CC BY
205.23.05 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
А.И. Шуйский, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Е.М. Щербань, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] С.А. Стельмах, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] С.О. Хошафян, магистрант, e-mail: [email protected] Д.Ю. Шеремет, магистрант, e-mail: [email protected] Д.М. Ельшаева, магистрант, e-mail: [email protected] Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
О ВЛИЯНИИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АКТИВАТОРА НА ОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ ПЕНОБЕТОННОЙ СМЕСИ
В рамках проводимого исследования предложен ряд параметров, оказывающих значительное влияние на качество получаемой пенобетонной смеси. Для приготовления пенобетонной смеси на основе анализа априорной информации использовалась одностадийная технология. Авторами проведены эксперименты по влиянию скорости вращения активатора на однородность перемешивания пенобетонной смеси. Рассмотрены распределения концентраций взвешенных частиц по радиусу и высоте смесителя. На основании результатов всего исследования установлено, что уменьшение высоты установки мешалки над днищем способствует подъему частиц и увеличению потребляемой мощности. Выявлено, что наибольшее влияние на степень однородности распределения частиц в пределах периферийной зоны оказывают скорость осаждения частиц и масштабы смесителя, скорость радиального движения частиц уменьшается, а коэффициент турбулентной диффузии увеличивается. Это приводит к снижению степени неоднородности радиального распределения, и в смесителях стандартных конструкций радиальный перепад концентрации частиц в периферийной зоне незначителен. Установлено, что экономичность проектируемых смесителей в большой степени зависит от того, насколько обоснованны требования к степени однородности распределения концентраций в смеси. Ужесточение требований к степени однородности приводит к резкому возрастанию мощности. Излишнее снижение требований к степени однородности пенобетонной массы может способствовать осаждению некоторой части твердой фазы на днище смесителя, что приведет к неоднородности смеси.
Ключевые слова: пенобетонная смесь, смеситель, однородность структуры, степень однородности, твердая фаза.
A.I. Shuisky, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
E.M. Shcherban, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
S.A. Stelmakh, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof. S.O. Khoshafyan, Masrer's student D.Yu. Sheremet, Master's student D.M. Elshaeva, Master's student
ON THE INFLUENCE OF THE ACTIVATOR ROTATION SPEED ON THE HOMOGENEITY OF THE FOAM CONCRETE STRUCTURE
As part of the study, a number of parameters have been proposed that have a significant effect on the quality of the resulting foam concrete mixture. For the preparation of a foam-concrete mixture based on the analysis of a priori information, a one-stage technology was used. The authors carried out experiments on the influence of the speed of rotation of the activator on the homogeneity of mixing of the foam concrete mixture. Distributions of suspended particles concentration along the radius and height of the mixer are considered. Based on the results of the entire study, it was found that a decrease in the height of the mixer installation
above the bottom contributes to the rise of particles and an increase in power consumption. It was revealed that the greatest influence on the degree of uniformity of the distribution ofparticles within the peripheral zone is exerted by the deposition rate ofparticles and the scale of the mixer, the speed of radial movement ofparticles decreases, and the coefficient of turbulent diffusion increases. This leads to a decrease in the degree of inhomogeneity of the radial distribution, and in standard mixers the radial difference in particle concentration in the peripheral zone is negligible. It has been established that the efficiency of the designed mixers depends to a large extent on the extent to which the requirements for the degree of uniformity of concentration distribution in the mixture are justified. Stricter requirements for the degree of uniformity lead to a sharp increase in power. An excessive decrease in the requirements for the degree of homogeneity of the foam concrete mass can contribute to the deposition of some of the solid phase on the bottom of the mixer, which will lead to inhomogeneity of the mixture.
Key words: foam concrete mixture, mixer, structure uniformity, degree of uniformity, solid phase.
Введение
Расчет турбулентного потока опирается только на полученные экспериментальным путем качественные показатели, так как представляет собой не решенную теоретически задачу.
Установлено, что при возбуждении пенобетонной смеси активатором создается трехмерное поле скоростей, вследствие чего окружная составляющая значительно превышает радиальную и меридианальную составляющие скорости. При этом отмечается наличие двух зон с существенно разными циркуляционными характеристиками, что приводит к ухудшению скоростного режима и является одной из причин недостаточного перемешивания компонентов.
