2.6. Липкость грунта: негативные последствия и пути снижения

В России 25% территории занимают зоны избыточного увлажнения, в которых при разработке грунта происходит налипание, а в зимний период и намерзание грунта на ковши, отвалы, кузова машин. илы трения и прилипания составляют от 30 до 70% от общего сопротивления копанию, а производительность снижается в 2 и более раз [4]. На р с. 2.16 показана схема ковша экскаватора обратная лопа-

та с характерными зонами налипания влажного грунта.

С. 2.16. Характерные

зоны нал пан я грунта

в ковше экскаватора

обратная лопата

Рис

Пр рода адге-

зии (пр л пан я)

закономерности ад-

гезионного взаимодействия полностью не раскрыты [21, 26]. Тем не

менее рассмотрим некоторые физические закономерности с точки

зрения определения спосо ов

орьбы с этим негативным явлением.

В настоящее время установлено, что липкость глинистых грун-

тов следует рассматривать как функцию их влажности, минералоги-

бА

ческого состава (рис. 2.17 [23]) и величины внешнего давления.

Рис.

2.17.

Зависимость

липкости

, %

180

160

грунта от влажности и минералогиче-

ского

Д

2

состава глинистой части:

липкость

140

1 – монтмориллонит; 2 – гидрослюда;

1

3 – каолинит

120

100

3

Самыми липкими являются

Относительная

И

80

наиболее

влагоёмкие

грунты

с

преобладанием глинистой части

0,5

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

монтмориллонитового

состава.

Относительная влажность

Наибольшая величина липкости глинистых грунтов проявляется при влажности в интервале 0,75 – 0,85 от WL. При увеличении или уменьшении влажности от этого интервала липкость грунтов уменьшается.

59

Чем сильнее прижать влажный грунт к твёрдой поверхности, тем сильнее он «прилипнет» к ней.

На границе контакта «твердая поверхность – влажная сыпучая среда» возникают силы прилипания молекулярной gм, электростатической gэ и капиллярной gк природы. Причём последние существенно

Спревалируют в грунтах с повышенной влажностью, составляя более 90% от общего значения силы прилипания [22].

При увел чен влажности свыше 0,6WL прочносвязанная влага на поверхности част ц постепенно переходит в рыхлосвязанную и далее в кап ллярную воду. При определенных условиях влага в местах контакта част ц с твердой поверхностью формируется в виде манжет, меющ х вогнутый мениск при смачиваемых сыпучих средах твердых поверхностях (рис. 2.18).

и

Рис. 2.18.

Модель процесса на-

липания: а – образование ман-

жет; б – пояснение значений

расчётных величин

Давление

внутри

манжеты меньше давления

окружающей среды, поэто-

му и происходит прилипание частицы к поверхности.

СилыбАналипания капиллярного происхождения Fk складываются

из действий капиллярного давления Рм и поверхностного натяжения

жидкости σ и определяются по формуле

Fk = Рм Sм – σХм

,

(2.28)

Д

где Sм = πb2 – площадь сечения манжеты;

Хм = 2πb

– периметр мени-

ска манжеты;

1

1

И

Рм

.

с

b

Выражение (2.28) приводится к виду

F

b(b c)

,

(2.29)

k

c

где b и с – показатели кривизны поверхности мениска (рис. 2.18,б, пунктирной линией показана вогнутая поверхность мениска с центром в точке О3).

60

Величины b и с можно выразить через R (средний радиус частицы) и θ – полярный угол манжеты. Тогда выражение (2.29) приводится к виду

F			2 R
						.		(2.30)
k			1 tg
				2

Удобно пользоваться удельной силой прилипания капиллярного характера, которая получается делением выражения (3.30) на площадь сечения част цы:

	С	g	Fk		.	(2.31)
			R	2
	Из р с. 2.18 в дно, что с уменьшением влажности в среде по-
	лярный угол уменьшается, это вызывает увеличение Fk, которое стре-
	мится к своему макс мальному значению, равному 2πRσ.
	Если
	бА

в качестве примера принять R = 0,03 мм, то gmax = 52 г/см2, что бл зко к значен ю gк, полученному экспериментально. При уменьшен вел ч ны R существенно возрастает величина g. Максимальная липкость глинистого грунта обычно изменяется в пределах от 60 до 80 г/см2.

Рассмотрим процесс возникновения и развития силы Fk.

Если температура влажного грунта превышает температуру окружающего воздуха, то создаетсяДположительный градиент температур между грунтом и рабочим органом, который имеет температуру окружающей среды. Под действием указанного градиента влага устремляется к поверхности рабочего органа, смачивая её. Таким образом, условия для развития Fk налицо.

При прогреве рабочего органа температурныйИградиент сводится к нулю или приобретает обратное значение, начинается отсос влаги из зоны с большей влажностью (слой среды, прилегающий к рабочей поверхности) в зону с меньшей влажностью (в глубь сыпучей среды). Последнее приводит к развитию силы прилипания капиллярной природы Fk, так как полярный угол манжет θ уменьшается.

