автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Ультразвуковой метод и устройство экспрессного контроля содержания пылевато-илистых и глинистых частиц в нерудных строительных материалах

ВЕДЕНИЕ. ц I. Состояние вопроса и задами исследований-'.

2. Математическое моделирование процесса контроля засорён-ости заполнителей бетона. Экспериментальная проверка основных еоретических положений.;

2.1. Теоретическое исследование затухания ультразвука полидиспёрсных суспензиях^.

2.2. Разработка математической модели процесса ультразвукового контроля полидисперсных сред.i

2.3. Теоретическое обоснование целесообразности примерная вертикальной схемы прозвучивания.

2.4. Экспериментальная проверка основных теоретических ю ложений.;. ^

Выводы.

3. Исследование и разработка методических положений конт-юля засорённости заполнителей бетона пылевидными, илистыми и 'линистыми фракциями.

З.Х. Исследование возможности ультразвукового седименгометрического метода контроля засорённости заполнителей бето-.;.

3.2. Анализ погрешности седиментометрического метода контроля 'фракционного состава примесей заполнителей бетона.

Выводы.

4. Исследование и разработка аппаратуры для ультразвукового контроля засорённости заполнителей бетона пылевидными, и лис тыни и г линис тыми фракциями.

4.1. разработка функциональной схемы устройства. Обоснование выбора конструкции кюветы. ' * * ■ ^

-34.2. Экспериментальное исследование устройства для контюля засорённости заполнителей бетона.*.

Выводы. Л-.;

ЩИЕ ВЫВОДЫ.

ШТЕРАТУРА.

1РИЛ01ЕНИЕ I.

1РЮКЖЕНИЕ2.". V.

Актуальность проблемы! Одним из наиболее важных технологических показателей качества заполнителей бетона является содержание в аих пылевато-илистых и глинистых частиц^ Несмотря на это, около 50$ выпускаемых заполнителей не отвечает требованиям стандартов по. содержание этих примесей.; -По данным ВНИИНЕРУДа применение для приготовления бетона заполнителей, содержащих до 10$ этих фракций^ сникает прочность его до 30$ и вызывает перерасход цемента до 45$ /30/.

Эти потери могут быть существенно уменьшены введением соответствующих коррекций при изготовлении бетону однако^ до настоящего времени отсутствуют методы и средства контроля засорённости заполнителей, обладающие необходимыми для решения этой задачи точностью и экспрессноетью. Широко применяемые стандартные методы анализа обладают высокой трудоёмкостью;

В связи с изложенным/' создание метода и устройства для оперативного количественного контроля содержания примесей в заполнителях бетона представляет собой актуальную задачу.

Целью работы является разработка метода и устройства эвепресц оного контроля содержания пылевато-илис тых и глинистых частиц в нерудных . с да и те ль ных материалах:*

Научная новизна.

Теоретически и экспериментально установлена связь между содержанием примесей в заполнителях бетона и ослаблением ультразвуковой волны в суспензиях, полученных их промывкой.

Еа основании результатов математического моделирования исследовано. влияние основных факторов (распределения размеров частицу их концентрации, плотности, частоты сигнала и других факторов) на ослабление ультразвуковой волны в суспензиях с полифракционным составом твёрдой фазы. Экспериментально доказана применимость разработанной подели к анализу затухания ультразвука в суспензиях; полученных промывкой заполнителей бетона.

По результатам математического моделирования, теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальные параметры схемы контроля и минимальный представительный объём;- оценены погрешности определения концентрации твёрдой фазы по величине ослабления ультразвука в суспензиях;

Теоретически и экспериментально показана независимость ослабления ультразвукового сигнала от распределения твёрдой фазы в зоне контроля.

Практическая денноеяь работы определяется возможноезью осуществления оперативной коррекции состава приготовляемого бетона да результатам измерения засорённости заполнителей^ а также снижением трудозатрат на контроль.

Результаты диссертационной работы использованы при создании опнтной системы управления технологией приготовления бетонной снеси на бетонном заводе СаратовГЭСстроя на строительстве Балаковской АЭС с годовым экономическим эффектом за счёт экономии цемента 16 тыс; рублей:^

Разработанное устройство по результатам опытно-промышленной эксплуатации внедрено на Икшинском комбинате строительных деталей и материалов с годовым экономическим эффектом за счёт экономии трудозатрат на контроль около 3 тыс ¡рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на XI и XXI научно-методических и научно-исследовательских конференциях Нос ковс кого ордена Трудового В^асного Знамени автомобиль но-дорожного института в 1982.и 1983 гг.; на семинарах Всесоюзного института ОРГЭЕЕЕГОСТРОЙ; на научно-техническом совете ЦНШТНАШ. По результатам работы опубликовано 8 статей и получено

I положительных решения Государственного комитета Совета Министров ЗССР по делай изобретений и открытий на заявки & 3467565/29-03 от 37.07.82 и I 349649V22-03 от 04.l0.62ir

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ;

Ежегодно в навей стране выпускается более 200 юн i? бетона, $0% объёма которого составляют заполнители; поэтому физические, механические, электрофизические и другие свойства его в значительной зтепени зависят от качества используемых заполнителей, которые дол-1ны отвечааь требованиям но грансоставу, содержанию пылевидных, илистых и глинистых частиц, плотности, морозостойкости, водопоглощению, а также удовлетворять нормам по механической прочности и объемной и объёмной насыпной массе /43/. Правильное и своевременное эпределение каждого из перечисленных параметров позволяет значительно повысить качество готового продукта и сократить расход стремительных материалов, используемых в процессе приготовления бетонной смеси.

