Автор: Пользователь скрыл имя, 14 Декабря 2012 в 10:54, реферат
Гидромеханика – часть общей механики, в которой изучается движение и равновесие жидкостей и газов и механические воздействия жидкостей и газов на находящиеся в них тела и ограничивающие их стенки. Подразделяется на гидростатику и гидродинамику.
Рассмотрим более подробно сущность и значение этих явлений для технологии.
Смачиваемость характеризует способность жидкости растекаться по поверхности твердой фазы. В зависимости от этой способности различают жидкости: смачивающие, несмачивающие и частично смачивающие.
Степень смачивания или несмачивания жидкостью поверхности твердой фазы предопределяется соотношением значений поверхностных натяжений на границе фаз. В подтверждение этому рассмотрим равновесие поверхностных сил (напряжений) в точках примыкания капли смачивающей (рисунок 11, а) и несмачивающей (рисунок 11,б) жидкостей к поверхности твердой фазы.
Рисунок 11 – Схема равновесия сил в точке примыкания (А) трех фаз для смачивающей (а) и несмачивающей (б) жидкостей
Приведем некоторые примеры эффективного использования этого технологического приема.
Пример 1. При составлении рецептуры бетонной смеси необходимо выполнить два обязательных условия: 1 – обеспечить заданное значение В/Ц, так как прочность бетона будет находиться в строгом соответствии с его величиной (закон водотвердого отношения); 2 – обеспечить заданную подвижность бетонной смеси как необходимое условие надлежащего уплотнения бетонной смеси в изделии или в конструкции.
В традиционной технологии для выполнения условия 2 в бетонную смесь вводится достаточно большое количество воды, а для выполнения условия 1 –соответственно, большое количество цемента. Если же в воду затворения ввести небольшое количество ПАВ, эффективно повышающей смачивание цемента водой, то для обеспечения заданной подвижности бетонной смеси воды требуется на 20-25% меньше. Следовательно, при заданном значении В/Ц расход цемента снизится на те же 20-25%, что весьма положительно скажется на экономике производства.
Пример 2. Для высотного домостроения при монолитном исполнении железобетонных конструкций предусматривается использование бетона высоких по прочности марок. Такой бетон можно получить лишь при низких значениях В/Ц. В традиционной технологии этому соответствует низкая подвижность бетонной смеси, что создает большие проблемы в части доставки бетонной смеси к месту формования конструкции и в части уплотнения бетона в процессе формования. Применение ПАВ позволяет при заданном В/Ц приготовлять бетонную смесь любой высокой подвижности, подавать ее к месту укладки бетононасосами, а формование осуществлять без применения специальных средств (чаще всего вибраторов). Таким образом, процесс изготовления конструкций удалось полностью механизировать.
Пример 3. В некоторых технологических процессах применяют поверхностно-активные вещества гидрофобизирующего действия, снижающие смачивание. Этим обеспечивают, как правило, меньшую намокаемость или даже полную ненамокаемость ряда строительных конструкций (железобетонных свай, стеновых панелей, стен резервуаров для хранения жидкостей, асфальтобетонного полотна дороги и т.п.), что значительно повышает срок их службы.
Чисто формально к неньютоновским относят жидкости, при течении которых вязкость меняется в зависимости от скорости их течения, то есть прямолинейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью, как это представлено на рис. 6.8, не выполняется. Более того, некоторые неньютоновские жидкости изменяют свою вязкость при постоянной величине напряжения сдвига еще и в зависимости от продолжительности его воздействия. Иными словами: поведение неньютоновских жидкостей в ходе течения намного сложнее, чем ньютоновских.
Если же вопрос рассматривать по существу, то причина такого сложного и разнообразного поведения неньютоновских жидкостей кроется в их особой структурности, в разнообразных вариантах ее проявления. Неньютоновские жидкости, используемые в строительных технологиях – это, как правило, дисперсные системы с твердообразной дисперсной фазой, концентрация которой может изменяться в весьма широких пределах.
