Identyfikacja problemu urabialności w procesach przetwarzania i transportu mieszanki betonowej

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ Sorias BUDOWNICTWO a. 68

1988 Nr kol. 963

Janusz Szwabowski Politechnika Śląska

IDENTYFIKACJA PROBLEMU URABIALNOŚCI V PROCESACH PRZETWARZANIA I TRANSPORTU MIESZANKI BETONOWEJ

Streszczenie. W artykule przedstawiono fizyczne podstawy trak

towania problemu urabialności w procesach mechanicznego przetwa

rzania i transportu mieszanki betonowej.

1. Wstęp

Pomimo wielkiej ilości prac badawczych, poświęconych dotychczas problemowi urabialności mieszanki betonowej, nie został on do tej pory zidentyfikowany fizykalnie. Urabialność traktowana jest jako ogólne wra

żenie, subiektywny osąd Powers JlJ Tattersall £2^), czyli w kategoriach bardziej psychologicznych niż fizycznych ^L^Hermite M.Reiner

wyraził nawet opinię, że "... takie określenie jak urabialność, będące wynikiem złożonej składni wrażeń niemierzalnych, odczuć intuicji, zna

ne w psychologii jako "Gestalt", jest uważane za rzecz, która nie może być całkowicie wyjaśniona".

Przyczyny takiego stanu rzeczy tkwią w rozpatrywaniu i formułowaniu pojęcia urabialności w umownyoh kategoriach pojęciowych tradycyjnej tech

nologii betonu. Postulat znalezienia jednej obiektywnej cechy mieszanki betonowej opisująoej jej zdolność do pożądanego zachowania się w okreś

lonych warunkach i metodach wykonywania betonu , które mogą być wielorakie i różnorodne, jest nierealny. Trudno się dziwić, że pomimo bardzo wielu prób nie został spełniony. Próby taicie nie mogą rokować powodzenia bowiem w świetle fizyki, o zachowaniu się materiału w określonych warunkach prze sądzą nie jedna cecha a cały kompleks Jego właściwości. V warunkach mecłia nizacji procesów przetwarzania i transportu mieszanki nie wystarcza su

biektywny osąd o podatności mieszanki na urabianie. Projektowanie proce

sów, obejmujące dobór parametrów mieszanki i parametrów maszyn, wymaga określenia lub wskazania wielkości i cech fizycznych oraz ich związków, identyfikujących problem urabialności w sposób obiektywny.

(2)

132 J .Szwabowaki

2. Identyfikacja fizyczna urabialności

Założeniem podstawowym i wyjściowym do obiektywizacji pojęcia ura

bialności Jest zachowanie intencji wprowadzania i stosowania tego termi

nu, ożyli umożliwienie oceny Jak dobrze dana mieszanka betonowa odpowiada zastosowanej, szczególnej metodzie produkcji i układania, w danych warun

kach pracy Powera £l] .

Z punktu widzenia urabialności interesują nas tylko procesy związane z wykonywaniem pracy mechanicznej (mieszanie, transport, układanie, za

gęszczanie), w których mieszanka betonowa poddawana jest działaniu obcią

żeń zewnętrznych. Ponieważ mechaniczne zmiany stanu mieszanki, zachodzące pod wpływem tych obciążeń, mają charakter nieustalony,ze względu na za

leżność stanu odkształcenia od czasu £ć, 7j«problem urabialności należy rozpatrywać na gruncie reologii. Zachowanie się mieszanki podczas wymię- nionyoh procesów Jest więc kwestią jej właściwości Teologicznych. Głów

nymi czynnikami urabialności są zatem właściwości reologiczne mieszanki oraz układ obciążeń zewnętrznych, charakterystyczny dla metody realizacji procesu.

Właściwości reologiczne mieszanki stanowią o oporze stawianym przez mieszankę odkształceniu. Są one konsekwencją stanu jej struktury, który uwarunkowany jest składem mieszanki oraz charakterystykami fizyko-chemicz

nymi i geometrycznymi składników. Jako trójfazowy układ dyspersyjny, o wysokiej koncentracji fazy stałej w fazie ciekłej, mieszanka betonowa ma złożone właściwości reologiczne, objawiające występowanie wszystkich trzech cech reologioznyoh: sprężystości, plastyczności i lepkości. Dla różnych mieszanek różny może być stopień występowania tych cech.

