物理试验研究（精选10篇）
物理试验研究 篇1
弧形闸门具有启闭力小、过流流态好、运转可靠、闸墩厚度小等优点,因此在水利工程中的应用越来越多[1,2]。例如南京划子口的大跨度弧形闸门[3]、嘉陵江新政航电泄洪弧形闸门[4]等。但是,弧形闸门在水工程中的服役受到多因素的干扰,当弧形闸门在高淹没度条件下启闭时,水流脉动压力会对门体的安全运行造成极不利的影响[5]。例如1966年浙江省某排涝挡潮闸和1971年江苏省某节制闸弧形闸门的失事。前者失事是因为潮浪冲击使闸门发生支臂失稳破坏,后者是因为风浪冲击门叶上部使闸门主梁上弦杆断裂[6,7]。
某水利枢纽布置有18孔16m×17.5m(宽×高)弧形工作闸门,由于闸底板高程设置较低,该闸门需在高淹没度条件下局部开启,运行过程中将不可避免地要受到下游水流漩滚的冲击,水流脉动压力将对门体的安全运行造成不利的影响,而且该闸门接近超大型弧形闸门。为保证闸门的安全运行,本文将结合该工程实例,通过对闸门结构的数值分析、物理模型试验研究,完善闸门的结构设计,优化设计方案,揭示其存在的问题,提出合理化建议,为设计、运行管理提供科学依据,确保闸门的运行安全。
1 物理模型试验设计
1.1 闸门物理模型基本资料
模型的设计与制作均按相关规范[8,9]中的有关规定进行。本试验选择水力学模型几何相似比尺为λl=25,按重力相似准则进行设计,几何正态。相应的其他物理量比尺见表1。
由于本工程主要研究弧形工作闸门在启闭及局部开启情况下的静、动力特性,因此闸门水力学模型模拟其中一个完整的泄洪闸孔,沿水流方向主要模拟范围为泄洪闸进口段、闸室段以及下游连接段,模型上游通过连接段与进水池直接连接,下游增加一定的过渡段后与下游出水池相接,以保证闸室段前后的水流流动相似,模型布置见图1。
1.2 闸门物理模型制作
由于本工程主要研究弧形工作闸门在启闭及局部开启情况下的静、动力特性,因此闸门水力学模型模拟其中一个完整的泄洪闸孔(含泄洪闸进口段、闸室段以及下游连接段,模型上游通过连接段与进水池)。为了流态观察方便,闸室段至消力池段(消力池尾坎桩号为坝横0+107.0m)全部采用有机玻璃进行制作,上下游连接段采用水泥沙浆进行制作。闸门采用白铁皮制作,模拟其结构形式、钢板厚度,布置见图2。为了闸门启门力测试的准确性,闸门制作过程中准确模拟闸门各部分的几何尺寸、闸门重量以及闸门的质量分布,制作完毕的模型闸门实测自重(换算到原型)约252t。
1.3 模型控制装置及量测仪器
原型闸门的启闭控制采用两侧各设置一台油压启闭机进行同步控制,即双吊点启闭控制方式。闸门物理模型试验主要模拟闸门的启闭过程,并且对启闭机的启闭力进行测量。
模型上下游水位观测同时由振动针式水位仪和水位测针进行观测,前者可与计算机联接,后者由人工测量;闸门启闭过程中的启闭力和支铰推力均采用有标准电压输出(±5V)的SF200系列拉压力传感器,通过CRAS V4.0X数据采集系统进行采集与分析;闸门启闭过程中闸门面板的位置随闸门转动过程不断发生变化,时均动水压强难以采用传统的测压管法进行测量,本试验中采用CYG1144型压力传感器作为一次仪表,由CRAS V4.0X数据采集系统进行采集与分析;闸门启闭过程中出闸水流流态通过拍照及摄像的方法进行水流流动的辅助测量。
2 闸门物理模型试验
2.1 试验工况
本模型试验中采用固定一个下游水位,将上游水位进行分级试验的方法进行。共对10种工况进行试验研究,孔口高度按校核水位49.00m与闸底板高程30.00m的差计算,具体试验工况见表2。
2.2 过闸水流流态
工况9、工况10因闸下水位较低,闸门各开启高度下,过闸水流均为自由出流流态,闸后水跃跃首位于消力池池首及下游附近,属于临界或远驱水跃,闸下的水跃旋滚对闸门没有冲击等不利影响。
工况1~工况8由于下游水位较高,几乎闸门所有开启条件下,过闸水流均处于闸孔淹没出流状态。上下游水位差较小时,闸门上下游水流平稳,水面波动较小,过闸水流在闸门后形成的漩滚不明显。上下游水位差较大,当闸门开启高度较小时(小于孔口高度的20%),上下游水流仍然较平稳,水面波动不大,闸门后漩滚较弱;当开启高度较大时(约孔口高度的50%),上下游水流波动剧烈,闸门后形成明显的强烈漩滚,而且水流漩滚对闸门有明显的拍击作用。试验过程见图3。
2.3 闸门面板时均动水压强
本工程闸门需在高淹没度条件下局部开启,运行过程中除了闸门上游面板受水流压强的作用外,下游面板也受门后漩滚的冲击作用。为了全面观测闸门上下游面板的时均动水压强分布,模型中分别在上下游侧闸门面板中线各布置了6个和5个压力传感器,其中1~6号测点布置于闸门上游侧面板,7~11号测点布置于闸门下游侧面板。闸门不同开度各压强测点对应的高程见表3。由于闸门在不同开度位置时各压强测点的高程将随闸门开度的不同而变化,闸门不同开度各压强测点对应的高程也将随之变化。部分工况试验结果见表4,典型工况特征开度闸门面板时均动水压强分布见图4。
(上游水位49.00m,下游水位44.13m,闸门开度0.6)
m
kPa
注:“-”表示该测点在本工况下处于水位线以上,测点无测值。
通过分析工况2~工况10共9种工况的试验结果可以得出,闸门上下游面板的时均动水压强总体上呈底部大、上部小的规律分布。
2.4 闸门启闭力
弧形闸门在启闭过程中,闸门重心、作用在闸门上的水压力荷载以及启闭机的力臂均随闸门开度的变化发生变化,为了了解整个闸门启闭过程中启闭力的变化规律,验证启闭机容量设计的合理性,试验中对8种(工况1~工况8)水位组合工况闸门在开启和关闭过程中的启闭力进行了测试。
试验分析表明,闸门启闭过程中,相同开度条件下启门力大于闭门力。闸门开启过程中总体上启门力随着开度的增加而增加,在开度0.6附近启门力达到最大值,之后启门力稍有减小后再有所增加。最大启门力出现在工况4的0.6开度,启门力为3 145kN,没有超过启闭机的容量。根据项目要求,试验中对工况9、工况10闸门从关闭状态开启瞬时的启门力进行了测试,试验测得闸门挡水开启瞬时最大启门力出现在工况9,最大启门力为3 169kN。
2.5 闸门支铰推力
(1)闸门挡水支铰推力。试验中对闸门另设5种挡水工况,进行支铰的推力测量,测量结果见表5。
表5中的结果表明,在闸下水位不超过闸底板高程(30.00m)时,随着闸门挡水水位的升高,支铰推力也随之增加;相同上游水位,闸下水位超过闸底板高程(30.00m)时,支铰推力随下游水位的升高而减小。
(2)闸门启闭过程支铰推力。试验中对工况A、工况C和工况E 3种水位组合下闸门启闭过程的支铰推力进行了测量,测量结果见表6。
kN
由表6中的结果可以看出,与挡水工况相比,闸门启闭过程中支铰推力总体上不大。闸门开启和关闭过程中,支铰推力基本一致,同一开度条件下,上下游水位差对支铰推力的影响较显著。
(3)闸门开启瞬时支铰推力。由于闸门挡水时闸门开启的瞬间,启闭机杆的拉力也会传递至支铰,增加支铰的推力,因此试验中为观测启闭瞬时支铰推力,添加了3种挡水工况,闸门启闭瞬时的支铰推力测量结果见表7。
从表7中的结果可以看出,闸门挡水启闭瞬时支铰推力比相应挡水工况有较大的增加,实测最大支铰推力为12 475kN。
3 结语
本文考虑到弧形闸门在高淹没度条件下启闭时下游水流漩滚所引起水流脉动压力对门体安全的不利影响,结合某水利枢纽工程实例进行弧形闸门的物理模型试验,以不同的闸门启闭状态、闸门开度、上下游水位组合出10种工况,并对闸门在不同工况下的流态、动水压强、闸门启闭力和支铰推力进行了观测或分析。
给出了上下游水位与闸门开度对流态的影响及面板时均动水压强总体上呈底部大、上部小的分布规律;测出启闭过程中最大启门力为3 145kN,瞬时最大启门力3 169kN,没有超过启闭机的容量;试验数据分析可知在挡水位较低或者水位差较小时启闭闸门可减小闸门支铰推力。该试验结论对其他类似工程的分析研究具有一定的参考价值。
参考文献
[1]牛志国,李同春,赵兰浩,等.弧形闸门参数振动的有限元分析[J].水力发电学报,2008,27(6):101-104.
