Энергетические показатели глинистых грунтов пластичного состояния при контактном взаимодействии с рабочими поверхностями

В технологических процессах, связанных с разработкой грунтов, перемещением и транспортировкой влажных материалов, в агрофизических процессах перемещения влаги, в процессах коррозии рабочих органов и гидромелиоративных сооружений, контактирующих с влажными грунтами, важное значение имеют физико-механические и физико-химические свойства грунтов, особенно во влажном состоянии (адгезия, трение).

Повышение производительности и качества работ при разработке влажных дисперсных масс типа грунтов является актуальной проблемой. Известно, что при разработке глинистых грунтов значительной влажности скреперы, погрузчики и одноковшовые экскаваторы снижают производительность или практически неработоспособны. Большое значение силы трения имеют при транспортировании влажных грунтов и материалов (бетоны, строительные смеси, удобрения), погружении свай, подземной прокладке труб и ряде других процессов. При этом значительно возрастает энергоемкость работ.

Несмотря на то, что имеется большое количество исследований по этим направлениям, вопросы оценки энергетических потенциалов (электрических, капиллярных) различных грунтов изучены недостаточно, особенно при контактных взаимодействиях с рабочими поверхностями землеройных и мелиоративных машин и сооружений. В связи с этим проблемы экспериментального изучения закономерностей изменения контактных потенциалов и энергетических характеристик влажных грунтов представляют научный и практический интерес, поскольку, дают возможность более обоснованно подойти к вопросам оценки энергетики грунтов и взаимодействие их с различными рабочими поверхностями машин, а так же с корнями сельскохозяйственных растений. Кроме того, естественные разности потенциалов, возникающие при этом контакте, влияют на изменение физико-механических свойств (трение, прилипание и др.), перемещение влаги и т. п. 6.

В целом, знание этих потенциалов и оценка энергетических параметров грунтов (как сложной многофазной системы) может существенно отразится на дальнейшем углубленном понимании механизмов деформирования грунтов, снижение энергоемкости их обработки, экогеологических процессов, повышения долговечности машин, подземных трубопроводов и др. сооружений.

Так же недостаточно изучены вопросы механики процессов транспортировки и выгрузки влажных грунтовзащиты от налипания и повышения эффективности рабочих процессов разработки липких тяжелых грунтов при пониженной температуреприменения электроосмоса для облегчения транспортировки и выгрузки дисперсных масс с большим содержанием коллоидных частиц высокой влажностиболее детальное изучение электрического потенциала в связи с оценкой энергоемкости мелиоративных работ.

На практике основными рабочими поверхностями являются металлы, низкоуглеродистые стали, алюминиевые сплавы. Поэтому, наиболее важно изучить изменение контактных потенциалов при взаимодействии грунтов с этими поверхностями при изменении влажности и температуры.

Цель работы. Изучение изменения естественной разности электрического потенциала в системе грунт — металлическая поверхность при изменении влажности и температуры во времени для типовых грунтов, оценка энергетической характеристики и поверхностных свойств.

Положения, выносимые на защиту диссертации, следующие:

1. Обобщение известных зависимостей трения и адгезии грунтов пластичного состояния от давления и времени контакта.

2. Расчетная методика определения параметров выгрузки дисперсных масс с учетом трения, прилипания, конструктивных размеров и режима загрузки и транспортировки. 7.

3. Электроосмотическое перемещение влаги в пластичных грунтах при малых градиентах потенциалов.

4. По мере изменения агрегатного состояния влажной дисперсной массы минерального состава при длительном охлаждении меняется величина контактной разности потенциалов.

5. Применение электроосмоса для снижения трения при выгрузке тонкодисперсных пород.

Научная новизна.

Впервые рассмотрены нижние пределы энергетической напряженности и, связанных с этими пределами, изменения трения и адгезии для влажных тонкодисперсных пород со значительным содержанием коллоидных частиц.

Выявлено изменение собственных электродных потенциалов типовых грунтов в зависимости от влажности и температуры и происходящие при этом структурные изменения.

