Определение реологических параметров незатвердевших бетонных смесей в процессе их заглаживания дисковым рабочим органом

УДК 693.54.002.5

Л. А. Мамаев, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕЗАТВЕРДЕВШИХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЗАГЛАЖИВАНИЯ ДИСКОВЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

Приведены методы определения реологических параметров незатвердевших бетонных смесей, конструкция экспериментальной установки и результаты реометрических исследований. Приведен вывод аналитических зависимостей для определения режимов бездефектного заглаживания свежеотформованных бетонных поверхностей дисковыми, валковыми и брусовыми рабочими органами заглаживающих машин.

Реализация технологий отделки поверхностей пластичными материалами основывается на исследованиях физико-механических характеристик и реологических свойств материалов, а также параметров режима отделки, определяемого конструкцией и кинематическими характеристиками рабочих органов бетоноотделочных машин.

Основным реологическим параметром незатвердевшей бетонной смеси, определяющим возможность и качество отделки, является ее вязкость, для измерения которой применяют вискозиметры.

Среди существующего многообразия методов измерений и типов вискозиметров наибольшее применение имеют ротационные и капиллярные приборы и методы.

Важная особенность ротационных вискозиметров заключается в том, что при измерении вязкости в них можно параллельно измерять и другие реологические характеристики, такие, например, как упругость, ползучесть, релаксацию напряжений, сдвиговую прочность, тиксотро-пию и др. как в ньютоновских, так и в неньтоновских средах. В ротационных приборах определение реологических характеристик осуществляется путем вращения коак-сиально расположенных цилиндров.

Этот метод получил наибольшее распространение [1-6].

Пластическая вязкость определяется из уравнения Рейнера-Ривлина:

\!( л л \ т>

1 " M f 1 1 ) , R"

ю = — -тіп —

М p 4nh r r

Ro =

M

Inhx

ю =

M

1 1

R2

Ротационные вискозиметры подразделяются на приборы, в которых измерения выполняются при постоянном моменте, приложенном к одной из измерительных поверхностей, либо при постоянной скорости деформирования (вращения одной из измерительных поверхностей).

Часто используются одноцилиндровые ротационные вискозиметры, в которых внешний цилиндр отсутствует [7]. Они погружаются в различные точки исследуемого объема и производят измерение момента сопротивления вращению. Касательное напряжение сдвига т и вязкость Ц определяются по формулам:

М

2пИг2 ’

т

Ц = - >

т = -

ш

где Ш =

4лю

tg§

ф - угол наклона графика логарифмичес-

где ю - угловая скорость вращения одного из цилиндров; Я, г - соответственно радиусы внешнего и внутреннего цилиндров; И - длина погруженной части внутреннего цилиндра; - М - крутящий момент; Цре - вязкость пластическая; т - предел текучести.

Уравнение справедливо, когда течение материала происходит во всем зазоре между внутренним и наружным цилиндрами, а именно:

М0 > 2пИЯ2т,

где М0 - момент на стенке наружного цилиндра.

В случае 2пИг2т < М0 < 2пИЯ2т в уравнение (2) вместо Я необходимо подставить

При т = 0 уравнение преобразуется в уравнение Моргулиса для ньютоновской жидкости:

где М - вязкость ньютоновская.

кои зависимости крутящего момента M от угловой скорости ю вращения цилиндра: lnM = f (ln ю).

Приборы, в которых определение реологических характеристик осуществляется путем вращения поверхностей в виде конус-конус, конус-плоскость, сфера-сфера, кольцо-кольцо, диск-диск.

В рассматриваемом случае для адекватности с процессом заглаживания дисковыми рабочими органами целесообразно использовать последнюю конструкцию с учетом специфики рабочего процесса. Схема установки, на которой проводились реометрические исследования, включает рабочий орган диск, который вращается посредством двигателя постоянного тока, установленного на раму электромагнитного вибростенда (рис. 1). На вибростоле закреплен стакан, в который помещалась исследуемая смесь. Приводной диск радиусом R устанавливался на поверхность бетонной смеси. Изменение частоты вращения диска осуществлялось традиционным методом путем изменения напряжения. Посредством аппаратуры, включающей мультиметр ИТ-60А и интегрированную в компьютер плату АЦП.

