Материал: Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей. Перцев В.Т., Леденев А.А

ное с его сопротивлением изменению формы и определяемое зависимостью градиента скорости течения от напряжения; n – показатель псевдопластичности; при n > 1 уравнение (2.2) описывает дилатантные жидкости; при n < 1 – неньютоновские (обобщенные ньютоновские) жидкости; при n = 1 формула Оствальда превращается в закон Ньютона.

Рис. 2.2. Реологические кривые течения: а - ньютоновской жидкости; б - псевдопластической жидкости; в - вязкопластичной жидкости; г - сложного

нелинейного упруго-вязко-пластичного тела; ηА – эффективная вязкость системы; τ0 – предельное напряжение сдвига;

τ1 – напряжение сдвига, соответствующее разрушению структуры; τ2 – напряжение сдвига, соответствующее предельно разрушенной структуре

Многие тела при деформации и течении проявляют не только вязкие, но и упругие свойства, т.е. способность обратимо изменять свою форму при приложении к ним нагрузки, возвращаясь в исходное состояние при ее снятии. Такие тела можно назвать вязкоупругими. Вязкопластичные тела при движении проявляют наряду с вязкими пластичные свойства, т.е. способность при напряжении, превышающем предел текучести, деформироваться необратимо, при снятии нагрузки их деформации сохраняются (см. рис. 2.2, в). Примером таких тел

31

являются пластилин, глиняная паста и др. Для описания течения таких тел можно использовать уравнение Шведова-Бингама

где τ0 - предел текучести или предельное напряжение сдвига, Па; ηm - пластическая вязкость системы, Па·с. Если действующее на систему напряжение сдвига ниже определѐнного предела, т.е. τ ˂ τ0, то вязкое течение не наблюдается, тело либо вообще не деформируется, либо испытывает обратимую упругую деформацию.

Реальные дисперсные и дисперсно-зернистые системы, такие как различные виды бетонных и растворных смесей, силикатные и керамические массы и т.д., которые в отличие от классических систем состоят из нескольких фаз, часто обладают свойствами упругости, вязкости, пластичности и псевдопластичности, в процессе деформирования ведут себя как реологически сложные тела. Их течение может быть описано формулой, которая включает в себя уравнения Шведова-Бингама и Оствальда и названа уравнением Балкли-Гершеля [84]:

где ηn - «эффективная» вязкость, которая определяется как котангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат и исследуемую точку на кривой dν/dn = ƒ(τ). «Эффективная» вязкость - это такая вязкость, которая проявляется системой при механическом воздействии и которая по своему численному значению эквивалентна вязкости среды типа ньютоновской.

На реологической кривой сложного нелинейного упруго-вязко- пластичного тела условно могут быть выделены четыре основные области (см. рис. 2.2, г). В первой области при напряжениях сдвига от нуля до предельного напряжения сдвига система проявляет упругие свойства, вязкое течение при этом отсутствует. Под предельным напряжением сдвига понимается такое напряжение, при превышении которого происходит разрушение структуры и начинается течение системы. Во второй области, лежащей в диапазоне , система обладает структурой с практически не нарушенными связями, с макси-

дельно разрушенной структуры с минимальной эффективной вязкостью ηmin.

В работе [85] показано, что для структурированных систем эффективная вязкость играет особую роль, так как диапазон ее изменения с варьированием скорости деформации или напряжения сдвига достигает 10 – 11 десятичных порядков (рис. 2.3). Это является важным фактом для осуществления технологического процесса и разработки методов создания максимальной подвижности и текучести дисперсных систем при поддержании наименьшего уровня эффективной вязкости.

32

Рис. 2.3. Зависимость эффективной вязкости структурированной дисперсной системы от напряжения сдвига [85]

На практике часто не учитывается и не реализуется возможность резкого увеличения текучести и уменьшения эффективной вязкости систем. При этом технологические процессы часто реализуются на уровне, соответствующем заштрихованной области А (см. рис. 2.3), являющемся необходимым для осуществления процесса, но не отвечающем оптимальным условиям его проведения, далеком от максимально достижимой текучести системы [85]. Оптимальным динамическим состоянием системы следует считать такое, при котором разрушаются все обратимые по прочности контакты, т. е. связи между частицами, способные восстанавливаться после прекращения внешних воздействий на дисперсную систему (см. рис. 2.3, область Б). Данная область соответствует наименьшему уровню реологического сопротивления при проведении технологических процессов в дисперсных системах. Понижение эффективной вязкости, сопровождающееся разрушением пространственной структурной сетки в дисперсных системах, приводит к высвобождению дисперсионной среды, зафиксированной внутри структуры. Выход частиц дисперсной фазы из структурной сетки и возможность их независимого перемещения относительно дисперсионной среды приводит к изменению условий протекания гетерогенных процессов на межфазных границах [85]. Для такого качественного перехода к высокоинтенсивным процессам необходимо, как уже отмечалось, существенно более глубокое разрушение структуры. При этом по мере увеличения интенсивности механических воздействий на дисперсные системы все более увеличивается доля индивидуальных частиц, находящихся вне агрегатов; вероятность столкновения таких частиц и образования в результате возникновения контактов между ними возрастает. И, наконец, достигается предельное разрушение структуры, при котором агрегаты из частиц полностью разрушены и новые агрегаты не возникают. Таким образом, можно выделить три основных этапа разрушения структуры [85]:

