CC BY
92
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дураев А. Е. Расчет конструкций на грунтовом основании с возрастающим по глубине модулем деформации. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1991. 192 с.
2. Моссаковский В. И. Давление круглого штампа на упругое полупространство, модуль упругости которого является степенной функцией глубины // ПММ. 1958. Т. 22, вып. 1. С. 123 — 125.
Поступила 01.04.02.
К ВОПРОСУ ОБ ОБОСНОВАНИИ
СПОСОБА ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ПЕСКОВ
М. МИРАХМЕДОВ, кандидат технических наук
Известны три вида способов закрепления подвижных песков по виду применяемых материалов: биологический (фитоме-лиорация); физико-химический (закрепление связующими веществами) и механический (устройство преград). Каждый вид представлен множеством способов (типов технологий), число которых пополняется. Например, известно более ста связующих. Очень часто способы комбинируются, например, канавы и валы устраивают для задержания приносимого ветром песка, их поверхность обрабатывают связующим, а в накопленный песок высаживают растения. В обычных условиях (при отсутствии засоленности и не на антропогенных песках) наиболее эффективным способом является фитомелиорация. Однако приживаемость растений очень низкая. Для решения этой проблемы используют два остальных вида способов.
Научно обоснованный выбор способов является одним из краеугольных камней комплексной системы строительно-техноло-гической подготовки производства (работ) по закреплению подвижных песков.
Основным технологическим приемом физико-химического способа является внесение связующего вещества в эродируемый песок, например, разбрызгиванием [2]. Поверхностный слой песка получает новую структуру — образуется корка, которая должна простоять, не разрушаясь, определенное время. Поскольку образование
корки является временной мерой, под защитой которой будет реализован биологический метод, т. е. осуществлена фитомелиорация песков, срок эксплуатации корки не превышает 1 — 1,5 года — столько, сколько необходимо растительности, чтобы прижиться. Дело в том, что корка, предотвращая выдувание песка, одновременно создает благоприятные термовлажностные условия для растительности [3]. Недооценка этого критерия приводит к неоправданному перерасходу связующего, удорожанию способа.
На практике применяются связующие трех типов: растворы (например, нэрозин, ССБ); многокомпонентные жидкости (сырая тяжелая нефть, САФА) и эмульсии (битумная, госсиполосмольная [1]).
Приступая к исследованиям, в первую очередь изучают реализуемость способа с применением нового связующего. Проанализируем условия проникания жидкости в песок. Капли, попадая на него, ограничены сверху свободной поверхностью, испытывающей постоянное давление, равное атмосферному. Поэтому в поровом пространстве жидкость образует свободный поток и проникает в песок под влиянием гравитационных и (или) капиллярных сил.
Доказано, что характер проникания изменяется в зависимости от типа связующего. Из растворов и многокомпонентных жидкостей наиболее поверхностно-
© М. Мирахмедов, 2002
активная составляющая «цепляется» за поверхность песчинок [5]. Эмульсии, попадая в поровые каналы, ведут себя иначе. Частички эмульгированного связующего притягиваются, образуют сгустки, которые не взаимодействуют с поверхностью канала. Образуется пробковое движение [6]. В первом случае поровое пространство уменьшается, что также меняет скорость потока. Жидкость в поровом пространстве песка движется неравномерно. Во втором случае в процессе пропитки разделение не происходит и в силу этого через единицу поверхности поступает постоянное количество жидкости, поток равномерный, движение подчиняется закону Дарси.
Элементы потока, такие, как скорость, расход, глубина, меняются в пространстве и со временем. Поэтому поток следует рассматривать как неустановившийся.
