способ изготовления бетонных и железобетонных изделий

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий приготовление бетонной смеси, укладку ее в форму, предварительную выдержку отформованных изделий, ультразвуковое воздействие на поверхность изделия во время предварительной выдержки, последующую выдержку и распалубку формы, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие осуществляют колебаниями, сформированными системой электроакустических излучателей и распространяющимися в объеме изделия, при этом ультразвуковые колебания модулируют по частоте с относительной девиацией 0,02 0,2 и частотой модуляции 10 500 Гц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют в импульсном режиме при длительности импульса излучения 1 50 мкс и скважности 2 4.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе воздействия ультразвуковыми колебаниями выделяют и измеряют контрольный электрический сигнал, уровень которого пропорционален амплитуде ультразвуковых колебаний на поверхности изделия, и осуществляют подстройку частоты этих колебаний из условия обеспечения максимальной интенсивности ультразвукового воздействия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие на изделие осуществляют через согласующую звукопроницаемую среду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть применено в строительной индустрии при монолитном бетонировании строительных конструкций и при заводском изготовлении их конструкций.

Известно, что ультразвуковые колебания (УЗК) используют для интенсификации некоторых технологических процессов, в том числе и в технологии изготовления бетонных изделий.

Было установлено, что воздействие УЗК повышает механическую прочность небольших образцов из бетона, увеличивает твердость и плотность их поверхности, сокращает сроки схватывания и нарастания прочности бетонов [1] Вместе с тем установлено, что интенсивность ультразвуковой волны в жидкой бетонной смеси быстро падает с расстоянием. На основании полученных данных и с учетом возможностей техники шестидесятых годов, для технологического процесса изготовления бетона, авторы указанной книги рекомендовали осуществлять ультразвуковое воздействие на бетонную смесь после ее непосредственного приготовления и перед заливкой в формы. Между тем облученная бетонная смесь схватывается значительно быстрее, что привело к нецелесообразности использования этого способа в условиях крупного бетонного производства с высокой производительностью и продолжительным временем между приготовлением смеси и ее разливкой по формам. Поэтому такой способ не был реализован.

Известен способ воздействия ультразвуком на бетонную смесь, заливаемую в пространство между обсадной трубой и стенками скважины [2] основанный на обработке свежего бетонного теста мощным акустическим полем частотой 20-100 кГц и интенсивностью более 5 кВт/м². При этом в зоне действия акустического излучения в процессе объемной кристаллизации раствора достигается сокращение срока схватывания и повышается прочность бетона. Однако в указанном способе акустическое воздействие ограничилось временем, когда бетонная смесь находилась в стадии жидкой фазы, что привело к получению эффекта лишь вблизи излучателя. Для всестороннего длительного облучения этим способом бетонной смеси по всей длине скважины требовались гирлянды ультразвуковых излучателей длиной от 4 до 6 м, что тогда технически было неосуществимо. Таким образом задача была поставлена, но не была решена.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления бетонных и железобетонных изделий [3] включающий приготовление бетонной смеси, укладку ее в форму, уплотнение, воздействие ультразвуковых колебаний на палубу формы в процессе предварительной выдержки отформованного изделия, термообарботку и распалубку.

При воздействии ультразвуком на поверхность формы, соприкасающейся с твердеющим после формования изделием, на поверхности палубы формы происходит образование слоя кавитационных пузырьков, которые захлопываясь, нарушают образующиеся при твердении связи между опалубкой и изделием. Таким образом достигается высокое качество поверхности изделия из бетона, что положительно сказывается на его прочности и влагонепроницаемости.

