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
наличие двух кривых: одна кривая должна быть получена при
постепенном возрастании скорости сдвига, другая – при уменьшении
скорости после разрушения структуры (рис.2.3).
а)
б)
Рисунок 2.3 ‒ Кривые течения прямого и обратного течения тиксотропных
материалов: а) – полностью разрушенная структура; б) – частично
разрушенная структура
21
Согласно [5, 6] при →0 ≈ η0 , а при → ∞ ≈ η
∞.
В
промежуточной области скоростей сдвига, которая представляет наибольший
практический интерес, для зависимости τ () выполняется степенной закон.
Эта область описывается степенным законом, или уравнением Оствальда-Де
Виле:
k n , (2.5)
где k и n – эмпирические параметры, причем значение экспоненты
n находится в пределах от 0 до 1.
В этом случае эффективная вязкость является убывающей функцией
скорости сдвига и описывается следующим образом:
n-
= / = k
1
(2.6)
Степенной закон получают экспериментально в условиях простого
опыта.
Уравнение Оствальда-Де Виле после логарифмирования становится
линейным:
lg = lg1 + m lg, (2.7)
где η1- вязкость при =1, с-1;
m = n - 1 – коэффициент, характеризующий темп разрушения структуры
дисперсной системы при увеличении . Значение m находится в пределах
(-1) > m < 0.
2.1. Исследование вязкости битумов
Конечная цель исследования по данной проблеме: установить
реологические характеристики битума марки БНД 40/60 и получить данные
для проектирования и/или выбора смесителей и насосов при применении
дорожных битумов.
22
Конкретные задачи данной работы:
Скорость сдвига,
, с-1
Вязкость
динамическая, η, Па·с
Δ η, Па·с
«Обратный
ход»*) η, Па·с
0,556
2,0
6,0
20,0
1620
4860
267,6
86,1
44,4
31,7
4.1
1,1
7,3
3,5
1,8
0,8
0,2
0,1
254,2
78,0
37,3
28,1
3,7
1,1
– построить реологические кривые течения и вязкости;
– найти зависимости η (), η (τ);
– найти коэффициент аномалии вязкости (n);
– определить пластическую прочность (τ пл.);
–рассчитать равновесную степень разгружения структуры (α) по
П. А. Ребиндеру.
Предмет исследования: реология дорожного битума при 80˚С.
Объект исследования: битум БНД 40/60 по ГОСТ 22245-90.
Аппаратура:
‒ Ротационный вискозиметр РПЭ-1М.
‒ Ультратермостат U-10.
Методика эксперимента: [7, лаб. работа №5.1,6].
Результаты эксперимента БНД 40/60 при 80˚С. В таблице 2.2
приведены средние значения измеряемой величины вязкости η из 10
измерений и доверительный интервал Δ η с надежностью
(доверительной вероятностью) 0,95.
Таблица 2.2 ‒ Исходные данные для изучения реологии битума БНД 40/60
при 80˚С
*)
30 мин покоя после окончания «прямых» измерений при =4860 с
- измерение вязкости от
=4860 с
-1
с последовательным снижением (через
-1
).
23
Обработка данных [5, с.68, 148, 156, 176-178]
Скорость
сдвига, с-1
lg
Вязкость
динамическая
η, Па·с
lg η
Напряжение
сдвига τ*),
Па
lg τ
0,556
267,6
2,0 86,1
6,0 44,4
20,0
31,7
1620 4.1
4860 1,1
1 Графические методы
1.1 Для получения соответствующих реологических кривых представьте
данные в виде необходимых для их построения значений (таблица 2.3).
Рассчитайте недостающие значения и заполните таблицу.
Таблица 2.3 – Результаты обработки исходных данных таблицы 2.2
*)
Значение τ найдите из уравнения Ньютона (2.2)
1.2 Постройте зависимость τ () для скоростей сдвига. =0,556…6.0 с-1.
Экстраполируйте к = 0 и определите пластическую прочность τ
пл
(пересечение графика с осью τ).
1.3 По аналогии с 1.1 постройте зависимость lgη (τ) и при τ = τ
найдите η0 (вязкость неразрушенной структуры). Значение τ
пл
пл
соответствует началу разрушения структуры битума при критическом
напряжении ( рис. 2.1).
1.4 Постройте зависимости lgη (lg) и lgτ (lg).
2.Аналитические методы
2.1 Опишите линейный участок зависимости lgη (lg) уравнением
Оствальда-Де Виле:
24
lgη = lgη1 + m lg, (2.8)
n
dg
n
dg
0
0
η1- вязкость при =1 с-1;
m - коэффициент, характеризующий темп разрушения структуры
дисперсной системы.
2.2 Коэффициент m связан с индексом течения n (коэффициентом
аномалии вязкости) в уравнении неньютоновского течения жидкости
(
Он может быть также определен по п.1.3 из графика lgτ (lg).
2.3 Рассчитайте равновесную степень структуры по П.А Ребиндеру при
различных :
) простым соотношением:
m = n – 1 (2.9)
(2.10)
хода измерений и сделайте вывод о наличии или отсутствии
тиксотропии.
η
найдено в п.1.2;
0
найдите из п. 1.3
Сведите данные в таблицу 2.4.
