Разработка структурной схемы производства безнапорных железобетонных труб

Механизм  действия процесса перемешивания является весьма сложным, зависит от большого количества факторов и главным образом  от конструкции смесителя и режима его работы. Смешение (рисунок 5) складывается из следующих механических операций: перемешивание групп частиц из одного места в другое, так называемое конвективное смешивание (I); перераспределение частиц при их перемешивании, так называемое диффузионное смешивание (II); сосредоточение частиц в отдельных местах (III) смесителя, так называемое сегрегация частиц.

 

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента неоднородности от времени смешения

Идеально  в результате смешения должна получиться такая смесь материала, что в  любой её точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают  частицы другого компонента в  количествах, определяемых заданным соотношением. Например, если материал состоит из трех компонентов, массы которых  относится как числа А:В:С, то в любом достаточно малом объёме, взятом в случайной точке смесителя, после смешения массы компонентов тоже должны относится как числа А:В:С. Однако такое идеальное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается.

Чтобы оценивать  качество смешения одной случайной  величиной, смесь (материал) условно  считают двухкомпонентной. Для этого  из смеси выделяют какой-либо один компонент, называемый основным, остальные компоненты объединяют во второй условный компонент. По степени распределения ключевого компонента в смеси, то есть втором условном компоненте, судят о качестве смешения.

Разработано довольно много формул для расчёта  критерия качества смешения. Например, при непрерывном увеличении поверхности  раздела между компонентами за сёт  внедрения (диффузии) процесс смешения представляется в следующем виде:

 

S=S(1-e)

 

          где S – текущая величина поверхности раздела; S - максимальная возможная поверхность раздела; е – основание натурального логарифма; к – коэффициент пропорциональности; t – время смешения.

Иногда  процесс смешения связывают с  влиянием размера и плотности  частиц отдельных компонентов, то есть с влиянием сегрегации (расслоения). Степень перемешивания без учета  расслоения (содержание данного компонента в контрольных пробах в долях  от теоретического):

 

M=1-e

          где А – постоянный коэффициент, учитывающий свойства материала, тип и режим работы смесительной машины; t – время перемешивания.

Современное производство строительных материалов, потребляющее многокомпонентные сырьевые смеси, предъявляет повышение требования к процессу смешения, поскольку качество готовых изделий во многом зависит  от однородности и качества сырья.

Наибольшее  распространение для оценки качества смешения получил коэффициент неоднородности (вариации), %:

 

 

          где  - среднее квадратичное отклонение концентрации ключевого компонента в пробах, %; С – среднеарифметическое значение концентрации ключевого компонента в пробах, %; С - значение концентрации ключевого компонента в i-й пробе; n – число анализируемых (отработанных для анализа) проб.

При приготовлении  бетонов и растворов качество смешения обычно оценивают по коэффициенту вариации прочности случайных образцов (кубиков). При модернизации или создании нового бетоносмесителя эффективность  смешения оценивается сопоставлением кубиков прочности бетона и коэффициента вариации прочности, получаемых после испытания машин до и после модернизации.

Под кинетикой  смешения понимается закономерность протекания процесса во времени. Закономерность изменения  концентрации вещества в потоке при  смешении описывается уравнением:

 

 

Где, Q – расход компонентов, м/с; С, С – концентрация индикатора соответственно на входе в смеситель и на выходе из него, кг/м; d - время; V - объём рабочего органа смесителя, м

 

Среднее время пребывания частиц в ячейках (зонах) смесителя:

 

 

          где g(n) – вероятность нахождение ключевого компонента в m-й ячейке при идеальном его расположении по объёму смесителя; n – количество переходов; - интервал времени (времени скачка).

Среднее время пребывание частиц в условных ячейках (зонах) смесителя, определяет качество смешения, зависит от конструкции  и режима работы смесителя и технологических  свойств перемешиваемых компонентов  смеси и определяется экспериментально. В большинстве промышленных смесителей получают смеси с качеством смешением  ниже 20%.       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Формование центрифугированием

 

Рисунок 6 – Расчетная I и принципиальная II схемы центрифуг

а – роликовой; б – ременной; в – осевой.

