CC BY
4УДК 666.9.035
А.А. ПОЛЬНИКОВ, инженер (polnikovaa@mail.ru),
Самарский государственный архитектурно-строительный университет
Изменение состава сухой смеси при струйном перемещении
Взаимодействие компонентов сухой смеси изменяется в пределах, обусловленных их физико-химическими свойствами и механизмом воздействия на материал. Существует несколько барьеров (граничных точек) этого воздействия, вблизи которых возникают или нарушаются структурные и линейные основные связи. Эти связи в сухих смесях можно было бы назвать критическими, но созвучие термина с сочетанием «критические явления» и различие механизмов взаимодействия делают такое сравнение некорректным с точки зрения традиционного определения термина. Здесь «критичность» следует рассматривать как критически напряженное состояние, связанное с вероятностью (случайной или статистической) проявления характерного дефекта в конкретном виде или месте. Критическое состояние в нашем понимании представляет собой определенное поле равной вероятности возникновения дефекта. Критические явления достаточно широко исследованы в жидкостях, коллоидных дисперсных растворах и твердых веществах. Достоверность этих исследований во многом определяется точностью инструментальных методов измерения размеров частиц, где велика вероятность ошибки.
В работе поставлен вопрос об использовании простых методов испытаний, основанных на анализе поведения (отклике) материала на характерное воздействие. Обычно характеристика сыпучих материалов рассматривается на основе статической аутогезии [1]. В практике необходимо определить, как изменяется состав при изменении температуры, давления, вибрации, высоты струйного сброса, срока хранения, влажности, освещенности, давления на слой, центробежной силы при транспортировке, силы разовой ударной нагрузки и др. Это приводит к иным методам исследования материала.
Для сухих составов с любым количеством компонентов в качестве модели рассмотрено взаимное процентное массовое соотношение одной пары компонентов А и Б, соотношение которых приведено в виде безразмерного относительного коэффициента состава модуля смеси Ксс = А/Б. Под модулем в данном случае подразумевается единичный объем, многократно больший, чем объем максимальной частицы смеси. В процессе технологических операций изменяются условия, в которых пребывает данная сухая смесь. Для базовой оценки примем основные технологические условия (ОТУ): температура окружающего воздуха 15оС; атмосферное давление 1 кгс/см2, относительная влажность 60%. В зависимости от технологических воздействий на сухую смесь и оценки их влияния вводятся дополнительные технологические условия (ДТУ), указанные выше в качестве физических аргументов. Значения ДТУ принимаются по результатам исследования смеси. Назначение технических условий состояния смеси необходимо для определения сохранения основных связей и, как
следствие, для определения гарантийных обязательств по качеству.
При воздействии на сухую смесь определенного фактора происходит изменение Ксс, характер которого определяется противодействием сил внутренней связи компонентов силам возмущающего воздействия. Характер изменения Ксс позволяет определить предельные значения возмущающего воздействия для допустимого по техническим условиям диапазона изменения соотношения компонентов.
Внутренние связи сухих компонентов позволяют сохранять стабильность структуры с определенными свойствами до тех пор, пока на них не воздействовала физическая сила, способная их нарушить. Система внутренних связей определяет комплекс свойств сухой смеси. Важно определить предел воздействия, приводящего к нарушению связи, отвечающей за поддержание требуемого основного устойчивого свойства (ОУС) смеси. Данное усилие будет являться пределом устойчивой связи (ПУС). В результате анализа набора ПУС системы с учетом принципа совмещения [2] определяется ОУС смеси, которое для определенного диапазона технологических условий будет стабильным. Эти условия принимаются за нормативные для данной смеси и через них определяются гарантийные обязательства.
Одним из проведенных автором исследований было определение изменения массового состава сухой смеси при струйном сбросе (перемещении) с различной высоты. Тщательно перемешанную смесь, состоящую из 75% песка фракции 0—0,63 мм и 25% портландцемента Д20 марки 400, равномерно высыпали струей со скоростью 0,1 кг/с с различной высоты (0, 10, 20, 30, 40 и 50 см) на ленту, которая равномерно горизонтально перемещалась со скоростью 0,1 м/с.
После рассыпания каждой порции смеси было проведено измерение процентного массового соотношения компонентов на десяти участках ленты с интервалом 0,1 м.
Способ определения состава смеси после сегрегации при сбросе с высоты состоял из следующих этапов:
— взвешивание частной порции смеси на участке
ьа+1);
— удаление растворимых компонентов (цемента) промывкой растворителем (водой);
— высушивание нерастворимого компонента (песка) до исходной влажности;
— взвешивание нерастворимого компонента с участка ь^+1);
— определение процентного массового соотношения нерастворимых и растворимых компонентов с участка ь^+1) по формуле:
Ксс=Мн / Мр = Мн/ Мс-Мн, где: Ксс — относительный коэффициент состава смеси;
Мн
масса нерастворимых компонентов, г; Мс — сум-
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® май 2010 65
Номер участка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Мс 101,5 101,1 100,7 100,3 100,1 99,9 99,4 99,2 99 98,8
Мн 78,9 78 77,1 76,5 75,1 74,8 73,2 72,6 72,1 71,7
Мр 21,1 22 22,9 23,5 24,9 25,2 26,8 27,4 27,9 28,3
Ксс 3,739 3,545 3,367 3,255 3,016 2,968 2,731 2,650 2,58 2,534
марная масса смеси, г; Мр — масса растворимых компонентов, г.
