固定体积法

2024-10-06

固定体积法（共5篇）

固定体积法篇1

摘要：对利用固定体积法设计自密实混凝土配合比进行了较深入的探究, 用最简明的方式展现了固定体积法设计配合比的优越可靠性, 并提出了简明可靠的设计流程, 指出试验配制出的自密实混凝土工作性能和力学性能均满足规范要求, 为自密实混凝土推广使用提供了可行的制备配合比的设计方法。

关键词：自密实混凝土,配合比,固定体积法

0 引言

随着经济社会的繁荣, 现代科技的进步, 建筑行业得到了快速的发展, 许多复杂工程对建筑施工混凝土的要求越来越高, 这促使拥有良好工作性能和力学性能的自密实混凝土在土木建筑工程领域被应用并得到推广。自密实混凝土 (Self-Compacting Concrete, 简称SCC[1], 也称免振捣混凝土) 不需要机械振捣即可在自身的重力作用下自由流动, 同时具有良好的粘聚性、不离析、不渗水、强度高、便于施工的优良特性, 从而带来其他建材无法比拟的经济效益、环境效益和社会效益。

20世纪80年代日本东京大学岗村甫教授研究室率先提出SCC的概念并研制成功, 由岗村甫教授提出的固定砂石体积法是应用最早、最广的自密实混凝土配合比设计方法[2], 作为一种指导方法其在保证强度的基础上, 体现了按工作性要求设计自密实混凝土的原理。国内在自密实混凝土研究方面起步较晚, 虽然近几年有较大进步但是国内在自密实混凝土的配制技术上各不相同, 行业内没有统一认可的设计方法。因此, 混凝土配合比设计方法迄今为止依然是混凝土材料与工程技术研究的一个重点[3,4,5], 本文就已有成果在现有研究范围内, 提出固定体积法设计自密实混凝土的详细设计方法, 并通过试验验证了其简易合理性与生产实用性。

1 固定体积法设计配合比思路

水、胶凝材料和粗细骨料等原材料是混凝土的主要组成部分, 但自密实混凝土与其他普通混凝土相比又有很大区别, 自密实混凝土都有较大的浆骨比, 胶凝材料用量大、骨料用量较小, 其配合比对拌合物施工性能会产生直接影响。粗骨料和砂的含量直接影响混凝土的强度、耐久性、流动性等性质, 通常认为粗骨料的体积含量和砂在砂浆中的体积含量是影响拌合物流动性的重要参数, 因此通过固定体积法设计自密实混凝土配合比将有效的保证其各项性能, 实现自密实高性能。

国内吴中伟院士等专家学者早已对自密实混凝土砂石固定体积法有了介绍[6], 固定体积法设计自密实混凝土就是把自密实混凝土工作性能放在首要地位[7,8] (见图1) 。JGJ T283-2012自密实混凝土应用技术规程中就是运用固定砂石法设计配合比, 按照固定体积法设计流程配制出满足工作性能和力学性能要求的自密实混凝土。

2 自密实混凝土设计目标

遵照JGJ T283-2012自密实混凝土应用技术规程, 通过试验配比得到C35 SF2自密实混凝土, 保证流动性、粘聚性、抗离析性、不泌水强度高等多项性能达到要求的同时注重经济效益。性能指标如下:坍落度大于260 mm;坍落拓展度达到660 mm~755 mm;扩展时间T500≥2 s;V漏斗通过时间7 s~25 s;坍落拓展度与J环拓展度差值0≤PA2≤25 mm。

3 原材料与设计技术流程

本试验采用的材料有:1) 水泥:海螺牌P.O42.5, 堆积密度1.6 g/cm3;2) 矿物掺合料:Ⅰ级粉煤灰, 密度2 200 kg/m3;3) 粗骨料:石子, 5 mm~20 mm连续级配的碎石, 级配良好, 石子表观密度:2.45 g/cm3~2.55 g/cm3;4) 细骨料:中砂, 级配良好;5) 外加剂:聚羧酸减水剂;6) 水:普通自来水。

kg/m3

根据固定体积法设计技术流程 (见图2) , 首先固定粗细骨料的体积, 粉煤灰占胶凝材料总量的20%~30%;流程图中ρg为粗骨料的表观密度, kg/m3;ρs为砂的表观密度, kg/m3;ρm为矿物掺合料的表观密度, kg/m3;ρc为水泥的表观密度, kg/m3;β为每立方米混凝土中矿物掺合料占胶凝材料的质量分数, %, 粉煤灰β≤0.3;σ=5 MPa;γ为矿物掺合料的胶凝系数, 粉煤灰取0.4;Va为每立方米混凝土中引入空气的体积, 本试验为非引气型取10 L~20 L;α为每立方米混凝土中外加剂占胶凝材料总量的质量百分数。

