Раздел 4 |
| Строительство. Транспорт |
Реология и нелинейная механика грунтов |
С.А. КАЛАЧЕВА, старший преподаватель, А.К. КОЖАС, к.т.н., доцент, А.Т. МУХАМЕДЖАНОВА, ассистент, Карагандинский государственный технический университет, кафедра ТиОСП |
Реология как наука, изучающая вопросы течения материалов, имеет три основных направления исследований: медленно развивающихся во времени деформаций – деформаций ползучести; расслабления (уменьшения) напряжений при постоянстве деформации – релаксации напряжений; разрушения материалов при длительном действии нагрузки – длительной прочности материалов.
Вопросами реологии грунтов занимались А.Я. Будин, С.С. Вялов [3], М.Н. Гольдштейн [2], Ю.К. Зарецкий, Н.Н. Маслов, С.Р. Месчан, Г.И. Тер-Степанян, Н.А. Цытович [1] и др.
Деформации ползучести развиваются как в процессе уплотнения грунтов под действием нормальных напряжений, так и при сдвиге, т. е. при приложении касательных напряжений.
Реологические процессы особенно характерны для пылевато-глинистых грунтов, а также для любых грунтов, находящихся в мерзлом состоянии. Они проявляются также в скальных породах и песках при их определенном напряженном состоянии. Физические причины ползучести в полной мере пока еще не вскрыты. С.С. Вялов и Ю.К. Зарецкий объясняют развитие реологических процессов в грунтах, в частности, при деформациях ползучести. В результате этого процесса в грунте появляются дефекты (микротрещины между частицами). Однако одновременно в этих и соседних местах возникают, вследствие сближения отдельных частиц (при сжатии и сдвиге), новые водно-коллоидные и молекулярно-контактные связи. Поэтому грунт не разрушается, а лишь получает большие деформации.
Если к нескольким образцам одного и того же грунта приложить различную сдвигающую нагрузку, то относительная деформация будет развиваться во времени так, как показано на рисунке.
Испытание грунта на релаксацию напряжений
Установившаяся ползучесть возникает лишь при напряжениях, больших определенного предела. Как доказано С.С. Вяловым, установившаяся ползучесть всегда переходит в третью стадию – прогрессирующего течения, при которой скорость развития деформаций во времени возрастает, что и ведет к разрушению образца.
В стадии затухающей ползучести возникают микротрещины, но одновременно образуется значительно большее количество новых связей, и увеличивается сопротивление разрушению существующих связей вследствие развивающихся деформаций.
В стадии установившейся ползучести наблюдается равновесие между прочностью грунта, теряемой в результате разрушения связей, и прочностью, приобретаемой грунтом вследствие возникновения водно-коллоидных и молекулярно-контактных связей. Этим обусловливается пластично-вязкое течение, в процессе которого изменяется структура грунта, при этом постепенно уменьшается сопротивляемость образца грунта разрушению и наступает стадия прогрессирующего течения.
В стадии прогрессирующего течения количество дефектов в связях все увеличивается, а возникновение новых связей иногда уменьшается, поскольку на этой
стадии в ряде случаев наблюдается увеличение объема образца грунта. Прогрессирующее течение при неизменном напряженном состоянии всегда заканчивается разрушением.
Минимальные напряжения, при которых происходит разрушение образца через бесконечно большой промежуток времени, называются пределом длительной прочности R∞.
Напряжения, при которых образец грунта разрушается через некоторый период времени после приложения нагрузки в связи с развитием деформаций установившейся ползучести и прогрессирующего течения, соответствуют длительной прочности грунта Rt.
Наконец, можно приложить нагрузку такой интенсивности, при которой образец грунта разрушается мгновенно, т. е. достигается мгновенная прочность грунта при минимальном напряженном состоянии.
По результатам серии испытаний грунта, обладающего ползучестью, можно построить кривую его длительной прочности.
При проектировании сооружений, передающих постоянную нагрузку, приходится исходить из предела длительной прочности, а в случае периодического возрастания и снижения нагрузки – из длительной прочности с учетом продолжительности действия нагрузки (например, порывов ветра). Такое проектирование рациональнее. Если образец грунта подвергать деформациям сдвига, осевого сжатия или растяжения при различных нагрузках, то можно отметить, что чем большая нагрузка приложена к образцу, тем скорее наступает стадия прогрессирующего течения и происходит разрушение образца. Проводя опыты все с меньшими нагрузками, можно достигнуть такого напряженного состояния грунта, при котором не возникает установившейся ползучести и прогрессирующего течения, а будет развиваться только затухающая ползучесть, и разрушение образца не произойдет даже при длительном действии нагрузки, вызывающей это напряженное состояние.
