3. Виробництво бетонних сумішей та будівельних розчинів

 

Виробництво збірних залізобетонних конструкцій і виробів, використання монолітного бетону і залізобетону в таких сферах будівництва як гідротехнічне, цивільне, дорожнє потребує оптимізації виробництва бетонних сумішей і будівельних розчинів. Нині бетонні суміші і будівельні розчини готують, як правило, на механізованих підприємствах, обладнаних сучасним високопродуктивним обладнанням. Широке використання в умовах роззосередженого будівництва мають збірно-розбірні (рис. 3.1) та пересувні бетонорозчинозмішуючі установки, коли збільшуються обсяги використання сухих сумішей, які виготовляють на інвентарних дозуючих установках і транспортують на об'єкти будівництва в автобетонозмішувачах або спеціальній тарі у невеликій розфасовці.

 

Рис. 3.1. Схема збірно-розбірного бетонного заводу

 

Централізоване виготовлення бетонних сумішей і будівельних розчинів в бетонозмішувальних цехах має певні переваги, порівняно з децентралізованим їх виготовленням. При централізованому виготовленні сумішей досягається більший ступінь механізації усього процесу, скорочується кількість працюючих машин і механізмів, як за рахунок їх кращого використання, так і застосування машин і механізмів більшої продуктивності, відкривається можливість комплексної механізації і автоматизації виробництва. Це забезпечує значне зниження трудових витрат, підвищує якість виготовлюваної суміші і скорочує витрати матеріалів, як за рахунок впровадження більш сучасної технології виробництва, так і поліпшення умов зберігання матеріалів і продукції, контролю за якістю продукції. При централізованому виготовленні підвищується культура виробництва, собівартість бетонних сумішей знижується на 10-20% порівняно з собівартістю сумішей, виготовлених на нецентралізованих установках.

За продуктивністю бетонорозчинозмішуючі підприємства поділяються на підприємства:

- малої - III категорії (річна продуктивність до 50 тис.м3);

- середньої - II категорії (річна продуктивність до 100 тис.м3);

- великої - I категорії (річна продуктивність більше 100 тис.м3).

Залежно від схеми компоновки обладнання бетонозмішуючі підприємства, цехи і дільниці підрозділяють на такі, у яких обладнання розташоване за вертикальною та горизонтальною схемами компоновки.

  Найбільше розповсюдження отримала вертикальна схема (рис. 3.2), при якій складові матеріали одноразово подають на необхідну висоту і потім вони під дією гравітаційних сил надходять униз, проходячи через усе технологічне обладнання. Установки даного типу більш компактні, але вони можуть досягати висоти 20-30 м, що значно ускладнює їх монтаж, ремонт, обслуговування та демонтаж. Ця схема використовується на підприємствах великої і середньої продуктивності.

 

Рис. 3.2. Вертикальна схема компоновки обладнання бетонозмішувального цеху; 1 - витратні бункери; 2 - дозатори; 3 - збірна лійка; 4 - змішувачі; 5 - бункери готової суміші; 6 - транспортер; 7 - шнек; 8 - поворотна лійка;

9 - ковшовий елеватор

 

Горизонтальна схема (рис. 3.3) передбачає дво- або триразовий підйом сировини. Технологічне обладнання розташовується на землі і тому не потребує створення спеціальних фундаментів і підсилених несучих конструкцій. Але необхідність багаторазового підіймання сировини потребує встановлення допоміжних транспортних засобів (стрічкових конвеєрів, вертикальних елеваторів, тощо).

 

Рис. 3.3. Горизонтальна схема компоновки обладнання бетонозмішувального цеху.

1 - витратні бункери; 2 - дозатори; 3 - скіповий підйомник; 4 - бетонозмішувач;

5 - бункер готовоїсуміші; 6 - стрічковий конвеєр; 7 - шнек.

 

Установки, які працюють за горизонтальною схемою, встановлюються на підприємствах невеликої продуктивності.

За принципом дії бетонорозчинозмішувальні установки класифікують на циклічні та безперервні. На установках циклічної дії використовують змішувачі періодичної дії і порційні дозатори, а на установках безперервної дії - змішувачі і дозатори безперервної дії.

Залежно від ступеня механізації і автоматизації управління виробничими процесами, які пов'язані з транспортуванням сировини і приготуванням бетонної суміші, установки класифікують на механізовані та автоматизовані. На механізованих установках управління здійснюється операторами безпосередньо на робочих місцях. На автоматизованих установках управління операціями здійснюється автоматично з центрального щита управління.

