Моделювання взаємодії бетонної суміші з прес-формою під час ущільнення

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 693.546.5

МОДЕЛЮВАННЯ ВЗАЄМОДІЇ БЕТОННОЇ СУМІШІ З ПРЕС-ФОРМОЮ ПІД ЧАС УЩІЛЬНЕННЯ

Г.С. Ратушняк, І.В. Коц, Ю.С. Бікс

Наведено модель для визначення фізико-механічних властивостей бетонних сумішей, що ущільнюються, а саме коефіцієнт бокового тиску при ущільненні бетонної суміші бок та коефіцієнт тертя суміші по боковій поверхні прес-форми тp. Отримані аналітичні значення коефіцієнту тертя тp для квадратної, прямокутної та циліндричної прес-форм. Запропонована дослідна прес-форма для визначення експериментальних значень наведеного параметру.

бетонний фізичний тиск прес

Приведена модель для определения физико-механических свойств бетонных смесей, которые уплотняются, а именно коэффициент бокового давления при уплотнении бетонной смеси бок и коэффициент трения смеси по боковой поверхности пресс-формы тp. Получены аналитические значения коэффициента трения тp для квадратной, прямоугольной и цилиндрической пресс-форм. Предложена опытная пресс-форма для определения экспериментальных значений приведенного параметра.

A model for determining the physic-mechanical properties of compressed concrete mixtures, namely the coefficient of lateral pressure during concrete mix compression бок and the mixture friction coefficient on the lateral surface of the mold тp has been shown. The analytical values of the friction coefficient тp for a square, rectangular and cylindrical molds has been obtained. The pilot mold for experimental values' determination of the abovementioned parameter has been proposed.

Знання дійсних фізико-механічних властивостей заготовки і матеріалу в процесі вібропресування необхідно з наступних причин. По-перше, при проектуванні конструктивні параметри вібромашин для ущільнення матеріалу бетонного виробу розраховують з необхідності досягнення заданого діапазону режимів вібронавантаження. Оскільки матеріал пресованої бетонної суміші при виготовленні бетонних виробів є однією із ланок у ланцюзі динамічної вібромашини, то його властивості (твердість, втрати енергії на тертя між частками матеріалу бетонного виробу та ін.) визначають характер імпульсу тиску і деформації заготовки.

По-друге, дійсні характеристики матеріалу в процесі вібропресування необхідно знати для вибору оптимальних режимів і схеми вібронавантаження з технологічної точки зору, а також для ідентифікації певної моделі пресованого матеріалу і параметрів вібромашини з метою прогнозування результатів вібраційного впливу для будівельних виробів різної форми і розмірів.

Механізм впливу вібрації на бетонну суміш, що ущільнюється, завжди пов'язаний з ефектом зниження сил внутрішнього тертя між частками матеріалу бетонного виробу і сил тертя матеріалу відносно стінок прес-форми. У результаті цього поліпшується пропресовка бетонного виробу, полегшується можливість переукладання часток заповнювачів бетону і виходу повітря.

При ущільненні бетонної суміші в процесі виготовлення будівельних виробів досягається максимальна щільність завдяки компактному розташуванню заповнювачів, витісненні повітря та надлишкової води, а також якісному зчепленню заповнювачів цементним тістом [1,2]. Процес ущільнення складний, а тому не в повній мірі піддається точному аналітичному опису та потребує суттєвих затрат енергії, особливо при вібросиловій технології формування бетонних виробів [3].

Одним із напрямків для підвищення енергоефективності виготовлення бетонних виробів є вдосконалення технологічного процесу ущільнення суміші шляхом зниження витрат енергії на ущільнення, яка виражається величиною сил тертя відносно прес-форми.

Метою роботи є розроблення математичної моделі взаємодії матеріалу бетонної суміші, що ущільнюється з прес-формою, для визначення сил тертя.

Результати досліджень

Пружні властивості матеріалу характеризуються модулем пружності Е, сили внутрішнього тертя - коефіцієнтом бокового тиску бок [4,5], характер тертя між матеріалом і стінкою прес-форми - коефіцієнтом тертя тp.

