CC BY
16ПУТЬ И ПУТЕВОЕ ХОЗЯЙСТВО
HYDRODYNAMIC APPROACH TO THE SOLUTION OF THE PROBLEM OF PHYSICAL AND CHEMICAL FIXING OF MOBILE SANDS
Mirahmedov M.
Tashkent Institute of Railways Engineering, Tashkent, Uzbekistan
This article presents the theoretical foundations of the process of impregnation of binders in the sand, the interaction features which determine the physical and mechanical properties of the protective crust obtained by spraying the binders onto the sand surface to stabilize it and protect the railways from sand drifts and/or blowing them off from the subgrade.
sand deflation, fixing, physicochemical method, method, impregnation, protective crust, capillary forces, gravitational forces, solvation layer, humidity, specific consumption, concentration, resource saving.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО ФИКСИРОВАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ПЕСКОВ
Аннотация: В данной статье рассмотрены особенности стабилизации дефлируемой поверхности песка, которые проявляются в процессе безнапорной пропитки вяжущего вещества, наносимого на него разбрызгиванием и рассмотрения процесса как задачи гидродинамики. Образованная в результате пропитки песка корка обладает свойством предотвращать заносы железной дороги подвижными песками и выдувание ее земляного полотна. Ключевые дефляция песков, закрепление, физико-химический метод, способ, пропитка, слова: защитная корка, капиллярные силы, гравитационные силы, сольватный слой,
влажность, удельный расход, концентрация, ресурсосбережение.
Введение. Актуальность проблемы. Сеть транспортных коммуникаций, в частности, железных и автомобильных дорог, постоянно развиваются. В связи с необходимостью индустриального освоения и социального обустройства малонаселенных районов они строятся в сложных природных условиях, например, в горах, в песчаных пустынях. Дороги в этих условиях находятся под негативным воздействием природно-климатических явлений, в частности, дефляции. Дефляция вызывает выдувание земляного
Abstract:
Key words:
полотна и заносы верхнего строения песком [1]. Выдувание и заносы являются, таким образом, негативными проявлениями дефляции, ее результатом. Эти проявления серьезно снижают безопасность движения транспортных средств, особенно при неуклонном росте скорости движения транспортных средств. Поэтому, в песчаных пустынях, изучение негативного влияния дефляции на безопасное строительство и эксплуатацию коммуникаций (автомобильных и железных дорог) и совершенствование технологии их защиты от подвижных песков является актуальной задачей [2].
Анализ современного состояния вопроса и выявление нерешенных задач (перспективные направления исследований). Различают несколько методов закрепления подвижных песков. В качестве радикальной меры, позволяющей достичь кратковременного, но немедленного результата - это использование физико-химического метода (ФХМ) закрепления песков [3,4].
Суть ФХМ сводится к осуществлению технологического приема разбрызгивания вяжущего вещества на закрепляемую поверхность песка. Жидкость без напора движется внутрь песчаного субстрата, пропитывает его и образует специфический строительный материал - вяжуще-песчаный защитный слой - корку, т.е. вяжущее играет роль мелиоранта песка, улучшая его физико-механические свойства, обеспечивающие устойчивость против разрушительного воздействия потока песка, переносимого ветром, т.е. ветропесчаного потока [5]. Свойства корки зависят от свойств его составляющих и особенностей их взаимодействия, которые проявляются в процессе пропитки песчаного субстрата вяжущим веществом, стабилизируя состояние дефлируемой поверхности. Следовательно, выявление особенностей безнапорной пропитки является важной исследовательской задачей.
Безнапорная пропитка песчаного субстрата вяжущими веществами.
На сегодняшний день представления о механизме пропитки песка химическим мелиорантом далеки от вполне логического объяснения сути явления. Поэтому, возникает необходимость проведения более детального
теоретического изучения и обобщения результатов ранее проведенных опытов.
Для полноты определения закона движения химического мелиоранта в песке необходимо дать ответ на вопрос о силах, под воздействием которых это движение происходит [6,7].
