Акушерство Анатомия Анестезиология Вакцинопрофилактика Валеология Ветеринария Гигиена Заболевания Иммунология Кардиология Неврология Нефрология Онкология Оториноларингология Офтальмология Паразитология Педиатрия Первая помощь Психиатрия Пульмонология Реанимация Ревматология Стоматология Терапия Токсикология Травматология Урология Фармакология Фармацевтика Физиотерапия Фтизиатрия Хирургия Эндокринология Эпидемиология

Безинерционном коническом пластометре

Измерение предельного напряжения сдвига для характеристики пластической прочности дисперсных систем широко применяется в исследовательских работах. Среди известных способов этого измерения наибольшее распространение получил предложенный в 1949 г П.А.Ребиндером и Н.А.Семененко метод, основанный на использовании конического пластометра.

Предложено много конструкций конического пластометра. Рассмотрим в общих чертах работу широко распространенных приборов: рычажного (рис.4), блочного (рис.5), КП-3 (рис.6). Первые два пластометра разработаны на кафедре коллоидной химии МГУ, третий предложен М.П. Воларовичем и С.И.Марковым.

Измерение предельного напряжения сдвига производят на указанны х пластометрах следуюцим образом.

Рис.4. Пластометр рычажного типа

Конус I уравновешивают гирями или противовесом. Поверхность испытываемого образца 2 приводят в соприкосновение с вершиной конуса I. Снимаются с чашки 5 (рис.5) или ставят на весовую платформу 5 (рис.4) гирю заданного веса и конус погружается в образец.

После нажатия пусковой кнопки (рис.7) конус опускается под действием собственного веса. Глубину погружения конуса измеряет оптическим способом (рис.5) или с помощью индикаторов (рис.4 и 7).

У всех названных приборов есть один общий признак - конус погружается в исследуемый образец под действием силы тяжести, равной разности весов конуса и гирь (рис.5) или весу конуса (рис.4). По этому общему признаку приборы рассматриваемой конструкции можно назвать пластометрами с падающим конусом.

Падение конуса происходит с начальным ускорением, зависящим от величины суммы и разности движущихся масс гирь и конуса (рис. 5) или равным ускорению силы тяжести конуса (рис.7). На величину ускорения влияет скорость, с которой снимают гири (рис.5) или нажимают пусковую кнопку (рис.7).

Наличие ускорения у падающего конуса приводит к возникновению силы инерции, действующей на конус дополнительно к силе тяжести. При этом конус погружается в материал с переменной скоростью. Напряжение сдвига, действующее на погружающуюся поверхность конуса и зависящее для дисперсных систем от скорости деформации, также имеет переменную величину, что приводит к искажению получаемых характеристик.

Блочный и рычажный приборы искажают результаты еще по одной причине. После погружения конуса в материал призма 4 блока прибора (рис.5) и рычажная система (рис.4) выходят из положения равновесия. Сила, действующая на конус в этот момент, отличается от ее величины до погружения.

Рис. 5. Пластометр блочного типа

У прибора (рис.4) глубина погружения конуса определяется индикатором, что удобнееоптического способа измерения (рис.5).Однако ножка индикатора создает дополнительное давление на рычаг прибора, котороепо нашим измерениям изменяется от 77 до 172 г при увеличении отсчета от0,2 до 8,0 мм. Это ухудшает работу пластометра.

Более совершенным является пластометр, предложенный Н.В.Михайловым, Г.Г. Шейниным и Е.Е. Калмыковой (рис.6). В этом приборе конус погружается в испытываемый образец (материал 2) при подъеме столика кулачком 4. Усилие, передаваемое конусу, измеряется динамометром 3, при этом конус перемещается вверх. Величина этого перемещения зависит от величины усилия и характеристики динамометра. Одновременное движение испытываемого образца с известной скоростью и конуса со скоростью, величина которой заранее не известна, делают непригодным и этот прибор для измерения предельного напряжения сдвига при постоянной скорости погружения конуса.

Поскольку движение конуса с ускорением (рис. 4, 5,7) порождает силу инерции, которая складываясь с силой тяжести, увеличивает глубину погружения конуса, а в расчетах сила инерции не учитывается, то предельное напряжение сдвига на указанных приборах определяется с ошибкой, достигающей 30 и более процентов.

Для повышения точности измерений И.И. Берней вместе с Беловым В.В. (Тверь, ТвГТУ) предложили новую конструкцию конического пластометра ПМ-3 (рис.8).