[2]刘晨生.浅谈大洑潭水电站溢流坝弧形闸门制造工艺[J].广东水利水电,2007,(5):64-66.
[3]陈锡林,沈长松.江苏水闸工程技术[M].北京:中国水利水电出版社,2013.
[4]李火坤,练继建,杨敏.新政航电泄洪弧形闸门水动力特性模型试验研究[J].中国农村水利水电,2006,(10):61-65.
[5]张燎军,陈文龙.吉林台深孔弧形闸门动力特性研究[J].广西水利水电,2003,(1):8-11.
[6]章继光,刘恭忍.轻型弧形钢闸门事故分析研究[J].水力发电学报,1992,(3):50-57.
[7]SL265-2001,水闸设计规范[S].
[8]SL155-95,水工(常规)模型试验规程[S].
[9]SL159-2012,闸门水力模型试验规程[S].
物理试验研究 篇2
——机器人编程与组装
由于我在初三毕业时候身边有同学参加了机器人组装与编程的比赛，因此在本次创新试验选择的时候毫不犹豫地选择了机器人编程与组装这个项目，原本只是想获得一些创新学分，但是，几次实验操作还是让我学到了不少东西。
我们组选择的是搭积木机器人，也是所有机器人当中相对比较简单的一个，这样做主要是为了对机器人的组装有个初步了解。
根据我先前的理解，机器人学科是一个涵盖知识面很广的交叉学科。机器人是集机械、电路、程序为一体自动控制的典型代表，它含软件编程也包含有硬件开发，机器人是一个非常好的培养我们综合素质和综合解决问题能力的教学工具。
在实践方面，最深的体会就是要善于勤于思考，主动动手动脑。创新实验不是平时大学物理实验课上的实验，只要按着老师讲的步骤做就行了。做的机器人所涉及的领域对于我们来说，可能是许多知识和常识的结合，没有人告诉我们一步步该怎么做。需要自己去找文献查资料根据一些指南，去弄明白我们为什么要那么做，然后确定要奋斗的方向。按照这个方向一点点努力，所以每一步都需要独立思考。其中会遇到很多困难，这个时候除了寻找帮助，最重要的还是自己思考。再不断地去学习摸索，直到找出解决问题的答案。当然，解决问题的答案是动手去做。只有动手去做，才会发现问题解决问题。还有一定要认真负责地对待实验。在一开头的时候大家的热情都很大，或者后来变得懒惰了。但既然做了，就要认真负责到底。这对培养一个人的责任心和自制力有很大作用，对维护团队精神也有很大影响。再有，本以为做实验很轻松，其实就算是一个零部件的组装，里面都有很大学问。这时在基础实验课上学到的东西就显得很有用了，养成良好的实验习惯很重要。最后，做实验的时候一定要细心做好记录。记录以前的实验过程，对结果的比较分析很有用。只有认真留意实验过程的细节，仔细分析结果才能不断改进和完善实验。
记得第一次去做实验培训的时候，老师送给我们一个“玩＂字，但是这个＂玩＂字前面还有一个词语，那就是＂认真＂，老师并不要求我们能够做出什么成果，但是必须要从实验当中有所收获，以一种轻松的心态面对创新实验。实验的进程的确充满了欢乐，我们小组成员之间的感情在实验过程中不断提升，即使是往机器人上拧一颗螺丝，大家也是争着抢着去做。
当然，通过这次创新实验，我发现自己在动手能力上与别的同学还有很大的差距，经常会出现装配错误的问题，当然，在这里我也要感谢我们组员对我的无限包容，每次我出现错误，他们总是对我做出耐心的指导。
物理试验研究 篇3
中学物理规律教学方法大致可以概括为两种：第一种是实验归纳法，是经过多次观察和实验进行归纳推理而得到。第二种是理论分析法，是根据已知的物理量，即物理概念和物理规律，经逻辑推理和数学推导而得到。中学物理所提到的物理规律大多数是通过第一种途径形成的。下面着重谈谈怎样从实验和观察入手帮助学生正确理解物理规律。
物理实验包括演示实验和学生实验两类。演示实验在物理规律教学中占有重要地位，物理规律一般反映了物理量之间的内在联系，所以阐述物理规律的形成的演示实验一般带有探索性。这类演示实验能启发学生思考，帮助学生总结出有关的物理规律。试验时，要引导学生进行“去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里”的思考，揭示物理规律，可以向学生先提出这样一个问题：“一杯水放在沸水锅中，保持杯底不触及锅底。当锅中的水继续用火烧时，杯中的水能够沸腾吗？”学生由于对沸腾的本质和条件以及物态变化中热传递的规律没有全面掌握，往往会错误的认为：只要不断用火烧，杯中的水肯定会沸腾。这时立即按提出的问题做这样一个演示小实验：保持锅中的水沸腾足够长时间，看到了杯中的水始终没有沸腾。这样先从实验事实否定同学们的判断，再由表及里的分析，液体沸腾必须达到两个条件：第一，达到沸点，第二，继续吸收热量。但锅中的水沸腾时间温度达到100℃，杯中的水也达到了100℃，杯中水和锅中水温度相同，锅中的水就不再向杯中的水传递热量，所以，杯中的水温度虽然达到了沸点，但不继续吸收热量是不会沸腾的。学生则从教师的演示实验中得到大量的感性知识，又由表及里分析思考，学生对舞台变化中的热传递规律有较为深入的认识。又如：为了使学生认识自由落体下落时间与物体质量无关的规律，教师可依次做如下演示实验：首先在同一高度，同时投放一枚硬币和一张纸片，结果硬币比纸片下落快。对此，有的学生认为，硬币重，下落快，纸片轻，空气阻力对其影响大，所以下落慢。实验之后，学生对现象的实质有所涉及，但真伪混杂。教师继续演示：把纸片揉成纸团，再和硬币从同一高度同时释放，让学生看到二者几乎同时着地。实验证明了第二种想法比较正确，逐渐去伪存真，由表及里。继续演示：想法把羽毛揉成团，挤出羽毛管中空气，让硬币、羽毛、塑料片同时从同一高度落下，三者落下的时间是相同的。学生又从教师所做的几个演示实验中得到大量的感性知识，经过由表及里的思考，认识到事物的本质，从而掌握了正确物理规律。
和演示实验相比，学生实验更容易激发学生强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣，使学生变被动为主动，成为学习的主人。学生实验进行时，每位学生都处于动手操作过程中，课堂气氛容易活跃，要求学生多动手，可以培养学生实验操作能力，总结物理规律的能力。学生实验也是实施素质教育的关键环节。
例如：在凸透镜成像规律的学习中，充分利用分组实验，让学生自己操作，把蜡烛放在大于2F处时，在光屏上得到清晰的像，比较蜡烛与像的大小，像的倒正。把蜡烛放在2F点，观察比较蜡烛与清晰像的大小以及位置的变化。当蜡烛继续向透镜靠近，即在1F——2F之间时，观察光屏上像的大小及位置变化。通过学生亲自操作，他们对照相机、幻灯机成像原理及成像规律掌握较好。又如：练习使用压强计研究液体内部压强的规律的实验。实验前教师要测出盐水密度，以便在做对比性分析时，掌握各种液体内部深度相同时的压强比的数据，以及引导学生得出结论。实验时严格控制各小组的液体不要混用。压强计小盒浸入液体内深度的测量，即在同一深度向各个方向压强的测量时，如何保持深度不变是操作上的难点，要求学生寻找一个支撑点，这样可以防止手的抖动引起的误差。组织学生讨论试验结果时，不仅要注意实验的结论，更要注意试验条件，即当液体密度相同时，液体内部压强和深度成正比，在同种液体内部同一深度，液体对各个方向的压强相等，在不同液体内部同一深度，液体内部压强的大小与液体的密度有关。这样，保证学生的主体地位与充分发挥教师的主导作用有机的结合起来，学生的个性能得到很好的发展。通过观察和实验使液体压强的规律从大量的具体事例抽象出来。也可使学生知道科学家探索发现物理规律的过程，提高学生的观察能力和逻辑思维能力，培养学生的实验动手能力和创造能力，帮助学生掌握科学的学习方法，促使学生科学品质和世界观形成。
兴趣是产生动机的重要条件，学生只有对学习的对象发生了兴趣，才能提高学习的积极性，主动性和创造性，物理实验具有直观、真实和生动的特点，能激发矛盾使学生注意力高度集中。实验中又能提供定量测量的方法，使人们对自然的认识从定性了解提高到定量分析的水平，从而对自然本质给予深入的揭示。实验又能培养学生的观察实验能力，思维能力，分析和解决实际问题的能力，同时培养了学生对客观事物研究，具有实事求是的尊重客观事实，避免主观臆断的科学态度和科学作风。
热管传热特性的物理试验研究 篇4
1 热管传热性能的物理模型试验
本试验通过自制的一套制冷保温系统对热管的冷凝段的空气温度进行制冷控温, 以实现对热管冷凝段的人工冷却。在人工冷却热管冷凝段的条件下, 对热管冷却试验土体的传热性能和土体的温度场等进行分析研究。
试验采用的热管参数如下。
外经:42mm;总长:2520mm;肋片高度:21mm;肋片厚度:1.2mm。
肋片数:32;工质:氨;充液率:12%。
热管埋入土中长度为1720, 外露800作为冷凝散热段。
试验土样采用饱和细砂, 为便于描述, 下文统称为“土体”。
2 热管传热性能物理模型试验结果分析
2.1 土体中各测点温度变化分析
沿热管径向不同距离处土体温度随试验时间的变化情况如图1所示。
试验后期稳定阶段土体的温度场分布情况如图2所示。
2.2 土体冻结速率分析
对试验后期稳定阶段的土体温度场进行分析可知, 在试验系统达到稳定时, 部分土体发生了冻结, 本节拟对土体的冻结速率进行分析。如表1所示。
3 结语
通过对物理模型试验结果进行分析和对比, 可以得出如下结论。
(1) 在人工冷却热管冷凝段试验过程中, 土体沿热管径向存在着明显的温度梯度:土体温度随着热管径向距离的增加而逐渐升高, 并且, 冷凝段控制温度越低, 径向的温度梯度越明显。
(2) 热管工作时, 其蒸发段管壁温度底部温度较高, 其他各处温度相对较低并且温度比较均匀, 具有较好的恒温特性;在试验前期冷凝段管壁温度随着冷凝段的空气温度而有一定波动, 在试验后期阶段, 整个系统的传热相对比较平稳, 冷凝段和蒸发段的管壁温度则基本保持不变, 并且随着冷凝段空气温度的降低, 热管的工作温差相应增大, 冷凝段控温为-20℃和-10℃的试验分组后期的热管工作温差约为3.3℃和0.8℃。
(3) 在长期稳定的工作状况下, 热管冷凝段的空气温度、土体的初始温度是影响热管工作效果和系统稳定后的温度场分布的重要因素。
参考文献
[1]赵秀锋, 郭东信.中国科学院青藏高原综合观测研究站年报 (第3卷) [M].兰州:兰州大学出版社, 1995.
