К вопросу влияния влажности на поведение грунта засыпки в ячейке

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», г. Москва, Россия

К вопросу влияния влажности на поведение грунта засыпки в ячейке

В.А. Зимнюков - канд.техн.наук,

М.И. Зборовская - канд.техн.наук,

С.И. Форменов

Давление жидкости на дно сосуда неограниченно возрастает пропорционально высоте ее уровня. Давление же сыпучего вещества на основании ячейки сначала растет, потом достигает максимума и далее остается неизменным. Силы, действующие между частицами песка, переносят избыточное давление на стенки резервуара. Именно поэтому количество песчинок, проходящих в единицу времени через отверстие, соединяющее две колбы песочных часов, остается примерно постоянным. Скорость же вытекания воды из отверстия в сосуде по мере снижения уровня непрерывно уменьшается [1].

Если песок высыпать на стол, он образует конусообразную кучу. Эксперименты показали, что давление, которое она оказывает на поверхность стола, максимально не в центре, под пиком, а ближе к краям. Теоретически объяснить это оказалось не просто, но группа исследователей из университета в Эдинбурге предложила гипотезу, согласно которой песчаная куча представляет собой «лабиринт из арок», простирающихся в разных направлениях, а передача давления между частицами направлена на его лучшее уплотнение [1].

При исследовании давления грунта в ячейке мы столкнулись с таким явлением, как изменение поведения грунта засыпки ячеек при изменении его влажности. Специфика поведения ячеистой конструкции с влажным грунтом засыпкой была отмечена также при исследованиях на модели устойчивости ячеистого штампа [2], которая перекликалась исследованиями С.Н. Левачева [3] и заключалась во втягивания грунтов основания в ячейку при её сдвиге.

Рис. 1 «Склеивание» песчинок силой поверхностного натяжения воды

Рис. 2 Зависимость силы сцепления частиц песка при действии поверхностного натяжения воды от радиуса частиц

Тончайшая пленка воды, обволакивающая влажные песчинки, «склеивает» их силой поверхностного натяжения (рис. 1). Со стороны искривленной поверхности жидкости действует сила, направленная внутрь, к центру кривизны. Она создает дополнительное давление, величина которого определяется формулой Лапласа:

Дp = 2у/r,

где у - коэф-фициент поверхностного натяжения жидкости, r - радиус кривизны ее поверхности.

Для простоты будем считать песчинку шариком диаметром 300 микрон или 3х10-4 м. Когда соприкасаются две песчинки, окружающие их водяные пленки сливаются, образуя нечто вроде цилиндрика с донцами радиусом r. Коэффициент поверхностного натяжения воды у = 0,0725 Н/м. Подставив эти данные в формулу Лапласа, получим величину избыточного давления, сжимающего песчинки: Дp+= 2х0,0725/1,5х10-4 = 966,7 Н/м2.

Оценим, с какой силой песчинки стремятся «расце-питься» под действием своего веса. Вес песчинки создает «противодавление», усилие, которое растягивает пленку воды и отрывает песчинки друг от друга. Этот вес

P = 4/3r3сg,

где с - плотность материала, g - ускорение силы тяжести. Он приложен к площади

S = r2.

Отсюда растягивающее давление

Дp- = Р/S = 4/3rсg.

Подставив плотность кварца 24 Н/м3, g = 9,81 м/с2, получим Дp- ? 5,0 Н/м2.

Сила, «склеивающая» песчинки, в 200 раз больше силы, их разрывающей.

При уменьшении радиуса r частиц это соотношение очень резко возрастает: вес частицы падает пропорционально r3, а сила сцепления растет линейно. Чем меньше размеры частиц, тем сильнее они слипаются одна с другой и прилипают к различным поверхностям. Зато у крупных песчинок есть некий «критический размер», после превышения которого силы поверхностного натяжения перестают держать их вес. Его несложно отыскать, приравняв силы давления и растяжения p+= p-, и подставив численные данные. Расчеты дают значение «критического» радиуса частицы примерно в 0,6 мм. Это вполне согласуется с опытом: из крупнозернистого песка замка не построишь....[1]

Согласно современным данным влияние влажности на песчаный грунт выражается в том, что в грунте появляются капиллярные силы и силы поверхностного натяжения, формирующие новые структуры из частиц грунта и изменяющие поведение грунта [4…6].