При рассмотрении вопроса о роли реологических явлений в развитии осадки сооружений в силу малой изученности проблемы в настоящее время вынужденно пользуются приближенными методами. По данным статьи следуют следующие выводы:
1. Реологические процессы могут влиять на осадку сооружений, увеличивая ее во времени в условиях проявления ползучести глинистых грунтов их оснований вследствие уменьшения сопротивляемости грунта уплотнению под воздействием нормальных напряжений в связи с нарушением их структуры, а также за счет медленного отдавливания грунтовых масс из под сооружения под влиянием касательных напряжений;
2. Указанные явления могут возникнуть в толще основания сооружений лишь в зонах проявления ползучести;
3. Величину порога ползучести необходимо устанавливать экспериментально или расчетом.
1. Цытович Н.А., Березанцев В.Г., Далматов Б.И., Абелев М.Ю. Основания и фундаменты. М.: Высшая школа, 1970.
2. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Высшая школа, 1971.
3. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978.
Инновационный потенциал цементной и хризотилцементной отрасли Центрального Казахстана |
А.Ш. ШАЙКЕЖАН, д.т.н., профессор, А.Ш. КАЛМАГАМБЕТОВА, к.т.н., доцент, М.К. ДАДИЕВА, преподаватель, Ф. ИКРОМЗОДА, магистрант, Е.К. ИМАНОВ, магистрант, Карагандинский государственный технический университет, кафедра ТСМиИ |
Развитие этой отрасли связано с потреблением до 85 % портландцемента с жестким регламентированным требованием как к составу клинкера, так и физико-механическим свойствам цемента. Содержание трехкальциевого силиката (С3S) в цементе должно быть не менее 50 %; трехкальциевого алюмината (С3А) – не более 8 %; начало схватывания цемента должно наступать не ранее 1 ч 30 мин. Портландцемент Карагандинского цементного завода (КЦЗ) не отвечает этим требованиям. На самом КЦЗ продукция оставляет желать лучшего, так как ограничена эксплуатацией нескольких хорошо изученных месторождений. Потребность строительства в цементах и хризотилцементных материалах в стране удовлетворяется на 30-40 %, а на высокопрочные быстротвердеющие цементы и вовсе не удовлетворяется.
Достаточно эффективно решает эту проблему высокоалитовые портландцементы, технология которых разработана учеными Республики Казахстан [1]. Предлагаемые технологии основаны на месторождениях, сложенных преимущественно из волластонита, гранат-пироксенового и гранатового скарна и известняка, огромными запасами которых располагает Центральный Казахстан. Новые цементные сырьевые материалы связанных между собой родственных предприятий хризотилцементного и строительного производства – могли бы стать каналом эффективного сотрудничества, инноваций, формирования нового бизнеса. Такой комплекс отвечает требованиям кластерного развития строительного сектора по проекту правительства о диверсификации экономики республики.
В зависимости от коэффициента насыщения (КН) и фазового состава клинкеров цементы на основе гранатовых скарнов показывают прочностные активности 50 (КН=0,86), 55-56 (КН=0,97), 62 (КН=0,96) МПа. Клинкеры содержат (% по массе): 1) С3S – 77, С4AF – 13, и С3А – 3; 2) С3S – 50, С4A F – 15 и С3А – 3; 3) С3S – 60, С4AF – 13, С3S – 50, С4AF – 15, С3А – 3 и С2F – 11. Цементы из этих клинкеров характеризуются пониженной водопотребностью (НГ 22,75÷24 %). Сроки схватывания (ч-мин): начало 2-30÷4-30; конец 3-00÷5-30. При В/Ц=0,4 расплыв конуса на 15-20 мм превышает стандартный предел. Увеличение КН клинкера повышает прочность асбестоцемента, низкая водопотребность цемента улучшает технологические показатели производства.
Освоение производства этих новых высокопрочных цементов отвечало бы требованиям инновационного развития КЦЗ и ТОО «КЗАЦИ», общности территориальных и развитию межотраслевых комплексов пос. Актау Карагандинской области.
