Сферодвижущиеся рабочие органы строительных машин

СФЕРОДВИЖУЩИЕСЯ 
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАШИН

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Саратовский государственный технический университет

СФЕРОДВИЖУЩИЕСЯ 
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Под редакцией доктора технических наук 
И.Г. Мартюченко

Саратов 2011

УДК 624.138 
ББК 38.623 
С 91

Рецензенты:
Доктор экономических наук, профессор В.Н. Клочков 
Доктор технических наук, профессор П.Ю. Бочкарев

Одобрено 
редакционно-издательским советом 
Саратовского государственного технического университета

С 91 Сферодвижущиеся 
рабочие 
органы 
строительных 
машин: 
монография / И.Г. Мартюченко, Р.Х. Бурханов, А.В. Бондаревский, 
P.P. Бурханов; под ред. И.Г. Мартюченко. -  Саратов: Сарат. гос. 
техн. ун-т, 2011. 112 с.
ISBN 978-5-7433-2387-6

В монографии рассмотрены теоретические основы процессов взаимодействия сферодвижущихся рабочих органов с уплотняемой средой на примерах уплотнения жестких бетонных смесей при изготовлении тротуарных 
плит и укрепления стенок скважин под буронабивные сваи в водонасыщенных грунтах. Приводятся аналитические исследования по определению геометрических, силовых и режимных параметров сферодвижущихся рабочих 
органов в зависимости от технологического назначения рабочего оборудования и требований, предъявляемых к готовому изделию.
Для 
научных 
и 
инженерно-технических 
работников, 
научно- 
исследовательских, проектных организаций и вузов.
Табл. 3. Ил. 49. Библиогр. 69 назв.

УДК 624.138 
ББК 38.623

©  Саратовский государственный 
технический университет, 2011 
©  Мартюченко И.Г., Бурханов P.X.,
ISBN 978-5-7433-2387-6 
Бондаревский А.В., Бурханов P.P., 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................................................................4
1. ОБЗОР 
СУЩЕСТВУЮЩИХ 
КОНСТРУКЦИЙ 
ОБОРУДОВАНИЯ 
И 
РАБОЧИХ ОРГАНОВ УПЛОТНЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ........................................................6
1.1. Оборудование и способы уплотнения бетонных смесей..............................................6
1.1.1. Сведения о жесткой бетонной и подобных смесях.............................................6
1.1.2. Обзор методов уплотнения жесткой бетонной смеси........................................9
1.1.3. Оборудование для уплотнения жесткой бетонной смеси...............................28
1.2. Оборудование и способы укрепления стенок скважин в слабых грунтах
при устройстве свайных фундаментов.....................................................................................34
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 
СФЕРОДВИЖУ- 
ЩИХСЯ 
УПЛОТНЯЮЩИХ 
РАБОЧИХ 
ОРГАНОВ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАШИН С ДЕФОРМИРУЕМОЙ СРЕДО Й ...............................................................................48
2.1. Взаимодействие сферодвижущегося рабочего органа с деформируемой 
поверхностью при двустороннем уплотнении изделий из жесткой бетонной 
смеси....................................................................................................................................................48
2.1.1. Кинематика рабочего органа при уплотнении жесткой бетонной 
смеси............................................................................................................................................50
2.1.2. Определение минимальной глубины пресс-формы......................................... 54
2.1.3. Определение 
площади 
контакта 
плоского 
сферодвижущегося 
рабочего органа с бетонной смесью ................................................................................. 57
2.2. Теория 
взаимодействия 
сферодвижущегося 
рабочего 
органа 
со 
сферической 
поверхностью 
при 
укреплении 
стенок 
скважин 
в 
водонасыщенных грунтах.............................................................................................................66
2.2.1. Силы деформации 
фунта в зоне 
контакта 
с 
поверхностью 
сферического рабочего органа............................................................................................ 66
2.2.2. Определение 
зависимости 
величины 
момента 
сопротивления 
вращению сферического рабочего органа от геометрических параметров
и фунтовых условий..............................................................................................................78
2.3. Определение влияния геомефических парамефов сферического рабочего 
органа на процесс работы.............................................................................................................79
2.3.1. Определение зависимости угла наклона полусфер относительно 
вертикальной оси от физико-механических свойств материала-наполнителя 
79
2.3.2. Определение частоты вращения сферического рабочего органа................81
2.3.3. Определение скорости 
подачи сферического рабочего органа 
относительно вертикальной оси......................................................................................... 86
2.3.4. Определение толщины уплотнения стенки скважины в зависимости 
от геомефических параметров сферического рабочего органа и физикомеханических свойств ф унта..............................................................................................88
3. РЕКОМЕНДАЦИИ 
ДЛЯ 
ПРАКТИЧЕСКОГО 
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 
РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................94
3.1. Рекомендации по выбору основных параметров оборудования для 
уплотнения жестких бетонных смесей при изготовлении строительных 
изделий...............................................................................................................................................94
3.2. Рекомендации по выбору основных парамефов оборудования для 
укрепления стенок скважин при усфойстве буронабивных свай.................................97
Заключение...........................................................................................................................................101
Библиографический список............................................................................................................. 103

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость технологического совершенствования строительного 

производства требует разработки новых методов производства работ и 

создания для их осуществления эффективных машин с новыми видами рабочих органов, реализующих новые принципы взаимодействия с контак- 

тируемой средой.