Сложный состав неньютоновских жидкостей предопределяет их сложные свойства. В частности они могут проявлять свойства жидких, твердых, пластичных тел. Поскольку эти свойства теснейшим образом связаны со структурой, то они называются структурно-механическими.
Структурно-механические свойства сложных систем исследуют методами реологии – науки о деформациях и течении материальных систем под действием внешних нагрузок.
Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформации делят на упругие и остаточные. При упругой деформации структура тела полностью восстанавливается после снятия нагрузки (напряжения); остаточная деформация необратима, изменения в системе остаются и после снятия нагрузки. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.
В реологии структурно-механические свойства материалов представляют в виде реологических моделей, в основе которых лежат три основные идеальные законы, связывающие напряжения с деформациями. Им соответствуют три идеализированные модели идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругости, вязкости, пластичности): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона и идеально пластическое тело Сен-Венана-Кулона.
Применительно к строительно-технологическим задачам достаточно рассмотреть два класса этих жидкостей: стационарные и нестационарные.
К стационарным (рисунок 12) относятся те неньютоновские жидкости, для которых скорость сдвига в данной точке зависит только от величины напряжения сдвига в этой точке, т.е.
. (16)
Рисунок 12 – Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига:
1 – вязкой ньютоновской жидкости; 2 – бингамовской жидкости;
3 – псевдопластичной жидкости; 4 – дилатантной жидкости.
Различают три вида этихжидкостей: пластичные, псевдопластичные, дилатантные.
Пластичные или бингамовские жидкости (рисунок 12, 2) отличаются тем, что при приложении к ним напряжения сдвига до определенного предела они не текут, а лишь упруго деформируются наподобие твердых тел. Именно при достижении так называемого предельного напряжения сдвига δτ0 их внутренняя структура, сдерживавшая течение, разрушается, и они начинают течь подобно ньютоновским жидкостям с проявлением постоянной вязкости, которая называется пластической вязкостью μП.
Реологическая модель бингамовской (пластичной, вязкопластичной) жидкости представлена на рисунок 13.
Рисунок 13 - Реологическая модель бингамовской жидкости:
1 – элемент упругости; 2 – элемент вязкости;
3 – элемент пластичности
Если мысленно приложить к модели растягивающее, постепенно возрастающее усилие Р, то под его воздействием первым начнет растягиваться упругий элемент 1, вязкому течению элемента 2 будет препятствовать расположенный параллельно с ним в жесткой рамке элемент 3. И только после того, как напряжение в этом элементе хотя бы незначительно превысит предельное, начнется параллельное течение в элементах 3 и 2. При увеличении напряжения сдвига скорость течения пропорционально возрастет, что и отражено на графике течения (рисунок 12, 2).
В строительных технологиях бингамовские жидкости привлекают к себе наибольшее внимание, так как достаточно многие технологические жидкости и жидкообразные массы текут именно так, как представлено выше, или близко к этому. Это цементное тесто, глиняная паста, с некоторым приближением – цементный бетон.
Псевдопластичные жидкости (от греческого pseudos – ложь; в сложных словах – ложный, кажущийся) – это такие (рисунок 12, 3), которые не имеют предела текучести, то есть начинают уже течь при совсем незначительных напряжениях сдвига, а с увеличением напряжения сдвига их текучесть возрастает, соответственно вязкость убывает. Для таких жидкостей во многих научных дисциплинах вязкость называют кажущейся, в технологии бетонов – структурной.
К псевдопластичным жидкостям относятся некоторые разбавленные полимеры, обладающие палочкообразным строением. Для них снижение вязкости при возрастании скорости течения объясняют тем, что внутренняя структура полимера становится параллельноориентированной, в результате чего внутреннее трение снижается.
К псевдопластичным жидкостям можно отнести и сильно разбавленные цементные суспензии, при течении которых межчастичные связи разрываются не сразу, а постепенно, благодаря чему вязкость убывает по мере течения.