Jak wynika z dotychczasowych badań C2, 5, 7^ właściwości reologiczne mie

szanki opisać można równaniem

* - = ? pi / v

w którym

- naprężenie styczne ( 7 pi “ lepkość plastyczna (

- prędkość ścinania

t* 0 = o + 6"^. tg - granica płynięcia,'

Granica płynięcia Tq jest wartością naprężeń^ powyżej której rozpoczyna się płynięcie plastyczne mieszanki. Jest ona sumarycznym efektem spójnoś

ci o i tarcia wewnętrznego ts^f w mieszance.

Układ obciążeń zewnętrznych, w ogólności, ma za zadanie wywołać pożądany stan odkształcenia lub (i) ruchu mieszanki, zgodny z zasadą realizacji procesu technologicznego. Praktycznie, każdy z rozpatrywanych procesów

(3)

Identyfikacja problemu urabialności .

»33

technologicznych jak i poszczególne metody ich realizacji różnią się- po

między sobą charakterystycznym układem obciążeń zewnętrznych.

Związek pomiędzy obciążeniem a odkształceniem opisuje równanie Teolo

giczne mieszanki /1/. Natomiast ruch mieszanki wywołany przyłożeniem sił zewnętrznych jest kwestią transportu prądu w mieszance,który opisać nożna zgodnie z drugą zasadą ruchu Newtona równaniem:

F +S F + F .

c F„ 5T dV

£ v

^dia

dt /Z/

gdzie F^ oznacza siłę zewnętrzną od maszyny, mieszanki, pompy, wibratora itp. , F siłę grawitacji, F , F - , F« siły oporu mieszanki od spójności,

& C F <(jy

tarcia wewnętrznego i lepkości, ¿ s ~~jV sumę sil bezwładności od zmia

ny prędkości ruchu mieszanki a Z. V ~ sumę sił bezwładności od zmiany masy określonej objętości mieszanki.

Zauważmy, Ze obydwa czynniki urabialności mają charakter zmiennych niezależnych. Własności reologiczne są bowiem samoistnymi właściwościami mieszanki i mogą być kształtowane poprzez odpowiedni dobór jej składu.

Z kolei, układ obciążeń zewnętrznyoh jest konsekwencją metody technolo

gicznej i może byó kształtowany poprzez dobór charakteru i wartości ob- cią.eń.

Jest oczywiste, że właściwości reologiczne mieszanki i układ obciążeń zewnętrznych są także głównymi czynnikami technologicznymi każdego z pro

cesów mechanicznego przetwarzania i transportu. Rozpatrzmy najpierw przy

padek pojedynczego procesu przedstawiony na rys. 2.1. Warunkiem realiza

cji celu procesu jest współdziałanie obu zmiennych czynników. Im stopień współdziałania wyższy tym większa efektywność procesu wyrażona stosunkiem efektu procesu do ilości wykonanej w tym celu pracy mechanicznej.

RYS.2.1. FIZYCZNY MODEL URABIALNOŚCI DLA POJEDYN

CZEGO PROCESU

(4)

J.Szwabowski

Relacje pomiędzy właściwościami reołoglcznymi mieszanki a układem ob

ciążeń zewnętrznych rozważań należy w ujęciu makroreologicznytn. Takie ujęcie pozwala na analizę zachowania się mieszaniu., w różnych stanach obciążeń, w oparciu o Teologiczne równanie jej stanu.

Warunkiem ilościowego opisania stanu odkształcenia mieszaniu betono

wej Jest Jednak określenie relacji pomiędzy układem obciążeń a stanem naprężeń w mieszance.

Możliwa zmienność struktury wpływa na własności makroreologiczne mie

szanki poprzez zmiany wartości jej charakterystyk reclogicznyeh - ¡para

metrów równania Teologicznego.