Важное место в строительных технологиях занимают процессы уплотнения различных строительных материалов, которые определяют качество и стоимость производства строительных работ. Технологии уплотнения строительных материалов имеют самый широкий спектр применения: 

уплотнение грунтов при строительстве земляных сооружений, уплотнение 

строительных смесей при изготовлении строительных изделий, уплотнение 

грунтов при сооружении скважин методом раскатки, устройство опорных 

пят в буронабивных скважинах и др. Примерами интенсификации процессов уплотнения различных материалов могут служить, например, вибрационные, виброударные, комбинированные технологии уплотнения материалов, что позволило поднять качество этих процессов и создать уникальные 

технологии производства строительных сооружений и конструкций. Дальнейшая интенсификация процессов уплотнения может быть получена от 

использования более сложных форм движения рабочих органов машин, 

учитывающих релаксационные свойства уплотняемых материалов.

4

Анализ процессов взаимодействия рабочих органов уплотняющих 

машин с дисперсным материалом показывает, что силовое воздействие 

при уплотнении должно быть циклическим, многократным, иметь статическую и динамическую составляющие сил, осциллирующих в пространстве.

Такой способ взаимодействия может быть осуществлен с использованием сферически движущихся уплотняемых рабочих органов машин. Применение эффективных методов уплотнения строительных смесей способствует рациональному использованию энергетических ресурсов, экономии строительных материалов и сроков сокращения производства работ [1].

В настоящей работе представлены результаты исследований рабочих 

органов, совершающих сложное сферическое движение для формования 

изделий из жестких бетонных смесей и для временного укрепления стенок 

скважин в слабых, водонасыщенных грунтах при устройстве буронабивных свай. При общем научном редактировании доктора технических наук 

И.Г. Мартюченко авторами написаны: И.Г. Мартюченко -  Введение, Заключение, гл. 1-3; Р.Х. Бурхановым -  гл. 1; P.P. Бурхановым -  2.1, 3.1;

А.В. Бондарсвским -  2.2, 3.2.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОБОРУДОВАНИЯ 

И РАБОЧИХ ОРГАНОВ УПЛОТНЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

1.1. Оборудование и способы уплотнения бетонных смесей

1.1.1. Сведения о жесткой бетонной и подобных смесях

В зависимости от удобоукладываемости бетонные смеси подразделяются на подвижные и жесткие, отличающиеся по составу, структуре и 

внешнему виду [2].

Подвижная смесь -  это пластичная масса, зерна заполнителя которой 

как бы взвешены в вязкой среде, образуемой вяжущим компонентом и водой. Принято считать, что смеси с осадкой конуса, равной 5-15 см, являются подвижными, а смеси с осадкой 0-3 см и жесткостью по ГОСТ 10181-76 

менее 30 секунд -  малоподвижными. Подвижные и малоподвижные смеси 

легко распределяются в форме под действием собственной массы или с 

приложением небольших механических воздействий Смеси с показателем 

жесткости более 30 секунд относятся к жестким смесям. Мерой жесткости 

бетонных смесей служит время истечения в секундах, необходимое для того, чтобы контролируемая бетонная смесь, сформованная в виде конуса, 

переходя под действием вибрационных колебаний в состояние текучести, 

распределялась в стандартном техническом вискозиметре по закону сообщающихся сосудов на одном уровне в кольце и вне кольца прибора. Определение показателей подвижности и жесткости бетонных смесей осуществляется принципиально различными методами, предусмотренными стандартом (ГОСТ 10181.1-81 «Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости»).

Жесткая бетонная смесь до момента схватывания представляет собой 

дисперсную трехкомпонентную среду, в виде рыхлой, сыпучей массы, 

включающую в себя твердую, жидкую и газообразную составляющие. 

6

Твердая часть состоит из минеральных частиц и их агрегатов, зерен и обломков различного химико-минералогического состава и играет роль заполнителя. Исходная структура смеси -  резко неупорядоченная. Данные смеси 

характеризуются низким водосодержанием, относительно небольшим расходом цемента, повышенным расходом энергии, необходимым для его уплотнения, который зависит от жесткости уплотняемой смеси. По степени 

жесткости смеси классифицируются на следующие группы [3]:

-  нормально (умеренно) жесткие смеси с жесткостью от 30 до 150
200 с;

-  особожесткие -  с жесткостью от 150 до 600-700 с;

-  сверхжесткие -  с жесткостью больше чем 700 с.