Каждый из компонентов, входящих в бетонную смесь, требует периодического юонзроля того или иного показателя его качества (табл.1;1). Так, при производстве бетона содержание примесей в заполнителях меняется достаточно быстро; В частности, по данным ОРГЭНЕЕГОСТРОЯ, для управления процессом приготовления бетонной смеси необходимо осуществлять контроль этого показателя не реже, чем 2 раза в час, что не всегда возможно из-за отсутствия нетрудоемких и оперативных методов контроля.

Как показали проведённые исследования /30/ применение для бетона заполнителей, содержащих до 10% глинистых примесей; вызывает не только перерасход цемента до для поаучения бетонной смеси заданной жёсткости, но и снижает прочность бетона до 30

Таблица I.I ц/н! Хар-ка !Необх.частота!Необх!.чаетота!Необх.опе-! ! бетона ¡контроля при !контроля ори !ративность! ! I про изво дсжве !про изводе тве !ио нтро ля ! ! ¡заполнителей !бетона (авт.)!при произв! ; 1' •- ! ] Збетона(авт)

Наличие ! средств ! контроля!

I Влажность I раз на партию егезанесно

2 Грансостав I раз на пе- через ревозимую 30-50ыий. партию

3 Содержание I раз на 2 раза пнлевато- партию в час илистых и глинистых частиц нес к; сек ручные ср-ва, электронные! и нейтронные влагомеры ! нес к. мин. имеются ав-! тематические гранулометры 3-5мин. авто матич. ! ср-ва.отсут; имеются ручные ср-ва,не обеспечивающие требуе-! мую оператив-носи» контр!

Содержание пылевато-илистых и глинистых частиц в заполнителях бетона, которое по действующим ГОСТам не должно превышая» 1-3% по весу, является одним из основных показателей качества нерудных строительных материалов /55/1

Установлено, что примеси глины и ила в любом количестве оказывают на качество бетона отрицательное влияние /86/1 Плёнки из глины и ила, налипшие на поверхность зёрен заполнителя, препятствуют сцеплению цемента с заполнителем и приводят к снижению прочности отобого продукта. Негативное влияние на качество готового изделия называет, также, наличие в заполнителях зёрен глины и ила, отделив-шхся в виде диспергированных минеральных зёрен (пыли и плёнок); а гакже комков глины и ила, равных размеру зёрен данной фракции. В дерохных асфальтовых смесях даже небольшое количество пылеобразных 1римесей вызывает значительное снижение качества покрытия.

Из-за нехватки производственных мощностей и неоднородности приходных и климатических условий не. везде, возможна промывка заполните» пей бетона, а из-за отсутствия в настоящее время достаточно точной и оперативной по своему действию аппаратуры для определения засорённости заполнителей бетона на большинстве предприятий, использующих немытый заполнитель, в виду возможной высокой концентрации примесей для получения бетонной снеси заданной жёсткости расходуют значительно большее количество цемента, чем это требуется на самом деле.

Поэтому, наряду с развитием методов обогащения нерудных строительных материалов /79/, необходима разработка и внедрение новых, прогрессивных методов й средств контроля качества заполнителей бетона.

Методы контроля процентного содержания пылевато-илистых и глинистых частиц в нерудных строительных материалах могут быть разделены на две группы: методы непосредственной оценки контролируемого параметра и методы косвенной оценки контролируемого параметра!;

К классу методов непосредственной оценки контролируемого параметра, предполагающих измерение массы выделенных из пробы примесей непосредственно взвешиванием или по потере веса самой пробы,4 относятся метод отмучивания/13,41,50/, шшеточный метод /13,14,41,58/, метод Союздорнии /38,58/ и метод мокрого просеивания/93/.

Эта группа методов положила начало изучению способов анализа содержания мелких фракций в различного рода сыпучих материалах. Работа над усовершенствованием этого класса способов дисперсного

-юанализа, начатая в прошлом веке, продолжается до наших дней.

Самым распространённым из методов непосредственной оценки контролируемого параметра является метод отмучивания, над которым работали такие учёные, как В.Р.Вильямс (1889), А.Н.Сабанин (1903), К.А.Фигуровский (1936), Г.Д.Краснов (1958) и другие /47/.

