1. Kvalitativní hodnota čerstvých betonů
Na stavby je přivážen beton buť ze stabilních betonáren (Transportbeton) nebo jej připravujeme přímo na stavbě. Je to nezpracovaná hmota různých vlastností, podle kterých je nutno volit určité prostředky pro její zpracování. Mezi nejdůležitější hodnoty čerstvých betonů patří zejména:
a) Konzistence či hutnost betonu
Laboratorně je měřena dvojím způsobem na předepsaném kuželovém vzorku čerstvého betonu.
A. Podle Abramse sednutím výšky kužele v cm, jenž bývá v rozsahu 3 - 10 cm i více,
B. Dle DIN 1045 a nyní podle normy EN spodním průměrem rozlitého kužele v cm nebo mm, bývá v rozsahu 35 - 60 cm. V tabulce 1 jsou rozsahy konzistencí u různých druhů čerstvých betonů dle DIN 1045.
b) Vodní součinitel
Je váhový poměr mezi vodou a cementem
Normálně potřebuje cement ke své hydrataci asi 40 % vody, což odpovídá vodnímu součiniteli W = 0,4. Pro různé druhy a účely betonů se tato hodnota pohybuje v rozmezí 0,4 - 0,8.
Uvedené hlavní vlastnosti čerstvého betonu podmiňují jeho mechanickou pevnost, odolnost proti působení vlivu počasí, agresivních látek i jeho těsnost. K dosažení tohoto stavu je třeba dobré zhutnění betonu.
Zhutňování betonu je proces, který vynucuje relativní pohyb všech složek směsi tak, aby se co nejtěsněji seskupily a vytvořily kompaktní hmotu bez mezer vzduchu. Všechny mezery jsou zcela vyplněny cementovou kaší. Za tohoto stavu má zhutněný beton nejmenší objem.
Obr.1
Tento proces lze uskutečnit propichováním, pěchováním, lisováním, válcováním, odstřeďováním, stříkáním, ultrazvukem, injektáží, vakuací, vibrací, případně kombinací uvedených způsobů. Čerstvý beton různých konzistencí dle tabulky 1 ke svému optimálnímu zhutnění vyžaduje různé druhy zhutňovacích prostředků, patrných z tabulky 2.
U nejrozšířenějšího vibračního zhutňování do betonu se přenášejí rychlé kmity (otřesy), získané vibračním budičem v rozsahu 3000 - 1800 ot/min., což je 50 - 300 Hz. Vliv vibrace, působící na čerstvý beton způsobuje ztekucování směsi a tím i uvolňování části záměsové vody, která jako mazivo snižuje vnitřní tření částic. Tím se beton mění v polotekutou látku, v níž se zrna kameniva snaží zaujmout nejmenší a nejstabilnější polohu.
2. Funkční působení vibračního budiče
Na kvalitu zhutňovaného betonu mají zásadní vliv tři důležité hodnoty: odstředivá síla Fc, frekvence f a amplituda A. Tyto hodnoty jsou spolu vzájemně provázané a k dobrému zhutnění nestačí pouze jedna z nich. Tyto hodnoty ve svých závislostech vytvářejí na stroji budič vibrace, který tvoří rotační výstředník, namontovaný na hnací ose (obr. 1) a při jeho rotaci vznikají: a) Odstředivá síla Fc, která svou hmotou - m na výstředníku vytváří radiální kruhovou sílu, odvislou od četnosti otáček.
kde Fc (kN), m (kg) je hmota výložníku, w (stupně/s) je úhlová rychlost, n (1/min) jsou otáčky hnacího hřídele výstředníku. Odevzdávané silové impulsy do betonu způsobují jeho zhutnění.
b) Frekvence vibrace f
Je počet kmitů, předávaných vibrujícím tělesem do betonu, udávaných buť při otáčkách hnacího hřídele za minutu nebo častěji počtem kmitů za sekundu (Hz).