Использование в способе-прототипе одиночного излучателя УЗК не позволяет одновременно и равномерно озвучить крупногабаритные изделия из бетона. Это связано с тем, что с одной стороны, интенсивность воздействия УЗК падает с расстоянием от излучателя и требуется большая мощность воздействия, а с другой стороны, при воздействии УЗК на одной постоянной частоте в ограниченном объеме отформованного изделия возникают стоячие волны, что не обеспечивает равномерного озвучивания объема изделия и препятствует проникновению УЗК вглубь изделия. При этом даже в случае механического перемещения излучателя вдоль поверхности изделия не обеспечивается равномерной интенсивности воздействия УЗК, так как различные участки поверхности в том случае подвергаются ультразвуковому воздействию на разных стадиях становления бетона. При больших размерах изделий УЗК недостаточно проникают в их объем вследствие указанных причин и не влияют на сроки схватывания бетона и повышение его прочности в объеме изделий. Для сокращения этих сроков в известном способе вынуждены после предварительной выдержки использовать энергоемкую операцию термообработки изделий (пропарку). Далее изделие подвергают последующей выдержке в соответствии со стандартным режимом.

Цель изобретения сокращение времени технологического процесса за счет сокращения времени схватывания и времени нарастания прочности бетона по объему изделий, в том числе крупногабаритных, при уменьшении энергоемкости их изготовления.

Цель достигается тем, что в заявляемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий, включающем приготовление бетонной смеси, ее укладку в форму, предварительную выдержку отформованных изделий, воздействие ультразвуковыми колебаниями на поверхность изделия во время предварительной выдержки, последующую выдержку и распалубку формы, ультразвуковое воздействие осуществляют колебаниями, сформированными системой электроакустических излучателей, и распространяющимися в объеме изделия, при этом ультразвуковые колебания модулируют по частоте с относительной девиацией 0,02-0,2 и частотой модуляции 10-500 Гц.

Использование системы ультразвуковых излучателей, позволяет обеспечить воздействие УЗК большой мощности, с интенсивностью 20-50 кВт/м², равномерно распределенной по поверхности изделия, что особенно важно для изделий больших размеров. При этом происходит равномерное проникновение УЗК не только в узкий приповерхностный слой, но и в глубокие слои изделия, где также начинают происходить изменения, связанные с процессами диспергации и гидратации, приводящие к сокращению времени схватывания бетона и времени нарастания его прочности в объеме изделия. Формирование УЗК с помощью системы ультразвуковых излучателей обеспечивает также равномерность этого воздействия на изделие во времени для каждой стадии ускоренного процесса становления бетона. Таким образом достигается пространственно-временная равномерность ультразвукового воздействия УЗК по объему изделия.

В свою очередь частотная модуляция формируемых колебаний позволяет устранить в объеме узлы и пучности поля, возникающие при воздействии УЗК с одной рабочей частотой. Эффект достигается при частотной модуляции с изменением длины волны на 20-25% что в диапазоне УЗК соответствует частоте модуляции 10-500 Гц с относительной девиацией 0,02-0,2. Верхняя граница частотной девиации 0,2 определяется частотным диапазоном эффективной работы системы излучателей. Нижняя граница девиации 0,02 соответствует минимально необходимому изменению частоты УЗК для обеспечения равномерного поверхностного и объемного воздействия. Таким образом использование частотной модуляции позволяет еще больше повысить равномерность озвучивания изделий.

Равномерность распределения интенсивности по поверхности или в объеме количественно может быть оценена как отношение минимальной интенсивности к максимальной соответственно на поверхности или в объеме изделия. В предлагаемом способе эти отношения достигают 0,8 на поверхности и 0,5 в объеме при фиксированном расстоянии облучаемой поверхности, а в способе-прототипе только 0,4 на поверхности и 0,2 в объеме.

Воздействие на изделие частотно-модулированных УЗК большой мощности, при обеспечении пространственно-временной равномерности этого воздействия, приводит к тому, что процесс схватывания бетона и нарастание его прочности до нормативной величины успевает произойти за короткое время воздействия УЗК в период предварительной выдержки отформованных изделий и непродолжительное время последующей выдержки при обычной температуре, позволяет отказаться от энергоемкой операции их термовлажностной обработки (пропарки), что особенно актуально для крупногабаритных изделий.

