СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
И НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
В ОБЛАСТИ СМЕШИВАНИЯ
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ БЕТОНОВ
Введение
Харальд Гаррехт,
д-р наук, проф. Штутгартского университета
1957 г. р. Окончил Университет г. Карлсруэ по специальности инженерстроитель. С 1985 по 1992 гг. — научный сотрудник Института монолитного строительства и строительных материалов при Университете г. Карлсруэ. 1992 г. — защита диссертации, с 1992 по 1998 гг. —
старший инженер Отдела технологий строительных материалов того же института, 1998 г. — профессор по строительным материалам,
строительной физике и строительным конструкциям Университета
г. Карлсруэ, с 2006 по 2012 гг. — профессор по строительным материалам Дармштадтского технического университета, Институт монолитного строительства, с апреля 2012 г. — руководитель Института
строительных материалов при Штутгартском университете и управляющий директор фирмы MPA при Штутгартском университете
Кристиан Баумерт,
Д-р наук,
Институт строительных материалов,
Штутгартский университет
christian.baumert@iwb.uni-stuttgart.de
4 4
Разработки в области бетонных технологий, которые проводились за последние пятнадцать лет, повысили технические характеристики бетона до уровня, ранее считавшегося невозможным. В настоящее время над оптимизацией
самоуплотняющихся, высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов работают исследовательские институты. Основное внимание при этом уделяется
добавкам на базе эфира поликарбоксилата, которые повышают пластичность
бетонной смеси. Так как на сегодняшний день не существует модели гидратации бетонов, содержащих пластификатор [1], тип и количество пластификатора определяются эмпирическим путем в ходе экспериментальных замесов.
Реологические свойства изготовленной таким путем бетонной смеси зависят от первичных и вторичных факторов влияния [2]. Первичные факторы
влияния, например, включают в себя тип и форму зерен заполнителя, содержание воды, а также содержание химических и минеральных добавок. Ко вторичным факторам влияния относят последовательность дозировки, тип смесителя и продолжительность замеса.
Нередко бетон, в частности, сверхвысокотехнологичный бетон, разрабатывается в лабораторных условиях с применением смесителя интенсивного
действия Eirich. Однако на практике, как правило, для изготовления бетонной
смеси применяются смесители с иным принципом действия, что нарушает преемственность результатов, полученных в лаборатории [3]. Важность вторичных факторов влияния показана и в работе [4]. Благодаря трехступенчатому
режиму изготовления смеси (цементное тесто, раствор, бетон) в двухвальном
смесителе с постоянным числом оборотов, удалось существенно улучшить характеристики смеси высокопрочного бетона.
Подвижность бетонной смеси можно описать при помощи модели Бингхэма с использованием её параметров «предел текучести» и «пластическая вязкость». В то время как предел текучести описывает переход от обратимого
идеально-упругого к необратимому вязкоупругому или вязкому состоянию,
пластическая вязкость показывает сопротивление текучести бетона. При разработке бетонных технологий используются преимущественно стандартизированные испытательные методики для строительных растворов и бетонов.
Такие процедуры, как измерение расплыва конуса по DIN EN 12350 – 8, в работе
[5] причисляются к количественно-эмпирическому классу 2. При этом предел
текучести и пластическая вязкость не определяются по отдельности, а в «искаженном» виде отражаются в измеренном параметре. Кроме того, замеряемые параметры расплыва конуса зависят от размера самой крупной фракции заполнителя в исследуемом бетоне [6]. Если же разработка смеси ведется
на базе цементного теста, можно при помощи конуса Хагермана хотя бы определить абсолютное значение предела текучести [7]. В то же время в научном
мире нет единства взглядов по поводу допустимости переноса результатов
испытаний цементного теста на бетонную смесь. Бетонные реометры, которые рассчитывают предел текучести и пластическую вязкость по различным
реологическим моделям, используются на практике крайне редко. Помимо
высокой стоимости оборудования, эти эксперименты более трудоемки и требуют большего времени, чем стандартные методики.
