Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель работы н задачи исследования 17
1,1 .Причины разрушения незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружений 17
1.2. Общая характеристика способов защиты от водной эрозии незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружений с использованием травяных покрытии 21
1-3 .Анализ разновидностей и структур технологических процессов защиты незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав 26
1.4- Цель и задачи исследования 35
2. Теоретические предпосылки исследований по совершенствованию технологии защиты от водной эрозии откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав 39
2 1 .Обоснование выбора структурообразующих почву веществ 39
2.2.Обоснование выбора компонентов суспензий гидропосева 45
2.3.Выбор средств механизации для проведения опытов 49
2.4. Теорегаческие предпосылки исследования технологического процесса приготовления растворов водополимерных эмульсий 51
2.5.Факгоры оптимизации технологического процесса нанесения суспензий гидропосева на откосы сооружений 60
3 Экспериментальные исследования 75
3.1. Методика исследований технологии приготовления суспензий 7 5
3.2. Оптимизация технологических параметров приготовления суспензий гидропосева 82
3.2.1. Планирование и оптимизация эксперимента для исследования технологического процесса приготовления суспензии по показателю «крутящий момент» 82
3.2,2.Планирование и оптимизация эксперимента для исследования технологического процесса приготовления суспензии по показателю «качество суспензий» 92
З.З.Методика исследования технологической операции нанесения
суспензий для гидропосева на откосы мелиоративных сооружений 99
3.4. Оптимизация выбора сменных распределительных устройств и их параметров в технологическом процессе нанесения суспензий гцдропосева на откосы сооружений 102
3.5. Экспериментальное определение оптимальных параметров центробежной насадки 120
4. Производственные испытания 130
4.1.Технологическая схема производства работ при строительстве мелиоративного канала в Смолевичском районе Минской области 130
4.2. Технологическая схема производства работ по водоэрозионной защите откосов канала в процессе его эксплуатации 140
4.3. Объект внедрения - откос автодороги Москва-Минск 144
4.4. Оценка экономической эффективности усовершенствованной технологии гидропосева 151
Выводы 154
Список литературы
- Общая характеристика способов защиты от водной эрозии незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружений с использованием травяных покрытии
- Теорегаческие предпосылки исследования технологического процесса приготовления растворов водополимерных эмульсий
- Планирование и оптимизация эксперимента для исследования технологического процесса приготовления суспензии по показателю «крутящий момент»
- Технологическая схема производства работ по водоэрозионной защите откосов канала в процессе его эксплуатации
Введение к работе
Обеспечение водоэрозионной защиты так называемых «незатопляемых» откосов земляных мелиоративных сооружений, к которым относят их обратные откосы или части откосов, не подверженные воздействию русловых процессов, выполняют, как правило, по технологиям, включающим использование растительности: кустарников и травяных покрытий.
В России, в начале XX века, наиболее известным фундаментальным трудом по защите откосов водоемов от водной эрозии с применением растительности являлась работа И.О.Польковского «Материалы для описания русских рек», изданная в Санкт-Петербурге в 1903 г. [1],
В данной работе «..рекомендовалось для откосов крутых, незатопляемых для защиты их от водной эрозии и придания хорошего ввда» применять дерн; при этом «дерн должен быть сухим, не проросшим мхом, толщина дерна 2-3 дюйма, уложен он должен быть на спланированные откосы и скреплен грунтом колышками». В работе также освещены способы защиты откосов от водной эрозии с применением фашин, для изготовления которых «рекомендовался хворост из лиственных пород, произрастающих в воде, достаточно гибких и длинных по 6-Ю футовых ветвей, комлевые части которых не толще 0,5 дюйма».
Положительная роль растительности в обеспечении водоэрозионной защиты откосов земляных сооружений связана с тем, что корневая система, создавая густую сеть, армирует почву, повышая устойчивость на размыв и механическую прочность поверхностного слоя грунта откоса [2-4], Густая и глубоко распространенная корневая система растительного покрова выдерживает скорости потока размыва, равные 2,5.,.3,0 м/с [5]. Эффективность защиты откосов травяным покровом проявляется также в повышении фильтрационной способности почвы и снижении поверхностной испаряемости [2].
Практическую значимость среди технологий по защите откосов земляных сооружений от водной эрозии, обеспечивающих образование на поверхности откосов плотного растительного покрова имеют одерновка, укрепление травяными коврами и гидропосев трав [6-10].
Из указанных выше биологических способов защиты откосов перспективными являются укрепление откосов травяными коврами и гидропосевом многолетних трав [11].
В настоящее время широко применяется способ защита откосов сооружении от водной эрозии гидропосевом многолетних трав. Однако ряд технологических операций для его осуществления требует существенного усовершенствования, поиска научного обоснования и внедрения эффективных пленкообразующих веществ, разработки надежных в эксплуатации маппш и рабочих органов, позволяющих повысить производительность труда, экономично использовать трудовые и энергетические ресурсы.
