Патент на изобретение №2244920
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВОВ СЫПУЧИХ СИСТЕМ УПЛОТНЕННОГО ТИПА
(57) Реферат:
Изобретение относится к испытанию свойств материалов и может быть использовано в технологии строительных, керамических, металлических, полимерных композиционных материалов, керамики, огнеупоров, керметов, порошковой металлургии и в других производствах, где в качестве сырьевых компонентов используют сыпучие зернистые смеси. В способе определения составов сыпучих би- новенарных систем уплотненного типа при размерах зерен во фракциях d1>d2>d3>…>d9>d10 и при отношениях размеров зерен d2/d1, d3/d2, …, d10/d9 больше 0,155 объемы фракций определяют по формулам для бинарных систем V1=1 м3, У1 = 1-d2 /d1, V2 = 1 м3· У1· Vп1, м3, для тернарных систем Vсм2=1 м3, У2 = 1-d3/d2cp., V3 = 1 м3· У2· Vпсм2, м3, для кватернарных систем Vсм3 =1 м3, У3 = 1-d4/d3cp., V4 = 1 м3· У3· Vпсм3, м3, для квинарных систем Vсм4 = 1 м3, У4 = 1-d5/d4cp., V5 = 1 м3·У4·Vпсм4, м3, для сенарных систем Vсм5 = 1 м3, У5 = 1-d6/d5cp., V6 = 1 м3·У5·Упсм5, для септенарных систем Vсм6 = 1 м3, У6 = 1-d7/d6cp., V7 = 1 м3·У6·Vпсм6, для октонарных систем Vcм7=1м3, У7=1-d8/d7cp., V8=1м3· У7· Vпсм7, для новенарных систем Vсм8=1 м3, У8=1-d9/d8cp., V9=1 м3· У8· Vпсм8, где V1, V2, …, V9 – насыпной объем фракции с размером зерен соответственно d1, d2, …, d9, м3, Vсм2, Vсм3,…, Vсм8 – насыпной объем бинарной, тернарной… октонарной сыпучей системы уплотненного типа, м3, У1, У2 ,…, У8 – коэффициент степени уплотнения фракции с размером зерен d1 фракцией с размером зерен d2, уплотнения бинарной сыпучей системы со средним размером зерен d2cp. фракцией с размером зерен d3, …, уплотнения октонарной сыпучей системы со средним размером зерен d8cp. фракцией с размером зерен d9, Vп1 – величина пустотности фракции с размером зерен d1, Vпсм2, Vпсм3 ,…, Vпсм8 – величина пустотности бинарной, тернарной ,…, октонарной сыпучей системы уплотненного типа. Технический результат – снижение затрат труда и времени на проведение испытаний, исключение эмпирического метода подбора плотных смесей, разработка универсальной методики расчета смесей различного состава, возможность оптимизации составов плотных смесей на основе разнородных по природе материалов с использованием средств электронной вычислительной техники. 1 табл.
Изобретение относится к области испытаний и определения свойств материалов и может быть использовано в технологии строительных, керамических, металлических, полимерных композиционных материалов, керамики, огнеупоров, керметов, порошковой металлургии и в других производствах, где в качестве сырьевых компонентов используют сыпучие зернистые смеси. Известен лабораторный метод определения плотной смеси на основе щебня, мелкого щебня, песка и мелкого песка. Способ обеспечивает увеличение объемной массы смеси с 1,6 до 2,2 кг/м3 (Борщ И.М., Вознесенский В.А., Мухин В.З. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. Киев, Вища школа, 1981, 296 с., стр.266). Однако плотные смеси получаются на основе разнородных сыпучих материалов с большим разрывом в размерах твердых тел. Эмпирический метод увеличения плотности минеральных смесей (метод подбора) широко применяется в производстве бетонных и асфальтобетонных смесей. В основе создания изобретения лежит задача по разработке такого способа, который позволяет расширить сферу применения физического явления упаковки зерен неправильной формы и различных размеров для получения сыпучих смесей уплотненного типа, обеспечить возможность определения соотношения фракций в многофракционных зернистых смесях с целью увеличения содержания в сыпучей системе монолитного материала. Технический результат достигается тем, что при определении составов проектируемых сыпучих смесей используют природное физическое явление самопроизвольной упаковки зерен меньших размеров в среде твердых тел больших размеров. Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе используют отношения размеров твердых тел во фракциях и аналитические методы расчета составов систем уплотненного типа с учетом объемно-массовых и гранулометрических характеристик отдельных фракций и уплотненных смесей на их основе. В способе определения составов сыпучих би- новенарных систем уплотненного типа при размерах зерен во фракциях d1>d2>d3>… >d9>d10 и при отношениях размеров зерен d2/d1, d3/d2,… , d10/d9 больше 0,155 объемы фракций определяют по формулам для бинарных систем V1=1 м3, У1=1-d2/d1, V2=1 м3· У1· Vп1 м3, для тернарных систем Vсм2=1 м3, У2=1-d3/d2cp., V3=1 м3· У2· Vпcм2, м3, для кватернарных систем Vсм3=1 м3, У3=1-d4/d3cp., V4=1 м3· У3· Vпсм3, м3, для квинарных систем Vсм4=1 м3, У4=1-d5/d4cp., V5=1 м3· У4· Vпcм4, м3, для сенарных систем Vсм5=1 м3, У5=1-d6/d5cp., V6=1 м3· У5· Упсм5, для септенарных систем Vсм6=1 м3, У6=1-d7/d6cp., V7=1 м3· У6· Vпсм6, для октонарных систем Vсм7=1 м3, У7=1-d8/d7cp., V8=1 м3· У7· Vпсм7, для новенарных систем Vсм8=1 м3, У8=1-d9/d8cp., V9=1 м3· У8· Vпсм8, где V1, V2,… , V9 – насыпной объем фракции с размером зерен соответственно d1, d2,… , d9, м3, Vсм2, Vсм3… Vcм8 – насыпной объем бинарной, тернарной… октонарной сыпучей системы уплотненного типа, м3, У1, У2… У8 – коэффициент степени уплотнения фракции с размером зерен d1 фракцией с размером зерен d2, уплотнения бинарной сыпучей системы со средним размером зерен d2cp. фракцией с размером зерен d3… уплотнения октонарной сыпучей системы со средним размером зерен d8cp. фракцией с размером зерен d9, Vп1 – величина пустотности фракции с размером зерен d1, Vпсм2, Vпсм3… Vпсм8 – величина пустотности бинарной, тернарной … октонарной сыпучей системы уплотненного типа. В заявляемом способе определения составов сыпучих систем уплотненного типа учитываются пределы отношений размеров твердых тел в исходных фракциях (dn/dn-1>0,155), а также величины пустотности уплотняемых фракций и уплотненных смесей, которые подвергаются дальнейшему уплотнению фракциями сыпучих материалов с меньшими размерами твердых тел. Изменение составов и структуры зернового скелета сыпучих смесей уплотненного типа происходит в единице объема системы (1 м3, 1 л). Любое увеличение содержания материала в единице объема всегда сопровождается снижением объема пустот в системе с пропорциональным увеличением содержания монолитного материала и объемной массы. Примеры расчета составов сыпучих систем (смесей) уплотненного типа Исходные данные: Фракции с размерами зерен d1=45 мм, d2=15 мм, d3=25 мм, d4=20 мм, d5=15 мм, d6=10 мм, d7=5 мм
Пример 1. Определение состава сыпучей смеси на основе фракций с размерами зерен d1=45 мм и d2=30 мм У=1-30/45=0,333; Vп45=1-1380/2700=0,489 V45=1 м3, G45=1380 кг/м3, V30=1 м3· У· Vn45=1 м3· 0,333· 0,489=0,163 м3 G30=V30· Объемная масса смеси равна:
Содержание фракции с размерами зерен d1=45 мм составляет 1380/1603=0,861 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d2=30 мм составляет 223/1603=0,139 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 45-0,861=38,75 30-0,139=4,17 dcp.=42,92 мм. В уплотненной смеси величина пустотности определяется по формуле: Vпcм=1- Пример 2. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 1) и фракции с размерами зерен d3=25 мм, dcp.cм=42,92 мм, У=1-25/42,92=0,418 dcp.cм=42,92 мм У=1-25/42,92=0,418 V45-30=1 м3, Gсм=1603 кг, V25=1 м3· У· Vпсм=1 м3· 0,418· 0,406=0,170 м3 G25=0,170 м3· 1365 кг/м3=232 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30) составляет 1603 кг/1835 кг=0,874 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d3=25 мм составляет 232 кг/1835 кг=0,126 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 42,92 мм – 0,874=37,51 мм 25 мм – 0,126=3,15 мм dcp.=40,66 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-1835/2700=0,320, безразмерная величина. Пример 3. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы dcp.cм=40,66 мм, Vпcм=0,320. У=1-20/40,66=0,508 (пример 2) и фракции с размерами зерен d4=20 мм, V45+30+25=1 м3, Gсm=1835 кг, V20=1 м3· У· Vпcм=1 м3· 0,508· 0,320=0,163 м3 G20=0,163-1360=221 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30+V25) в рассчитанном составе составляет 1835 кг/2056 кг=0,893 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d4=20 мм в рассчитанном составе смеси составляет 221 кг/2056 кг=0,107 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 40,66 мм – 0,893=36,31 мм 20 мм – 0,107=2,14 мм, dcp=38,45 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2056/2700=0,239, безразмерная величина. Пример 4. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 3) и фракции с размерами зерен d5=15 мм, dcp.cм=38,45 мм, Vпcм=0,239. У=1-15/38,45=0,610 V45+30+25+20=1 м3, Gcм=2056 кг, V15=1 м3· У· Vпcм=1 м3· 0,610· 0,239=0,146 м3 G15=0,146 м3· 1355 кг/м3=198 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30+V25+V20) в рассчитанном составе составляет 2056 кг/2254 кг=0,912 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d5=15 мм в рассчитанном составе смеси составляет 198 кг/2254 кг=0,088 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 38,45 мм – 0,912=35,07 мм 15 мм – 0,088=1,32 мм dcp=36,39 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2254/2700=0,165, безразмерная величина. Пример 5. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 4) и фракции с размерами зерен d6=10 мм dcр.см=36,39 мм, Vпcм=0,165. У=1-10/36,39=0,725 V45+30+25+20+15=1 м3, Gсм=2254 кг, V10=1 м3· У· Vпcм=1 м3· 0,725· 0,165=0,120 м3 G10=0,120 м3· 1350 кг/м3=162 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30+V25+V20+V15) в рассчитанном составе составляет 2254 кг/2416 кг=0,933 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d6=10 мм в рассчитанном составе смеси составляет 162 кг/2416 кг=0,067 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 36,39 мм· 0,933=33,95 мм 10 мм· 0,067=0,67 мм dcp.см=34,62 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2416/2700=0,105, безразмерная величина. Пример 6. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 5) и фракции с размерами зерен d7=5 мм, dcp.cм=34,62 мм, Vпcм=0,105. У=1-5/34,62=0,856 V45+30+25+20+15+10=1 м3, Gcм=2416 кг, V5=1 м3· У· Vпсм=1 м3· 0,856· 0,105=0,090 м3 G5=0,090 м3· 1343 кг/м3=121 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30+V25+V20+V15+V10) в рассчитанном составе составляет 2416 кг/2537 кг=0,952 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d7=5 мм в рассчитанном составе смеси составляет 121 кг/2537 кг=0,048 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 34,62 мм· 0,952=32,96 мм 5 мм· 0,048=0,24 мм dcp.cм=33,2 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2537/2700=0,06, безразмерная величина. Результаты расчета составов сыпучих систем уплотненного типа обобщены в таблице.