4 固定体积法设计自密实配合比算例

按照固定体积法设计技术流程设计出了SCC35的配合比, 再以流程设计出来的配合比为基准配合比 (如表1所示) , 同时采用单一变量法设立多组不同水胶比 (依次增加或减少0.02, 如表2所示) , 研究其工作性能的变化规律并确定水胶比以寻找最佳配合比。

实验全过程操作均按照技术规程实行, 从以上的试验数据看出, 水胶比的改变对自密实混凝土工作性能有着不同程度的影响, 虽然拌合物流动性能基本都能达到指标, 但与基准配合比相比存在差距。在三组试验中:当水胶比为0.48时其坍落度最大且T500的时间短, 流动性较好但其抗离析性能差, 有渗水现象, 因而不适合工程施工材料要求;水胶比为0.44时无离析和渗水但其坍落度最小, 流动性差;根据三组对比试验可以看出按照固定体积法设计的基准配合比 (水胶比为0.46) 的自密实混凝土流动性较好而且抗离析性能好, 没有渗水。

故从整体工作性能考虑, 可以确定基准配合比配制的自密实混凝土已达到设计目标。

5 结语

固定体积法设计自密实混凝土配合比是对配合比设计方法的充实和探究, 提出一种我们能运用最基础最广泛最简易可靠的方法, 具有明显的实用性。通过试验可以发现各材料用量的不同会对自密试混凝土性能有较大影响, 理论分析以及试验验证得出最终C35自密实混凝土的最佳配合比的掺合量, 在保证各项自密实性能达到SF2同时, 配制出28 d抗压强度为46.7 MPa, 力学性能良好。

建筑行业的高速发展增大了自密实混凝土的需求空间, 大量建筑市政工程采用自密实混凝土, 因此我们更要重视配合比用量 (或其他外加剂) 对建筑物的使用寿命和服役期内的安全性影响, 保证力学性能。同时还需要解决好配合比对自密实混凝土的美观性 (孔隙率大小) 等方面的影响, 进行更多的试验和工程实践以便全面的探索研究。

参考文献

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固定体积法篇2

1 临床资料

1.1 一般资料

随访自2010年6月-2012年6月在河北省保定市第一医院行椎弓根钉棒系统内固定配合Cage植骨融合术的病例82例, 按照患者手术顺序将患者分为三组, 术中分别植入不同体积的植骨粒, 其中A组28例, 植骨粒体积平均为0.20 cm3;B组27例, 植骨粒体积平均为0.10 cm3;C组27例, 植骨粒体积平均为0.05 cm3。三组患者性别、年龄、病程、病变节段等一般资料比较, 差异均无统计学意义 (P>0.05) , 具有可比性。

1.2 手术方法

所有患者均采用全身麻醉, 患者取俯卧位, 常规消毒铺无菌巾, C型臂X线透视引导下确定手术间隙, 以手术间隙为中心取后正中入路切口约5 cm, 依次切开皮肤、皮下组织, 保留棘上棘间韧带, 剥离双侧椎旁肌显露双侧椎板及关节突, 行患侧部分椎板切除减压, 咬除黄韧带, 显露硬脊膜、神经根, 神经根拉钩将硬膜囊及神经根拉向内侧, 显露椎间盘和后纵韧带, 摘除突出的腰椎间盘组织, 探查减压狭窄的侧隐窝、神经根管, 充分松解受压粘连的神经根。使用槽刀扩大椎间隙, 刮除该间隙椎间盘及软骨终板, 直至骨性终板。将切除的椎板骨质按分组不同咬成大小不等的骨粒, 部分用植骨器直接植入椎间隙, 其余用于填满相应型号的单枚椎间融合器并斜形敲入椎间隙。椎弓根钉内固定, 双极电凝充分止血, 生理盐水冲洗伤口, 放置引流, 依次缝合。术后24~48 h拔除引流管, 第2天行腰椎X线片检查, 以确认手术情况。术后3~4天鼓励患者配戴支具坐起并下地活动。术后2周拆线出院, 定期随访。

1.3 观测指标

1.3.1 植骨粒体积及椎间植骨量总体积的测量

所有病历术中植骨粒修剪及体积测量均由同一术者完成。测量方法:骨粒修剪时尽量使每颗骨粒的大小一致, 将修剪好的骨粒放入一容量为10 ml的量筒内, 以1 ml为单位依次加入生理盐水, 直至生理盐水完全淹没骨粒, 此时量筒内溶液的读数减去加入生理盐水的体积即为骨粒的总体积, 总体积除以粒数即为每个骨粒的平均体积。

