СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ И ЗАПОЛНЕНИЯ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ ФРАКЦИЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫМИ Российский патент 2005 года по МПК G01N33/38 

Изобретение относится к области испытаний и определения свойств материалов и может быть использовано в технологии искусственных строительных конгломератов и композиционных материалов, а также в процессе проектирования и оптимизации составов.

Известен способ расчета соотношения щебня (гравия) и песка для асфальтобетона (Соколов Ю.В. Проектирование состава дорожных асфальтобетонов. Омск, СибАДИ, 1979, с.78-92) с учетом величины пустотности щебня (гравия) и величины коэффициента раздвижки (α ) щебня (гравия) песком.

Однако в известном способе определения соотношения сыпучих компонентов не указывается и не учитывается отношение размеров зерен щебня и песка, не принимается во внимание влияние степени упаковки и заполнения щебня песком, а величины коэффициентов раздвижки имеют табличные значения, полученные по результатам экспериментальных исследований. Кроме того, даже нет намека о количественной взаимосвязи между явлением заполнения объема пустот щебня и явлением раздвижки щебня песком.

Указанные недостатки и неизученные явления и взаимосвязи имеют место во многих других публикациях по данной проблеме.

В основе создания изобретения лежит задача по разработке такого способа, который позволяет определять величину степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми, получить количественную взаимосвязь между ними и величиной раздвижки одних фракций другими с учетом отношений размеров зерен во фракциях и учитывать влияние двух физических явлений на соотношение фракций в формируемой бинарной системе уплотненно (заполненно)-раздвинутого типа.

Технический результат достигается тем, что с учетом размеров зерен в совмещаемых фракциях и их отношений определяют принадлежность сыпучих смесей к тому или иному типу, определяют величину раздвижки одних фракций другими с учетом размеров зерен, а количественную взаимосвязь между явлениями упаковки (заполнения) и раздвижки зерен зернами определяют с использованием аналитического выражения, базирующегося на взаимосвязи двух критериальных величин (Y и α ), функционально зависящих от отношений размеров зерен совмещаемых фракций сыпучих материалов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистой фракции d₁ и мелкозернистой фракции d₂, отношение средних размеров зерен d₂/d₁, величину раздвижки крупнозернистой фракции мелкозернистой α (по формуле при d₂/d₁ больше 0,155 определяют величину степени Y уплотнения, а при d₂/d₁ меньше 0,155 - величину степени Y заполнения по формуле .

Исследования сыпучих смесей на основе двух фракций с различными размерами зерен показали, что не только тип сыпучих систем зависит от отношений размеров зерен совмещаемых фракций, но и соотношение фракций в сыпучих смесях зависит от отношения размеров их зерен. Обобщающим критерием этих зависимостей является количественная взаимосвязь между величиной степени уплотнения (заполнения) и величиной степени раздвижки крупнозернистых фракций мелкозернистыми, имеющими функциональную зависимость от размеров их зерен.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Определение величины степени уплотнения крупнозернистой фракции щебня с размерами зерен 15-30 мм фракцией щебня с размерами зерен 5-10 мм.

Производят сухой рассев щебня с размерами зерен 15-30 мм и определяют частные остатки на ситах:

размер ячеек сит, мм 30 25 20 15

массовые доли,

безразмерные величины 0,10 0,26 0,49 0,15

(частные остатки)

Определяют средний размер зерен в испытуемой фракции щебня

30 мм· 0,10=3,00 мм

25 мм· 0,26=6,50 мм

20 мм· 0,49=9,80 мм

15 мм· 0,15=2,25 мм

средн. d₁=21,55 мм

Производят сухой рассев щебня с размерами зерен 5-10 мм и определяют частные остатки на ситах:

размер ячеек сит, мм 10 7,5 5

массовые доли,

безразмерные величины 0,09 0,52 0,39

(частные остатки)

Определяют средний размер зерен в испытуемой фракции щебня

10 мм· 0,09=0,90 мм

7,5 мм· 0,52=3,90 мм

5 мм· 0,39=1,95 мм

средн. d₂=6,75 мм

Определяют отношение средних размеров зерен, оно равно d₂/d₁=6,75 мм/21,55 мм=0,313, полученная величина больше 0,155, поэтому система будет относиться к уплотненному типу.

Определяют величину степени раздвижки фракции с размерами зерен 15-30 мм фракцией с размерами зерен 5-10 мм по следующей формуле она равна α =((21,55 мм+6,75 мм)/21,55мм)³=1,313³=2,265, безразмерная величина.

Определяют величину степени уплотнения крупнозернистой фракции мелкозернистой по следующей формуле , она равна безразмерная величина.

Полученные величины являются носителями следующей информации.

