Введение. Центрифугированные колонны изготавливают обычно из пластичных бетонных смесей с подвижностью П1 и осадкой конуса 2-3 см. В процессе изготовления по причине воздействия на частицы бетонной смеси центробежных сил происходит отжим избыточной воды [1-4], которая вытекает из формы в виде шлама, и свежеотформованный бетон обладает достаточной прочностью для транспортировки форм с изделиями к пропарочным камерам.
Для создания вращательного движения применяются центрифуги с приводом от электродвигателей постоянного тока с регулируемыми скоростями. Данное оборудование обеспечивает два режима работы: 1 – распределение бетонной смеси и 2 – ее уплотнение [5].
Для настоящих исследований была разработана и применена опытно-лабораторная установка-центрифуга ЦСРЛ-1 с электродвигателем постоянного тока с тиристорными блоками питания. Это обеспечивало плавное переключение скорости путем изменения частоты вращения вала электродвигателя. Принципиальная схема экспериментальной центрифуги ЦСРЛ-1 с формой приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной лабораторной центрифуги ЦСРЛ-1 с формой:
1 – шкив привода центрифуги; 2 – ведущий опорный каток; 3 – ведомый опорный каток; 4 – упор вала опорной муфты с шарикоподшипником; 5 – крепеж упора к станине (болт М12); 6 – форма; 7 – соединение половинок формы (болт М8)
Основная часть. Оптимизацию параметров процесса уплотнения на лабораторной установке-центрифуге проводили с применением метода математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к). Время распределения и уплотнения бетонной смеси методом центрифугирования принято исходя из рекомендаций B40 [ ].
За базовый принят состав тяжелого бетона класса B40 [ ], представленный в таблице 1.
Таблица 1 – Расход компонентов базового состава тяжелого бетона класса В40 П2
Значения факторов варьирования и их физический смысл представлены в таблице 2.
За функцию отклика были приняты следующие параметры:
- Y1 (X1, X2) – средняя плотность образца центрифугированного изделия – 2428 кг/м3;
- Y2 (X1, X2) – толщина образца центрифугированного изделия – не менее 15 мм.
Таблица 2 – Значение факторов варьирования ПФЭ 2к
|
№ п/п |
Код фактора |
Физический смысл фактора |
Ед. измерения |
Интервал варьирования |
Уровни фактора |
||
|
-1 |
0 |
+1 |
|||||
|
1 |
X1 |
время уплотнения |
мин |
±1,5 |
5,0 |
3,5 |
2,0 |
|
2 |
X2 |
количество оборотов |
об. |
±200 |
800 |
1000 |
1200 |
Среднюю плотность тяжелого бетона и толщину стенок изделия контролировали в возрасте 28 суток.
План эксперимента и результаты параметров оптимизации приведены в таблице 3.
Таблица 3 – План эксперимента и результаты параметров оптимизации
|
№ |
Кодирование переменных |
Натуральные значения |
Значения параметров оптимизации |
||||
|
Х1 |
Х2 |
Х1 |
Х2 |
δ, мм |
ρ, кг/м3 |
||
|
1 |
-1 |
-1 |
5,0 |
800 |
20 |
2575 |
|
|
2 |
-1 |
0 |
5,0 |
1000 |
15 |
2630 |
|
|
3 |
-1 |
+1 |
5,0 |
1200 |
17 |
2600 |
|
|
4 |
0 |
-1 |
3,5 |
800 |
22 |
2560 |
|
|
5 |
0 |
0 |
3,5 |
1000 |
19 |
2620 |
|
|
6 |
0 |
+1 |
3,5 |
1200 |
17 |
2595 |
|
|
7 |
+1 |
-1 |
2,0 |
800 |
26 |
2470 |
|
|
8 |
+1 |
0 |
2,0 |
1000 |
21 |
2500 |
|
|
9 |
+1 |
+1 |
2,0 |
1200 |
23 |
2480 |
|
По результатам исследования методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, представленные в виде полиномов 2-й степени:
Cтатистический анализ полученных уравнений регрессии оценивали по трем критериям: однородности дисперсий, значимости коэффициентов и адекватности, которая проверялась с помощью критерия Фишера.
По результатам экспериментов определяли: критерий Фишера (F); дисперсию (D20 ); среднеквадратическое отклонение (So) и среднеквадратическую ошибку в определении коэффициентов ( ), которые приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Статистические критерии оптимизации
|
Наименование выходного параметра уравнения |
Статистические критерии |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Средняя плотность центрифугированного изделия, кг/м3 |
4,475 |
75,97 |
8,72 |
15,11 |
|
Толщина стенки центрифугированного изделия |
4,25 |
1,841 |
1,357 |
2,353 |
По расчетному значению t – критерия Стьюдента устанавливали значимость коэффициентов уравнений. Значения полученных коэффициентов сведены в таблицу 5.
Таблица 5 – Расчетные коэффициенты уравнений регрессии
|
Наименование выходного параметра уравнения |
Значения коэффициентов уравнений |
|||||
|
B0 |
B1 |
B2 |
B3 |
B4 |
B5 |
|
|
Средняя плотность центрифугированного изделия, кг/м3 |
2616 |
-59,62 |
13,72 |
-47,99 |
-38,96 |
4,3 |
|
Толщина стенки центрифугированного изделия |
17,59 |
2,80 |
-1,57 |
1,58 |
2,477 |
-0,488 |
Статистическая обработка данных выполнялась с помощью программы «Mathcad», что позволило получить уравнения регрессии в виде полиномов второй степени:
Графическая интерпретация математических зависимостей представлена на рисунках 2 и 3.
Как видно из уравнения (2) отрицательную роль в уплотнении центрифугированного изделия играет время уплотнения (-59,62·X1), изменение которого в сторону увеличения не приводит к существенному изменению плотности. Вместе с тем, положительное влияние на показатель плотности оказывает повышение оборотов вращения центрифуги (13,72·X2), что приводит к увеличению центробежного усилия.
Выводы. По результатам проведенного эксперимента были установлены оптимальные параметры для центрифугирования кольцевых изделий из тяжелого бетона:
- время уплотнения примерно τ=3,5 мин;
- количество оборотов вращения n=1000 об/мин.
Отметим при этом, что наиболее эффективным параметром регулирования средней плотности и соответственно толщины стенки центрифугированного изделия являлось количество оборотов вращения.
Кроме того, рост средней плотности положительно влиял на все физико-механические свойства тяжелого центрифугированного бетона.