Известно, что при пропитке имеет место действие гравитационных и капиллярных сил. Известно также, что влиянием гравитационных сил можно пренебречь, тогда и только тогда, когда потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенная к единице жидкости, больше потенциала поля тяжести ^к>>^пт. По А.В. Лыкову, это справедливо, когда внутренний размер канала, по которому движется жидкость, имеет размер менее 10-2 мм [8]. В противном случае массой пропитываемой жидкости пренебречь нельзя. Следовательно, для того чтобы установить преобладающее влияние на процесс пропитки того или иного поля сил следует, для начала, определить внутренний диаметр канала, который образуется между частицами субстрата.
Гидродинамический подход к решению задачи пропитки песка вяжущим веществом. Представим перенос жидкости как процесс фильтрования. Тогда перемещение жидкости можно представить, как смешанную задачу гидродинамики [9,10]. В самом деле, можно предположить, что поток движется в каналах неправильной формы, образованных зазорами между частицами слоя (позиция внутренней задачи гидродинамики). С другой стороны, можно представить, что поток обтекает встречающиеся на пути частицы слоя песка (позиция внешней задачи гидродинамики). Смешанные задачи предусматривают комбинирование двух представлений с целью удобства расчета [11]. Охарактеризуем основные параметры будущей модели:
- удельная поверхность частиц в единице объема слоя ск);
- пористость или доля свободного объема ( в = (pt — р^ )/pt);
- диаметр эквивалентного шара окатанной частицы (de).
Проводя опыт в сосуде, размеры 'Н) которого выбираются с учетом критериев подобия, имеем:
объем песка V = £ ■Н,
Р = V ■ " = £ ■ Н ■ " поверхность частиц 4 ск ск,
, „ 1 V = V - V = £ ■ Н -(1 -8)
объем твердой фазы р п у ',
где Vn - объем пор.
Общее сопротивление слоя зерен песка равно (1)
(
Ар = (АН / йе)
V S ^
V 2 > (1)
где А - общий коэффициент сопротивления трения и местные сопротивления;
Аp - общее сопротивление зернистого материала;
de - эквивалентный диаметр каналов полидисперсного зернистого материала.
С позиции внутренней задачи гидродинамики диаметр канала, как известно, равен (2)
я 4-8 = —
, м (2)
где - удельная поверхность м2/м3.
Определение удельной поверхности представляет известные трудности, поэтому для преодоления возникшей трудности к решению задачи подойдем с позиции внешней задачи гидродинамики.
Пусть в слое находится (п) частиц произвольной формы, тогда объем одной частицы равен (3)
^ = —=
Vp _S•H• (1 -g)
n n (3)
Объем одной частицы также можно выразить исходя из её
ж - й„
уР =
геометрической формы 6 тогда отношение поверхности частицы к
его объему равен (4)
fp _S ■ H ■ Ssk n _ Ssk
Vp n
S ■ H ■ (1 -s) (1 -s)
(4)
f„ ж■ d.
т-> V Е ж - d3 Е - d
В то же время очевидно, что р ее , при сравнении которого с (4) получим (5)
6 - (1 -5)
Ssk ~
F ■ d„
(5)
где Б - коэффициент формы частиц, приводимый в справочниках.
Подставив (2) в (5), получим формулу (6)
dk = —--Е - de
3 - (1 -5) , (6)
Принимая из справочника Б = 0,9; коэффициент пористости 5 = 0,3 - 0,45 (пористость песка месторождения Кульсары, например, равна 44%) [12]; преобладающая фракция песка в его гранулометрическом составе ё=0,14 мм можно получить эквивалентный диаметр каналов, равный ёк=(3,62-6,86)-10-2мм >10-2мм. Следовательно при свободной пропитке вяжущего вещества влиянием сил тяжести пренебречь, строго говоря, нельзя. Это означает, прежде всего, что исследование процесса пропитки следует проводить на физических моделях. Это тем более справедливо, если учесть, что гранулометрический состав подвижных песков пустынь также представлен неосновными фракциями, колеблющимися в пределах от 0,5 до 20% (табл.1) и широким спектром минералов.