Технологический процесс защиты откосов сооружений гидропосевом трав включает; поверхностную планировку и рыхление откосов, подготовку компонентов рабочих растворов с последующей заправкой их в гидросеялку, нанесение рабочих растворов, содержащих семена многолетних трав на подготовленную поверхность откоса сооружения. Важнейшей технологической операцией является предохранение засеянной поверхности откоса от ее водной эрозии до образования травяного покрова. Для этой цели суспензии гидропосева изготавливают на основе водных растворов латексных или битумных эмульсий, обладающих структурирующими в почвенном слое свойствами. Основными требованиями к таким растворам являются: недефицитность, биологическая нейтральность (т.е. не оказывать отрицательного влияния на рост и развитие травяного покрова), устойчивость к водной эрозии за счет проявления структурирующих для почвы свойств [12].
В качестве пленкообразующих и структурирующих для почвы веществ (структурообразоватедей) в СССР испытывались латексы (наириговый Л-7, дивинилстирольные СКС- 65ГП, дивиниловые СКД-1) и битумные эмульсии [13,14,15]. Широкого применения латексы и битумные эмульсии не нашли из-за их нетехнологичности, связанной с их коагуляцией при смешении с другими компонентами рабочих растворов и взаимодействием с металлом гидролиний установок для гидропосева.
Номенклатура структурирующих для почвы веществ, пригодных для технологии гидропосева многолетних трав, до сего времени практически ограничивается одним веществом - полиакриламидом, производственные испытания которого были проведены Воронежской государственной лесотехнической академией совместно с Белорусским НИИ мелиорации и луговодства с участием автора [16]. С 1991 года основное производство полиакриламида оказалось за рубежом, в связи с этим возникла необходимость поиска научного обоснования и внедрения новых сгруктурообразователей, особенно на основе отходов местных химических производств.
Решению этой задачи посвящена настоящая работа, конечная цель которой заключалась в совершенствовании существующей технологии гидропосева многолетних трав для защиты от водной эрозии незатопляемых откосов сооружений до образования на них устойчивого травяного покрова путем применения новых экологически н экономически обоснованных водорастворимых полимерных суспензий, включая разработку и оптимизацию технологических процессов их приготовления и нанесения на откосы сооружений.
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации
В настоящее время в мелиоративном и дорожном строительствах все более широкое применение находит технология защиты откосов от водной эрозии гидропосевом многолетних трав с использованием структурирующих почву материалов. Используемые в качестве структурирующих веществ латексные и битумные эмульсии оказались технологически непригодными в технологии гидропосева, поскольку коагулируют при взаимодействии с другими ингредиентами рабочих составов гидропосева и с внутренними поверхностями гцдролиний гидросеялок. Номенклатура пригодных для технологии гидропосева многолетних трав до сего времени практически ограничивается одним веществом - гелем полиакриламида. Однако его применение в технологии гидропосева весьма затруднительно из-за высокой энергоемкости процесса приготовления рабочих составов на его основе и, кроме того, основное производство полиакриламида с 1991 года оказалось за рубежом. В связи с этим существует актуальная необходимость поиска, научного обоснования и внедрения в практику технологии гидропосева новых структурообразователей, особенно на основе отходов химических производств, как России, так и в ближайшей перспективе единого государства России и республики Беларусь. Разработка суспензий гидропосева на основе отходов местных производств является важной актуальной задачей также и для совершенствования технологии гидропосева, включая конструктивное совершенствование отдельных рабочих органов установки для нанесения на защищаемые от водной эрозии откосы суспензий гидропосева. Такая усовершенствованная технология гидропосева имеет важное народнохозяйственное значение для России и стран СНГ.
Связь работы с программами и темами
Диссертационная работа выполнялась автором на основе договора о научно-техническом сотрудничестве между Белорусским научно- исследовательским институтом мелиорации и водного хозяйства (в настоящее время УП «БелНИИ Мелиорации и Луговодства») и производственным объединением по изысканиям исследованиям проектированию и строительству водохозяйственных объектов в России и за рубеком - ПО «Совинтервод», по заданию Минводхоза СССР 0.07, 01.03, входящему в комплексную научно- техническую проблему 0-52.03 «Разработать и внедрить высокоэффективные технологические процессы и технические средства для водохозяйственного строительства, содержания и ремонта мелиоративных систем», заданием программы «Мелиорация Республики Беларусь 04.09.04Л0.(1991-1995гг.), заданию 07.04 «Разработать технологические средства механизации работ по эксплуатации мелиоративных систем» (1996-2000), входящему в Государственную научно-техническую программу «Земледелие и растениеводство», заданию 03.09 «Разработать средства механизации для выполнения ремонтно-эксплуатационных работ на мелиоративных системах», входящему в Государсгвешіую научно-техническую программу республики Беларусь 2001-2005г. Отчеты по выполненным заданиям обсуждены и одобрены Учеными Советами БелНИИМиВХ (БелНИИМиЛ) и ПО «Совинтервод».