Изменение жесткости приводит к изменению свойств как самой 

смеси, так и получаемого бетона. Благодаря низкому водосодержанию 

жесткие смеси обладают высокой водоудерживающей способностью, 

исключающей возможность водоотделения, при отсутствии интенсивных колебаний, а также необходимой для укладки, связностью и однородностью.

Известно, что для затворения цемента необходимо около 20% воды 

от веса цемента, но вода необходима также для образования смазывающей 

прослойки на поверхности заполнителя, что обусловливает реалогические 

свойства смеси, её подвижность и уплотняемость. Поэтому доля воды в бетонной смеси обычно значительно больше теоретически необходимой. 

Увеличение содержания воды в цементном тесте приводит к снижению 

жесткости смеси, то есть к улучшению удобоукладываемости.

Однако при испарении избыточной воды в уплотненной смеси образуется густая сеть пор, что ведет к снижению прочности, морозостойкости, 

водонепроницаемости бетонного изделия [4].

Бетонная смесь в рыхлом, неуплотненном состоянии содержит большое количество воздуха. В жестких бетонных смесях объем воздуха дости
7

гает 40-45% [4]. Задачей уплотнения является удаление этого воздуха для 

получения материала с морозостойкой, водонепроницаемой и прочной 

структурой.

При уплотнении под сравнительно небольшими нагрузками в смеси 

происходит частичная переориентация частиц. При воздействии больших 

нагрузок указанные процессы происходят с большей интенсивностью. В 

еще большей степени структура упорядочивается при воздействии на 

смесь сдвигающих усилий. В этом случае частицы ориентируются базисными плоскостями параллельно направлению сдвига [5].

Жесткие бетонные смеси благодаря пониженному начальному содержанию воды и более высокой концентрации заполнителя имеют ряд 

преимуществ по сравнению с подвижными:

-  при одинаковом расходе цемента и степени уплотнения прочность 

бетона из жестких смесей выше, чем из пластичных;

-  бетон из жестких смесей при надлежащем уплотнении получается 

более плотным, водонепроницаемым, морозостойким и в целом более долговечным;

-твердение бетона из жестких смесей в раннем возрасте протекает 

быстрее, он допускает более резкий режим тепловой обработки, чем подвижные, что способствует сокращению технологического цикла.

Зависимость физико-механических свойств бетона от степени его уплотнения проявляется весьма четко. Считается, что каждый процент воздуха 

в бетоне уменьшает его прочность на 3-5% [5]. Важным положительным 

фактором жестких бетонных смесей является их сравнительно высокая прочность в свежеуплотненном состоянии. Прочность достигает 2-3 МПа, что позволяет производить распалубку изделия сразу после формования [3].

Анализ результатов работ по определению механических характеристик свежеуложенных жестких бетонных смесей позволил В.И. Сорокеру и

В.Г. Довжику заключить, что немедленная распалубка возможна, если же- 

8

сткость смеси составляет не менее 40 секунд [3]. Одновременно с улучшением свойств свежеуложенной смеси, увеличение жесткости при неизменном водоцементном отношении ведет к росту прочностных показателей 

бетона. Так, повышение жесткости смеси на 10 секунд приводит к увеличению прочности при сжатии на (25-100)103 Па [2]. Подобное объясняется 

изменением получаемой структуры бетона при уплотнении смеси, при которой внешние нагрузки (на сжатие) воспринимаются в большей мере каркасом, состоящим из склеенных между собой зерен заполнителя. Образовавшийся скелет как бы разгружает цементный камень. Наряду с этим 

уменьшение толщины прослоек между зернами заполнителя позволяет более полно использовать физико-химические свойства цементов [6].

Однако, как показывают исследования, рост прочности бетона не 

может быть однозначно охарактеризован количеством цементного камня.

Его необходимо рассматривать в комплексе с изменением В/Ц, продолжительностью твердения, качеством уплотнения и с другими факторами. Особенно важным фактором является качество уплотнения, которое 

зависит от применяемых методов уплотнения бетонных смесей. Немаловажное значение имеет при этом правильный подбор соотношения между 

размерами рабочего органа в плане с размерами уплотняемых изделий.

1.1.2. Обзор методов уплотнения жесткой бетонной смеси

Общей задачей для всех методов уплотнения является получение изделий хорошего качества с заданными физико-механическими показателями, которые зависят не от способа уплотнения, а от степени уплотнения и 

однородности свежеуплотненной бетонной смеси в объеме изделия [2]. 

Качество уплотнения бетонных смесей оценивается коэффициентом уплотнения, представляющим собой отношение фактического объемного веса к теоретически возможному [3]. В реальных условиях коэффициент уп
9