С использованием программы Excel регистрировались и рассчитывались результаты исследований по изучению характера течения пограничного слоя бетонной смеси.

Исходные данные: радиус диска R = 0,025 м; диапазон изменения параметров вибрации: амплитуда колебаний А = (0,05.. .0,2)-10-3 м, частота колебаний ю0 = (100.. .600) рад / с, интенсивность вибрирования А2ю03 =10.50 м2 / с3; частота вращения диска ю = 10.120 рад / с; состав смеси

(цемент : песок с размером фракций менее 2,5 мм) Ц : П = 1 : 3, жесткость Ж4 = 60 с.

т = т

дг

= 0 .

т = пю

И

М = 2л|тг2 ёг .

Для случая ньютоновской жидкости с учетом

лпюЯ4

имеем М =

2И

Рис.1. Схема установки: 1 - привод; 2 - диск; 3 - стакан с бетонной смесью; 4 - злектромагнитный вибровозбудитель

Рассмотрим задачу о движении вязкой жидкости в зазоре величиной Н между неограниченными плоскостями, из которых нижняя неподвижна, а верхняя вращается с постоянной угловой скоростью ю.

Предполагаем, что единственная отличная от нуля компонента линейной скорости может быть представлена в виде:

V = гю2

где Ю2 - переменная по толщине зазора угловая скорость.

Из граничных условий для V при z = 0, V = 0; z = Н, V =юг имеем граничные условия для: ю2 = Ю2

В анализируемом случае Н - толщина пограничного слоя.

Рассматривая уравнение равновесия цилиндрического слоя получим выражение для единственного отличного от нуля компонента касательного напряжения

дт

Скорость сдвига в плоских слоях жидкости может быть определена по формуле:

^ = г ^.

дг дг

Для случая ньютоновской жидкости имеем: дю2

Пг —- = т.

д2

Вследствие равенства (9) правая часть уравнения (11) не зависит от z, следовательно, не зависит от z и левая часть, откуда следует:

ю2 = Сх 2 + С2.

Удовлетворяя условиям (8) для ю , легко определить произвольные постоянные С и С2, откуда

Ю =ю 2.

И

Подставляя выражение (13) в уравнение (11), получим выражения радиусов для касательного напряжения

г

В работах А. В. Болотного, И. Н. Ахвердова и других авторов [8-14] установлено, что при обработке свежеуло-женных бетонных поверхностей толщина пограничного слоя Н может быть принята равной (0,01.0,05) • 103 м.

Специфическая особенность различных видов строительных материалов состоит в том, что вследствие сильно развитой поверхности раздела фаз поверхностные явления в таких гетерогенных системах приобретают решающее значение по сравнению с другими видами связей. По этой причине эффективное управление свойствами дисперсных систем должно основываться, как отмечалось выше, на сочетании механических воздействий (сдвиговых деформаций, вибрации и т. п.).

Развитие представлений об управлении свойствами дисперсных систем с помощью вибрационных воздействий связано с созданием раздела реологии дисперсных систем - виброреологии. В основе виброреологии лежит изучение закономерностей деформации и течения дисперсных систем при воздействии на них вибрации.

Работы П. А. Ребиндера, Н. В. Михайлова, С. К. Носкова, Н. Б. Урьева, П. Ф. Овчинникова, А. Е. Десова, В. А. Кузьмичева и других авторов [15-26] посвящены описанию поведения полидисперсных систем в условиях вибрации и дали направление для создания нового раздела реологии - виброреологии.

С учетом анализа исследований вышеперечисленных авторов представлены результаты реометрических исследований изменения момента сопротивления вращению диска при взаимодействии с бетонной смесью от времени (рис. 2, а, б).