Склад підприємства з виробництва бетонних сумішей і будівельних розчинів залежить від умов енерго- та водопостачання, розміщення підприємства, виду зовнішнього транспорту, номенклатури виготовлюваної продукції.

Бетонна суміш - це багатокомпонентна система, яка виготовляється ретельним змішуванням води, в'яжучих заповнювачів і добавок.

Суха бетонна суміш - це виготовлена в бетонозмішувачі однорідна суміш з дозованих сухих компонентів: в'яжучого, заповнювачів і добавок.

Таку суміш пакують у спеціальну тару і на місці застосування в звичайних бетонозмішувачах змішують з водою.

Будівельним розчином називають затверділу суміш в'яжучої речовини, дрібного заповнювача (піску) та води.

В основу класифікації товарних бетонних сумішей та будівельних розчинів покладені такі ознаки: середня густина, вид в'яжучої речовини, призначення й фізико-механічні властивості.

За щільністю в сухому стані будівельні розчини поділяють на важкі з середньою густиною 1500 кг/м3 і більше, та легкі, що мають середню густину менше як 1500 кг/м3.

За видом в'яжучого розчини бувають: цементні, які виготовлені на портландцементі чи його різновидах; вапнякові - на повітряному чи гідравлічному вапні; гіпсові - на в'яжучих речовинах; змішані - на цементно-вапняковому в'яжучому.

За призначенням будівельні розчини розрізняють як: мурувальні - для кам'яного будування чи зведення стін з великих елементів; монтажні - для заповнення швів між елементами (панелями, блоками тощо), під час монтажу будівель та споруд з готових збірних конструкцій та деталей; опоряджувальні - для штукатурення; спеціальні, які мають особливі властивості (акустичні тощо).

За фізико-механічними властивостями розчини класифікують за міцністю і морозостійкістю, що характеризує довговічність розчину. За міцністю при стиску будівельні розчини поділяють на марки: М4, М10, М25, М50, М75, М100, М150, М200. Розчини М4 і М10 виготовляють на повітряному та гашеному вапні. За ступенем морозостійкості розчини мають дев'ять марок - від F10 дo F300.

Товарні бетонні суміші поділяються на важкі, з середньою густиною 2000-2500 кг/м3, та легкі, що мають середню густину менш ніж 2000 кг/м3. Для виробництва товарних бетонних сумішей використовують портландцемент і шлакопортландцемент та їх різновиди з мінеральними добавками (швидкотверднучий, сульфатостійкий та інші).

За призначенням бетонні суміші поділяють на: для цивільного будівництва; промислового будівництва; гідротехнічного будівництва та інші. За фізико-механічними властивостями товарні бетонні суміші класифікують за їхньою міцністю та морозостійкістю. За міцністю при стиску товарні бетонні суміші поділяють на марки від М25 до М500. За морозостійкістю бетонні суміші мають марки від  F50 до F500.

Склад будівельних розчинів та бетонних сумішей позначають масою чи об'ємом вихідних сухих матеріалів, які витрачаються на 1 м3 розчину чи суміші, або відносним співвідношенням їх (так само за масою чи об'ємом). При цьому витрати в'яжучого беруть за одиницю. Для простих розчинів (в'яжуче:дрібний заповнювач) склад позначають, наприклад, 1:5. Тобто, на 1 частину в'яжучого витрачено 5 частин піску. Склад мішаних (складних) розчинів, які містять ще мінеральні добавки, позначають трьома цифрами, наприклад, 1:0,5:5 (цемент : вапно : пісок). Як заповнювач для важких розчинів використовують кварцові та польовошпатні природні або річкові піски; для легких розчинів – легкі гірські породи (туфові, черепашкові) або шлакові, керамзитові, перлітові піски.

Склад бетонних сумішей, якщо його характеризують відносним спів-відношенням компонентів (за масою чи об'ємом) позначають, наприклад, 1:2:4:1 (цемент : пісок : щебінь (гравій) : вода). Тобто на 1 частину в'яжучого витрачається 2 частини піску, 4 частини щебеню або гравію, 1 частини води. Мінеральні та органічні добавки у будівельних розчинах застосовують при використанні портландцементу. Вапнякові чи глинисті добавки вводять для підвищення водотривкої здатності, поліпшення легкоукладальності і економії цементу. Органічні поверхнево-активні добавки використовують для підвищення пластичності розчинової суміші та зменшення витрати в'яжучого.