При повышенной влажности ближе к границе текучести полярный угол манжет θ увеличивается и приобретает другой знак, налипание снижается.

При малой влажности капиллярная влага отсутствует, она находится в связанном состоянии, что также приводит к уменьшению налипания грунта. Иногда в определённом интервале относительно низ-

61

кой влажности липкость глинистого грунта проявляется при определённом внешнем давлении рабочих органов. Это объясняется наличи-

ем рыхлосвязанной влаги, окружающей грунтовые частицы, при влажности, соответствующей верхней границе максимальной гигроскопичности. При высоком внешнем давлении эта влага приобретает Ссвойства капиллярной и образует манжеты на контакте с твёрдой по-

верхностью, усиливая силы электростатического характера.

Вышепр веденный анализ предопределяет возможные направления меропр ят й по борьбе с налипанием на рабочие органы ма-

тренияшин влажного гл н стого грунта.

На более полная классификация методов снижения адгезии и

при разра отке грунтов включает четыре группы [25].

К первой группе относятся методы создания на границе контакта

гезионного вза модействия фаз: грунта и рабочей поверхности.

промежуточногобАслоя, который может служить для экранирования ад-

Ко второй – методы, спосо ствующие ослаблению адгезионных связей за счёт внешнего воздействия, приводящего к изменению свойств контакт рующ х фаз (уменьшение поверхностного натяжения, потенциала двойного электрического слоя, изменение структуры

фаз и др.).

К третьей группе – конструктивно-технологические методы и

механические спосо ы.

контакта через отверстия в рабочемДоргане, предварительной смазки рабочей поверхности, перераспределения влаги в дисперсной массе с концентрацией её в зоне контакта (например, при электроосмосе и направленной вибрации).

К четвертой группе отнесены все комбинированные методы. Промежуточный слой на границе контакта может быть жидким,

твёрдым и газообразным. При образовании промежуточного слоя используют воду, масла и другие жидкости. Образование такого слоя

возможно в результате непосредственной подачи жидкости в зону И

Эффективность смазки зависит от её физических свойств и ус-

ловий применения. Выбор смазки определяется конкретными условиями работы. В качестве смазок применяются различные масла, растворы нефтепродуктов (солидол, автол, петролатум, веретенное и машинное масла) в соляровом масле, керосине, водные суспензии и растворы различных веществ (смесь глин, шлама, талька, мыла, СаС12 и др.), консистентные смазки, парафины, отходы продуктов нефтехимии (ниогрин, КОС, РПС-67).

62

Применение жидкостной смазки, придающей поверхности рабочего органа когезионные свойства, предотвращая её от адгезии грунта, требует наличия распылительных форсунок, соединённых трубопроводом с насосной установкой и ёмкостью с жидкостью.

Перспективным является способ подачи жидкости или газа че- Срез микропористую поверхность с использованием капиллярного подсоса. Однако практическое применение микропористых материалов сдерж вается х высокой стоимостью и низкой износостойко-

стью.

сичныУн версальных смазок не найдено. Чистые масла дороги и дефицитны. Растворы нефтепродуктов пожароопасны, а их пары ток-

. Водные мыльные растворы не нашли широкого применения из-за плохой удерж вающей способности.

Пр мененбАе газовой прослойки позволяет снизить трение и прилипан е д сперсных масс практически любой влажности [25]. Конструкт вные решен я ра очих органов с газовой смазкой используют два пр нц па о разования газового слоя: либо подачу от компрессора через одну – две щели с последующим распределением газового слоя по ра очей поверхности, либо подачу его через частую перфорацию сразу на всю ра очую поверхность. Результаты исследований воздушной смазки показали её наибольшую эффективность на плотных глинистых грунтах повышенной влажности, когда мала газопроницаемость грунта и обеспечиваетсяДминимальный расход воздуха. Удельный расход воздуха составляет 10 – 15 кг/м2 при давлении 0,15 – 0,20 МПа. Общая энергоёмкость газовой смазки на порядок выше жидкостной. Она малоэффективна при невысоких скоростях копания. Применение газовоздушного слоя для снижения прочности прилипания возможно только при непрерывнойИподаче воздуха на поверхности, контактирующей с грунтом. Такое воздействие не обеспечивает очистку поверхности ковша от уже имеющегося грунта.

Электроосмос во многих случаях является эффективным средством уменьшения трения и прилипания. Наиболее эффективен этот процесс во влажных грунтах с сильным адгезионным взаимодействием.