Несмотря на то что уже разработано большое количество новых конструкций аппаратов с мешалками [1] для приготовления ячеистых бетонов, реализация стабильного процесса перемешивания связана со значительными трудностями и достигается в основном опытным путем для конкретного типа смесителя, состава и даже объема перемешиваемых материалов, то есть практически без достоверной степени обобщения.
Объекты и методы исследования. Результаты и их обсуждение
В рамках проводимого исследования предложен ряд параметров, оказывающих значительное влияние на качество получаемой пенобетонной смеси. Для приготовления пенобетонной смеси на основе анализа априорной информации использовалась одностадийная технология.
Минимально допустимый уровень интенсивности перемешивания в системах «жидкость - твердая фаза» соответствует условиям суспендирования, при которых обеспечивается подъем частиц с днища смесителя или предотвращение их оседания. Для частиц, не обладающих склонностью к слипанию, эти два случая практически совпадают [2].
Отрыв частиц с днища может происходить только в том случае, если подъемная сила, приложенная к лежащей на дне частице при воздействии на нее потока жидкости, превышает силу тяжести:
Fnod ^ V4p4g , (1)
где Уч - объем частицы, м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; рч - плотность частицы.
Поскольку вертикальная составляющая средней скорости потока вблизи днища обращается в ноль, источником возникновения подъемной силы могут служить только горизонтальная составляющая скорости потока или турбулентные пульсации давления вблизи днища. Вопрос о том, какой из этих факторов имеет решающее значение, пока не может считаться окончательно выясненным даже для наиболее простых случаев одномерного течения в плоских каналах [3]. Основой методов расчета переноса взвешенных частиц служат эмпирические формулы. Для водных суспензий широкое распространение получила формула, которая в несколько преобразованном виде может быть представлена как соотношение между «незаили-вающей» скоростью потока Унз (скорость, при которой обеспечивается подъем частиц) и скоростью осаждения частиц [4]:
V«, = 5,3®осН
0,22
(2)
где Юос - скорость осаждения частиц, м/с; Н - глубина потока жидкости, м.
Проведенные эксперименты [5-9] подтвердили данную расчетную зависимость. Полученные данные представлены на рисунке 1.
0,5
3
о о
и й
8 н о о
Е?
0,4
0,3
0,2
0,1
1Ц0,486
кД333
0,222
0,146
2 3 4
Частота вращения п, об./с
Рисунок 1 - Зависимость радиуса отложения осадка Гос от частоты вращения мешалки п (диаметр смесителя D = H = 1 м; трехлопастная мешалка диаметром dm = 0,2 м; Юос = 0,018 м/с;
диаметр частицы dч = 10-4 м)
На рисунке 2 представлен общий вид смесителя, на котором проводился эксперимент. Минимальное значение окружной скорости лопастей активатора, достаточное для полного подъема частиц с днища, отвечает условию
>0с ^ Я, (3)
где Гос - радиус осадка, R - радиус смесителя. Отсюда
5,3®Я0'22 Я
К О «з =
(4)
¥ + ¥ + 1
где ^1, ^2 - параметры распределения скорости; Я - соотношение радиуса активатора и смесителя.
Уравнение (4) находится в хорошем соответствии с опытными данными (рис. 1). Данная зависимость применима только для суспензий, в которых жидкость по физическим свойствам близка к воде, а частицы не имеют склонности к слипанию.
Расчеты по уравнению (4), а также полученные результаты экспериментов и эксплуатационные данные [ 10] показывают, что мощность, необходимая для предотвращения образования осадка на днище смесителя, обычно понижается с увеличением диаметра активатора. Такой характер зависимости сохраняется только до Я = 1,8.. .2 (рис. 3).
