Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса, основные предпосыжи и задачи исследования 12
1.1. Технологические аспекты формования газобетонных изделий 12
1.2. Особенности реологии газобетонной смеси 24
1.3. Задачи распространения плоских волн в вязко-упругих средах и методы их решения 28
1.4. Структурно-прочностные исследования пористых тел с замкнутой сферической пористостью 38
1.5. Постановка цели и задач исследования 43
ГЛАВА II. Исследование изменения реологических свойств в процессе вспучивания и газобетонной смеси,состава, характерного для ударного способа формо вания изделий 45
2.1. Выбор методики эксперимента и создание прибора 45
2.2. Феноменологическое обсуждение поведения газобетонной смеси в условиях объемного одноосного (компрессионного) деформирования 48
2.3. Выбор реологической модели вспучивающейся газобетонной смеси 55
2.4. Исследование поведения реологической модели СВУВ среды в условиях мгновенного нагружения постоянным давлением,выдержки под давлением и мгновенного снятия давления 58
2.4.1. Процесс мгновенного нагружения модели постоянно сжимающим давлением 58
2.4.2. Стабилизация деформации модели под давлением 59
2.4.3. Деформирование модели под действием внешнего давления после участка стабилизации деформации 62
2.4.4. Поведение модели в зависимости от величины внешнего давления 62
2.4.5. Мгновенная разгрузка модели после участка стабилизации деформации 65
2.5. Расчет коэффициентов новой реологической модели СВУВ среды по данным эксперимента 66
2.6. Исследование структурообразования газобетонной смеси во время вспучивания и схватывания 67
2.7. Вывод уравнения свободного вспучивания СВУВ среды 76
2.8. Выбор реологической модели газобетонной смеси при кратковременном действии давления 78
Выводы по П главе 79
ГЛАВА III. Исследование процесса распространения плоских волн в структурированной всбучиващейся упруговязкой среде, обладащей тиксотропними свойствами 82
3.1. Общая постановка задачи о распространении волн в газобетонной смеси при ударной технологии формования газобетона 82
3.2. Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при свободном падении ее в массивной форме 86
3.3. Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при ударном способе формования материала 91
3.4. Упрощение реологической модели СВУВ среды для волновых процессов,происходящих в газобетон ной смеси 98
3.5. Распространение плоских волн в структурированной вязкоупругой среде без учета вспучива ния при свободном ее падении в массивной форме 99
3.6. Распространение плоских волн в структурированной вязкоупругой среде без учета вспучивания при ударном способе формования материала юз
3.7. Учет степени тиксотропного разжижения вязко-упругой среды при ударных воздействиях 108
3.8. Влияние степени тиксотропного разжижения газобетонной смеси на поведение динамических параметров распространения плоских волн в данной
среде 118
3.9. Волновые процессы ударной технологии формова
ния вязкоупругого материала 122
3.10. Метод расчета режима ударного формования
газобетона , 143
Выводы по Ш главе 154
ГЛАВА ІV. Исследование пространственного распреде ления сферических пор в материале и его влияние на прочность высокопористого ма териала 158
4.1. Анализ одномодальных структурных моделей упаковок сферических пор 158
4.1.1. Кубическая упаковка 159
4.1.2. Тригонально-призматическая упаковка
4.1.3. Ромбоэдрическая упаковка 1 бо
4.2. Анализ многомодальных структурных моделей упаковок
4.2.1. Двухмодальная кубическая упаковка 161
4.2.2. Тригонально-призматиче екая двухмодальная упаковка 164
4.2.3. Ромбоэдрическая трехмодальная упаковка 165
4.3. Построение новой предельной наиплотнейшей пирамидальной упаковки 167
4.4. Экспериментальные исследования 169
4.5. Критерии отклонения макроструктуры материала от плотнейшей пирамидальной упаковки 181
4.6. Связь прочности высокопористого материала с его макроструктурой 184
Выводы по ІУ главе 192
Выводы 196
Список основной использованной литературы 199
- Особенности реологии газобетонной смеси
- Феноменологическое обсуждение поведения газобетонной смеси в условиях объемного одноосного (компрессионного) деформирования
- Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при свободном падении ее в массивной форме
- Анализ многомодальных структурных моделей упаковок
Особенности реологии газобетонной смеси
Наилучший режим ударного формования газобетона обеспечивается изменением параметров ударных воздействий, конкретно - их периодичности и энергии, т.е. высоты падения формы со смесью в соответствии с изменением реологических параметров самой смеси при вспучивании. Для этого необходимо знать как реологически изменяется смесь во время вспучивания. Причем интерес вызывают именно те реологические характеристики, от которых прежде всего зависит распространение волн в смеси при данном методе формования. Характер же параметров и их количество будет зависеть от того как мы будем моделировать процесс и какую реологическую модель процесса примем для его описания.
