Из опыта конструирования, изготовления и эксплуатации
смесителей для поризованных бетонов

Аннотация. Автор  анализирует результаты многолетней работы Воронежских ученых, специалистов и конструкторов по тематике производства и использования мелкозернистых поризованных бетонов в широком диапазоне плотностей, которые могут приготавливаться в специальных смесителях.

Ключевые слова: смесители, поризованный бетон, опытно-экспериментальное конструирование, эксплуатация машин и механизмов, строительство.

Не вдаваясь в теорию и конструкции известных и выпускаемых серийно растворо- и бетоносмесительных установок, констатируем как факт, что потребность в появлениии для целей строительства новых композитных строительных материалов заставляет специалистов искать новые или совершенствовать традиционные технологические и конструкторские решения.

Тема приготовления облегченных и легких бетонных смесей, которая в последние десятилетия получила толчок к развитию прежде всего по причине повышения требований к теплозащитным характеристикам зданий и сооружений, является очень актуальной.

В Воронежском инженерно-строительном институте с начала 70-х годов под руководством проф. Помазкова В. В. была развернута активная научно-исследовательская работа по продвижению в строительную практику мелкозернистых поризованных бетонов различной плотности, которые отличались от других видов ячеистого бетона способом создания в смесях устойчивой струкукры воздушных пор, а именно, путем управляемого процесса воздухововлечения в период перемешивания необходимых компонентов.

В результате был конкретизирован не только необходимый и достаточный набор компонентов смесей, сформулированы требования к их свойствам, но и разработано техническое задание на конструирование специальных смесителей для производства смесей.

Эти смеси могли быть только мелкозернистыми на основе песков мелких фракций и, прежде всего, этот фактор определил форму, размеры, конструктивные особенности, скорость вращения активной части, мощность привода и т.п.

Наметились два пути по разработке устройств для воздушной поризации смесей. Первый был реализован в порогенераторе типа ПГ-1 (патент № 2109557 от 29.02.96 г.).

Опытные образцы этого устройства эффективно отработали в 1993 году в процессе строительства первого опытно-экспериментального объекта трехуровневого монолитного административного корпуса на производственной базе СМУ-43 в г. Воронеже.

С 1999 года было организовано производство опытных партий этих агрегатов , которые следует рассматривать как дополнительную насадку к серийным штукатурным станциям.

Неоднократные попытки организовать серийное производство ПГ-1 на заводе строительных отделочных машин (СОМ) в г. Лебедянь Липецкой области  к результату не привели.

 Более плодотворным оказался второй вариант конструирования устройств для поризации смесей. 

Опытный образец такого устройства был изготовлен в Воронежском инженерно-строительного институте в 1987 г. с участием молодого ученого Перцева В. Т.

К середине 90-х годов такой агрегат стал известен в широких кругах пенобетонщиков как и понятие «баротехнология», благодаря группе специалистов под руководством проф. Удачкина И. Б.

К этому времени группой молодых специалистов в г. Белгороде уже выпускались опытные партии смесителей типа СПБУ-3.

С 2002 года в г. Воронеже был организован выпуск модифицированной установки СПБУ-4.
Именно такой вариант с 2005 года прошел сертификацию в Украине и стал поставляться для работы строительных бригад в Севастополе, Евпатории, Киеве. (См. фото 1).

фото 1.

Очередной вариант модифицированной конструкции поробетоносмесителя был изготовлен в  Севастополе в 2013 году и сейчас осуществляются его эксплуатационные испытания  и доработка до требуемого уровня удобства и надежности. (См. фото2).

Фото 2.

Теоретической основой предлагаемых решений при конструировании специальных смесителей для поризованных смесей являются принципы механо-химической активации всех компонентов смеси на их микроуровнях: песчинка, зерно цемента,  молекула воды, отдельная нить фибры и т.п.

Наиболее полно они реализуются в высокоскоростных турбулентных установках с вертикальным валом активатора.
Требования к скорости вращения активатора в зависимости от плотности смеси оптимизированы в диапазоне 750≤V≤1000 об/мин, а его размеры и форма определялись в соответствии с гидродинамическими критериями Вебера и Рейнольдса.
Эти экспериментальные выводы нашли наиболее полное обоснование в диссертационном исследовании представительницы Воронежской научной школы бетоноведения Ткаченко Т. Ф. (2009 год; тема: «Совершенствование ранней структуры неавтоклавных пенобетонов»).