1.3.2 临床评估

手术前后分别采用疼痛视觉模拟评分 (visual analogue score, VAS) 评估下腰痛及双下肢疼痛症状, Oswestry功能障碍指数 (oswestry dability index, ODI) 评估功能恢复情况。

1.3.3 影像学评估

随访时摄腰椎正侧位X线片, 将侧位X线片投照位上同一椎体的左、右下关节突影像重合, 以减少因旋转造成的误差。测量手术节段椎间隙前、中、后高度后取均值, 并以上位椎体横径作为参考以避免放大误差。

1.4 统计学方法

采用SPSS18.0统计软件进行分析, 计量资料以均数±标准差 (±s) 表示, 组间比较采用方差分析, 两两比较采用SNK检验;计数资料组间比较采用秩和检验或χ2检验;检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 植骨粒体积、椎间植骨总体积及Cage高度测量

术后患者切口均Ⅰ期愈合, 无早期并发症发生。患者均获随访, 随访时间24~48月, 平均35个月。

A组平均值骨粒体积为 (0.21±0.07) cm3, 椎间植骨总体积为 (6.7±1.2) cm3, Cage高度为 (10.7±1.0) mm;B组平均值骨粒体积为 (0.12±0.06) cm3, 椎间植骨总体积为 (6.9±1.8) cm3, Cage高度为 (10.1±0.9) mm;C组平均值骨粒体积为 (0.05±0.03) cm3, 椎间植骨总体积为 (6.8±1.4) cm3, Cage高度为 (10.4±0.9) mm。各组植骨粒体积比较, 差异均有统计学意义 (P<0.05) ;椎间植骨总体积及Cage高度比较, 差异均无统计学意义 (P>0.05) 。

2.2 临床评估

术前各组均行下腰痛、双下肢疼痛VAS评分及ODI评分, 各组之间比较, 差异均无统计学意义 (P>0.05) 。末次随访时, 各组3个指标均较术前显著降低 (P<0.05) 但组间两两比较差异均无统计学意义 (P>0.05) , 见表1。

2.3 影像学评估

术后1年复查X线片显示, A组植骨融合22例 (78.6%) , B组植骨融合24例 (88.9%) , C组植骨融合18例 (66.7%) ;术后2年A组植骨融合23例 (82.1%) , B组植骨融合25例 (92.6%) , C组植骨融合19例 (70.4%) 。B组植骨融合率均显著高于A、C组, A组高于C组, 组间比较差异均有统计学意义 (P<0.05) , 见附图。

注:†与术前比较, P<0.05

A:A组术前侧位X线片及术后2年侧位X线片;B:B组术前侧位X线片及术后2年侧位X线片;C:C组术前侧位X线片及术后2年侧位X线片

如表2所示, 各组术后及末次随访时椎间隙高度与术前相比均有显著提高, 差异有统计学意义 (P<0.05) ;与术后即刻比较, 末次随访时A、B、C组椎间隙高度变化分别为 (8.7±1.7) mm、 (10.1±1.8) mm、 (8.8±1.7) mm, B组显著小于A、C组, 差异有统计学意义 (P<0.05) ;A、C组间差异无统计学意义 (P>0.05) 。

注:1) 与术前比较, P<0.05, 2) 与A组比较, P<0.05;3) 与B组比较, P<0.05

3 讨论

经后路行脊柱椎弓根钉内固定配合Cage支撑植骨融合术治疗腰椎间盘突出症、椎管狭窄症等腰椎退行性疾病由于其初期固定坚强而被广泛应用。其目的是为了恢复腰椎正常排列、解除神经压迫和重建脊柱稳定性[2]。本组病例中, 术后末次随访大部分融合, 未出现假关节形成、内固定松脱或折断等并发症。良好的植骨床准备及植骨块的质与量是椎间融合的重要条件, 本研究发现植骨粒体积的大小对于术后患者症状的改善没有明显差异, 但中等体积的植骨粒术后融合率明显高于较小或较大的植骨粒体积, 在术后椎间高度的丢失方面, 中等体积的植骨粒也有明显优势。

腰椎后路椎弓根钉内固定配合Cage支撑植骨融合术中, 植骨粒多为松质骨, 在承受较大力量时容易发生塌陷[3], 在植骨前期炎性反应及后期骨痂改建和重塑过程中, 成骨细胞在发挥形成连接骨痂作用的同时, 破骨细胞会对坏死骨及应力轴线以外的骨组织起吸收作用[4,5]。本组病例中, 植入骨粒较大时, 骨粒相互累积产生较多的空隙, 其相互挤压造成骨小梁的断裂, 这种自身网架结构的破坏会导致植入骨的破坏吸收大于改建重塑, 不利于术后初期的稳定及椎间的融合。HA等[6]通过CT扫描发现椎间隙内植骨粒体积会随时间延长发生丢失。本组病例中各组术后即刻的椎间高度与末次随访相比均有不同程度的丢失, 进一步证实了以上观点。

