Теоретические и практические аспекты совершенствования технологии получения высококачественного фибробетона для устройства полов и подливки под оборудование промышленных объектов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список использованных источников

1. А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с.

2. Металловедение в схемах-конспектах: Учебное пособие. Под ред. И.Ю. Ульяниной. Ч.1. - М.: МГИУ, 1999. - 245 с.

3. Т. Браун, Г.Ю. Лемей. Химия - в центре наук: в 2 ч. Пер. с англ. -М.: Мир, 1983. -520с.: ил.-ч2.

4. И.С. Стерин. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки / Учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2003. - 344 с.

5. Металловедение / Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш. шк., 2000. - 420 с.

6. Электротехнические материалы: Справочник /Э45 /В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, Г.А. Рыков, А.М. Хайкин. - 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1983. - 504 с.

7. Гарнець В.М. Матерiалознавство. Пщручник. - К.: Кондор. 2009. - 386 с.: ш.

8. Ю.Н. Баженов Технология бетона. Учебник. 3-е издание - М.: Изд-во АСВ, 2003. -500 с.: ил.

9. Наназашвили И. Х. Строительные материалы, изделия и конструкции: Справочник. -М.: Высш. шк., 1990. - 495 с.: ил.

10. М. Каганов. Из чего все состоит. М.: Изд. «Наука и жизнь» №12, 2003. - 38-46 с.

11. А. Гурьянов. Трубки завтрашнего мира. М.: Изд. «Наука и жизнь» №2, 2010. - 16 - 21 с.

12. Т. Зимина. Новое лицо углерода. М.: Изд. «Наука и жизнь» №11, 2010. - 2 - 5 с. УДК 691.54:691.327

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ФИБРОБЕТОНА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПОЛОВ И ПОДЛИВКИ ПОД ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Мирошниченко К. К., к. т. н., доц., Савицкий Н. В., д. т. н., проф.

ГВУЗ «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры»

В статье приведены некоторые результаты исследований по обоснованию влияния формы лопасти смесителя на энергетическую эффективность технологических приемов приготовления высококачественного фибробетона. Установлено, что коэффициент полезного действия лопасти в виде плоского элемента зависит от угла подъема линии скольжения компонентов фибробетонной смеси по лопасти по отношению к вектору скорости, а также от угла установки лопасти. При выборе угла наклона лопасти необходимо учитывать и соотношение ее размеров. Были получены значения коэффициентов внутреннего трения для фибробетонов. Данные эксперименты были базовыми при проектировании лопастей более сложной геометрической формы, использование которых, при соблюдении определенных технологических операций, обеспечивает получение однородных фиброармированных композиций с высокими характеристиками.

технология, фибробетон, дисперсно-армированные составы, энергоемкость, лопасть, коэффициент полезного действия, коэффициент трения.

Введение

Для получения фибробетона в условиях строительной площадки в настоящее время используют различные технологические схемы. Однако практически ни одна из них не обеспечивает получение однородного, качественного материала со стабильными свойствами в течение длительного времени. Особенно эта проблема встает при строительстве металлургических предприятий, при установке высокотехнологического

оборудования. Так для устройства под такое оборудование подливки, а также получения конструкций полов, необходимо использовать технологические приемы, обеспечивающие получение подвижных строительных композиций высокой прочности, деформативности, маслостойкости, а иногда и безусадочности.

Мы на протяжении многих лет проводим исследования по изучению влияния технологии получения дисперсно-армированных составов на их свойства.

В данной работе приведены некоторые теоретические и практические аспекты совершенствования технологии приготовления фибробетона с целью получения высокоэффективных смесительных устройств с низкой энергоемкостью.

Анализ публикаций

С этой целью было проработано множество литературных и патентных источников в т. ч. [1-6]. Их анализ показал, что для того, чтобы провести определенную процедуру по смешиванию, надо выполнить определенный объем работы. Работа, затраченная на перемешивание, определяется удельной энергией смешивания и временем приготовления. Удельная энергия смешивания определяется эффективной нагрузкой двигателя и массой смеси. Какой объем работы необходимо выполнить для перемешивания, надо рассчитать эмпирическим путем.

