Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология и методы научных исследований. Практикум для студентов направления 08.04.01 «Строительство», программа подготовки «Теория и практика проек
.pdf
Способ — набор конкретных действий по реализации метода. При
этом один и тот же метод может быть реализован несколькими
различными последовательностями действий (способами).
Понятия «метод» и «методика» не являются равнозначными.
Методика представляет собой описание последовательности
действий, по сути – алгоритм применения метода в каком-либо частном
случае. Методика отличается от метода конкретизацией приемов и
задач. Например, математическая обработка данных эксперимента может
рассматриваться как метод (математическая обработка), а конкретный
выбор критериев, математических характеристик — как методика.
Алгоритм — набор инструкций, описывающих порядок действий
для достижения результата решения задачи за конечное число действий.
Объект исследования – это явление или процесс, который
порождает проблемную ситуацию и подлежит изучению. Определение
объекта исследования отвечает на вопрос: что изучается?
Предмет исследования – это объект или отдельные свойства,
особенности объекта, которые подлежат рассмотрению в данном
исследовании.
Объект и предмет исследования как научные категории соотносятся
как общее и частное, первичным является объект исследования (более
широкое понятие), вторичным — предмет исследования, в котором
выделяется определенное свойство объекта исследования.
Цель исследования – это конечный результат, который должен
получиться после окончания исследования. Обычно целью научного
исследования выступает выявление каких-либо причинно-следственных
связей.
Цель научного исследования – определение конкретного объекта
и всестороннее, достоверное изучение его структуры, характеристик,
связей на основе разработанных в науке принципов и методов познания,
11
получение каких-либо теоретических выводов и практических рекомендаций,
разработка нового в теории, науке и практике. Цель всегда направлена на
удовлетворение практической потребности, ради которой осуществляется
решение крупной научной проблемы или актуальной задачи.
Задачи исследования – это те вопросы, на которые должны быть
получены ответы при достижении цели исследования. Задачи
исследования конкретизируют цель, определяют основное содержание
работы.
Конечная цель исследования является его общей задачей, а
частные задачи, которые служат средством решения основной (общей)
задачи, являются промежуточными целями, или целями второго
порядка.
Научно-исследовательская работа по значимости и объему
научных исследований делится на научные направления, проблемы и
темы.
Научное направление ‒ сфера научных исследований научного
коллектива, посвященных решению каких-либо крупных,
фундаментальных исследовательских задач в определенной отрасли
науки. Строительные науки относятся к техническому направлению
исследований.
В свою очередь научные направления включают в свою структуру
комплексные проблемы, проблемы, темы научных исследований,
научные вопросы.
Комплексная проблема - совокупность нескольких проблем,
объединенных единой целью
Проблема - совокупность сложных научных задач, составляющих
значительную область исследования, решение которых является
актуальным и имеет перспективное значение. Проблема состоит из тем.
12
Тема научного исследования - составная часть проблемы,
охватывающая определенную область научного исследования и
посвященная решению конкретной задачи: разработать новую
технологию строительства, материал с требуемыми свойствами и т.п.
Тема базируется на отдельных научных вопросах.
Научные вопросы - мелкие задачи, относящиеся к конкретной
теме научного исследования.
Практические работы настоящего практикума посвящены решению
научных вопросов.
Контрольные вопросы
1. Особенности прикладных исследований.
2. Какова цель научного исследования?
3.Чем отличается понятие «метод» от понятия «методика»?
4.Приведите примеры конкретно-научных методов при исследовании
битумов.
5. Определите объект и предмет исследования по выбранной теме Вашей
магистерской диссертации.
13
ТЕМА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НЕФТЯНЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2
Введение
Реология – наука о деформациях и течении различных реальных тел, а
именно о поведении материалов (систем, тел) с учетом взаимосвязи
временных режимов нагрузки и механических свойств. Реология органично
сочетает упругость и способность механических тел к течению.
Деформация характеризует относительное перемещение точек системы
в результате действия механических факторов, температуры и других
воздействий.
Реология исследует вязкие и вязкоупругие тела, механические
свойства которых, в отличие от упругих тел, зависят от времени
механического воздействия на них.
