Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

При установившемся движении структурной гидросмеси вели­ чина Е — dE/dt = const. Если принять граничные условия т = т 0 прп t — О, получим решение уравнения (11.20) в виде:

х = SITE -\-xe~tlT,

где т 0 — предельное напряя^ение сдвига (е — основание натураль­ ных логарифмов).

Если умножить приведенное уравнение на величину у (рас­ стояние между двумя слоями, движущимися параллельно друг другу), то

различные значения. Она уменьшается с увеличением градиента скорости и зависнт от вещественного состава горных пород.

По аналогии с касательным напряжением трения (см. 1.16) для однородных жидкостей кажущаяся (иначе называемая эффективной)

Таким образом, с ростом градиента скорости эффективная вяз­ кость стремится к р для однородной жидкости. Величины р в фор­ мулах (1.16) и (11.22) объединяют два качественно отличных вида сопротивления среды и являются условными параметрами. По эффективной вязкости (или псевдовязкости) в случае движения гидросмесей возможна оценка влияния твердых частиц на свойства смеси.

Приведем опытные данные для отдельных видов смеси. Замечено, что псевдовязкость гидросмесей с диспергированными частицами кварца и глины при малых концентрациях (соответственно 10 и 3%) не зависит от скорости движения жидкости и является величиной постоянной. При увеличении содержания диспергированных частиц по объему, порядка 25% и более, наблюдается резкое разделение гидросмесей: малой вязкости (кварц, магнетит) и большой вязкости (уголь, глина, мел и др.). Из этого следует, что с у в е л и ч е -

40

с в о й с т в а п о р о д , а в е р х н я я г р а н и ц а с т р у к ­ т у р н ы х г и д р о с м е с е й п о к р у п п о с т и ч а с т и ц с д в и г а е т с я в с т о р о н у т о н к о д и с п е р с н ы х . Наблюдения показывают, что многие структурные и тонкодисперс­ ные гидросмеси нри турбулентном режиме движения и концентрациях в потоке до 25—30% в первом приближении ведут себя как одно­ родные жидкости повышенной плотности. Вместе с тем известны гидросмеси (сапропели, торфяные смеси, осадки и др.), в которых вязкостные свойства резко проявляются уже при малых концен­ трациях.

Г и д р о с м е с и и з д и с п е р г и р о в а н н ы х п о р о д и л и м а т е р и а л о в (глины, мела, угля, цемента и др.) харак­ теризуются полидисперспым гранулометрическим составом при содержании частиц: <0,1 мм — 80—100% и <0,05 —0,063 мм —

50—70% (мел — при содержании частиц >0,063 мм — до 15%;

уголь — >0,063 мм — до 35%; цемент — >0,063 мм до 20%).

Помимо указанных ранее общих свойств, для подобного вида смесей следует учитывать свойства электропроводности и тепло­ емкости (при внедрении автоматизации и др.). Например, электро­

что зависит от количества растворенных в воде солей и наличия других примесей.

Сапропели, осадки и различные илы характеризуются полидисперсным гранулометрическим составом при содержании частиц < 1 м к 65 —80%; основной класс представлен крупностью <0,063 мм, причем мельчайшие твердые частицы в основном имеют волокнистую форму, что также способствует появлению вязкопластичных свойств гидросмеси уже при небольших концентрациях.

Физико-механические свойства этого вида гидросмесей зависят также от влажности и зольности (по отношению к минеральной части или илу). Влажность обычно находится в пределах 70—97%. В минеральном отношении сапропели разделяют на песчаные, глинистые, известковые и др. Осадки (особенно сточных вод) имеют

Бетонные гидросмеси характеризуются водоцементным отноше­ нием, которое изменяется в зависимости от марки цемента. Например, при В : Ц = 0,35—0,45 расход цемента марки «400» и «500» около 300 кг/м3. Наиболее употребительные марки цемента содержат классы: 0—40 мк — 73%; 40—90 мк — 25 и 90—200 мк — 2%.

Снижение В : Ц приводит к значительному повышению плотности цементного камня. Так, при снижении В : Ц от 0,55 до 0,25 плотность бетона трехдневного возраста повышается в 1,43 раза. В «зрелом» возрасте усадка жесткого бетона на 25% меньше, чем у пластич­ ного.