Для измерения реологических параметров структурированных сред надо применять приборы, позволяющие исключить разрушение самой среды, с тем чтобы представилось возможным численно оценить разрушение ее вследствие технологического динамического воздействия. Кроме того, в реологические уравнения данных сред необходимо подставлять "истинные" реологические параметры среды, а не эффективные. Поэтому приборы индикаторного типа, дающие только качественную картину реологического поведения среды или некоторые эффективные реологические характеристики, из рассмотрения также приходится исключить. Этим сразу ограничивается класс используемых приборов для исследования структурированных сред Г43] .
Вспучивающаяся газобетонная смесь успешно исследуется приборами, осуществляющими простой сдвиг с ограниченной деформацией ( прибор Толстого, прибор Вейлера-Ребиндера, прибор с продольным перемещением коаксиальных цилиндров). В.Э.Миронову [25, 44] , например, с помощью прибора Вейлера-Ребиндера удавалось измерить до 9 независимых реологических параметров простого сдвига газобетонной смеси,, соответствующих реологической модели [49] .
При прохождении плоских волн в среде наблюдается интерференционная картина взаимодействия прямых волн, идущих от днища формы, и волн, отраженных от свободной поверхности, представляющая собой набор плоских стоячих волн, проявляющийся в виде колебаний смеси. При этом смесь будет испытывать объемную одноосную деформацию, поскольку изменение уровня смеси происходит при неизменной величине поперечного сечения благодаря наличию жестких бортов формы.
Несмотря на отсутствие в реологии строительных материалов надлежащих методик, реологические характеристики объемного одноосного деформирования газобетонной смеси все же можно получить, причем двумя способами. Первым способом является измерение данных характеристик в приборе, осуществляющем непосредственно объемное одноосное деформирование материала; такие приборы применяются в механике грунтов [18,19,45,46] . Второй принципиально возможный путь - это определить одновременно со сдвиговыми характеристиками на идентичных образцах материала характеристики всестороннего сжатия, используя, например, стабило-метры, также применяемые в механике грунтов [18,19,45] . Зная же два вида характеристик материала, можно рассчитать полный набор характеристик вязкоупругой среды по известным формулам (см.например [47-49] ), в том числе характеристики объемного одноосного деформирования.
Здесь следует отметить, что выпускаемые одометры и стабило-метры совершенно не приспособлены для исследования вспучивающихся сред, а также сред с малой несущей способностью, т.к. рабочие давления, осуществляемые этими приборами, составляют единицы, десятки и сотни атмосфер. Поэтому при исследовании дефор-мативных и реологических свойств газобетонной смеси встает задача создания прибора, конструктивно отличающегося от выпускаемых приборов возможностью деформирования слабых вспучивающихся сред.
Газобетонная смесь представляет собой многокомпонентную пористую среду. Исследования таких сред, в частности, при объемном деформировании с разными скоростями, наиболее полно проводятся в механике грунтов.
Разнообразие многокомпонентных сред, сложность процессов, связанных с их деформацией, приводят к большому различию в методике их изучения и построения моделей, применяемых при решении волновых задач. Наиболее часто многокомпонентные среды рассматриваются как сплошные, изучение проводится на феноменологическом уровне [50]
Феноменологическое обсуждение поведения газобетонной смеси в условиях объемного одноосного (компрессионного) деформирования
По принципу своего действия данный прибор схож с одометрами - приборами для одномерных компрессионных испытаний грунтов в жестких сосудах [45, 4б] . Грунты являются долговремен-ной несущей основой почти всех наземных сооружений, поэтому одометры были сконструированы как приборы для исследования не I сущей способности грунтов, их сжимаемости, уплотняемости, поведения под действием значительной длительной статической нагрузки или при длительной постоянной деформации. Конструкция нашего прибора позволяет использовать его для исследования и быстро-вспучивающегося материала с малой несущей способностью, вплоть.
В качестве режима испытания газобетонной смеси мы выбрали режимы мгновенного нагружения материала постоянной нагрузкой, выдержки его некоторое время под нагрузкой, затем - мгновенного разгружения. Поскольку материал непрерывно меняет свои свойст-ва со временем, то данный режим нагружения следует периодически повторять в течение всего исследуемого времени вспучивания и структурообразования материала. Работа прибора при этом происходит следующим образом.