Установлена возможность использования закономерностей изменения электрических характеристик влажных грунтов под действием отрицательной температуры для контроля примерзания в технологических процессах.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы в изобретении: Способ контроля примерзания влажных дисперсных масс минерального состава. Патент на изобретение № 2 148 820 (выдан 10 мая 2000 г). Способ контроля основан на изменении собственной ЭДС системы влажная дисперсная масса минерального состава — электрод. Установлены основные параметры электроосмотического процесса системы тонкодисперсный грунт — сталь с целью снижения залипания и трения по рабочим поверхностям мелиоративных машин (ковшовых экскаваторов, самосвалов). Разработана методика расчета условий выгрузки залипающих грунтов из емкостей землеройных машин и транспортных средств. 8.

Выводы из результатов теоретических и экспериментальных исследований.

1. При воздействии низкой температуры на систему грунт — металл, электрический потенциал уменьшается, а сопротивление растет. При этом характер изменения параметров А17, Я зависят от влажности и температуры.

2. Изменение градиентов — = /(0 и — = /(/) дают возможность.

А/ А/ судить о фазовых превращениях, которые возникают на границе контакта с металлом в объеме грунта при замерзании.

3. Резкое изменение градиентов сопротивления — через определенное.

Ы: время воздействия отрицательной температуры имеет практическое значение для определения начала примерзания.

4. Для энергетической характеристики грунтов наиболее важно определение капиллярного, электрического и адгезионного потенциалов. При этом, А (р и ра наиболее полно отражают способность грунтов к активным взаимодействиям с окружающей средой, антропогенными сооружениями и отходами производства, что имеет важное экологическое значение. Дальнейшее изучение величин А<�р, ра, для различных грунтов, с учетом их состояния и физико-минерального состава дает возможность конкретно использовать эти характеристики в качестве экологически значимых факторов.

5. Показана возможность электроосмотического перемещения влаги в пластичных грунтах при интегральной напряженности Е=(0,01 — 0,03) В/см, т. е. под действием малых градиентов.

Глава 4. Экспериментальное определение режима электроосмоса для снижения трения и прилипания тонкодисперсных почвогрунтов к рабочим поверхностям мелиоративных машин.

Известны следующие способы снижения прилипания при механизированной разработке грунтов [48]: применение внешнего теплового, вибрационного, электромагнитного, радиационного воздействиядобавки поверхностно-активных веществ, связывающих воду (окись кальция, гидросиликат) или придающих массе гидрофобные свойства (кремнийорганические соединения) — рациональный выбор конструктивных факторов (оптимальные радиусы кривизны рабочих поверхностей, уменьшение площади контакта, выбор угла давления на грунт, обеспечивающего возможность самоочищения, изменение N шероховатости и структуры поверхности или насыщение материалами типа бор, сера, хром, способствующими снижению адгезии) — применение комбинированных методов: например, одновременное действие вибрации и теплового воздействия, вибрации и электроосмоса и т. п.- механические способы: применение скребков, ножей, щеток, подвижных стенок, лопастей и т. п.

При разгрузке ковшей и кузовов, как показано выше (см. гл. 2) возникают условия не выгрузки. При этом применение выталкивающих стенок, например, в скрепере требует значительных усилий, особенно для тонкодисперсных влажных грунтов.

Нам представляется наиболее целесообразно использование явления электроосмоса, сущность которого дана в главе 1.

Поэтому проделаны эксперименты по исследованию типовых тонкодисперсных пород: глины с высоким содержанием коллоидных частиц и мела.

В этой главе использованы данные отчета «Проведение теоретических и экспериментальных исследований с целью разработки рекомендаций по проектированию и использованию электроосмотических установок для разработки влажного сырья в условиях ПО «Брянскцемент», выполненного Потаповым А. В., Ивановым В. А., Климовым М. П., Лаврентьевым В. В. под руководством проф. Заднепровского Р. П. на кафедре «Сопротивление материалов, детали машин, теоретическая механика» ВГСХА.

Возможность эффективного использования электроосмоса для подобных пород исследована недостаточно.

4.1. Методика определения физико-механических и физико-химических свойств (адгезия, трение, механический состав).