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
Смешивание
Движение смеси
и качество смешивания
Рис. 2. Движение сыпучего материала в плужном смесителе при FrM < 2,5 (слева); 2,5 < FrM < 11 (в центре)
и FrM > 11 (справа). [15].
Относительные перемещения крупного
заполнителя действуют как микромиксер и поддерживают процесс дисперсии,
разрушая агломераты. Локальные кратковременные сдвиговые нагрузки зависят
от расстояния между частицами, от их типа, а также от частоты и кинетической
энергии, передающейся от смесительных лопастей. Дисперсионный эффект,
следовательно, увеличивается по мере
возрастания скорости смесительных инструментов. Кроме того, положительное
влияние на дисперсию оказывает плотность упаковки.
В то время как о дисперсии, которая
также известна как дисперсионное смешивание или микромиксинг, существует
небогатый выбор литературы, где дисперсия рассматривалась бы применительно к бетону, конвекции (дистрибутивное смешивание, или макромиксинг)
посвящено множество публикаций. Считалось, что дистрибутивные транспортные процессы имеют решающее значение
Смешивание за счет дисперсии
Смешивание за счет разделения и соединения
Конвекция
для достижения высокой степени однородности. При изготовлении традиционного бетона предполагается, что к концу
замеса агломераты в основном разрушены. Таким образом, эффективность смешивания зависит от мощности двух указанных отдельных процессов.
В то время как для традиционного бетона обычное время смешивания составляет около 35 секунд после затворения
водой, сверхвысокопрочные бетоны,
замешиваемые в стандартных смесителях при частичном заполнении, требуют до 10 минут после добавления воды.
Причина такой разницы кроется в пониженном содержании воды и высоком содержании добавок и мелкодисперсных
наполнителей.
БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
В процессе смешивания в смесителе происходит движение исходных материалов,
которые отличаются друг от друга по размеру, плотности и агрегатному состоянию.
В конечном итоге груда зерен и других материалов превращается в гранулированную суспензию. Свойства бетонной смеси
и набор прочности бетона зависят от качества перемешивания. Сам по себе, процесс смешивания можно разделить на две
отдельные операции — конвекцию и дисперсию [8], которые накладываются друг
на друга (Рис. 1).
Дисперсия описывает локальный эффект, случайную смену места расположения отдельных частиц в результате принудительного перемещения смесительным инструментом. Заставить частицы
поменять свое место становится труднее, если в результате взаимодействия
между частицами образуются агломераты. Для разбития агломератов (деагломерирование) требуется подключение
таких механизмов, как эрозия трения,
разделение при помощи высоких сдвиговых и растягивающих нагрузок, а также распад в результате столкновения [9].
Еще в 1968 году Пауерс [10] писал о том,
что если цементное тесто мешать вместе
с крупнозернистым заполнителем, оно
гомогенизируется так же эффективно,
как если бы оно перемешивалось в высокоскоростном лабораторном смесителе.
Число Фруда и скорость
смесительного инструмента
Скорость смесительного инструмента
(окружная скорость) v [м / с] рассчитывается, исходя из радиуса r [м] смесительного инструмента или смесительной емкости и числа оборотов n [s-1], по формуле 1:
v = 2π · r · n ,(1)
Движение смеси может быть описано при помощи безразмерной величины — числа Фруда (Fr), как указано в работе Румпфа [8]. При этом берется соотношение центробежной силы и силы
тяжести. Так как в смесителе движутся
не отдельные частицы, а целые сгустки
частиц и происходят взаимодействия
между сгустками частиц и отдельными
частицами, брать за основу для анализа
отдельные частицы с массой M P вряд ли
возможно. Кроме того, круговая частота
ω P является функцией позиции частицы
R P, что значительно осложняет расчет
числа Фруда для частиц [9]. В качестве
альтернативы можно вычислить число
Фруда для смесителя из скорости вращения n [с-1] смесительного инструмента или смесительной емкости, не учитывая при этом в числе Фруда параметров
материалов. Рис. 2 иллюстрирует влияние числа Фруда Fr M на движение сыпучего материала в плужном смесителе.
