Способ определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми

Изобретение относится к испытанию свойств материалов и может быть использовано в процессе проектирования составов искусственных строительных конгломератов и наполненных композиционных материалов на основе органических и неорганических связующих веществ. В способе определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистых фракций d₁, мм, и мелкозернистых фракций d₂, мм, отношение указанных размеров зерен d₂/d₁, величину степени У уплотнения при d₂/d₁ больше 0,155 и величину степени У заполнения при d₂/d₁ меньше 0,155 определяют по формуле У=1-d₂/d₁. Технический результат – разработка способа, который позволяет определить величины степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми, не прибегая к постановке экспериментальных испытаний, связанных с приготовлением сыпучих смесей.

 

Изобретение относится к области испытаний и определения свойств материалов и может быть использовано в технологии искусственных строительных конгломератов и наполненных композиционных материалов на основе органических и неорганических связующих веществ.

Известен экспериментальный способ определения степени уплотнения и заполнения, заключающийся в том, что во фракцию с большими размерами зерен порциями вводят фракцию с меньшими размерами зерен, после перемешивания определяют объем полученной смеси и ее основные характеристики, в том числе и соотношение фракций в смеси (Химическая технология керамики и огнеупоров. Под ред. П.П.Будникова и Д.Н.Полубояринова. Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1972, с.57).

Однако в известном техническом решении отсутствует количественная взаимосвязь между степенью уплотнения (заполнения) и отношениями размеров зерен во фракциях, используемых для приготовления смеси с плотной упаковкой. Кроме того, нет сведений, указывающих, на основе каких физических явлений осуществляют процессы получения более плотных смесей сыпучих материалов, какие объемные изменения претерпевает система в результате совмещения двух фракций с разными размерами твердых тел.

В основе создания изобретения лежит задача по разработке такого способа, который позволяет определить величины степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми только с учетом отношений размеров зерен в обеих фракциях, не прибегая к постановке экспериментальных испытаний, связанных с приготовлением сыпучих смесей.

Технический результат достигается тем, что в ходе исследований установлено проявление физического явления самопроизвольной упаковки зерен различных размеров в интервале отношений размеров зерен от 1 до 0,155, а в интервале отношений размеров зерен от 0,155 до нуля - проявление другого физического явления - заполнения объема пустот крупнозернистых фракций зернами других фракций с еще более меньшими размерами. Границей перехода проявления одного физического явления в другое в процессе формирования состава сыпучей системы является отношение размеров зерен d₂/d₁=0,155. Данная величина определяет переход явления уплотнения в явление заполнения и наоборот.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистых фракций d₁, мм, и мелкозернистых фракций d₂, мм, отношение указанных размеров зерен d₂/d₁, величину степени У уплотнения при d₂/d₁ больше 0,155 и величину степени У заполнения при d₂/d₁ меньше 0,155 определяют по формуле

У=1-d₂/d₁.

Исследования составов сыпучих смесей, изучение процессов их приготовления и свойств показали, что решающим фактором, определяющим возможность регулирования не только гранулометрических, но и объемно-массовых характеристик, является отношение размеров твердых тел во фракциях, используемых для приготовления сыпучих смесей с заданными физико-механическими свойствами.

Критериальные величины, относящиеся к категории геометрических симплексов, обеспечивают возможность применять основы теории подобия для разработки общих методов оптимизации составов сыпучих систем сложного состава в любой размерной области шкалы размеров (м, дм, см, мм, мкм).

Анализ приведенных формул и критериальных величин показывает, что при d₂→d₁ величина У стремится к нулю, т.е. отсутствует явление уплотнения в процессе совмещения фракций с близкими размерами твердых тел. При d₂→0 величина У стремится к единице, т.е. в системе в максимальной степени реализуются возможности, связанные с повышением плотности упаковки зерен и наиболее плотным заполнением объема пустот уплотняемо-заполняющих фракций. В зависимости от степени полидисперсности исходных фракций в процессе совмещения рассчитанных компонентов и приготовления смесей параллельно могут проявляться оба физических явления.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Определение величины степени уплотнения фракции щебня с размерами зерен 20-40 мм фракцией щебня с размерами зерен 10-30 мм.

По результатам сухого фракционирования щебня с размерами зерен 20-40 мм на ситах получены следующие величины частных остатков:

размер ячеек сит, мм	40	35	30	25	20
массовые доли, безразмерные величины (частные остатки)	0,05	0,36	0,25	0,18	0,16

Определяют средний размер зерен во фракции щебня с размерами зерен 20-40 мм

40 мм· 0,05=2,0 мм

35 мм· 0,36=12,6 мм

30 мм· 0,25=7,5 мм

25 мм· 0,18=4,5 мм

По результатам сухого фракционирования щебня с размерами зерен 10-30 мм на ситах получены следующие величины частных остатков:

размер ячеек сит, мм	30	25	20	15	10
массовые доли, безразмерные величины (частные остатки)	0,20	0,33	0,21	0,25	0,01

Определяют средний размер зерен во фракции 10-30 мм

30 мм· 0,20=6,0 мм

25 мм· 0,33=8,25 мм

20 мм· 0,21=4,20 мм

15 мм· 0,25=3,75 мм

Отношение размеров зерен d₂/d₁=22,3 мм / 29,8 мм=0,748, полученная величина больше 0,155, значит, при совмещении указанных фракций щебня будет проявляться только одно физическое явление - уплотнения одной фракции другой. Величина степени уплотнения определяется по формуле У=1-d₂/d₁ и равна У=1-22,3/29,8=0,252, безразмерная величина.