В жесткую металлическую форму I наливают газобетонную смесь 7, затем в форму вводят поршень 6 до плотного соприкосновения с поверхностью смеси, причем эксцентриковый зажим 10 находится в открытом положении, благодаря чему шток поршня свободно перемещается внутри полого стержня 9, далее для уменьшения теплоотдачи из смеси в атмосферу, на форму надевают теплоизоляционную крышку 3. Зажимом 10 фиксируют шток поршня в полом стержне,предварите льно прижав левое плечо коромысла весов 12 к упору 19, исключив тем самым вертикально перемещение поршня и соотвествен-но его воздействия на смесь в момент фиксации. Вспучивающаяся смесь давит на поршень, который при этом свободно, без трения перемещается в форме I вместе с поверхностью смеси, поскольку оба плеча весов уравновешены. Эти перемещения фиксируются датчиком 15, а самописец 17 одновременно чертит кривую вспучивания смеси при нулевой нагрузке.
Для мгновенного нагружения материала на широкую шайбу II ставят дисковые пригрузы 13 заданного веса с радиальной прорезью. Далее материал вспучивается некоторое время (10-30 сек) под нагрузкой, после чего диски быстро снимают, мгновенно разгружая материал.
Возможность поперечной деформации материала при данном режиме нагружения отсутствует. Вместе с тем конструкция прибора исключает возможность замера поперечных и касательных напряжений, действующих на боковой поверхности материала. Под действием осевого продольного давления, приложенного к верхней торцевой части образца, материал будет испытывать осевую деформацию &, равную, в данном случае, объемной 9 . Отношение осевого напряжения к его деформации 6. носит название модуля линейной сжимаемости Mv[46] или модуля компрессионной деформации, т.е. объемной одномерной деформации (00Д) [.45,46], в литературе он также известен как модуль продольной упругости в массиве [49]. В нашей работе будем его сокращенно называть -модуль 00Д.
При одномерном сжатии грунт подвергается как объемной деформации В, так и деформации изменения формы е- . В данном случае относительная деформация объемного сжатия, равная относительной компрессионной деформации (8 = 6,), вызывается действием шарового тензора напряжений (Т$ = ЗСср). Изменение формы элемента характеризуется интенсивностью напряжений Gf и дефор-мацийе[45] где К - коэффициент бокового давления ( см.стр. 28 ) Таким образом, в результате эксперимента мы получим зависимость 6(t) = Mv(t)-б.(і) . Далее задача будет заключаться в том, чтобы аналитически найти связь между прилагаемым давлением и л проявляющейся деформацией в материале, т.е. найти операторыМ( и в следующем операторном уравнении :
Определим вначале к линейному-ли классу данные операторы относятся.
Газобетонная смесь уже с момента формования содержит примерно 5-1($ газа, к концу вспучивания содержание газа увеличивается до 50-60% и более. Поскольку сжимаемость газовых пузырьков значительно больше, чем межпорового вещества смеси, то общая деформация материала будет практически полностью определяться сжимаемостью газовой фазы, которую можно считать линейной [50] . Возможность применения линейных операторных зависимостей для ма териалов типа водонасыщенные грунты при малых нагрузках отмечена также рядом авторов [17-19, 45,46,50]
Постановка и решение задачи о распространении плоских волн в СВУВ среде при свободном падении ее в массивной форме
Эти допущения позволяют рассматривать ход деформационной кривой только с реологической точки зрения. Таким образом, до момента нагрузки деформация развивается с постоянной скоростью, характеризуемой тангенсом угла С . Рассмотрим далее цикл 0,1, 6,9,10. В момент мгновенного нагружения наблюдается мгновенное деформирование материала по прямой 0-1. Затем проявляется задержанная деформация, которая, достигая некоторого уровня, стабилизируется, образуя так называемую "полку". В момент времени tK скорость деформирования несколько сглаженным скачком меняется от нуля до тангенса угла наклона J3 и материал вновь начинает деформироваться образуя прямую " " вспучивания под нагрузкой.
В точке 9 происходит мгновенное снятие нагрузки, при этом материал мгновенно деформируется по прямой 9-Ю, после чего наблюдается задержанная деформация, которая переходит далее в прямую вспучивания материала без нагрузки "Ь", паралельную прямой "сі " и отстоящую от нее на некоторую постоянную величину.