Одним з найбільш перспективних напрямів технічного прогресу в технології бетону є формування структури цементного камня, що дозволяє значно повисити комплекс фізико-технічних властивостей бетону. Ці задачі в багатьох випадках можуть бути успішно вирішені за допомогою різних хімічних модифікаторів, які при введені в малих об’ємах суттєво впливають на фізико-хімічні процеси твердіння в’яжучих і в результаті на технологічні властивості бетонних сумішей.

Вже на початку 80-х років у багатьох промислово розвинутих країнах обєм бетону, що містить хімічні добавки – модифікатори, складала більше 50% від загального обєму бетону, а в деяких країнах з добавками випускалось 60-80% від загального обєму бетону. За останні роки ці цифри виросли і сьогодні в розвинених країнах світу складають 90-100%. У нашій країні номенклатура модифікаторів, запропонованих до застосування досить широка (перевищує 100 найменувань), але, нажаль, широкого застосування вони не знаходять. Окремі групи модифікаторів надають бетону і конструкціям на його основі повністю нові властивості.

Загалом, підприємства з виробництва бетонних сумішей і будівельних розчинів складаються зі змішувального цеху з бункерним та дозувальним відділеннями, складами заповнювачів і добавок з необхідними пристроями, транспортного, ремонтно-механічного і енергомеханічного відділень.

При виробництві бетонних сумішей та будівельних розчинів виділяють такі операції:

-  приймання, зберігання і підготовку заповнювачів, в'яжучих і добавок на механізованих складах;

- підготовку сировинних матеріалів - підігрівання заповнювачів у зимовий період, активізацію в'яжучих, приготування спеціальних розчинів добавок, приготування бетонних сумішей і будівельних розчинів;

-  транспортування сумішей та розчинів на будівництво.

Розвантаження заповнювачів, привезених у розчинобетонозмішувальний цех залізничним або автомобільним транспортом, здійснюється гравітаційним способом, зштовхуванням або черпанням, що визначає і конструкцію вантажоприймальних пристроїв. Зберігання заповнювачів здійснюється на естакадо-штабельних, штабельно-лінійних, силосних складах. В'яжучі речовини доставляють на підприємство у вагонах або цементовозах. Розвантаження в'яжучих на склад силосного типу здійснюється, як правило, пневматичним способом. Склад для в'яжучих в системі бетонозмішувального цеху повинен знаходитись на доцільній відстані від під'їзних колій і, в той же час, бути безпосередньо біля бетонозмішувального відділення.

Бетонні суміші і будівельні розчини готують у бетонозмішувальному відділенні. Для цього компоненти завантажують у бункери, дозують, перемішують і видають готову суміш на транспортні засоби. Дозування компонентів здійснюють за об'ємом (заповнювачі і вода) та масою (в'яжучі речовини). Приготування і дозування хімічних добавок здійснюється на спеціальних технологічних лініях і пристроях, які безпосередньо примикають або входять до складу бетонозмішувального відділення.

Змішування компонентів здійснюється в бетонозмішувачах. Це основна технологічна операція, рівень виконання якої значною мірою визначає якість бетонних сумішей і будівельних розчинів, а також затверділого бетону. Під час змішування суміші її однорідність підвищується за рахунок взаємодії компонентів з робочими органами змішувача, чи під дією сили тяжіння. В усіх випадках, змішування різнорідних матеріалів включає рух частинок складними перехрещеними траєкторіями. Чим складніші ці траєкторії, тим ефективніше проходить процес, тим скоріше змішувана маса стає однорідною.

Переміщенню частинок і їхніх агрегатів у змішувачах протидіють сили інерції, внутрішнього тертя, які залежать від складу суміші, її водовмісту, наявності пластифікуючих і повітровтягувальних добавок, а також конструктивних особливостей робочих органів змішувачів. Тому бетонні суміші і будівельні розчини з різною легкоукладальністю готують у змішувачах різних типів. Чим жорсткіша суміш, тим вище її граничне напруження зсуву і тим більш енергоємним і складним є процес змішування. Ступінь однорідності бетонної суміші залежить не тільки від ефективності процесу перемішування, а й від його тривалості. Для кожного типу змішувача існує оптимальна тривалість змішування.

Найпоширеніші два основних способи змішування компонентів:

- з вільним падінням матеріалу (гравітаційне);

- примусове.

Гравітаційне змішування здійснюється в обертових змішувальних барабанах, на внутрішній поверхні яких по гвинтовій лінії закріплені лопаті. При обертанні барабана лопаті захоплюють порції суміші і підіймають їх до верхнього крайнього положення, звідки вони падають вниз і занурюються у суміш, яка знаходиться в цей момент у нижній частині барабана. В цьому і полягає процес гравітаційного змішування, яке застосовують для приготування будівельних розчинів, рухливих і пластичних бетонних сумішей. Гравітаційні змішувачі мають місткість завантаження від 500 л (СБ-16Б та ін). Оптимальний час змішування в таких змішувачах складає 60…90 с, а повний цикл, включаючи завантаження, вивантаження і повернення барабану в початкове положення складає 90-150 с.

