CN104316437A - 柱塞式挤出流变性能试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柱塞式挤出流变性能试验装置，包括传力杆、试样桶、柱塞、上承载平台、挤出模口、承载立柱、下承载平台，所述挤出模口以套筒套入的方式以套筒套入的方式安装于上承载平台中心的预制套孔内。本发明还公开了柱塞式挤出流变性能试验方法，采用六参数的Benbow非线性方程对测试数据进行拟合。本发明的试验装置在设计上进行了优化，测试过程简便并实现了功能扩展；本发明的试验方法可以测试现有的流变仪无法测试的高粘度浆体材料的流变性能，为表征水泥基浆体材料的挤出流变性能提供了一个可行的方法。

Description

柱塞式挤出流变性能试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及测试水泥基浆体材料挤出流变性能的试验装置及试验方法，特别涉及一种柱塞式挤出流变性能试验装置及试验方法。

背景技术

挤出流变性能是描述浆体材料在挤出过程中力学行为的重要参数，是挤出成型工艺在实际应用中的理论基础。挤出流变性能是可挤出浆体的弹、粘、塑等综合力学性能的表征，而鉴于水泥基浆体材料的特殊性质，现有的流变仪测试装置均不能够直接适用于水泥基浆体材料挤出流变性能的测试。

目前，用于评价浆体挤出流变性能的试验装置，主要为自制的柱塞式挤出试验装置，利用Benbow方程拟合计算相关参数来评价浆体材料的挤出流变性能。然而，柱塞式挤出装置存在下列几方面的问题：同类柱塞式挤出装置的模口使用螺栓连接，承载力有限且稳定性差；模口只有长度可变，但内径不可变；模具形状单一，不能进行不同形状模入口的挤出流变性能测试；只利用Benbow线性方程(四参数)，但线性方程只适用牛顿流体，而忽视了大多数浆体材料在挤出过程中明显表现出的剪切稀化特性，导致拟合结果与实际相差较大；对Benbow方程的运用通常采用截距—斜率法来进行相关参数的计算，其计算过程较复杂，而且结果的可靠性较差。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种柱塞式挤出流变性能试验装置，它能够通过传力杆结合力加载***，进行挤出流变力学性质试验，实现对浆体材料的流变性能测试，采用本发明装置可以有效地评价水泥基浆体材料的挤出流变性能。

本发明的另一目的在于提供基于上述柱塞式挤出流变性能试验装置的试验方法，采用Benbow非线性方程(六参数)，使测试结果更接近真实情况，并且简化了测试流程，对运用方程拟合计算的过程进行了优化。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

柱塞式挤出流变性能试验装置，包括传力杆、试样桶、柱塞、上承载平台、挤出模口、承载立柱、下承载平台，所述上承载平台和下承载平台互相平行，上承载平台通过承载立柱支撑在下承载平台的上方；所述试样桶以螺栓方式固定于上承载平台之上；所述挤出模口以套筒套入的方式安装于上承载平台中心的预制套孔内；试样桶与挤出模口中心轴一致，传力杆上部与可变速力加载***连接，传力杆下部与柱塞固定相连。

所述试样桶内底部设置有锥角垫片，所述锥角垫片为环状，下表面为水平面，上表面为锥面。

所述传力杆下部与柱塞以螺栓方式相连。

所述的柱塞式挤出流变性能试验装置的柱塞式挤出流变性能试验方法，包括以下步骤：

(1)安装试样桶和挤出模口，记录此时试样桶的直径、挤出模口长度、挤出模口直径；

(2)将待测浆体材料装入到试样桶内，然后开启力加载***进行挤出，通过程序控制挤出速率，待挤出压力趋于稳定后，记录当次试验所对应的挤出压力；

(3)改变挤出速率，重复步骤(2)多次；

(4)更换挤出模口，重复步骤(1)～(3)多次；

(5)将步骤(1)～(4)记录到的测试数据带入代入Benbow非线性方程，对表征浆体材料挤出流变性能的初始屈服应力、屈服应力影响因子、屈服应力非线性指数、初始剪切应力、剪切应力影响因子、剪切应力非线性指数采用Benbow非线性方程进行拟合计算；

所述Benbow非线性方程如下：

$P_{\mathrm{tot}}=2({\mathrm{\σ}}_0+\mathrm{\α}{V}^n)\ln \left(\frac{D_0}{D}\right)+4({\mathrm{\τ}}_0+\mathrm{\β}{V}^m)\left(\frac{L}{D}\right)---\left(1\right)$