而较小体积的植骨粒在制取过程中, 由于骨板结构破坏较多, 无形中延长了骨粒之间、骨粒与终板之间形成纤维连接的时间, 故修复重建过程较慢。术后由于腰椎活动, 产生骨-骨界面微动, 不利于骨小梁的重建与修复[7], 较慢的修复过程又加剧了骨-骨界面的微动, 从而形成了恶性循环[8]。相对于体积较小的植骨粒, 大块的植骨粒由于自身骨小梁结构丰富, 并有一定的连续性及完整性, 所以在形成纤维连接及骨痂连接方面更具有优势。

综上所述, 本组病例中采用不同植骨粒体积在术后患者症状改善方面没有明显差异, 但中等体积植骨粒 (0.10 cm3/粒) 术后影像学评价效果良好, 明显提高了术后椎间融合率, 减小了椎间隙高度丢失, 对腰椎后路椎弓根钉内固定配合Cage支撑植骨融合术有一定指导意义。

参考文献

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暖棚养护法施工大体积混凝土篇3

本工程为某炼铁厂改造工程高炉大体积混凝土基础, 基础一步大脚长26 m、宽26 m、高3 m, 二步大脚为宽20 m的正八边形, 高3 m;基础混凝土等级为C25, 混凝土量约3 000 m3, 钢筋量约270 t。地基处理为64根灌注桩, 桩径1 000 mm, 桩长38.5 m。高炉基础位于炼铁厂生产区域内, 蒸汽能源丰富。

2 大体积混凝土裂缝产生的主要原因

混凝土水泥凝结硬化过程中产生大量的水化热, 聚集在大体积混凝土内部不易散发, 造成内外较大温差, 形成温度梯度, 使混凝土表面产生拉应力, 当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝;混凝土在凝结过程中的塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等体积变化, 在受外部约束时产生应力, 导致混凝土产生裂缝;外界气温、湿度变化, 影响混凝土的内部温度及干缩变形;其他因素如建筑物基础的不均匀沉降, 混凝土配合比不良以及混凝土中起化学反应造成混凝土体积膨胀等也会产生裂缝。

3 裂缝控制措施

3.1 优选混凝土各种原材料, 控制施工配比, 减少水泥用量

1) 水泥的选择:

选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥, 并降低水泥用量。本工程所用水泥由双良水泥厂专门配制生产, 尽可能的降低水泥水化热量。

2) 骨料的选择:

粗骨料选用粒径较大、质量优良、级配良好、含泥量小的石子, 可以减少用水量及水泥用量, 还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。细骨料采用平均粒径较大的中粗砂, 从而降低混凝土的干缩, 减少水化热量。

3) 掺加外加料和外加剂:

掺加适量超细矿渣粉和二级粉煤灰, 以减少水泥用量, 从而达到降低水化热的目的。同时, 掺加适量的缓凝型减水剂, 可延缓浇筑过程的水化热释放速度。

4) 优化配合比:

为减少水泥用量, 本工程采用混凝土60 d强度, 经过我公司试验部门试配后, 混凝土水灰比降低为0.51, 水泥用量减少到260 kg/m3, 粉煤灰掺量21%, 大大降低了单位混凝土水化热量。

3.2 优化设计, 采取必要的构造措施

1) 在基础垫层上做一层SBS滑动层, 以减小地基约束力。2) 在混凝土外表面增加抗温度裂缝构造钢筋, 使其表面钢筋间距不大于100, 钢筋直径不小于12, 以提高混凝土表面抗裂性能。3) 在混凝土外表面1 m范围混凝土内掺入适量钢纤维, 以提高混凝土表面抗裂性能。在浇筑过程中, 向混凝土的四周及上表面约1 m范围内均匀撒入35 mm长的钢纤维, 然后振捣均匀。

3.3 加强混凝土浇筑后温控工作

1) 控制混凝土入模温度:

为降低混凝土的入模温度, 主要从降低混凝土的出机温度着手。首先, 提前3 d～5 d将露天堆放的砂石加以覆盖, 以减少阳光对其的辐射;在搅拌过程中向混凝土中添加了冰水。浇筑时, 通过对每车混凝土的出机温度进行了测量, 结果均控制在15 ℃以下。

2) 混凝土温度控制、监测与养护:

混凝土浇筑后, 采用暖棚法对大体积混凝土进行养护, 同时预先在基础混凝土内埋设电子测温仪, 24 h监测养护过程中混凝土的内外温度变化情况, 然后利用暖棚法来调节混凝土的养护环境。