Реологические свойства битумов зависят от их состава, структуры,
температуры и приложенных напряжений. Например, битум при
высокой температуре ведет себя как истинно вязкое тело, а при низких
температурах проявляет заметную упругость. Исследования
реологических характеристик битумов необходимы для прогнозирования
поведения битумов при различных тепловых и механических
воздействиях и направлены на установление зависимостей
механического поведения битумов от скорости деформирования,
уровня напряженного состояния в широком температурном диапазоне –
от низких отрицательных до высоких технологических температур. Без
знания этих закономерностей нельзя рассчитать мощность
технологического оборудования при перекачке битума по трубам,
назначить температуры нагрева битумов при производстве различных
материалов на их основе и пр.
14
Знание реологических свойств битумов позволяет разобраться в
типе их структуры. Если напряжение сдвига прямо пропорционально
скорости течения и скорости сдвига, то наблюдается ньютоновское
течение. Если скорость сдвига нелинейно зависит от напряжения сдвига,
то наблюдается неньютоновское течение. Структура битума зависит от
термодинамического состояния и изменяется в зависимости от внешних
условий, что определяет особенности реологического поведения
материала, а также границы перехода из жидкого состояния в
пластичное, а затем в твердое. От структуры битума зависят
особенности проявления его физико-механических свойств в различных
эксплуатационных средах.
Вязкость это свойство жидкости оказывать сопротивление
перемещению ее слоев одного относительно другого на молекулярном
уровне, то есть необратимому изменению формы. Мерой вязкости
является коэффициент вязкости (или вязкость) η, то есть коэффициент
пропорциональности между напряжением сдвига τ и скоростью
деформации έ.
Битумы относятся к дисперсным системам с тиксотропной
структурой [2 - 4]. Тиксоотропия – проявление дисперсными системами
способности к разрушению структуры при наложении на их
стационарный поток вибрационных воздействий, что сопровождается
снижением сопротивления сдвигу, и восстановлению структуры,
сопровождающейся повышением сопротивления потока сдвига при
снятии этого воздействия. Битумы типа «золь» из-за малого содержания
асфальтенов и определяющей роли в формировании структуры и свойств
смолисто-масляной (мальтеновой) среды обладают низким уровнем
тиксотропии и неоднородности структуры, тогда как битумы типа «гель»
обладают в этом отношении признаками неоднородных, неустойчивых
систем.
15
Если к дисперсной системе приложены напряжения, не
превышающие предела прочности структуры, то происходит медленное
течение с постоянной вязкостью η0 (рис. 2.1).
При очень медленном течении структура или совсем не
разрушается, или (если и разрушается) успевает снова восстановиться за
счет броуновского движения. Вязкость η0 соответствует структуре, в
которой разрушенные под воздействием внешних сил связи полностью
восстанавливаются за счет броуновского движения. Такая структура
получила название практически неразрушенной структуры, а вязкость η0
– вязкость практически неразрушенной структуры.
Таким образом, получена полная реологическая кривая вязкости
(рис. 2.1) с тремя характерными участками : вязкости жидкости с
неразрушенной структурой, (АВ, η0), с предельно разрушенной
структурой (DЕ, ηm) и «эффективной», переменной вязкостью (ВСD, ηэ),
которая отражает степень разрушения структуры.
Рисунок 2.1 – Кривая вязкости вязкого нефтяного битума (Т = 60°С)
16
Вязкость ηm отвечает так называемой предельно разрушенной
структуре. Кривая на рисунке 2.1 называется полной реологической
кривой вязкости.
Отклонение характера течения битумов от ньютоновского течения
(описывается уравнением Ньютона), которое характеризуется
нарушением прямой пропорциональности между напряжением и
скоростью деформирования в области эффективной вязкости, называется
аномалией вязкости. Аномалию вязкости оценивают по показателю
степени (n) в уравнении течения для неньютоновской жидкости:
n
, (2.1)
где – напряжение сдвига, Па;
– скорость сдвига (градиент скорости сдвига), с–1;
– коэффициент внутреннего трения (вязкость), Па·с.
Если n = 1, жидкость является ньютоновской и описывается уравнением
Ньютона:
(2.2)
Таким образом, отклонение n от единицы характеризует степень
отклонения свойств жидкости от ньютоновских. Чем больше отклонение
от линейной зависимости, тем меньше значение n.
Из сравнения (2.1) и (2.2) следует, что в логарифмических координатах
ньютоновское течение характеризуется прямой с тангенсом угла наклона
tg 45° = 1 (2.2), а для аномальной жидкости он меньше, чем единица, и равен
n (2.1) :
ℓgτ = ℓgη + ℓg (2.3)
ℓgτ = ℓgη + n ℓg (2.4)
17
Для определения n нужно построить кривую течения в координатах ℓg
– ℓg τ и определить n как отношение разности логарифмов скорости сдвига
() к разнице логарифмов напряжения (τ). Значение n всегда меньше
единицы, поскольку рост скорости опережает рост напряжений, то есть при
этом вязкость падает.