Рис. 1. Механизмы смешивания. [8].
4 5
БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Смесительная техника
Различия требований
Для производства традиционного бетона к смесительной технике предъявляются значительно более низкие требования,
чем при производстве высокотехнологичного бетона. Более высокое содержание
воды и обусловленные этим увеличенные
расстояния между частицами, а также низкая вязкость цементного теста значительно
облегчают первичное, грубое перемешивание. В противоположность этому, высокая
плотность упаковки, характерная для высокопрочных бетонов, снижает дистрибутивные возможности смесителя, так как она
препятствует доступу частиц к пустотам
внутри смеси, в то время как традиционные бетоны — с их достаточно высоким отношением вода / вяжущее и обычной плотностью упаковки — не предъявляют по-
Рис. 3. Трехмерное смешивание в двухвальном смесителе. [10].
вышенных требований к дистрибутивной
функции смесителя. Поскольку традиционные бетоны, как правило, не содержат тонкодисперсных пуццоланов, склонных к образованию агломератов (микросилика, тонкодисперсная зола-унос, метакаолин и т. д.),
доля частиц цемента и наполнителей размером менее 10 мкм незначительна. Следовательно, и требования, предъявляемые
к диспергированию, не высоки.
Поэтому для производства традиционного бетона используются такие смесительные системы, в которых в круговые движения вовлечен практически весь материал,
а процессы дистрибуции и перемешивания
обеспечиваются смесительным инструментом. К таким системам, наряду с тарельчатыми смесителями, относятся одно- и двухвальные смесители. На рисунке 3 изображена схема транспортных потоков внутри
двухвального смесителя.
4 6
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
Требования к производству
высокотехнологичных бетонов
Рецептура смеси (сверх) высокотехнологичных бетонов предусматривает наличие
как дистрибутивных, так и дисперсионных
транспортных процессов внутри смесителя. Меньший объем воды и повышенная
плотность упаковки, которая достигается
за счет использования микронаполнителей,
ухудшают качество грубого перемешивания. Наблюдения Жезекеля [11] показали,
что эффективность грубого перемешивания зависит от размера частиц. Мелкие частицы требуют значительно большего времени перемешивания. Так как в рецептуре
(сверх) высокотехнологичных бетонов доля исходных материалов с малым диаметром, как правило, очень высока, уже это
изначально предопределяет более высокие требования к качеству смешивания.
Диаметр крупнейших компонентов важен
и для тонкого смешивания, поскольку зависящая от размера частиц кинетическая
энергия оказывает решающее влияние
на этот процесс. Из этого следует, что смеси, где даже самая крупная фракция имеет
небольшой размер, должны перемешиваться на более высоких скоростях. При слишком низкой удельной мощности привода
[кВт / 1000 кг смеси] во время смешивания
преобладают дистрибутивные процессы,
которые не в состоянии разрушить агломераты [9].
Увеличение скорости смесительного инструмента позволяет вдвое сократить время смешивания самоуплотняющегося бетона (СУБ), доведя его до 45 секунд после
добавления воды [12]. Наши собственные
исследования на базе лабораторного смесителя того же производителя подтвердили двукратное сокращение «мокрого» времени замеса СУБ за счет увеличения частоты вращения вала на 50 %. Однако при этом
перегрузка стандартного двигателя временами доходила до 100 %. Соответственно, для преодоления очень высоких сил
сцепления при производстве высокотехнологичного бетона мощность двигателя
была увеличена с 3 кВт до 7 кВт, т. е. более
чем в два раза. Недостатком такого подхода является интенсивный износ смесительного инструмента при повышении скорости его вращения.