Цели и задачи исследований
Целью исследований являлась разработка научно обоснованной, усовершенствованной механизированной технологии гидропосева семян многолетних трав для защиты от водной эрозии незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружении (в дальнейшем — откосов) с использованием суспензий гидропосева на основе промышленно выпускаемых водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП(ВЭП)»?
представляющих собой продукты переработки отходов химических производств.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие исследования:
• на основе анализа существующих биологических технологий водозрозионной защиты откосов мелиоративных земляных сооружений обосновать выбор для исследования технологии защиты откосов сооружений гидропосевом многолетних трав с использованием полимерных структурообразователей;
• теоретически и экспериментально обосновать выбор водных полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРП(ВЭП)» в качестве состава суспензии в технологии гидропосева;
• теоретически и экспериментально установить продолжительность технологического процесса приготовления растворов эмульсий;
• теоретически и экспериментально установить параметры оптимизации технологического процесса приготовления суспензий на основе «ВРП» и «ВРП(ВЭП)» для гццропосева;
• разработать и научно обосновать технологический процесс и параметры оптимизации по нанесению на откосы сооружений суспензий на основе «ВРП» и «ВРП(ВЭП »;
• выполнить производственные испытания усовершенствованной технологии защиты откосов от водной эрозии гидропосевом трав;
• определить по данным биологических, физико-механических и гидравлических испытаний качество образовавшегося травяного покрытия и технико-экономическую эффективность усовершенствованной технологии гццропосева.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования являются существующие технологии защиты откосов земляных мелиоративных сооружений от водной эрозии при гидропосеве трав. Усовершенствование отдельных технологических операций данных технологий и замена их на ресурсосберегающие, экономически целесообразные и создающие надежную водоэрозионную защиту откосов земляных мелиоративных сооружений.
Гипотеза, Если возможна технология защиты откосов от водной эрозии путем гидропосева трав с использованием структурообразователей на основе латексных и битумных эмульсий, то возможно заменить ее менее материало - и энергоемкой механизированной технологией гидропосева трав с применением более эффективных структурообразователей на основе водорастворимых полимерных эмульсий.
Методология и методы выполненного исследования
Для решения поставленной цели, построения научной теории и проверки результатов исследований были использованы системы руководств и методик: «Руководство по креплению откосов земляных сооружений на мелиоративных объектах гидропосевом трав ВТР-С-11 -77» разработанные БелНИИМиВХ; «Временные указания по укреплению откосов земляных сооружений гидропосевом трав с применением водных растворов эмульсии ВЭП-2», разработанные с участием автора, БелНИИМиВХ и «Дорстройтехника», методические указания по теории расчета компонентов смеси для гидросеялок, разработанные под руководством доктора технических наук, профессора Б.Н.Скотникова; методика планирования исследований путем постановки многофакторного эксперимента; методика определения прочности дернового покрова, разработанная доктором технических наук профессором В.Н-Кондратъевым, а также разработанные с участием автора методики определения параметров технологического процесса по приготовлению водных растворов эмульсий «ВРП» и «ВРП(ВЭП)», оценки их структурирующих для почвы свойств, по приготовлению рабочих составов для гидропосева их нанесению на откосы земляных сооружений, оценки качества травяного покрова на основании данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний определяющих эффективность водоэрозионной защиты откосов сооружений.
Научная, новизна и значимость полученных результатов
Диссертация содержит научно обоснованные разработки, использование которых в мелиоративном гидротехническом и дорожном строительствах обеспечивает решение прикладной задачи - защиту от водной эрозии откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий. На основании теоретического анализа существующих способов защиты откосов от водной эрозии гидропосевом трав и результатов экспериментальных исследований усовершенствована технология гидропосева, включая разработку отдельных рабочих органов средств механизации для се осуществления. (Патент РБ №3263)
На основании теоретических и экспериментальных работ, выполненных в лабораторных и производственных условиях, обоснован выбор для технологии гидропосева нромышленно выпускаемых водорастворимых эмульсий «ВРП» и «ВРП(ВЭП .
Теоретически и экспериментально обоснован новый состав суспензии на основе эмульсии «ВРП» и «ВРП(ВЭП)».
Предложена математическая модель процесса приготовления суспензий для гидропосева, экспериментально реализованная путем постановки многофакторного эксперимента.
Установлены оптимальные значения энергетических и качественных параметров технологического процесса приготовления суспензий «ВРП» и «ВРП(ВЭГТ)» для гидропосева.
Теоретически разработана методика определения времени приготовления водополимерных эмульсий. Время приготовления водополимерных эмульсий, вычисленное по данной методике, подтверждено экспериментальньши данными, что позволило в производственных условиях совместить процессы приготовления водополимерных эмульсий и суспензий для гидропосева на основе «ВРП» и «ВРП(ВЭП) в один технологический процесс.
