Планетарные бетоносмесители производят больше высокопрочного бетона?

Планетарный бетоносмеситель обеспечивает получение более прочного бетона?

Завод сборного железобетона, производящий мостовые элементы с прочностью 80 МПа, перешёл с двухвального смесителя на планетарный бетоносмеситель после шести месяцев нестабильных результатов по прочности на сжатие — цилиндры из одной и той же партии отличались друг от друга до 8 МПа. Исследование показало, что перемешивающее действие двухвального смесителя не обеспечивало полного распределения 8 % микрокремнезёма в смеси с низким содержанием воды, в результате чего образовывались локальные зоны пониженной прочности, где агломерированные частицы микрокремнезёма действовали как концентраторы напряжений, а не как пуццолановое упрочнение. Планетарный смеситель, оснащённый несколькими вращающимися инструментами, создающими пересекающиеся зоны сдвига, снизил разброс прочности до ±2 МПа в течение шести недель после ввода в эксплуатацию.

А планетарный бетоносмеситель не создаёт более прочный бетон как по волшебству. Он обеспечивает более тщательное перемешивание бетонной смеси — а для высокопрочных, высокопроизводительных и сверхвысокопроизводительных составов степень тщательности перемешивания напрямую определяет прочность на сжатие.

Что делает смеситель пригодным для высокопрочного бетона

Роль дисперсии цементного теста

Высокопрочный бетон — определяемый ACI как бетон с прочностью 55 МПа и выше — содержит цемент в количестве 450–600 кг/м³ при водоцементном отношении ниже 0,35. При таких низких содержаниях воды цементное тесто обладает высокой вязкостью и сопротивляется течению. Мешалка, которая лишь переворачивает или сдвигает тесто в одном направлении, оставляет агломераты цементных зёрен нетронутыми — скопления из 50–100 частиц цемента, гидратирующихся только на внешних поверхностях, тогда как внутренние частицы остаются негидратированными и действуют как инертный наполнитель, а не как активное вяжущее.

А планетарный бетоносмеситель создаёт перемешивающее воздействие сразу в нескольких направлениях. Перемешивающие звёзды вращаются вокруг собственных осей и одновременно совершают орбитальное движение вокруг центрального вала, а чаша перемешивания вращается в противоположном направлении — обычно со скоростью 5–8 об/мин для звёзд и 2–4 об/мин для чаши при встречном вращении. Такое многонаправленное сдвиговое воздействие разрушает агломераты цемента, которые остаются нетронутыми при однонаправленном перемешивании, увеличивая площадь поверхности цемента, доступную для взаимодействия с водой, и повышая эффективность использования цемента при наборе прочности.

Микрокремнезём и распределение ультрамелких частиц

Частицы кремнезёмной дымы имеют размер 0,1–0,3 мкм — в 100 раз меньше цементных зёрен. Для достижения равномерного распределения этих субмикронных частиц в пасте с низким содержанием воды требуется энергия перемешивания, значительно превышающая ту, что необходима для обычного бетона. Нераспределённые агломераты кремнезёмной дымы вызывают две проблемы: во-первых, они не участвуют в пуццолановой реакции в местах скопления, а во-вторых, создают пористость на границе раздела между агломератом и пастой, что снижает плотность и прочность.

Испытания, проведённые Институтом сборного и предварительно напряжённого бетона, показывают, что планетарный бетоносмеситель конструкции обеспечивают распределение кремнезёмной дымы, измеряемое по электрическому сопротивлению — косвенному показателю уточнения пористой структуры, — на 15–25 % лучше, чем одновалковые смесители, и на 8–12 % лучше, чем двухвалковые конфигурации в смесях, содержащих более 5 % кремнезёмной дымы по массе цемента. В смесях с прочностью ниже 50 МПа без кремнезёмной дымы различия в степени распределения практически несущественны.

Как планетарные смесители обеспечивают интенсивное перемешивание

Механизм перемешивания в планетарный бетоносмеситель объединяет три одновременных движения. Миксерные звёзды (обычно одна–три единицы, каждая с двумя–четырьмя лопастями) вращаются вокруг собственных осей с высокой скоростью — 40–80 об/мин для вращения звезды. Одновременно сборка звёзд совершает орбитальное движение вокруг центра смесителя со скоростью 20–40 об/мин, а чаша вращается в противоположном направлении со скоростью 5–10 об/мин. Одна частица в смеси испытывает сдвиговое воздействие с нескольких направлений за каждый оборот, в отличие от двунаправленного, но плоского сдвига, возникающего между валами, вращающимися в противоположных направлениях в двухвальном смесителе.