Величина химического потенциала для каждого типа растворенного вещества в условиях равновесия равна его значению в объемной части раствора и определяется концентрацией и температурой. Изменение концентрации данного компонента по мере приближения к поверхности частицы определяется характером кривой потенциальной энергии. Чем круче падение потенциальной кривой по мере приближения к поверхности частиц, тем резче повышение концентрации молекул или ионов данного типа. Известно, что при добавлении к раствору молекул или ионов с высоким адсорбционным потенциалом они вытеснят с поверхности молекулы, обладающие более низким его значением. При этом произойдет изменение заряда поверхности, поля молекулярных сил вблизи нее, характера потенциальных кривых для всех компонентов раствора и общее перераспределение ионов в диффузном слое.

Очевидно, что изменение содержания диффузного и адсорбционного слоев происходит и при изменении температуры и концентрации веществ в объемной части раствора.

4.1.1. Методика определения исходных адгезионнных характеристик грунтов.

Основными исходными характеристиками дисперсных пород зависимости силы прилипания (Рл) от влажности т. е. функции Рл=1″ (¥-) с учетом времени контакта (1-к) с учетом (Ы). Изменение влажности наиболее сильнодействующий фактор. Зависимость РЛ=:Р (М), при фиксированной влажности линейна. Это позволяет выбрать величину N двумя-тремя значениями. Выбор времени контакта определяется его заданным диапазоном 5−6 мин. Сильное влияние ^ наблюдается при индексе текучести грунтов 1ь>0,5 и времени контакта до 3 минут. Вследствие этого достаточно ограничиться временем 1,5 и 30 минут (для контроля).

Адгезия — это явление возникновения связей, препятствующих взаимному разъединению двух разнородных тел (или фаз), обусловленных поверхностным взаимодействием этих тел при их контактировании.

Количественную сторону адгезионного взаимодействия характеризует сила прилипания — Рл. Величина Рл определяется как сила отрыва стального диска прибора от поверхности грунта приходящаяся на единицу поверхности.

Сила прилипания Рл характеризует нормальную составляющую адгезии — Рна, касательная сила адгезии — Рка влияет на величину трения скольжения.

Отрыв от поверхности тела (грунта) может быть адгезионным, когезионным и смешанным. При адгезионном отрыве рабочего диска прибора от грунта его поверхность не залипает (разъединение по плоскости раздела фаз). При когезионном отрыве поверхность рабочего диска полностью залипает грунтом (разъединение по одной фазе — грунту).

Для глинистых грунтов существует критическая влажность, характеризующая переход адгезионного отрыва в когезионный.

Схема прибора для определения адгезии почв показана на рис. 4.1. Основой прибора является рычаг, опирающийся на призму 2. Длина рабочей.

76 части рычага может изменяться так, что расстояние от центра призмы до втулки 3 составляет величину Ьр до 600 мм. Втулка 3 имеет резьбу, с помощью которой рабочий диск 4 может жестко закрепляться на нужной высоте, относительно поверхности грунта 5. На втором грузовом плече рычага находится скользящий груз 6 для создания отрывающей нагрузки.

При необходимости, в хвостовом конце рычага крепится пружинный динамометр. На рабочем конце рычага также может устанавливаться скользящий груз для создания предварительного нагружения рабочего диска силой в. Величина перемещения грузов фиксируется мерной линейкой 12 и 16 закрепленных на станине прибора 13. Для перемещения груза 6 используется ползун 11, имеющий на верхнем конце резиновый упор для рычага. Грунт находится в стакане 8 закрепленным резьбой в корпусе 9. Рычаг может опираться на дополнительный упор 15.

Рис. 4.1. Прибор для определения адгезии грунтов.

Большая длина рычага, жесткое крепление рабочего диска, наличие скользящих грузов, позволяющих плавно изменять отрывающее усилие и отсутствие сил трения (благодаря подвеске на призме) дают возможность с большей точностью определять силу прилипания в заданном диапазоне.

77 давления и времени контакта. При этом сводится к минимуму влияние сдвига при отрыве диска от поверхности грунта.

В известном приборе для определения липкости П. А. Качинского использованы лабораторные весы со слишком коротким рычагом и шарнирным креплением рабочего диска. Такое шарнирное крепление дает, как правило, заниженные показания силы прилипания, ввиду малой вероятности совпадения направленной равнодействующей силы прилипания и отрывающей силы (рис. 4.2). При этом создается отрывающий момент, облегчающий отрыв. При слишком коротком рычаге появляется сдвигающие.