Кроме того, при воздействии частотно-модулированными УЗК на бетонную смесь, которая из-за наличия многочисленных включений с разными акустическими сопротивлениями является нелинейной средой, в ней выделяется низкочастотный (НЧ) сигнал. Нелинейный эффект, связанный с изменением параметров скорости звука в многокомпонентной газожидкостной среде при больших мощностях ультразвукового воздействия, в значительной степени усиливается как приповерхностной кавитацией, так и кавитацией внутри объема изделия. На практике эффект нелинейности распространения УЗК заключается в свободной передаче в среде полуволн сжатия и практически полном поглощении средой полуволн разрежения. Такое распространение частотно-модулированных УЗК приводит к эффекту детектирования, при котором огибающая высокочастотных колебаний может быть выделена в объеме изделия в виде низкочастотного акустического колебания с частотой модуляции 10-500 Гц.

Воздействие такого НЧ-сигнала в течение всего времени предварительной выдержки отформованного изделия адекватно известному процессу уплотнения бетонной смеси, что позволяет в предложенном способе исключить операцию уплотнения по сравнению со способом-прототипом.

При изготовлении заявляемым способом изделий из железобетона в нем будут происходить все физические процессы, указанные для бетона, так как металлическая арматура, входящая в состав железобетона и являющаяся идеальным проводником для звука, усиливает эффект от воздействия УЗК. В связи с этим все изложенное в заявляемом способе в отношения изготовления изделий из бетона равным образом относится также к изготовлению изделий из железобетона.

Таким образом, совокупность указанных признаков позволяет за счет сокращения времени схватывания и нарастания прочности бетона исключить операции уплотнения бетонной смеси и термообработки отформованных изделий, сократить время технологического процесса и уменьшить энергоемкость изготовления бетонных и железобетонных изделий, в том числе изделий больших размеров.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий воздействие УЗК на поверхность отформованного изделия можно осуществлять также в импульсном режиме при длительности импульса излучения 1-50 мс и скважности 2-4.

На практике мощность ультразвукового воздействия, как правило, ограничена средней мощностью преобразования, определяющей тепловой режим излучателей.

Использование указанного режима работы равносильно использованию амплитудно-частотной модуляции, при которой граничные значения длительности импульсов в 1-50 мс определяются граничными значениями частоты огибающей несущего сигнала 10-500 Гц частотой модуляции при значении скважности 2. Увеличение скважности до 4 используется для улучшения теплового режима систем акустических излучателей при соответствующем сокращении длительности импульсов излучения.

При этом импульсный режим позволяет повысить максимальную мощность в импульсе и среднюю мощность ультразвукового воздействия, что усиливает проникновение УЗК вглубь обрабатываемого изделия и способствует ускорению времени схватывания и нарастания прочности бетона.

Кроме того, в этом случае также за счет детектирования средой ультразвуковых сигналов, модулированных не только по частоте, но и по амплитуде, и выделения соответствующих НЧ-сигналов, проиходит усиление эффекта уплотнения бетонной смеси.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий в процессе воздействия УЗК можно осуществлять подстройку частоты этих колебаний из условия обеспечения максимальной интенсивности ультразвукового воздействия, для чего выделяют и измеряют контрольный электрический сигнал, уровень которого пропорционален амплитуде УЗК на поверхности изделия, и осуществляют подстройку частоты этих колебаний.

Воздействие ультразвуковыми колебаниями начинается на бетонную смесь, залитую в заданную форму, когда бетон находится в жидкой фазе, а заканчивается на стадии практически твердой фазы. Это значит, что в период озвучивания постоянно меняется волновое сопротивление среды при распространении ультразвука и происходит рассогласование рабочей частоты, вследствие чего падает интенсивность воздействия УЗК.

Указанная подстройка рабочей частоты УЗК и служит для обеспечения требуемой интенсивности ультразвукового воздействия на изделие во времени, т.е. для повышения временной равномерности независимо от стадии становления бетона.

В предлагаемом способе изготовления бетонных и железобетонных изделий воздействие УЗК на изделие можно осуществлять также через согласующую звукопроницаемую среду.