1
5
Рисунок 2 - Общий вид экспериментального турбулентного пенобетоносмесителя СБ-81: 1 - корпус подшипников; 2 - разгрузочный поток; 3 - упругая муфта; 4 - выгрузное устройство; 5 - смесительный бак; 6 - редуктор; 7 - рычаг; 8 - промежуточный вал; 9 - разгрузочная лопасть; 10 - ротор; 11 - опорная плита; 12 - электродвигатель; 13 - натяжной винт; 14 - рама; 15 - специальные гайки; 16 - клиноременная передача; 17 - пневмоцилиндр; 18 - огнестойкая футеровка
Л
н о о и 3
о
1,35 1,1
0,85 0,6 0,35 0,1
1 1,4 61
^0,9 9
.0,6 75
0,4 44
цО, 3 0,1 77 1 0,1
0,1
0,5
0,2 0,3
Радиус осадка гос, см
Рисунок 3 - Зависимость мощности привода на образование осадка, при Я = 1,8...2
При дальнейшем увеличении диаметра мешалки и снижении угловой скорости наблюдается оседание частиц в центральной части днища смесителя (если привод сверху). Результаты наблюдений позволяют установить, что уменьшение высоты установки мешалки над днищем способствует подъему частиц. Чрезмерное приближение мешалки к днищу смесителя приво-
дит к увеличению потребляемой мощности. Поэтому высота размещения мешалки над днищем в большинстве случаев выбирается в пределах (0,03.0,1) ём при Я < 1,33, в пределах (0,3.0,7) ём при Я > 1,33; автор работы [11] показывает зависимость (0,07.0,15) ём при Я <
1,33, в пределах (0,5.1) ём при Я > 1,33.
Рассмотрим распределение концентраций взвешенных частиц по радиусу смесителя. Существует два подхода к расчету распределения взвешенных частиц в объеме смесителя при перемешивании в системах «твердая фаза - жидкость» (пенобетонная смесь). Один из этих подходов, имеющий наиболее широкое распространение в практике изучения перемешивания, заключается в нахождении некоторого критического значения частоты вращения П0 мешалки данного типа и размера (минимальная скорость смеси, при которой достигается равномерное распределение твердой фазы в суспензии в смесителе) [10]. Значения П0 находят опытным путем.
Разновидностью такого подхода можно считать метод, состоящий в нахождении минимальной мощности N0, достаточной для равномерного распределения частиц. Значения N0 также определяются экспериментально. В работе [10] получено уравнение:
где Хср - средняя концентрация твердых частиц в суспензии; С - постоянная, зависящая от типа мешалки.
При наличии интенсивного окружного движения пенобетонной смеси, как это бывает в смесителях без отражательных перегородок, распределение концентраций частиц по радиусу устанавливается в результате их движения под действием центробежной силы (сепарирующий фактор) и переноса в противоположном направлении турбулентной диффузией (смешивающий фактор). Движение частиц относительно жидкости под действием центробежной силы определяется теми же закономерностями, что и осаждение под действием силы тяжести. Различие заключается в том, что в данном случае роль ускорения свободного падения выполняет центростремительное ускорение у2/г, и в связи с этим скорость движения крупных частиц в радиальном направлении может быть выражена [10] как
где Юц - локальное значение скорости радиального движения частиц на радиусе г, м/с; Юос -скорость осаждения частиц под действием силы тяжести, м/с; V - окружная скорость жидкости на радиусе г, м/с.
Коэффициент турбулентной диффузии в радиальном направлении на окружности радиуса г также является функцией распределения окружной скорости. В смесителях без перегородок существуют две концентрические зоны с различным характером распределения скорости, разделенные поверхностью радиуса Гт, который составляет 0,6-0,8 радиуса активатора. В местах поворота циркуляционного потока в верхней и нижней частях смесителя происходит интенсивное перемешивание. Степень неоднородности по радиусу в отличие от неоднородности распределения по высоте не может быть уменьшена путем повышения частоты вращения мешалки. Это является одним из следствий незначительного влияния циркуляционного расхода.
Наиболее значительное влияние на степень однородности распределения частиц в пределах периферийной зоны оказывают скорость осаждения частиц и масштабы смесителя. Скорость радиального движения частиц уменьшается, а коэффициент турбулентной диффузии увеличивается. Это приводит к снижению степени неоднородности радиального распределения, и в смесителях стандартных конструкций объемом более 0,5 м3 при Юос < 0,05 м/с радиальный перепад концентрации частиц в периферийной зоне незначителен.
Рассмотрим распределение концентраций взвешенных частиц по высоте смесителя.