Если разгрузку произвести после точки 6, т.е. когда деформация вышла на прямую " ", кривые разгрузки получаются практически идентичными, так, например, кривая 7-8 не отличается от кривой разгрузки 9-Ю. Если разгрузку произвести до точки 6, т.е. когда наблюдается стабилизация деформации - "полка", то можно отметить убывание мгновенной деформации, с уменьшением периода времени между нагрузкой и разгрузкой материала, причем, очевидно, что величина мгновенной деформации при разгрузке имеет своим пределом величину мгновенной деформации при нагрузке. Соответственно прямые вспучивания "Ь" после разгрузки, оставаясь пара дельными прямой вспучивания до нагрузки "а "приближаются к ней как к пределу с уменьшением длительности цикла нагружения.
Обнаружить существенное изменение в задержанной (неупругой) части деформаций при разгрузке в зависимости от длительности в эксперименте, также варьировалась величина статической нагрузки, влияние которой на форму кривой деформирования оказа лось существенным ( см.рис.,2.5, где 0 3pl GL G /kl6 І в
При незначительных сжимаемых нагрузках типа 62 на участке мгновенного нагружения отсутствует мгновенная деформация материала. При несколько больших нагрузках типа 6" в материале наблюдается мгновенная деформация, но она сочленяется с участком стабилизации деформации под прямым углом, При еще больших нагрузках типаG, после мгновенной деформации отмечается задержанная деформация, которая завершается участком стабилизации. В рассмотренных трех случаях нагружения длительность участка стабилизации деформации росла с увеличением нагрузки, а угол наклона прямых вспучивания материала под нагрузкой падал.
При значительных сжимаемых нагрузках типа 65 материал терял несущую способность и необратимо деформировался.
Благодаря адгезии газобетонной смеси к поршню прибора удалось приложить к материалу растягивающую нагрузку G 0, что привело к увеличению скорости вспучивания газобетонной смеси после ее мгновенной деформации.
При исследовании вспучивания материалов с помощью прибора Вейлера-Ребиндера никаких специфических эффектов, присущих вспучивающейся системе, зафиксировано не было. Поэтому при обработке экспериментальных кривых деформация вспучивания обычно исключалась, как величина аддитивная, а реологические модели, призванные описывать газобетонную смесь при сдвиге, не содержали соответственно элементов, учитывающих вспучивание [155, 156] .
При одноосном продольном сжатии и растяжении вспучивающейся газобетонной смеси почти все, рассмотренные выше, новые эффекты обусловлены именно вспучиванием системы, и ее свойствами как многокомпонентной среды. Поскольку с помощью известных реологических элементов описать поведение газобетонной смеси не удалось и поскольку в арсенале известных реологических элементов не оказалось элемента, символизирующего источник внутреннего давления в материале, приводящий к вспучиванию системы [42,157, 158] нам пришлось такой ав:тивный элемент ввести ( см.рис.2.6).
Данный элемент представляет собой, скажем, цилиндрический сосуд с невесомым поршнем, перемещающемся в нем без трения. Внутри сосуда, независимо от перемещения поршня, поддерживается постоянное напряжение (например,давление газа). Самостоятельно данный элемент использовать нельзя, так как поршень мгновенно будет вытолкнут внутренним давлением из сосуда. Поэтому для описания вспучивания мы подсоединили его параллельно с элементом вязкости ( см.рис. 2.7).
Анализ многомодальных структурных моделей упаковок
Феноменологический анализ является лишь первой ступенью достаточно полного и удовлетворительного понимания любых физических явлений того типа, который здесь рассматривается. Следующей, более трудной ступенью является определение микрореологического, а в дальнейшем молекулярного механизма. Когда целью работы является развитие физического понимания свойств материала, механические модели приобретают новый смысл. В некоторых простых случаях отдельные элементы моделей могут быть с уверенностью отнесены к определенным процессам микро масштаба [90] .
Проанализируем поведение полученных экспериментальных кривых и найдем взаимосвязь между ними и процессами,происходящими в газобетонной смеси, учитывая, что данные кривые изменения величин, являющихся параметрами реологической модели реального материала, лишь символизируют проявление наиболее характерных свойств газобтеонной смеси. В то же время, поскольку найденная реологическая модель отражает даже нюансы поведения газобетонной смеси, можно искать физическую интерпретацию для некоторых параметров модели.
Рассмотрим элемент вспучивания, состоящий из источника внутреннего давления и элемента вязкости. Источник внутреннего давления символизирует работу газообразования внутри смеси при реакции алюминиевой пудры со щелочью.
