На участке ВС происходит постепенное разрушение структурных связей, которое обусловлено силами трения, капиллярного натяжения, кулоновскими силами. Пластическая вязкость на этом участке уменьшается, точка С соответствует предельному динамическому напряжению сдвига. В этой точке полностью разрушены структурные связи, здесь пластическая вязкость достигает min возможного значения. На участке СД происходит течение жидкости с минимальной возможной вязкостью при полностью разрушенных структурных связях, но без нарушения сплошности. Точка Д характеризует максимально возможную величину воздействия на формовочную массу. При величине воздействия больше, чем max появляется область дефектов - то есть область нарушения сплошности.
Если рассматривать процесс перемешивания как взаимную диффузию частиц, то согласно первому закону Фика скорость диффузии определяется уравнением :
dm = - D . dc|dx . d Adt
1 закон Фика : количество продифундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению потока и времени.
Вводя коэффициент К, зависящий от коэффициента диффузии, толщины диффузионного слоя и поверхности соприкосновения компонентов, можно записать :
dm |dt = K ( Cr - Cf )
В процессах смешения изменяющиеся во времени концентрации материала ( Сr и Cf ) и количество перемешанного компонента заменить изменяющейся величиной поверхности раздела, тогда :
df | dt = K ( Amax - At ) ,
где Аmax - максимально возможная поверхность раздела, достигаемая при t ® ¥ ,
Аt - поверхность раздела в данный момент смешения.
После интегрирования получим уравнение кинетики смесшения :
Аt = Amax ( 1 - e-tk )
Так как Аmax не может быть определено экспериментально, то по данному уравнению нельзя определить Аt.
Из теории вероятности можно записать :
Pt = 1 - e KA max ( 1 - e ) ,
где Рt - вероятность того, что, по крайней мере, один из элементов новой поверхности раздела попадает в элементарный объем ÙV смеси при данном времени перемешивания t ; К - коэффициент пропорциональности.
Преобразуя это выражение можно получить :
KAmax = lп ( е / 1-Рt ) / ( 1 - е -tc )
Процесс перемешивания механическими мешалками жидкостей сводится к внешней задаче гидродинамики - обтеканию тел потоком жидкости. Как следует из обобщенного уравнения гидродинамики, установившееся вынужденное движение жидкости описывается критериальным уравнением U ( Fr , Fu , Rt , H, r ) = 0
Eu = ¦ ( Rc , Fr , r ) .
Если вместо линейной скорости жидкости, входящей в критерий Эйлера, Рейнольдса, Фруда, поставить величину nd , n - число оборотов смесителя , Wокр = jnd d -диаметр, то получим модифицированные критерии :
В критерии Эймера Ùр характеризует разность давлений перед и после лопости смесителя. Этот перепад давлений преодолевается силой Р, приложенной к валу смесителя. Величина полезной мощности N » Pnd /
Учитывая, что площадь, на которую распределено усилие Р , определяется квадратом диаметра, можно записать : ÙP » P|d2 »N | (nd3 )
Подставив полученное выражение в значение Fum , получим критерий мощности
KN = N | ( r n3 d5 )
Тогда для процесса перемешивания обобщенное уравнение примет вид :
КN + ¦ ( Rен , F rн , r )
При механическом перемешивании жидкостей различают ламинарный режим (Rен < 30 ) , турбулентный ( 30 < Rе < 105 ) и автономную область развитой турбулентности ( R em > 105 ) .
В момент пуска мощность на валу Nобщ = N + Nпуск
где N - рабочая мощность.
На преоболение инерции жидкости расходуется мощность
N = 1,9 h d4 n3 r ,
где h - высота лопасти смесителя,
d - диаметр смесителя ,
n - частота вращения лопасти,
r - перемешиваемой жидкости.
3.2. Процесс формования бетонной смеси
Операция по формованию является одним из основных переделов. Важнейшим фактором в выборе способа формования является получение полуфабриката с заданными свойствами. Именно свойства полуфабриката определяют и тепловлажностную обработку и физико-технические свойства готовых изделий - плотность, равномерность распределения частиц по объему, отсутствие дефектов в строении сырца (раковины, трещины) и механическую прочность.
правильно выбранный метод формования полуфабриката является залогом хорошего качества готового продукта.
Применяемый в технике термин “формуемость смеси” подразумевает :
- способность ее принимать требуемую форму ;
- уплотняться под действием внешних сил.
Употребляемое при этом понятие “пластичности” и “консистенции” характеризуют формовочные свойства (формуемость) массы.
Пластичность - способность формовочной массы претерпевать различного рода деформации без нарушения пластичности.