Сравнительные исследования однои двухвальных смесителей, изготовленных одним производителем [13], показали, что энергопотребление одновального
смесителя в значительно большей степени зависит от фракционности заполнителя, чем у двухвального смесителя. Видимо,
специфика одновального смесителя состоит
в том, что зазор у внутренней стенки смесительной емкости слишком узок, и там застревают крупные компоненты смеси, что,
соответственно, увеличивает трение. В противоположность этому, в двухвальном смесителе основные силы сопротивления воз-
никают в зоне наложения двух смесительных инструментов. Поскольку оба смесительных инструмента всегда захватывают
одинаковый объем массы, когезионные
силы, возникающие в процессе смешивания, влияют на увеличение потребляемой
мощности лишь при производстве (сверх)
высокотехнологичного бетона.
При замесе в смесителях с низкоскоростными смесительными инструментами готовая смесь не может обладать высокой однородностью [9]. В то же время слишком
высокая скорость смесительного инструмента может привести к расслоению смеси [14]. Для повышения эффективности тарельчатых смесителей используются завихрители, скорость работы которых может
регулироваться независимо от основного
привода и, таким образом, адаптироваться
к конкретным условиям смешивания. В этом
случае число оборотов главного привода
настраивают на дистрибутивное перемешивание так, чтобы понизить риск отделения
крупного заполнителя. Однако при производстве смесителей возможность сепаратной настройки числа оборотов двигателя
и завихрителей обходится довольно дорого. Поэтому на практике в смесителях устанавливаются главным образом завихрители, которые работают от главного привода
с фиксированной передачей.
Смесительные системы
интенсивного действия
Для того чтобы высокотехнологичные
бетоны на базе различных исходных материалов смогли проявить свои многогранные способности, не потребляя при этом
большого количества энергии и не требуя
слишком продолжительного перемешивания, необходимо определенным образом
воздействовать на дистрибутивные и дис-
Рис. 4. Смесительная система интенсивного действия
Eirich со стержневым завихрителем (номинальный объем 5 л).
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
персионные процессы в ходе перемешивания. Такое воздействие могут обеспечить смесители интенсивного действия
Eirich, имеющие более сложное техническое исполнение, чем стандартные смесители. Конструкция такого смесителя
предусматривает разделение процесса
транспортировки смеси, за которую отвечает вращающийся корпус (грубое перемешивание), и процесса завихрения,
который вызывает смену места нахождения частиц [9]. Подобрав подходящую
конструкцию смесительного инструмента и его скорость, можно оптимизировать
дисперсионный процесс смешивания. Необходимое для производства высокотехнологичных бетонов увеличение скорости смесительного инструмента требует,
кроме того, значительного повышения
мощности двигателя.
В противоположность стандартным смесителям, мощность привода смесителей
Eirich не передается непосредственно всей
смеси, а только той ее части, которая находится в зоне завихрителя (Рис. 4). Еще одним преимуществом является низкая, независимая от завихрителя скорость смесительной емкости. Защищенный противоизносным слоем завихритель, работая,
не приближается ко внутренним стенкам
емкости и, следовательно, даже при высоких скоростях не подвергает стенки излишней нагрузке. Только неподвижно зафиксированный скребок для донной и боковых
поверхностей подвержен износу из‑за контакта с вращающейся на более медленной
скорости смесительной емкостью [9].
Суспензионные
смесительные системы
Еще одним способом производства бетонной смеси на мелкозернистых компонентах является технологически сепаратное производство цементного теста
Рис. 6. Схематичное изображение конической системы смешивания.
БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Рис. 5. Перфорированная лопасть в смесительной
ячейке суспензионного смесителя (номинальный объем 5 л).
или тонкодисперсного раствора в суспензионном смесителе и последующее смешивание суспензии с крупным заполнителем в другом смесителе или, в случае с товарным бетоном, в автобетоносмесителе.