 

Рис. 3.4. Гравітаційний змішувач СБ-16Б

 

Для приготування легких бетонних сумішей на пористих заповнювачах, а також жорстких бетонних сумішей на будь-якому заповнювачі, гравітаційне змішування неефективне і не рекомендується. Для цього використовують бетонозмішувачі примусової дії, які застосовують для виготовлення розчинів і бетонних сумішей практично будь-якої легкоукладальності.

Змішувачі примусової дії за конструктивно-технологічними особливостя-ми поділяють на дві основні групи:

- з циліндричним конусом-чашею і вертикально розміщеними валами з перемішувальними лопатями;

- з коритоподібним корпусом і горизонтально розміщеними валами з перемішувальними лопатями.

Найпоширеніші роторні циклічні змішувачі. Їхнім робочим органом є ротор, який обертається в чаші з системою змішувальних лопатей. Частина лопатей закріплена на роторі жорстко, а частина - рухливими пристроями і забезпечена рухливими амортизаторами, які захищають ротор і привід вцілому від перевантажень при попаданні стороннього тіла між лопатями і корпусом. Місткість завантаження у таких змішувачах складає від 250 л (СБ-138 та ін).

 

Рис. 3.5. Бетонозмішувач примусової дії СБ-138

Планетарно-роторні бетонозмішувачі призначені для приготування бетонної суміші і розчину. Вони відрізняються від роторних тим, що в них застосовано планетарний привід з додатковими лопатями, які обертаються в напрямку, протилежному обертанню ротора.

Турбулентні змішувачі призначені для виготовлення високоякісних розчинних сумішей. Вони відрізняються від роторних підвищеною частотою обертання робочого органу (5 ... 10 с).

Бетонозмішувачі примусової безперервної дії з горизонтальними змішувальними валами призначені для приготування бетонної суміші з різною легкоукладальністю. Корпус таких змішувачів коритоподібний і всередині має футерівку із стійкого проти зношування матеріалу. За рахунок конструктивних особливостей розміщення лопатей на горизонтальних валах і їхнього положення утворюється перервна гвинтова поверхня. Зубчаста передача забезпечує взаємно протилежне обертання валів з лопатями з частотою 0,8... 1,1с. Компоненти завантажують через лійку, змішують і вивантажують на другому кінці корпусу в транспортний пристрій або бункер-накопичувач. Змішувачі аналогічних конструкцій використовують для приготування силікатних і керамічних сумішей. Бетонозмішувачі з горизонтальними валами мають продуктивність 5...60 м3/год.

Для приготування жорстких сумішей з високим граничним опором зсуву застосовують віброзмішування. Вібруванням бетонної суміші в процесі змішування досягається тиксотропне розрідження суміші, що істотно зменшує внутрішнє тертя між частинками, сприяє зниженню енерговитрат, підвищенню однорідності суміші. Вібрація передається на суміш через вібруючий корпус змішувача або через вібруючі лопаті та інші робочі органи, які взаємодіють із сумішшю під час змішування.

У змішувачах звичайних типів швидкість руху частинок суміші і градієнти швидкості зсувних деформацій під час змішування порівняно невеликі, що обмежує можливість подальшого підвищення однорідності суміші, міцності і стійкості бетону, продуктивності бетонозмішувальних установок. Тому останнім часом на підприємствах з виготовлення розчинів та бетонних сумішей на основі неорганічних в'яжучих речовин починають впроваджувати змішувачі, які забезпечують суттєве підвищення значень механічних параметрів процесу змішування.

Одним з основних напрямів підвищення ефективності змішування є використання попередньої турбулентної і вібротурбулентної активації систем «в'яжуча речовина - вода», «в'яжуча речовина - дрібний заповнювач - вода». При інтенсивному турбулентному русі частинки в'яжучого і дрібного заповнювача переміщуються хаотично не тільки в напрямку плину, а й перпендикулярно до потоку. Після активації суміш в'яжучого і дрібного заповнювача змішується з крупним заповнювачем.