В результате обработки результатов экспериментальных исследований получены зависимости изменения момента сопротивления вращению и касательного напряжения сдвига от угловой скорости вращения, представленные на рис. 3, 4.

Анализируя полученные зависимости можно сделать вывод, что при вибрационных воздействиях поведение пограничного слоя при деформировании в условиях сдвига с достаточной степенью точности с позиций реологии может быть аппроксимировано моделью Ньютона: т = цф. При этом по мере увеличения интенсивности вибрирования аппроксимация становиться более тесной.

В результате проведенных реометрических исследований с учетом п = 1 уточнено условие, выполнение которого позволяет обеспечить неразрывность потока материала в пограничном слое и, тем самым процесс бездефектного заглаживания. Для валковых и брусовых заглаживающих машин он имеет вид

0,95и?И<б(х) = *7^) +и2шах() • Уо(х)' 1

• Уооо <1,05

24

для дисковых:

Момент сопротивления вращению приводного диска подсчитывается по формуле

0,95г> И(<2г =

70 2П

= П'

Дф)-

1 -Х'-'1 - У

'У0

.

'Ууг^ч, л/^Уч^/У- ->л^

•М.2-

Ьлумл//,ДуУ^->УЧ^Ч.

~Л - У\Л - -V. ^ .-..Л-^- -,

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127 134

1. М = 0,0004t + 0,7183 2. М = 0,0004t + 0,4783 *’С

R2 = 0,0192 R2 = 0,0316

3. М= -0,0001t + 0,3 R2 = 0,0086

4. М= -0,0001t + 0,2408 а)

R2 = 0,0202

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127

^С

1. 2.

М = 5Е-051 + 0,0933 М = 5Е-051 + 0,0622

R2 = 0,0192

гс = 0,0316

3. 4.

М = -2Е-05 + 0,0467 м = -2Е-051 + 0,0313

R2 = 0,0086

б)

R2 = 0,0202

Рис. 2. Типовые диаграммы зависимости момента сопротивления вращению диска от времени: параметры: интенсивность вибрирования: а - А2ю3 = 12 м2/с3; б - А2ю3 = 38 м2/с3; частота вращения приводного диска: 1 - 100 рад/с; 2 - 70 рад/с; 3 - 50 рад/с; 4 - 30 рад/с

м = о,с 0680,00 = 0,9508 — 3

- 0.0009&)-^ = 0,951

м IЕ-04 1

^ _

и, рад/с

Рис. 3. Изменение момента сопротивления вращению от угловой скорости вращения

т, Па 30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

т = 271,92ю - R2 = 0,95 51 455

08

т = 35,303ю - 3,8345

51 ,9 0, =

0 20 40 60 80 100 120

ю, рад/с

Рис. 4. Изменение касательного напряжения сдвигу от угловой скорости вращения

Библиографический список

1. Белкин, И. М. Ротационные приборы / И. М. Белкин. М. : Машиностроение, 1968. 272 с.

2. Рейнер, М. Деформация и течение / М. Рейнер. М. : Наука, 1963. 381 с.

3. Савинов, О. А. Вибрационное уплотнение бетонных смесей в гидротехническом строительстве / О. А. Савинов. Л. : Энергия, 1973. 54 с.

4. Серебренников, А. А. Вибрационные смесители (конструкции, исследования, расчеты) / А. А. Серебренников, В. А. Кузьмичев. М. : Недра, 1999. 148 с.

5. Членов, В. А. Виброкипящий слой / В. А. Членов, Н. В. Михайлов. М. : Наука, 1976. 326 с.

6. Афанасьев, А. А. Технология импульсного уплотнения бетонных смесей / А. А. Афанасьев. М. : Стройиз-дат, 1987. 168 с.

7. Тур, В. А. Методы отделки железобетонных изделий в заводских условиях / В. А. Тур // Технология индустриального домостроения : обзорная информация. М., 1974. № 4. 28 с.

8. Ахвердов, И. Н. Высокопрочный бетон / И. Н. Ах-вердов // ГСИ. 1961. 163 с.