Этот метод состоит из многократного отстаивания и сливании суспензии, полученной промывкой заполнителей бетона, от первоначального уровня до уровня слива по прошествии принятого в анализе промежутка времени. Содержание отмучиваемых частиц вычисляется по имеющейся формуле. Этот метод используется в нашей стране и за рубежом в тех случаях, когда проводимый анализ не ограничен во времени и требует достаточно высокой точности контроля;

Ускоренными методами непосредственной оценки контролируемого параметра считаются пипеточный метод, метод Союздорнии и метод мокрого просеивания вследствие сокращения времени на отмывку цробы (од-но|фатное отстаивание) и исключения операции сушки. Эти методы не используют дополнительного внешнего воздействия во время промывки и применяются в случаях, когда частицы примесей легко отделяются от зёрен исшпуеного материала. Глинистые и илистые примеси в большинстве своём трудно размываемы, что при измерении их содержайия даёт большую погрешность.

Методы непосредственной оценки контролируемого параметра облапают удовлетворительной точностью, но являются трудоёмкими, длительными во времени и почти не поддаются автоматизации рассматрива-змого процесса контроля. Исключение составляет метод мокрого просеивания, который положен в основу гранулометра фирмы Си/гО^&П с£/юо/.

Группа методов косвенной оценки контролируемого параметра предполагает оценку содержания примесей по тем или иным физическим или электрофизическим свойствам суспензий, полученных промывкой заполнителей бетона.

Наиболее распространённый из косвенных методов считается арео-метрический метод, заключающийся в определении плотности, суспензий через определённые промежутки времени. Расчёт гранулометрического зостава осуществляется по номограммам, учитывающим индивидуальные эсобенности ареометра и параметры, входящие в формулу Стокса /24/. Известно использование apeoметрического метода с применением калиброванного гидроциклона /103/. При таком варианте разбавленная проба зуспензии пропускается через калиброванный гидроциклон небольших размеров последовательно с двумя скоростями. Для каждой скорости измеряется плотность суспензии в сливе гидроциклона и по таблице или с помощью вычислительного устройства находят параметры распределения размеров частиц. Применение метода вызывает ряд трудностей, эдной ив которых является невысокая чувствительность самого ареометра /47/.

Известна аппаратура Для контроля гранулометрического состава твёрдых частиц суспензий на базе ко нду кто метрического метода, выпускаемая в Швеции С/94/, ГДР /99/,/105/, Франции (ТА) /96/ и других странах. Эти. у с тройства позволяют получать результаты по выбранному объёму (0,005, 0,5 и 2 мл) подконтрольной суспензии, по общецу количеству подконтрольных частиц и по заданному интервалу, времени. Результаты представляются в виде интегрального, и дифференциального распределения размеров частиц. Этот метод использует для анализа очень малый объём суспензий, что может в отдельных случаях вызвать сомнение в достоверности подученных результатов.

Такими зарубежными фирмами, какfá/pZ&nettá Jrtjfw/7?e/i/&/юо/, $á¿mac£*u /юз/, ^

102/ выпускается аппаратура контроля гранулометрического состава твёрдой фазы суспензий, основанная на применении едиментомезричесного метода анализа, в частности, с использованием рентгеновского излучения ^¿¡о^^гб^Л фирмы ¿бм/Ая/иа /95/. Для контроля берётся суспензия в количестве 25 -100 мл с концентрацией твёрдой фазы 1-5$. Степень осахдения частиц )пределяется по поглощению пробой пучка рентгеновских лучей во вре-аени на различной высоте осадительной ячейки. Применение такого метода и устройства на его основе затруднено в случае контроля твёрдой фазы значительных размеров, оседающей с большой скоростью и искажающей результаты анализа.

В последнее время напли широкое применение оптические методы гранулометрии /2Ц/. Так, в лабораторных условиях получены положительные результаты при использовании электрооптического сканирования для подсчёта частиц суспензий узкого класса крупности /100/. Создан опытный образец прибора, основанного на сочетании методов сканирования и отмучивания« В настоящее время многие зарубежные фирмы, производящие выпуск аппаратуры контроля содержания твёрдой фазы суспензий косвенными негодами, для повышения экспрессности анализа используют ЭВМ специальных типов, таких /109/ и УТ~20

В нашей стране существует ряд установок по дизентеграции примесей !фупного заполнителя и определения их содержания с помощью, эптического метода/47,57/. Одна из них, разработанная ВНИйжелезо-бетоном/50/, включает узлы промывки пробы и анализа суспензий аур-бодиметрическим методом. С целью сокращения длительности и повышения эффективности отмучивания глинистых примесей в этом устройстве использован подогрев воды, барботаж сжатым воздухом и механическое перемешивание. На результаты оптического контроля содержания примесей влияют их цвет и количество, ограничивающие разрешающую способность метода;

Установка, созданная ВНИИНЕРУДом /48/, представляет собой автоматическую станцию контроля содержания примесей в щебне по оптической плотности суспензий, образующихся в диспергационной камере под действием электрического поля, В результате исследования этого метода было установлено, что точность результатов преимущественно зависит от изменчивости дисперсионного состава и цвета примесей. При этом компенсация возникающих погрешностей представляет значительные трудности /69/.