Состав суспензии гидропосева защищен авторским свидетельством.
Разработана конструкция центробежной насадки к распределительным устройствам гидросеялки для нанесения эмульсий на откосы сооружений, выполнены экспериментальные исследования, установивпше эффективность се применения.
На основании теоретических предпосылок предложена математическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглым вырезом насадок к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП(ВЭП)»5 равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружения.
Исследования, выполненные путем постановки многофакторного эксперимента, позволили определить параметры оптимизации процесса нанесения суспензии «ВРП» и «ВРП(ВЭП)» на откосы сооружений.
Практическая значимость полученных результатов исследований
Результаты исследований практически применены для защиты откосов каналов мелиоративных систем, при укреплении откосов дороги Москва -Минск (отметка 611,7).
Результаты исследований практически применены при разработке «Пособия по укреплению откосов каналов дамб и плотин гидропосевом трав с применением водорастворимых синтетических полимеров»; «Исходных требований на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ-3 (порядковый номер ИТ-009-2001)»; технического задания на разработку агрегата для ухода за гидротехническими сооружениями АУГ-3 (порядковый номер ТЗ-013-2001); в учебных процессах Воронежской государственной лесотехнической академии и Московской государственной академии тонкой химической технологии им М.В.Ломоносова.
Экономическая значимость подученных результатов
Разработанная усовершенствованная технология защиты откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий нашла применение в мелиоративном и дорожном строительствах. Применение данной технологии обеспечивает снижение стоимости по сравнению с технологией использования суспензий на основе 1,5% геля полиакриламида в 1,15 ,. суспензий на основе латекса СКС-65ГПв1,44.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Усовершенствованная технология защиты откосов земляных мелиоративных сооружений от водной эрозии с использованием водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП» и «ВРПСВЭП)», обеспечивающая высокое качество производства работ и эксплуатации сооружений при снижении материальных ресурсов и энергоемкости технологических операций, исключении дорогостоящих ингредиентов суспензий для гидропосева трав, К основным положениям диссертации, выносимых на защиту, относятся также результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению продолжительности приготовления водополимерных эмульсий.
Теоретически и экспериментально обоснованный новый состав суспензии для гидропосева трав (патент РБ№33515 приложения)
Математическая модель процесса приготовления суспензий для гидропосева, экспериментально обоснованная путем постановки многофакторного эксперимента, на основании которого были установлены оптимальные значения энергетических и качественных параметров технологического процесса приготовления суспензий ВРП для гидропосева, совмещенного в один процесс с процессом приготовления рабочих растворов эмульсий.
Результаты исследований процесса нанесения суспензий и эмульсий гидропосева с применением насадки круглой с вырезом и универсальной центробежной насадки поливочной штанги (патент РБ №3263, приложения), установившие эффективность их применения; математическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглым вырезом насадок к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП(ВЭП) , равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружения; результаты производственных испытаний по трем технологическим схемам производства работ: при строительстве канала, его эксплуатации и при строительстве откосов автомобильных дорог, по определению качества образованного травяного покрова на основе данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний.
Личный вклад соискателя
Диссертационная работа выполнена на материалах теоретических и экспериментальных исследований, математических расчетов, полученных лично автором. Обоснована и разработана усовершенствованная технология защиты откосов земляных мелиоративных сооружений гидропосевом трав с применением водорастворимых полимерных эмульсий «ВРП», предложен и исследован новый состав суспензии (патент РБ №3351,приложения.), исследованы конструкции насадок к гидрометателю и центробежных насадок поливочных штанг для распределения эмульсий на откосы сооружения (патент РБ № 3263, приложения). Исследованы и определены технологические параметры приготовления растворов эмульсий необходимых концентраций, экспериментально обоснована предложенная математическая модель приготовления суспензий для гидропосева и математическая модель влияния параметров распределительного устройства с круглыми насадками к гидрометателю на дальность полета струи суспензии «ВРП» и «ВРП(ВЭП)»? равномерность и ширину ее распределения на откосах сооружения, а также оптимальные параметры центробежных насадок. Выполнены производственные испытания с целью определения качества образованного травяного покрова на основе данных биологических, физико-механических и гидравлических испытаний. Автор диссертации принимал непосредственное участие в разработке технологической, конструктивной и нормативной документации на экспериментальные опытные образцы рабочих органов которые создавались по результатам исследований.
Апробация результатов диссертаций
Основные результаты выполненной работы были доложены на международной научно-практической конференции «Экология и природопользование» (г. Москва 1995), на Международной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве посвященной 50-летию БелНИИМСХ» (г. Минск 1997), на Международной конференции «Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорированных земель», посвященной 90-летию С.Г-Скоропанова (г. Минск 2000), на Международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (г. Воронеж 2000), на 4-ой « Международной научно-практической конференции «Биологическая рекультивация нарушенных земель», посвященной 30-летию Воронежской школы рекультиваторщиков» (г, Воронеж, 1999), научном семинаре, посвященном 80-летию ВНИИГиМ (Москва, 2004).