Рассмотрим подробнее наиболее общий случай проникания жидкости в песок как безнапорное неравномерное движение неустановившегося потока, являющийся частной задачей фильтрации. Поток ограни-
и
и
чен сверху горизонтальной депрессионнои кривой, изменяющей свое положение непрерывно во время пропитки: /гн > > > О, снизу компоненты скорости по осям х и у очень малы по сравнению со
скоростью по оси г, т. е. их » и2, что позволяет пренебречь первыми двумя слагаемыми; их-иу = 0. Тогда условие
(Iи
неразрывности запишется в виде
г _
¿у
0
Общий вид зависимости для турбулентной фильтрации следующий: и = кь-1ту где ь — скорость фильтрации; I — пьезометрический уклон; — коэффициент фильтрации; т — показатель степени.
Исследования проводят на моделях, пренебрегая влиянием гравитационных сил [6], что не всегда справедливо. Кроме того, из-за невозможности вполне корректно определить величину краевого угла сма-
и
чивания жидкостью шероховатой поверхности песчинки и величину поверхностного натяжения на границе песчинки и связующего применять формулы, полученные по результатам моделирования на капиллярах, нельзя. В силу только того, что песок сложен из частиц разной крупности, упаковку частиц не допускается принимать кубиче-
ской. Естественным следует полагать гексагональное сложение. Следовательно, пропитка является движением жидкости по каналам с изменяющимся диаметром, отличающимся по форме от четочного капилляра, в котором диаметр канала попеременно сужается и расширяется. Силами поля тяжести можно пренебречь тогда и только тогда, когда потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенная к единице жидкости, больше потенциала поля жидкости: фк » фпТ.
По А. В. Лыкову, это справедливо, когда внутренний размер канала, по которому движется жидкость, меньше 10~2 мм (б/к < 10~2 мм). В противном случае массой пропитываемой жидкости пренебречь нельзя. Таким образом, для установления преобладающего влияния тех или иных сил следует определить внутренний диаметр канала, а в условиях полидисперсного песка — эквивалентный диаметр. Для этого движение жидкости в песке представим как смешанную задачу гидродинамики, т. е. с одной позиции жидкость движется в каналах неправильной формы, образованных зазорами между частицами песка (внутренняя задача), с другой поток обтекает встречающиеся на пути движения частицы (внешняя задача). Определим основные понятия:
удельная поверхность частиц в единице объема слоя (а0);
пористость, или доля свободного объема (е = (рт -рж)/рт);
диаметр канала Ык).
Предположим, что опыты проводятся в сосуде, размеры которого выбраны с учетом критериев подобия. Тогда V = 5Я,
= Уа0 = 5Яя0, Уч - У - Уп - 5Я(1£о).
Общее сопротивление слоя песка равно:
Ар = (АН / с1к
Рж<»
2
N
2
с¿к = 4е
. С позиции внут-
ренней задачи ак=4е0 / а0, где а0 удельная поверхность песка, м2/м3. Определение удельной поверхности представляет известные трудности, поэтому к решению задачи подойдем с позиции внешней задачи.
Пусть
в
слое находится п частиц произвольной формы, тогда объем
5Я(1-в0)
одной частицы равен: уч= —- =-—
п
п
71(1
ИЛИ
у ч
/ч /уччерез
б
внешней задач:
ций. Так, при расходе мангышлакской Выразим соотношение нефти 2 л/м2 начальная скорость впитывания в кварцевый песок фракции 0,25 — 0,315 мм в 2 раза, а конечная — более чем в 1,5 раза больше, чем в исатай-
параметры внутренней и
БНа^
ч _
П
V
п
5Я( \~е)
яс1
2
б
а о =
6(1-£0)
^ V откуда аг) =-—,
Ф п(11 Фс1ч
где Ф — коэффициент формы частицы, приводимый в справочниках. С учетом а0 в б/ получим
¿к =
(1)
Принимая Ф = 0,9; е0= 0,3 -0,45; (1Ч = 0,14 мм, получим эквивалентный диаметр каналов: = (3,62 - 3,86) 10"2мм. Даже при кубической укладке сферических частиц (пористость равна 47,64 %) с?к= 1,53 Ю-2 мм, что ненамного, но все же больше порога влияния капиллярных сил. Реальная пористость меньше указанной, например, кульсаринский (Западный Казахстан) песок имеет пористость 44 %, а частицы диаметром меньше 0,14 мм составляют 10 — 15 %. Таким образом, при свободной пропитке песка ограниченным количеством связующего влиянием сил тяжести пренебречь нельзя, во
и
всяком случае в начальный период пропитки.