В частности, данные измерений и расчетов при сбросе с высоты 50 см приведены в таблице.
В таблице номер участка определяет интервал от предыдущего номера до расчетного.
Суммарная масса смеси и масса нерастворимого компонента измерялась взвешиванием на лабораторных весах с точностью 0,05 г. Масса растворимого компонента и коэффициент состава смеси определялись расчетным путем.
Аналогичным образом определена сегрегация при сбросе струи смеси с высот 10, 20, 30 и 40 см. Исследуемые параметры отображены на рисунке, который представляет зависимость процентного соотношения состава слоев смеси от высоты сброса смеси.
Методика проведения измерений и расчетов имеет высокую степень достоверности по следующим характеристикам:
— прямое измерение массы имеет абсолютную погрешность +0,05 г, при этом относительная погрешность измерения при минимальном весе 21,1 г составляет не более 0,237%;
— для каждой порции отдельного участка проводится относительный подсчет соотношения, на который не влияет разброс масс и длин участков;
— вымывание растворимых компонентов проводится до визуально чистого растворителя, что свидетельствует об отсутствии растворенных компонентов;
— нерастворимые компоненты высушиваются до исходной влажности не более 0,1 %.
Для исследуемой строительной сухой смеси задан допустимый диапазон изменения состава, который будет определять проектную прочность готового изделия. Автором условно выбран состав, состоящий из 74—76 % песка фракции 0—0,63 мм и соответственно пропорции из 24—26% портландцемента Д20 марки 400. В случае исследования сегрегации при сбросе смеси с высоты определено допустимое изменение коэффициента состава смеси, которое будет в пределах
„, Высота 5
выброса, см
3,175 3
2,858
\
\ Зона основного устойчивого \ 50 ^ свойства при любой высоте сброса
30-— -/—1
. 1П&-- ^
Допустимое поле Ксс для заданных свойств раствора
В 10 20 30 40 50
2 -
| Для состава смеси: 75% песок фр. 0-0,63 + 25% ПЛЦ-400 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_
1 2 3 4 5 6 7 8 Номер сечения ленты
9 10
Изменение относительного коэффициента состава смеси Ксс при струйном сбросе с высоты Н
2,858—3,175 (горизонтально выделенное поле графика). Для выполнения необходимых технических условий по прочности готового изделия определено поле допустимой высоты струйного сброса смеси, которая корреляцией графика не должна превышать 22 см для сухой смеси выбранного состава.
Кроме того, наблюдается определенная зона, в которой при сбросе струи смеси с любой из исследуемых высот коэффициент состава смеси не превышает допустимого диапазона значений (вертикально выделенное поле графика). Это в данном случае означает, что при струйном сбросе смеси с высот в диапазоне 0—50 см в сечении 4,5—6,5 см смесь имеет основное устойчивое свойство, определенное связью между частицами песка и цемента, которое необходимо и достаточно для выполнения технических условий.
При организации направленного потока смеси можно расширить диапазон действия основного свойства методом совмещения и получить требуемый коэффициент состава смеси при сбросе с большей высоты. Это дает возможность смешения и транспортировки смеси методом непрерывного гравитационного смешения компонентов (метод ГСК), используя эффект кинематического трения [3].
Степень достоверности оценки Ксс принципиально зависит от точности отделения зерен компонентов смеси. При анализе смесей, состоящих из трех и более компонентов, возникает некоторая технологическая сложность по разделению этих компонентов, но она решается при применении необходимых инструментальных способов и химических реактивов. При разделении смеси методом вымывания растворимого компонента нарушается связь между частицами, которая является основным устойчивым свойством во всем диапазоне изменяющегося при возмущающем воздействии состава смеси. Но при сбросе с высоты частиц песка, к которым присоединились частицы цемента и полимеров, не происходит полного разделения компонентов. Микроскопическое наблюдение частиц и исследование свойств смеси в крайних слоях на рисунке свидетельствует о твердофазной эпитаксии мелкодисперсных гранул полимерных веществ и цемента на крупных зернах песка. Также заметна агрегация мелких пылевидных зерен песка и мелкодисперсных добавок, особенно поверхностно-активных веществ. Это дает основания для вывода об изотропии и наличия основного устойчивого свойства, характерного для конкретного состава смеси.
Ключевые слова: сухая строительная смесь, изменение состава, основное свойство
Список литературы
1. Зимон А.Д. Коллоидная химия. М.: Агар. 2003. 320 с.
2. Дорошко Т.П. Принцип совмещения обжига зернистых смесей. Самара: СГАСУ, 2004. 104 с.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.
М.: Наука, 1977. 944 с.
4
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
66 май 2010