Суть процесса течения аномальных жидкостей заключается в том, что в
отличие от слабоструктурированных жидкостей, в которых во всем
диапазоне скоростей сдвига структура практически не меняется и
сопротивление сдвигу пропорционально постоянной вязкости, их структура
не только перестраивается, но и разрушается. Вязкость же разрушенной
структуры меньше вязкости исходной структуры. При очень высоких
скоростях степень разрушения структуры может быть предельной и тогда
течение такой жидкости вновь подчиняется закону Ньютона.
Определяющую роль в появлении аномалии вязкости в битумах
(таблица 2.1) играет содержание асфальтенов [4]. Причем это
характерно для всех битумов, но в наибольшей мере это присуще
битумам типа «гель». При температуре 25 С у битума типа «гель» с
20 % асфальтенов и пенетрацией 82×0,1мм коэффициент аномалии
вязкости равен 0,35; у битума типа «золь-гель» той же пенетрации и
содержанием асфальтенов 15 % – 0,58; у битумов типа «золь» с 7,4 %
асфальтенов – 0,83, остаточного битума близкой пенетрации – 0,85.
Такая же тенденция сохраняется при переходе от битума с низкой
пенетрацией к битумам менее вязким с большей пенетрацией – степень
аномального поведения уменьшается. При этом содержание асфальтенов
в таком пенетрационном ряду уменьшается от 20,1 % до 12,9 %.
Уровень коэффициентов аномалии вязкости всех битумов с ростом
температуры становится более высоким, а их течение все более
приближающимся к ньютоновскому. Это физически оправдано, так как
при повышении температуры расстояние между структурным
18
элементами битумов (асфальтенами и их ассоциатами) увеличивается,
Показатель
Типы
Марки и пенетрация, 01 мм
гель
*)
золь
*)
золь-гель
*)
БНД
40/60
57
БНД
60/90
72
БНД
90/130
120
БНД
130/200
170
Индекс
пенетрации
2,7
- 1
0,4
- 0,2
- 0,7
- 0,5
-0,4
Показатель
аномалии
вязкости n
0,35
0,83 0,58
0,52
0,58
0,68
0,77
взаимодействие между ними уменьшается, степень разрушения
структуры снижается, вязкость падает.
Таблица 2.1 ‒ Влияние типа и марки битума на характер его течения
*)
Пенетрация всех битумов близка к 80×0,1 мм.
Кривая, изображающая зависимость скорости течения от напряжения
однородного сдвига τ называется реологической кривой течения. На
рисунке 2.2 представлены кривые течения различных тел.
Рисунок 2.2 – Реологические кривые течения для различных материалов:
1 – ньютоновская жидкость; 2 – аномальная (псевдопластическая) жидкость;
3 – дилатантная жидкость; 4 – бингамово тело.
19
Аномалия вязкости является следствием структуры системы. Для
структурированных систем вязкость изменяется при изменении скорости
сдвига. Поэтому одним из наиболее точных методов исследования
процессов структурообразования и тиксотропии является метод
ротационной вискозиметрии. Ротационный метод вискозиметрии
заключается в измерении крутящего момента при круговом сдвиговом
течении материала с постоянной скоростью в тонком слое. Исследуемая
жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый
для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта
остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного
вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно,
что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой
поверхности (посредством движения вязкой среды, при этом
предполагается отсутствие проскальзывания среды у поверхностей
тела).
Для коагуляционных структур характерна тиксотропия –
способность структур после механического их разрушения
самопроизвольно восстанавливаться во времени.
Материал является тиксотропным, если он претерпевает
изотермические превращения «гель - золь – гель» в результате
перемешивания (сдвига) и последующего отдыха. При этом нет
необходимости полностью разрушать структуру. Даже частичное
разрушение структуры при перемешивании (сдвиге) и последующее
восстановление системы после некоторого отдыха является признаком
тиксотропии.
Следовательно, для изучения природы тиксотропных изменений
необходимо иметь данные, характеризующие свойства вещества в двух
состояниях: до разрушения и после него. Тиксотропия не может быть
определена по одной кривой течения. Отсюда следует, что необходимо
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]