物理试验研究 篇5
为了探索城市富营养化湖泊生态修复技术,9月在南京市莫愁湖物理生态工程试验区内,开展了隔离外源污染、覆盖底泥和种植水生植物对湖泊水质平均水平和水体脉动强度影响的比较研究.试验结果表明,通过围隔隔离外源污染可在较短时间内迅速改善湖泊TN的.平均水平,但难以提高湖泊生态系统的稳定性;通过覆盖底泥控制内源污染难以改善湖泊水质的平均水平,并且难以提高湖泊生态系统的稳定程度;种植水生植物不仅能够全面改善湖泊水质的平均水平,而且可以提高湖泊生态系统的稳定性.此外,富营养化湖泊中,藻类生长与湖水营养盐浓度并不存在正相关的关系.因此,对城市湖泊富营养化的防治,在控制外源污染降低营养盐浓度的同时,应恢复湖泊原有的以水生高等植物为主的生态系统.
作 者：成小英 李世杰 濮培民 CHENG Xiaoying LI Shijie PU Peimin 作者单位：成小英,CHENG Xiaoying(中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京,210008;江南大学工业生物技术教育部重点实验室,无锡,214036)
李世杰,濮培民,LI Shijie,PU Peimin(中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京,210008)
物理试验研究 篇6
关键词：黏土,淤泥,烧结多孔砖,物理性能
0 引言
我国幅员辽阔,有着众多的江河湖泊,每年上游冲刷及地表土流失,淤积到江河湖海的淤泥量极其庞大。为了改善河流、湖泊、近海等水域的水质以及保证河道正常的行洪、通航能力,我国对许多河道、湖泊、水库和海湾等水域都定期进行大规模的疏浚和清淤工程。
2000年国家经贸委、国家计委以962号文印发的《关于发展新型建材若干意见》中明确规定,“鼓励利用江河清淤、疏浚的淤泥生产黏土质墙体材料”。利用江河湖海淤泥替代黏土生产淤泥烧结多孔砖,既保护耕地,又使疏浚淤泥得以充分利用,一举多得。江苏省南通市从20世纪80年代初期就开始使用淤泥生产烧结砖,但不同河道的淤泥特点随着地点不同而有所变化。生产淤泥烧结多孔砖对淤泥原料的选择,其物理性能试验分析是基础。本文对南通境内不同地区采集的淤泥进行了淤泥密度、堆积密度及含水率测定,塑性指数及颗粒分析试验。
1 南通水网分布及淤泥资源储量
1.1 南通长江岸线和黄海滩涂概况
南通境内江海岸线422 km,其中江岸线219 km,海岸线203 km。由于地理位置独特,境内滩涂资源较为丰富,0 m以上潮间带滩涂面积共18万hm2,约占全省的1/3。长江是南通市最主要的河流,境内长江水域约642 km2,江面宽5～10 km。不仅提供了宝贵的水利资源和航运条件,而且随江水滚滚而来的大量泥沙淤积在区内沿江浅滩,仅市区天生港水道,年平均淤积量就达95万～100万m3。另外,由于潮汐作用,有大量泥沙流入内河[1,2]。
1.2 南通河道概况及淤泥储量
南通市境内河网纵横交错,内河河道共分五级。拥有一级河12条,长730 km;二级河111条,长1901 km;三级河1277条,长57 464 km[3]。区内土地酥松,水土流失,河道易于淤浅,需要周期性清淤,以保持水道畅通。近年来,南通各地积极采取措施,把制砖用土与水利建设结合起来,鼓励砖瓦企业向长江、内河要原料,不仅河道得以疏浚,恢复并提高了引排水能力,减少了污染,保护了环境,而且从根本上解决了砖、粮争地的矛盾。
据南通市水利发展“十一五”规划[1]及南通市国土资源局2008～2015规划[4]等数据,南通内河淤泥储量达约2.75亿m3[5],每年生产淤泥烧结砖需用淤泥量约500万m3[4];将河道淤泥作为一种非传统矿产资源加以规划、开发利用,可满足南通砖瓦企业原料土的需求。
淤泥用于替代黏土生产烧结砖,除了需要进行化学成分检测外,最基本的物理性能包括含水率、可塑性、干燥敏感性及颗粒组成等。
2 淤泥的密度、堆积密度、含水率试验及与黏土的对比
对长江南通段淤泥、南通内河淤泥与南通地区普通黏土的密度、堆积密度、含水率等进行了对比试验。
淤泥含水率根据取土的方式和环境不同区别很大。这里所取淤泥为出水晾晒、自然风干1～2个月的样本,从淤泥池取土时,在池表面4个角及中心位置选定取土点,去除上面10 cm表层后,每点取土样1000 g。试验室预处理时,先将长江淤泥、内河淤泥、黏土试样放于温度20℃、相对湿度75%的环境中静置2 d。按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》用烘干法测定含水率。各取淤泥试样10 g,放入称量盒内,盖上盒盖称量为湿土重,然后揭开盒盖,将称重盒放入105℃烘箱烘干至恒重,盖上盒盖冷却后再称量,以2次土重之差除以干土重即得绝对含水率。试样含水率、密度及堆积密度测试结果见表1。
一般而言,淤泥的堆积密度大表示其粗粒径颗粒(石子、砂)相对较多。试验结果表明,长江淤泥、内河淤泥及滩涂淤泥试样的含水率均低于黏土的平均含水率(16.08%),最大差值达3.12%。从含水率可得出,长江淤泥、内河淤泥和滩涂淤泥的黏性颗粒含量比黏土的含量相对少。总体上由于长江淤泥及滩涂淤泥中黏性颗粒含量相对较少,因此,保水性相对较差,导致在相同条件下测得的含水率稍低。所测淤泥样本含水率介于12.96%～15.82%,密度介于2.53～2.81 g/cm3,堆积密度介于1.48～1.80 g/cm3。以这部分淤泥样本试验结果而言,淤泥成型含水率可控范围较黏土小,增加了成型水分的控制难度。
3 塑性指数试验
3.1 样本选择与试验方法
淤泥取代黏土制砖最重要的依据是塑性指数的大小,该指数是黏土最基本、最重要的物理指标之一,它综合反映了黏土的物质组成,广泛应用于土的分类和评价。生产烧结黏土砖所使用土的塑性指数为7～15(工程上习惯不带%号,下同)。根据对调研地区土质特点的划分,对以下6个区域3批次取得的100余个土样进行了塑性指数试验分析:长江北岸沿江港口(以江泥为主),东部沿海地区海泥及内河淤泥(启东和如东沿海地区),南部沿江地区内河淤泥(市区沿江及海门沿江区段),西南地区内河淤泥(如皋高沙土地区),西北地区内河淤泥(海安里下河地区),中部地区内河淤泥(如东南部、海门西部及通州区交汇地区)。
试验按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》进行,试验装置采用GYS—2型液塑限联合测定仪,锥质量为100g,锥角为30°。
3.2 试验结果与分析
从所选择的有代表性的33个样本测定的塑性指数结果进行分析。
典型样本中,试验测得长江南通区段及主要河道淤泥塑性指数大部分介于7～15,占比81.82%;高于15的样本2个,占6.06%;低于8的样本4个,占12.12%。样本大部分满足烧结砖原料对塑性的要求。塑性指数达不到7或高于15均不适合于生产制作淤泥烧结多孔砖,需要进行处理后方可使用。
样本中的长江淤泥塑性指数最为理想,所采集的试样测得数据大部分集中在12左右,数据变化幅度不大,是最佳的烧结产品所需的黏土替代品;沿海滩涂淤泥样本中,因筑堤吹填形成的已有一定年限的滩涂淤泥实际已部分改变了淤泥的特点,逐渐熟化,测试结果塑性指数高的达12左右;内河淤泥塑性指数与长江淤泥相比,其数据较为分散。同一河道不同河段其塑性指数会有所不同。海安里下河地区淤泥的塑性较高,为生产出更为优质的烧结砖,可通过添加减塑剂或掺和低塑性指数淤泥等方法改善其淤泥塑性;其它部分地区淤泥塑性较低的也可通过添加增塑剂或掺和高塑性指数淤泥等方法加以改善,达到生产烧结多孔砖的塑性使用范围。九圩港、天生港、海门港淤泥塑性指数在11左右,是最佳的烧结产品所需黏土替代品。
4 颗粒分析试验
由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响黏性土特征的各种重要因素。塑性指数愈大,表明土的颗粒愈细,比表面积愈大,土的黏粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量愈高,土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。