 

 

Под центрифугированием (труб, опор для  линий электропередач и т. д.) в  промышленности строительных материалов понимают процесс уплотнения неоднородных смесей в поле центробежных сил.

Центробежная сила инерции, действующая  на частицу смеси:

 

где m- ее масса; - угловая скорость вращения; r- радиус вращения центра тяжести частицы;G- вес частицы;g- ускорение силы тяжести; n- число оборотов.

Существует понятие о критической  окружной скорости, начиная с которой частицы под действием силы тяжести не будут отрываться от внутренней поверхности формы в верхнем положении (рис. 6, I). Для этого должно быть соблюдено условие F_ц≥G, тогда:

n_кр≥

Уплотнение смеси следует проводить  при такой скорости вращения, которая обеспечивает необходимую начальную прочность изделия, достаточную для распалубки его и дальнейшей транспортировки.

Обычно начальная прочность  свежеотформованной трубы характеризуется величиной уплотняющей силы на наружной поверхности:

F_нар==

где F_ц — центробежная сила; А_нар — наружная поверхность трубы; — плотность смеси (усредненная); — угловая скорость; g — ускорение свободного падения;R — наружный радиус изделия; r — внутренний радиус изделия.

Зная необходимую прочность  наружной поверхности трубы R', можно рассчитать требуемое число оборотов центрифуги:

n_{тр =}

 

Внутреннее давление, развивающееся  в формуемой массе в результате действия центробежных сил, непосредственно  воспринимается жидкой фазой. В результате этого возникает избыточное гидростатическое давление, под влиянием которого жидкость фильтруется. Фильтрация будет проходить до тех пор, пока сопротивление движению жидкости в поровых каналах формуемой смеси за счет ее уплотнения не сравняется с избыточным гидростатическим давлением. Гидростатическое давление изменяется по толщине изделия неравномерно. Оно минимально на внутренней поверхности и максимально на внешней. Поэтому вначале жид- кость наиболее полно отжимается из наружных слоев массы и все в меньших количествах по мере приближения к внутренней поверхности. Отсюда и водосодержание массы неравномерно — оно больше во внутренних слоях и меньше во внешних. Так, для бетонных изделий из-за неравнопрочности внутренних и внешних слоев (в результате разного В/Ц) это имеет первостепенное значение.

Неравноплотность центрифугированной массы выражается не только структурной  неоднородностью гидратированного связующего за счет отжатия из него воды к уменьшения толщины гидрат- ных оболочек, но и в характере распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Более крупные зерна за счет большей центробежной силы прижимаются к наружной поверхности, а мелкие зерна концентрируются ближе к внутренним слоям. Поэтому центрифугированные массы в отличие от вибрированных имеют меньшую однородность распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Этот органический недостаток центрифугированных масс может быть устранен при послойном уплотнении.

При малых толщинах последовательно  загружаемых и уплотняемых слоев отдельные фракции заполнителя распределяются в них более равномерно. В процессе уплотнения последующего слоя крупные зерна заполнителя внедряются во внутреннюю часть предыдущего слоя и вытесняют более дисперсную часть связующего во внешнюю часть второго слоя. Аналогичные явления происходят и при уплотнении последующих слоев. В результате достигается более равномерная структура смеси по толщине изделия. Число слоев при раздельном их уплотнении при прочих равных условиях зависит от толщины стенки: чем она больше, тем больше должно быть уплотняемых слоев. Послойный способ формования целесообразно применять к смесям, имеющим большую разницу в массах отдельных частиц (например, бетонные смеси) и нежелательно для смесей, масса отдельных частиц которых близка по величине.

Уплотнение смеси методом центрифугирования  производят в специальных машинах, называемых центрифугами. По способу  закрепления форм различают центрифуги роликовые со свободным вращением форм, ременные с подвеской формы на бесконечных ремнях, огибающих холостые и приводные шкивы, и осевые или шпиндельные (рис. 6, II).

Осевые центрифуги имеют высокие  скорости вращения и позволяют уплотнять более жесткие смеси. Недостаток их — сложность конструкции и трудность загрузки смеси в форму. Применяются они для производства относительно коротких изделий.