Відсутність комплексного визначення властивостей матеріалу не дозволяє враховувати вплив окремих факторів. Наприклад, механічна жорсткість бетонної суміші, що ущільнюється, виміряна за умовною лінією розвантаження [4,5], в значній мірі залежить від сил тертя між бетонною заготовкою та прес-формою і тому не може дати точного уявлення про модуль пружності матеріалу.

Схема навантаження бетонної суміші, що ущільнюється, зображена на рис. 1. Суміш розташована в прес-формі і навантажена: зверху зусиллям статичного привантаження Р і інерційним привантаженням у вигляді рухомої траверси з тарованим вантажами загальною масою М; знизу - віброударним впливом з боку вібростола. Показання сенсорів реєструються будь-яким записуючим пристроєм.

Модуль пружності матеріалу Е в процесі вібропресування визначається так. Різниця поточних значень переміщень вібростола zст(t) і поперечини zпр(t) , що обчислена за показаннями сенсорів переміщення бетонної суміші СБ1 і СБ2, фактично є деформацією заготовки бетонного виробу ? z(t)

?z(t) = zст(t) - zпр(t). (1)

Рис. 1. Схема навантаження при ущільненні бетонної суміші будівельного виробу на віброплощадці, де 1- віброплощадка, 2 - направляючі гвинти, 3 - поперечина з при вантаженням масою М, 4 - корпус прес форми, СТ1, СТ2- сенсори торцеві, СБ1… СБ4- сенсори бокового тиску

З іншого боку, залежність ?z(t) є реакцією системи заготовки матеріалу бетонного виробу - поперечина на імпульсний вплив з боку вібростола і носить коливальний характер. Тому жорсткість заготовки Сзаг в першому наближенні може бути визначена безпосередньо із залежності ?z(t), якщо вважати її перехідним процесом в одномасовій системі, згідно [7]

Сзаг = (щ2+ 0,25 з2)М, (2)

де щ - частота коливань за залежністю ?z(t);

з - коефіцієнт демпфірування;

М - маса рухомої поперечини з тарованими привантаженнями.

Беручи до уваги вираз згідно закону Гука для стиснення матеріалу в абсолютно жорсткій формі

(3)

і враховуючи, що зміна зусилля при вантаження по висоті прес-форми dР/dl = Сзаг, знаходимо вираз для визначення модуля пружності бетонної суміші в процесі ущільнення[1]

(4)

де коефіцієнт бокового тиску бок визначається як відношення тиску на бокову стінку прес-форми рбок і тиску на торці пуансона ртп

(5)

Для визначення бок можливо використати показники сенсорів СБ4 і СТ2. Із умови рівності сил, що діють на заготовку бетонного виробу при ущільненні суміші у вертикальному напрямку при її стисненні, отримуємо

(6)

де - тиск на торцях пуансонів відповідно верхнього і нижнього; - площа пуансона, де а - бокова сторона квадратної прес-форми, - сила тертя між матеріалом бетонного виробу і стінкою прес-форми.

Силу тертя можна представити таким чином

(7)

де тр - коефіцієнт тертя між матеріалом і стінкою прес-форми; 4аl - площа розгортки бокової поверхні експериментальної прес-форми; pбок(l) - функція розподілу тиску на стінку по висоті прес-форми; l - проміжне миттєве значення висоти заготовки бетонного виробу.

Закон розподілу тиску рбок(l) може бути отримано апроксимацією показань сенсорів CБ1 ... CБ4.

Якщо прийняти у першому наближенні випадок лінійного розподілу тиску по висоті прес-форми то вираз (7) набуде вигляду

(8)

Вирішуючи спільно вирази (6) і (7) та враховуючи, що і , отримуємо вирази для визначення коефіцієнта тертя між матеріалом і стінкою прес-форми:

(9)

Позначивши як коефіцієнт втрати тиску по висоті форми, то (9) перепишеться як

(10)

Наведена модель визначення фізико-механічних властивостей бетонних сумішей буде застосована на експериментальному стенді для різних складів бетонної суміші з різними значеннями В/Ц, фракції заповнювача, типу пластифікатора та ін., що дозволить визначити експериментальні значення коефіцієнту тертя суміші по стінках прес-форми та коефіцієнт бокового тиску .