选择部分淤泥样本,按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》,采用SJS液塑限联合测定仪(TG002,锥质量为76 g,锥角为30°),Φ20 mm土工标准筛,DS-101沙浴电炉(LQ009)、HWY-30高低温水浴(LQ013)以及FA2004电子天平(HF001)等设备,进行了颗粒分析试验,并复核塑性指数。试验数据见表2。
从表2可看出,淤泥颗粒在0.05～0.005 mm和0.005 mm以下含量愈多,表明其黏性颗粒含量愈高,其塑性指数也相对较高。
按GB/T 50123—1999(100 g锥)和JTG E40—2007(76 g锥)2种方法测得的塑性指标结果,对几种淤泥土样的判别趋势基本一致,但后者的塑性指数分析结果高于前者。
5 结论
(1)南通拥有大量的淤泥资源,以淤泥替代黏土生产烧结多孔砖具有区域优势。淤泥储量能保证正常的烧结淤泥多孔砖生产所需。
(2)从取样试验的结果判断,淤泥颗粒级配较好,并且和传统制砖黏土的其它物理性质也基本相似,可以用于生产淤泥烧结多孔砖。
(3)从物理性能试验结果看,长江淤泥是理想的烧结多孔砖原料。所采集的试样塑性指数大部分集中在12左右,数据变化幅度不大。九圩港、天生港、海门港淤泥塑性指数在11左右,是最佳的烧结产品所需黏土替代品。
(4)按照GB/T 50123—1999和JTG E40—2007这2种方法测得的塑性指数结果,后者高于前者,但高低趋势基本一致。
参考文献
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[2]刘红梅,韩艳丽,朱爱东,等.淤泥烧结多孔砖原料性能试验研究[J].中国建材,2010(11):104-105.
[3]南通市水利史志编纂委员会办公室.南通市水利志[M].合肥:黄山书社,1998:96.
[4]南通市国土资源局.南通市矿产资源总体规划(2008-2015)[R].
物理试验研究 篇7
植物纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基体,以相对短、离散、间断的短纤维或连续长纤维作为增强材料组成的一种水泥基复合材料[1]。研究表明,植物纤维在混凝土中主要起阻裂、增加强度和韧性的作用[2,3,4]。与传统混凝土相比,植物纤维混凝土具有很多优势,国内外学者对其进行了大量的研究,并取得了一定进展。稻草纤维混凝土是以稻草作为纤维增强材料的一种植物纤维增强混凝土。本文主要研究了稻草纤维混凝土的物理力学性能。
1 试验设计
1.1 原材料
水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。
砂:天然河砂,为中砂,含水率3%。
石:粒径10~31.5mm连续级配的卵石。
水:自来水。
稻草纤维:来源于绵阳市郊区,其色泽光亮、保存完好,同时干燥处理掉了表面的杂质,并加工成二种形状:(1)杆状:用剪刀将稻草剪成20mm左右的小段,形貌见图1;(2)丝状:用粉碎机将稻草粉碎成直径不超过5mm的丝状,形貌见图2。
1.2 试件设计及分组
试验所需试件的尺寸、个数,如表1所示。
根据试验现象最终确定稻草纤维掺量及其分组如表2所示。
1.3 试件制作与养护
使用强制式搅拌机,投料顺序为:先放石子、砂、水泥,混合搅拌1min;然后边搅拌边加稻草纤维;待加完毕之后,再搅拌1min;最后加水,一起搅拌2min。将搅拌好的混凝土装入到模具,然后在振动台上振捣60s,脱模时间比普通混凝土脱模时间延长至24h以后,并按照混凝土标准养护条件进行养护。
kg/m3
注:A0为普通混凝土,A为杆状稻草纤维混凝土,B为丝状稻草纤维混凝土;稻草纤维掺量为水泥质量的百分比。
2 稻草纤维混凝土性能试验及结果分析
2.1 物理性能
将稻草纤维加入混凝土中,其泌水率降低,泌水时间延长,掺量4%以上的稻草纤维混凝土基本上不再泌水。这是因为普通混凝土加入稻草纤维后,能够减少混凝土表面的析水量,稻草纤维在混凝土中的随机分布,很好地阻碍了骨料的下沉,同时增强了水泥浆体对粗骨料的包裹强度。加入稻草纤维还会延缓混凝土的凝结时间,这是由于纤维中含有糖类、淀粉等有机物,这些成分对混凝土的凝结起了阻碍作用。
混凝土在稻草纤维加入后的坍落度及表观密度的变化规律如图3和图4所示。
由图3可以看出,随着稻草纤维掺量的增加,混凝土的坍落度减小,且丝状稻草纤维相比杆状稻草纤维对坍落度的影响更大。这是由于稻草吸水性很强,并且丝状稻草纤维比杆状稻草纤维更易吸水所致。由图4可以看出,随着稻草纤维掺量的增加,混凝土的表观密度减小,其中,丝状稻草纤维比杆状稻草纤维混凝土表观密度的变化相对明显,这是因为添加在混凝土中的稻草纤维在混凝土内部呈乱向分布状态,在搅拌和振捣过程中稻草纤维阻止了其内部空气的溢出,增加了混凝土中的含气量,从而降低了混凝土表观密度。
2.2 抗压强度
采用多功能电液伺服压力机,对混凝土试件进行持续均匀加压,记录最大荷载,并按规范提取有效试验结果。试件放置及加载如图5所示,试件破坏情况图6所示。
稻草纤维混凝土抗压强度试验结果如图7所示。由图7可以看出,混凝土的抗压强度值呈下降趋势。这是由于稻草纤维的掺量越大,含气量也越大,混凝土强度就越低;另外,稻草纤维属天然植物纤维,其表面含有机物,这些有机物阻止了与混凝土的更好黏结,同时这些有机物在碱性条件下会释放出来影响混凝土的强度。
2.3 劈裂抗拉强度
试件安置及加载如图8所示,试件破坏情况如图9所示。不同龄期稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强度试验结果如图10所示。
由图10可以看出,随着稻草纤维掺量的增加,稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强度呈减小趋势,且丝状稻草纤维混凝土的劈裂抗拉强度比杆状纤维混凝土下降更多。造成这种结果的原因与抗压强度降低的原因相同。
2.4 抗折(抗弯拉)强度
放置好试件后,先缓慢进行预加载(约1k N),然后进行持续均匀加载,并按规范提取有效试验结果。根据规范要求,加载速度在0.5~0.7MPa/s之间取值,低强度等级用相对较缓的速度,试件安放及加载如图11所示,试件破坏情况如图12所示。不同龄期下各组稻草纤维混凝土的抗折对比分析如图13所示。
由图13可见,稻草纤维混凝土的抗折强度随稻草纤维掺量的增加呈降低趋势,这主要是混凝土内部因收缩而形成的微细裂纹对降低混凝土的抗折强度影响较大;其次是稻草纤维的掺入造成了混凝土强度的下降;最后是稻草纤维与混凝土之间没有形成很好的黏结。
2.5 韧性性能
稻草纤维混凝土的韧性可用拉压比和压折比来评价,稻草纤维混凝土拉压比、折压比分别如图14和图15所示。
从图14和图15可见,杆状稻草纤维混凝土的拉压比在稻草纤维添加比例为5%时达到最大值。杆状和丝状稻草纤维混凝土的折压比都随着稻草纤维掺量的增加呈先增大再减小的趋势,且分别在掺量为4%和5%时达到最大。这主要是由于单位质量下,丝状稻草纤维的相对体积比较大,与混凝土的接触面也较大,吸收外力能力变强的缘故。拉压比越大表示混凝土的脆性越小,折压比越大表示混凝土的抗变形能力越强,可见,稻草纤维的添加对改善混凝土的韧性具有很好的效果。
2.6 抗冲击性能
目前,我国抗冲击试验基本都借鉴美国混凝土学会所采用的落锤法[5],本试验使用的冲击球重为3kg,起点为冲击架的顶端,并且保证每次起点一致,试验结果如表3所示,试件破坏情况如图16所示。