Dla pojedynczego procesu najkorzystniejszy efekt można uzyskać po

przez optymalny dobór właściwości Teologicznych mieszanki i układu ob

ciążeń zewnętrznych, ze względu na efekt procesu. Vtedy współdziałanie obu czynników jest najsilniejsze,co odpowiada stanowi najlepszej urabial- ności. Teoretycznie, stan taki można zapewnić poprzez identyfikację właś

ciwości Teologicznych mieszanki i stanu naprężeń w mieszance oraz matema

tyczną analizę ich współdziałania, co jednak wymaga sformułowania matema

tycznego modelu procesu. Przy aktualnym poziomie wiodzy nie jest to jesz

cze w pełni możliwe. V sytuacji braku modeli procesów lub ich niedoskona

łości, postępowanie takie daje jedynie jakościowe wskazania, które muszą być uzupełnione danymi z badań eksperymentalnych. Praktycznie, optymali

zację doboru obu czynników urabialności dokonać można na podstawie wyni

ków odpowiednio zaplanowanych badań eksperymentalnych . Kryterium optyma

lizacji jest maksymalny efekt procesu.

Rozważmy teraz przypadek kilku procesów tworzących ciąg technologicz

ny robót betonowych (rys. 2.2). Są to procesy mieszania, transportu, ukła

dania i zagęszczania. Każdy z tye': procesów ma inny cel. a więc różne są kryteria optymalnego doboru czynników urabialności, a mówiąc ogólniej, zmiennych każdego z procesów. Optymalizacja tych zmiennych dokonana dla każdego procesu z osobna, doprowadza do ustaleń najczęściej wzajemnie sprzecznych. Skoro jednak procesy te tworzą ciąg technologiczny to zna- ozy, że mamy w nich do czynienia z tą samą mieszanką betonową. lîie znaczy to, że właściwości Teologiczne mieszanki tracą charakter zmiennej. Znaczy to natomiast, że raz dobrane, pozostają aktualne dla wszystkich procesów, różniących się celem i układem obciążeń zewnętrznych. Konieczność reali

zacji każdego z procesów także wymaga współdziałania obu czynników ura—

bialności, lecz ich dobór musi być rezultatem optymalizacji wielokrytor- ialnej. Każdy z procesów ciągu ma bowiem inne kryterium afektu procesu.

Okazuje się więc, że urabialność nie jest samoistną cechą mieszanki.

Jeżeli ta sama mieszanka może wykazywać różną urabialność dla różnych me

tod technologicznych realizacji tego samego procesu, np. zagęszczanie wibracyjne i prasowanie z próżniowanieis a także dla różnych parametrów obciążeń w tej samej metodzie a tak rzeczywiście jest , to nie może ona

(5)

Identyfikacja problemu urabialncści 135

S K l i A D M I E S Z A Ń . B E T O N O -

W L L r ‘

S T A N S T R U K T U . M I E S Z A N KI

" 1

W Ł A Ś C IW O Ś C I REOlOGICZNE M I E S Z A N K I

L.

E F E K T P R O C E S U M

UK il A O 0 3 C IĄ Z . ZE W N Ę T R ZN Y C H

’ ..T— :

S TA N N A P R Ę Z E N W M I E S Z A N C E

U KŁA D OBCIĄŻEŃ z e w n ę t r z n y c h

S T A N N A P R Ę Z E N W M I E S Z A N C E E F E K T

P R O C E S U T

_ę*_

U K Ł A D O B C IĄ Ż . Z E W N Ę T R Z N Y C H

S T A N N A P R Ę Ż E Ń W M I E S Z A N C E

E F E K T P R O C E S U ^

U K Ł A D O B C I Ą Ż Z E W N Ę T R Z N Y C H

Z U Z

S T A N N A P R Ę Z E N W M I E S Z A N C E

E F E K T P R O C E S U

M E T O D A R E A L IZ A C J I P R O C E S U m*,m łm,.„ m„

M E T O D A R E A L I Z A C J I P R O C E S U

T.JlV L,

M E T O D A R E A L I Z A C J Ą P R O C E S U U,, U,t Us- U«

M E T O D A R E A L I Z A C J Ą P . R O C E S U Za Zj.Z,. Z„

R.YS.2.2. MODEL U RABIALN OŚCI DLA CIĄGU PROCESÓW

P R O C E S M I E S Z A N I A

P R O C E S T R A N S P O R T U

P R O C E S U K Ł A D A N I A

P R O C E S z a g ę s z c:

być cechą mieszanki samej w sobie* Gdyby nią była, urabialnośó tejże mie

szanki musiałaby być taka sama. Samoistne są natomiast •właściwości reolo

giczne mieszanki, ponieważ są one wyłącznie konsekwencją stanu Jej struk

tury. Właściwości reologiczne nie mogą jednak być traktowane jako synonim urabialncści - jak to proponują niektórzy autorzy [8, 9l• Pojęcie urabial- ności istnieje tylko w układzie: mieszanka betonowa - metoda realizacji procesu. U r a b i a l n o ś ó t o t a k i s t a n t e g o u k ł a d u , r k t ó r y m z a c h o d z i w a p ó l d a i a ł a—