Качество смеси или ее однородность напрямую зависит от способа перемешивания или вида рабочего органа-лопасти. Анализ конструкций смешивающих агрегатов показывает, что влияние вида геометрической формы рабочего органа (особенно сложной) на качество перемешивания практически не изучено.

Теория наклонной плоскости положена авторами [2] в основу расчетов удельного сопротивления грунта, бетона движению проникающего тела (грунта - плугу, бетона -лопасти). Мы предполагаем, что сжимающие контактные напряжения между поверхностью лопасти и компонентами фибробетона, перпендикулярные к направлению движения и лежащие в плоскости угла вхождения в смесь (угла резания), будут определять силу сопротивления смеси движению лопасти.

Анализ значений удельного сопротивления движению лопасти, которые предлагают авторы работ [1-3] показали, что величина удельного давления струи на лопасть Кдин смесителя в их расчетах, учитывается лишь 1-й степенью скорости, тогда как в действительности - 3-й. Поэтому давление набегающих потоков на лопасть необходимо учитывать согласно основам технической механики:

Р

Кдин= , (1)

F

sin а

где Ри = F- — (2)

^ дин sin а \ J

g

v - средняя скорость движения лопастей, g - ускорение свободного падения, у - объемная масса смеси.

На сопротивление движению лопасти существенное влияние оказывает и высота слоя композиции в емкости. Следовательно, в расчетах необходимо учитывать глубину погружения рабочего органа в смесь.

Чтобы повысить полный коэффициент полезного действия любого смешивающего устройства необходимо уменьшить отношение используемой мощности к объему приготовленной фибробетонной или другой смеси. Полную использованную энергию (производственную энергоемкость) можно определить по формуле (3):

sn = —, (3)

—п

где t - время перемешивания, —п - полный коэффициент полезного действия механизма, - отношение используемой мощности к объему произведенной продукции:

N

е' _ 1 у де

V

где Nде - использованная мощность; V - вместимость смесительного барабана.

Цель и постановка задачи исследования Целью данного этапа исследований является обоснование влияния формы лопасти смесителя на энергетическую эффективность технологических приемов приготовления однородного высококачественного фибробетона.

Методика исследования В практике конструирования рабочих органов смесителей иногда используют эффект «косого резания», с целью уменьшения силы сопротивления в заданном направлении движения [2].

Нами было рассмотрено вначале влияние эффекта «косого резания» при движении фибробетонной смеси по лопасти смесителя с горизонтально движущимися лопастями в виде наклонных плоскостей.

Если движение фибробетонной или другой строительной смеси происходит по линии (АС), которая перпендикулярна к основанию лопасти (см. рис. 1 и 2), то силы, действующие на нее, и ее коэффициент полезного действия, можно определить также как и для любого тела, движущегося вверх по наклонной плоскости [1,2].

Рис.1. Расположение сил действующих на лопасть в виде пластины

Р

Рис. 2. Расчетная схема для определения энергетических характеристик при движении

фибробетонной смеси по лопасти

Когда лопасть расположена под каким-то углом (например, ю) к направлению движения и находится в непосредственной близости к массе бетона, ее частица может двигаться вверх, например, по линии В 1С, лежащей в плоскости движения.

Проведем отрезок B1D1 параллельно скорости движения лопасти (v), т.е. B1D1 || v, отрезки CD1 и B1D1 взаимно перпендикулярны, а отрезок B1D1 расположен перпендикулярно к линии m, которая перпендикулярна V. Из этих построений видно, что:

h rr-,

tga_ Ж <5Х

где ах - угол между направлением скольжения фибробетонной смеси и горизонтальной плоскостью;

h - проекция лини (направления) скольжения смеси по лопасти на вертикальную плоскость.

На основании вычислений было установлено, что коэффициент полезного действия данной лопасти равен:

_ Qv sin a _ tg (cosa- f sin a) (6)

Pvcosa sina + f cosy

где v - скорость движения (скольжения) бетонной смеси по лопасти.