混凝土浇筑完毕后, 进行多次抹面, 并且立即搭盖暖棚, 棚内设暖气片和蒸汽口, 通气后形成保温保湿的暖棚。在暖棚内放温度计和湿度计, 根据预埋测温仪监测到的混凝土内外温度, 通过调节蒸汽的大小, 使棚内温度与混凝土内部最高温度相差保持在25 ℃以内, 棚内湿度保持在80%以上。混凝土表面用草袋子覆盖严密, 并且保持草袋子持续潮湿, 洒水时水温与混凝土表面温度之差不大于10 ℃。

4 裂缝控制计算

为了做好混凝土温度预控, 以及验算结构稳定性, 施工前做好大体积混凝土温度计算和应力验算。混凝土标号C25, 采用32.5级矿渣硅酸盐水泥, 用量260 kg/m3, 水泥28 d水化热取334 kJ/kg。计算结果如表1所示。

1) 绝热温升:

$Τ_{h} = \frac{(W_{c} + κ \times F) \times Q}{C \times ρ}$ (1)

其中, Wc为混凝土中水泥用量, kg/m3, 取260;Q为水泥28 d混凝土水化热, kJ/kg, 取334;F为混凝土中活性掺合料用量, kg/m3, 粉煤灰用量取100 kg/m3。

养护条件:暖棚养护, 混凝土表面覆盖一层塑料薄膜、两层草袋子。

2) 混凝土中心计算温度:

T1 (t) =Tj+Th×ξ (t)(2)

其中, Tj为混凝土浇灌入模温度, 取15 ℃。

3) 各龄期混凝土表层温度:

$Τ_{2 (t)} = \frac{Τ_{q} + 4 \times h^{'} \times (Η - h^{'}) \times (Τ_{1 (t)} - Τ_{q})}{Η^{2}}$ (3)

其中, Tq为环境平均温度, 取25 ℃。

β=1/ (∑δi/λi+1/βq) 。

4) 各龄期混凝土弹性模量:

E (t) =E0 (1-e-0.09t) (4)

5) 各龄期混凝土收缩率:

εY (t) =ε $_{Y}^{0}$ (1-e-0.01t) M1M2…M10 (5)

6) 各龄期混凝土收缩当量温度:

TY (t) =εY (t) /α (6)

7) 结构计算温差, 一般每3天划分的时间区段:

ΔTi=Tm (i) -Tm (i+3) +TY (i+3) -TY (i)(7)

8) 各区段拉应力:

σi=Ei×α×ΔTi×Si×[1-1/ch (βi×L/2) ] (8)

其中, β (t) 为地基约束数, $β_{(t)} = \sqrt{C_{x_{1}} + C_{x_{2}} / (h \times E_{(t)})}$ 。

5 实施效果

通过实测所得混凝土内部各龄期温度, 选择具有代表性的两个测点加以分析, 温度曲线见图1, 图2。养护过程中, 暖棚内温度前18天白天35 ℃左右, 夜晚30 ℃左右, 18 d以后棚内温度控制在25 ℃左右;棚内湿度保持在80%以上。养护过程中, 混凝土中心最高温度48.98 ℃, 混凝土内外最大温差24.29 ℃。

由图1, 图2可知:1) 混凝土初期温度迅速升高;2) 混凝土中心温度持续长时间高温;3) 混凝土降温过程非常缓慢;4) 混凝土外表面受环境温度影响较大, 而中心温度几乎不受影响。

本工程采用暖棚保温法养护基础大体积混凝土, 主要通过提高混凝土外部养护温度, 不仅控制了混凝土内外温差在25 ℃以内, 也改善了混凝土表面的养护条件。最终基础验收时, 未发现任何裂缝现象, 取得了良好效果。

6 结语

通过采用同样的方法, 我公司已成功完成一次性浇筑体积达7 000多立方米的大型高炉基础, 成功控制了混凝土裂缝, 创造了当时全国最大体积混凝土一次性浇筑成功的业绩。随着施工技术的不断发展, 全国各地出现了许多大体积混凝土施工的成功案例, 尤其是长江三峡取得了大体积混凝土浇筑的圆满成功, 标示着我国该项技术跃居世界前列。大体积混凝土施工已不再是难解的课题。

参考文献

固定体积法篇4

泡沫玻璃是一种密度较小、强度较高、整体充满小气孔的玻璃质材料, 制品中含80~95%的气体, 是一种新型建筑节能材料, 由于其特有的优异性能, 可应用在中温保温隔热、建筑内外墙的保温隔热、防水防潮工程、装饰工程、石油化工、冷藏、地下工程和噪音消除等领域[1,2,3,4]。