n i e w ł a ś c i w o ś c i r e o l o g i c z n y c h d a n e j m i e s z a n k i i u k ł a d u o b c i ą ż e ń , k t ó r e m u

j e s t o n a p o d d a n a , z ą. w z g l ę d u n a e f e k t p r o o e s u. Brak współdziałania oznacza brak urabialnośoi. Przy opty-

(6)

J . Szwabowski

malnym współdziałaniu, ilość energii wydatkowanej na uzyskanie efektu procesu będzie najmniejsza. ¥ przypadku ciągu procesów, urabialność oznacza współdziałanie właściwości Teologicznych mieszanki i występują

cych układów obciążeń zewnętrznych,ze względu na efekt końcowy ciągu pro- oesów.

Z powyższego wynika, że problem urabialności jest w istocie kluczo

wym problemem racjonalnego projektowania procesów mechanicznego przetwa

rzania i transportu mieszanki betonowej.

3. Kształtowanie urabialności w projektowanjyi procesów

Stan urabialności określony jest wtajemną relacją dwóch czynników - własności Teologicznych mieszanki i układu obciążeń działających na mie

szankę.

Własności Teologiczne mieszanki ze względu na trójfazową, grubodys- persyjną jej strukturę są dość złożone. Z dotychczasowych badań wynika, że mieszanka betonowa jest materiałem o nieliniowych własnościach ideolo

gicznych. Świadczy o tym skokowa zmiana tych własności po osiągnięciu granicy płynności. V konsekwencji obserwuje się dwie odmienne strefy za

chowania się mieszanki poddanej obciążeniu, podzielone strefą płynięcia plastycznego, co ilustruje rys. 3*1.

Z poprzedniego wynika, że urabialność jest kwestią zachowania się mie

szanki betonowej poddanej obciążeniom występującym w procesach jej mecha

nicznego przetwarzania i transportu.

0 zachowaniu tym przesądzają opory wewnętrzne, jakie struktura mieszanki zdolna jest stawić odkształceniom wywoływanym działaniem obciążeń. Na opory te składają się: opór spójności, opór tarcia wewnętrznego, opór sprężysty i opór lepki. Wyrażając je w postaci naprężeń, układ sił dzia

łających w ogólnym przypadku na mieszankę, można zapisać następująco obciążenie zewnętrzne - 't

opór sprężysty - G -f

opór spójności - c

opór tarcia wewnętrznego - tg \f)

opór lepki -

Z analizy właściwości Teologicznych mieszanki wynika, że w jej zachowa

niu się pod obciążeniem wyróżnić można trzy charakterystyczne strefy:

- stref# ciała stałego, - strefę cieczy lepkiej,

- strefę płynięcia plastycznego.

Kryteria Teologiczne wystąpienia poszczególnych stref są ogólnymi kryter

iami urabialnoś ci.

(7)

Identyfikacja problemu urabialnośoi . »37

Mieszanka betonowa zachowuje się jak c i a ł o s t a ł o , gdy naprężenia w mieszance są mniejsze od sumy oporów spójności i tarcia wew

nętrznego, zaś odkształcenia są skończone co do wielkości i proporcjonal

ne do naprężeń, czyli

« 1 i =£• 1

c + tS ^ ^ G

lub

/3.1/

« 1

c + 6-^ tB y

gdzie —g- jest podatnością mieszanki na liniowe odkształcenie postacio

we.

Mieszanka zachowuje się jak c i e c z ł a p k a , gdy naprężenia w mieszance są większe od sumy oporów spójności i tarcia wewnętrznego, zaś różnica naprężeń i sumy tych oporów jest proporcjonalna do prędkości odkształceń, czyli

^- { c + 6T tga))

» t i ---^---

2

£--- U — ~ , /

3

^.

