РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Изучение особенности поведения бетонной смеси при работе растворобетононасоса
Из анализа существующего оборудования можно сделать вывод, что наиболее продуктивными для перекачивания строительных смесей являются поршневые насосы. Бетононасосы развивают достаточное давление и обладают необходимой мощностью для перекачивания бетонных и растворных смесей на требуемые расстояния. Одной из проблем таких насосов является изыскание путей более полного заполнения смесью рабочего цилиндра. Есть насосы, у которых проблема более полного заполнения смесью рабочего пространства насоса решена. Таким является винтовой насос. Однако винтовые насосы позволяют перекачивать бетонные смеси на короткие расстояния и отличаются быстрым износом рабочего органа. Для решения проблемы заполнения рабочего цилиндра нами создан симбиоз двух насосов: поршневого и винтового. Шнек в загрузочном бункере улучшает заполнение рабочего цилиндра, а поршневая часть насоса обеспечивает перекачивание растворобетонных смесей на требуемые расстояния.
Эффективность работы поршневых растворобетононасосов зависит от заполнения рабочего цилиндра в одном цикле его работы, которое находится в зависимости от местных гидравлических сопротивлений движению бетонной смеси и разности давлений, обеспечивающих это движение.
Немаловажным фактором являются потери подачи бетонной смеси в результате обратных токов. Поэтому при конструировании растворобетононасосов наблюдается антагонистическая ситуация. Уменьшение гидравлического сопротивления за счет увеличения диаметра седла клапана приводит к увеличению обратных токов и снижению эффективности работы насоса. И наоборот, уменьшение диаметра седла клапана увеличит гидравлические сопротивления. Но в обоих случаях эффективность работы насосов падает. Особенно остро данная проблема стоит при перекачивании малоподвижных бетонных смесей, когда вязкость может достигать µ=10-15 Па? с., при напряжении сдвига (?сдвига) порядка 100-150 Па. При движении вязких жидкостей Бингама, которой является бетонная смесь, необходимо большое давление для преодоления местных гидравлических сопротивлений. Реально в данных насосах развивается давление, в среднем, 4 МПа.
Давление, обеспечивающее движение бетонной смеси из бункера в рабочий цилиндр, состоит из давления столба бетонной смеси в бункере Рст. б.с. и разряжения, создаваемого в рабочем цилиндре Рразр. [61].
Все поршневые насосы работают за счет разряжения, но малоподвижные бетонные смеси отличаются своей повышенной динамической вязкостью. Этот параметр бетонной смеси повлиял на то, что до настоящего времени не создан насос, способный хорошо перекачивать малоподвижные бетонные смеси.
Рассмотрим причину вышеизложенной проблемы. Во время такта всасывания, при движении поршня, на поверхности бетонной смеси возникает пониженное давление. Пузырьки воздуха (вблизи вакуум-полости) испытывают избыточное давление, которое образуется сразу же во всех воздушных пузырьках в слое цементного геля, прилегающего к вакуум-полости. Как только пузырьки воздуха в этом слое начнут расширяться, в следующем слое возникает избыточное давление. Процесс этот непрерывно развивается, захватывая все более глубокие слои бетонной смеси. В воздушных пузырьках действует переменное давление, изменяющееся от Рнач в наиболее удаленном слое от вакуум-полости до Рразр вблизи нее. Под действием давления Рразр воздух извлекается из бетонной смеси и заполняет камеру. Причем, чем больше по абсолютной величине Рразр , тем больше воздуха извлекается из бетонной смеси и тем больше Рразр падает по абсолютной величине, работоспособность насоса снижается. После извлечения всего объема воздуха давление всецело передается жидкой фазе и с этого момента начинается отсос жидкости, сопровождающийся сближением частиц бетонной смеси. Вначале это происходит со стороны вакуум-полости и постепенно процесс распространяется в глубь толщи бетонной смеси.
На рис. 2.1. показан процесс фильтрации, происходящий в рабочей камере насоса при заполнении ее смесью.
Рис. 2.1. Формирование структуры бетонной смеси в рабочем цилиндре под влиянием разрежения.
1-бетонная смесь;
2- бетонная смесь с пониженным содержанием жидкой фазы;
3-фильтрат.
В результате процесса фильтрации жидкой фазы из бетонной смеси резко меняются ее реологические характеристики. Создаются зоны, где бетонная смесь обезвожена и практически неподвижна (образуются пробки).
В дифференциальной форме линейный закон фильтрации несжимаемой жидкости через капиллярно-поровую среду выражается зависимостью [61 ].
(2.1)
где
Vср - средняя скорость потока фильтрации,
?ф - коэффициент фильтрации Дарси,
h - толщина слоя фильтрации,
?ж - плотность жидкости,
Р - давление разрежения.
Как видно из формулы (2.1) средняя скорость фильтрации прямопропорциональна коэффициенту фильтрации Дарси, давлению разрежения и обратно пропорциональна плотности жидкости. Учитывая тот факт, что мы не можем повлиять на плотность жидкости и коэффициент фильтрации Дарси, уменьшить скорость фильтрации можно изменением давления разряжения Рразр.
Это доказывает необходимость создания принципиально новых подходов к созданию машины, которые бы обеспечили наиболее полное заполнение бетонной смесью рабочего цилиндра насоса при сохранении свойств бетонной смеси.
Одним из путей повышения эффективности работы растворобетононасоса является разработка таких технических решений, которые бы позволили обеспечить максимальное заполнение бетонной смесью рабочего цилиндра насоса при достаточно невысоком значении абсолютной величины разряжения Рразр., в условиях, когда не происходит изменение реологических характеристик и других свойств бетонной смеси.
2.2. Пути повышения к.п.д. действующих малогабаритных растворобетононасосов
2.2.1. Принудительная загрузка насоса смесью
Уменьшение давления разряжения