Висновки

Запропонована модель дозволяє визначати коефіцієнт бокового тиску , коефіцієнт тертя суміші по стінках прес-форми циліндричного прямокутного та квадратного перерізу в процесі вібропресування.

Для peaлізації експериментального визначення вищезазначених параметрів моделі буде використовуватись спеціальна прес-форма із сенсорним оснащенням, яка представляє собою квадратну прес-форму закритого типу з нерухомим нижнім і рухомим верхнім пуансонами[11]. Встановлені на прес-формі датчики тиску надають можливість вимірювати усереднений за площею боковий тиск матеріалу на стінку прес-форми в чотирьох точках на різній висоті. Корпус прес-форми і нижній пуансон жорстко закріплюються на робочому вібростолі, а верхній пуансон - на рухомій поперечині. Переміщення вібростола і рухомої поперечини реєструються відповідними сенсорами[12].

Література

1. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона / Ахвердов И. Н. - М.: Стойиздат, 1981. - 464с.

2. Будівельне матеріалознавство / [Кривенко П.В., Пушкарьова К.К., В.Б. Барановський та ін.]; за ред. П.В. Кривенко. - К.: - ТОВ УВПК “Ексоб”, 2004. - 702 с.

3. Дудар І. Н. Теоретичні основи технології виробів із пресованих бетонів / І.Н.Дудар. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. - 89 с.

4. Штерн М.Б. Феноменологическая теория прессования порошков / М.Б Штерн, Г.Г. Сердюк, Л.А. Максименко и др. - Киев: Наукова думка, 1982. - 142 с.

5. Искович-Лотоцкий Р.Д. Машины вибрацинного и виброударного действия / Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А . - Киев: Техника, 1982. - 208 с.

6. Загреба В. П. Формування бетонних і залізобетонних виробів методом пульсуючого пресування бетонних сумішей / В.П. Загреба, І.Н.Дудар. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2009. - 104 с.

7. Вібраційна установка для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.05.02 / О.В. Орисенко; Полтав. нац. техн. ун-т ім. Ю.Кондратюка. -- Полтава, 2002. -- 19 с.

8. Орисенко О.В. Реакція середовища, що ущільнюється, на ударно-струшуючий рух робочого органа формувальної установки / О.В. Орисенко, М.М. Нестеренко// Тези 62-ої наук.конф. професорів, викладачів, наукових працівників та студентів університету (Полтава, 23 квітня -13 травня 2010 р.). - Том 3.- Полтава: ПолтНТУ,2010. - С. 27-28.

9. Крауфорд Ф. Волны: Берклеевский курс физики / Ф. Крауфорд - Том 3.- М.: Наука, 1976. - 528с.

10. Богданов B. C. Процессы при производстве строительных материалов и изделий / B. C. Богданов. А.С. Ильин, И.А. Семикопенко. - Белгород: Везелица, 2007.- 98 с.

11. Пат. 53612 Україна, МПК G01N 3/10 Установка для вимірювання тиску в масиві бетонної суміші / Дудар І.Н., Бікс Ю.С.; заявник та власник Вінницький нац. техн. уні-т. -№201004690; заявл.20.04.2010; опубл. 11.10.2010, Бюл. № 19/2010.

12. Бікс Ю. Закономірності розподілення тиску по висоті бетонної суміші, що ущільнюється / Юрій Бікс, Ігор Дудар // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. - 2010. - №2. - С. 134-138. - ISBN 5-256-00380-1

13. Ратушняк Георгій Сергійович - завідувач кафедри теплогазопостачання Вінницького національного технічного університету.

14. Коц Іван Васильович - професор кафедри теплогазопостачання Вінницького національного технічного університету.

15. Бікс Юрій Семенович - аспірант кафедри містобудування та архітектури Вінницького національного технічного університету

Размещено на Allbest.ru