В СНТБ Главбамстроя разработаны метод и аппаратура экс пресс -контроля загрязнённости строительных материалов, основанные на использовании фотоэлектрического способа /19,20/, суть которого заключается в определении величины электрического тока, возникающего в фотоэлементе, на который падает луч света, проходящий через сосуд с загрязнённой жидкостью. Величина электрического тока зависит от количества света, падающего на фотоэлемент, а последнее - от степени загрязнённости жидкости. Из 5л суспензии, полученной после промывки стандартной навески пробы, пипеткой для анализа отбирают всего 10 мл. Такая представительность пробоотбора вызывает значительные погрешности измерения, а применение операции отбора пипеткой загрязнённой жидкости не позволяет автоматизировать процесс исследований.

Для определения концентрации твёрдой фазы полидисперсных систем возможно, также, применение акустических методов контроля.

Для исследования жидких сред и суспензий могут использоваться два параметра ультразвука: скорость прохождения через среду и затухание волны по амплитуде.

Ультразвуковому контролю в рассматриваемом случае подлежат суспензии, имеющие различные соотношения плотностей жидкой и твёрдой фаз. Если плотности фаз приблизительно равны, то включения не передвигаются в направлении действия силы тяжести и тогда можно говорить об ультразвуковой контроле взвесей.

Большой вклад в исследования поглощения ультразвука в различного рода взвесях внесли И.Г.Михайлов, И.С.Йэльцова, К.Н.Маренина, З.М.Рытов, В. В. Владимирский, И.Д.Галанин, И.А.Ратинская, П.Эпштейн, К.Ламб, Р.Урик и другие. Работы этих учёных посвящены исследованиям степени влияния на ослабление амплитуды ультразвукового сигнала зоставляющих дополнительного коэффициента затухания, характеризующих изменение интенсивности акустической волны в прямом нацравлении вследствие рассеяния на частицах, трения и теплообмена между частицами и средой, а также из-за потерь акустической энергии в самих * астицах.

На зависимости поглощения ультразвуковой энергии от концентрации твёрдой фазы во взвесях основан принцип действия большого количества советской и зарубежной аппаратуры. Среди них: пульпомер УИШ1-1 /55/, предназначенный для измерения концентрации взвешенных частиц в агрессивных пульпах и содержащий генератор ультразвуковых колебаний, изучающий и приёмный преобразователи, кювезу с исследуемой жидкостью, два усилителя, мостовую схему и индикатор получаемой информации; ультразвуковой анализатор пульп/б/,, серия устройств типа УЗИЛ /18/ непрерывного измерения коэффициента поглощения ультразвука в различных жидких средах.

За рубежом, в автоматизированных системах производственных процессов нашли своё применение гранулометры непрерывного действия типа Л^ «^6я?-/%омпании с^Й^/г-г^ /91,92,97,100/, предназначенные для работы на потоке и основанные на измерении степени поглощения ультразвука.

Объекты ультразвукового конороля, имеющие большую, по сравнению с жидкой, плотность твёрдой фазы, являются грубодисперсными системами, контроль которых вызывает значительные трудности ввиду постоянного оседания частиц твёрдой фазы под действием силы тяжести.

Известны работы, которые посвящены исследованиям и разработке шплизудного ультразвукового метода и устройств контроля процент-[ого содержания твёрдой фазы грубо дисперсных систем. Среди них раоты Н.И.Брахникова, Н.Н.Круглицкого, Л. 3. У крайне кого, А.Хэмптона

I других.

В частности, Н.И.Бражниковым был разработан ультразвуковой ана-шзатор суспензий, содержащий импульсный генераторный блок, измерительную камеру с преобразователями ультразвукового сигнала, буфер-1ую отщшзую ёмкость, подсоединённую к контролируемой магистрали, !меющую регулятор плотности и уровня и связанную с цилиндрическим 'идроциклоном, который соединён со входом измерительной камеры, вы-юлненной в виде суженного на конце плоского канала, являющегося тангенциальным входом цилиндрического гидроциклона. Сложность кон-5трукции и относительно невысокая точность контроля устройства не позволяет применять его в автоматизированных системах управления технологическим процессом приготовления бетонной смеси.

Широкое применение нашли приборы для анализа твёрдой фазы суспензий на основе компенсационного амплитудного ультразвукового метода. Такие приборы состоят, как правило, из измерительной и компенсационной схемы со счётным устройством. Известны устройства /80/, принцип действия которых основан на применении методов седименто-метрии. Эти цриборы содержит генератор импульсных колебаний, два коммутатора, ряд передающих и приёмных преобразователей ультразвуковой энергии, подсоединённых к кювете с исследуемой суспензией^ усилитель и индикатор получаемой информации. Последовательное подключение соответствующих каналов измерений позволяет определять концентрацию твёрдой фазы на разной высоте экспериментальной кюветы с анализируемой суспензией'. Однако, устройства этой серии имеют невысокую точность анализа как общей концентрации включений кинетически неустойчивых систем, так и отдельных её фаз из-за неполного I присутствия последних в зоне контроля при црозвучивании.

Известен метод определения концентрации твёрдых частиц в сус-¡ензии оптическим методом, при котором поток исследуемой суспензии расслаивают в стоячей ультразвуковой волне и сравнивают оптическую 1лотность суспензии до расслоения с оптической платностью слоя от^ *ельной исходной жидкости. Метод является неточным из-за значите ль-юго влияния на результаты анализа дисперсности твёрдой фазы суспензий /81/.