Публикации
Результаты исследований по теме диссертации изложены в 22 публикациях в том числе: временные указания-17 пособие-1, отчеты НИР - 2 (номера госрегистрации 1993124 и 1997215), авторское свидетельство - 1, патенты на изобретения - 2, статьи и тезисы -15т Лауреат Всесоюзного выставочного центра с вручением золотой медали (удостоверение №1714).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит 172 стр. машинописного текста, включающего введение, общую характеристику работы, четырех глав, 60 рисунков и 48 таблиц, выводов, списка использованных источников в количестве 157 (из них 13 - иностранных дальнего зарубежья) и приложений.
Общая характеристика способов защиты от водной эрозии незатопляемых откосов земляных мелиоративных сооружений с использованием травяных покрытии
Практика строительства земляных сооружений дорожного и мелиоративного назначений показала, что покрытие откосов дёрном является эффективным методом защиты их от водной эрозии [39]. При этом основные усилия, начиная с возникновения самой идеи защиты откосов дерном, как отдельных изобретателей, так и научных, проектных и конструкторских организаций были направлены на разработку технологий, обеспечивающих механизацию технологических операций по защите откосов сооружений от водной эрозии с применением дёрна. Вопросы механизации защиты откосов от водной эрозии одерновкой наиболее полно отражены в трудах БелНИИМиВХ и ВНИИГиМ.
При этом было установлено, что наилучшими способами укладки дёрна являются сплошной ленточный и сплошной плиточный, позволяющие механизировать основные трудоёмкие операции технологического процесса; нарезку дёрна, подъём и погрузку дёрна в транспортные средства, транспортировку и разгрузку дёрна на объекте производства работ, подготовку откосов, укладку дбрна на откос н уход за ним до его закрепления на откосе. Основными недостатками данного способа зашиты откосов от водной и ветровой эрозии являются большая трудоемкость выполнения работ, невысокое качество дернины, обусловленное нарушением естественной структуры дернины при её транспортировке и укладке на откосы, а также оголением значительных площадей, предназначенных для приготовления дернины. Из литературных данных известен способ [40] крепления откосов каналов плодородным грунтом с растительностью и устройство для его выполнения, согласно которому с целью снижения трудоёмкости и повышения качества работ по укреплению откосов каналов, естественный плодородный грунт с растительностью трассы проектируемого канала размещают на откосах одновременно с устройством ложа канала по непрерывному технологическому процессу, включающему разделение канала вдоль оси на две части материкового плодородного грунта с растительностью, отделение и эвакуация из-под него подстилающего материкового грунта и размещение плодородного слоя с растительностью без нарушения его естественной структуры в проектное положение на образованные таким образом откосы. Недостатком этого способа является сложность механизации технологических операций.
В поисках более эффективных методов защиты откосов земляных сооружений с образованием на их поверхности дернового покрытия институты Латвии, Эстонии и Литвы предложили технологию защиты откосов с использованием дернокрошки. При этом дернину на луговом участке измельчают, доставляют на объект производства работ, наносят на откосы, разравнивают, и поверхность откосов обрабатывают 10% медленно распадающейся битумной эмульсией [41]. Спосюб защиты откосов от водной эрозии с применением дернокрошки не лишен недостатков и основными из них являются оголение площадей для изготовления дернокрошки, недостаточная устойчивость почвогрунта к размыву склоновым стоком, отсутствие научно-обоснованных рекомендаций по выбору битумных эмульсий в зависимости от рН закрепляемого грунта.
В 1960-1970 годах были проведены широкие исследования по разработке и применению травяных ковров для защиты откосов сооружений от водной эрозии [42.43]. Технология включает выбор и устройство площадки для производства травяных ковров. Площадка размещается вблизи от укрепляемого откоса сооружения, которая предварительно выравнивается и покрывается полиэтиленовой пленкой. Пленка укладывается по слою песка толщиной 10 см или непосредственно на земляную основу, затем на неё укладываются деревянные бруски с образованием рамки 0,8 х 12 м, которая засыпается торфокрошкой на 1.5 см ниже её верха. Поверхность засыпанного материала выравнивают и осуществляют посев семян травосмеси. Семена засыпают торфокрошкой до верха рамки. При этом глубина заделки семян равна 1... 5 см, до появления всходов посевы ежедневно поливают водой. Далее ковры скатываются в рулоны, транспортируются на объект, размещаются и закрепляются на откосах колышками в проектное положение. Столь подробное описание данной технологии указывает на очевидную бесперспективность ее широкого внедрения в практику строительства. Совершенствование данной технологии путём изготовления торфодерновых ковров непосредственно на торфяных месторождениях и армируемых металлической или синтетической сеткой также оказалось малоэффективным в связи с высокой трудоёмкостью производства работ, несмотря на ряд положительных результатов, а именно: частичная механизация процесса изготовления и транспортировки, сокращение периода приживаемости ковра.