Полученная величина У=0,252 означает, что при введении в 1 м³ щебня с размерами зерен 20-40 мм второй фракции с размерами зерен 10-30 мм в количестве V₂=0,252· V_п1, м³ объем смеси будет равен 1 м³ (V_п1 - объем пустот в 1 м³ фракции 20-40 мм).

Пример 2. Определение величины степени уплотнения монофракции щебня с размерами зерен 40 мм монофракцией щебня с размерами зерен 6,8 мм (d₁=40 мм, d₂=6,8 мм).

Отношение размеров зерен d₂/d₁ равно d₂/d₁=6,8 мм/40 мм=0,170, эта величина больше чем 0,155, значит, в процессе совмещения и перемешивания фракций будет иметь место проявление физического явления уплотнения сыпучей смеси. Величина степени уплотнения определяется по формуле У=1-d₂/d₁ и равна У=1-6,8/40=0,830, безразмерная величина. Для получения 1 м³ смеси расход мелкой фракции составит V₂=0,83· V_п1, м³ (V_п1 - объем пустот фракции 40 мм, м³).

Пример 3. Определение величины степени заполнения фракции щебня с размерами зерен 10-20 мм фракцией песка со средними размерами зерен 2,2 мм.

размер ячеек сит, мм	20	15	10
массовые доли, безразмерные величины (частные остатки)	0,20	0,68	0,12

Определяют средний размер зерен во фракции щебня

20 мм· 0,20=4,0 мм

15 мм· 0,68=10,2 мм

Отношение размеров зерен d₂/d₁=2,2 мм/15,4 мм=0,143, эта величина меньше 0,155, значит, при совмещении указанных фракций щебня и песка в системе будет проявляться физическое явление заполнения объема пустот щебня фракцией песка.

Величина степени заполнения объема пустот щебня песком определяется по формуле У=1-d₂/d₁ и равна У=1-2,2 мм/15,4 мм=0,857, безразмерная величина.

Для приготовления плотной смеси объемом 1 м³ расход песка составит V₂=0,857· V_п1, м³ (V_п1 - объем пустот в 1 м³ фракции щебня).

Пример 4. Определение величины степени заполнения монофракции песка с размерами зерен 2,5 мм монофракцией песка с размерами зерен 0,14 мм.

Отношение размеров зерен d₂/d₁ равно 0,14 мм/2,5 мм=0,056, эта величина намного меньше 0,155, значит, в процессе совмещения рассчитанных количеств фракций в системе будет проявляться физическое явление заполнения объема пустот фракции песка с размерами зерен 2,5 мм фракцией песка с размерами зерен 0,14 мм.

Величина степени заполнения фракции песка 2,5 мм фракцией песка 0,14 мм определяется по формуле У=1-d₂/d₁ и равна У=1-0,14 мм/2,5 мм=0,944, безразмерная величина.

Для приготовления смеси песка объемом 1 м³ расход мелкой фракции составит V₂=0,944· V_п1, м³ (V_п1 - объем пустот в 1 м³ фракции песка с размерами зерен 2,5 мм, м³), а расход крупной фракции песка оставит 1 м³.

Испытания заявляемого способа, проведенные в лаборатории строительного павильона университета, показали, что по результатам расчета приготовленные смеси точно соответствуют рассчитанным объемам с пропорциональным увеличением их объемной массы, что является доказательством того, что существует реальная возможность перехода от подбора составов сыпучих систем к научно обоснованным методам проектирования их составов с использованием минимального перечня характеристик исходных сырьевых материалов. Предлагаемый способ определения величин степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми обеспечивает резкое уменьшение объема лабораторных испытаний материалов и возможность перехода к проектированию сложных составов сыпучих смесей с использованием средств вычислительной техники. При этом обеспечивается возможность не только оптимизации вещественного состава сложных систем, но и выход на экстремально выраженные свойства технических материалов на основе оптимизированных структур их арматурной составляющей.

Величины степени уплотнения и заполнения используются для определения составов сыпучих систем уплотненного, заполненного и уплотненно-заполненного типов.

Способ определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми, характеризующийся тем, что методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистых фракций d₁, мм, и мелкозернистых фракций d₂, мм, отношение указанных размеров зерен d₂/d₁, величину степени У уплотнения при d₂/d₁ больше 0,155 и величину степени У заполнения при d₂/d₁ меньше 0,155 определяют по формуле

У=1-d₂/d₁.