Рис. 6. Пластометр КП-3

Пластометр ПМ-3 создан на базе равноплечных весов, где вместо одной из чаш подвешена конус 1. Он уравновешивается гирями, установленными на второй чаше весов 3. Для фиксирования конуса ивесов в положена равновесия установлен специальный винт 4, упирающийся в пластину 5, перекрывающую отверстие 6.

Испытываемый образец 2 устанавливается на специальном столике 7, который может подниматься и опускаться ори вращении винта 8 вручную или с помощью привода 9. Величина перемещения винта и столика измеряется индикатором 10. Винт 4 и токопроводящий верхний слой пластины 5 соединены с электрической цевью, включающей лампу 11, таким образом, что при контакте винта с пластиной, лампа горит, а в случае разрыва контакта - лампа гаснет. Прибор может работать на двух режимах; инерционном и безинерционном.

Выполняя измерения по основному безинерционному режиму, после уравновешивания конуса, перекрывают пластиной 5 отверстие 6 и снимают гири заданного веса с чаши 3. При этом опусканию конуса препятствует винт 4, вращая который приводят коромысло весов в то положение, которое оно занимает при равновесии. Поверхность образца приводят в соприкосновение с вершиной конуса. Вращением шкалу индикатора устанавливают ее на ноль, включают электродвигатель, и столик с образцом начинает подниматься (а конус погружаться) с заданной скоростью. Когда давление между конусом и образцом превышает вес снятых гирь, коромысло весов приподнимается, контакт между винтом 4 и пластиной 5 нарушается и лампа гаснет. Снимается отсчет по индикатору, определяется глубина погружения конуса. На этом заканчивается одно измерение.

Рис. 7. Пластометр с падающим конусом

Отличие измерений на этом приборе и на коническом пластометре с падающим конусом П.А.Ребиндера состоит не только в том, что здесь исключено влияние сил инерции движения конуса, но и в том, что в данном способе фиксируется глубина погружения конуса, соответствующая равенству активных и реактивных сил при его движении с известной постоянной скоростью, а не в момент остановки, как в способе П.А.Ребиндера.

Из последнего обстоятельства следует, что по результатам измерений на пластометре ПМ-3 определяется не предельное напряжение сдвига , а действующее напряжение сдвига , частью которого кроме является динамическая составляющая, зависящая от вязкости и градиента скорости в сдвигаемом слое. На кафедре производства строительных изделий и конструкций ТвГТУ был разработан специальный метод для определения предельного напряжения сдвига и вязкости среды по известной глубине погружения в нее конуса и заданной скорости. На пластометре ПМ-3 по указанной выше методике при трех возрастающих значениях нагрузки , измеряют три составляющие им глубины , , погружения конуса в одну и ту же лунку на поверхности образца. Необходимо иметь в виду, что наименьшая глубина погружения конуса , должна быть не менее 3 мм. Максимальная глубина погружения ограничивается наибольшим рабочим ходом ножки индикатора (11 мм). Поэтому необходимо применять при намерениях такие нагрузки , , чтобы глубина погружений , , составляла соответственно 4-5, 6-7, 8-9 мм.

Рис. 8. Безинерционный конический пластометр

Обычно = (1,5-2) , = (1,5-2) . При необходимости на конус надевают дополнительные грузы. Напряжение сдвига для каждой глубины погружения конуса h вычисляется по формуле:

= к ,

где к – коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса

(при =30 к = 0,959, при =60 к = 0,214).

Для определения предельного напряжения сдвига и вязкости по экспериментальным значениям напряжения сдвига , и , соответствующим глубинам , , погружения конуса, для каждой из трех скоростей погружения конуса , , строят графики зависимости от v/h (рис.9). Отрезок, отсекаемый прямыми на оси ординат, равен , а тангенсы углов b наклона прямых к горизонтальной оси - соответствующим значениям вязкости , , .

На одном образце можно производить несколько измерений предельного напряжения сдвига. При этом лунки должны находиться не ближе чем на 15 мм одна от другой, считая это расстояние между краями лунок. Количество параллельных измерений должно быть не менее двух. Исходные измерения и расчетные характеристики записывают в таблицу 2.

По результатам испытаний делается вывод об эффективности использования приборов ротационного типа и пластометров для определения реологических свойств строительных материалов в текучем и пластичном состояниях.

Рис. 9. Зависимость предельного напряжения сдвига от соотношения скорости погружения конуса и глубины его погружения

Таблица 2. Сводная таблица

Скорость погружения конуса v, мм/мин	Величина груза F, г	Номер лунки	Глубина погружения конуса h, см	Напряжение сдвига , г/	Вязкость , пуаз	Пред. напряж. сдвига , г/
одного измерения	среднее значение	одного измерения	среднее значение