Для приготовления 1 м³ смеси уплотненно-раздвинутого типа расход фракции с размерами зерен 15-30 мм составит V₁=1м³/2,265=0,442 м³, а расход фракции с размерами зерен 5-10 мм состоит из двух частей.

На раздвижку крупнозернистой фракции расход другой фракции составляет V_2p=1 м³-0,442 м³=0,558 м, а на уплотнение 0,442 м³ крупнозернистой фракции

V_2у=0,442 м³·^{Y_у·_{Vп1, при Vп1=0,46}}

V_2у=0,442 м³·^{0,687· 0, 46=0,140 м3}

Общий расход мелкозернистой фракции составляет V₂=V_2р+V_2у=0,558 м³+0,140 м³=0,698 м³.

V_см=V₁+V₂=0,442 м³+0,698 м³=1,140 м³

VΔ =1,140 м³-1 м³=0,140 м³, это количество мелкозернистой фракции будет израсходовано на уплотнение, в результате чего физический объем смеси составит 1 м³.

Пример 2. Определение величины степени уплотнения монофракции щебня с размерами зерен 30 мм монофракцией щебня с размерами зерен 5 мм.

Определяют отношение размеров зерен двух фракций, оно равно d₂/d₁=5 мм/30 мм=0,167, эта величина больше 0,155, поэтому смесь будет уплотненного типа.

Определяют величину степени раздвижки фракции с размерами зерен 30 мм фракцией с размерами зерен 5 мм по формуле она равна α =((30 мм+5 мм)/30 мм)³=1,167³=1,588, безразмерная величина.

Определяют величину степени уплотнения фракции с размерами зерен 30 мм фракцией с размерами зерен 5 мм по формуле она равна безразмерная величина.

Полученные величины являются носителями следующей информации.

Для приготовления 1 м³ смеси уплотненно-раздвинутого типа расход фракции с размерами зерен 30 мм составит V₁=1 м³/1,588=0,630 м³, а расход фракции с размерами зерен 5 мм состоит из двух частей.

На раздвижку крупнозернистой фракции расход мелкозернистой фракции составляет V_2р=1 м³-0,630 м³=0,370 м³, а на уплотнение 0,630 м³ крупнозернистой фракции

V_2у=0,630 м³·^{Y_у·_{Vп1, при Vп1=0,486}}

V_2у=0,630 м³·^{0,833· 0, 486=0,255 м3}

Общий расход мелкозернистой фракции составляет V₂=V_2p+V_2y=0,370 м³+0,255 м³=0,625 м³.

V_см=V₁+V₂=0,630 м³+0,625 м³=1,255 м³

VΔ =1,255 м³-1 м³=0,255 м³, это количество мелкозернистой фракции будет израсходовано на уплотнение 0,630 м³ крупнозернистой фракции, в результате чего физический объем смеси составит 1 м³.

Пример 3. Определение величины степени заполнения фракции щебня с размерами зерен 8-15 мм песком со средними размерами зерен 1,66 мм.

Производят сухой рассев фракции щебня с размерами зерен 8-15 мм и определяют частные остатки на ситах

размер ячеек сит, мм 15 12,5 10 8

массовые доли, безразмерные 0,15 0,41 0,39 0,05

величины (частные остатки)

Определяют средний размер зерен во фракции щебня

15 мм· 0,15=2,25 мм

12,5 мм· 0,41=5,125 мм

10 мм 0,39=3,9 мм

8 мм 0,05=0,4 мм

средн. d₁=11,68 мм

Определяют отношение размеров зерен песка и щебня, оно равно d₂/d₁=1,66 мм/11,68 мм=0,142, полученная величина меньше 0,155, поэтому приготовленная смесь будет относиться к заполненному типу.

Определяют величину степени раздвижки фракции щебня со средними размерами зерен d₁=11,68 мм песком со средними размерами зерен 1,66 мм по формуле она равна α =((11,68 мм+1,66 мм)/11,68 мм)³=1,142³=1,490 безразмерная величина.

Определяют величину степени заполнения фракции щебня песком по формуле она равна безразмерная величина.

Полученные величины являются носителями следующей информации.

Для приготовления 1 м³ смеси щебня и песка заполненно-раздвинутого типа расход щебня составит V_щ=1м³/1,490=0,671 м³, а расход песка состоит из двух частей.

На раздвижку щебня расход песка составит V_пр=1 м³-0,671 м³=0,329 м³, а на заполнение объема пустот 0,671 м³ щебня

V_пз=0,671 м³·^{У₃·_{Vпщ, при Vпщ=0,44}}

V_пз=0,671 м³·^{0,858· 0, 44=0,253 м3}

Общий расход песка составит V_п=V_пр+V_пз=0,329 м³+0,253 м³=0,582 м³.