Теорегаческие предпосылки исследования технологического процесса приготовления растворов водополимерных эмульсий
Теоретические предпосылки исследования технологического процесса приготовления растворов водополимерных эмульсий Известно, что скорость и время любого технологического процесса определяется входящей в него технологической операцией с наименьшей скоростью и, следовательно, с наибольшим временем ее протекания. В нашем случае такими технологическими операциями могут быть технология приготовления расіворов эмульсий или технология приготовления суспензий для пвдропосева С целью установления возможности совмещения процесса приготовления растворов эмульсий и приготовления суспензий для щдропосева в один совмещенный процесс без дополнительных средств механизации ниже приводится методика определения времени приготовления водных полимерных э\ льсий «ВРП» и «ВРП(ВЭП рабочих концентраций, разработанная автором совместно с кафедрой «Процессы и аппфапы химических производств» Московского университета инженерией экологии (проф. КВ.Чепура).
В соответствии с данной гипотезой произведен теоретический расчет времени приготовления (гомогенизации) растворов эмульсии, которое является важной характеристикой процесса смешения двух взаимно растворимых жидкостей. Это время достижения определенной степени однородности в масштабе наблюдения при перемешивании периодическим способом. Зависимость значения времени гомогенизации от масштаба наблюдений показывает, что это условная величина. Существуют различные критерии степени однородности смеси [141]. В наших исследованиях степень однородности оценивалась по величине максимальной разности локальных значений концентрации [141]: ДС- = I (Q - С /(СН - Ск) I; (2.1) где Сн и Сж - начальные и конечные концентрации смеси.
Значение ДСыах зависит от времени перемешивания т. Вид этой зависимости определяется гидродинамическими условиями перемешивания, а также связан с геометрическими параметрами аппарата с мешалкой (размерами аппарата, формой и размерами мешалки, наличием в смесителе внутренних устройств) и физическими свойствами сред (плотность, вязкость и т.п.). Так как в промышленности наиболее распространены вертикальные аппараты с аксиальным расположением мешалки, то полуэмпирические модели гомогенизации жидкостей разработаны лишь для этого случая. Эти модели пригодны для приближенной оценки времени гомогенизации и в горизонтальных цилиндрических емкостях с горизонтальным расположением мешалки при высоких коэффициентах заполнения (к3 0.85), перемешивание в которых практически не изучено. При отсутствии в аппарате с мешалкой внутренних устройств (отражателей, змеевиков, диффузоров, отражательных перегородок) турбулентный режим течения реализуется при Rem=pndm2/ ц 10 (р- плотность, р,- коэффициент динамической вязкости среды, п -число оборотов мешалки, dm - ее диаметр). Многочисленными исследованиями [142,143] установлено наличие в этом случае в аппаратах двух зон с различным характером движения жидкости: центральной (радиусом Ro) и периферийной (т Ro). Опыты с окрашиванием центральной зоны [144,145] показывают, что краска, введенная в неё, достаточно долго не транспортируется в периферийную зону. Это свидетельствует о том, что обмен между указанными зонами затруднен. Наличие в аппаратах без внутренних устройств двух гидродинамияески различных зон подтверждено прямыми измерениями локальных окружных скоростей, на основе которых в работах разных авторов были предложены описания гидродинамики смесителей, базирующиеся на модификациях модели Ренкина [146,147].
Согласно этой модели v9 = Уф(г), Ro = 0.5(1 а радиальное распределение v p имеет вид: уф =2 СлшО-г!2 / 4Д при 0 г 0.5dm; уф = Cmidn,2/ 4г, при 0.5 г 0.5 d (2.2) где dm — диаметр аппарата с мешалкой, С - постоянная, представляющая собой отношение угловых скоростей вращения жидкости при г = 0 и мешалки. Постоянная С 1 является единственным параметром модели, характеризующим степень отставания жидкости от лопастей мешалки. Чем больше вязкость жидкости и чем больше площадь стенок аппарата, тем значительнее отставание жидкости от мешалок аппарата и тем меньше значение С. Коэффициент С определяется из условия равенства крутящего момента на валу мешалки и момента сопротивления корпуса аппарата по уравнению [149]: Sm(0.46C2-1.33C+l) =0Л94уС18 (To/Re/2 )(0.75+1)18, (23) где: Го = D/dm; Sm - коэффициент сопротивления мешалки; у = 8 H/D +1 - для аппаратов со свободной поверхностью жидкости; у=8 H/D +2 - для аппаратов полностью заполненных. у - коэффициент, учитывающий влияние на момент сопротивления корпуса уровня жидкости Н в аппарате.
