Предельного напряжения сдвига

Торф является сильно сжимаемой системой. В твердообразном и вязко-пластичном состоянии торф способен деформироваться. Поэтому все стадии технологических процессов при комплексном использовании торфа сопровождаются деформационными явлениями. Деформации торфяных залежей наблюдаются при осушении месторождений, при передвижении по их поверхности машин и механизмов, а также при использовании торфяников в качестве оснований различных сооружений. Существенно деформируется торф в процессе формования, уплотнения, прессования, обезвоживания и во многих других случаях. 

Развитие деформаций, специфика напряженно-деформированного состояния зависят не только от характера приложения нагрузки, но во многом определяется особенностями структуры торфа. Большую информацию о механизме развивающихся деформаций под влиянием напряжений сдвига и сжатия можно получить, используя реологические и физико-химические методы. Без знания структуры, реологических и физико-механических свойств исходного торфа и получаемой из него готовой продукции невозможно правильно регулировать и управлять технологическими процессами.

Торф пониженной влажности можно рассматривать с реологических позиций как вязко-пластичное тело и использовать в качестве одной из его характеристик величину предельного напряжения сдвига τ, т.е. напряжение, выше которого тело начинает течь или деформироваться необратимо. Это напряжение является весьма чувствительным к изменениям состава и структуры дисперсных материалов, в том числе и к изменениям дисперсности торфа. Так, например, при уменьшении влажности торфа на 4-5% предельное напряжение сдвига увеличивается в 2-3 раза, в то время как величина пластической вязкости при таком понижении влажности повышается всего лишь на 15-20%.

В зависимости от содержания сухого вещества в торфе реологические методы изучения его можно разделить на две группы. К первой относятся методы, которые используются для определения реологических характеристик жидкообразных торфяных систем. Вторая группа методов применяется в случае твердообразных торфяных систем.

  Целью данной работы является определение степени диспергирования (переработки торфа) П по изменению значений предельного напряжения сдвига. Расчет П можно проводить по формуле

,%,                                          (1)

где τ_и – предельное напряжение сдвига исходного торфа; τ_п – предельное напряжение сдвига переработанного торфа.

Для определения предельного напряжения сдвига вязко-пластичных дисперсных систем разработан ряд методов. Одним из наиболее простых и точных методов является метод погружения конуса, предложенный акад. П.А. Ребиндером. На основе этого метода М.П. Валаровичем и С.Н. Марковым сконструирован прибор для определения предельного напряжения сдвига торфа, получивший название конического пластометра КП-3 (рис. 1). С помощью этого прибора широко исследованы процессы структурообразования в торфе по мере его высушивания, химической обработки, механического диспергирования, физико-химического воздействия и др.

Основной частью прибора является металлический конус 4. Во избежание скольжения торфа по металлу поверхность конуса сделана ребристой. На нее нанесен ряд концентрических канавок глубиной 0,4 мм с углом при вершине 60˚. Конус соединяется со штангой 5, которая может перемещаться в вертикальном направлении по роликам, установленным для уменьшения трения на шарикоподшипниках. Отсчет глубины погружения конуса осуществляется по шкале часового индикатора 8 с точностью 0,01 мм. Шкала индикатора позволяет измерять погружение конуса на глубину до 10 мм. Для отсчета большей глубины погружения (до 40 мм) служит механизм упора 7. Он состоит из 4 пластин, жестко связанных и расположенных на расстоянии 10±0,01 мм друг от друга. Установка индикатора на нулевое положение производится вращением в правую или левую сторону верхнего диска 6 индикатора 8. В центре круглой плиты, жестко связанной с П–образной станиной 10, укреплен подъемный столик 2, крышка которого может перемещаться вдоль вертикальной оси прибора. Грубая установка столика осуществляется при помощи стопорного винта 11; более точная регулировка достигается вращением микрометрической гайки 12. На крышке подъемного столика 2 располагается сосуд 3 с торфом. Пусковая кнопка 9 служит для удержания штанги и конуса в начальном (поднятом) положении и освобождении их в момент начала опыта.