^о = СА^(^ Арйч / рТъ,
(5)
(6)
Как показано выше, применительно к смесителям без внутренних устройств закономерности распределения частиц по высоте целесообразно рассматривать только для периферийной зоны. При невысоких значениях концентрации суспензии (объемное содержание частиц до 20 %) и отсутствии значительной радиальной неоднородности процесс переноса частиц в осевом направлении можно описать [10] уравнением:
х{фос -ш2) + Б2 ^ = 0, (7)
ап
где Ю2 - скорость восходящего потока в периферийной зоне, м/с; Б2 - осредненное значение коэффициента турбулентной диффузии в осевом направлении для периферийной зоны, м2/с.
Следует отметить, что в большинстве случаев скорость циркуляционного потока в периферийной зоне смесителя без перегородок существенно меньше скорости осаждения частиц и наличие восходящего потока может не учитываться.
При расчете распределения концентраций частиц, плотность которых ниже плотности среды (рч < р), величине скорости осаждения Юос присваивается знак минус.
Зависимость степени неоднородности распределения от частоты вращения мешалки показана на рисунке 4. Как следует из рисунка, в области Ре = 0,5-0,25 уменьшению критерия Пекле, представляющего отношение скорости сепарации частиц под действием силы тяжести к скорости их переноса турбулентной диффузией, соответствует значительное повышение степени однородности распределения концентраций. При более низких Рем значения Х/Хср приближаются к единице асимптотически (рис. 4), и до снижения полной однородности суспензии требуется, по крайней мере теоретически, бесконечно высокая интенсивность перемешивания.
Й 1 2 3 4 5 6 7
н О
Частота вращения п, об./с
Рисунок 4 - Зависимость концентраций цементной суспензии от частоты вращения активатора (смеситель диаметром 0,6 м.; трехлопастная мешалка; Я = 2,15; Юос = 0,00825 м/с)
В связи с этим экономичность проектируемых смесителей в большой степени зависит от того, насколько обоснованны требования к степени однородности распределения концентраций в смеси. Для большинства практических случаев вполне достаточны значения Хмакс/Хср ~ 1,1.. .1,15. Ужесточение требований к степени однородности приводит к резкому возрастанию мощности (например снижение величины Хмакс/Хср с 1,15 до 1,05 путем увеличения частоты вращения мешалки связано с повышением мощности в 25 раз). Излишнее снижение требований к степени однородности пенобетонной массы также нежелательно, поскольку может произойти осаждение некоторой части твердой фазы на днище смесителя, что приведет к неоднородности смеси.
Все предыдущее изложение касалось монодисперсных частиц с некоторой скоростью осаждения Юос. На практике в большинстве случаев приходится сталкиваться с суспензиями
80
полидисперсного состава. Очевидно, что применительно к таким суспензиям расчет по приведенным уравнениям может быть выполнен для каждой фракции частиц с последующим суммированием концентраций. Чаще всего в этом нет необходимости, и достаточная надежность
обеспечивается при использовании среднего размера частиц, определяемого как
k
dcp =ZvA, (8)
i=1
где di - максимальный диаметр частиц i-й фракции, м; ф - доля частиц данной фракции; k -число фракций.
В этом случае условие предотвращения осаждения (Рем < 0,45) должно выполняться для частиц максимального размера. Могут встречаться ситуации, когда содержание крупных частиц в массе невелико, а периодическая чистка смесителя выгоднее, чем значительное повышение затрат энергии на перемешивание.
Выводы
На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:
1. Уменьшение высоты установки мешалки над днищем способствует подъему частиц. Чрезмерное приближение мешалки к днищу смесителя приводит к увеличению потребляемой мощности.
2. Наибольшее влияние на степень однородности распределения частиц в пределах периферийной зоны оказывают скорость осаждения частиц и масштабы смесителя. Скорость радиального движения частиц уменьшается, а коэффициент турбулентной диффузии увеличивается. Это приводит к снижению степени неоднородности радиального распределения, и в смесителях стандартных конструкций объемом более 0,5 м3 при Юос < 0,05 м/с радиальный перепад концентрации частиц в периферийной зоне незначителен.