Ещё больший эффект даёт совмещение электроосмоса с вибрацией. Полученный эффект объясняют тем, что в связи с уменьшением адгезии за счёт выделения поверхностного слоя воды при электроосмосе возрастает относительное превышение инерционных сил, сообщаемых массе грунта при вибрации, над силами прилипания. Существенный эффект получен лишь при значительной влажности. Вклю-

63

чение устройств вибрационного воздействия необходимо осуществлять в моменты наполнения ковша и его разгрузки.

При тепловом воздействии увеличение температуры нагрева зоны контакта и продолжительности воздействия снижает адгезию. Рациональной является температура нагрева зоны контакта до 60 – 85 оС при продолжительности воздействия 22 – 25 с.

При акустическом высокочастотном воздействии с увеличением частоты колебан й с 780 до 5460 Гц и продолжительности воздействия с 5 до 25 с адгез я снижается в 2 раза. Рациональны значения частоты колебан й 5460 Гц, амплитуды 0,16 мм, продолжительности

воздейств	я 25 с.
С
При	брац онном низкочастотном воздействии частотой 50 Гц
рациональны значен я амплитуды 1,8 – 2,35 мм при продолжительно-
сти воздейств я 20 – 26 с.
Установлено [25], что термоакустическое воздействие эффек-
теплового акустического в отдельности, так как удельная
тивнее
энергоёмкость его на 10 – 15% меньше.
Вторая группа методов уменьшения липкости грунта предпола-
гает воздействие на жидкую фазу влажного грунта. Для этого можно
использовать химические до авки, имеющие кислую среду (рН ≤ 7).
Далеко не полный перечень этих добавок, часто являющихся от-
ходами и побочными продуктами производства, представлен в табл.

2.10 [6], а рекомендуемые дозировки – в табл. 2.11.

Использование таких добавок наиболее эффективно в грунтах с
бА
преобладанием монтмориллонита, гидрослюды и каолинита с числом
пластичности от 7 до 30.		Таблица 2.10
Некоторые отходы производства, рекомендуемые для уменьшения
		Д
липкости и повышения уплотняемости глинистых грунтов
Добавка		Характеристика добавки
		И
1		2
Сульфокислота на неф-	Состав: сульфокислота – 55%; минеральное масло – не
тяной основе (контакт	более 3,7%; зола – не более 0,09%; серная кислота – не
Петрова – КП)	более 1,12%. 0 < рН < 8
Кислота соляная	Отход производства силиконовых каучуков. Содержа-
техническая (КСТ)	ние основного вещества 24,5%. 0,1 рН <8

64

							Окончание табл. 2.10
	1						2
	Кислота уксусная (КУ)					Отход производства аспирина. Содержание основного
						вещества 75%. 2,4 рН <8
	Кислота серная					Отход производства органических кубовых красителей.
	отработанная (		)			Содержание основного вещества 73 – 77%. 1,5 рН < 8
КСО						Отход травления фольгинированного гетинакса в радио-
	Хлорное железо (FeCl3)
						электронной промышленности. Концентрация не менее
						60 г/л. 1,0 рН < 8
	Хлорная медь (CuCl2)					Отход травления фольгинированного гетинакса в радио-
	Кислая
						электронной промышленности. Концентрация не менее
						30 г/л. 0,5 рН < 8
	вода (КВ)					Отход производства уксусного ангидрида в химической
						промышленности. Состав: ацетон – до 0,5%; уксусная
						к слота – до 5%. рН = 3
		бА
	Надемольная вода (НВ)					Отход производства фенольно-формальдегидных смол.
						Состав: фенол – 6%; формальдегид – до 3%; метанол –
						до 15%. рН = 4
	Жидкий кубовый остаОтход производства уксусного ангидрида. Состав: аце-
	ток (ЖКО)					тон – 0,5-50%; уксусная кислота – 5-55%; полимеры
						китена – до 12%. рН = 3
	Кислая промывная			воОтход производства ацетатов целлюлозы в химической
	да (КПВ)					промышленности. рН = 2,5 – 3,0
								Таблица 2.11
							Д
	Ориентировочные дозировки добавок, указанных в табл. 2.10
	Грунт			Химическая			Содержание добавки, % от массы, в грунте
						добавка	повышенной влажности	переувлажнённом
					КП, КСТ		И
	Супесь тяжёлая					CuCl2	0,5 – 1,0	2,0 – 3,0
	пылеватая, сугли-			FeCl3, КСО			0,5 – 1,5	2,5 – 3,5
	нок лёгкий и лёг-			КВ, НВ, ЖКО,			1,0 – 2,0	2,5 – 5,0
	кий пылеватый					КПВ
	Суглинок тяжёлый				КП, КСТ		1,0 – 1,5	2,5 – 3,5
						CuCl2	1,0 – 1.5	2,5 – 3,5
	и тяжёлый пыле-			FeCl3, КСО			1,0 – 2,0	3,0 – 3,5
	ватый, глина			КВ, НВ, ЖКО,			2,0–3,0	3,0 – 5,0
						КПВ

65