Постройте реологические кривые течения для прямого и обратного
25
, с-1
Прямой ход измерений
Обратный ход измерений
η, Па·с
α,%
η, Па·с
α,%
0,556
2,0
6,0
20,0
1620
4860
267,6
86,1
44,4
31,7
4.1
1,1
254,2
78,0
37,3
28,1
3,7
1,1
Таблица 2.4 ‒ Данные измерения вязкости при нарастании (прямой ход)
и уменьшении (обратный ход) скорости сдвига
Обсуждение результатов
1. Реологические характеристики битума БНД 40/60 при 80˚С.
2.Представления о структурной организации и тиксотропии
исследованного битума (по данным таблицы.2.4).
«Отчет» по выполненной работе.
1 Постановка вопроса (задачи работы).
2 Обзор литературы.
3 Аппаратура, ее метрологические характеристики.
4 Методика эксперимента.
5 Объект исследования.
6 Результаты эксперимента.
7 Обсуждение результатов.
26
1
RT
Е
ехрА
а
1
RT
Е
ехрA
а
A
КмольДж
Указания к выполнению работы
1. Графики по пп.1.1 и 1.2 можно совмещать на одном рисунке,
чтобы упростить построения.
2. Для определения lgη1 в линеаризированном уравнении
Оствальда-Де Виле (п.2.1) линейный участок зависимости lgη (lg) следует
экстраполировать на ось lgη (соответствует lg=0 и = 1).
3. При графическом определении коэффициента m (угловой
коэффициент в этом же уравнении, равный тангесу угла наклона линейного
участка) угол отсчитывается от положительного направления оси Х (lg).
1.2. Температурная зависимость вязкости и расчет
технологических температур
Основные расчетные формулы и справочные материалы:
1 Температурная зависимость текучести
жидкостей:
где А и
– предэкспоненциальные множители;
, (2.11)
, (2.12)
и вязкости (η)
Еa – энергия активации вязкого течения, Дж/моль;
R = 8,31,
Т – температура (К), при которой измерена вязкость
– универсальная газовая постоянная;
(Па·с).
27
12
2
1
21
a
TT
lnTTR
E
1
2
К
TRE
TE
T
и
Т
и
a
иa
T
ln
Т
и
16,2
25
9
1058,1П
Марка
битума
БНД
40/60
БНД
60/90
БНД
90/130
БНД
130/200
БНД
200/300
Еа,
97
89
84
78
73
2. Энергия активации вязкого течения:
(2.13)
где
и
– вязкость (Па·с) при температурах Т1 и Т2 (К).
Т = 273,16 + t °C (2.14)
2. Расчет технологических температур (Тт) нагрева вяжущего
при перемешивании и уплотнении смесей:
где
и
– вязкость битумов (Па·с) или другого вяжущего при Тт и
, (2.15)
известной температуре Ти (К).
3. Ориентировочная зависимость между пенетрацией (П25, 0,1мм) и
вязкостью битума с ньютоновским типом течения при 25°С (η, Па∙с) –
формула Зааля [9, с. 47 ]:
(2.16)
Таблица 2.5 ‒ Значения энергий активации Еа вязкого течения нефтяных
дорожных битумов, выраженных в кДж/моль
28
Таблица 2.6 − Структурно-реологические типы битумов
І
«гель»
ІІ
«золь»
ІІІ
«золь-гель»
А > 25%
А < 18 %
А = 21-23 %
С < 24 %
С > 36%
С = 30-34 %
М (У) > 50 %
М (У) < 48 %
М (У) = 45-49 %
Вариант
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
1,10
П
25,
0,1мм
40
80
90
100
120
140
160
180
200
250
t°C
130
110
100
90
80
70
80
70
60
50
T
o
T
t
Вариант
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
t
и
,°С
60
60
60
60
60
60
60
И
, Па·с
1140
1140
900
980
730
600
30
Используемый
битум БНД
40/60
40/60
60/90
60/90
90/130
90/130
200/300
T
t
°С
80
100
80
100
70
70
40
Задачи для текущего контроля и домашних заданий
Задача 1
Рассчитайте вязкость битума (η) при заданных температурах.
Задача 2
Определите вязкость дорожных вяжущих (
) при заданной температуре
, если известно, что при температуре tи их вязкость составляет ηи.
29
Вариант
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
1c,
0,5
0,7
1,0
0,6
0,7
1,5
1,7
1,5
2,5
1,5
t °С
60
60
60
50
50
60
60
50
50
40
τ, Па
630
800
700
750
650
700
900
700
1200
1350
Используемый
битум БНД
40/60
40/60
60/90
60/90
90/130
90/130
90/130
130/200
130/200
130/200
сПаП
5
16.2
9
16,2
25
9
1047.5
40
1058,11058,1
Задача 3
Определите температуру нагрева битума в процессе перемешивания tт
при производстве асфальтобетонной смеси, если известно, что при скорости
сдвига
Задача 1
и температуре t °С напряжение сдвига равно τ.
Решение типовых задач
Вариант 1.1: Необходимо рассчитать вязкость битума (η) при t = 130°C.
П25=40(0,1мм).
Предварительно следует определить ориентировочное значение
динамической вязкости битума (ηи) при 25°С по значению его условной
вязкости (пенетрации) П25=40 (0,1мм).
Для битумов с ньютоновским типом течения можно
воспользоваться формулой Зааля (2.1 6)
Для вычисления значения в знаменателе применяем следующий прием:
− логарифмируем значение 40
2,16
lg 40
= 2,16 lg 40 = 2,16 ∙ 1,602 = 3,4603;
2,16
− находим антилогарифм числа 3,4603, который равен 2886.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]