2

^/

Mieszanka płynie plastycznie jeśli naprężenia są bliskie sumie oporów spójności i tarcia wewnętrznego, ożyli

r e f t s f

/3-3/

Gdy

zaś gdy

— — — — — yp 1 płynięcie plastyczno ma tg»|) charakter spójnośćiowy

<£ 1 płynięcie plastyczne ma tg y cliarakter tarciowy

Wiążąc powyższe reologiczne leryteria urabialnośoi ze związkami mikroreolo- gicznymi,opisującymi zależności pomiędzy strukturą mieszanki i Jej para—

metrami reologicznymi . niożna otrzymaó strukturalno - rooiogiczno, ogólna kryteria urahialności.

Ponieważ obydwa czynniki urabialnośoi mają cliarakter sterownych zmiennych technologicznych, kształtowanie urabialnośoi może się odbywać W dwojaki sposób (rys. 3*0* Albo do danej metody technologicznej,

$ o H

CC

<

5 I-

LU Nl CC CL

< *

Nł W

O

o o oc û: _CL

1

^

5

ÜL ST

« <

g 5 > 00 UJ —Ili Ni 2t

0 <

M g <

13-£

s ^ g o

£o £

z

>

_ Z p 2

«g S

P 1/5

</> z i/ł

o ^

_

S * S M<

-en 3 ^

Je P ^

< O ~

‘oo •

°!

o ,

i|.SCD I «

si ce

e

1 o l <

en

>suï

o:

j

__ i

(9)

Identyfikacja problemu urabialnoścl

139

0 charakterystycznym dla niej układzie obciążeń zewnętrznych, dostosowujemy własności Teologiczne mieszanki, albo do własności Teologicznych danej mieszanki, wynikających z jej składu, dostosowujemy układ obciążeń 1 metodę technologiczną procesu. Wzajemne dostosowanie obu czynników po

lega na spełnieniu ogólnych i szczególnych kryteriów urabialnoścl.

Dzięki Teologicznemu ujęciu Zagadnienia urabialnoścl, umowna i su

biektywne kategorie pojęciowe; ciekłośó, zagęszczalnoś ć, posopowalność, stabilność itp., stosowane w technologii do jakościowego opisu składowych urabialnoścl, mogą być zastąpione obiektywnymi kategoriami fizycznymi,ta

kimi jak: lepkość, granica płynności itp. umożliwiającymi opis ilościowy.

LITERATURA

1 Powers T.C.: The Properties of Fresh Concrete. John tfiley Sons Inc.

New .York 1968

2 Tattersall G.H.: The workability of conorete. Viewpoint Publications.

Cement and Cocrete Assoiation. Wexham Springs 1976

3 L*Hermite R. : Reeentes recherches sur la vibration du beton frais.

CSTB nr 7/1950 t

it Reiner M. : Reologia teoretyczna. PVT, Warszawa 1956

5 Murata J., Kikukawa H.: Studies on Theological analysis of fresh concrete. Fresh concrete. RILEM Seminar Proo.’Vol. 1. Leeds 1973 6 Szwabowski J. : 0 potrzebie i metodach Teologicznej idontyfiliacji

masy betonowej. Referaty XX Konf .Nauk. KILiW PAN i KN PZITB, t. , Kraków - Krynica 197**

7 Szwabowski J.: 0 reologii masy betonowej, cz.I, 0 właściwościach Teologicznych masy betonowej. Archiwum Inżynierii Lądowej, t.XXI, z. V 1975

8 Tattersal G.B. : The rationale of a two polut workability tost. 1-tv;, of Concrete Research. No 8it Semtember 1973

9 Banfill P.F.: Workability of flowing concrete. Mag. of Concrete Research. Vol. 32, No 110

XDENTYFICATION OF WORKABILITY PROBLEM IN MECHANICAL PROCESSING OF FRESH CONCRETE

S u m m a r y

In the paper are presented physical bases of treating the problem of workability in mechanical processing of fresh concrete.

(10)

J.Szwabowski

HUEHTHłHKAUHS nPOB/lEMbl YflOBOOPAEATbl BAEMOCTH B I1POUECCAX C03ÛABAHMS H

TPAHCnOPTA BETOHHOtł CMECM

P • s » M •

B flor nano n p e a c T u n i T o c ho bu n p o ó n e m y no 6 oo pa 5a T HB ae «o c TH » npouecci* n e x » H «v e cr or o nponyruHH « rp an c n o p T i óeToHKO# c w e c H .

Wpłynęło do Redakcji. 20.03.1988 r.