由表3可见,稻草纤维混凝土首次出现裂缝的次数随着稻草纤维掺量的增加而增加,且均比普通混凝土首次出现裂缝的次数多,稻草纤维掺量从1%增加到6%时,其首次出现裂缝的次数分别是普通混凝土的1.3~2.5倍和1.5~2.8倍。其中,丝状相对杆状稻草纤维混凝土首次出现裂缝的次数要大。这是由于稻草纤维混凝土在连续外力冲击下,将外力传递给稻草纤维,使混凝土与稻草纤维一起承担外力的作用,从而提高了混凝土的抗冲击性能。丝状比杆状稻草纤维混凝土的抗冲击性能更好是因为单位质量下,丝状稻草纤维的相对体积大,因而在混凝土中吸收的冲击能量也就越大。
3 结论
(1)随着稻草纤维的掺量的增加,混凝土的坍落度降低,凝结时间延长,自重减轻。其中,丝状稻草纤维比杆状稻草纤维对混凝土的坍落度、凝结时间、表观密度的影响要大。
(2)不同形状稻草纤维混凝土的抗压、劈裂抗拉及抗折强度会随稻草掺量增加而降低;虽然掺入稻草纤维的混凝土初裂荷载降低,但能够抑制裂缝的扩展。
(3)稻草纤维的掺入能够较大幅度地提升混凝土的韧性。
(4)随着稻草纤维掺量的增加,混凝土的抗冲击性能增强,其中,丝状稻草纤维比杆状稻草纤维混凝土的抗冲击性能更好。
摘要：对同一混凝土配合比,不同形状和不同掺入量的稻草纤维混凝土进行了物理力学性能试验。结果表明,同一混凝土配合比下,随着稻草纤维掺量的增加,不同形状稻草纤维混凝土的物理力学性能会有所影响,抗压、劈裂抗拉及抗折强度会有所降低,但稻草纤维的掺入不仅能改善混凝土的韧性,也可提高混凝土的抗冲击性能。
关键词：稻草纤维混凝土,物理力学性能,混凝土韧性,抗冲击性能
参考文献
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物理试验研究 篇8
关键词：粉土,物理力学性质,路用性能,实验方案
在路基填筑前,往往需要对用作路基填料的土进行大量的实验,以此对其进行分类,并评价其能否直接作为路基填料。对于粉土的基本物理力学性质方面及路用性能试验研究方面,武科等[1]对取自黄河冲积平原的粉土进行了不同击实功、不同压实度条件下的室内重型击实实验,得出随着击实功的增大,粉土的最大干密度逐渐增大,而最优含水率逐渐减小,相同压实度条件下,随着击实功的增大,粉土的孔隙比微弱减小。郭玉民等[2],对菏泽地区的粉土进行了界限含水率、击实、CBR等实验,得出菏泽粉土的塑性指数小于10,最优含水率为12%~15%之间,96%压实度条件下的CBR为3%~5%,不能满足一级公路的要求。上述研究目前主要集中在黄河冲积平原地区的粉土,对于西藏林芝地区的区域性粉土的物理力学特性及路用性能的研究,目前未有相关报道。通过研究林芝地区粉土的基本物理力学性质及路用性能,为西藏林芝地区的公路建设、养护提供理论参数。
1 实验方案
本次实验所用粉土采自林芝市巴宜区至波密公路比日神山山脚路段的坡积粉土,取土深度为土层表面以下3 m~5 m处,外观呈深灰~黑色。
对于自然含水率的测试,无需风干直接进行测试,其他实验,均需要先将粉土试样自然风干,之后按照JTG D30—2004公路路基设计规范的要求进行试验。
2 实验结果与分析
2.1 素土的颗分实验
通过颗粒分析实验得出,素土的颗粒分布曲线见图1。
由图1颗粒分析实验结果可知,细颗粒(≤0.075 mm)占总质量的83.5%,属于细粒土,其中粘粒(<0.005 mm)含量占8.8%,粉粒(0.005 mm~0.075 mm)的含量占74.7%,属于粉土。
2.2 素土的天然含水率、界限含水率等指标
通过含水率实验、TOC有机质测试、易溶盐含量测试、界限含水率实验和土粒比重实验,得出林芝粉土的素土的常用物理特性指标见表1。
由表1可以看出,粉土素土的有机质含量为0.71%,属于无机质土。易溶盐含量0.018%<0.3%,属于非盐渍土。由液限指数31.5%<40%,塑性指数Ip=9.5可知,其为低液限土,结合前述的颗分实验结果,可得出素土试样为低液限粉土。
2.3 素土的重型击实实验
在路基的填筑前,必须准确得出土的压实性能和最大干密度、最优含水率。因此有必要对粉土素土进行重型击实实验。运用桶径15.2 cm的重型击实仪,分五层进行击实,每层27次,通过对粉土素土进行重型击实实验,得出素土的击实曲线及饱和曲线见图2。
由图2可知,粉土素土的最大干密度为1.69 g/cm3,最优含水率17.2%。素土击实曲线右侧干密度下降速度均快于左侧的上升速度,都呈现出“左缓右陡”的形态,即在达到最优含水率前,试样干密度随含水量的增长而缓慢增长,在达到最优含水率后,粉土干密度快速下降,变成“弹簧土”。
因此,在粉土的施工过程中,必须严格抽查、控制含水率,使含水率始终保持为最优含水率附近,如果不能完全保证最优含水率,也应该使其含水率尽量略小于最优含水率来进行压实。素土饱和线偏离击实曲线均较远,这是由于素土虽然经过压实,但因其颗粒比较集中于粉粒,导致粉粒与粉粒之间的孔隙较大,素土难以压实,这和文献[3][4]得出的结论类似。
2.4 素土的水稳性能实验
为评价粉土的水稳定性能,将素土土样按照最优含水率和最大干密度在96%压实度条件下制成直径50 mm、高度50 mm的无侧限试样,放入玻璃烧杯中进行浸水崩解实验。
粉土的素土试样在泡水的过程中,出现崩解现象,随着时间的推移,粉土素土试样的崩解越来越快,10 min内即全部崩解。这也说明了粉土素土水稳性能极差,在作为路基填料时,路基边坡极易被流水冲刷、侵蚀,路基内部浸水后则容易出现软化变形等现象,因此不能直接用作二级公路路基上路床填料。
2.5 素土的浸水CBR实验
CBR是评价土能否用作路基填料的重要指标,按照JTG D30—2004公路路基设计规范对于二级公路的上路床,其CBR需满足不小于6%的要求[5]。因此有必要对粉土素土进行CBR贯入实验,以确定素土的CBR值。由于压实度的变化会对填料的CBR值产生影响,因此实验选取压实度为90%,93%,96%三种工况,进行素土的CBR贯入实验,实验结果见表2。
%
由表2可以看出,素土的CBR值随着压实度的提高而增长,且压实度越高增长越快,即93%压实度时,相对90%压实度增长了18.52%,96%压实度相对于93%压实度增长了34.69%,这与文献[6]~[9]的结论类似。素土即使在96%压实度的情况下,CBR值也只有4.9%,不能满足二级公路填方路基上路床CBR≥6%的要求。
由表2也可以看出,素土的膨胀率随着压实度的提高而呈现增长。即压实度越高,膨胀率越大。粉土素土的浸水CBR实验中的膨胀率非常微弱,在96%压实度的条件下,其膨胀率为0.63%<1%。因此林芝粉土素土的膨胀率微弱,其膨胀性可以忽略不计。
2.6 素土的无侧限抗压强度实验
由于无侧限抗压强度也是评价路基填料性能的一项重要指标,因此有必要通过无侧限抗压强度实验对其进行评价。由于粉土素土的水稳定性能非常差,浸水快速崩解(这在前述浸水崩解实验中已有记录),因此为了得到其无侧限抗压强度,将其按照96%的压实度以及最优含水率制作成高度50 mm、直径50 mm的无侧限试样后,不经过泡水直接对其进行无侧限抗压强度实验,本实验共进行6次平行实验,实验结果如表3所示。
由表3可知,粉土在不浸水的条件下,其96%压实度时无侧限抗压强度比较小,仅有185.7 k Pa,而在浸水的条件下,其快速崩解,几乎没有强度。
3 结论与建议
1)林芝粉土的天然含水率在13%~24%之间。为无机质土、非盐渍土。粉土颗粒组成以粉粒为主,粘粒和粗颗粒含量少,液限小于40,塑性指数小于10,属于低液限粉土,比重为2.63。
2)素土的最大干密度为1.69 g/cm3,最优含水率17.2%。击实曲线的形态呈现“左缓右陡”的形态,在含水率超过最优含水率之后干密度快速下降。因此,在粉土的压实过程中,最好在接近最优含水率附近进行压实。因粉土素土颗粒比较集中于粉粒,导致粉粒与粉粒之间的孔隙较大,素土难以压实,在击实曲线形态上表现为击实曲线偏离饱和曲线较远。
3)粉土的水稳定性差,在10 min内即全部崩解。因此,林芝粉土素土一般不能直接用作路基填料,如必须用作路基填料,则必须改善其水稳定性。
4)粉土在96%压实度的条件下,CBR值也只有4.9%,不能满足二级公路路基的上路床填料CBR≥6%的要求。粉土的浸水膨胀率非常微弱,在96%压实度条件下,其膨胀率小于1%,属于不膨胀土。