На рисунке 2 показано искривление жидкости в зазоре между двумя частицами шарообразной формы, а также между шарообразной частицей и плоскостью, приводящее к их стягиванию в результате растяжения жидкости и появления в ней отрицательного капиллярного давления (основная составляющая силы капиллярного сцепления) [4].

Появление менисков в зонах контакта между частицами порождает в дисперсной системе, в дополнение к силам межчастичного взаимодействия, еще одну систему сил, обусловленных поверхностным натяжением жидкости и капиллярным давлением.

Рис. 3 Силы капиллярного взаимодействия (а - между двумя шарообразными частицами; б - между шарообразной частицей и плоскостью

Рис. 4 Капиллярные структуры в дисперсных системах (а - трёхфазная гранула; b - трёхфазная глобула; c - ячеисто-глобулярная структура; d - двухфазная гранула.

Если речь идет не о двух частицах, а об отдельных агрегатах, образующихся из частиц (рис. 3 а, b), и трехфазной дисперсной системе (рис. 3 c), то в каждом контакте между частицами образуются мениски и появляются силы капиллярного сцепления, которые будем называть внутренними. Капиллярное сцепление в таких агрегатах и системах определяется суммарной величиной внутренних сил капиллярного сцепления, действующих в контактных зонах между частицами. Когда все внутренние поры агрегата заполнены жидкостью, агрегат является двухфазной системой, а мениски находятся только на внешней поверхности агрегата (рис. 3 d). Создаваемое этими менисками отрицательное давление приводит к всестороннему сжатию агрегата внешними капиллярными силами. При большом содержании жидкости мениски на поверхности агрегата исчезают, а частицы удерживаются вместе с поверхностным натяжением жидкости в капле, если нет условий для коагуляционных или иных типов взаимодействий. Подобное взаимодействие частиц песка и влаги влияет на структуру песка. Например, при влажности 4…10 % минимальна насыпная плотность (максимальны объем и пористость) песка.

Многие авторы отмечают, что при наличии влажности наблюдаются наибольшая рыхлость системы в насыпном состоянии, максимальная пористость при постоянной работе уплотнения и максимальная прочность после уплотнения до заданной пористости и эта влажность имеет определенную величину. Установленные факты связываются с максимальным значением капиллярных сил, и как в других работах эти объяснения носят в основном качественный характер [4…6].

Измерения разрывной прочности образцов из молотого песка (рис. 3), смеси молотого песка и песка естественной дисперсности, уплотненных до постоянной пористости, экспериментально подтвердили существование максимума капиллярного сцепления при определенной влажности, причем значительно отличающейся от нуля. При этом разрывная прочность дисперсной системы в трехфазном состоянии более чем вдвое превышает значения этой прочности в водонасыщенном состоянии. Аналогичные данные по определению разрывной прочности образцов в водонасыщенном и трехфазном состояниях были получены для песка и с другими значениями удельной поверхности. Установлено, что суммарная величина молекулярных сил составляет 0,8…1,5 % прочности на разрыв исследованных систем в трехфазном состоянии и прочность на разрыв этих систем в трехфазном состоянии практически целиком определяется величиной капиллярного сцепления. грунт песок влажность ячеистый

Рис. 5 Разрывная прочность прессованных образцов из молотого песка (R х10-3 Па) в зависимости от влажности при пористости 42% (1), 46% (2), 50% (3) и 54% (4)

Максимальное капиллярное сцепление для описываемой системы независимо от степени ее уплотнения достигается при одной и той же характерной для нее влажности WMC, причем величина влажности WMC увеличивается с ростом удельной поверхности твердых частиц системы [4].

Этот факт объясняется тем, что максимального значения силы капиллярного сцепления достигают в момент образования менисков между частицами, то есть когда влага в основном сосредоточена не в зонах контакта, а в адсорбированных пленках и заполняет микровпадины поверхности частиц.

Значение влажности WMC (в %) рассчитывают по полной удельной поверхности системы Syn (в м2/кг) и экспериментально установленной толщине пленки hMC (в А)

WMC = hMC Syn 10-5, %. (1)

Изучение структур, образующихся в дисперсных системах при их увлажнении, производилось с помощью микроскопа и микрофотографирования, начиная с системы нулевой влажности [4].