 

9

7

10

12

11

3

4

5

2

1

8

6

 

Рис. 1. Схема конического пластометра КП–3:

1 – установочные винты; 2 – подъемный столик; 3 – сосуд с образцом;

4 – конус; 5 – штанга; 6 – диск; 7 – механизм упора; 8 – часовой индикатор;

9 – ­пусковая кнопка; 10 – П-образная станина; 11 – стопорный винт;

 12 – микрометрическая гайка

 

При определении предельного напряжения сдвига τ вязко-пластичных материалов методом погружения конуса применяется формула, предложенная П.А. Ребиндером:

,                                                   (2)

где m – масса конуса, штанги и дополнительных грузов, г; h – средняя глубина погружения конуса (по трем измерениям) при данной массе m, см.

Константу прибора К, зависящую от угла раствора конуса, определяют по формуле

,                                        (3)

где α – половина угла при вершине конуса.

Установлено, что при внедрении конуса в торф имеют место пластические деформации не только поверхностного слоя как считалось ранее, а в значительной части объема среды, что подтверждено методами рентгеновского просвечивания. Поэтому, с учетом вышесказанного, значение К для различных углов раствора конуса равны: К = 0,959 для α = 30˚; К = 0,416 для α = 45˚ и К = 0,214 для  α = 60˚.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Для исследований используют торф одной и той же влажности с разной степенью диспергирования (переработанный 1, 5 и 10 раз в шнековом механизме).

2. Исследуемый торф плотно укладывают в цилиндрический сосуд 3 (рис. 1). Излишек торфа после набивки сосуда счищается и поверхность его выравнивается.

3. Устанавливают прибор по уровню с помощью винтов 1. Определяют угол при вершине конуса.

4. Сосуд с торфом ставят на крышку подъемного столика и поднимают в такое положение, чтобы между поверхностью образца и вершиной конуса остался лишь небольшой зазор. В этом положении закрепляют крышку подъемного столика стопорным винтом 11. Вращением микрометрической гайки 12 поверхность торфа приводят в соприкосновение с острием конуса. Шток индикатора подводят под первую упорную пластину. Стрелку устанавливают в нулевое положение по шкале. Прибор готов к работе.

5. Освобождают штангу с конусом нажатием пусковой кнопки 9. Под действием собственной массы, массы штанги и дополнительного груза конус погружается в исследуемый образец торфа. В момент пуска отмечается начало опыта по секундомеру. По мере погружения конуса площадь его соприкосновения с торфом возрастает, а скорость погружения постепенно снижается. После остановки конуса отсчитывают полную глубину его погружения в торф по показаниям стрелки часового индикатора. Опытным путем установлено, что погружение конуса заканчивается в течение 3 минут. Результаты опытов заносят в табл. 1. Для каждого торфа повторность измерения глубины погружения конуса трехкратная.

Торф …………….., степень разложения R=……..%,

влажность ω =..........%, масса конуса и штанги 700 г.

 

Таблица 1. Результаты измерений

 

Однократно  переработанный торф				Пятикратно  переработанный торф				Десятикратно переработанный торф
Масса груза				Масса груза				Масса груза
h1, см	h2, см	h3, см	hср, см	h1, см	h2, см	h3, см	hср, см	h1, см	h2, см	h3, см	hср, см

 

  τ₁ =       г/см²                     τ₅ =    г/см²                  τ₁₀ =     г/см²          

 

6. По формуле (2) рассчитывают предельное напряжение сдвига τ.

7. По формуле (1) рассчитывают степень диспергирования пяти и десятикратно переработанных образцов торфа, принимая за исходный однократно переработанный торф.

8. Оформляют и защищают работу.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое предельное напряжение сдвига?

2. Как зависит предельное напряжение сдвига от степени диспергирования торфа?

3. Принцип измерения предельного напряжения сдвига с помощью конического пластометра.

4. Как влияют степень разложения и влажность торфа на предельное напряжение сдвига?

5. Что такое степень диспергирования? Как ее определяют?

 

 

Лабораторная работа № 19