Математическое описание процесса смешивания бетонных смесей лопастями, вращающимися в горизонтальной плоскости, можно составить на основе баланса относительной используемой мощности. В результате было получено условие равновесия сил:

Pde cos а _ Póe f sin а + Pzf cos а + Pz sin a (7).

При большом заглублении лопасти в фибробетонную смесь и произвольном расположении ее в пространстве во время перемешивания, смесь перемещается по плоскости лопасти в сторону наименьшего сопротивления, и сила давления Q2 будет направлена перпендикулярно к основанию BD треугольника CBD, у которого линия BC -линия скольжения частицы смеси.

Установим зависимость между углами в этом случае. Из треугольника CBD было получено, что коэффициент полезного действия данной лопасти равен:

то-,' <8>

tg (a+p)

где p - угол внутреннего трения бетонной смеси.

Заметим, что вид формулы (8) совпадает с принятым ранее [2, 5], однако угол a здесь не равен углу наклона y, используемого при расчетах коэффициента полезного действия наклонной плоскости.

Если просмотреть формулы (7) и (8), то можно сказать, что линия скольжения ВС является линией наименьшего сопротивления.

При выборе угла наклона лопасти необходимо учитывать и соотношение ее размеров так, чтобы движение фибробетонной смеси по лопасти происходило в нужном направлении, которое можно определить из условия, чтобы сила Р была наименьшей при движении смеси по лопасти в желательном направлении.

С целью определения коэффициентов трения дисперсно-армированных мелкозернистых бетонных смесей была изготовлена установка (рис.3).

Рис. 3. Экспериментальная установка (схема) для определения коэффициента трения: 1 - направляющий вал (рычаг); 2 - конус; 3 - емкость; 4 - смесь; 5 - усилие; 6 - рама

установки

При определении коэффициента трения фибробетонной смеси по стали необходимо применять конус с гладкой поверхностью, а коэффициента внутреннего трения фибробетонной смеси-конус с рифленной поверхностью.

Усилия, действующие на конус, внедренный в фибробетонную смесь, показаны на рис. 3.

После проведения вычислений можно определить момент, необходимый для преодоления сил трения:

M 'тр ( г ) = f ( z)aN ( z) z 2tg V

2ж

cosa

(9);

Внедрение конуса в фибробетонную смесь приводит к тому, что часть усилия Р расходуется на преодоление сил трения конуса о бетонную смесь, а часть - на преодоление лобового сопротивления.

В результате дальнейших вычислений было получено выражение для определения коэффициента трения:

=-мч^-

Р'( - М' ( z)cos а Для исследования процесса взаимодействия поверхности лопасти с компонентами фибробетонной смеси была изготовлена установка (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальная установка для исследования траектории движения смеси после воздействия лопасти: 1 - емкость; 2 - центральный вал; 3 - штанга; 4 - вал лопасти; 5 - лопасть; 6 и 7 - клиноременные передачи; 8 - рукоятка (водило)

Результаты и их анализ

Было установлено, что:

- линия скольжения смеси по лопасти является линией наименьшего сопротивления; ее выбор обеспечивает снижение энергоемкости процесса;

- при движении лопасти, которая расположена перпендикулярно к направлению ее движения, образуется так называемое ядро уплотнения, расположенное перед ней. Это ядро вызывает в фибробетонной смеси сдвиговые явления, характер одного из которых показан на рис. 5. Из него видно направление средних нормальных давлений на смесь от ядра уплотнения.

Рис. 5. Образование ядра уплотнения из подвижного фибробетона перед лопастью и

явления сдвига перед ней

На основании данных экспериментальных исследований и вычислений были получены значения коэффициентов внутреннего трения для различных фибробетонов:

- фибробетона с фиброй Щ 15-ЖТ - 0,75 - 0,8;

- фибробетона с полипропиленовой фиброй - 0,72 - 0,77;

- фибробетона с анидной фиброй - 0,7 - 0,75;

- фибробетона с полипропиленовой, анидной и стеклянной фиброй по стали - 0,35 -

0,4.

