СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕКУЧИХ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ И ПРИБОР ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD TO DETERMINE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF HIGHLY FLUID MOULDING SANDS AND INSTRUMENT FOR REALISATION OF THIS METHOD

Изобретение относится к области приборного исследования строительных материалов путем определения их физических свойств, в частности к исследованию реологических свойств текучих сред (предельного сопротивления сдвига, вязкости, градиента скорости деформирования) и анализа материалов путем определения их текучести, и может быть использовано для определения реологических свойств у различных формовочных смесей специальных бетонов, оценки этих свойств и классификации смесей по реологическим свойствам.
Анализ технического уровня, касающийся способа определения реологических свойств формовочных смесей, показал, что для установления закономерностей образования, изучения условий сохранения устойчивости и, наоборот, разрушения структур бетонных смесей, изучения реологии тиксотропных систем, к которым относятся бетонные смеси, были разработаны и начали использоваться ротационные вискозиметры и соответствующие методики. Но широкого применения в строительной практике из-за сложности своей конструкции эти приборы не получили, а более простые и общепризнанные приборы для оценки реологических свойств бетонных смесей, чем названные вискозиметры, не появились, что до настоящего времени и предопределило отсутствие необходимых методик, стандартов, а соответственно, и защищенных способов, которые могли бы быть приняты за прототип предполагаемого способа изобретения.
Выбор прототипа прибора для реализации этого способа. Известен ротационный вискозиметр (см. RU 2196318 от 10.01.2003, кл. МПК G01N 11/00), имеющий центральную втулку, наружный измерительный цилиндр, закрепленный на ней, и внутренний измерительный цилиндр, установленный на измерительном валике, помещенном на подшипниках в центральной втулке, подвижный диск с подшипником, силоизмеритель, состоящий из двух цилиндрических пружин различной жесткости, датчик угла поворота, электропривод, электронную схему индикации момента сопротивления на внутреннем цилиндре, на центральной втулке на двух шарикоподшипниках установлена шестерня, где в кольцевом пазу шестерни уложены обмотка электромагнита и фрикционная накладка, на шестерне закреплены диаметрально расположенные две стойки с диском, в кольцевом пазу которого уложена обмотка электромагнита и закреплена фрикционная накладка, на верхнем конце центральной втулки установлена вспомогательная подпружиненная втулка с ограничивающим ее вертикальное перемещение стопорным кольцом, на вспомогательной втулке на шарикоподшипнике установлен стальной нижний диск с кольцевой фрикционной накладкой, сверху к нижнему диску жестко прикреплена измерительная пружина большей жесткости, второй конец которой жестко закреплен на втулке, установленной на верхнем конце измерительного валика, к этой втулке присоединена другая измерительная пружина, второй конец которой соединяется с верхним диском, на котором закреплена фрикционная накладка, верхний и нижний диски имеют возможность перемещаться в вертикальной плоскости и установлены соосно с измерительным валиком, верхний диск установлен на шарикоподшипнике сверху втулки, установленной на верхнем конце измерительного валика, управление вертикальным перемещением этих дисков осуществляется соответствующими кольцевыми электромагнитами, к нижней части верхнего диска крепится датчик омического сопротивления, соединенный при помощи поводка с втулкой, установленной на измерительном валике.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и повышенные требования к эксплуатации ротационного вискозиметра.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому объекту аналогом (прототипом) является устройство для исследования бетонных смесей (см. SU 1170325 от 30.07.1985, кл. МПК G01N 11/00), содержащее укрепленный на основании стакан для исследуемого материала, расположенный в его центре чувствительный элемент, укрепленный на штоке, связанном с приводом и устройством регистрации, в котором основание выполнено в виде полого цилиндрического корпуса с емкостями, сообщающимися между собой и трубой для заливки в процессе исследования с определенной скоростью рабочей жидкости, привод выполнен в виде силового кольцевого поплавка с кольцом передачи усилия, связанным со штоком чувствительного элемента, и следящего поплавка, связанного с устройством регистрации, при этом каждый из поплавков расположен в отдельной емкости, а устройство регистрации укреплено на кольце передачи усилия.
Недостатками известного технического решения являются невысокая надежность и сложность конструкции, а также повышенные требования к эксплуатации, что снижает достоверность получаемых результатов, высокая стоимость собственно прибора и выполняемых работ.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются разработка способа и создание прибора для его реализации, в которых указанные недостатки устранены, а именно упрощение методики испытаний и конструкции прибора и, как следствие, расширение эксплуатационных возможностей предлагаемого изделия, повышение достоверности получаемых результатов, снижение стоимости прибора и процесса проведения испытаний.
Данные задачи решаются в способе определения реологических свойств высокотекучих формовочных смесей, включающем заполнение устройства исследуемыми смесями, выполнение измерений и их регистрацию, по которому формовочную смесь заливают в трубу, установленную вертикально с возможностью осевого перемещения без зазора между нижним торцом трубы и днищем поддона, поднимают трубу на заданную величину зазора между нижним торцом трубы и днищем поддона, при этом формовочная смесь выливается из трубы и свободно растекается на днище поддона, измеряют и фиксируют требуемые методикой параметры: высоту столба смеси, оставшейся в трубе; время вытекания смеси из трубы от начала до конца вытекания; размер пятна расплывшейся формовочной смеси, и в приборе для реализации способа определения реологических свойств высокотекучих формовочных смесей, содержащем емкость для заполнения формовочными смесями, в котором емкость для заполнения формовочными смесями выполнена в виде трубы, установленной вертикально с возможностью осевого перемещения, прибор снабжен поддоном, направляющей, жестко установленной на поддоне, при этом ход механизма осевого перемещения трубы выбран равным зазору между нижним торцом трубы и днищем поддона, удовлетворяющему требованиям способа определения реологических свойств формовочных смесей, при этом прибор снабжен системой заполнения поддона водой и организации циркуляции воды и механизмом осевого перемещения трубы, в качестве которого использован кулачковый механизм.