Этот многонаправленный сдвиг особенно эффективен при работе с жёсткими смесями — бетоном с осадкой менее 50 мм, характерной для изделий из сборного железобетона и высокопрочных применений. Планетарный смеситель планетарный бетоносмеситель сохраняет интенсивность перемешивания по мере увеличения жёсткости смеси, тогда как эффективность двухвального смесителя снижается, когда бетон не может свободно протекать между валами.

Когда выбор типа смесителя действительно имеет значение

Для стандартного товарного бетона прочностью 20–40 МПа с осадкой конуса 80–150 мм разница в прочности, обусловленная типом смесительного механизма — планетарного или двухвального, — незначительна. Основное влияние на результат оказывают точное дозирование компонентов, корректное дозирование воды и достаточная продолжительность перемешивания. Для высокопрочного бетона прочностью свыше 60 МПа, малоподвижного бетона для сборных изделий, а также любых составов, содержащих более 5 % кремнезёмной добавки или ультрадисперсных вяжущих компонентов, планетарный смеситель благодаря многоосевому сдвиговому воздействию обеспечивает измеримое повышение стабильности прочности и эффективности использования кремнезёмной добавки.

Часто задаваемые вопросы

Обеспечивает ли планетарный бетоносмеситель более высокую прочность на сжатие по сравнению с двухвальным?

Для бетона с прочностью выше 60 МПа, содержащего микрокремнезём или ультрадисперсные материалы, планетарные смесители обеспечивают на 5–10 % более высокую среднюю прочность на сжатие и на 50–70 % меньшую вариацию прочности между образцами из одной партии. Для стандартных товарных марок бетона с прочностью ниже 40 МПа без микрокремнезёма тип смесителя не оказывает измеримого влияния на прочность — решающими факторами являются точность дозирования и контроль количества воды.

Почему планетарный бетоносмеситель лучше подходит для высокопрочного бетона?

Многоосевое перемешивание — вращение «звёзд» вокруг собственных осей при одновременном обращении вокруг центра вместе с противовращающимся корытом — создаёт сдвиговые усилия сразу в нескольких направлениях. Это эффективнее разрушает агломераты цемента и равномернее распределяет частицы микрокремнезёма размером менее одного микрометра по сравнению с двунаправленным плоским сдвигом в двухвальных смесителях. Такая эффективность особенно важна при водоцементном отношении ниже 0,35, когда высокая вязкость цементного теста препятствует традиционному перемешиванию.

Каков механизм перемешивания в планетарном бетоносмесителе?

Три одновременных движения: вращающиеся звёзды перемешивания вращаются вокруг собственных осей со скоростью 40–80 об/мин, сборка звёзд вращается вокруг центра смесителя со скоростью 20–40 об/мин, а чаша вращается в противоположном направлении со скоростью 5–10 об/мин. Каждая частица испытывает сдвиг в нескольких направлениях за каждый оборот, обеспечивая интенсивное перемешивание, необходимое для жёсткой высокопрочной бетонной смеси с низким содержанием воды.

Когда планетарный смеситель оправдывает инвестиции по сравнению с двухвальным?

Производство сборного бетона, высокопрочный бетон выше 60 МПа, ультравысокопрочный бетон (UHPC) выше 120 МПа, а также любые применения с содержанием кремнезёмной добавки свыше 5 % оправдывают инвестиции в планетарный смеситель. Для стандартного производства товарного бетона двухвальные смесители обеспечивают более высокую производительность при меньшей стоимости и достаточное качество перемешивания для обычных марок.

Как сравниваются времена перемешивания у планетарных и двухвальных смесителей?

Планетарные смесители обычно требуют общего времени цикла 45–70 секунд для приготовления высокопрочных смесей по сравнению с 35–50 секундами для двухвальных смесителей при стандартных марках. Более длительное время цикла планетарных смесителей отражает более интенсивное перемешивание, необходимое для достижения требуемого качества дисперсии, а не меньшую эффективность — для одной и той же высокопрочной смеси планетарному смесителю может потребоваться 60 секунд, тогда как двухвальному смесителю для достижения эквивалентного уровня дисперсии понадобится 90–120 секунд.

Какие различия в техническом обслуживании существуют между планетарными и двухвальными бетоносмесителями?

Планетарные смесители имеют больше подвижных частей — несколько валов звёздчатого привода, привод вращения чаши и сложные уплотнения в каждой точке прохода — что приводит к ежегодным затратам на техническое обслуживание на 20–30 % выше, чем у двухвальных смесителей аналогичной производительности. Такой компромисс оправдан, когда превосходная дисперсия, обеспечиваемая смесителем, позволяет надёжно производить высокопрочный бетон, чего двухвальные смесители достичь не могут.