Особенности пропитки. Из условия сохранении объема жидкости до и после пропитки объем пропитанной жидкости (Р) должен быть равен объему пор субстрата в пропитанном слое (Р1) 0=01. Имея 01= 02-8, где 02 -объем песка, пропитанного жидкостью, 8 - объемная пористость, получим 0=
6
6
Q2■S. Полагая равными площадь песка и площадь, пропитываемой химическим мелиорантом (ю=ю2), получим (7)
5 = кк / 8, (7)
где 5 - расход, выраженный начальной толщиной жидкости над поверхностью песка, мм.
Нарушение условия сохранения объема, когда 5 ф ^к / 8, приводит к введению в зависимость (7) коэффициента пропорциональности (8)
5 = Нк ■ кг / 8
(8)
где кг - параметр пропорциональности, названный коэффициентом насыщения песка химическим мелиорантом.
Поскольку ва<8, вКв и в=ва+в1, то всегда при свободном пропитывании песка многокомпонентными, неньютоновскими жидкостями глубина пропитки будет больше теоретически возможной величины Ь>5/в. Поэтому значения коэффициента насыщения менее единицы вполне правдоподобны кг<1. Близкие и более единицы кг>1 свидетельствуют, что наступил предел насыщения песка в данных условиях и начальный объем химического мелиоранта qr~5 не пропитался полностью. С технологической точки зрения превышение расхода химического мелиоранта qi>qmax больше максимальной не приемлемо с точки зрения ресурсосбережения. Т.е. исследование строительно-технологических характеристик защитного слоя должны находиться в области значений кг < 1 так, чтобы qi < qmax.
Перенос эмульсий сопровождается избирательным смачиванием зерен песка водой. Образуется тонкая пленка жидкости, а дисперсная фаза химического мелиоранта, состоящая из эмульсированных частичек (согласно [13]), переносятся пробкообразно.
При пропитке растворами и многокомпонентными жидкостями [14] размеры пор сужаются в процессе пропитки и, как следствие, наблюдается неустойчивый характер движения фронта жидкости из-за избирательной адсорбции на гидратный слой поверхности песчаных частиц дисперсной
фазы химического мелиоранта, которые диффундируют из её объема. Это явление было подтверждено в работах [15,16,17]. В результате это приводит к уменьшению радиуса наименьших проходов между соприкасающимися частицами и изменению характера переноса от преимущественно гравитационного на капиллярный. Таким образом, получены вполне однозначные доказательства информативности коэффициента насыщения для вскрытия характера пропитки. Его значения, вычисленные во всём диапазоне варьирования факторов, близкие к единице кн =1, означают, что данное вяжущее при проникании в песок не разделяется, поровое пространство не сужается, а процесс протекает под преимущественным влиянием поля сил тяжести. Если значения коэффициента насыщения меньше единицы (кн<1), и, в диапазоне варьирования факторов изменяется, то это означает, что данное вяжущее при проникании в песок разделяется, а процесс пропитки протекает при сужении порового пространства под преимущественным влиянием поля капиллярных сил.
С технологической точки зрения эти обстоятельства определяют выбор режима пропитки и расход химического мелиоранта. Очевидно, что для эмульсий максимальный расход определен значением коэффициента
насыщения кн ~1, тогда как для растворов и высокомолекулярных веществ
кг <1. Во всех случаях значения, близкие к единице кг ~ 1, указывают на достижение максимального расхода химического мелиоранта. Превышение
расхода у 1 недопустимо. С учетом этого предложена классификация, которая позволяет выявить максимальный уровень расхода химического мелиоранта при исследовании новых его видов и разработать на их основе новые варианты технологий закрепления подвижных песков (табл.2).