式中，

P_tot—挤出总压强；

σ₀—初始屈服应力；

α—屈服应力影响因子；

n—屈服应力非线性指数

τ₀—初始剪切应力；

β—剪切应力影响因子；

m—剪切应力非线性指数；

V—挤出速率；

L—挤出模口长度；

D—挤出模口直径；

D₀—试样桶直径。

所述步骤(4)中还包括更换锥角垫片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的柱塞式挤出流变性能试验装置，实现了结构优化，便于更换配件，可靠性也得到提高，并能够进行多种形状挤出口的测试；本发明的柱塞式挤出流变性能试验方法，简化了计算过程，其拟合结果与实际测试结果契合度较高，能够反应所测试浆体的真实性质。

附图说明

图1为本发明的实施例的柱塞式挤出流变性能试验装置的结构示意图。

图2为本发明的实施例的椎角垫片的示意图。

图3为本发明的实施例的挤出模口的示意图。

图4为本发明的实施例的实测数据与拟合数据的曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的柱塞式挤出流变性能试验装置，包括传力杆1、试样桶2、柱塞3、上承载平台5、挤出模口6、承载立柱7、下承载平台8，所述上承载平台5和下承载平台8互相平行，上承载平台5通过承载立柱7支撑在下承载平台8的上方；所述试样桶2以螺栓方式固定于上承载平台5之上；所述挤出模口6以套筒套入的方式以套筒套入的方式安装于上承载平台5中心的预制套孔内；试样桶2与挤出模口6中心轴一致，传力杆1上部与可变速力加载***连接，传力杆1下部与柱塞3以螺栓方式相连。

根据测试需要，试样桶2内底部可设置锥角垫片4。如图2所示，所述锥角垫片4为环状，下表面为水平面，上表面为锥面。如图1所示，锥角垫片4的横截面为两个三角形。

本实施例的挤出模口如图3所示。

所述的椎角垫片4和挤出模口6均包含多种尺寸。

本实施例的柱塞式挤出流变性能试验方法，包括以下步骤：

(1)根据测试的要求选择配件(挤出模口和锥角垫片)，安装配件，将挤出流变性能测试装置装配完毕，记录此时试样桶的直径、挤出模口长度、挤出模口直径；

(2)将待测浆体材料装入到试样桶内，然后开启力加载***进行挤出，通过程序控制挤出速率，待挤出压力趋于稳定后，记录当次试验所对应的挤出压力；应尽量在单次挤出试验中测试完毕所需的挤出速率，以减少因环境或人为因素引起的误差；

(3)改变挤出速率，重复步骤(2)多次；

(4)更换配件，重复步骤(1)～(3)多次；

(5)将步骤(1)～(4)记录到的测试数据带入代入Benbow非线性方程，对表征浆体材料挤出流变性能的初始屈服应力、屈服应力影响因子、屈服应力非线性指数、初始剪切应力、剪切应力影响因子、剪切应力非线性指数采用Benbow非线性方程进行拟合计算；

所述Benbow非线性方程如下：

$P_{\mathrm{tot}}=2({\mathrm{\σ}}_0+\mathrm{\α}{V}^n)\ln \left(\frac{D_0}{D}\right)+4({\mathrm{\τ}}_0+\mathrm{\β}{V}^m)\left(\frac{L}{D}\right)---\left(1\right)$

式中，

P_tot—挤出总压强(kPa)

σ₀—初始屈服应力(kPa)

α—屈服应力影响因子[(kPa·s·mm^-1)ⁿ]

n—屈服应力非线性指数

τ₀—初始剪切应力(kPa)

β—剪切应力影响因子[(kPa·s·mm^-1)^m]

m—剪切应力非线性指数

V—挤出速率(mm/s)

L—挤出模口长度(mm)

D—挤出模口直径(mm)

D₀—试样桶直径(mm)