Известна аппаратура контроля процентного содержания твёрдой фазы в суспензиях, принцип действия которой, заключается в облучении ;успензии фокусированным ультразвуковым импульсом, вызывающим кавитацию в ограниченном объёме жидкости, дающую информацию для определения концентрации неоднородноетей. Этот метод ограничивает представительность пробоотбора и, тем самым, снижает точность измерения.

Существует аппаратура для ультразвукового контроля кинетически аеустойчивых систем, основанная на измерении поглощения ультразвука в образовавшемся осадке /80/. Устройство работает на двух частотах и имеет блок генерации сигналов, соединённый с блоком ультразвуковых „преобразователей, связанным с усилителями первого и второго акустических трактов, выходы которых присоединены к входу блока масштабного сравнения и регистраторов. Недостатком этого устройства является.возможность контроля лишь концентрации осевших частиц твёрдой фазы, что увеличивает время контроля и даёт погрешность из-за неполного осаждения частиц.

Для исследования концентрации твёрдой фазы суспензий применяется аппаратура, принцип действия которой.основан на изменении в зависимости от количества включений скорости прохождения ультразвукового сигнала.

Для определения зависимости абсолютного значения скорости распространения ультразвуковых колебаний от величины таких параметров жидких сред, как концентрация твёрдой фазы, плотность, степень пошмеризации, температура и т.п. используется ультразвуковой импуль-!ный анализатор скорости типа УЗАС-7 /18/.

Теоретические исследования, проведённые Н.И.Бражниковым /б/, юказали, что скорость прохождения ультразвукового сигнала через различного рода суспензии существенно зависит от соотношения разме->ов частиц включений и частоты ультразвукового сигнала или длины Ультразвуковой волны. Так, при размерах частиц намного меньше дли-ш волны скорость ультразвука падает с увеличением концентраций зключений в малых диапазонах изменения последней. При повышении час-соты или увеличении размеров частиц скорость ультразвука в меньшей яере начинает зависишь от изменения концентрации частиц. При разме-зах частиц, близких к длине волны, скорость ультразвука во взвесях фактически не отличается от скорости в чистой жидкости. Эти поло-1ения были подтверждены и экспериментальными исследованиями /б/.

На изменение скорости прохождения ультразвукового сигнала в зависимости от процентного содержания концентрации твёрдой фазы сус-тензий влияют, также, колебания солевого состава дисперсионной сре-1Ы /80,01/. Проведённые исследования показали, что добавление в еус-лензию солей в количестве 0,01$ вызывает увеличение скорости прохождения сигнала на 14 1^сек, что соответствует наличию в ообьекте ультразвукового контроля 5-8$ твёрдого вещества, в то время, как ааличие твёрдых частиц в дисперсных системах вызывает значительное затухание ультразвука по амплитуде при почти полном отсутствии влияния на ослабление ультразвукового сигнала растворённых примесей.

Существующие ультразвуковые методы и устройства анализа процентного содержания твёрдой фазы в суспензиях позволяют решить задачи лабораторного контроля при производстве заполнителей, но, в и илу недостаточной оперативности, высокой трудоёмкости и ограничен-, нооти диапазона измеряемых размеров, плотностей и концентраций включений, не могут быть использованы при уцравлении процессом приготозления бетонной смеси.

Вместе с тем, анализ данных, полученных советскими и зарубеж-шми учёными в рассматриваемой области неразрушающего контроля, посолил сделать вывод о возможности создания амплитудного ультразву-швого метода исследований процентного содержания пылевато-илистых ! глинистых частиц в нерудных строительных материалах.

Как указывалось выше, анализируемые суспензии представляют со-5ой комбинацию различного рода жидкой дисперсионной среды и твёрдой дисперсной фазы.,

В рассматриваемых суспензиях твёрдой фазой являются примеси заполнителей бетона, которые классифицируются как /86/:

Грубый песок.250-2000 мкм

Тонкий песок.100-250 мкм

Алеврит.50-100 мкм

Пыль.20-50 мкм

Ил!. .5-20 мкм

Глина. .менее 5 мкм

Плотноетной состав включений в общем с.цучае /77/ колеблется в диапазоне 1,5 - 3,5 г/см3. Откуда следует, что глинистые суспензии, полученные промывкой заполнителей бетона, являются кинетически неустойчивыми системами, твёрдая фаза которых в зависимости от плотности и радиуса оседает под действием силы тяжести. Причём, частицы размером менее 100 мкм подчиняются при своём падении в жидкой дисперсионной среде закону Стокса /90/, а присутствие в суспензии более крупных фракций, благодаря создаваемым ими воронкам, вызывают движение мелких примесей со скоростями, не подчиняющимися закону Стокса.

Отсюда можно сделать вывод о том, что контроль рассматриваемых объектов должен осуществляться в соответствии с широким диапазоном размеров и плотностей включений; быть экспрессным и, для умень пения погрешности анализа, проводиться в достаточно большом объёме юследуемой смеси.

Т.к. суспензии вообще, а анализируемые системы в частности, являются сложными для ультразвуковых исследований объектами, целесо-)бразным является более детальное рассмотрение их характеристик.