Армирование цементного камня хризотиловым волокном предназначено для повышения прочности при растяжении, которого у цементного камня в 6-8 раз меньше, чем при сжатии [2]. В последние годы в отечественной промышленности и в ряде зарубежных стран хризотилцементные изделия начали изготовлять способом экструзии, который позволяет получать изделия со сложной конфигурацией поперечного сечения при непрерывном процессе формования и высокой производительности формовочного оборудования [3]. Эффективное использование этого способа заключается в создании условия для переориентирования волокон хризотила так, чтобы на выходе из формы волокна были расположены вдоль направления движения формуемого изделия. Это обосновывается законами движения двухфазных жидкостей [4] и определяется вполне условиями, т.е. эпюрой скоростей в сечении экструдера.
Модель ориентировки волокон хризотила в процессе движения хризотилцементной пасты в выдавливающей части экструзионной машины представлена на схеме.
1 – стенки мундштука; 2 – хризотилцементная паста; 3 – волокна хризотила; 4 – конвейерная лента
Эпюра скоростей потока хризотилцементной массы и ориентировки волокон
В начале формования до поступления пасты в форму волокна асбеста в ней ориентированы в пространстве хаотично. Необходимым требованием при формовании хризотилцементных листов способом экструзии является переориентирование волокон хризотила так, чтобы на выходе из формы они были расположены вдоль направления движения формуемого изделия. Выполнение этого требования обеспечивает достижение наиболее высоких значений сопротивления изделия изгибающим нагрузкам, направленным перпендикулярно волокнам хризотила. Переориентирование хризотиловых волокон обеспечивается действием сил трения между поверхностью стенок мундштука и близлежащими к ним слоями, а также соседними слоями хризотилцементной пасты. Во время продвижения хризотилцементной массы вдоль стенок мундштука хризотиловые волокна вытягиваются и выпрямляются вдоль направления движения массы. На выходе из формы наиболее выпрямленными оказываются волокна хризотила, расположенные на поверхности формуемого изделия, а наименее выпрямленными – находящиеся в середине толщины изделия. Это объясняется тем, что переориентирование волокон осуществляется за счет действия сил трения между движущимися слоями хризотилцементной массы и поверхностями стенок мундштука, и чем больше значение силы трения, тем ближе положение волокна хризотила в пространстве к параллельному направлению движения формуемой массы. Сила трения имеет наибольшее значение у поверхности стенок мундштука, вследствие чего в этой зоне волокна хризотила и переориентируются в нужное положение в наибольшей степени. Напротив, слой хризотилцементной пасты, движущийся с наибольшей скоростью, в наибольшей степени сохраняет хаотичное расположение волокон.
На переориентирование хризотиловых волокон влияет продолжительность действия сил трения: чем она больше, тем сильнее выражена параллельность волокон направлению движения хризотилцементной пасты. Следовательно, чем больше длина мундштука, тем продолжительнее происходит механическое взаимодействие между пастой и поверхностью стенок мундштука, и переориентирование волокон достигается в большей степени. На это положительно могут также повлиять периодическое возвратно-поступательное движение формующих стенок поперек направления движения формуемого изделия и параллельно его поверхности.
При формовании изделий большой толщины для выравнивания скорости движения слоев хризотилцементной пасты между стенками мундштука целесообразнее установить тонкие горизонтальные перегородки. Эти перегородки способствуют уменьшению скорости движения прилегающих к ним слоев из-за возникновения между ними сил трения, а также увеличению сил трения, возникающих между соседними слоями самой хризотилцементной пасты. Степень выпрямления и вытягивания хризотиловых волокон увеличится, если эти перегородки будут совершать возвратно-поступательные разглаживающие движения, описанные выше.
В инновационной деятельности ТОО «КЗАЦИ» есть перспектива строительства с использованием местных эффективных теплоизоляционных материалов. Исследования [5], относящиеся к применению вспучивающихся материалов для огнезащитных покрытий, в рецептуре которых в качестве наполнителя используются волластонит и асбест, применимы и при решении задачи теплоизоляции ограждающих конструкций. Во-первых, важным фактором является способность состава в процессе вспучивания прочно приклеиваться к поверхностям, а во-вторых, названный состав основывается на имеющиеся производственную и сырьевую базы предприятия.
Предлагаемые вспучивающиеся материалы изготавливаются на основе синтетических связующих. Вспенивающе-карбонизирующаяся фаза состоит из трех традиционных компонентов: кислотного катализатора полифосфата аммония, полиола пентаэритрита и пенообразователя меламина в соотношении 3:1:1. Покрытия при нагревании, расплавляясь, вспучиваются, создавая монолитный слой толщиной до 50 мм, хорошо удерживающегося на поверхности хризотилцементной подложки, что снижает продуваемость стены. Плотность продукта вспенивания составляет 3∙10-3 – 3∙10-2 г/см3, а выделяющиеся газы равномерно распределяются в массе, образуя мельчайшие ячейки, повышая теплозащитные качества конструкции. Волластонит и хризотил стабилизируют и армируют пенококс, образующийся при вспучивании, благодаря чему форма утеплителя меньше подвергается осадке. Из условия близости природы наполнителей с материалом утепляемой поверхности вытекает, что контактирующие поверхности должны иметь хорошую адгезию [6].