Таблица 2
Характер пропитки
Характер пропитки Вид вяжущего Значения коэффициента насыщения
без разделения вяжущего эмульсии 0,95< к н <1
с разделением вяжущего многокомпонентные 0,55< к н <0,95
растворы 0,65< к н <0,95
предел насыщения, соответствующий Ц>Цшах; кн>1
Это обстоятельство наталкивает также на мысль использовать особенности характера пропитки песка вяжущими веществами для повышения ресурсосбережения и удешевления способа. Для этого следует уменьшить размеры канала, образуемого между частицами песчаного субстрата. Например, пропитывать песок во влажном состоянии, т.е. работы по закреплению подвижных песков разбрызгиванием вяжущих веществ осуществлять сразу после дождя или производить после искусственного увлажнения песка.
Выводы. 1. Закрепление подвижных песков рассмотрено как безнапорное движение вяжущего вещества в пористом теле песчаного субстрата, что позволяет сформулировать ее как задачу гидродинамики.
2. Определение удельной поверхности песчаного субстрата представляет собой известные трудности. Потому, решение получено совместным рассмотрением задачи гидродинамики с внутренней и внешней позиций. Учитывая, что гранулометрический состав подвижных песков являются средне и хорошо сортированными, получен эквивалентный диаметр порового пространства для реальных подвижных песков. Э позволило утверждать, в итоге, что пропитка происходит под преимущественным влиянием гравитационных сил.
3. Для обеспечения равномерности пропитки и более полного насыщения порового пространства вяжущим веществом предпочтительно
иметь капиллярный характер переноса жидкости. Для достижения этой цели песок предварительно естественным образом или искусственно увлажняется. Сольватный слой пленки влаги увеличивается, в результате поровое пространство песка уменьшается. При этом концентрация вещества в рабочем составе и его удельный расход также уменьшаются, что позволяет создать ряд альтернативных ресурсосберегающих технологических решений закрепления подвижных песков физико-химическим методом.
Список литературы
1. Петров М.П. Пустыни земного шара. М.: Наука,1973. 435 с.
2. Zakeri, J.A. Requirements of Railway Route Design in Desert Areas. CD-Proceedings of the International conference on Railway Engineering. 2007.
3. Shah, Rehman. Stabilisation des dunes de sable dans la vallée de Mastung (Balushistan, Pakistan). Sécheresse. № 6. 1999. РР.347-354.
4. Фазилов, Т.И. Органо-минеральные противодефляционные покрытия, полученные пропиткой подвижных песков. Doc. Habl tesis. Харьков: ХИСИ. 1991. 45 с.
5. Мирахмедов, М. Основы методологии организации пескозакрепительных работ и защита природно-технических объектов от песчаных заносов. Ташкент: Фан ва технологиялар. 2016. 248 с.
6. Mirakhmedov, M.M., Muzaffarova, M.K. Prospects fixation drift sands physicochemical method//Transport problems. -2016. Vol. 11, Issue 3. PP. 143 -152. Katowica, Poland.
7. Nicholas P Cheremisinoff. Liquid Filtration. Butterworth-Heinemann, 28 июл. 1998. -319 p. https://books.google.com/books/about/Liquid_Filtration.html
8. Лыков, А.В. Тепломассообмен. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. - 480 с. https://www.edx.org/course/leau-et-les-sols-hydrodynamique-des-milieux-poreux
9. Techlog Petrophysics - Schlumberger Software https://www.software.slb.com/products/techlog/techlog-petrophysics
10. Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред. M.: Недра, жидкости в пористых средах, 1970. 209 с.
11. Петров М.П. Пустыни земного шара. М.: Наука,1973. 435 с.
12. Muzaffarowa M.K., Mirachmedow M. M. Differences and commonalities impregnation of air-dry and the wet sand // Transport problems, 2014. Vol. 9, Issue 3. PP. 91 - 97. Katowica, Poland.
13. Палагашвили, В.М. Применение битумных эмульсий при закреплении подвижных песков. PhD tesis. Москва: ВЗИСИ. 1974. 24 с.