Изучение суспензий как объектов ультразвукового контроля основано на следующих допущениях /3/:

1. частицы имеют сферическую форму; .

2. размер частиц много меньше длины падающей волны;

3. отсутствует какой-либо релаксационный механизм;

4. отсутствует массобмен между частицами и жидкостью, т.е. искрение, конденсация, адсорбция и т.д.

Вместе с тем, в соответствии с проведёнными исследованиями /4/, Зыло установлено, что некоторые явления массобмена между частица-1И и жидкостью в суспензиях могут оказывать определённое влияние на )слабление ультразвукового сигнала и, в отдельных случаях, являться )бъектом более глубокого изучения.

Коэффициент ослабления ультразвука в суспензиях можно представить в виде /34/: с/'-о^'о/^^ (II) де: с/с - коэффициент поглощения дисперсионной среды; о/г - коэффициент, характеризующий поглощение, вызванное трением между частицами и средой; коэффициент рассеяния, возникающий вследствие )слабления акустической волны в прямом направлении из-за рассеяния за частицах; коэффициент поглощения, обусловленный теплообменом между частицами и средой; ^¿г коэффициент, характеризующий потери акустической энергии в самих частицах.

Явление адсорбции в рассматриваемом случае может происходи® за поверхности раздела двух фаз: раствор - твёрдое тело. В процессе? по лучения глинистых суспензий, как объектов ультразвукового контроля, могут участвовать как дистиллированная вода, так и обычная вода с тем или иным содержанием солей. а). В суспензиях, дисперсионную среду которых представляет инсталлированная вода, при определённых допущениях можно считать, 1ТО процесс адсорбции заменяется процессом сольватации - образовали на поверхности частиц достаточно развитых слоёв из молекул дис-зерсионной среды /17/.

В этом случае влияние адсорбции на ослабление амплизуды ультразвукового сигнала в системе с микрогетерогенной и грубодисперсной твёрдой фазой незначительно вследствие малой толщины сольватного ; лоя.

Если же в состав твёрдой фазы входят коллоидные частицы, дисперсионная среда может быть рассмотрена как коллоидный раствор и вязкость среды будет являться функцией концентрации коллоидных час-риц АЗ/:

1.2) де: - первоначальная вязкость дисперсионной среды; Р - объём-зая концентрация коллоидных частиц.

Причём, в данном случае следует учитывать влияние толщины соль-ватного слоя $ коллоидных частиц:

У* К 0*3<9,4), (1.з) рде: £ - радиус частиц; ££ - истинный объём дисперсной фазы. Подставив (Х.З) в (1.2), получим, что значение динамической вязкое-^ ти дисперсионной среды будет равно:

Соответственно изменятся значения кинематической вязкости и других параметров, входящих в формулу для вычисления коэффициента ослабления ультразвукового сигнала в гетерогенных системах /83/. б). В суспензиях, дисперсионную среду которых представляют истинные (не коллоидные) растворы, процесс адсорбции зависит от при-)оды адсорбтива, растворителя и адсорбента. .

В анализируемых системах адсорбентами являются глинистые частицы, обладающие большой гидрофильноетью, а, следовательно, и с полностью адсорбировать растворитель - воду. Чем лучше происходит 1дсорбция растворителя, тем хуле будет адсорбироваться растворённое вещество. Но, если произошла адсорбция солей из водного раствора глинистыми частицами, её влияние на прохождение ультразвукового сиг-1ала можно представить следующим образом:

I. т.к. физическая адсорбция является экзотермическим процес-)Ом, то следует учитывать влияние коэффициента о/^ в вырвжении (1.1), значение которого увеличится на величину дополнительного коэффициента теплообмена и общий коэффициент поглощения, обусловленной теплообменом между частицами и средой, представится в виде:

2* частицу с адсорбционным слоем можно будет рассматривать как !астицу с эффективным радиусом ,5 где £ - толщина адсорбционного слоя. При этом, коэффициенты поглощения, обусловленные рас-зеянием на частицах ультразвуковой водны и трением между частицами я средой, будут являться функциями эффективного радиуса, а не ис-гинного: о^ - +?) (1.6)

3. предположение того, что при наличии явления адсорбции частицу можно рассматривать как совокупность ядра (сама частица) и ободочки (адсорбционный слой) увеличивает влияние коэффициента в выражении (1.1), являющегося функцией вязко-упругих характкристик исследуемой твёрдой фазы, учитывающего потери акустической энергии в самих частицах.

Процеос коагуляции также может оказывать влияние на ослабле-1ие ультразвукового сигнала в случае превалирования сил сцепления, ¡тремящихся сбливить частицы и образовать из них агрегат, над сигани отталкивания, возникающими в результате присутствия двойных >лектрических и адсорбционно-к)ольватных слоев. Микрогетерогкнные и »рубодисперсвые частицы, как правило, устойчивы (вопрос возможности 1рисутствия в дисперсионной среде электролита в нашем случае не рае-¡матривается), но при наличии действия магнитного поля, вляющего на )яд свойств воды /43/, может происходить усиление коагуляции частиц I увеличение скорости их оседания, что значительно искажает истин-юе значение ослабления амплитуды ультразвуковой волны. Поэтоцу акустический контроль анализируемых суспензий необходимо проводить в 1естах, изолированных от действия сильных магнитных полей;

Таким образом, проведённые теоретические исследования показали влияние некоторых явлений мае с обмена между частицами и средой на »слабление амплитуды ультразвуковых колебаний^ Вместе с тем, данные, юлученные экспериментальным путём /&Ц/, при анализе суспензий, близких по своим характеристикам к контролируемым, показали незначительна ть этого влияния на величину суммарного коэффициента поглощения ультразвуковой волны.