Выводы

Исследования показали, что коэффициент полезного действия лопасти в виде плоского элемента зависит от угла подъема линии скольжения компонентов фибробетонной смеси по лопасти по отношению к вектору скорости, а также от угла установки лопасти. Угол подъема зависит от угла установки лопасти.

При выборе угла наклона лопасти необходимо учитывать и соотношение ее размеров так, чтобы движение фибробетонной смеси по лопасти происходило в нужном направлении, которое можно определить из условия, чтобы сила Р была наименьшей при движении смеси по лопасти в желательном направлении.

Данные эксперименты позволили нам выявить те факторы, которые являются базовыми при проектировании лопастей более сложной геометрической формы, использование которых, при соблюдении определенных технологических операций, обеспечивает получение однородных фиброармированных композиций с высокими характеристиками.

Список использованных источников

1. Королев К. М. Эффективность приготовления бетонных смесей // Механизация строительства. - 2003. - № 6. - С. 7 - 8.

2. Пулин В. П. Повышение энергетической эффективности бетоносмесителей цикличного действия / Дисс. канд. техн. наук. - Днепропетровск: ДИСИ, - 1984. - 176 с.

3. Пухаренко Ю. В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов / Дисс.докт.техн. наук, - Санкт-Петербург: С-ПГА-СУ, - 2004. -315 с.

4. Коротышевский О.В. Полы из сталефибробетона и пенобетона // Строительные материалы. - 2000. - № 3. - С. 17 - 18.

5. Кромская Н.Ф. Исследование смесителя для приготовления дисперсно армированных бетонных смесей / Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Ленинград: ЛПИ. - 1981. - 18 с.

6. Дирк Хойер. Смешивание бетона и состояние техники // Сборник трудов конференции Строительство, материаловедение, машиностроение. - Ялта, 2010. - С. 38 -43.

УДК 666.9.022.3

ВЛИЯНИЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ПРЕССОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ

ОТХОДОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Федоркин С.И., д.т.н., профессор, Макарова Е.С., к.т.н., доцент, Елькина И.И., аспирант

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Исследованы свойства и структура образцов на основе мелкодисперсных отходов горных пород с добавлением микрокремнезема и его влияние на прочность прессованных материалов. Изучено влияние микрокремнезема на физико-механические свойства шлакопортландцемента. Проведены электромикроскопические исследования образцов.

Шлам, шлакопортландцемент, микрокремнезем, полусухое прессование, электромикроскопические исследования

Введение

С каждым годом все острее встает проблема исчерпания качественных сырьевых ресурсов и опасность загрязнения окружающей среды отходами различных производств. Наиболее перспективное направление снижение уровня загрязнения окружающей среды -создание безотходных производств, включающих замкнутые системы переработки отходов и организацию безотходных территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой потоков сырья и отходов внутри комплекса.

В этом случае отходы производства рассматриваются как вторичные ресурсы, а одним из самых эффективных способов использования многотоннажных вторичных ресурсов является их переработка в строительные материалы различного назначения [1].

Первоначальный интерес к применению микрокремнезема в бетонах отмечен в 1971 г. на металлургическом заводе «Фиско» в Норвегии. Новые возможности использования тесно связаны с прогрессом в области создания суперпластификаторов. Их сочетание дало толчок к созданию бетонов нового поколения, обладающих высокой прочностью (от 60 до 150 МПа), повышенной удобоукладываемостью и долговечностью.

Анализ публикаций

В середине 80-х годов в мировой строительной практике появились бетоны с высокими эксплутационными свойствами. Для них характерно то, что высокая (55-80 МПа) и сверхвысокая (выше 80 МПа) прочность при сжатии, низкая проницаемость, повышенная коррозионная стойкость и долговечность достигаются при применении высокоподвижных бетонных смесей. Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование высокоактивной минеральной добавки - микрокремнезема.

Микрокремнезем является отходом производства. Поэтому изготовление строительных материалов, имеющих в своем составе микрокремнезем, связано с утилизацией техногенного продукта.