Дальнейшее проведение научно-исследовательских и экспериментальных работ по усовершенствованию производства хризотилцементных материалов, изделий и конструкций и улучшению их свойств, а также технологии изготовления позволит создать более эффективные типы.
Выводы
2 Развитие инновации по технологиям получения цементов на КЦЗ отвечало бы требованиям кластерного развития строительного сектора по проекту правительства о диверсификации экономики республики. Для производства хризотиловых изделий на предприятиях ТОО «КЗАЦИ» вследствие особенностей минералогического состава и физико-механических свойств новых цементов, последние являются более ценными по сравнению с традиционным цементом КЦЗ. Также целесообразно применение способа экструзии, позволяющего переориентировать волокна в хризотилцементе за счет регулирования движения хризотилцементной пасты в экструзионной машине, что повышает конкурентоспособность продукции.
3 Для строительного проекта, предусмотренного ТОО «КЗАЦИ», предлагаются вспучивающиеся составы на базе местных материалов способные приклеиваться к стенкам конструкций и обеспечивать эффективную тепло- и пароизоляцию поверхности конструкций из хризотилцементных материалов.
1. Садуакасов А.С., Шайкежанов А.Ш., Баттаков С.Б. Высокоалитовый портландцемент из нетрадиционного сырья. Алматы, 1998. 219 с.
2. Берней И. И. Технология асбестоцементных изделий: Учебн. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1977. 229 с.
3. https://deicide.tv/
4. Еремин Н. Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М.: Высш. школа, 1986. 277 с.
5. Калмагамбетова А.Ш. Комплексные вспучивающиеся защитные материалы для металлических и деревянных строительных конструкций. Автореф. дис. канд. техн. наук. Алматы, 2006.
6. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве. М.: Стройиздат, 1969. 197 с.
ӘОЖ 621.01.531.3
Конструкцияның сенімділігін кернеудің біркелкі және экстремальдық таралуынан анықтау |
1 Ж.Б. БӘКІРОВ, т.ғ.д., профессор, 1 А.Ә. ТӘҢІРБЕРГЕНОВА, т.ғ.к., доцент, 2 М.А. БЕРІКБАЕВА, оқытушы, 1 Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті, 2 Теміртау политехникалық колледжі |
Есептік (эквиваленттік) және шектік кернеулердің жиі кездесетін біріккен таралу заңдары бойынша сенімділікті анықтау үшін формулалар шығарамыз. Есептік кернеу біркелкі таралу бойынша бейнеленеді. Ал шектік кернеу қалыпты, логарифмдік қалыпты, Вейбулл, гамма – таралу бойынша.
Кернеу біркелкі таралуға
кезінде; және кезінде, ие болса, онда
формуласы бойынша
Бұдан (1)
а) Енді шектік кернеу қалыпты заңға бағынсын. Сонда
Белгілеулер енгіземіз:
және жазамыз
Бұдан шығатыны
б) Енді шектік кернеу логарифмді қалыпты таралуға ие болсын. Сонда (1)-ке сәйкес жазамыз
(2)
мұндағы
Қарастырылатын жағдай үшін
ескеріп, аламыз
Айнымалыларға ауыстыру жасап t = (lnR – mz) / σz, қайта жазамыз
мұндағы , .
Белгілі интегралдарды қолданып
жазамыз
ескеріп, аламыз
Бұл өрнекті (2) қоя отырып, аламыз
в) Шектік кернеу гамма – таралуға бағынады
г) Шектік кернеу Вейбулл заңымен таратылсын
параметрлері R0, α, β.
Мұнда үш жағдайды қарастыру керек: R0 ≤ a; a < R0 ≤ b; R0 > b.
Бірінші жағдайда (2)-де
Айнымалыларға ауыстыру жүргізіп t = (R – R0)β / α, аламыз
Онда – ні ескеріп, аламыз
мұндағы
Барлығын (2)-ге қойып, аламыз
Екінші жағдайда төменгі шекті J үшін өрнекті R0-ға ауыстыру керек. Онда алдыңғы өрнекке ta = 0-ді қою керек
Экстремальды мәндердің таралуы, егер істен шығу жағдайы кездейсоқ сандар тізбегінің аз немесе көп мәндеріне тәуелді болса, қолданылады. Олар беріктік сұрақтары үшін үлкен қызығушылыққа ие. Ол былай түсіндіріледі, беріктік есептерінде бізге керекті жүктемелердің көп мәндері, ал беріктіктің аз мәндері болуы.