5)通过素土在不浸水条件下的无侧限抗压强度实验,得出96%压实度素土的无侧限抗压强度为185.7 k Pa;在浸水条件下,粉土在10 min内快速软化崩解,几乎没有强度,因此林芝粉土的强度较弱。
6)通过综合评价以上指标,可知林芝粉土的素土不能直接用作二级公路上路床填料。因此在路基填筑时,只能弃方换填较好的路基填料(如级配碎石或粘土),如果弃方换填成本较高时,则可采用在粉土中掺砂或者少量水泥(按照外掺法计算,一般小于6%)的方法进行物理或化学改良,之后再进行路基上路床的填筑。
参考文献
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物理试验研究 篇9
尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所,是维持矿山正常生产的必要设施,但也是金属非金属矿山的重大危险源[1]。据统计,2004年我国尾矿库发生事故3起,伤亡5人;2005年发生事故9起,伤亡17人;2006年发生事故12起,伤亡57人;2007年发生事故14起,伤亡56人;2008年发生事故18起,伤亡320人。可见,我国尾矿库事故发生起数和伤亡人数均呈现逐年上升的趋势,尾矿库安全生产形势日益严峻。
国内外对尾矿库的设计原则、溃坝原因、灾害辨识等基础理论进行了一些研究,认为对尾矿库溃坝机理的研究是一个复杂的科学问题,需要针对众多导致坝体失事成因开展深入研究,进一步通过试验手段研究尾砂的物理力学特性。
本文通过西石门后井尾矿库室内试验、尾矿堆坝材料物理力学特性分析等手段研究了西石门后井尾矿库尾矿坝堆坝材料的物理力学特性,系统地分析了尾砂的变形规律,并计算得到了堆坝材料的强度指标,为系统的稳定性分析奠定基础。
2 尾矿坝稳定性分析方法研究现状
近年来,国内外学者就尾矿库问题开展了一定的研究,研究认为尾矿库溃坝是由多因素造成的,主要相关因素有:尾矿库设计缺陷、建造及施工技术质量不良、尾矿库尾砂超量堆存、尾矿库水位过高、排洪系统失效、洪水漫顶、静力或动力的稳定性不足、渗流破坏、内部腐蚀及基础条件差等。其中以极限平衡理论和传统的安全系数方法为基础,将可靠度理论引入尾矿坝稳定性分析中,利用有限元方法研究坝坡稳定性取得了比较多的研究成果。在尾矿坝变形分析中,众多学者在分析坝体溃坝机理的基础上,利用有限元技术对尾矿坝进行了渗流和变形分析。
Penman A D M[2]概述了尾矿库设计的一般性原则。Chandler R J[3]、Vick S G[4]分别介绍了尾矿库发生垮塌事故的案例并对垮塌原因进行了分析。Mascaro[5]、Azizli K[6]分别对尾矿库内废水废渣中有害成分的组成及其对环境与水土的污染等进行了研究。张建隆[7]对尾矿砂的力学特性和在周围荷载下的动力特性进行了初探;用瑞典条分等极限平衡方法研究尾矿坝的稳定性问题在国内非常常见,例如罗建林等[8]详细介绍了瑞典条分法在尾矿库安全评价中的应用,然而瑞典条分法属于半定量计算方法,计算结果受计算者熟练程度等因素的影响较大。近年来,应用有限元等数值计算方法定量研究尾矿坝稳定性问题取得了一些进展,例如孙海涛[9]、李全明[10,11]等对基于有限元法的坝坡稳定性问题进行了研究。
综上所述,现有尾矿坝坝体稳定性分析方法大都采用极限平衡方法,以尾矿坝发生坝坡失稳极限状态为分析对象,缺乏尾矿坝在整个运行过程中渗透、变形、强度过程实验方法的研究。本文在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础上,利用渗透实验、压缩试验、常规三轴试验,以西石门后井尾矿库堆坝材料物理力学特性为研究对象,开展了尾砂力学特性试验研究工作,整理并得到了用于描述尾砂应力变形特性的试验数据和实验曲线,系统分析了堆坝材料的变形规律。
3 尾矿坝筑坝材料物理力学特性试验研究
为了掌握尾矿坝筑坝材料的渗透特性、压缩特性和强度特性,通常需要在室内进行筑坝材料的渗透试验、压缩试验和常规三轴实验,为尾矿坝的稳定性分析提供参数和依据。
3.1 渗透实验
渗透试验在北京交通大学土建中心的三轴渗透试验仪器进行,试验所用的渗透试验仪如图1所示,试验中,试样尺寸为100mm,试验考虑了围压对渗透系数的影响。
渗透试验得到的西石门铁矿尾矿砂(包括尾细砂和尾粉砂)不同围压下的渗透系数,可供尾矿坝浸润线分析所用,如表1所示。
3.2 压缩试验
压缩试验,是目前最常用的测定土的压缩性的室内试验方法。用金属环刀从原状土样切取试件。将试件连同环刀装入侧限压缩仪上,试件上下面各放一块透水石,通过传压板施加竖向压力,从而测定土在侧限条件下的压缩系数和压缩模量。
利用北京交通大学压缩试验仪,对后井尾矿库尾细砂和尾粉砂进行了压缩试验,试验成果如表2所示,其中,尾粉砂压缩曲线见图2。此外,测得尾细砂的回弹模量为38MPa,回弹指数为0.017;尾粉砂的回弹模量为38MPa,回弹指数为0.016。
3.3 常规三轴试验
本文以西石门尾矿库堆坝材料为试验对象,研究尾矿坝堆坝材料的变形特性和强度特性,通过常规三轴试验测定尾细砂和尾粉砂的应力～应变～体变关系。
3.3.1 试验设备
常规三轴试验在北京交通大学土建中心试验室的常规三轴仪上进行。该三轴仪为浙江土工仪器厂的STSZ-1Q型轻型台式三轴仪,最大轴向输出力为10kN,试样尺寸为Ф39.1mm×80mm,最大周围压力为1MPa,如图3所示。
3.3.2 试验土料
从西石门尾矿库取尾细砂和尾粉砂两种筑坝材料,两种材料的级配曲线如图4和图5所示。分别对这两种材料进行三轴试验,最高固结压力取600kPa。
3.3.3 试验方案
分别对尾细砂和尾粉砂进行常规三轴试验,周围压力分别取100kPa、200kPa、300kPa和600kPa。
试验方案见表3。
3.3.4 试验成果
常规三轴试验成规汇总于表3。按照摩尔-库伦准则整理得到了尾细砂和尾粉砂的粘聚力和内摩擦角等关键强度指标。图6给出了尾粉砂的常规三轴试验成果。
图6(a)给出了轴向应力与轴向应变之间的关系,试验初期低应力作用下,轴向应力与轴向应变表现出近似直线关系;随着应力作用的增大,试样产生不可恢复的塑性变形,轴向应力与轴向应变间表现出明显的非线性特性;当轴向应力达到应力水平后,轴向应变显著增大,轴向应力不再增加。通过试验得到,尾粉砂100kPa下的应力水平为320kPa;200kPa下的应力水平为610kPa;300kPa下的应力水平为960kPa;600kPa下的应力水平为1365kPa。
图6(b)给出了轴向应变与体应变的关系曲线,从曲线可知,轴线应变与体应变之间也存在着显著的非线性特性。
图6(c)给出了尾粉砂的莫尔圆和破坏包线,通过整理尾粉砂的粘聚力为14.6kPa,内摩擦角为32°。
后井尾矿库尾粉砂的常规三轴试验结果表明,围压固定的情况下,剪应力和剪应变之间存在明显的非线性变形特性;随着围压的不断增加,尾粉砂表现出明显的压硬性,即周围压力是影响尾粉砂剪切强度的重要指标;从体应变和剪应变的关系可知,低应力下尾粉砂表现出一定的剪胀特性,即随着剪应变的增加发生体胀现象,而高应力下尾粉砂表现一定的剪缩特性,即随着剪应变的增加发生体缩现象;尾粉砂由于颗粒偏细,颗粒之间有一定粘聚作用,故尾粉砂表现出一定的粘聚力,而尾细砂的内摩擦角大于尾粉砂的内摩擦角,这是因为粗颗粒之间咬合程度高的缘故。
尾细砂的试验过程与尾粉砂相同,试验成果见表3。尾细砂的粘聚力为8.2kPa,内摩擦角为35°。
4 总结
本文在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础上,利用渗透实验、压缩试验、常规三轴试验,以西石门后井尾矿库堆坝材料为研究对象,系统研究了后井尾矿库尾细砂和尾粉砂的物理力学特性,整理了用于描述堆坝材料物理力学特性的试验数据和实验曲线,系统分析了堆坝材料的变形规律计算得到了堆坝材料的强度指标,为系统分析堆坝材料物理力学特性及开展坝体稳定分析提供了依据。