Консистенция - это состояние системы, обусловленное совокупностью всех внутренних сил взаимодействия. Силами внутреннего взаимодействия являются силы капиллярного натяжения, силы трения при малом расходе воды, куллоновские и ван-дер-вальсовые силы. Консистенция количественно определяется предельным динамическим напряжением сдвига - это то состояние, при котором структурные связи полностью разрушены.
Пластичность характеризуется показателем пластичности :
tmax
U =---------
hпласт
Формовочные массы с наибольшим содержанием крупного заполнителя, достаточно большим расходом вяжущего и воды описывается уравнением Шведова-Бингама :
t = t0 + hПЛ dd / dy
Для связанных грунтов (глина, суглинки) существует уравнение описывающее их состояние : t = d tgU + C, где d - нормальное напряжение в системе, U - угол внутреннего трения,
С - сцепление между частицами.
С достаточной точностью для жестких формовочных масс tgU можно заменить на коэффициент трения tgU = ¦, а силу сцепления на t0 . Тогда мы получим урвнение Кулона : t = d¦ + t0 ,
Уравнением Кулона могут быть описаны жидкие формовочные массы с небольшим содержанием воды. Следует отметить, что это уравнение учитывает сухое трение между частицами. Практически во всех формовочных массах чисто сухого трения нет, частицы разделены хотя бы мономолекулярным слоем воды.. Все формовочные массы описываются уравнением Вялова :
t = t0 + hПЛ (dd | dy) + d¦ ,
при dv | dy = 0 это выражение превращается в уравнение Кулона, а при ¦ = 0 - в уравнение Шведова-Бингама.
Для объяснения природы связанности и прочности дисперсных масс выдвинута гипотеза, которая складывается из современных представлений молекулярно-кинетической теории.
Взаимодействие между твердой и жидкой фазами обусловлено электрической природой.
Внутри твердой частицы ионы с различными
знаками уравновешены. На поверхности же
частицы такое равновесие не достигается. Под
действием электрического поля диполи воды вокруг частицы принимаюториентировочное положение и притягиваются к поверхности частицы. Вблизи поверхности молекулы воды
прочно связаны с поверхностью частицы, образуя слой прочносвязанной воды, он представляет собой граничную фазу и рассматривается как единое целое с минеральной частицей. Более удаленные молекулы рыхлосвязанной воды образуют слой,, за пределами которого находится свободная вода. Таким образом твердая частица представляет собой сложное новообразование, в котором твердая фаза (ядро) связана с окружающей средой через стабилизирующий двойной электрический слой ионой. Слой рыхлосвязанной воды участвует в движении жидкости, обтекая при деформировании твердую частицу и этот слой определяет подвижность формовочной массы. Если контактирование частиц происходит так, что расстояние между их поверхностями не превышает размер слоя прочносвязанной воды, то возникает расклинивающее действие водной пленки с силой F = A | r3 , где A = 10-6 Dж - постоянная Ван-дер-Ваальсова, r - расстояние между частицами. Происходит расслоение массы.
Процесс формования необходимо проводить пока существует коллоидная система, то есть когда частицы разделены пленками воды. В этом случае формовочная масса способна к тиксотропному разжижжению под действием внешнего воздействия, с последующим восстановлением структурных связей. Процесс формования должен быть закончен до начала образования конденсационно-кристаллизационной структуры.
Виброформование является основным методом формования железобетонных изделий. Эффективность виброуплотнения зависит от параметров вибрации и реологических характеристик смеси. Параметры вибрирования характеризуются амплитудой колебаний А, частотой колебаний f и продолжительностью вибрирования t. Качество уплотнения определяется интенсивностью колебаний А2 W2 ( W - условная скорость ).
При виброуплотнении энергия внешнего воздействия в виде амплитуды расходуется на разрушение структурных связей, перегруппировку заполнителей, приданию изделий заданной формы на коагуляционное уплотнение связующего. В свою очередь это уплотнение приводит к тиксотропному упрочнению полуфабриката. Структурные связи формовочной массы мешают свободной перегруппировке крупного заполнителя, поэтому необходимо амплитудой и частотой колебаний обеспечить внешнее воздействие на формовочную массу не меньше, чем предельное динамическое напряжение сдвига. То есть процесс уплотнения должен происходить в области минимально возможной вязкости. Увеличение внешнего воздействия ограничено tmax , выше которого лежит область дефектов. При виброформовании в этой области наблюдается нарушение монолитности формовочной массы и может произойти подсос (захват) воздуха извне. Чем крупнее заполнитель, тем больше требуется амплитуда. Если крупного заполнителя мало, а формовочная масса обладает высокой вязкостью, то наибольшего эффекта достигнет не увеличение амплитуды, а увеличение частоты. Поскольку бетонная смесь состоит из достаточно разных по размеру частиц, то наиболее эффективным является поличастотное уплтнение.