Ви є тут

Обґрунтування параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення при забезпеченні стійкості виробок

Автор: 
Хоменчук Олег Володимирович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2007
Артикул:
3407U003199
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ РАЗЛЕТА ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОЙ СМЕСИ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ ВЗРЫВЕ
2.1. Общие положения
Существенным отличием взрывного способа набрызгбетонирования от
набрызгбетонирования с использованием сжатого воздуха является динамическое
воздействие взрыва на компоненты исходной бетонной смеси, сложное движение их
от центра взрыва к бетонируемой поверхности с образованием облака частиц
бетонной смеси с неровным передним фронтом. С позиции прочности и качества
наносимой крепи эти обстоятельства могут играть как положительную, так и
отрицательную роль. С одной стороны воздействие взрыва на компоненты исходной
смеси улучшает качество возводимой крепи, с другой стороны компоненты смеси
совершают сложное движение в окружающей атмосфере, которое является на
сегодняшнее время мало изученным. Поэтому возникает необходимость детального
изучения динамики разлета вещества с учетом сил инерции и аэродинамического
сопротивления, при взрыве взрывчатого вещества в центре сферически симметричной
оболочки.
Для упрощения задачи, рассмотрим сферически симметричную схему разлета
цементно-песчаной смеси при центральном взрыве сферического заряда
представленную на рис. 2.1. В центре сферически симметричной оболочки из жидкой
цементно-песчаной смеси расположен сферический заряд ВВ. Детонация
распространяется из центра заряда во все стороны равномерно.
2.2. Моделирование начальных параметров разлета цементно-песчаной смеси при
центральном взрыве
Зная специфику строения вещества можно более точно определить характер
протекающих процессов в цементно-песчаной смеси под действием взрыва.
Химический состав цементов выражают в процентах, содержащихся в них оксидов,
главными из которых являются СаО, Al2O3, SiO2 и Fe2O3 [38]. Цементно-песчаная
смесь приготовляется путем смешения мелкого порошка преимущественно карбоната
кальция (СаСО3) с водой.
При взаимодействии дипольных молекул CaO и CO2, расстояние между молекулами
составляет R = 4,72 Е и энергия связи между этими определяется ковалентной
связью и диполь-дипольным взаимодействием [39]:
. (2.1)
Схема взаимодействия дипольных молекул показана на рис. 2.2.
Результирующая молекула карбоната кальция должна иметь вытянутую структуру с
результирующим электрическим моментом рэ = 4,33·10-29 Кл·м. Молекулы с большим
дипольным электрическим моментом образуют кристалл ионного типа. Энергия связи
частиц в ионном кристалле определяется в основном диполь-дипольным
взаимодействием и равна [39]
. (2.2)
Результаты вычислений по (2.2) дают значение 1,96 эВ. В ионном кристалле первая
вторая и третья координационные сферы образуют кластер. Кластеры воспроизводят
структуру простой кубической формы, присущей ионному кристаллу. Размер кластера
карбоната кальция составляет ~ 29,4 Е. Бинарное взаимодействие между кластерами
~ 0,245 эВ. При такой энергии связи жидкое состояние реализуется при
температуре ~2842 К и более. Минимальный размер помола твердого карбоната
кальция не может составить менее размера кластера, т.е. частиц диаметром
несколько нанометров.
Цементно-песчаная смесь содержит частицы песка (SiO2), глинозема (Al2O3) и
окиси железа (Fe2O3). Диаметр частиц может достигать более миллиметра. Кластеры
карбоната кальция для таких крупных частиц выступают в роли поверхностно
активных веществ (ПАВ) [40], т.е. происходит их эффективная адгезия, образуя по
всей поверхности крупных частиц монокристаллическую пленку карбоната кальция. В
сухом виде исключено равномерное покрытие кластерами карбоната кальция крупных
частиц песка, глинозема и окиси железа. Поэтому используется вода в качестве
среды, в которой резко ослабляется электростатическое взаимодействие заряженных
частиц и электрических диполей, так как диэлектрическая проницаемость для воды
е = 80. При нормальной температуре (298 К) связь между кластерами карбоната
кальция в воде ослабляется в 80 раз и составляет ~3,1·10-3 эВ, что на целый
порядок меньше теплового движения частиц в нормальных условиях. Поэтому в воде
кластеры карбоната кальция не адсорбируются. Этот процесс полностью исключается
вследствие резкого ослабления энергии диполь-дипольного взаимодействия частиц
карбоната кальция с твердым телом крупных образований на их поверхности.
Со временем происходит испарение воды из цементно-песчаной смеси, и он
затвердевает. Возникает процесс «схватывания». Происходит обволакивание крупных
частиц цементным раствором как вяжущим материалом с последующим формированием
кристаллической пленки в виде игольчатых образований [39].
После взрыва ВВ при прохождении ударной волны по окружающей оболочке из жидких
и порошковых материалов происходит дробление крупных твердых частиц на более
мелкие. Вследствие этого энергия, выделившаяся при взрыве ВВ, частично тратится
на дробление крупных твердых частиц внутри оболочки еще и на ее распыление.
При дроблении твердых частиц внутри оболочки происходит возрастание свободной
энергии вследствие увеличения внешней поверхности образующихся более мелких
частиц. Затраты энергии в этом случае определяются по формуле:
, (2.3)
где у – коэффициент поверхностного натяжения;
ДS – изменение свободной энергии вследствие изменения свободной поверхности
вследствие дробления частиц.
Молекулы SiO2, Al2O3 и Fe2O3 обладают встроенными дипольными электрическими
моментами соответственно: 6,19; 6,06 и 4,53 D (Дебая) [41, 42]. Обладая такими
большими дипольными электрическими моментами, эти молекулы в конденсированном
состоянии представляют собой ионные кристаллы. Ионные кристаллы обладают
простой кубической структурой. В таких структурах кластерные образования
первого координационного