Проверка правильности расчета составов сыпучих систем уплотненного типа
Vсм=Vм+Vпcм=0,940 м3+0,060 м3=1,000 м3 Определение среднего размера зерен в рассчитанном составе сыпучей системы уплотненного типа 45 мм· 0,544=24,48 м 30 мм· 0,088=2,64 мм 25 мм· 0,091=2,28 мм 20 мм· 0,087=1,74 мм 15 мм· 0,078=1,17 мм 10 мм· 0,064=0,64 мм 5 мм· 0,048=0,24 мм dср.см=33,19 мм В примере 6 dср.см=33,2 мм Определение величины пустотности сыпучей смеси на основе семи фракций (октонарная система) Vп45=0,489 Vпсм=1 м3· Vп1, (1-Y1)=1 м3· 0,489· 0,666=0,326 м3 Vп30=0,163· 0,493 (1-0,166)=0,067 м3 Vп25=0,170· 0,494 (1-0,4)=0,050 м3 Vп20=0,163· 0,496 (1-0,25)=0,061 м3 Vп15=0,146· 0,498 (1-0,333)=0,048 м3 Vп10=0,120· 0,5 (1-0,5)=0,030 м3 Vп5=0,09· 0,503=0,045 м3 Vпcм=1-2537/2700=0,06 м3 Vпcм2=0,489-0,083=0,406 м3 Vпсм3=0,406-0,086=0,320 м3 Vпсм4=0,320-0,082=0,238 м3 Vпcм5=0,238-0,073=0,165 м3 Vпcм6=0,165-0,060=0,105 м3 Vпcм7=0,105-0,045=0,06 м3 Vпсм=1 м3-0,940 м3=0,06 м3 В примере 6-Vпсм=0,06 м3. Пример 7. Определение состава сыпучей смеси на основе фракций с размерами зерен d1=45 мм и d3=25 мм У=1-25/45=0,444; Vп45=1-1380/2700=0,489. V45=1 м3, G45=1380 кг, V25=1 м3· У· Vп45=1 м3· 0,444· 0,489=0,217 м3 G25=0,217 м3· 1365 кг/м3=296 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание фракции с размерами зерен d1=45 мм в рассчитанном составе составляет 1380 кг/1676 кг=0,823 масс. солей. Содержание фракции с размерами зерен d3=25 мм в рассчитанном составе смеси составляет 296 кг/1676 кг=0,177 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 45 мм· 0,823=37,04 мм 25 мм· 0,177=4,45 мм dcp.cм=1,47 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-1676/2700=0,379, безразмерная величина. Пример 8. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 7) и фракции с размерами зерен d5=15 мм dср.см=41,47 мм, Vпсм=0,379. У=1-15/41,47=0,638 V45+25=1 м3, Gсм=1676 кг, V15=1 м3· У· Vпcм=1 м3· 0,638· 0,379=0,242 м3 G15=0,242 м3· 1355 кг/м3=328 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V30) в рассчитанном составе составляет 1676 кг/2004 кг=0,836 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d5=15 мм в рассчитанном составе смеси составляет 328 кг/2004 кг=0,164 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 41,47 мм-0,836=34,67 мм 15 мм· 0,164=2,46 мм dcp=37,13 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2004/2700=0,258, безразмерная величина. Пример 9. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 8) и фракции с размерами зерен d7=5 мм dсp.см=37,13 мм, Vпсм=0,258. У=1-5/37,13=0,865 V45+25+15=1 м3, Gcм=2004 кг, V5=1 м3· У· Vпсм=1 м3· 0,865· 0,258=0,223 м3 G5=0,223 м3· 1343 кг/м3=300 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V25+V15) в рассчитанном составе системы составляет 2004 кг/2304 кг=0,870 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d7=5 мм в рассчитанном составе смеси составляет 300 кг/2304 кг=0,130 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 37,13 мм· 0,870=32,30 мм 5 мм· 0,130=0,65 мм dcp.cм=32,95 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2304/2700=0,147, безразмерная величина. Пример 10. Определение состава сыпучей смеси на основе фракции с размерами зерен d1=45 мм и d4=20 мм У=1-20/45=0,556; Vп45=1-1380/2700=0,489. V45=1 м3, G45=1380 кг, V20=1 м3· У· Vп45=1 м3· 0,556· 0,489=0,272 м3 G20=0,272 м3· 1360 кг/м3=370 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание фракции с размерами зерен d1=45 мм в рассчитанном составе составляет 1380 кг/1750 кг=0,789 масс. долей Содержание фракции с размерами зерен d4=20 мм в рассчитанном составе смеси составляет 370 кг/1750 кг=0,211 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 45 мм – 0,789=35,51 мм 20 мм – 0,211=4,22 мм dcp.cм=39,73 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпсм=1-1750/2700=0,352, безразмерная величина. Пример 11. Определение состава сыпучей смеси на основе уплотненной системы (пример 10) и фракции с размерами зерен d7=5 мм dcp.cм=39,73 мм, Vпсм=0,352. У=1-5/39,73=0,874 V45+20=1 м3, Gсм=1750 кг, V5=1 м3· У· Vпсм=1 м3· 0,874· 0,352=0,308 м3 G5= 0,308 м3· 1343 кг/м3=413 кг. Объемная масса смеси равна:
Содержание смеси (V45+V20) в рассчитанном составе составляет 1750 кг/2163 кг=0,809 масс. долей. Содержание фракции с размерами зерен d7=5 мм в рассчитанном составе смеси составляет 413 кг/2163 кг=0,191 масс. долей. Средний размер зерен в рассчитанном составе смеси составляет 39,73 мм· 0,809=32,14 мм 5 мм· 0,191=0,96 мм dcp.cм=33,1 мм Величина пустотности рассчитанного состава смеси равна: Vпcм=1-2163/2700=0,199, безразмерная величина. В строительном павильоне университета проведены опытно-лабораторные испытания способа определения состава смесей уплотненного типа на основе гранитного известнякового щебня, на основе фракционированного кварцевого песка и на основе фракций гравия. Экспериментальные данные подтверждают достоверность соотношения фракций в рассчитанных составах бинарных и тернарных смесей на основе разнородных по природе исходных материалов (щебень, гравий, кварцевый песок). По предлагаемому способу определения составов сыпучих систем обеспечивается снижение трудовых затрат и времени на проведение испытаний сырьевых материалов, исключается эмпирический метод подбора плотных смесей, обеспечивается расчет составов смесей щебня, смесей песка, смесей гравия, смесей минеральных и органических порошков, смесей гранул, смесей сферофракций и т.д. по единой, универсальной методике. Предлагаемый способ определения составов сыпучих смесей обеспечивает возможность оптимизации составов плотных смесей на основе разнородных по природе материалов с использованием средств электронной вычислительной техники.
Формула изобретения
Способ определения составов сыпучих би- новенарных систем уплотненного типа, характеризующийся тем, что при размерах зерен во фракциях d1>d2>d3>…>d9>d10 и при отношениях размеров зерен d2/d1, d3/d2, …, d10/d9 больше 0,155 объемы фракций определяют по формулам: для бинарных систем V1=1м3, У1 = 1-d2 /d1, V2 = 1м3· У1· Vп1, м3, для тернарных систем Vсм2=lм3, У2 = 1-d3/d2cp, V3 = 1м3· У2· Vпсм2, м3, для кватернарных систем Vсм3 =1 м3, У3 = 1-d4/d3cp, V4 = 1м3· У3· Vпсм3, м3, для квинарных систем Vсм4 = 1 м3, У4 = 1-d5/d4cp, V5 = 1 м3·У4·Vпсм4, м3, для сенарных систем Vсм5 = 1 м3, У5 = 1-d6/d5cp, V6 = 1 м3·У5·Упсм5, для септенарных систем Vсм6 = 1 м3, У6 = 1-d7/d6cp, V7 = 1 м3· У6· Vпсм6, для октонарных систем Vcм7=1м3, У7=1-d8/d7cp, V8=1м3· У7· Vпсм7, для новенарных систем Vсм8=1 м3, У8=1-d9/d8cp, V9=1м3· У8· Vпсм8, где V1, V2, …, V9 – насыпной объем фракции с размером зерен соответственно d1, d2, …, d9, м3, Vсм2, Vсм3,…, Vсм8 – насыпной объем бинарной, тернарной…октонарной сыпучей системы уплотненного типа, м3, У1, У2,…,У8 – коэффициент степени уплотнения фракции с размером зерен d1 фракцией с размером зерен d2, уплотнения бинарной сыпучей системы со средним размером зерен d2cp фракцией с размером зерен d3…, уплотнения октонарной сыпучей системы со средним размером зерен d8cp фракцией с размером зерен d9, Vп1 – величина пустотности фракции с размером зерен d1, Vпсм2, Vпсм3,…,Vпсм8 – величина пустотности бинарной, тернарной, …, октонарной сыпучей системы уплотненного типа.
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 13.05.2005
Извещение опубликовано: 20.02.2007 БИ: 05/2007
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||