Использование согласующей звукопроницаемой среды улучшает пространственное согласование УЗК по всей поверхности изделия, контактирующей с этой средой и имеющей постоянное волновое сопротивление. При этом повышается пространственная равномерность УЗК-воздействия на поверхность изделия из бетона независимо от его формы. Кроме того, использование согласующей звукопроницаемой среды позволяет обеспечить ультразвуковое воздействие одновременно на несколько отформованных изделий, размещенных в емкости с согласующей средой.

На чертеже представлен пример выполнения устройства формирования УЗК, равномерно распределенных по поверхности изделия с заданной интенсивностью.

Устройство формирования УЗК содержит транзисторный ключевой усилитель 1 мощности (КУМ), управляемый фазо-импульсным модулятором 2, согласующее устройство 3, систему 4 из ряда N электроакустических излучателей, соединенных между собой (фиг. 1). При этом КУМ 1 и согласующее устройство 3 могут быть реализованы, например, в соответствии с а.с. СССР N 1660170, фазо-импульсный модулятор 2 например, в соответствии с а.с. СССР N 1614110.

Система 4 электроакустических излучателей может быть реализована на основе пьезоэлектрических стержневых или цилиндрических преобразователей. (Справочник. Подводные электроакустические преобразователи. Под ред. Богородского. Л. Судостроение, 1983).

В указанном устройстве КУМ 1, управляемый фазо-импульсным модулятором 2, формируют мощный частотно-модулированный (ЧМ) сигнал с рабочей частотой в пределах 18-25 кГц с частотой модуляции 10-500 Гц и относительной девиацией 0,02-0,2. Сформированный сигнал поступает на вход системы 4 электроакустических излучателей, формирующей УЗК большой мощности с заданным фронтом распространения, обеспечивающими равномерное озвучивание поверхности обрабатываемого изделия из бетона с заданной интенсивностью, которая замеряется системой контрольных гидрофонов, расположенных на поверхности или в объеме изделия. При этом для уменьшения количества излучателей можно применять их механическое сканирование вдоль поверхности изделия, а для более рационального расхода электрической мощности на облучение наряду с механическим сканированием можно применять электрическое сканирование.

Результаты измерений приведены в таблице.

П р и м е р. Свежеприготовленную бетонную смесь марки 400 с водоцементным отношением 0,5 заливают в форму с размерами, указанными в таблице.

На поверхность отформованного изделия воздействуют УЗК, сформированными системой электроакустических излучателей с определенной интенсивностью и параметрами воздействия, приведенными в таблице для каждого конкретного примера. При этом в течение предварительной выдержки изделия контролируют время, необходимое для схватывания бетона, также приведенное в таблице.

Далее на стадии последующей выдержки изделие выдерживают на открытом воздухе до достижения бетоном нормативных прочностных характеристик, т.е. его полного становления, и производят его распалубку.

После этого проводились испытания на прочность в соответствии с ГОСТ 12730.5-84 на прессе П-125 и испытания на водонепроницаемость в соответствии с ГОСТ 10180-90 на установке Агама-2Р, результаты которых приведены в таблице.

Анализ полученных данных, приведенных в таблице, показывает, что использование заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом позволяет сократить время схватывания бетона для изделий одинакового размера с 3 ч до 30 мин, при исключении операций уплотнения и термообработки и сокращении времени технологического цикла их изготовления.

При этом показатели прочности изделий, изготовленных заявляемым способом, оказались выше, чем у аналогичных изделий, изготовленных в соответствии со способом-прототипом. Кроме того, было отмечено существенное улучшение качества поверхности изделий из бетона по сравнению с прототипом и получены более высокие показатели влагонепроницаемости, отраженные в таблице.

Реализация способа с проведением подстройки рабочей при воздействии УЗК на изделие обеспечивается тем, что для выделения контрольного сигнала в устройство формирования УЗК вводится электроакустический датчик, подключаемый к фазо-импульсному модулятору. В качестве такого датчика может быть использован, например, один из излучателей системы, включенный в режиме приема (4_N+1 на чертеже).

Реализация способа при воздействии УЗК на изделие через согласующую звукопроницаемую среду осуществляется аналогично описанному выше, при этом в качестве такой среды может быть использована вода или, например, полиуритан.