Помимо высоких угловых скоростей при премешивании очень важной является линейная скорость по внешнему периметру ёмкости смемителя, где на стыке нижнего конуса и борта цилиндра внутри рабочего объема приварены отражатели-кавитаторы, за счет которых более эффективно происходит формирование мельчайших воздушных пузырьков вследствие эффектов поверхностного натяжения пленок воды в присутствии специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Размер этих пузырьков и их удельная поверхность в общем объеме как раз и определяют итоговую плотность и устойчивость структуры приготавливаемых смесей.
В дальнейшем в процессе гидратации вяжущего происходит формирование вторичной кристаллической структуры в исходном массиве формуемых смесей.
Динамика процесса гидратации во многом зависит не только от показателя активности вяжущего, но и от энергетической активности зерен песка, как подложки-образца для формирования новообразований кристаллогидратов, а также, что очень важно, от энергетической «накачки» диполей-моллекул воды, под воздействием которых происходит дезагрегация (образование сольватной оболочки) зерен вяжущенго с последующим формированием различных кристаллогидратов и их агрегацией в макроструктуру.
 
ПАВ выполняет в таких смесях роль катализатора при образовании воздушных пузырьков, очищает и активирует зерна песка, а также эффективно способствует повышению дипольности молекул воды.

Энергия электропривода, в свою очередь, преобразуется во внутреннюю энергию микроэлементов смеси и в последующем эта самоорганизующаяся система из анионов, катионов, электронов и протонов (ядер атомов водорода) под воздействием внутренних факторов и внешней среды создает «исскуственный камень» в соответствии с законами природы по минимизации внутренней энергии системы (переход в энергетическую «яму»).

Именно поэтому важно выбирать оптимальную мощность электропривода с учетом ограничений по стоимости, массе, ремонтопригодности и т.п.

Многолетняя производственная практика показала, что наиболее оптимальным объемом для рабочей емкости является диапазон V=0,25÷0,33 м³ с приводом мощностью Р=5,5 кВт при использовании нижнего опорного узла с энергообеспечением от
трехфазной сети ~380 V.
Верхний опорный узел с приводом Р=3-4 кВт оказался оптимальным при энергообеспечении смесителя от однофазной сети ~220 V.

Габариты установки определялись из соображений эргономики и необходимости заносить её внутрь строящихся объектов, т.е. в соответсвии с размерами дверей и окон.

Этим же обусловленны ограничения по массе изделия.

Оказалось, что образивность перемешиваемых смесей проявляется значительно ниже, чем в обычных бетонах и растворах вследствие использования ПАВ, а потому толщина металла для рабочей емкости выбрана δ=3 мм.

Жесткость рабочей емкости (бочки) от воздействия внутреннего давления (1 атм. и выше) достигается за счет особенностей формы (цилирдр+конусы нижний и верхний), а также привариванием дополнительных усиливающих ребер.

Загрузочное окно (люк, отверстие) сделано круглым, жестким, чтобы выдержать прижим крышки с целью обеспечения герметичности при премешивании и выгрузке емкости по принципу камерного насоса.

Надежный прижим герметизирующей крышки достигается рычажным червячным клином или трапециевидным винтом.

Избыточное давление с требуемыми параметрами достигается в рабочем объеме за счет компрессора.
Контроль давления в смесителе осуществляется с помощью обычного манометра (Р=0÷4 атм.). Рекомендуемые давления при приготовлении поризованных смесей не превышает 1 атм., что можно считать малоопасным по требованиям техники безопасности. 

Размер отверстия для загрузки компонентов смеси определялся с учетом возможности выгрузки емкости ведрами при поломке выпускного крана и других нештатных ситуациях.

Расстояние от загрузочного кольца до днища не должно быть больше длины руки человека, т.к. порой необходимо доставать камни, окаменевшие куски цемента, куски металла и другие посторонние предметы, попавшие вовнутрь, а также прочистки выпускного патрубка от кусков глины и уплотнившегося песка.