41

Структурные гидросмеси в соответствии с уравнением (11.22)

(рис. 7). В отличие от прямой 2, которая характеризует ньютонов­ скую жидкость, гидросмеси (кривая 2) находятся в покое до тех пор,

начинается течение гидросмеси и проявляется вязкость вследствие градиента du/dy, причем вязкость уменьшается до достижения

что реологические константы численно определяются прежде всего влажностью смеси. В табл. 3 приведены обобщенные данные из­

Данные табл. 3 отражают осредненные значения параметров, которые для углей разных марок и дисперсного состава могут отли­ чаться по величине в меньшую или большую сторону. По опытным данным отмечается резкое повышение величины х при изменении

42

удельной поверхности частиц с 6—10 тыс. до 25 тыс. см3/см 3 в пре­ делах т — 3,5—6 до 30 Н /м2 при s ^ 0,3. Из этого следует также,

на вязкость гидросмесей можно судить по следующим данным. Оказывается, что у щелочных смесей (pH = 9) критические концен­ трации для данного дисперсного состава частиц значительно меньше, а значения реологических параметров повышаются при s ^ sKp более резко, чем у кислотных смесей (для измерений применяют иономер ИМ-2М). Существенное влияние на изменение вязкости смеси оказывает повышение температуры среды свыше 40° С.

Изучение реологических свойств производится на капиллярном или ротационном вискозиметрах. Обычно пробы различного гра­ нулометрического состава содержат частиц <50 мк от 41 до 85%. Измерения реологических параметров производятся при различных концентрациях — от 25 до 50% по объему.

Д л я м е л о в ы х и г л и н и с т о - м е л о в ы х г и д р о ­ с м е с е й реологические параметры устанавливались по измерениям на вискозиметрах и в трубах большого диаметра. Так, для меловых гидросмесей (при содержании класса 10—30 мк до 70%) установлено, что аналогично другим видам смесей динамическое напряжение сдвига и структурная вязкость возрастают с повышением s по прямо­ линейной зависимости (монотонно) и при достижении sKp «= 27% обнаруживается резкое возрастание этих параметров. Оказалось, что при w = 40% эти смеси перекачивать по трубам практически невозможно вследствие потери текучести.

Меловые диспергированные гидросмеси обладают свойством текстропии (загустевания). Чем дольше смесь находится в непод­ вижном состоянии, тем интеисивиее протекает в ней процесс структурообразования. Это явление при высоких концентрациях может затруднять запуск насосов. Добавление глинистых присадок устра­

Вследствие отмеченных выше специфических свойств минеральной части твердой фазы, например, верхние слои илов и осадков весьма подвижны и имеют у — 10,5—12 кН/м3, нижерасположенные у = = 14—16 кН/м3. Сапропели по сравнению с обычными илами имеют еще меньший удельныйвес — у ~ 10,5 кН/м3. В илах содержание твердых частиц меняется: при у ~ 10,5 кН/м3 — около 4% твердых частиц и 96% воды; при у = 12 кН/м3 — около 12% твердых частиц

43

(т. е. имеют наименьшее значение) реологические параметры свеже­ приготовленных смесей. С увеличением времени между пригото­ влением и загрузкой смеси в бункер насоса значения т и р , значи­ тельно возрастают. Практика показывает, что промежутки времени между приготовлением и перекачиванием смеси обычно составляют не более 1 ч. В течение этого времени величина т не меняется, а для характерпстнкп вязкости можно принять среднее значение (30—45 мин). В общем случае при В : Ц < 0 ,3 5 —0,4 гидросмеси можно рассматривать как жидкость с аномальными свойствами; в то же время при В : Ц = 0,35—0,4 смесь обнаруживает резкое увеличение прочности структуры, т. е. свойства смеси приближаются к свой­ ствам твердого тела. Пластифицирующие добавки, вводимые в бетон­ ную смесь при ее затворенпи, увеличивают пластичность цементного теста. Например, для цементной смеси, приготовленной на обычном

ССБ—сульфидно-спиртовая барда.