Při ponoření vibrující části do betonu vzniká mezi zrny kameniva rezonance, která se projevuje mezi 15 - 35 Hz i více, a velmi nepříznivě ovlivňuje zhutňovací proces. Velké rozměry kameniva v betonu (nad 32 mm) mají rezonanční frekvenci malou a malé rozměry kameniva naopak frekvenci velkou. Má-li se docílit dobrého zhutnění, musí se nejprve překonat bariéra rezonanční frekvence a pak při vyšší frekvenci dosáhnout žádaného zhutnění. Naše běžné betony mají zrnitosti kameniva do 32 mm, proto je třeba vibrátorů o frekvencích v rozsahu 100 až 200 Hz, což odpovídá počtu kmitů za minutu - 6000 až 12 000 při malé amplitudě. Je prokázáno, že tyto vysoké kmity zlepšují působení vibrátoru, zlepšují proces ztekucování směsi, zmenšují vnitřní tření částic a zvyšují výkon vibrátoru.
c) Amplituda - A (mm) - obr. 2 Je maximální vzdálenost, kterou hlava vibrátoru v určitém směru vykývne od své klidové osy.
Ve zjednodušené formě
Hodnoty m·r viz výpočet odstředivé síly Fc, M (kg) je dílčí hmota ponorného vibrátoru, která tvoří 2/3 až 3/4 celé délky ponorné hlavice. Je třeba rozlišit jednostranný výkyv ponorné hlavice - amplitudu A a vzdálenost oboustranného výkyvu S = cca 2,8 mm.
Obr.2
3. Druhy ponorných vibrátorů
Z hlediska konstrukčního provedení rozeznáváme druhy:
3.1 Ponorné vibrátory s mechanickým pohonem pevného výstředníku s ocelovou spirálou v ohebné hadici.
Jsou složeny ze tří částí:
a) Hnací motor tvoří:
• přenosný elektromotor (obr. 3), který je nejčastější, • ruční elektromotor (obr. 4), pro malé objemy prací,
Obr. 3
• benzinový motor (obr. 5), pro velké objemy prací.
Obr. 4
b) Ohebná hadice délky 3 - 6 m má pod ochrannou vrstvou ocelovou spirálu, která je schopna od motoru přenášet až 12 000 otáček za minutu.
Obr. 5
Vibrační hlavice běžných průměrů 18 - 65 mm, ve které je mezi dvěma ložisky uložen pevný výstředník s otáčkami až 12 000 za minutu, což tvoří kmitočet 200 Hz.
3.2 Ponorné vibrátory planetové s kyvným odvalovacím výstředníkem, mechanicky poháněným od motoru prostřednictvím ohebné hadice (obr. 6).
Obr. 6
Ohebnou hadicí - 1 se od motoru do hlavice přenáší otáčky 3000 1/min, a odvalovací mechanizmus - 3 a 4 v hlavici si sám vytvoří převod na otáčky 12 000 1/min, což je frekvence 200 Hz. Planetový běhoun - 3 v hlavici působí jako výstředník a otáčí se motorem spirálou - 1 v ohebné hadici se vstupními otáčkami n = 3000 1/min a odvalovacím mechanizmem (3 a 4 na obr. 6) se převádí na výstupní kmity 12 000 za minutu, což za sekundu činí 200 Hz. Funkční činnost mechanizmu, kterým se tento převod dosahuje je patrný na obr. 7.
Obr. 7
Planetový běhoun - 1 působí v hlavici jako výstředník, poháněný motorem s otáčkami n = 3000 (1/min). Z počátku se volně otáčí, avšak v důsledku nerovnoměrného rozložení své hmoty se odklání a počne se odvalovat bez klouzání po vnitřní oběžné dráze kroužku - 2, který je pevně spojen s pláštěm hlavice. Obíháním běhounu po vnitřní dráze - 2 vzniká odstředivá síla Fc (N), která se přenáší na hlavici (viz obr. 6). Rozdíl těchto drah po obvodech je k = pí . D - pí . d a způsobuje, že běhoun 1 koná po vnitřní dráze kroužku (2) více oběhů v době jedné otáčky.