Каждая алюминиевая частичка покрыта окисной пленкой, пре пятствующей протеканию данной химической реакции, поэтому реакция идет лишь в местах, где пленка имеет трещины или где она разрушена под действием щелочи. Причем химическое разрушение окисных пленок протекает постепенно. Существенное влияние на скорость химических реакции оказывает температура [4,130] .
Разберем, исходя из этих соображений, ход кривой 60 во времени ( см.рис.2.11). Достоверные результаты для этого параметра получены начиная с шестой минуты от момента затворения. Наблюдаемый до восьмой минуты рост кривой объясняется увеличением поверхности протекания реакций газообразования и ростом температуры вследствие экзотермически происходящих реакций гидратации извести. К 8-й минуте смесь вспучилась на 65%, значит более половины газообразователя прореагировало, в смеси остались, в основном, более крупные частицы алюминия и частицы с прочной окиснои пленкой. Поэтому, несмотря на дальнейший рост температуры, интенсивность газообразования падает, вследствие непрерывно уменьшающейся массы газообразователя в смеси.
Выделяющийся внутри смеси газ заставляет смесь деформироваться, приводя к вспучиванию. Скорость вспучивания зависит прежде всего от вязкости межпорового вещества, его сопротивления расширяющимся и вновь возникающим пузырькам с газом ( при условии отсутствия газовыделения наружу, когда скорость вспучивания зависит от соотношения скорости газообразования и скорости газовыделения) . Поэтому параметр р можно отнести к вязкости межпорового вещества газобетонкой смеси, причем, в физический смысл вязкостного сопротивления входит переукладка твердых частиц, их трение между собой, перетекание и просачивание с вязким сопротивлением жидких компонентов смеси [50] .
С момента затворения в межпоровом веществе наводятся мостики химических связей первых слабых структур, с ростом температуры данное структурообразование усиливается, кроме того, вследствие реакций гидратации в межпоровом веществе непрерывно уменьшается количество свободной воды, играющей роль смазки между твердыми частицами. Все это в совокупности приводит к росту вязкости со временем, что наблюдается в эксперименте ( см.рис.2.II).
Рассмотрим теперь с физической точки зрения деформирование газобетонной смеси под нагрузкой. Смесь представляет собой трехкомпонентную систему - газ, жидкость, твердое тело, каждый компонент которой обладает своими деформативными свойствами.При малых нагрузках сжимаемость смеси определяется, в основном,сжимаемостью газообразного компонента - пузырьков газа, пара и воздуха [50, 162] .
Газобетонная смесь имеет скелет-межпоровое вещество ( под порами подразумеваются в данном случае макропоры), которое тоже имеет каркас образованный твердыми компонентами межпорового вещества за счет механических контактов и структурных связей [19] .
При нагружении вспучивающейся смеси статической нагрузкой, эту нагрузку воспринимает вначале скелет. Особенности распределения напряжений в модели скелета грунта наглядно представлены в работе А.Дрешера и Де Поселена де Йонга [163] . Так как используемые нагрузки в достаточной степени малы, чтобы полностью пренебречь объемной сжимаемостью жидких и твердых компонентов смеси, то нагружение должно привести к объемному сжатию газовых пузырьков, при этом их поверхность должна уменьшаться, для этого необходимо переукладка твердых частиц и жидкости, образующих свод пузырьков. Такая переукладка должна сопровождаться трением частиц между собой, разрывом некоторых микроструктурных связей, значит для преодоления таких сил требуется некоторое предельное напряжение - F ., характеризующее прочность структурных связей материала [19] , при внешней нагрузкеР [РТ1 напряжение в твердых частицах скелета повысится на величину Р при отсутствии заметного деформирования как самих твердых частиц, так и скелета в целом. Вспучивание при этом временно остановится, так как до нагружения расширяющимся и вновь образующимся пузырькам требовалось преодолевать лишь давление окружающей среды, а после нагружения - давление окружающей среды и внешнее давление. Поскольку скелет не деформирован, хотя и сжат дополнительным давлением Р , то давление в пузырьках газа осталось тем же,что и до нагрузки, и пока оно не компенсирует внешнее давление, вспучивание не возобновится. Вследствие работы газообразователя в среде образуются все новые и новые пузырьки газа, а так как общая деформация смеси неизменна, это приводит к росту давления в межпоровой жидкости, за счет чего происходит сжатие с увеличением давления старых пузырьков. Когда давление в жидкости и газе смеси сравняется с давлением в скелете из твердых частиц,дальнейшее газообразование приведет к вспучиванию материала под нагрузкой Р .