Планирование и оптимизация эксперимента для исследования технологического процесса приготовления суспензии по показателю «крутящий момент»
Время достижения заданного коэффициента вариации неравномерности распределения семян в суспензиях (10...12%) находилось в пределах 600-780с, что гюдтаердидо обоснованность совмещения процессов приготовления эмульсии и суспензии. Эти экспериментальные данные удовлетворительно коррелируют с д&ннъши по определению содержания полимерной составляющей а суспензиях в зависимости от времени приготовления. Продолжительность технологического процесса (по полученным данным), необходимая для приготовления суспензий с коэффициентом вариации И). . 12% ,нахо;цітся также в пределах 600-840с. Экспресс-методом установления завершенности процесса приготовления суспензий может служить показатель «условная вязкость», определяемый вискозиметром ВЗ-5. Зависимости, отражающие время истечения отделенной от твердой жидкой фазы приведены на рис.3.7.
Эти данные показывают, что при достижении показателя «условна» вязкость» величины, равной 30...34с, процесс можно считать завершенным, т.к. это значение удовлетворительно коррелирует с данными ло определению коэффициента варїіадии неравномерности распределения СЄМКІЇ в суспензиях и содержанию полимерной составляющей в жидкой фазе. Данные таблицы 3.9, отражающие влияние гидравлической крупности семян люпина однолетнего, имеющего максима;іь ну ю гидравлическую крупность и райграса пастбищного, имеющего минимальную крупность, показали, что время достижения значений коэффициент вариации 10...12% друг от друга отличаются незначительно и составляют 600 и 720с соответствен ю.
Зависимость коэффициента вариации неравномерности распределения семян с максимальной (люпин однолетний) и минимальной (райграс пастбищный) гидравлической крупностью от продолжип ельности процесса, приготовления суспензии.
Сравнение графических зависимостей «концентрация полимерной составляющей в суспензии - продолжительность процесса смешения» (рис.3.5(1) и 3.6(1)) и аналогичной зависимости «концентрация полимерной составляющей-продолжительность процесса приготовления эмульсии 10% концентрации (рис.3.5(2) и 3.6(2)) показывает, что по абсолютной величине концентрация полимерной составляющей в суспензии, равная 10% не достигает данного значения в технологическом процессе и составляет величину порядка 9%. Опыт по взвешиванию трех проб: сухих семян весом 100г, сухих семян указанного веса после обработки их водой (V=500CM3) И обезвоживания при Т=80ПС (102,5г, 102,8г, 102,5г), а также сухих семян, обработанных водополимерной эмульсией (10% масс, полимера) и обезвоженной при Т=80С (108,1г, 107,9г, 107,8г) показал, что вес семян, обработанных водополимерной эмульсией указанной концентрации превышает вес сухих семян на 7,9%, а семян, обработанных водой - на 5,3%. Это позволяет с определенной уверенностью предположить о влиянии явления адсорбции полимерной составляющей рабочих составов гидропосева их твердой фазой - в данном случае семенами, входящими в состав гидропосева.
Определив экспериментально продолжительность технологического процесса приготовления суспензий гидропосева, необходимо было установить соответствие оптимальных технологических параметров процесса приготовления суспензии по показателям «крутящий момент» и «качество суспензии». Для этой цели было выполнено планирование и оптимизация эксперимента.
Планирование и оптимизация эксперимента для исследования технологического процесса приготовления суспензии по показателю «качество суспензий» В таблицах 3.10 и 3. И приведены план полного факторного эксперимента (ПФЭ 23) и результаты экспериментов по критерию оптимизации «качество суспензии» для суспензий на основе «ВРП» и «ВРЩВЭГГ соответственно. В качестве параметров оптимизации использовались: X, - частота вращения мешалки, об/мин; Х2 - число лопастей мешалки; Хз - диаметр мешалки, м. Та&ішф 3.! О Урозани варьирования, план (матрица) ПФЭ2\ результаты экспериментальных исследований процесса приготовления суспензии на основе ВРП ио показателю «качество еушешии» н данные оїтшмшадошой модели.
Технологическая схема производства работ по водоэрозионной защите откосов канала в процессе его эксплуатации
При исходной плотности грунта 1,28 т/м3 плотность обработанного грунта составила для (ВРП» 1,22 т/м3, для «ВРЩВЭП)» - 1 20 т/м3. Снижение плотности грунта при обработке его раствором структурообразователя происходит за счет частичной замены микроагрегатных фракций грунта полимерными фракциями структурообразователей, имеющими меньшую плотность по сравнению с плотностью микроагрегатных фракций грунта
Водопрочность грунта, характеризующаяся процентом разрушения агрегатов грунта, оказалась максимальной у необработанного полимерны м раствором грунта (100%). Для «ВРП» минимальная размокаемость составила 19.1%, для сВРП(ВЭП)» — 14.6 %. Эти данные показывают, что обработка растворами эмульсий «ВРП» и «ВРЩВЭП)» образцов грунта откоса автодороги Москва-Минск проявила структурирующий для грунта эффект.