Jedna otáčka běhounu kolem vlastní osy odpovídá určitému počtu jeho oběhů po vnitřní dráze kroužku, což je dáno převodovým poměrem.
Jeden celý oběh běhounu (1) po vnitřním průměru pláště D je jeden kmit, takže počet kmitů za jednu minutu je frekvence
a frekvence f za sekundu
Z uvedeného je patrno, že frekvence F je závislá na otáčkách běhounu (výstředníku) - n od motoru a na převodovém poměru
Vhodnou volbou tohoto převodového poměru lze dosáhnout značně velkých frekvencí, tím větších, čím je větší převodový poměr. Tyto vysokofrekvenční vibrátory pracují ve frekvencích f = 120 - 200 Hz i větších.
3.3 Ponorné vysokofrekvenční vibrátory s vestavěným elektromotorem a pevným výstředníkem (obr. 8).
V hlavici je zabudovaný vícepólový elektromotor (4), který je napájen nízkým napětím 42 nebo 55 V o frekvenci 200 Hz. Hnací elektromotor výstředníku je napojen na přístroj zvaný měnič frekvence (obr. 9), který je kabelem (1) napájen ze světelné sítě 220/380 V o frekvenci 50 Hz. Z měniče vychází 1 - 3 kabely (2)
Obr.8
s elektrickým proudem o napětí 42 - 48 V a frekvenci f = až 200 Hz. Nízkovoltážní kabel je od měniče veden do vibrační hlavice na stavbě na vzdálenost 20 - 30 m, nejprve do ochranné hadice délky 5 až 10 m, na kterou je napojena ponorná vibrační hlavice.
Obr.9
Měniče frekvence jsou vyráběny v několika variantách a pro několik výkonností.
a) Poháněné elektromotorem na světelný nebo motorový proud, s napětím 42/50 V o frekvenci až 200 Hz a o výkonech 0,8 - 10,5 kVA i vyšších.
b) Poháněné spalovacím motorem s frekvencí až 200 Hz, 42 V o výkonech 1 - 5 kVA i více.
c) Měniče elektronické k připojení na světelný proud o frekvenci až 200 Hz pro napětí 42, 115 a 250 V.
d) Integrované měniče, připojené na ochrannou hadici (obr. 10) o frekvenci až 200 Hz a napětí 42 V.
Obr.10
Ponorné vibrátory s vestavěným elektromotorem jsou pro zhutňování betonů používány nejčastěji. Na tabulce 3 jsou orientační údaje ponorných vysokofrekvenčních vibrátorů firmy WAM s frekvencí 200 Hz při napětí 42 V.
Obr.11
Velké vibrátory s průměry hlavic 80 - 110 mm, používané k hutnění masivních betonů např. u přehrad, mají přímo k hlavici přimontovaný přírubový motor a vibrátor je ovládán ručně dvěma pracovníky. Největší průměry hlavic ponorných vibrátorů jsou 110 až 150 mm a jsou zavěšeny na upraveném výložníku pásového rypadla (obr. 11). Vibrátory jsou poháněny vestavěným hydromotorem, napájeným z hydraulického obvodu rypadla případně nakladače.
Obr.11
3.4 Vibrátory s vestavěným elektromotorem a odvalovacím (planetovým) výstředníkem.
Pracují na obdobném principu, jak je uvedeno na obr. 6 a 7. Umožňují dosáhnout vysokých frekvencí pro zhutňování betonů bez složitých převodů otáček vstupních a výstupních. Je u nich snadná výměna různých průměrů vibračních hlavic, od průměrů 300 mm pro úzké prostory až po průměry 80 mm i více pro masivní betony.