式中L、D、D₀为模具尺寸，根据所选的配件确定；P_tot为挤出测试所计算得到数据，其计算过程如式(2)所示，其中F为实测的挤出力；

$P_{\mathrm{tot}}=\frac{4F}{{D_0}^2}---\left(2\right)$

V为浆体材料在挤出模口内的流动速度，其计算过程如式(3)所示，其中V_e为柱塞下降的速度，即程序控制力加载***的加载速度；

$V=\frac{D^2}{{D_0}^2}{V}_e---\left(3\right)$

拟合计算的过程需要运用到Matlab或类似功能软件，利用最小二乘法确定与真实值相差最小的拟合数值。

为表征同一浆体材料挤出流变性能，应至少测试2个长径比挤出模口下的挤出情况，即至少两次挤出试验，每个挤出模口下测试不少于4个挤出速率的挤出压力。实际试验数据越多，拟合的准确度也越高。本实施例中，先装配长径比为2.7挤出模口，对待测水泥基浆体进行挤出测试，测试过程中连续变换挤出速率，按顺序测试了0.45mm/s、0.89mm/s、1.78mm/s、3.56mm/s、7.12mm/s、14.25mm/s、28.50mm/s共7个挤出速率；挤出时先用3.56mm/s的挤出速率进行预挤出，待挤出压力稳定后方可进入变速测试步骤，每一挤出速率的测试时间不少于1min。单次挤出测试完毕后，更换至长径比10.67的挤出模口，再次进行挤出测试，步骤同上。测试所得结果如表1所示。

将测试所得数据带入Benbow非线性方程，每一组长径比—挤出速率—挤出压力数据可得到一个方程，共计14个方程，然后利用Matlab软件进行计算，使用最小二乘法寻求最佳函数匹配，拟合计算结果如表2所示。使用Benbow非线性方程拟合计算结果与实测数据有着非常高的契合度，图4为本实施例中的实测数据与拟合数据比较。

表1 测试结果(P_tot，单位Kpa)

表2 拟合计算结果

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.柱塞式挤出流变性能试验装置，其特征在于，包括传力杆(1)、试样桶(2)、柱塞(3)、上承载平台(5)、挤出模口(6)、承载立柱(7)、下承载平台(8)，所述上承载平台(5)和下承载平台(8)互相平行，上承载平台(5)通过承载立柱(7)支撑在下承载平台(8)的上方；所述试样桶(2)以螺栓方式固定于上承载平台(5)之上；所述挤出模口(6)以套筒套入的方式安装于上承载平台(5)中心的预制套孔内；试样桶(2)与挤出模口(6)中心轴一致，传力杆(1)上部与可变速力加载***连接，传力杆(1)下部与柱塞(3)固定相连。

2.根据权利要求1所述的柱塞式挤出流变性能试验装置，其特征在于，所述试样桶(2)内底部设置有锥角垫片(4)，所述锥角垫片(4)为环状，下表面为水平面，上表面为锥面。

3.根据权利要求1所述的柱塞式挤出流变性能试验装置，其特征在于，所述传力杆(1)下部与柱塞(3)以螺栓方式相连。

4.基于权利要求1～3任一项所述的柱塞式挤出流变性能试验装置的柱塞式挤出流变性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)安装试样桶和挤出模口，记录此时试样桶的直径、挤出模口长度、挤出模口直径；

(2)将待测浆体材料装入到试样桶内，然后开启力加载***进行挤出，通过程序控制挤出速率，待挤出压力趋于稳定后，记录当次试验所对应的挤出压力；

(3)改变挤出速率，重复步骤(2)多次；

(4)更换挤出模口，重复步骤(1)～(3)多次；

(5)将步骤(1)～(4)记录到的测试数据带入代入Benbow非线性方程，对表征浆体材料挤出流变性能的初始屈服应力、屈服应力影响因子、屈服应力非线性指数、初始剪切应力、剪切应力影响因子、剪切应力非线性指数采用Benbow非线性方程进行拟合计算；

所述Benbow非线性方程如下：

$P_{\mathrm{tot}}=2({\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\αV}}^n)\ln \left(\frac{D_0}{D}\right)+4({\mathrm{\τ}}_0+{\mathrm{\βV}}^m)\left(\frac{L}{D}\right)---\left(1\right)$

式中，

P_tot—挤出总压强；

σ₀—初始屈服应力；

α—屈服应力影响因子；

n—屈服应力非线性指数

τ₀—初始剪切应力；

β—剪切应力影响因子；

m—剪切应力非线性指数；

V—挤出速率；

L—挤出模口长度；

D—挤出模口直径；

D₀—试样桶直径。

5.根据权利要求4所述的柱塞式挤出流变性能试验方法，其特征在于，所述步骤(4)中还包括更换锥角垫片。