9. Ахвердов, И. Н. Интенсивность вибрирования, физико-механические и деформативные свойства бетона / И. Н. Ахвердов, Ю. Ю. Делтува // Бетон и железобетон. 1967. N° 1.С. 8-11.

10. Батулов, А. И. Некоторые вопросы теории процесса взаимодействия валкового рабочего органа заглаживающей машины с незатвердевшей поверхностью / А. И. Батулов, А. В. Болотный ; Ленингр. инж-строит. ин-т. Л., 1971. 35 с.

11. Беспалов, М. Г. К вопросу определения динамических характеристик нестационарного течения жидкости в исполнительном органе возбудителя колебаний на эластичных оболочках / М. Г. Беспалов, А. И. Перелыгин // Динамика виброактивных систем и конструкций ; Иркут. политехн. ин-т. Иркутск : ИПИ, 1988. С. 126-129.

12. Болотный, А. В. Теория и процессы заглаживания бетонных поверхностей : дис. ... док. техн. наук / А. В. Болотный ; Ленингр. инж-строит. ин-т. Л., 1975.

13. Васильев, В. М. О режиме движения цементного теста и раствора при перекачивании насосами / В. М. Васильев // Строительная промышленность. 1953. № 7.

14. Толстой, И. Н. Об эффекте пристенного скольжения дисперсных систем / И. Н. Толстой // Коллоидный журнал. - 1947. № 9. С. 125-138.

15. Кузьмичев, В. А. Методы моделирования и проектирования вибрационных смесительных машин : автореф. ... д-ра техн. наук / М. Г. Беспалов. Л., 1989. 32 с.

16. Лермит, Р. Проблемы технологии бетона / Р. Лер-мит. М. : Госстройиздат, 1959. 294 с.

17. Овчинников, П. Ф. К теории вибрационных машин с учетом свойств перерабатываемых сред : автореф. дис. ... д-ра техн. нак / П. Ф. Овчинников. Киев, 1969. 47 с.

18. Овчинников, П. Ф. Реология тиксотропных систем / П. Ф. Овчинников. Киев : Наукова Думка, 1972.120 с.

19. Ребиндер, П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур / П. А. Ребиндер // Сборник статей АН СССР. М. : Наука, 1966. С. 3-16.

20. Смольский, Б. М. Реодинамика и течение нелинейно-вязко-пластичных материалов / Б. М. Смольский,

Э. П. Шульман, В. М. Гориславец. Минск : Наука и техника, 1970. 325 с.

21. Технология бетонных и железобетонных изделий / под ред. В. Н. Сизова. М. : Стройиздат, 1984.307 с.

22. Указания по применению оборудования для отделки поверхностей незатвердевших железобетонных изделий ; Всесоюз. науч.-исслед. ин-т железобетон. изд. и неруд. матер. М., 1971. 49 с.

23. Урьев, Н. Б. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс / Н. Б. Урьев, М. А. Талейсник. М. : Пищевая промышленность, 1976. 240 с.

24. Урьев, Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы / Н. Б. Урьев. М. : Химия, 1980. 320 с.

25. Ахвердов, И. Н. Основы физики бетона / И. Н. Ах-вердов. М. : Стройиздат, 1981. 464 с.

26. Болотный, А. В. Заглаживание бетонных поверхностей / А. В. Болотный. Л. : Стройиздат. 1979. 128 с.

L. A. Mamayev, S. P. Eresko, Т. Т. Eresko

DEFINITION OF RHEOLOGICAL PARAMETERS OF NON SOLIDIFIED CONCRETE BLENDS IN PROCESS OF SMOOTHING WITHDISC SHAPED WORK ORGAN

It is considered methods of rheological parameters definition of non-solidified concrete blends, construction of experimental plant and results of rheometric efforts. It is given inference analytic dependence of determination regimes for zero-defects smoothing of as-formed concrete surfaces with disc-shaped, rolling and bar work organs of smoothing machines.

Принята к печати в феврале 2006 г.