Критический размер частиц, участвующих в структурообразовании при нулевой влажности, будет определяться только молекулярными и электрическими силами и, согласно экспериментальным данным о прилипании частиц кварца в отсутствии влаги, находиться в пределах до 60 мкм. Следовательно, в дисперсных системах с размерами частиц более 60 мкм структурообразование при нулевой влажности будет очень слабым (рис.). При постепенном увеличении влажности системы от нуля до 3… 4 % (рис. 6), происходит появление капиллярных менисков и возникновение сил капиллярного сцепления между тонкодисперсными и грубодисперсными частицами, значительно превышающих по своей величине капиллярные силы между частицами одинакового размера, что приводит к наиболее важному процессу капиллярного структурообразования - преимущественному прилипанию тонкодисперсных частиц к грубодисперсным с образованием агрегатов - глобулов.

Рис. 6 Капиллярные структуры в смеси Вольского и молотого песка при влажности в %: а - 0; b - 3%; c - 6%; d - 9%

При дальнейшем увеличении влажности до 6…8 % (рис. 5с) завершится образование равновесных адсорбционных слоев на крупных частицах и появятся мениски и силы капиллярного сцепления во всех контактных зонах. Величина критического размера увеличится, а количество частиц, вовлеченных в структурообразование, и количество агрегатов из частиц достигнут максимума. Увеличение влажности системы приводит к заполнению влагой контактных зон между тонкодисперсными частицами, а также между ними и грубодисперсными частицами. При этом силы капиллярного сцепления между первыми значительно уменьшаются, в то время как силы капиллярного сцепления между ними и грубодисперсными частицами останутся достаточно большими. Это стимулирует процесс разрушения агрегатов из тонкодисперсных частиц и переход последних в глобулы. Заполнение жидкостью микропор между тонкодисперсными частицами, прилипшими к поверхности крупных и, соответственно, находящимися в зонах их контакта, создаст условия для образования капиллярных макроманжет между глобулами и появления сил капиллярного сцепления между ними. В этот момент количество тонкодисперсных частиц, сосредоточенных на поверхности грубодисперсных, достигнет максимума. Вследствие значительной площади макроманжет силы капиллярного сцепления между глобулами будут достаточно большими. Поэтому эквивалентный диаметр глобул окажется меньше критического размера и глобулы образуют пространственный каркас с ячейками (порами), значительно превосходящими размеры отдельных глобул, а структура системы примет ячеисто-глобулярный характер [4].

Последующее увлажнение системы (рис. 5d) приводит к увеличению количества жидкости в зонах контакта грубых дисперсных частиц и смыву тонкодисперсных частиц с поверхности крупных с разрушением глобул. Тонкодисперсные частицы при этом концентрируются в жидкостных манжетах между грубодисперсными частицами. Это явление объясняется тем, что сила капиллярного сцепления между шаром и плоскостью, в качестве которой можно представить поверхность грубодисперсной частицы, примерно в два раза больше силы капиллярного сцепления между двумя шарообразными частицами одинакового диаметра, причем это соотношение возрастает по мере заполнения жидкостью контактной зоны. При увеличении влажности до определенной величины происходит заполнение жидкостью пор между тонкодисперсными частицами, прилипшими к поверхности крупных частиц, что создает условия для образования капиллярных менисков между глобулами, подобно тому, как происходит образование «макроманжеты» между шероховатыми частицами (рис. 5c).

В этот момент количество тонкодисперсных частиц, сосредоточенных на поверхности грубодисперсных, достигает максимума, а структура системы приобретает ячеисто-глобулярный характер. При дальнейшем увеличении влажности силы капиллярного сцепления исчезают и глобулы разрушаются. Минимальная насыпная плотность бинарных систем в пересчете на сухое вещество достигается при влажности максимального глобулирования, что в свою очередь может служить признаком наибольшего развития этого важного процесса.

Разрыхление и уменьшение насыпной плотности дисперсных систем после увлажнения с последующим перемешиванием происходит в результате образования агрегатов из частиц, соединенных силами капиллярного сцепления. Увеличением эквивалентного диаметра агрегатов объясняется также снижение величины насыпной плотности с увеличением

Рис. 7 Зависимости насыпной плотности песка по сухому веществу от влажности при удельной поверхности м2/кг 1-103; 2-196; 3-298; 4-384

удельной поверхности песка при его одинаковой влажности (рис. 6). Значения влажности WMГ, при которых наблюдается минимум насыпной плотности, на 2…3 % больше значений влажности WMС, соответствующих максимуму капиллярного сцепления для этих систем (рис. 5). Это объясняется тем, что максимум капиллярного сцепления в уплотненной системе определяется наличием внутренних капиллярных сил в максимально возможном числе контактов в единице объема системы, прежде всего, между ее тонкодисперсными частицами, а также минимально возможного количества жидкости в объемном состоянии (при влажности WMС). Однако при этой влажности процесс глобулирования еще не приобрел наибольшего развития. Это состояние системы достигается при влажности, соответствующей полному заполнению жидкостью пор между тонкодисперсными частицами, осевшими на поверхности грубодисперсных. В этот момент возникают условия для образования ячеисто-глобулярной структуры (см. рис. 4с), и насыпная плотность бинарных дисперсных систем достигает минимальной величины.