14. А.с. № 917733. Способ закрепления подвижных песков/ Мирахмедов, М. и др. / Бюллетень изобретений,, 1982, №13.
15. Адылходжаев, А.И. Применение госсиполовой эмульсии в качестве вяжущего для закрепления подвижных песков. PhD tesis. Москва: ВЗИСИ. 1978. 24с.
16. Лем, Р.А. Создание связнодисперсной системы в подвижных песках модифицированными лигносульфонатами. PhD tesis. Ташкент: ИОХ АН Уз. 1985. 14 с.
17. Расулев, А.А., Фазилова, З.Т. Закрепление подвижных песков отходами фенолформальдегидного производства при освоении песчаных пустынь. V Всесоюзная конференции «Научно-технический прогресс в пустыне». Ашхабад: Ылым, 1986. P.62-63.
Reference
1. Petrov, M.P. Desert Globe. Moscou: Science, 1973. 435 p.
2. Zakeri, J.A. Requirements of Railway Route Design in Desert Areas. CD-Proceedings of the International conference on Railway Engineering. 2007.
3. Shah, Rehman. Stabilisation des dunes de sable dans la vallée de Mastung (Balushistan, Pakistan). Sécheresse. № 6. 1999. РР.347-354.
4. Fazilov, T.I. Organic and mineral antideflatsione coatings prepared by impregnation of moving sands. Kharkov: KhIEC. 1991. 45 p.
5. Mirakhmedov, M. -sous red. Basics of the methodology of peskozakrepitelnyh work and protection of natural and technical objects from the sand drifts. Tashkent: Science and Technologie. 2012. 248 p.
6. Mirakhmedov, M.M., Muzaffarova, M.K. Prospects fixation drift sands physicochemical method//Transport problems. -2016. Vol. 11, Issue 3. PP. 143 -152. Katowica, Poland.
7. Nicholas P Cheremisinoff. Liquid Filtration. Butterworth-Heinemann, 28 hma. 1998. -319 p. https://books.google.com/books/about/Liquid_Filtration.html
8. Lykov, A.V. Heat and mass transfer. 2 nd ed., Moscow: Energy. 480 p..
9. L'eau et les sols - Hydrodynamique des milieux poreux. https://www.edx.org/course/leau-et-les-sols-hydrodynamique-des-milieux-poreux
10. Techlog Petrophysics - Schlumberger Software https://www.software.slb.com/products/techlog/techlog-petrophysics
11. Gudok, N.S. The study of the physical properties of porous media. M .: Nedra. 209 p.
12. Petrov, M.P. Desert Globe. Moscou: Science. 435 p.
13. Muzaffarowa M.K., Mirachmedow M. M. Differences and commonalities impregnation of air-dry and the wet sand // Transport problems, 2014. Vol. 9, Issue 3. PP. 91 - 97. Katowica, Poland.
14. Palagashvili, V.M. The use of bitumen emulsions when fixing shifting sands. PhD tesis. Moscow: All-Union Correspondence Institute of Civil Engineering. 1974. 24 p.
15. SA 917733. The method of fixing moving sands / Mirahmedov, M. et al. / Bulletin of Inventions, 1982, No 13.
16. Adilhojaev, A.I. Application gossipol emulsion as a binder for fixing shifting sands. PhD tesis. Moscow: All-Union Correspondence Institute of Civil Engineering. 1978. 24 p.
17. Lem, R.A. Creating svjaznodispersnye system in shifting sands modified lignosulfonates. PhD tesis. Tashkent: ICh AS Uz. 1985. 14 p.
18. Rasulev, A.A., Fazilova, Z.T. V All-Union Conference "Scientific and technological progress in the desert". Ashgabat: Science. 1986. PP.62-63.
Сведения об авторе/Information about author Makhamadjan MIRAHMEDOV
Doctor of Technical Sciences, Professor, Tashkent Institute of Railway Engineering, Adilkhodjaev str., 1. 700167 Tashkent Uzbekistant, E-mail: [email protected]