Уровень и место расположения загрузочного отверстия по правилам эргономики должны быть удобными для загрузки воды, цемента, песка и других компонентов.

Диаметр выпускного патрубка целесообразно выбирать в диаппазоне Dу=50÷100  в зависимости от конструкции выпускного крана (шаровый Dу=50, шиберный Dу=65÷100).

Шланги для трансортировки смесей можно использовать как традиционные для штукатурных станций, так и пожарный рукав, что гораздо дешевле и часто удобнее.

Отличительной особенностью Севастопольской конструкции смесителя от всех других вариантов является использование привода с двумя электродвигателями (требуемую мощность на валу разделили на два), что должно обеспечить:

1) возможность запуска через блок конденсаторов с использованием одного двигателя от однофазной сети ~220 V;

2) резервирование в приводе;

3) повышение надежности опорного узла за счет устранения одностороннего изгибающего усилия на вал от ременной передачи.

Следует отдельно прокоментировать наше решение по герметизации опорных узлов как с нижним, так и с верхним расположением привода.

С уплотняющей сальниковой набивки, начиная с СПБУ-3 мы перешли на специальную форму вала со стандартными сальниками ø 40 мм и подшипниками 62208.

Смазку типа ЦИАТИМ нагнетаем с помощью обычного шприца-насоса через три штуцера, расположенных под углом 120º в специальной обойме, чтобы выдавливать слои смазки, куда может попадать цементное молочко в процессе естественного износа уплотняющей резиновой прокладки в той части опорного узла, который прилегает к рабочему объему смесителя.

Прокачивать (обновлять) смазку желательно после каждого рабочего дня.
Такое регулярное текущее обслуживание опорного узла позволило обеспечить работу валов без их замены для приготовления более 500 м³ поризованных смесей.

В случае проявления протечки опорного узла, обнаружения задиров в зонах крепления сальников и др. дефектах, возможно протачивать вал под сальники меньшего диаметра, например ø 38 мм, что существенно продляет работу такого сложного и дорогостоящего элемента, как рабочий вал.

С точки зрения надежности и долговечности работы смесителя типа СПБУ-4 мне известны изделия, которые работают с 2002 года и одно из них в г. Севастополе.

Образивность приготавливаемой смеси проявилась только в том, что пришлось в 2012 году заменить лопасти активатора, которые изготавливались из специальной стали, но истерлись на ~30% и перестали соответствовать критериям Вебера и Рейнольдса.

Большинство пользователей отмечают простоту и надежность наших агрегатов.
Но не мало было и таких, кто отмечая их «примитивную» простоту начинал их  совершенствовать, добавляя, к примеру, поддув-аэрацию и т.п.
 
Но еще больше таких, кто не совершенствует, а просто критикует наши изделия, что-то советует, демонстрируя тем самым, что они, если не все, то очень многое знают в этом вопросе.

Мне же , как инноватору, предпочтительнее быть не знатоком-теоретиком, а экспериментатором-антисоветчиком.
Конечно риски от экспериментирования бывают очень велики, требуется много времени, настойчивости, понимания у помощников, плюс непредсказуемый уровень финансовых затрат.

Пусть и оппоненты так же доказывают не словами, а делами, что у них результаты лучше.

В дополнении к изложенному хочу еще раз отметить эффективность рабочего объема смесителя V=0,25м³.
Это не только 4-5 замесов и получается 1 м³ смеси. С учетом полного цикла приготовления-укладки за 6÷8 минут, двое рабочих могут приготавливать 1,5-2,0 м³/час смеси нужной стабильной плотности.

Такая установка идеально соответтвует требованиям мобильности. Её легко грузить вручную и перевозить на прицепе легкового автомобиля и даже вести приготовление смесей не снимая с прицепа.

Такую установку четверо рабочих сравнительно легко поднимают по лестничным маршам на любой этаж объекта, особенно с колесным вариантом рамы-шаси.

Если же наш смеситель, помимо обязательного компрессора, дополнить надежным электрогенератором требуемой мощности, то бригада получает для работы автономный комплект оборудования для производства широкого набора общестроительных, ремонтных и отделочных работ с использованием универсального строительного материала-мелкозернистого поризованного бетона.
 

Г. И. Черноусенко.