Таким образом, капиллярные явления оказывают влияния на свойства и структуру дисперсных систем.

При образовании достаточно большой глобулы можно наблюдать стремление жидкости сократить размеры сводной поверхности, что свидетельствует о том, что поверхностный слой подобен растянутой упругой пленке. На любой участок поверхностного слоя окружающие участки слоя действуют с силой, стремящейся удержать этот участок в растянутом состоянии. Эти силы направлены вдоль поверхностного слоя и называются силами поверхностного натяжения.

Проследим связь поверхностного натяжения в жидкости, содержащейся во влажной засыпке ячейки, с вертикальным Z, боковым X и касательным ф напряжениями давления влажного грунта засыпки в ячейке [1, 7]. Поверхностное натяжение в жидкости попробуем проследить на границе грунта и каркаса, вследствие которого грунт засыпки практически не взаимодействует с каркасом (рис. 7б). Назовем напряжением поверхностного натяжения во влажном песчаном грунте засыпки ячейки некоторое напряжение п.н., вызванное взаимодействием молекул воды, содержащихся в грунте засыпки, с его частицами на боковой контактной поверхности засыпки с каркасом ячейки, являющейся внешней - наружной для грунта засыпки ячейки (рис. 7б).

Если F - площадь поперечного сечения каркаса ячейки (в свету) или поперечного сечения грунта засыпки ячейки, u - периметр поперечного сечения ячейки (в свету), Z - вертикальное давление в ячейке на глубине Z от действия силы тяжести, то сила поверхностного натяжения, удерживающая засыпку в равновесии, должна составлять [7]

(2)

Таким образом, чем меньше

R = F/u,

или, чем больше u по отношению к F - тем меньшая величина поверхностного натяжения в грунте необходима для удержания его в состоянии равновесия (когда зависание грунта на стенках ячейки отсутствует) и практически весь веса грунта передается на днище ячейки.

Подставив в формулу (2) значение Z по формуле H.A. Janssen, получим

Рис. 8 Взаимодействие каркаса и засыпки грунта ячейки; а - при естественной влажности грунта; б - при влажности грунта выше естественной (влажность 5% по весу грунта)

Качественно влияние поверхностного натяжения влаги, содержащейся в грунте, представлено на рис. 8, где грунт засыпки ячейки имеет влажность порядка 5% по весу. Из этого следует, что при определении напряженного состояния засыпки в ячейке необходимо учитывать влияние влажности, которая играет довольно существенную роль в формировании напряженно-деформированного состояния засыпки в ячейке и, следовательно, необходимо дальнейшее углублённое исследование этого вопроса.

Библиографический список

1. Шишлова А. Песок и вода. //Наука и жизнь. 1999. № 6.

2. Зборовская М.И. Анализ работы ячеистых конструкций на статические и температурные воздействия. Автореф. дис…. канд.техн.наук. - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 1995.

3. Левачев С.Н. Оболочки в гидротехническом строительстве - М.: Стройиздат, 1978, 168 с.

4. Вялов В.В. капиллярное структурообразование сырьевых композиций на основе минеральных вяжущих веществ. Международное аналитическое обозрение «Цемент. Бетон. Сухие смеси» №6 (17), 2010. С.63-75.

5. Урьев Н. Б. Структурированные дисперсные системы //Соросовский образовательный журнал. 1998. № 6. С. 42-47.

6. Шмитько Е. И., Черкасов С. В. Управление плотностью прессованных материалов путем рационального использования потенциала поверхностных и капиллярных сил //Строительные материалы. 1993. № 8. С. 26-29.

7. Зимнюков В.А., Зборовская М.И., Герасимов М.Ю. К вопросу давления засыпки в ячейке. /Сб. материалов международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционального развития экосистем». - М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2006. С.406-412.

Размещено на Allbest.ru