В классической области применения суспензионных смесителей — приготовлении
бентонитовой суспензии — достигается
максимальная сила физического взаимодействия между исходными материалами
в процессе их перемешивания. В отличие
от других принципов смешивания, данная
технология не требует фазы постнабухания для получения стабильных реологических свойств. Поскольку максимальный
размер зерна твердых частиц в цементной суспензии решающим образом влияет на глубину проникновения суспензии
в ходе инжекции, большое значение приобретает коллоидная фаза — максимально возможное распределение частиц диаметром от 0,1 до 0,001 мм в жидкости. Поскольку частицы диаметром менее 30 мкм,
ввиду большой площади их поверхности
и сил взаимодействия между ними (силы
Ван-дер-Ваальса), имеют тенденцию к образованию агломератов и агломератовкластеров, после разрушения сгустков частиц отдельные частицы необходимо смочить молекулами воды и пластификатора,
чтобы предотвратить повторную агломерацию. Дезагломерация проводится в суспензионном смесителе (Рис. 5). При этом
смесительный инструмент выполняет роль
центрифуги, и жидкость направляется
к внутренней стенке смесительной ячейки.
Безопасное расстояние между смесительным инструментом и внутренней стенкой
смесителя в зависимости от типа суспензионной системы составляет около 3 мм
и при скорости смесительного инструмента 19 м / с образует градиент сдвига около
6000 с-1 и число Фруда около 200.
Для увеличения сдвиговой поверхности
смесительные лопасти перфорируют. Другой фактор, который стимулирует смачивание, — это псевдокавитация. В данном
случае содержащийся в агломератах воздух расширяется в несколько раз по сравнению с исходным объемом за счет снижения парциального давления в высокотурбулентных зонах. Увеличивающееся при этом
расстояние между частицами упрощает процесс смачивания. Последующия имплозия
за пределами высокотурбулентной зоны
действует как «смачивание под давлением».
растают сдвиговые нагрузки на компоненты
смеси. Помимо самого эффекта перемешивания, возникает процесс дезагломерации,
что также обеспечивает высокое качество
бетонной смеси.
Требования к смесительной технике
предусматривают наличие более мощного привода с регулируемой скоростью,
а также видоизмененный смесительный
инструмент. В то время как требования
Гибридный конический смеситель
интенсивного действия
В конической смесительной системе
(Рис. 6) компоненты смеси при помощи
внешнего скребка направляются ко внутреннему смесительному инструменту, который может работать с плавно регулируемой скоростью. Внутренний смесительный инструмент достигает значения числа
Фруда > 7. При таких условиях резко воз-
Рис. 7. Модифицированная система с коническим
смесителем (вид на трансмиссию и дозирующее устройство).
4 7
БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Влияние смесительных
систем на качество смеси
высокотехнологичных
бетонов
Самоуплотняющиеся бетоны (СУБ)
Для иллюстрации эффективности смешивания при использовании различных
систем ниже будут описаны четыре серии экспериментов по производству СУБ
и их результаты.
В эксперименте № 1 проводилось смешивание сухих компонентов из расчета на 50 л
бетонной смеси в одновальном смесителе
со скоростью 50 оборотов вала в минуту
(Fr = 1,15). Вода и 2 / 3 от общего количества
пластификатора добавлялись спустя 10 секунд. Остаток пластификатора был добавлен через ​​90 секунд после начала смешивания. Продолжительность смешивания определялась достижением асимптотического
состояния мощности двигателя и методом
визуальной оценки и составила 180 секунд.
Всего в ходе смешивания компонентам смеси была передана энергия 2 кВт·ч / м3 СУБ.
В эксперименте № 2, число оборотов вала в одновальном смесителе увеличили
до максимума — 75 об. / мин (Fr = 1,75). Вода и 2 / 3 от общего количества пластификатора добавлялись спустя 5 секунд, остаток
пластификатора был добавлен через 45 се-
4 8
кунд после начала смешивания. В течение
99 секунд в смесь СУБ была введена энергия смешивания 2 кВт·ч / м3 СУБ, после чего процесс смешивания был остановлен.