Дилатантные жидкости (дилатансия – загустение) так же, как и псевдопластичные жидкости, не имеют предела текучести, но в отличие от них характеризуется тем, что в некоторых пределах увеличения напряжения сдвига (и соответственно скорости истечения) их вязкость возрастает, то есть происходит загустение жидкости, а при дальнейшем увеличении напряжения сдвига вязкость стабилизируется (рисунок 12, 4).
Дилатансия характерна для очень концентрированных агрегативно устойчивых суспензий, у которых отсутствуют постоянные контакты между частицами. При течении происходит ориентирование и сближение частиц, уменьшается свободное пространство, необходимое для течения, и движение частиц сильно затрудняется.
В строительных технологиях дилатансия встречается крайне редко, и поэтому мы ограничимся вышеотмеченным.
Нестационарные неньютоновские жидкости
Текучесть этих жидкостей зависит не только от величины напряжения сдвига, но и от продолжительности его приложения. Жидкости этого класса бывают двух видов: 1 – тиксотропные и 2 – антитиксотропные.
Тиксотропные жидкости характеризуются тем, что в процессе течения их внутренняя структура постепенно разрушается, вязкость снижается. Следствием этого является то, что при постоянной скорости течения напряжение сдвига падает или же при постоянном напряжении сдвига текучесть жидкости возрастает. Таким образом, в широком понимании тиксотропия – это свойство среды, при котором отношение касательного напряжения к скорости сдвига временно понижается в результате предшествующей деформации.
Тиксотропия наиболее характерна для коллоидных (ультрадисперсных) систем и представляет собой обратимый переход «золь-гель-золь» при механических воздействиях. Примером тиксотропной системы может служить суспензия бентонитовой глины. При концентрациях дисперсной фазы ≈10% суспензия утрачивает текучесть, застывает и приобретает упругие свойства, деформируясь при небольших нагрузках вполне обратимо. Однако после непродолжительного встряхивания, например, в мерном цилиндре она полностью разжижается. Если оставить систему в покое, то через некоторое время, называемое тиксотропным периодом, она вновь становится твердообразной. Продолжительность тиксотропного периода для реальных систем может составлять как доли секунды, так и десятки часов. Это во многом зависит от содержания в системе частиц коллоидных размеров.
В строительстве свойство тиксотропии приписывают некоторым грунтам, которые легко разжижаются при вибрациях, связанных с прохождением транспорта, работой других машин, что может быть причиной аварий.
Типичные тиксотропные системы – оползни и плывуны.
Тиксотропные свойства определяют качество масляных красок. Они должны разжижаться при движении кисти и сразу же после этого отвердевать, не стекая под действием силы тяжести.
Бетонные и растворные (на цементе) смеси также обладают признаками тиксотропии, что эффективно используется, например, в процессах вибрационного формования изделий.
В качестве примера положительной роли тиксотропии можно привести глинистые растворы, применяемые при турбулентном способе бурения нефтяных скважин. Раствор подается в скважину по мере продвижения турбобура вниз, и через него происходит вынос на поверхность с последующим удалением кусков выбуренной породы. При планируемых или непредвиденных остановках турбобура раствор мгновенно отвердевает и предотвращает оседание в скважине кусков породы, что предохраняет турбобур от поломки. При возобновлении работы турбобура раствор снова разжижается.
Таким образом, свойство тиксотропии нельзя не учитывать в задачах управления технологическими процессами.
Реопектантные (антитиксотропные) жидкости с увеличением продолжительности воздействия постоянного напряжения сдвига снижают свою текучесть, после прекращения сдвигового воздействия течение приостанавливается, но вязкость жидкости при этом возрастает. Объясняют это свойство возникновением в жидкости при течении дополнительных связей. В реальных системах это свойство проявляется крайне редко.
Таким образом, в данном разделе
мы познакомились с
Основные уравнения