3.5 Ponorné vzduchové vibrátory (pneumatické)
Tlakový vzduch z kompresoru o přetlaku 0,6 MPa je přiveden do hlavice ve směru šipek (obr. 12). Je veden do hlavice (1), v níž jsou rozmístěny pevné rozváděcí lamely. Těmito je po celé délce vháněn vzduch na nevyvážený rotor (2), jenž se jako turbina roztočí vysokými otáčkami 18 000 - 24 000 (1/min). Po projití rotorem pak odchází z hlavice ve směru spodní šipky. Vlivem vysokých frekvencí o malých amplitudách zhutňují tyto vibrátory dobře i měkké až řídké betony. Na mnohých stavbách se málo užívají, ale ve výrobnách stavebních dílců, kde je již zaveden rozvod stlačeného vzduchu, mají významné technologické i ekonomické uplatnění. Jejich výhodou je jednoduchá obsluha i údržba, dlouhá životnost a malé hmotnosti. Nevýhodou jsou velké náklady na výrobu stlačeného vzduchu. Přípoj ponorného vibrátoru ke zdroji stlačeného vzduchu se provádí koncovými hadicemi s vibrační hlavicí (obr. 13), jejichž průměry jsou od 25 mm až do 150 mm.
Obr.13
Používané frekvence jsou 150 až 300 Hz, odstředivé síly Fc (kN) 0,85 - 32 s akčním průměrem vibrace 0,25 až 1,4 m.
4. Technologické zásady při provozu ponorných vibrátorů
a) Vibrátory, zvláště s vestavěným motorem nesmí dlouho běžet »naprázdno« neponořené do betonu, jelikož v krátké době se motory přehřívají na teploty 140 - 150 oC, zatímco hlavice ponořené do betonu hnací motory ochlazují.
b) Vibrační hlavice krátce po zapnutí vibrátoru má být zvolna ponořována do betonu.
c) Noření hlavice má být kolmé a nikoli šikmé, při němž zůstávají nezhutněná místa.
d)Vzdálenost vpichů hlavice do betonu má být taková, aby se spolehlivě překrývaly plochy od akčních průměrů vibrace.
e) Při zhutňování nerovnoměrných vrstev betonu postupovat od nejhlubších míst. Nejlépe se zhutňuje rovnoměrné rozložení betonu.
f) Vibraci ukončit v okamžiku, kdy na povrch betonu vystupuje cementová kaše a přestanou vystupovat bublinky vzduchu.
g) Motor vibrátoru nezastavovat, pokud je vibrační hlavice ponořena do betonu.
h) Při hutnění železobetonových konstrukcí se při práci nesmí hlavice dotýkat ocelové výztuže, nebo tvrdých podlah či bednění.
i) Příkon vibrátoru, průměr hlavice i frekvenci nutno volit s přihlédnutím k provozu a granulometrii složek betonu, jakož i k rozměrům a hustotě železobetonové výztuže.
j) Vibrátory s hlavicemi do průměru 80 mm je možné ovládat jedním pracovníkem, pro průměry hlavic 80 - 110 mm je třeba dva pracovníky a pro průměry 110 - 150 mm pro přehradní betony se vibrátory zavěšují na pohyblivém výložníku pásových rypadel nebo na traktorech či nakladačích.
5. Příložné elektrické vibrátory
Mají velmi široký rozsah použití v průmyslu a stavebnictví a to zejména: k dopravě sypkých materiálů, jejich dávkování, třídění, dělení, míchání, čištění, vyprazdňování zásobníků a v neposlední řadě ke zhutňování betonů. Jejich uspořádání je patrné z obr. 14. Uvnitř tělesa (skříně - 6) je zabudovaný asynchronní motor s kotvou nakrátko.
Obr.14
Jeho rotor (1) má na každou stranu nalisovaný hřídel, uložený v ložiscích (3) a na jejich koncích jsou stavitelné E výstředníky (segmenty - 4). Jeden z nich je pevný a druhý natáčecí pro regulaci odstředivé síly Fc. Kotva (1) se otáčí ve statorovém vinutí (2), jenž může být uspořádáno jako jedna nebo dvě dvojice pólů, případně i tři dvojice. Primární proud do motoru se zavede ke svorkovnici (5) a ten je buť síťový 230/400 V - 50 Hz nebo vysokofrekvenční z měniče frekvence o frekvenci 150-200 Hz a napětí 42 , případně i 250 V.
Při rozběhu motoru oba nastavené výstředníky (4) rotují v kruhu a jimi vyvozené síly Fc jsou v každé poloze stejné, takže odstředivá síla při rotaci působí radiálně ve všech směrech a těleso vibrátoru se rozkmitá. Mezi hlavní parametry těchto vibrátorů patří:
a) n - otáčky motoru a výstředníků (1/min),
kde
, kde p = počet dvojic pólů motoru, 60 = převodní faktor ze sekund na minutu
b) napětí a frekvence, kterým je vibrátor napájen,
c) velikost nebo rozsah odstředivé síly Fc (kN),
d) elektrický příkon hnacího motoru vibrátoru (kW/A),
e) hmotnost vibrátoru.
Podle použitelnosti se vibrátory dělí na dvě skupiny:
1. Nízkofrekvenční s frekvencí 50 Hz, zapínají se do el. sítě. Jsou užívány v průmyslu k dopravě sypkých materiálů, jejich třídění a dalšímu užití (jak shora uvedeno). K tomuto účelu mají při malé frekvenci velkou amplitudu. Elektromotory pro pohony vibrátorů mají obvykle otáčky 3000 1/min, což na výstřednících vibrátoru odpovídá frekvenci kmitů dle vzorce
Z dané rovnice je patrné, že změnu frekvence pro určitou potřebu lze dosáhnout změnou otáček motoru n nebo změnou počtu dvojic pólů motoru. Tento elektricky řešený způsob je nejčastější pro danou vstupní frekvenci světelného proudu f = 50 Hz. Tyto hodnoty jsou vyjádřeny v tabulce 4.
Jejich označování u firmy WACKER pro přímé zapojení do sítě pro napětí do 250 V je na obr. 15.
Obr.15
2. Vysokofrekvenční vibrátory s frekvencemi 150 - 200 Hz. Jsou zapínané na měnič frekvencí se vstupními hodnotami 1500 - 200 Hz, s obvyklým napětím 42 V. Na tyto vstupní hodnoty se napojí vibrátor s označením pro napětí 42 V (obr. 16).
Obr.16
Tyto vibrátory jsou určeny pro hutnění různých druhů betonů a firma Wacker uvádí jejich základní hodnoty (viz tabulka 5).
6. Příložné vibrátory vzduchové - pneumatické (obr. 18)
Obr.18
Jsou velmi jednoduché a spolehlivé, rozmanitých konstrukcí, kterými se dosahuje značných odstředivých sil. Jejich funkční působení je patrné z obrázku.
Obr.17
Vzduch je přiváděn do vibrátoru hadicí (1). Ve vibrátoru je dutý pevný vrtaný hřídel (2), jehož otvory proudí tlakový vzduch na lamely (3) a dále na rotor (4), který pracuje po nesymetrické dráze (5) s velkými otáčkami v rozmezí 6000 - 17 000 (1/min). Jednoduchou regulací přetlaku vzduchu z kompresoru p = 0,3, 0,4, 0,5 a 0,6 MPa lze dosáhnout různých velikostí odstředivé síly Fc a otáček rotoru. U nových strojů je regulace mezi otáčkami n a odstředivou silou Fc zcela plynulá v optimálních vztazích.
Jako příklad uvádím v tabulce 6 hodnoty pneumatických vibrátorů firmy DYNAPAC.
Na svou výkonnost jsou tyto stroje malé hmotnosti a rozměrů, přičemž dosahují velkých frekvencí. Jejich dlouhá životnost, přetížitelnost a údržba jsou velkými klady zvláště v provozech, kde je již zaveden tlakový vzduch.