первый – разрушение сплошной структурной сетки, сопровождающееся распадом структуры на отдельные достаточно крупные агрегаты;

33

второй – разрушение агрегатов, сопровождающееся уменьшением их размера, увеличением числа, высвобождением из агрегатов и увеличением числа отдельных частиц и образованием новых агрегатов;

третий – предельное разрушение структуры при полном отсутствии агрегатов из частиц.

Сам характер полной реологической кривой течения структурированных систем говорит о том, что четкая граница между этими этапами не проявляется, она размыта (см. рис. 2.3). Вместе с тем каждый из трех этих этапов весьма специфичен по состоянию структуры в условиях механических воздействий на дисперсную систему. Достижение предельного разрушения структуры, т. е. обеспечение наибольшей текучести и соответственно минимальной эффективной вязкости, отвечает наилучшим условиям осуществления технологических процессов с точки зрения возможности значительной интенсификации гетерогенных процессов, достижения однородности распределения различных фаз между собой и в дисперсионной среде, т. е. максимальной однородности структуры системы. В связи с этим предельное разрушение структуры дисперсных систем на стадии реализации процессов перемешивания, формования и уплотнения является важнейшим условием получения высокого качества готового материала [85]. Представленное поведение систем в условиях динамических воздействий характерно для многих реальных систем, в том числе бетонных смесей. На этом свойстве основано разжижение смесей при воздействии на них вибрации, встряхивания и других механических воздействий.

Изменение свойств во времени, особенно при увеличении или уменьшении скорости сдвига, является важным свойством структурированных дисперс- но-зернистых систем. Системы, вязкость которых возрастает при увеличении скорости сдвига, называются дилатантными (рис. 2.4) [86, 87].

Рис. 2.4. Реологические кривые течения дилатантных систем: 1 – дилатантная жидкость; 2 – пластическое дилатантное тело

Такое реологическое поведение характерно для очень концентрированных агрегативно устроенных суспензий, у которых отсутствуют постоянные контакты между частицами, но они возникают в процессе перемещения и

34

сближения частиц. Также такое поведение свойственно некоторым полимерным материалам. В процессе их течения полимерные цепи гибких молекул могут выпрямляться и переплетаться. Взаимная ориентация полимерных цепей в процессе течения может являться причиной сильного повышения вязкости [88].

У реопектантных систем вязкость возрастает во времени при постоянной скорости деформации [86, 87].

В последние годы все большее внимание исследователей и практиков привлекают вопросы реологического поведения гранулированных систем [89]. Особенностью гранулированных систем является проявление разного поведения в условиях, характерных для твердых тел, жидкостей и газов. Так, например, при передаче механических (акустических) колебаний обводненной гранулированной среде в жидкости происходит затухание колебаний, приводящее к передаче ей импульса и росту давления в ней. При этом обеспечивается пульсационное относительное движение частиц твердой фазы [90]. Структура потоков обводненных гранулированных систем с позиций гидродинамики была рассмотрена в работе [91]. Показаны условия, при которых обеспечивается относительное движение частиц в потоке. Считается, что частицы совершают относительное движение в потоке обводнѐнных гранулированных систем при усло-

вии [91]

| ⁄ | ⁄ ⁄ , (2.5)

где d – диаметр частицы; Dn – гидравлический диаметр канала; ρs – плотность частиц; ρ – плотность жидкой фазы; Re – критерий Рейнольдса.

Реология гранулированных систем описывается различными моделями. Характерным для этих моделей является применение энергетических оценок поведения систем. Так, в работе [92, 93] рассматриваются модели, основанные на кинетическом подходе к динамике гранулированных систем. Такой характер реологического течения применительно к растворным и бетонным смесям с его энергетическими оценками нашел практическое подтверждение в работе [55].

2.2. Положения микрореологии

Применяемые в макрореологии параметры, такие как напряжение сдвига, предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость и другие, являются интегральными. Эти показатели макрореологических свойств не дают полного представления об истинных физических процессах, которые протекают в структуре смесей, что приводит к получению ошибочных оценок их поведения, в первую очередь, при внешних механических воздействиях, происходящих при реализации технологических процессов перемешивания, транспортирования, формования и др.

Микрореологический подход предусматривает рассмотрение систем как совокупность составляющих различных фаз: твердую фазу – частицы цемента, наполнителя, заполнителей, жидкую фазу – воду или растворы, газообразную –

35