Исследование дернового покрова откоса автодороги Москва -Минск, образованного по технологии гидропосева с использованием водополимерной эмульсии «ВРП(ВЭП) производились в первый, второй и третий годы вегетации.
Динамика изменения коэффициентов задернованности и работы разрушения представленная в таблице 4.12 и на рис.4.11 позволяет заключить, что обработка грунтов водополимерной эмульсией «ВРЩВЭП)» приводит к образованию дернины более высокого качества.
Так, коэффициент задернованности в течение трех периодов вегетации для контрольных образцов увеличился от 0,074..03095 до 0,155...0,160, а для обработанных образцов от 0,110...0,122 до 0,196...0,210; работа разрушения образцов увеличилась для контрольных от 0,036кг м до 0,218 кг м, а для обработанных от 0,113 кг м до 0,264 кг м. Исследование влияния обработки грунта откоса покрытия автомобильной дороги Москва-Минск на его эрозионную стойкость проводились с использованием центробежной насадки со следующими параметрами: Q=0.9 л/с; RBX=50MM; Гдх Омм; (1с=15мм; А=3.75; ф=0.38; ц=ОЛ84. Факел распыла составлял 1?96мэ расстояние насадки до откоса - 0,75м. Смытый субстрат собирался в ящики, установленные в нижней части исследуемого откоса, просушивался при температуре 80 С до постоянного веса Результаты исследования приведены в таблице 4.13. Далее определялся коэффициент бальной оценки эрозионной стойкости откоса как отношение количества смытого субстрата грунта с контрольного участка откоса к количеству смытого грунта с участка откоса, обработанного водополимерной эмульсией «ВРП(ВЭП)».
Экономическая эффективность определялась отношением удельных затрат усовершенствованной технологии гидропосева трав к технологиям гидропосева с использованием водных суспензий, латексных суспензий и суспензий на основе 1,5% геля полиакриламида (ПЛЛ). В таблице 4.14 приведены данные сравнительного анализа удельных затрат на обработку 1га при полном цикле гидропосева поверхности откоса Для сравнительного анализа принимаем, что во всех случаях используется один комплект оборудования.
При проведении сравнительного анализа логические операции ппЛ- таблицы 4.14 не оцениваются, так как указанные операции экономически одинаковы для всех исследуемых технологических схем. Данные таблицы 4.14 показывают, что несмотря на отсутствие структурообразоватсля, стоимость технологии гидропосева с применением водных суспензий выше стоимости технологии гидропосева трав с применением суспензий на основе «ВРП» примерно на 5%. Стоимость суспензий на основе 1э5% геля полиакриламида выше, чем стоимость суспензий на основе «ВРП» в 1Д5 раз. Стоимость суспензий на основе латекса СКС-65ГП выше, чем стоимость суспензий на основе «ВРП» в 1,44 раз. Энергозатраты для суспензий на основе «ВРП» значительно ниже (у в 9,23 раз), чем для суспензий на основе 1,5% геля ПАА, Время прохождения процесса гидропосева в расчете на обработку 1 га поверхности практически одинаково для водных суспензий и суспензий на основе «ВРП» и «ВРП(ВЭП) и значительно меньше времени для геля ПАА. Количество дефектных зон в случае обработки водополимерными суспензиями и суспензиями ПАА в шесть раз меньше, чем в случае водных суспензий. Это ведет за собой увеличение стоимости (в нашем случае удельных затрат) для водных суспензий в шесть раз по сравнению с водополимерными суспензиями.
1. Анализ литературных источников по проблеме предотвращения водной эрозии незатопляемых откосов мелиоративных сооружений установил, что наиболее перспективной технологией образования травяного покрытия на откосах является технология гидропосева трав с применением суспензий гидропосева, включающих структурирующие грунт полимерные водорастворимые эмульсии.
2. Теоретические предпосылки исследовании, выполненные на основе анализа литературных источников, позволили установить, что такими структурообразующими веществами являются полимер синтетический водорастворимый «ВРП» (ТУ РБ00280198.026.96) и водополимерная эмульсия «ВРП(ВЭП)»(ТУ РБ20718117020-94), с использованием которых обоснована и экспериментально реализована гипотеза о возможности совмещения процессов приготовления растворов водополимерных эмульсий и суспензий на их основе в один технологический процесс.
3. Определены параметры оптимизации совмещенных в один процесс процессов приготовления растворов водополимерных эмульсии и суспензии на их основе по показателям «крутящий момент» и «качество суспензии». Количественные значения параметров оптимизации процесса приготовления суспензии гидропосева следующие: число оборотов вала мешалки - 110 мин"1, количество лопастей - 7шт., диаметр лопастей - 0,50 м. Время приготовления суспензий - 13 мин. За это время равномерность распределения семян трав в цистерне гидросеялки достигает 88.,.91%. При этом предложенная математическая модель процесса приготовления суспензий гидропосева, имеющая вид полинома второго порядка, обоснована экспериментальными исследованиями. На состав суспензии получен патент.
