между внутренним 11 и наружным 12 кольцами.

Вибромешалка работает следующим образом.

При передаче импульса тока в верхнюю катушку 6 электромагнитного двигателя 4 якорь 7 вместе со штоком 8 и перемешивающими элементами 9 перемещается вверх. При подаче импульса тока в нижнюю катушку 5 происходит перемещение якоря со штоком и перемешивающими элементами вниз.

Затем цикл повторяется. Возвратно-поступательное движение мешалки создаёт аксиальный поток, интенсивность которого зависит от числа перемешивающих элементов, установленных на штоке.

В зависимости от свойств и состава среды пластины перемешивающих элементов могут иметь согласованное направление спирали, обеспечивающее интенсивное круговое движение жидкости по объёму аппарата, что в сочетании с аксиальным потоком жидкости даёт высокий эффект в процессах перемешивания систем жидкость - жидкость, жидкость - газ. При выполнении спиральных пластин перемешивающих элементов с противоположным направлением обеспечивается высокая интенсивность локального перемешивания жидкости, обеспечивающего большой эффект в процессах растворения в системах жидкость - твёрдое тело.

Применение вибромешалок с перемешивающими элементами в виде двух соосно установленных на валу колец, между которыми укреплены спиральные пластины, позволяет сократить время протекания процессов, например растворения, до 450.

Рис. 1.13 Вибромешалка

1.9. Особенности проектирования.

Проведённый анализ конструкций вибрационных смесителей 6 показал, что недостаточная их долговечность, большая энергоёмкость процесса смешивания, недостаточная надёжность и отсутствие принципов конструирования и расчётов, является основной причиной того, что они не нашли широкого применения в промышленности.

Выбор характера и параметров колебаний вибрирующего элемента конструкции, а также геометрических соотношений основных размеров смесителя в рассматриваемом технологическом процессе смешивания полидисперсных систем обусловлен получением заданных реологических свойств системы - достаточно полного и однородного разрушения структуры смеси в камере смешивания, характеризуемого наименьшей вязкостью. Многочисленные и разнообразные по характеру исследования эффективной

вязкости позволяют сделать вывод, что тиксотропные свойства различных смесей проявляются независимо от формы (прямолинейные, эллиптические, круговые и т.п.) и спектрального состава (гармонические, полигармонические) периодических колебаний, а само значение эффективной вязкости уменьшается под действием вибрации при различном состоянии амплитуды и частоты колебаний. Таким образом, с технологической точки зрения выбор характерных параметров колебаний достаточно широк. Способ возбуждения колебаний, наоборот, весьма ограничен. Учитывая характер и культуру производства строительных материалов в настоящее время, можно рассматривать только два способа: кривошипно-шатунный (эксцентриковый) и инерционный (дебалансный).

В вибрационных смесителях необходимо отдать предпочтение эксцентриковому возбуждению по ниже следующим соображениям.

Стабильность параметров колебаний. Амплитуда колебаний не зависит от объёма смеси в камере смешивания, вида смешиваемых материалов и его структурно-реологических свойств, в частности, вязкого сопротивления среды. Это позволяет проектировать достаточно универсальные смесители.

Виброизоляция смесителя. Вибрацию необходимо возбуждать в элементе конструкции, имеющем минимальную массу и выполняющем, в некотором смысле, роль глубинного вибровозбудителя. В этом случае достаточно точно осуществляется динамическая балансировка неуравновешенных масс, что позволяет иметь близкую к нулю величину коэффициента передачи динамической силы на привод и фундамент.

...