В эксперименте № 3 100 л СУБ производились в модифицированном коническом
смесителе интенсивного действия. Скорость
смесительного инструмента — 260 оборотов в минуту (Fr = 12,7), скорость вращения
скребков — 40 оборотов в минуту. Вода
и пластификатор добавлялись, как в эксперименте № 2. Процесс смешивания продолжался 99 секунд.
В эксперименте № 4 была изготовлена суспензия из воды, пластификатора, цемента и известняковой муки, которые брались
из расчета на 100 литров СУБ. С
​​ мешивание
производилось в суспензионном смесителе. При температуре 17 °С смешивались
вода и пластификатор. Цемент подавался
через вращающийся шлюз при скорости
вращения двигателя 1500 об. / мин. Затем
при 1000 об. / мин. непрерывным потоком
добавлялась известняковая мука. Продолжительность процесса смешивания составила 105 секунд. Необходимое для 50 л СУБ
количество суспензии в течение 15 секунд
смешивалось с заполнителем в одновальном смесителе при 50 оборотах в минуту.
На рис. 8 показано влияние технологии
смешивания на изменение расплыва конуса во времени, а также суммарное по-
90
Расплыв конуса
по технической части можно легко выполнить, установив частотный преобразователь простейшей конструкции, реологическая оценка требует преобразователя
с максимальным потенциалом. Обеспечить
выполнение этого требования способен
метод прямого управления крутящим моментом (Direct-Torque-Control), поскольку
позволяет контролируемо ускорить двигатель, начиная с положения «стоп», а также работать при минимальных оборотах.
Еще одним преимуществом является возможность работать от крутящего момента,
как это принято при выполнении реологических измерений [15]. Получая информацию от преобразователя, можно также
отказаться от дополнительного оборудования, такого, как датчики крутящего момента внутри смесителя или непосредственно на нем. Чтобы обойтись без редуктора и избежать связанных с ним проблем
и чтобы добиться высокой точности числа оборотов, был установлен синхронный
двигатель на постоянных магнитах с высоким крутящим моментом. Он напрямую
приводит в движение внутренний смесительный инструмент. Возникающая в результате жесткая трансмиссия позволяет
проводить осциллирующие измерения
в смесителе. Осциллирующие измерения
позволяют не только определить предел
текучести и вязкость, но и понять структуру материала [16].
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
80
70
60
50
0
Время, мин
200
Elba 50 Hz
Elba 87 Hz
Kniele 87 Hz
Суспензионный смеситель
kWh/cbm SVB
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Elba 50 Hz
Elba 87 Hz Kniele 87 Hz Gertec + ...
kWh/cbm
SVB
Рис. 8. Влияние смесительных систем и процессов на качество смеси и энергопотребление
при производстве СУБ.
требление энергии при замесе. Эксперименты 1 и 2 показывают, что, повысив скорость смесительного инструмента, можно
значительно сократить время замеса, необходимое для изготовления СУБ. В противоположность мощности двигателя, необходимость увеличить передаваемую в смесь
энергию отсутствует. Двигатель одновального смесителя (3 кВт номинальной мощности) в эксперименте № 2 работал с недопустимыми перегрузками. Поэтому сверхвысокотехнологичный бетон (UHPC) можно
производить только с частичным заполнением смесительной емкости. Эксперимент
№ 3 показал, что изготовление бетонной
смеси в смесителе интенсивного действия
энергетически более выгодно. Смесительный инструмент захватывает часть смесительной массы и на очень высокой скорости перемешивает ее, разбивая агломераты. Оптимизация процесса перемешивания
компонентов вяжущего в суспензионном
смесителе, имевшая место в эксперименте
№ 4, позволила создать СУБ со значительным улучшением реологических свойств,
которые сохраняются в течение нескольких
часов. Это можно объяснить тем, что часть
пластификатора теряет свою силу из‑за образования органо-минеральных фаз с ранними продуктами гидратации цемента. Современные методы анализа не в состоянии выявить различие между этой частью
пластификатора и той, что адсорбируется
на поверхности цементных частиц. Однако
из этого следует, что высокое качество бетонной смеси зависит не только от интенсивности смешивания, но и скорости затворения. Суспензионный смеситель позволяет смачивать частицы цемента сразу же
после их добавления в смесь. Очень высокие сдвиговые и центробежные силы вызывают разрушение агломератов и вытесняют пузырьки воздуха, препятствующие
процессу смачивания. Частицы оптимальным образом преобразуются в суспензию.
Благодаря этому, «коллоидный характер»
суспензии улучшается, а сама суспензия
стабилизируется.
Сверхвысокотехнологичные
бетоны (UHPC)
Поскольку мощности привода одновального смесителя для 50 л UHPC недостаточно, в одновальном смесителе (марки Elba)
на максимальном числе оборотов изготавливались лишь 20 л смеси UHPC. Вода и 2 / 3
общего количества пластификатора добавлялись через 10 секунд после начала замеса. Остаток пластификатора был добавлен
через 180 секунд. Время замеса продолжительностью 780 секунд было заимствовано
из эксперимента с коническим смесителем
интенсивного действия (тип Kniele). Предварительно цемент был затворен до состояния суспензии при скорости инструмента
400 об. / мин. В сохранявшую подвижность
смесь добавлялись остальные компоненты
бетон и железобетон ‘12 №2 (7)
86
Расплыв конуса, см
84
82
80
78
76
74
0
10
20
30
40
50
Время после замеса, мин
Elba 87 Hz
Kniele плавное регулирование
Gertec + 4 мин Elba
Рис. 9. Сравнение эффективности различных смесительных систем и технологий применительно
к осадке конуса, изменяющейся во времени.
в следующей последовательности: летучая
зола, центрилит, W12 и H33. В эксперименте с замесом в два этапа в основе лежала
рецептура UHPC, предполагавшая затворение цемента водой и пластификатором
в суспензионном смесителе (тип Gertec)
и последующее добавление сухих компонентов с перемешиванием на максимальных оборотах в течение 4 минут.
На рис. 9 показано, что расплыв конуса
смеси UHPC, которая была изготовлена одновальным смесителем, меньше расплыва
конуса смеси, изготовленной в коническом
смесителе интенсивного действия. Если же
тонкодисперсные частицы заранее затворить в суспензионном смесителе, заданные
характеристики UHPC могут быть достигнуты и в одновальном смесителе. Изготовление суспензии из вяжущих компонентов
смеси UHPC едва ли возможно при ручном
регулировании числа оборотов и скорости
дозировки. При ускоренной дозировке существует опасность обрыва потока в суспензионном смесителе. Слишком медленная
дозировка, а, следовательно, увеличение
продолжительности замеса, ведет к недопустимому перегреву смеси. Поэтому технология замеса обязательно должна опираться на реологические принципы. Поэтапный принцип смешивания позволяет
добиться одинаково высокого качества
смеси UHPC как в коническом смесителе
интенсивного действия, так и в комбинации из суспензионного смесителя и одновального смесителя..
Выводы
Производство высокотехнологичных бетонов с повышенным содержанием тонкодисперсных частиц и пониженным содержанием воды и пластификаторов требует
комплексного подхода, охватывающего
рецептуру, смесительную технику, а также
реологические свойства готовой бетонной
смеси. При помощи соответствующего регулирования процесса смешивания, опирающегося на принципы реологии, качество
бетонных смесей может быть существенно
улучшено, а свойства высокотехнологичных бетонов оптимизированы.
Помимо выбора подходящей смесительной системы и оптимизации смесительного
инструмента, решающее влияние на свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона оказывают тип и качество сырья, способ дозировки и смешивания. Описанные
эксперименты показывают, что быстрое
и максимально полное смачивание частиц
цемента водой и молекулами пластификатора улучшает реологические свойства
высокотехнологичных бетонов и позволяет сохраняеть эти свойства в течение длительного времени.
В смесительной ячейке суспензионного
смесителя происходит диспергирование
мелкомолотых зерен сразу после их до-
бавления за счет чрезвычайно высоких
сдвиговых усилий и псевдокавитации.
Прицельная передача энергии смешивания именно этой части смешиваемой
массы позволяет значительно сократить
энергопотребление при производстве суспензионного бетона. Для оптимизации
суспензии необходимо, помимо частоты
вращения двигателя, учитывать последовательность и скорость дозировки, а также влияние температуры.
В коническом смесителе стандартный
смесительный инструмент обеспечивает
движение смеси по вертикали. Оптимизация смесительного инструмента, который
следует адаптировать к конкретным задачам, в частности, в нижней части емкости,
позволяет значительно улучшить диспергирование мелких компонентов смеси. Перейдя от обычного режима к интенсивному
режиму эксплуатации, можно существенно
сократить время замеса за счет передачи
смеси большей энергии.
БЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
88
Литература
1. Cheung J.; Jeknavorian A. et al.: Impact of admixtures on the hydration kinetics of
Portland cement, Cement and Concrete Research, S. 1289 – 1309, Vol. 41 (12), Elsevier,
2011
2. Ferraris C. F.; de Larrard F.; Martys N.: Materials Science of Concrete VI,, 2001, ISBN:
9781574980691
3. Scheydt J. C.; Graf M., Borschnek F.; Müller H. S.: Entwicklung eines ultrahochfesten
Betons für den Einsatz im Betonfertigteilwerk, BWI, S. 58 – 65, Vol. 1, ad-media, 2011
4. Chang P.‑K.; Peng Y.‑N.: Influence of mixing techniques on properties of high performance
concrete, Cement and Concrete Research, S. 87 – 95, Vol. 31 (1), Elsevier, 2001
5. Ferraris Ch. F.: Measurement of the Rheological Properties of High Performance Concrete:
State of the Art Report, Journal of Research of the National Institute of Standards and
Technology, S., Vol. 104 (5),, 1999
6. Roussel N.: The LCPC Box: a cheap and simple technique for yield stress measurements
of SCC, Materials and Structures, S. 889 – 896, Vol. 40 (9), Springer, 2007
7. Beitzel M.: Frischbetondruck unter Berücksichtigung der rheologischen Eigenschaften,
Dissertation, TH Karlsruhe, 2009
8. Weinekötter U.; Gericke H.: Mischen von Feststoffen, Springer, 1995,ISBN:
978‑3‑540‑58567‑1
9. Müller M.: Feststoffmischen, Chemie Ingenieur Technik, S. 1015 – 1023, Vol. 79 (7), WileyVCH, 2007
10.Dreidimensionales Mischen beim BHS Doppelwellen-Chargenmischer (DKX),
www.bhs-sonthofen.de, 2011
11.Jézéquel P. H.; Collin V.: Mixing of concrete or mortars: Distributive aspects, Cement
and Concrete Research, S. 678 – 686, Vol. 39 (8), Elsevier, 2009
12.ELBA Presse-Information: Elba Einwellen-Zwangsmischer. Selbstverdichtender Beton
in 45 Sekunden, BFT, S. 34, Vol. 6, Bauverlag BV, 2002
13.Daumann B.; Anlauf H.; Nirschl H.: Determination of the energy consumption during
the production of various concrete recipes, Cement and Concrete Research, S. 590 – 599,
Vol. 39 (7), Elsevier, 2009
14.Beitzel H.; Charonnat Y.; Beitzel M.: RILEM TC 150‑ECM Assessment and classification of
performance mixers, Materials and Structures, S. 250 – 264, Vol. 36, RILEM Publications
SARL, 2003
15.Mezger Th. G.: Das Rheologie Handbuch, 3. Auflage, Hannover: Vincentz Network,
2010
16.Baumert Chr.: Rheometrische Mischprozessführung — Intensiv-Konus-Mischer mit
integriertem Rheometer zur Herstellung von Hochleistungsbeton mit definierten
rheologischen Eigenschaften, Dissertation TU Darmstadt, befindet sich im Druck, 2012.
4 9