Элементтердің істен шығуы бұзылудан немесе қажудан болады, оларды әлсіз буын немесе үлкен ақаулар принципі негізінде бейнелеуге болады. Алғашқы жағдайда элементтердің беріктіктері оның әлсіз буындарының беріктіктерінен анықталады, ал екіншісінде – көп ақаулардың болуымен анықталады. Ақаулар өндірістік процестердің параметрлерінің ауытқуымен, рұқсат етілуден шығып кетумен, материалдардың біркелкі еместігінен және т.б. болады.
Егерде беріктіктің «буындарында» алғашқы таралулары нормаль болып табылса, онда беріктік I-ші аз типті таралуына ие. Ал егер, алғашқы болып Вейбулл таралуы табылса, онда беріктіктер экстремалды типтерінің III – таралуына ие. I – тип мәндерінің біраз шамадағы таралулары біршама ақаулардың принциптерін пайдалануымен байланысты.
Кездейсоқ шамадан артық жүктелуді ең үлкен мәндердің таралуымен сипаттауға болады. Егер алғашқы таралу экспоненциалды немесе нормальды болып табылса, онда I-ші ең үлкен типтің таралуын қабылдаған дұрыс. III – типтерінің таралулары жиі кездеседі. II типтің ең үлкен мәндерінің таралулары желдің ең үлкен жылдамдықтарының сараптамалары үшін қолданылады.
Тоқтамай жұмыс жасау ықтималдықтарын анықтауға көшеміз.
1. Беріктік III – типтің аз мәндерінің таралуына ие болсын, яғни Вейбулл таралуына бағынады.
1.1 Кернеудің I типі ең үлкен a > 0, таралуына ие. Онда формуласы бойынша мынаған ие боламыз:
мұндағы
(3) интегралының мәні A және C әртүрлі мәндері бойынша табуға болады.
1.2 Кернеу II-ші типтің ең үлкен таралуына ие. Алдыңғы есептеулерді қайталай отырып, мынаны аламыз
1.3 Кернеу III-ші типтің ең үлкен таралуларына ие. S0 < R0 кезінде ықтималдық P = 1-ге тең, S0 > R0 кезінде мынаған ие боламыз
Бұрынғы айнымалыларды ауыстырудан кейін мынаны аламыз
мұндағы
1.4 Егер кернеулер қалыпты заңға немесе Вейбулл заңына бағынса, онда тоқтамай жұмыс жасау ықтималдықтары Және формулаларына сәйкес анықталынады.
2. Беріктік I-ші типтің ең аз таралуына ие болсын
2.1 Кернеу I-ші типтің ең көп таралуына ие
Айнымалыларды ауыстыруларды жасаймыз
Онда
2.2 Кернеу II-ші типтің ең көп таралуына ие
Айнымалыларды ауыстырулардан кейін y=(S–S0)–b/a, аламыз
мұндағы
2.3 Кернеу III-ші типтің ең үлкен таралуына ие
Айнымалыларды ауыстырулардан кейін y=(S0–S)b/a, аламыз
мұндағы
2.4 Кернеу қалыпты таралуға ие. Айнымалыларды ауыстырғаннан кейін мынаған ие боламыз
(7)
2.5 Кернеу Вейбулл таралуына ие. Айнымалыларды ауыстырулардан кейін мынаған ие боламыз
3. Егер беріктік I-ші типтің ең көп таралуына ие болса, онда тоқтамай жұмыс жасау ықтималдықтары екінші жағдайлардағы сияқты (4-8 формулалар) екі есе экспонентіндегі аргументтердің таңбаларын қарама-қарсыға ауыстыру арқылы анықталады.
Есептік және шектік кернеулердің таралу заңдарының әртүрлі үйлесімінде конструкцияның геометриялық сипаттамалары мен сенімділік көрсеткіші арасындағы байланысты ескере, осы байланысты анықтайтын қатынастар алынды.
17 12 2014
6 стр.
17 12 2014
5 стр.
15 10 2014
1 стр.
25 12 2014
3 стр.
10 10 2014
1 стр.
14 12 2014
18 стр.
01 10 2014
1 стр.
16 12 2014
1 стр.