Арифметическая сумма объемов щебня и песка равна

V_см=V_щ+V_п=0,671 м³+0,582 м³=1,253 м³

VΔ =1,253 м³-1 м³=0,253 м³, это количество песка будет израсходовано на заполнение объема пустот щебня объемом 0,671 м, в результате чего физический объем смеси составит 1 м³.

Пример 4. Определение величины степени заполнения монофракции песка с размерами зерен 2,5 мм монофракцией песка с размерами зерен 0,315 мм.

Определяют отношение размеров зерен обеих фракций песка d₂/d₁=0,315 мм/2,5 мм=0,126, эта величина меньше 0,155, поэтому смесь на основе этих фракций будет заполненного типа.

Определяют величину степени раздвижки монофракции песка с размерами зерен 2,5 мм монофракцией песка с размерами зерен 0,315 мм по формуле она равна α =((2,5 мм+0,315 мм)/2,5 мм)³=1,126³=1,428, безразмерная величина.

Определяют величину степени заполнения фракции песка с размерами зерен 2,5 мм фракцией песка с размерами зерен 0,315 мм по формуле она равна безразмерная величина.

Полученные величины являются носителями следующей информации.

Для приготовления 1 м³ смеси песка заполненно-раздвинутого типа расход песка с размерами зерен 2,5 мм составит V_2,5=1 м³/1,428=0,700 м³, а расход фракции песка с размерами зерен 0,315 мм состоит из двух частей

На раздвижку фракции с размерами зерен 2,5 мм расход второй фракции составит V_пр=1 м³-0,700 м³=0,300 м³, а на заполнение объема пустот 0,700 м³ фракции песка с размерами зерен 2,5 мм расход мелкозернистой фракции песка составит

V_пз=0,700 м³·^{У· V_пп, при V_{п2, 5}=0,38}

V_пз=0,700 м³·^{0,874· 0, 38=0,232 м3}

Общий расход фракции песка с размерами зерен 0,315 мм составит V_п=V_пр+V_пз=0,300 м³+0,232 м³=0,532 м³.

Арифметическая сумма объемов песка равна

V_см=0,700 м³+0,532 м³=1,232 м³

VΔ =1,232 м³-1 м³=0,232 м³, такой объем монофракции песка с размерами зерен 0,315 мм будет израсходован на заполнение объема пустот фракции песка с размерами зерен 2,5 мм объемом 0,700 м³, в результате чего физический (фактический) объем смеси песка составит 1 м³, т.е. заданный объем смеси.

Испытания заявляемого способа, проведенные в лаборатории строительного павильона университета, показали, что действительно смеси щебня и смеси щебня и песка, приготовленные по результатам заявляемых методов расчета, имеют объемно-массовые характеристики, соответствующие расчетным данным. Сумма рассчитанных объемов крупнозернистых и мелкозернистых фракций больше заданного объема смеси, но после их перемешивания объем смеси принимает заданную величину. Действительно, арифметическая сумма рассчитанных объемов фракций в смесях уплотненно(заполненно)-раздвинутого типа больше единицы (V₁+V₂>1 м³), после совмещения фракций, перемешивания приготовленной смеси и завершения в системе процессов уплотнения зерен или заполнения объемов пустот зернами меньших размеров физическая сумма компонентов становится равной единице объема (V_см=1 м³).

Заявляемый способ обеспечивает не только снижение объема лабораторных испытаний, но и повышение качественных характеристик рассчитанных и приготовленных сыпучих смесей, обеспечивая при этом возможность регулирования заданных свойств производимых материалов.

Заявляемый способ не требует капитальных затрат и готов к непосредственному применению в производстве, в научных исследованиях и в учебном процессе.

Изобретение относится к испытанию свойств материалов и может быть использовано в процессе проектирования составов искусственных строительных конгломератов и композиционных материалов, а также в процессе проектирования и оптимизации их составов. В способе определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистой фракции d₁ и мелкозернистой фракции d₂, отношение средних размеров зерен d₂/d₁, величину раздвижки крупнозернистой фракции мелкозернистой α по формуле при d₂/d₁ больше 0,155 определяют величину степени Y уплотнения, а при d₂/d₁ меньше 0,155 - величину степени Y заполнения по формуле Технический результат – снижение объемов лабораторных испытаний и повышение качественных характеристик рассчитанных и приготовленных сыпучих смесей с обеспечением возможности регулирования заданных свойств производимых материалов.

Способ определения степени уплотнения и заполнения крупнозернистых фракций мелкозернистыми, характеризующийся тем, что методом ситового анализа определяют средний размер зерен крупнозернистой фракции d₁ и мелкозернистой фракции d₂, отношение средних размеров зерен d₂/d₁, величину раздвижки крупнозернистой фракции мелкозернистой α по формуле

при d₂/d₁ больше 0,155 определяют величину степени Y уплотнения, а при d₂/d₁ меньше 0,155 - величину степени Y заполнения по формуле