响应面法 (Response Surface Methodology, RSM) 综合了实验设计和数学建模的思想, 是一种通过多元二次回归方程来对多因子与响应值进行拟合的一种优化方法, 进行模型预测, 并得到最优化条件。Box-Benhnken试验设计将各试验点取在立方体棱的中点上, 其特点是在因素相同时, 试验次数较少, 没有将所有试验因素同时安排为高水平的实验组合, 所选试验点具有近似旋转性, 没有序贯性, 试验点选取客观科学, 便于进行统计分析[5,6,7]。

最近几年, 科研工作者对响应面法进行了大量研究, 响应面的应用得到扩展, 如材料学、生命工程学、环境工程学、化学工程学、生态科学及生物制药等领域都获得了频繁应用[8,9,10,11]。

本文以废平板玻璃为主要原料, 根据Box-Behnken试验设计及响应面分析法, 利用响应面8.0软件, 对模压烧结泡沫玻璃的制备工艺参数进行优化, 以期待得到一些有益的结论并进行理论探讨、指导实践。

1、实验

1.1 泡沫玻璃的制备方法

废平板玻璃选用普通市售废窗玻璃, 其余原料均为分析纯药品, 配合料中Ca CO3为发泡剂, 加入适量Na2CO3、 (Na PO3) 6作为添加剂。将经预处理过的原料按配方制成均匀配合料后与适量水均匀混合, 造粒闷料后在不锈钢模具中模压成型, 阴干后放入马弗炉中。以8℃/min升温速率从室温升温至450℃, 保温30 min, 再以5℃/min的升温速率升温至发泡温度, 保温指定时间, 以10℃/min速率快冷到600℃, 保温30 min, 关闭电源随炉冷却缓慢退火至室温。试验所得样品的体积密度均采用阿基米德法测定。

1.2 响应面法试验设计

选取发泡剂含量 (A) 、发泡温度 (B) 、保温时间 (C) 、原料湿磨时间 (D) 作为考察变量, 泡沫玻璃体积密度 (Y) 为响应值, 利用响应曲面分析法优化泡沫玻璃制备工艺。试验设计因素水平如表1所示。

2、结果与讨论

2.1 单因素试验

采用模压烧结法, 以废平板玻璃为主要原料, Ca CO3为发泡剂, Na2CO3、 (Na PO3) 6为添加剂, 在其他条件一致的情况下, 分析发泡剂含量、发泡温度、保温时间、原料湿磨时间4个因素对泡沫玻璃体积密度的影响。

2.1.1 发泡剂含量对体积密度的影响

图1为发泡剂含量与样品体积密度的关系图。从图1可知, 配合料中发泡剂含量增多, 反应和分解所产生的气体总量增多, 同样制备工艺条件下, 能存留在样品中的气体量也增多, 所得的样品体积密度越小, 到3 wt%时达到最小值, 这是因为过量发泡剂产生的气体会使部分充分膨胀长大的气泡破裂产生气体逸散。因此, 最佳发泡剂含量为3 wt%, 选取2 wt%, 3 wt%, 4 wt%为响应面试验水平。

2.1.2 发泡温度对体积密度的影响

图2为发泡温度与样品体积密度的关系图。从图2可知, 发泡温度从800℃上升到840℃时样品体积密度呈减小趋势, 840℃之后体积密度随着发泡温度的升高而增大, 这是由于过高的发泡温度会使气孔内气压过大, 较小的配合料粘度使得气泡的表面张力变小而发生破裂, 气体逸出。因此, 最佳的发泡温度为840℃, 选取820℃, 840℃, 860℃为响应面试验水平。

2.1.3 保温时间对体积密度的影响

图3为保温时间与样品体积密度的关系图。从图3可知, 保温60 min时样品体积密度最小, 30 min到60 min体积密度呈减小趋势, 60 min后呈下降趋势, 这说明保温时间达到60 min时样品中的气泡已经充分膨胀长大, 随着保温时间的增加, 样品中部分气泡因向外张力过大而发生坍塌。因此, 最佳保温时间为60 min, 选取45min, 60 min, 75 min为响应面试验水平。

2.1.4 原料湿磨时间对体积密度的影响

图4为原料湿磨时间和体积密度的关系图。由图4可知, 随着原料湿磨时间的延长, 样品的体积密度逐渐减小。当湿磨时间在30~60 min时, 体积密度减小幅度较60~120 min的时候明显, 这是由于原料粒度越小所得样品的体积密度越小, 在湿磨初期原料粒度减小较快, 60 min之后的湿磨只是使原本的大粒子变为较小粒子, 原料整体的粒度减小幅度变慢, 过长的湿磨时间还会造成试验的周期和成本的提高。因此, 考虑到试验成本, 最佳原料湿磨时间为50 min, 选取40 min, 50 min, 60 min为响应面试验水平。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 模型的建立与显著性检验