3. Экономичность проектируемых смесителей в большой степени зависит от того, насколько обоснованны требования к степени однородности распределения концентраций в смеси. Ужесточение требований к степени однородности приводит к резкому возрастанию мощности. Излишнее снижение требований к степени однородности пенобетонной массы также нежелательно, поскольку может произойти осаждение некоторой части твердой фазы на днище смесителя, что приведет к неоднородности смеси.
Библиография
1. Сахаров Г.П. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI века. - 2002. - № 6. - С. 28-29.
2. Моргун Л.В. Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы - 2003. - № 1. - С. 33-35.
3. Перцев В.Т. Управление процессами раннего формирования структуры бетонов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2002. - 41 с.
4. Несветаев Г.В. Расчет состава ячеистых бетонов // Популярное бетоноведение - 2004. - № 2. - С. 75-76.
5. Shuisky A., Stelmakh S., Shcherban E. et al. Recipe-technological aspects of improving the properties of nonautoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences - 2017. - N 129, 05011.
6. Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А. и др. Рецептурно-технологические факторы и их роль в формировании свойств пенобетонов, полученных из смесей, обработанных переменным электрическим полем // Инженерный вестник Дона - 2012. - № 3.
7. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Гольцов Ю.И. и др. Эффективность электрофизической активации пенобетонных смесей // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 4.
8. Шуйский А.И., Кузнецов С.В. Влияние положения активатора на потребляемую мощность пе-нобетоносмесителем турбулентного типа // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство 2005». - Ростов н/Д., 2005. - С. 52-53.
9. Павлов А.Н., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. и др. Прочность пенобетона при воздействии переменного электрического поля // Научное обозрение. - 2015. - № 10-1. - С. 147-150.
10. Румянцев Б.М., Зудяев Е.А., Критарасов Д.С. Технология и оборудование для производства пенобетонов методом сухой минерализации пены // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века - 1999. - № 3-4. - С. 36-37.
11. Богатина А.Ю. Конструкционные фибропенобетоны для зданий гражданского типа: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д.: Изд-во РГСУ, 2005. - 24 с.
Bibliography
1. Sakharov G.P. New effective technology for non-autoclaved aerated concrete // Building materials, technologies, equipment of the XXI century. - 2002. - N 6. - P. 28-29.
2. Morgun L.V. Morgun V.N. The effect of dispersed reinforcement on the aggregate stability of foam concrete mixtures // Building Materials - 2003. - N 1. - P. 33-35.
3. Pertsev V.T. Management of processes of early formation of concrete structure: Extended abstract of Doct. Diss (Engineering). - Voronezh: VSTU, 2002. - 41 p.
4. Nesvetaev G.V. Calculation of the composition of cellular concrete // Popular Concrete Science. -2004. - N 2. - P. 75-76.
5. Shuisky A., Stelmakh S., Shcherban E.E. et al. Recipe-technological aspects of improving the properties of nonautoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences - 2017. -N 129, 05011.
6. Shcherban E.M., Goltsov Yu.I., Tkachenko G.A. et al. Prescription and technological factors and their role in the formation of the properties of foam concrete obtained from mixtures treated with an alternating electric field // Engineering Bulletin of Don - 2012. - N 3.
7. Shcherban E.M., Stelmakh S.A., Goltsov Yu.I. et al. The effectiveness of the electrophysical activation of foam concrete mixtures // Engineering Bulletin of the Don. - 2013. - N 4.
8. Shuisky A.I., Kuznetsov S.V. The effect of the activator position on the power consumption by a turbulent foam concrete mixer // Materials of the Intern. Scientific-practical conf. "Construction 2005". - Rostov n/D., 2005. - P. 52-53.
9. Pavlov A.N., Goltsov Yu.I., Stelmakh S.A. et al. Strength of foam concrete under the influence of an alternating electric field // Scientific Review. - 2015. - N 10-1. - P. 147-150.
10. Rumyantsev B.M., Zudyaev E.A., Kritarasov D.S. Technology and equipment for the production of foam concrete by the method of dry mineralization of foam // Building materials, equipment, technologies of the XXI century. - 1999. - N 3-4. - P. 36-37.
11. Bogatina A.Yu. Structural fiber-reinforced concrete for civil type buildings: Extended abstract of PhD diss. (Engineering). - Rostov on/Don: Rostov State University of Civil Engineering, 2005. - 24 p.