Для реалізації ефекту активації розроблено низку змішувачів. У протитечійний змішувач примусової дії спочатку завантажують воду, цемент і пісок, змішують їх високошвидкісними турбулентами. Потім у чашу завантажують крупний заповнювач і змішування продовжують вже з малою швидкістю. У верхній камері двокамерного бетонозмішувача також активують цементний розчин, а в нижній камері його змішують з крупним заповнювачем. Застосування багатостадійної технології змішування з активацією в'яжучих речовин дозволяє підвищити міцність бетону на 10...20% або скоротити витрати в'яжучих речовин на 5...10 %. Тривалість змішування залежить від виду і легкоукладальності сумішей, щільності бетону, конструктивних особливостей змішувачів. Так змішування компонентів бетонної суміші на легких пористих заповнювачах триває 100...300 с, а щільних заповнювачах 30150 с.

Заповнювачі для розчинів і бетонних сумішей мають природну вологість 3...5 % (крупний), 6...14 % (дрібний) і при їх зберіганні у зимовий період на складах вони можуть змерзатися. Основним способом підігрівання заповнювачів є прогрів їх парою через труби, які укладені у теплоізольовані частини складу.

Після виготовлення і перевезення на будівельний майданчик, розчини і будівельні суміші повинні мати необхідні технологічні властивості: однорідність, рухливість або жорсткість. Ці показники погіршуються при тривалому транспортуванні нерівною дорогою з великою швидкістю. Суміші при цьому розшаровуються - крупний важкий заповнювач осідає вниз, а частина розчину і води підіймаються вгору при транспортуванні сумішей на важких заповнювачах. При транспортуванні сумішей на легких пористих заповнювачах, заповнювачі підіймаються вгору. У такому стані бетонні суміші застосовувати не можна, їх треба знову перемішати до однорідного стану.

Допустиму відстань перевезення сумішей визначають часом її перебування в дорозі при середній швидкості транспортування. Допустима тривалість транспортування сумішей складає 20...120 хв. На тривалість транспортування впливають також температура суміші і навколишнього середовища.

Висота падіння суміші при вивантаженні не повинна перебільшувати 2 м.

Транспортування бетонних сумішей можна здійснювати порційним, безперервним і комбінованим способами.

При порційному транспортуванні застосовують автобетонозмішувачі, автобетоновози, автосамоскиди, вагонетки, бункери, які встановлені на автомобілі. Це зовнішній вид транспорту, який здійснює перевезення від заводу до будівельного майданчика. Найбільш ефективними при такому транспортуванні є автобетонозмішувачі. їх можна завантажувати сухими компонентами на заводі чи в дорозі, або вже на об'єкті готувати рухливі бетонні суміші з легкоукладальністю, яка оцінюється при осадці конуса більше 1 см. Бетонозмішувач можна завантажувати як від пересувних установок, так і від стаціонарних.

При безперервному способі транспортування застосовують різні конвеєри або трубопроводи.

При комбінованому способі використовують транспортні засоби попередніх видів.

Автобетонозмішувач змонтовано на шасі вантажного автомобіля. Змішувальний барабан зроблено у вигляді двох зрізаних конусів, зварених між собою великими основами і встановленими під кутом 15° до горизонту. Всередині барабана закріплено дві гвинтові лопаті, які здійснюють гравітаційне змішування суміші і її розвантаження. Місткість автобетонозмішувача СБ-159 - 5 м3 (Рис.3.6). Автосамоскиди загального призначення використовують для перевезення готової суміші. Для цих цілей також застосовують автобетоновози. Під час транспортування в автобетонозмішувачах готової суміші на легких пористих заповнювачах, тривалість доставки повинна бути не більше 45...60 хв при використанні водонасичених заповнювачів, і 30...40 хв. - сухих. Більш доцільно перевозити суху або частково приготовану суміш. При застосуванні автобетоновозів тривалість транспортування бетонної суміші на пористих заповнювачах не повинна перевищувати 20...30 хв.

 

Рис. 3.6. Автобетонозмішувач СБ-159

 

При мінусовій температурі навколишнього повітря слід забезпечити мінімальні тепловитрати під час транспортування бетонної суміші. При температурі близько 0 С0 і вище застосовують звичайні автобетонозмішувачі і бетоновози, а суміші можуть попередньо підігрівати або додавати в них протиморозні добавки.

При перевезенні сумішей допускається тільки одне перевантаження суміші з транспортних засобів у бетоноукладальне обладнання. Не можна збільшувати рухливість суміші введенням води більше, ніж це потрібно.

Для безперервного транспортування застосовують конвеєри чи бетоновози при малих відстанях між заводом і будівельним майданчиком. При комбінованому транспортуванні сумішей застосовують порційне транспортування від бетонного заводу до будівельного майданчика і безперервне - в межах будівельного майданчика.