Для установления границы влияния гравитационных сил на процесс пропитки, роль которых возрастает с уменьшением удельной поверхности сыпучего материала и увеличением радиуса пор, был проведен ряд опытов на образцах из песка различного гранулометрического состава. Для установления роли составляющих их минералов пропитке подвергались образцы из кварцевого и реального песка из предполагаемых районов работ.
Характер затухания процесса пропитки косвенно характеризует возможное фильтрование компонентов жидкости. Например, установлено, что кривые пропитки песка нефтью имеют затухающий во времени характер, но конечное значение их не равно нулю. Значения начальных и конечных скоростей пропитки исатайского песка меньше, чем кварцевого. Наиболее ярко это проявляется для песка крупных фрак-
ский соответствующей фракции [4], что можно рассматривать как свидетельство фильтрования тяжелых элементов жидкости.
Для кварцевого песка роль гравитационных сил возрастает, если он сложен из частиц больше 0,25 мм при пористости 0,39. Отсюда напрашивается вывод о том, что при пропитке мелкозернистого песка ограниченным количеством нефти разделение ее на компоненты будет происходить интенсивнее.
Граница преобладающего влияния капиллярных сил также свидетельствует в пользу фильтрования компонентов жидкости в процессе пропитки. Так, для нефти эта граница смещена и составляет примерно 5 10~2 мм. В случае применения эмульсий смещение незначительно [2]. В связи с этим выдвинута гипотеза о неодинаковом характере пропитки песка связующими различного типа.
Гипотеза 1. Одновременно с прониканием в песок многокомпонентной жидкости, в отличие от эмульсий, ее составляющие отфильтровываются на поверхности внутренних каналов, образованных песчинками, что приводит к сужению порового пространства.
Для проверки гипотезы проведен еле-
и
дующии опыт.
Разборный стакан, состоящий из колец с внутренним диаметром 66 мм и высотой 10 мм, заполняли зернистым материалом размером 0,25 — 0,315 мм. После уплотнения на вибростоле и разогрева в термошкафу до 60 °С в течение 2 ч песок пропитывали нефтью, прогретой до 60 °С, и выдерживали в тех же условиях в течение 4 ч. Пробу из каждого кольца экстрагировали бензолом, затем определяли групповой состав экстрактов. Из табл. 1 видно, что асфальтеиы и смолы задерживаются в верхнем слое в самом начале процесса пропитки. Уменьшение их количества по глубине можно объяснить, видимо, только явлением фильтрования. Значительное количество (17,4%) смол джаркургапской нефти проникает в ниж-
ние слои. Это, вероятно, объясняется тем, что свойства смол, их молекулярная масса и плотность зависят от того, из каких
фракций они выделены. Соответственно полярность их также зависит от принадлежности к той или иной фракции.
Таблица 1
Распределение тяжелых компонентов нефти по глубине пропитки
Глубина отбора проб, мм Мангышлакская нефть Джаркурганская нефть
Асфальтены Смолы Масла Асфальтены • Смолы Масла
0-10 7,6 17,51 74,89 8,7 25,6 65,7
11-20 2,93 12,12 84,95 3,3 22,0 74,7
21 - 30 1,14 9,0 89,86 1,8 17,4 80,8
Контроль 3,89 12,88 83,23 4,6 21,7 73,7
Изменение количества отфильтровав-шихся компонентов по глубине носит криволинейный характер, что свидетельствует о непропорциональном их распределении и влиянии неравномерности в упаковке частиц песка на характер пропитки.