摘要：经调查统计,我国尾矿库存在数量多、规模小、安全度水平低及较多中小尾矿库未经过正规设计等特点,并且绝大多数尾矿库下游为生活区、工矿企业或重要城镇等,因此加强尾矿库安全管理,准确把握尾矿坝堆坝材料物理力学特性,对于减少和防止尾矿库溃坝事故的发生,确保尾矿库的安全运行,使之更好地为矿山安全生产服务,为国民经济健康持续快速发展服务等方面都具有重要意义。本文在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础上,以西石门后井尾矿库为研究对象,利用渗透实验、压缩实验、三轴试验开展了堆坝材料物理力学特性试验研究,整理并得到了用于描述堆坝材料物理力学特性的试验数据和实验曲线,系统分析了堆坝材料的变形规律,为系统分析堆坝材料物理力学特性及开展坝体稳定分析提供依据。
关键词：尾矿坝,物理力学特性,渗透实验,压缩实验,三轴试验
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物理试验研究 篇10
硬质热固性聚氨酯泡沫塑料为浅黄色的热固性塑料,具有优越的绝热性能和机械性能,容易与板材粘结,因而被广泛应用于制造制冷设备门体和箱体的隔热层。硬质热固性聚氨酯泡沫塑料作为制冷设备的隔热层,主要是以多元醇、异氰酸酯为主要原料,再添加各种助剂,填充到制冷设备的门体和箱体空腔,在一定的高温下发泡成形[1,2]。随着我国国民经济的发展,制冷设备的总保有量和每年的报废量不断地增加,而硬质热固性聚氨酯泡沫塑料硬化后分子呈三维交联结构,不能再熔融、溶解,不易于回收再利用,且目前回收的废旧冰箱大多采用CFCS物质作为发泡剂,对臭氧层有破坏作用[3,4],所以大量的聚氨酯废弃物会对生态环境产生不利影响。因此,加强对废旧聚氨酯泡沫的再生利用研究,对保护环境、节约资源、实施可持续发展战略具有重要意义。
目前,国内外废旧聚氨酯泡沫回收主要有3种方法:物理回收、化学回收和能量回收。物理回收是指仅改变废弃物的物理形态,此后直接利用的方法,这种方法生产效率较高、操作简单、二次污染少,但是生产的制品性能较差,经济效益低;化学回收是通过化学方法,将废弃物转化为化工原料或其他物质,缺陷是工艺复杂,适用性差,成本高,反应产生的毒副产物难以控制;能量回收容易产生有毒有害物质,会对环境造成二次污染[5,6]。
本文基于机械物理法的废旧聚氨酯泡沫再生工艺方法,通过废旧制冷设备最大程度地拆卸处理、分离[7,8,9]和粉碎再生聚氨酯材料及回收其过程中的发泡剂等工艺实现废旧聚氨酯泡沫的再生利用,并通过正交试验对试验结果和试验因素进行了分析。
1 基于机械物理法的废旧聚氨酯泡沫再生工艺
1.1机械物理法回收原理
废旧聚氨酯泡沫在高速粉碎过程中,机械设备施加给物料强烈的剪切、挤压、研磨、摩擦等多种机械力,由于机械能量的累积,使得内应力分布不均匀或冲击能量集中在个别链段上,产生临界应力使化学键断裂,同时机械力产生的热能促使分子结构中键能较弱的化学键发生一定程度的断裂[10,11,12],因此使聚氨酯分子结构趋于非体型化,降低交联密度,增加活性及塑化性能,最终使交联的三维网状结构被破坏或部分被破坏,使得硬质热固性聚氨酯泡沫恢复一定的塑性能力,从而有利于废旧聚氨酯泡沫的再生回收利用。
1.2工艺流程的制订
基于机械物理法的废旧聚氨酯泡沫再生工艺流程(以冰箱为例)如图1所示,具体流程按以下步骤进行:首先利用手工加机械的方法拆卸掉废旧冰箱的压缩机、制冷剂等,得到处理后的箱体和门体;再利用整体或者切割分离的方法将聚氨酯材料从箱体、门体中分离出来,在整体分离过程中,箱体及门体经过二级破碎机和一级碾碎机破碎后利用风选机将轻质的聚氨酯泡沫分离出来,冰箱破碎物再经过各种分选设备分选出铁、塑料等,在切割分离过程中,利用切割设备按图1中所示的方法将钢板、内胆剥离掉,对分离出的聚氨酯泡沫进行粗破;然后将聚氨酯粗料送入粉碎再生装置中进行粉碎再生;最后将粉碎再生后的聚氨酯粉末经过压塑成形装置压制成制品。在分离和粉碎再生过程中利用发泡剂回收系统实现发泡剂的环保处理。
1.3分离步骤
首先进行最大程度的无损拆解处理,利用手工加机械的方法拆解掉压缩机、内置物、制冷剂等,得到经过处理的箱体和门体。箱体、门体主要组成物有钢板、塑料内胆、聚氨酯隔热保温层等,而聚氨酯隔热保温层与部分塑料、金属连在一起,利用手工拆卸的方法无法将其分离,因此利用图1中的2种方法将聚氨酯材料从箱体、门体中分离出来。
(1)整体分离。
首先,将箱体及门体经过二级破碎机和一级碾碎机破碎成一定大小的破碎料,再经过风选机将轻质的聚氨酯泡沫分离出来,剩下的重质混合料经各种分选设备将塑料、铜、铁、铝分别分选出来回收利用。
(2)切割分离。
在封闭的车间内利用切割设备首先将箱体的顶板、中部的隔板切割下来;然后分别沿冰箱门、箱体顶板、箱体的棱边作周向切割,切割深度大于钢板厚度,再利用手工或者钳子等工具将钢板、内胆剥离掉,将分离出的聚氨酯泡沫进行粗破,得到聚氨酯泡沫粗料。
1.4粉碎再生步骤
1.4.1 粉碎再生设备
基于机械物理法的废旧聚氨酯泡沫粉碎再生设备的物理模型如图2所示,该模型主要由剪切、粉磨两个部分构成,图3为粉碎再生设备刀具结构的三维示意图。
1.剪切刀轴 2.环形定刀 3.动磨盘 4.静磨盘 5.轴 6.机架
1.剪切刀轴 2.环形定刀 3.磨盘
(1)剪切刀轴和环形定刀是剪切机构的刀具。聚氨酯泡沫碎料进入剪切机构后,受到高速旋转的剪切刀轴上的剪切刀齿的撞击和强剪切力作用,同时随剪切刀轴旋转的物料与环形定刀刀齿做相对剪切运动,在周期性的高频率剪切作用下,导致聚氨酯网状交联结构破坏并解体,使得物料在这一区域被粉碎。
(2)静磨盘和动磨盘构成粉磨机构的刀具,共有两组动静磨盘。细小的物料进入动静磨盘之间的再生腔后,受到两磨盘相对运动形成的巨大剪切力和强烈挤压力的作用而被粉碎成细小的粉体,亦即聚氨酯泡沫物料经再生设备长时间的剪切、研磨、冲击及摩擦等机械力综合作用后,一方面物料粉末颗粒粒度越来越小;另一方面物料发生降解,从而实现其可再生性。
1.5发泡剂回收
目前回收的废旧冰箱大多采用CFCS物质作为发泡剂,该物质对大气臭氧层有破坏作用,对地球的气候会产生不利影响,因此需要对其进行环保处理。在图1的分离和粉碎再生过程中,二级破碎机和一级碾碎机或者密封车间、粉碎再生设备中的空气和发泡剂的混合气体在抽风机的吸引下,经过除尘器存入储气罐中,再经气体压缩机加压、冷凝装置冷却后获得液化发泡剂,然后将液化后的发泡剂收集起来,将没有液化的空气排放到空气中去,实现发泡剂的分离。
2 基于机械物理法的废旧聚氨酯泡沫再生试验
2.1试验方法
为了更好更快地找出粉碎再生工艺参数对聚氨酯泡沫降解再生效果的影响规律,并得出最优的再生工艺,选用正交试验方法进行试验设计。试验选择转速v、时间t和进料量m 三个主要影响因素进行试验设计。转速的大小决定了物料在再生过程中受到的剪切、挤压、研磨、摩擦等多种机械力的剧烈程度,转速越高,物料受到的机械力作用越强烈,其降解效果越好;时间的长短决定了粉碎再生机内机械能量累积的大小,时间越长,积聚的能量越大,物料的降解效果越好;进料量的多少则决定了物料与腔壁在粉碎再生机内间隙的大小,进料量的增多可使粉碎腔内物料与腔壁的间隙减小,从而增大它们之间的摩擦作用,使物料的降解效果更充分。根据现有的试验条件和研究经验,在一定的范围内,每个影响因素设定3个因素水平,由因素及水平,选择正交试验方案[13,14,15]为L9(34),共计9次试验,正交表头设计如表1所示。
首先将从废旧冰箱拆解下来的聚氨酯泡沫放入破碎机进行粗破,得到颗粒状物料,再按试验设定的工艺条件称取聚氨酯泡沫物料,进料量为20～28g;然后,在常温常压的条件下,利用自行研制的可调速热固性塑料粉碎再生试验机对物料进行粉碎再生,试验机转速可在600～2400r/min范围进行调整,试验机粉碎再生40～120min后,停止试验机运转,用不同目数的筛网对再生后的物料进行筛分称重。