本试验共有27个试验点, 其中5、9、12为中心试验点, 其他为析因试验, 其中析因点为自变量取值在A、B、C、D所构成的四维定点, 零点区域为中心点, 零点试验重复3次, 以估计试验误差。试验方案及结果见表2。

利用响应面8.0软件对表2结果进行统计分析, 可建立如下二次回归方程:

Y=0.3 4-6.6 6 7×1 0-3A-0.0 1 1 B-0.0 1 3 C-0.018D-2.500×10-3AC-2.500×10-3AD+7.500×10-3BC+1.000×10-2BD+1.000×10-2CD+0.021A2+0.022B2+0.021C2+0.012D2

其中二次多项式的模型相关系数R2=0.9222, 说明响应值 (体积密度) 的变化有92.22%来源于所选变量, 表明模型拟合度很好;同时, 信噪比为10.450, 一般信噪比大于4是合理的, 表明该模型有很强的信号。所以此模型能被用来指导设计响应面。

对二次回归方程进行方差分析, 结果见表3。由表3和数据分析可知, 模型的F值为10.17, 由于噪声导致F值如此大的可能性只有0.01%, 表明此模型是显著的;模型的失拟度为3.18, 由于噪声导致失拟度如此大的可能性为26.32%, 表明相对于纯误差而言, 失拟度不显著, 失拟的不显著性好, 我们认为该模型是显著的;回归模型达到极显著水平 (P<0.01) , 而误差项不显著, 说明回归方程与实际情况吻合得较好, 试验误差小。因此可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。

注:*.在α=0.05水平上显著;**.在α=0.01水平上极显著。Note:*.At the level ofα=0.05, it is significant;**.At the level ofα=0.01, it is extremely significant.

对回归模型各项进行方差分析表明, 模型一次项、二次项都有较显著影响, 所以响应值的变化较为复杂, 响应值和各试验因素之间应为二次抛物面关系, 而非简单的线性关系。回归模型中作用显著项为A、B、C、D、A2、B2、C2、D2, 从各变量显著性检验P值的大小, 可以看出影响泡沫玻璃体积密度的各因素按大小排序依次:原料湿磨时间、保温时间、发泡温度、发泡剂含量。

2.2.2 各因素的交互作用对泡沫玻璃体积密度的响应面分析

为了考察交互项对泡沫玻璃体积密度的影响, 在2个因素水平固定不变的情况下, 考察交互项对泡沫玻璃体积密度的影响, 对模型进行降维分析[13,14]。经响应面8.0软件分析, 两因素交互作用由大到小为:发泡温度和原料湿磨时间=保温时间和原料湿磨时间>发泡温度和保温时间>发泡剂含量和保温时间=发泡剂含量和原料湿磨时间>发泡剂含量和发泡温度。

2.2.3 模压烧结法制备泡沫玻璃工艺的优化与验证结果

为进一步获得工艺最佳点, 用响应面8.0软件进行数值优化分析, 以获得最优的模压烧结条件。经分析, 最适工艺条件分别为发泡剂含量3.2 wt%、发泡温度841.47℃、保温时间62.48 min、原料湿磨时间56.24min, 在此条件下泡沫玻璃的理论体积密度为0.335685g.cm-3。将模压烧结工艺修正为:发泡剂含量3.2 wt%、发泡温度840℃、保温时间62 min、原料湿磨时间56min。采用修正后的工艺参数进行3次平行验证试验, 试验结果测得泡沫玻璃体积密度为0.31 g.cm-3, 与模型预测值相差7.652%。证明该模型结果准确性较好。

3、结论

(1) 采用模压烧结法制备硅酸盐泡沫玻璃, 单因素实验选取因素和水平, 利用响应面分析方法对泡沫玻璃制备工艺进行优化, 显著性检验表明:所建立模型显著, 所得回归方程可用来代替试验真实点对试验结果进行分析。

(2) 回归模型中一次项、二次项都有较显著影响, 影响泡沫玻璃体积密度的各因素按大小排序依次:原料湿磨时间、保温时间、发泡温度、发泡剂含量。

固定体积法篇5

关键词：体积管,流量测量,加注自动化

0 引言

在工业生产和科学技术的研究过程中, 流量已成为一个不可缺少的参数。通过各种方法可以获取流量参数, 在分析流量参数后, 调整工业生产过程和设计研发方法以达到科研或生产的最终目地。火箭发动机试车的特殊要求和试车环境, 常选用的流量测量方法有以下四种:压差法, 如孔板、文氏管;速流法, 如涡轮流量传感器、超声波流量传感器;测量液面法;动态称量法。传统的质量流量计和涡轮流量计应用非常广泛, 但受限于其设计原理, 对于小流量和脉冲流量, 尤其是短脉冲流量的测量作用有限, 而体积管流量测量法在这方面则有其独特的优势。由于体积管容量有限, 在实际应用中需频繁对体积管进行加注, 所以加注过程实现自动化是一件非常必要的事情。