По окончании пропитки пропитанный слой песка (корка) извлекался. Нижняя поверхность корки оказалась неровной, местами достаточно «языковатой», т.е.
к
условие сохранения £) = (?1» а — >
£0
где £о — пористость. Однако
Гипотеза 2. В результате неравномерного движения многокомпонентной жидкости, обусловливаемого разной плотностью упаковки частиц, в теле пропитанного песка остаются пузырьки защемленного воздуха. Следует различать пористость активную (е^ и инертную (г2Х так что + £2-
Для выявления этого феномена предложено определять степень насы-
^н=Лт/Аф, где/^— теоретически возможная глубина пропитки при полном заполнении пор жидкостью, Ь, — фактическая глубина пропитки.
Опыты с многокомпонентными жидкостями показали большие расхождения фактической глубины пропитки с расчетной [5]. Например, свободная пропитка песка
и
двух типов тяжелой ВЫСОКОСМОЛИСТОИ
нефтью свидетельствует, что процесс неоднозначно зависит от пористости зернистого материала (табл. 2).
Воспользуемся данными А. И. Адыл-ходжаева [1] о пропитке песка госсипо-
о
и
щения песка пропитываемой жидкостью:
лосмольнои эмульсиеи и произведем несложные расчеты (табл. 3).
Учитывая точность измерений, расхождения незначительные, а зависимость к = 5/г вполне адекватно описывает зависимость между 8 и к. Распределение госсиполосмольной эмульсии по глубине равномерно. Вероятно, в процессе пропитки эмульсия не распадается. Таким образом, перенос жидкости сопровождается смачиванием зерен песка водой. Образу-
Пропитка высокосмолистой нефтью
Таблица 2
Нефть месторождений Мангышлак Джаркурган Мангышлак Джаркурган
Вязкость, Спз 8,6 286 8,6 286
Песок, (1 = 0,14мм Эталонный — кварц Каракумский — 0,72
к н 0,55 1,0 0,78 1,87
Таблица 3
Пропитка госсиполосмольной эмульсией
8, мм 7,0 5,3 3,9 3,0
Концентрация, % 5 10 15 20
1г{, мм 22,0 12,0 9,6 7,5
/г = 5/е, мм 17,5 13,25 9,75 7,5
/г Н 0,8 1,1 1,15 1,0
ется тонкая пленка жидкости, а эмульгированные частички переносятся, не входя в прямой контакт с поверхностью песчинок, — пробкообразно. Значение > 1 означает, что каналы закупорены, песок для данных условий превысил свой предел насыщения и часть жидкости осталась на поверхности песка невпитавшейся. Коэффициент насыщения кн< 1 не означает, однако, что для полного насыщения песка следует продолжать его пропитывать. «Недонасыщение» песка свидетельствует только, что в данных условиях не все поры заполняются жидкостью.
Проанализируем данные по использо-
Р. А. Л ем также получил подтверждение неустойчивости движения фронта жидкости и сужения размера пор в процессе пропитки. Он изучал создание связнодис-персной системы на поверхности песка модифицированными лигносульфонатами. Причем смесь лигносульфоната СДБ составляет 13,7 — 14,3 %, ацетоноформаль-
ванию битумной эмульсии [6]. Формула, полученная в результате моделирования на капиллярах, имеет достаточно большое отклонение от фактической. Значительно меньше отклонение между фактическими результатами и теоретически прогнозируемой глубиной пропитки, что свидетельствует о переносе жидкости без разделения эмульсии в поровом пространстве. Однако величина коэффициента насыщения свидетельствует о некотором избытке связующего (3 — 19 %). Допустимый расход эмульсии должен быть откорректирован в меньшую сторону (табл. 4).