Роликовые центрифуги проще в изготовлении, однако их недостаток-значительный шум при работе. Кроме того, они требуют высокой степени сбалансированности формы, в противном случае возможно сбрасывание формы со станка. Ременные центрифуги менее чувствительны к балансировке форм, менее шумны при работе, но требуют повышенного ухода из-за износа ремней.

 

3.3 Тепловлажностная обработка

 

Тепловлажностной (или гидротермальной) обработкой называют процесс одновременного воздействия на материал теплоты и влаги. В производстве строительных материалов тепловлажностной обработке как основной технологической операции подвергают бетонные изделия, силикатный кирпич, некоторые виды безобжиговых огнеупоров, композиции на основе полистирола и поливинилхлорида. Тепловая обработка минеральных строительных материалов ускоряет силикатное твердение составляющих, а полимерных материалов — вспенивание соответствующих композиций.

В качестве теплоносителей для тепловлажностной обработки применяют водяной  пар, горячую воду и нагретый воздух с повышенной относительной влажностью. В последнем случае за счет выделения влаги из материала теплоноситель представляет паровоздушную смесь с большим или меньшим содержанием влаги. Тепловлажностная обработка может осуществляться при атмосферном давлении в камерах, формах, шнеках и при повышенном давлении в автоклавах и герметических формах.

Процесс обработки, как правило, делят на три периода: нагрев материала до температуры греющей среды, выдержка при максимальной температуре, охлаждение. Окончанием периода нагрева считают время, при котором поверхность материала нагреется до температуры теплоносителя. Второй период часто условно называют периодом изотермической выдержки. Условность названия связана с тем, что центральные слои материала в начале периода продолжают нагреваться, так как их температура отстает от температуры поверхности. Период охлаждения протекает без подачи теплоносителя в установку.

При тепловлажностной обработке полимерных материалов в  горячей воде окончанием процесса является прекращение вспучивания материала.

Механизм  тепло- и массопереноса при тепловлажностной обработке.Если при тепловлажностной обработке изделий греющей средой является пар или паровоздушная смесь с высокой относительной влажностью, а температура поверхности материала ниже температуры точки росы, то на поверхности изделия образуется пленка влаги. Для выяснения процессов, проходящих в материале, рассмотрим бесконечную пластину и проанализируем направление составляющих потока массы q_m. Величина и направление составляющей потока q_muпри прочих равных условиях будет определяться временем, прошедшим с момента формования изделия до помещения его в тепловую установку. Если оно значительно, то в толще пластины за счет испарения влаги с поверхности успеет установиться пораболический характер распределения влаги. При внесении пластины в паровую среду на ее поверхности образуется пленка конденсата и влагосодержание поверхности U_nстанет больше влагосодержания центра £/_ц. Через некоторый промежуток времени за счет диффузии влаги от поверхностных слоев к центру влагосодержание в пластине будет характеризоваться кривой,сплошной линией.

Таким образом, в начале процесса пропарки влага  движется от центра и от поверхности  изделия к плоскости х, причем сама эта плоскость постепенно перемещается от поверхности к центру.

Механизм  тепло- и массообмена при тепловлажностной обработке в случае отсутствия пленки конденсата на поверхности материала принципиально не отличается от механизма, разобранного при сушке изделий. Знание этого механизма позволяет регулировать технологические параметры тепловой обработки таким образом, чтобы исключить возможность «пересушки» бетона, особенно его поверхностных слоев, и в то же время снизить общую влажность изделий. Так, при пропарке керамзитобетона в щелевых камерах, оборудованных ТЭНами, в течение всего периода тепловой обработки из бетона уделяется 50...70 кг влаги, что вполне безопасно, так как оставшейся воды с избытком хватает на гидратацию цемента. Конечная влажность бетона при этом составляет 10... 13% против 18...20% при обогреве паром. А это значит, что такие панели в течение нескольких лет в процессе эксплуатации будут иметь большее термическое сопротивление, чем панели, прошедшие термическую обработку в камерах обогрева паром. Поэтому пониженная влажность стеновых панелей приводит к значительной экономии теплоты на отопление и улучшает санитарно-гигиенические условия жилья.