Сущность изобретения состоит в том, что новая методика на основе способа определения реологических свойств высокотекучих формовочных смесей, включающем заполнение устройства исследуемыми смесями, выполнение измерений и их регистрацию, по которому формовочную смесь заливают в трубу, установленную вертикально с возможностью осевого перемещения без зазора между нижним торцом трубы и днищем поддона, поднимают трубу на заданную величину зазора, выбранного с учетом равенства площади сечения трубы и образующейся поверхности между нижним торцом трубы и днищем поддона, при этом формовочная смесь выливается из трубы и свободно растекается на днище поддона, измеряют и фиксируют требуемые методикой параметры: высоту столба смеси, оставшейся в трубе, время вытекания смеси из трубы от начала до конца вытекания, размер пятна расплывшейся формовочной смеси, и выполнение прибора для реализации способа определения реологических свойств высокотекучих формовочных смесей, содержащем емкость для заполнения формовочными смесями, в котором емкость для заполнения формовочными смесями выполнена в виде трубы, установленной вертикально с возможностью осевого перемещения, прибор снабжен поддоном, направляющей, жестко установленной на поддоне, при этом ход механизма осевого перемещения трубы выбран равным зазору между нижним торцом трубы и днищем поддона, удовлетворяющему требованиям способа определения реологических свойств высокотекучих формовочных смесей, значительно упрощают методику исследований и конструкцию прибора по сравнению с применяемыми сегодня ротационными вискозиметрами, а надежные измерения известных параметров (высота столба смеси, оставшейся в трубе, время вытекания смеси из трубы от начала до конца вытекания и размер пятна расплывшейся формовочной смеси) широко используемыми инструментами (линейка, секундомер) повышают достоверность получаемых результатов, при этом косвенные значения реологических характеристик бетонных смесей определяют по простым выражениям:
предельное сопротивление сдвига по высоте столба смеси, оставшейся в трубе
см
-5
γ - объемная масса бетонной смеси, г/см;
- объем смеси, оставшейся в трубе, см;
тр
2
S - площадь внутреннего сечения трубы, см;
- высота столба смеси, оставшейся в трубе, см;
эффективная динамическая вязкость по времени вытекания смеси из трубы
- высота столба смеси, вылившейся из трубы, см;
выл
t - время вытекания смеси из трубы, с;
3
- скорость вытекания смеси из трубы, см/с;
градиент скорости деформирования по скорости гравитационного вытекания смеси из трубы
- средняя скорости вытекания смеси из трубы, мл/с;
- объем смеси, вылившейся из трубы, см, текучесть по среднему диаметру расплыва смеси, вылившейся из трубы,
рас
Ø - средний диаметр расплыва смеси, вылившейся из трубы, см,
не требующих сложных вычислений, что также сказывается на достоверности получаемых результатов. Расчеты реологических характеристик бетонных смесей согласно известным реологическим выражениям τ=ηdF/dx или η=τdx/dF подтверждают положения новой методики. Снабжение прибора системой заполнения поддона водой и организации циркуляции воды расширяет эксплуатационные возможности за счет возможности изучения растекаемости и размываемости смесей в текущей воде. Простота методики для определения реологических свойств формовочных смесей с расчетом конкретных характеристик и низкая себестоимость изготовления прибора позволят снизить общую стоимость испытаний.
Заявителю не известны способ определения реологических свойств формовочных смесей и конструкция прибора для его реализации, которым присущи существенные признаки в независимых пунктах формулы изобретения, что подтверждает соответствие заявляемого изобретения критериям патентоспособности «изобретательский уровень» и «новизна».
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид прибора, на фиг. 2 - общий вид прибора при поднятом положении трубы.
Прибор содержит емкость для заполнения формовочными смесями 1, выполненную в виде трубы, поддон 2, направляющую 3 и механизм осевого перемещения 4. Прибор снабжен системой заполнения поддона водой и организации циркуляции воды 5. Труба 1 установлена вертикально с возможностью осевого перемещения на величину зазора 6 в направляющей 3, жестко установленной на поддоне 2.
выл
рас
Испытания по предлагаемому способу проводятся следующим образом. Труба 1 заполняется исследуемой формовочной смесью на высоту столба смеси, равной . При помощи механизма осевого перемещения 4 труба 1 поднимается в направляющей 3 на величину зазора 6, при этом формовочная смесь выливается из трубы 1 и свободно растекается на днище поддона 2. Измеряются и фиксируются требуемые методикой параметры: высота столба смеси, оставшейся в трубе ; время вытекания смеси из трубы от начала до конца вытекания t; средний размер пятна расплывшейся формовочной смеси Ø. Для исследования в проточной воде включается система заполнения поддона водой и организации циркуляции воды 5.
Изготовлен и испытан опытный образец прибора, подтверждающий заложенные характеристики.
Технический результат при использовании изобретения:
- упрощены методика испытаний и конструкция прибора;
- расширены эксплуатационные возможности изделия;
- повышена достоверность получаемых результатов;
- снижена стоимость прибора и испытаний.