Рис. 4.2. К обоснованию конструкции прибора.

78 усилие, учет которого затруднителен. В результате, появляется дополнительная ошибка измерения. При повороте рычага на угол 1 величина сдвига: ~1.

1 — eos. А arcsin—.

L.

V Р / J где Lp — длина рабочей части рычага;

А = Lp sin ее — величина вертикального перемещения диска до отрыва.

Адгезионное взаимодействие под действием молекулярных и ионноу электростатических сил проявляется на небольшом расстоянии порядка 10″ м. С учетом реологических особенностей грунтов пластичного состояния и наличия контакта можно принять, А < ОД мм.

При Lp=600 мм максимальный сдвиг 1 составит ничтожную величинуоколо 2−10″ 7 м.

Сечение рычага подобрано так, чтобы за счет прогиба под действием отрывающей нагрузки можно было добиться почти полной компенсации некоторого поворота при отрыве (относительно плоскости контакта).

Площадь дисков в известных приборах — от 10 до 300 см. При малой площади диска прибор более чувствителен к неравномерному распределению давления на площади контакта.

Заключение

.

1. Дана оценка поверхностных свойств глинистых грунтов и изменения электродных потенциалов при их контакте с рабочими поверхностями.

2. При воздействии низкой температуры на систему грунт — металл, электрический потенциал уменьшается, а сопротивление растет. При этом характер изменения параметров Ш, Я зависят от влажности и температуры.

3. Изменение градиентов^- = /(0 и — = /(/) дают возможность.

At Л? судить о фазовых превращениях на границе контакта грунта с металлом в объеме ячейки грунта при замерзании.

4. Резкое изменение градиентов сопротивления — через определенное м время воздействия отрицательной температуры имеет практическое значение для определения начала примерзания.

5. Разработано устройство для контроля примерзания влажных дисперсных масс минерального состава к поверхностям, основанное на резком падении разности потенциалов в начале интенсивного примерзания. Получен патент на изобретение № 2 148 820 «Способ контроля примерзания влажных дисперсных масс минерального состава» (см. приложение 2).

6. Для энергетической характеристики грунтов наиболее важно определение капиллярного, электрического и адгезионного потенциалов. При этом, А<�р и ра наиболее полно отражают способность грунтов к активным взаимодействиям с окружающей средой, антропогенными сооружениями и отходами производства, что имеет важное экологическое значение. Оценка энергетического потенциала глинистых пород дает величину ср= ОД н- 0,15 В.

7. Изменение электрического потенциала во времени носит экспоненциальный характер и может быть выражено зависимостью ф=(р0ехр (-Ы), где фо — начальное значение потенциала, Ь — показатель,.

113 меняющий свою величину в соответствии с интервалами изменения сопротивления R.

8. Показана возможность электроосмотического перемещения влаги в пластичных грунтах при интегральной напряженности Е=(0,01 — 0,03) В/см, т. е. при малых градиентах потенциалов.

9. Установлены параметры электроосмоса для облегчения выгрузки влажных тяжелых типовых тонкодисперсных пород: QKp= 850 — 1000 К/м2 для глинистой породы при минимальной плотности тока iKp = 20 — 30 А/м2 и времени электроосмоса т = 25 — 50 сQKp= 800 — 1200 К/м для меловой породы при критической плотности iKp = 20−25 А/м и т = 30 — 40 с.

10. Установленные значения параметров электроосмоса позволяют снижать силы прилипания в 3 — 5 раз для глины и в 2 — 3 раза для мела. При тех же параметрах снижение сил трения в 1,8 — 2,5 раза для глины ив 1,5−2 раза для мела. Следует учесть значительно меньшую эффективность для мела в виду высокого содержания частиц коллоидного размера.

11. Установлено, что за пределами пластичности (2750% для глины и 2636% для мела) электроосмос не эффективен. Наибольший эффект от применения электроосмоса можно получить при влажности от 30 до 45% для глины и W=30 — 34% для меладлительность электроосмоса можно ограничить пределами 15< т <60 с.

12. Получены расчетные зависимости, определяющие необходимые усилия выгрузки масс с учетом трения, прилипания, конструктивных размеров и режимов загрузки и транспортировки.