1 体积管流量测量装置原理

1.1 体积管流量测量法

体积管测量流量的原理是将推进剂存放在一根内径均匀的中空管中, 测量发动机工作前后管内推进剂液位的高度差, 算出消耗的推进剂体积, 再由发动机工作的时间或脉冲数, 得到平均的流量值或每个脉冲的平均耗量。因为是通过测量推进剂的体积, 再计算得到流量, 所以称为体积管流量测量法。

1.2 体积管的标定

对体积管的标定实际就是测量计算钢管的斜率 (k) 值, 由于钢管在生产安装过程中, 不能保证钢管内径上下完全一致, 因此, 如果简单地由液位高度和体积的正比关系, 直接用k值来计算流量, 可能会产生较大的误差, 影响测量精度。理论上采用插值法计算, 可以减小误差。

插值法就是将钢管均匀的划分为若干小段, 每段有自己独立的k值和测量范围, 所有的k值和量程形成一个插值表, 由于划分较细, 每一端都可以认为是内径均匀, 在各段量程范围内都可以直接用其k值计算, 如起始液位输出电压值Vs处于V1和V2之间, 发动机工作时间t后液位输出值Ve处于V4和V5之间, 则发动机工作时间内的平均流量为:

由于上述计算较为复杂, 在实际应用中, 应采用内径高度均匀的中空管, 使各段的k值尽量一致。上述过程必须通过对体积管标定来得到验证, 在标定过程中, 得到每段的k值并进行分析。当 (1) 式中k1≈k2≈k3≈k4≈k时, 其变换为:

2体积管流量测量法的应用

2.1体积管流量测量装置的构成

在试车过程中, 流量是非常重要的数据。稳态流量可以用涡轮流量计、质量流量计等, 其数据的测量也方便, 流量计设置好后, 测量过程中也不用人工干预了。而对于小流量和脉冲流量的测量, 目前常用的方法是容积法和称重法, 该装置采用的是容积法, 它主要由大容器、体积管、管路、阀门、发动机构成。

2.2 微脉冲位移传感器

在相同的密度下, 质量流量与体积成正比, 体积管有由一根内径高度均匀的不锈钢管制成, 所以流量测量最终转化成液位高度的测量。

液位高度测量采用巴鲁夫的BTL系列的微脉冲位移传感器。其检测元件 (波导管) 由特种镍铁合金制成, 内径0.5mm, 外径0.7mm。管内设有一根铜导线。由一个瞬时电流脉冲启动检测过程。该电流产生了一个围绕波导管旋转的圆形磁场。在被测位置作为标示块的永磁铁, 其磁力线垂直于电磁场。在两个磁场交会的波导管中, 由于磁致伸缩效应使波导管 (在极小范围内) 产生了一个弹性形变, 并以机械波的形式沿波导管同时向两个方向传播。在波导管中, 机械波的传播速度为2 830m/s, 几乎不受环境的影响 (如温度、冲击、污染等) 。到达波导管远端的机械波在那里衰减, 而到达信号转换器的机械波由磁致伸缩的反效应转换为电信号。从波发生点到信号转换器机械波传播的时间与磁铁到信号转换器的距离直接对应。通过检测时间, 可以高精度地测出距离。

2.3 体积管流量测量装置的工作过程

体积管测量装置的工作过程大致如下:对体积管进行加注→记录初始电流I1→进行试车→记录末电流I2→对体积管进行加注→……。

加注过程中所开阀门为:燃加注、燃放气、燃试车。

试车过程中, 需容积法测量流量时所开阀门为:燃增压、燃主、燃试车、燃阀。其中燃阀、燃主由程序控制。

试车过程中, 不需容积法测量流量时所开阀门为:燃加注、燃主、燃阀。其中燃阀、燃主由程序控制。

3 体积管加注过程的自动化

早期液位加注中采用了提示音的方法, 但还是不能完全消除误操作。第一, 对时间较长的试车, 人员疲劳, 而不同过程的阀门操作需有人来判断;第二, 容器和体积管中的压力是不定的, 这导致了对体积管加注速度的不定性, 使操作难度加大。这需要用新的方法来解决。

3.1 压差控制原理

当对体积管进行加注时, 其流量取决与P1与P2的差值, 其公式为:

式中K为系数, q为流量。所以控制住压差, 就能控制住流量。

3.2 基于LabVIEW平台的压差控制液位加注系统

3.2.1 硬件构成