2.2试验结果与分析
2.2.1 试验结果
聚氨酯泡沫经可调速热固性塑料粉碎再生试验机粉碎再生后,物料粒径变小,在腔壁和刀具上粘有许多细小的粉末,时间越长、转速越高,粉末的平均粒径越小,粘有的细小粉末越多,物料塑性和表观黏性明显增加。图4所示为40min时,不同转速下的形貌对比,随着转速的上升,聚氨酯泡沫粉末团聚现象越来越明显,降解效果越来越好,其他因素的对比试验形貌也出现明显的变化。
表2所示为不同工艺条件下、不同目数范围内的聚氨酯泡沫粉末筛分称重后的物料质量比例及粉碎再生后的质量和比例。由表2可以看出,当速度一定时,延长粉碎再生的时间,小于60目的物料质量比例减小,大于60目的物料质量比例变大,物料的减轻量比例变大;当时间一定时,提高粉碎再生的速度,也会出现相似的变化。如:在转速为1500r/min时,时间由40min延长到120min,在小于60目(>250μm)范围内,质量百分比由53.20%减小到12.26%,在120～160目(96～125μm)范围内;质量百分比由9 .52%增大到25.12%;物料的质量减轻率比例由20.75%增大到31.10%。由此可见,延长时间、提高转速可以增强粉碎再生效果,物料被粉碎得更加细小,粉碎后的减轻量比例变大。
2.2.2 红外分析
利用傅里叶红外光谱仪(Nicolet 67)分析热固性聚氨酯泡沫分子结构及官能团变化。如图5所示,其中,曲线1为热固性聚氨酯泡沫粉碎再生前粗料的ATR-FTIR谱图,曲线2为粉碎再生后的120目粉末的ATR-FTIR谱图。曲线1图谱中的3324.7cm-1的宽峰是氨基-NH的特征峰,1226.5cm-1的窄强峰是C-C伸缩振动;曲线2图谱中的2358.5cm-1的窄峰是异氰酸酯基团特征峰。比较曲线1图谱和曲线2图谱,可以看出热固性聚氨酯泡沫被粉碎到120目时,分子结构发生了如下的变化:
(1)3324.7cm-1氨基的-NH伸缩振动峰明显减弱变宽,原因是羟基峰-OH的大量出现并和浓度很大的氨基峰在此重叠。
(2)2358.5cm-1处出现异氰酸酯基团特征峰,说明氨基甲酸酯基团在C-O键处发生断裂,分子链运动能力提高,产生自由基,出现新的基团和异氰酸酯基团。
综上可以发现,在持久的机械力和摩擦热综合作用下,不仅使得物料微细化,而且使得分子链发生断裂,生成新的基团,聚氨酯三维网状结构交联度降低而降解,热固性聚氨酯泡沫恢复了一定的塑性能力,从而有利于热固性聚氨酯泡沫的再生和回收利用。
1.再生前粗料的ATR-FTIR谱图 2.再生后120目 粉末的ATR-FTIR谱图
2.2.3 极差分析
本文试验选取聚氨酯粉末质量减轻率Y1和粉碎再生后的不同目数物料综合降解效果Y2作为试验的重要指标,Y1=(粉碎前的质量-粉碎后的质量)/粉碎前的质量,由于粉碎再生后的物料的粒径大小不同,不同目数范围内的物料降解的效果不一样,化学键断裂的程度不同,因此不同目数的降解效果可利用多目标决策中的线性加权和法建立其评价函数Y2,即
式中,xi为各目数范围内物料所占质量百分比;x1、x2、x3、x4分别为小于60目、60目到120目、120目到160目、大于160目的物料所占质量百分比;wi为各目数范围内的物料权重。
目数越大的聚氨酯粉末粒径越小,同质量不同目数范围内的聚氨酯粉末相比,大目数范围内的粉末分子链被打断的相对更多,生成的基团更多,降解的效果更好;小于60目、60目到120目、120目到160目、大于160目的聚氨酯粉末的降解效果依次变好。若将粉末完全降解视为1,则可将各目数范围内物料的权重依次设定为w1=0.3,w2=0.6,w3=0.8,w4=0.9。利用多目标决策中的线性加权和法,可建立聚氨酯泡沫降解效果Y的评价函数:
式中,αi为评价指标的权重 。
通过对各单项指标数据结果方差分析得出,时间对粉碎再生后的不同目数物料综合降解效果有显著的影响,转速对聚氨酯粉末质量减轻率有显著的影响,两个指标的影响因素相当,故权重应该均分,但是聚氨酯泡沫中含有发泡剂,在粉碎再生过程中,由于剪切粉碎作用中的发泡剂逸出到空气中,使得聚氨酯粉末质量减轻率变大,粉碎再生后的不同目数物料综合降解效果比聚氨酯粉末质量减轻率更重要。因此综合考虑,将聚氨酯粉末质量减轻率的权重α1和粉碎再生后的不同目数物料综合降解效果α2分别确定为0.3和0.7。
根据上面指标的定义可知,Y值越大则热固性聚氨酯泡沫的降解效果越好,再生回收利用率越高。表3所示为极差分析法计算表,试验结果的极差分析如下:
(1)主次因素。
根据极差R的大小顺序排出的因素的主次顺序为:t、v、m,其中,转速v的极差为10.90,时间t的极差为14.71,进料量m的极差为1.96,v、t的极差相差不大,而m的极差较小,因此时间t为主要因素,转速v为仅次于时间t的因素,v、t对试验结果的影响较大,进料量m对试验结果的影响较小。
(2)每个因素的较优水平。
聚氨酯粉碎再生试验要求聚氨酯粉末质量减轻率、不同目数物料综合降解效果都越大越好,所以要求综合加权评分越大越好,因此,应该选取每个因素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中最大的那个水平,即v3、t3、m1。
(3)最优再生工艺。
根据正交试验设计的均匀可比性质,各因素的好水平组合起来就是要求的最优再生工艺,而进料量对试验结果的影响较小,所以最优再生工艺应是转速为2400r/min、时间为120min的水平组合。
(4)指标—水平变换规律。
综合加权评分与因素水平的关系如图6所示,由图可以看出,在试验所设定的工艺范围内,转速、时间都是大些好,转速对试验结果的影响率逐渐变小,时间对试验结果的影响率基本保持不变,进料量对试验结果影响不大。从图6的曲线趋势看,重要因素时间t的水平还可以提高、次要因素转速v的水平也还可以提高,亦即经优化后可得到更优的好水平组合。
1.转速的影响 2.时间的影响 3.进料量的影响
2.2.4 方差分析
采用方差分析方法对正交试验的数据进行分析,计算得到的数据如表4所示,由表4中的F值可以看出,因素v、t、m对聚氨酯降解效果的影响程度不同,主次顺序是t、v、m,其中,时间t具有显著性影响,转速v有一定的影响,进料量m几乎没有影响,可见方差分析和极差分析结果一致。
2.3试验结论
(1)粉碎再生设备使得聚氨酯泡沫物理性质和结构形态发生变化,形成新生面,表面积增大,颗粒粒度变小,提高转速、延长时间可以增强粉碎效果。
(2)在粉碎再生过程中,当机械作用力增大时,聚氨酯泡沫分子链由于长时间的机械能累积效应及伴随增大的摩擦热能和温度上升,会发生断裂,官能团活性增强,聚氨酯三维网状结构交联度降低而降解,聚氨酯分子结构在机械应力及热效应的作用下,恢复可逆的热塑性能力。
(3)在所设定的工艺参数范围内进行的正交试验中,3个因素对聚氨酯降解效果的影响主次顺序为:t、v、m,其中,时间t具有显著性影响,转速v有一定的影响,进料量m几乎没有影响,最优再生工艺组合的转速为2400r/min,时间为120min。
3 结论
(1)本文工艺通过废旧制冷设备的最大程度地拆卸处理、分离和粉碎再生聚氨酯材料及过程中的发泡剂回收等工艺实现废旧聚氨酯泡沫的再生利用。
(2)聚氨酯泡沫材料在粉碎再生设备中,经强烈的剪切、挤压、研磨、摩擦等多种机械力及摩擦热的综合作用,不仅物料的物理性质和形态发生了变化,而且其分子结构和化学性质也发生了变化,使得物料在发生降解的同时,恢复了一定的塑性能力。
(3)粉碎再生设备中的多刀组合形式结构设置紧凑,能有效地获得剪切、研磨、冲击及摩擦等多种机械力及摩擦热的综合作用,实现聚氨酯泡沫的降解再生。
(4)在粉碎再生过程中,提高转速、延长时间,可以增强粉碎再生效果,使泡沫降解更加充分。
(5)在所设定的工艺参数范围内,3个因素对热固性聚氨酯降解效果影响的主次顺序为:时间t、转速v、进料量m,其中,时间t具有显著性影响,转速v有一定的影响,进料量m几乎没有影响。转速为2400r/min、时间为120min为最优再生组合试验选择。