дегида ОФП — 0,7 — 1,3 и вторичного продукта производства формальдегидной
смолы САФА - 11,2 - 12,8 %. Как утверждает автор, ассоциаты мелиоранта диффундируют из объемного раствора и адсорбируются на гидратный слой поверхности песчаных частиц, тем самым уменьшая радиус наименьших проходов
Таблица 4
Пропитка битумной эмульсией
Концентрация эмульсии, % 3 5 10 15 25 35
Расход эмульсии, л/м2 12,3 9,5 6,7 4,4 2,9 2,1
Расход битума, кг/м2 0,37 0,47 0,67 0,66 0,72 0,73
Глубина пропитки, <5/£0 26,17 20,21 14,25 9,36 6,17 4,47
Глубина пропитки по формуле, мм 28,0 21,6 13,8 10,1 6,6 4,9
Глубина пропитки факт., мм 23 18 12 8 6 4
Расхождение фактической и расчетной пропитки, % 18 17 13 21 9 18
Коэффицент насыщения 1,14 1,12 1,19 1,17 1,03 1,12
между соприкасающимися частицами [4].
Одним из путей использования результатов в прогнозировании пропитки является подбор таких регулируемых факторов, которые обеспечивают равномерность пропитки и максимально возможную насыщенность песка связующим. Для этого границы изменения значений факторов должны устанавливаться после прикидоч-ных опытов или экспертным методом. Затем реализуют эксперименты по заранее составленному плану, например по полному плану (га = 2п), так, чтобы факторы имели все возможные комбинации значений в пределах их варьирования. Статистическую проверку осуществляют на трех параллельных образцах. В результате выводят фор-
мулу предельной глубины пропитки [1 — 5]. Полученные регрессионные зависимости могут быть использованы для осуществления направленной пропитки, прогнозирования ее надежности для создания продукта пропитки — корки с заранее заданными свойствами.
Таким образом, исследования особенностей пропитки песка различного минералогического и гранулометрического состава гомогенными, гетерогенными и многокомпонентными жидкостями оказывают решающее влияние на определение технологических параметров работ по закреплению подвижных песков, позволяют выработать научно обоснованный подход к исследованию новых способов песко-закрепления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адылходжаев А. И. Применение госсиполовой эмульсии в качестве вяжущего для закрепления подвижных песков: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ташкент, 1978. 27 с.
2. Арипов Э. А. Химическая мелиорация подвижных песков / Э. А. Арипов, Б. Н. Нурыев, М. А. Аразмурадов; Под ред. К. С. Ахмедова, А. П. Иванова. Ашхабад: Ылым, 1983. С 85 — 87.
3. Бабаев А. Г. Закрепление подвижных песков пустынь СССР. Ашхабад: Ылым, 1982. 262 с.
4. Лем Р. А. Создание связнодисперсных систем в подвижных песках модифицированными лигносульфонатами: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ташкент, 1985. 14 с.
5. Мирахмедов М. Закрепление подвижных песков тяжелыми нефтями: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ташкент, 1975. 24 с.
6. Фазилов Т. И. Закрепление подвижных песков вяжущими веществами. Ташкент: Фан, 1987. 104 с.
Поступила 16.02.02.
ХРОНИКА. РЕЦЕНЗИИ. ОБЗОРЫ
ПОСТИГАЯ ТРАДИЦИОННУЮ МОРДОВСКУЮ ХОРЕОГРАФИЮ
(РЕЦ. НА КНИГУ А. Г. БУРНАЕВА «МОРДОВСКИЙ ТАНЕЦ (ИСТОРИЯ, МЕТОДИКА, ПРАКТИКА)»)
В Издательстве Мордовского университета вышла в свет книга А. Г. Бурнаева «Мордовский танец (история, методика, практика)» с грифом У МО по образованию в области народного художественного творчества, социально-культурной деятельности и информационных ресурсов Ми-
нистерства культуры РФ. Она рекомендована в качестве учебного пособия для учащихся училищ и студентов вузов искусств и культуры.
Актуальность рецензируемого труда обусловлена тем, что в условиях интенсивного межнационального диалога и роста