В общем случае, затухание ультразвука в глинистых суспензиях )бусловлено поглощением в жидкой среде и дополнительным ослаблением на частицах твёрдой фазы и может быть представлено в виде /б/: де с/ - коэффициент ослабления ультразвукового сигнала',1 который в теориях распространения звука в гетерогенных системах цредставляет-;я суммой:

Здесь с/0 - как указывалось выше коэффициент поглощения диспер

-23г ионной среди, а Ао(~ дополнительный коэффициент поглощения, который равен /34/:

А Ы ~ЫГ +¿/4 . (1.9)

Коэффициент ¿^характеризует значение величины потерь на тре-1ие, которая существенно не зависит от соотношения периода колеба'-яий ультразвуковой волны и времени восстановления равновесного состояния во взвеси после нарушений, вызванных ультразвуковой волной '80/. Если период волны много больше времени восстановления равновесного состояния, то частицы почти не отстают от движения среды, нх относительные скорости, как и потери на трение, невелики. Если период волны мал, то частицы отстают от колебаний элементарных объёмов жидкости; относительная скорость часвиц и потери на трение возрастают.

Выводы выражений для вычисления коэффициента потерь на трение в суспензиях были выполнены Р.Уриком /107/, П.Зпштейном /96/, С. М. Рыто вым/15,73/. Все три зависимости являются равносильными и отличаются лишь формой записи и обозначениями. Выражение для вычисления коэффициента трения по Рытову имеет вид: где: / - радиус частиц; £ - скорость ультразвука; ¿о - угловая частота; С - объёмная концентрация частиц; # - сдвиговая вязкость р среды;¿-¿¡г отношение плотности среды к плотности частиц;

Коэффициент ^характеризует ослабление акустической волны в прямом направлении вследствии рассеяния на частицах1; Если принять частицу за жёсткое неподвижное препятствие, то при падении на неё звуковой волны возникает система рассеянных волн, как бы исходящих

-2418 частицы, причём сумма падающей и отражённой волны должна дать на юверхности нормальную скорость, равную нулю. Если препятствие маю по сравнению с длиной волны, то рассеяние распределяется почти равномерно по всем нацравлениям. Релеем и Ф.Морзом /53,74/была рас-5читана интенсивность рассеянной волны для одной частицы, а затем юлучена форцула для коэффициента рассеяния в суспензии с объёмной концентрацией.

Учитывая, что частицы колеблются около своего положения равновесия, П.Эпштейн принял во внимание упругие свойства частиц и поду-¡ил формулу, наиболее полно связывающую характеристики включений и зреды: де: ^ - объёмный модуль уцругости;/^--^ - волновое число;.// и\/г/~ [юстоянные упругости Ламе взвешенных частиц.

Коэффициент с/^ характеризует потери энергии вследствие тепло-эбмена между средой и частицей и возникает из-за влияния переменных давлений на температуру среды и частицы. На низкой частоте у ль зра--звуковых колебаний температуры в областях сжатия и разряжения успевают выравниваться - процесс расцространения ультразвуковых волн изотермический, а на высокой частоте - температура не успевает выравниваться, поэтому в миврооблаетях цроцесс адиабатический. Формулу для расчёта этих потерь вывел И.А.Исакович /32/, а К.Н.Марёнина /44/ рассчитала затухание, вызванное потерями теплообмена для взвесей некоторых сыпучих материалов в воде1;,' Потери для частиц радиусом 5 мкм составили 0,004$ от полного затухания ультразвуковых колебаний во взвеси.

Примеси заполнителей бетона имеют параметры, близкие к параметрам веществ, для которых были проведены расчёты К.Н.Марениной. Поэтому потерями энергии вследствие теплообмена между частицами и среой в рассматриваемых глинистых суспензиях можно пренебречь.

Коэффициент ^¿характеризует вязко-уцругие потери акустичес-;ой энергии в самих частицах. Эти потери заметны только при близких начениях плотностей среды и частиц и большого отличия их объёмных шзкостей /71, 108/i К.Н.Каренина рассчитала и экспериментально про-1 >ерила величину коэффициента затухания, характеризующего вязко'-упру-ие потери в самих частицах в водных взвесях различных веществ. Поученные данные показали, что коэффициенттакже, как и коэффи-;иенто^ , оказывает незначительное влияние на величину всего до-:одлительного коэффициента затухания и может не учитываться в иссле-ованиях суспензий с твёрдой фазой радиусом 0-25мкм и плотностью :, 5-3,5 г/см3;

Дс/-<*(т+о4> . CliD)

Тогда коэффициент поглощения (1.8) в анализируемых суспензиях южет быть представлен в виде: о/ +с/т * (1*14) ли: 2

• гrtt*m + v/-(1Л5) де: JJ - плотность среды; у динамическая вязкость среды; у Ц гинематическая вязкость средй; и коэффициент теплопроводноетир Ггг ж - коэффициенты удельной теплоёмкости.

