Природа десятки и сотни миллионов лет трудится над созданием горных пород: базальта, гранита, мрамора. А человек изготавливает искусственный камень в течение считанных дней, а то и часов. Бетон тоже состоит из природных материалов: гравия, песка, цемента, воды, которые смешиваются в определенных пропорциях. Песок заполняет поры в гравии, а цемент скрепляет всю систему в единое целое.
Но для чего нужна бетону вода? Ведь ни в естественном, ни в искусственном камне воды нет. И все же, без воды нельзя. Роль ее в данном случае, хотя и кратковременная, но очень важная: вода нужна для приготовления бетонной смеси. Правда, при замешивании цементного теста, влаги требуется всего 15—17% общего веса бетона. А льют ее 40—80 %. Оказывается, без этого бетонная смесь не достигает необходимой пластичности, которая, в свою очередь, нужна для более качественного уплотнения бетонной смеси.
Уплотнение обычно ведется вибрированием. В воде крупный заполнитель бетона, гравий, как более тяжелый материал, опускается вниз, камушек прилегает к камушку, образуется жесткий каркас. Разжиженный в воде песок затекает в поры гравийного скелета и равномерно распределяется по всему пространству. Если воды мало и бетонная смесь малопластична, то ее трудно как следует провибрировать и уплотнить.
Вот почему по технологическим соображениям в бетонной смеси воды нужно намного больше, чем просто для образования цементного камня. После затвердения бетонной смеси влажность сохраняется еще в течение какого-то времени, а потом бетон высушивается почти полностью.
Но испаряясь, влага оставляет в цементном камне большое число пор, которые могут занимать до 60% всего объема. Они ослабляют бетонные изделия, снижают их плотность, создают пути проникновения в материал дождевой влаги или грунтовой воды. А она, в свою очередь, делает свое дело: вносит в бетон агрессивные соли, которые разъедают, выщелачивают цементный камень, а зимой, периодически замерзая и расширяясь, рвут и разрушают тело бетона.
Поэтому одна из главных трудностей, стоящих перед инженерами и учеными, работающими в области технологии бетона, сделать так, чтобы меньше добавлялось лишней воды в бетонную смесь и одновременно гарантировалось бы ее качественное уплотнение.
Но как это сделать? Казалось бы, чем сильнее и чаще встряхивать бетонную смесь, то есть применять вибрацию высокой частоты, тем быстрее и ближе друг к другу в бетонной смеси будут подходить гравийные и песчаные частицы и, следовательно, лучше будет идти уплотнение.
Именно по этому пути и шло долгое время развитие технологии приготовления бетона во всем мире. Все быстрее и быстрее, все чаще и чаще стучали машины, уплотняющие бетонную смесь. А вместе с этим все больше возрастал грохот на заводах железобетонных изделий, повышался вредный для человека уровень шума, возрастали вибрационные нагрузки на технологическое оборудование, фундаменты и стены цехов.
Специалисты НИИ железобетона достигли на первый взгляд неожиданного, но очень хорошего результата: при меньшем количестве воды бетон получился высокого качества. Вот как об этом рассказывает канд. техн. наук В. Зазимко:
«При низких частотах и больших амплитудах крупные частицы гравия в составе бетонной смеси получают большие относительные перемещения, что способствует сближению этих частиц и интенсификации процесса уплотнения. Частицы песка и цемента, смоченные водой, так называемая растворная составляющая также уплотняется. Когда же образуется жесткий каркас, то процесс уплотнения затухает».
Создавая и развивая новую технологию виброуплотнения, ученые не отбрасывают совсем и старую, традиционную. После низкочастотной обработки бетонной смеси они предлагают ввести и вторую стадию уплотнения: импульсное воздействие с большим динамическим воздействием. Это приводит к дополнительному уплотнению и упрочнению бетонной смеси.
«С точки зрения физических особенностей процесса уплотнения, — говорит Зазимко, — целесообразным является использование вибрации с переменными параметрами. Причем на первом этапе необходимы низкочастотные режимы с большими амплитудами, а на втором вибрация повышенных частот или режимы с большим вкладом ударных импульсов».
При низкочастотном уплотнении бетонной смеси с переменными параметрами используется резонансная виброуплотняющая машина. Она состоит из двух совместно колеблющихся масс. Первая из них, рабочий орган, собственно, и создает вибрацию. Вторая, уравновешивающая рама, фактически служит самой виброплощадкой, на нее устанавливается металлическая форма с бетонной смесью.
Два эти колеблющихся элемента соединены друг с другом упругими связями — амортизаторами. Они, как буфера у автомобиля, сглаживают и гасят удары рабочего органа и рамы (иначе они от ударов могли бы разбиваться).
Вибрации возбуждаются эксцентриковым приводом — электродвигателем. Ученые оборудовали его бесступенчатой передачей, так называемым вариатором, благодаря которому появляется возможность в широких пределах менять частоту колебаний виброплощадки.
Природа десятки и сотни миллионов лет трудится над созданием горных пород: базальта, гранита, мрамора. А человек изготавливает искусственный камень в течение считанных дней, а то и часов. Бетон тоже состоит из природных материалов: гравия, песка, цемента, воды, которые смешиваются в определенных пропорциях. Песок заполняет поры в гравии, а цемент скрепляет всю систему в единое целое.