Вместе с тем, существующие аналитические зависимости, связывающие ослабление амплитуды ультразвукового сигнала с содержанием мо-toдисперсных примесей," не могут быть непосредственно применены к шализу твёрдой фазы суспензий, подученных промывкой заполнителей 5етона, в еиду их полидисперсности.

Для получения общей картины распространения ультразвука в сус

Таблица 1.2

Результаты оценочного эксперимента.

М и/и ? • ! • 1 • • йэнцентр.у с0, % ! • 1 • 1 • 1 • Кол-во Б-ва, г ! • 1 • I • 1 « Вых.амп., в, (мел) 1 5 • ку*- | Вых.амп., Ад,! ! в, (глина) !

X 0 0 2,3 2,3 !

2 0,125 0,25 2,25 2,2 !

3 0,25 0.5 2,2 1,8 !

4 0,5 1,0 2,0 1,5 !

5 1,0 2,0 1,7 1,1 !

6 2,5 5,0 0,8 0,4 !

7 5,0 10,0 0,03 0,07 !

8 7,5 15,0 0,0 0,05 !

9 10,0 20,0 - 0,03 !

10 12,5 25,0 0,01 !

II 15,0 30,0 0,0 ! 1 •

Таблица 1.2

Результаты оценочного эксперимента. время к 0 н т р 0 л я , сек 1 • 1 • I • 1

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 ! • амплитуда выход ног о с и г н 1 • а л а, в !

0,8 1,15 1,38 1,55 1,6 1,63 1,-65 1,68 1,7 1,72 1,74 ! • игГ"

• Рис.I ,

Функциональная схема макета оценочного эксперимента. • •

Ч ' I 1Г" .— Т",^". .■ |-тшш^яшттш^т^тм« «м «¡рл ■

1*3456 У Я 9 <0 И 12. Со>%

V ' Рис.2

• Зависимость ослабления амплитуды зондирующего сигнала от концентрации в воде а) мела, б) глины.

I 2 3 4

-Рис.3 .

Зависимость изменения значения выходной вели-чипы от времени. гензиях был проведён оценочный эксперимент, в котором использова-[ись высокочастотный импульсный генератор Г5-28, испытательная кювета из полистирола, два датчика на 2,5Ш?ц, усилитель и запоминаю-;ий осциллограф С8-9А. функциональная схема макета представлена на >ис Л. ,

Были проведейы опыты с глиной и мелом и построены зависимости [вменения напряжения на выходе установки от концентрации твёрдой фанг суспензий. Графики полученных характеристик представлены на рис*.2. »исунок 3 показывает зависимость изменения значения выходной вели-ины от времени". Результаты измерений сведены в таблицы 1.2 и 1*3.

Экспериментальные кривые подтвердили экспоненциальный характер бывания амплитуды ультразвукового сигнала (рис.2) и кинетическую [еустойчивость изучаемых суспензий (рис.3), приводящую к изменению сонцентрации твёрдой фазы в зоне ультразвукового луча при обычном •оризон таль ном методе прозвучивания.

В общем случае затухание ультразвука в глинистых суспензиях за-зисит от концентрации частиц, их радиуса, плотности, частоты ультрабукового сигнала, параметров дисперсионной среды и других факторов.

Поэтоцу для разработки ультразвукового метода и аппаратуры контроля необходимо цровести анализ влияния перечисленных характеристик т ослабление амплитуды акустических колебаний в промывочных суспен-¡иях и выбрать оптимальные параметры проектируемой установки.

В соответствии с вышеизложенным, основными задачами настоящей )аботы явились:

1. Исследование и разработка метода и аппаратуры контроля со-&ержания тонкодисперсных частиц в заполнителях бетона, обеспечива-зщих необходимые для оперативной коррекции состава бетона точность I скорость контроля.

2. С целью выбора оптимальных параметров аппаратуры контроля ; з оценки метрологических характеристик метода исследование и разратка математической модели ослабления ультразвукового сигнала в по-яфракционных суспензиях в зависимости от распределения размеров астиц, их плотности, концентрации, частоты и других факторов.

У* 0 целью проверки разработанной математической модели и отра-зтки методических положений контроля цроведение комплекса теорети-эских и экспериментальных исследований зависимости поглощения ультразвука от концентрации твёрдой фазы в суспензиях, полученных про,-ывкой заполнителей бетона.

Испытание в производственных условиях разработанной на ос-овании результатов теоретических и экспериментальных исследований ппаразуры и обработка методических положений контроля.

5. Внедрение в производство разработанных методики и аппарату1-ы контроля содержания тонкодисперсных частиц в заполнителях бетона.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ЮДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТРОЛЯ ЗАСОРЁННОСТИ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ БЕТОНА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ.