Методическое пособие 720

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

воздушные пузырьки и воздушные полости, на которые действует совокупность упругих и вязких сил, сил трения. Микрореология исследует деформации и течение в микрообъемах, соизмеримых с размером частиц дисперсной фазы в дисперсных системах или с размерами молекул и атомов. Такой подход эффективен при рассмотрении реологического поведения коллоидных и микрогетеро-

генных систем, представленных в бетонных и рас-

Классические макрореологические модели, применяемые для описания поведения реальных систем и построенные на допущениях, исходящих из представлений о сохранении постоянства внутренней структуры вещества независимо от величины и скорости деформации, не всегда дают достаточно полное описание течения концентрированных дисперсно-зернистых систем. Вполне возможны случаи, когда эти макрореологические представления перестают быть справедливыми. Например, они нарушаются на стадии переформирования систем, связанной с разрушением кластерной структуры (рис. 2.6). При этом формирование кластеров в дисперсно-зернистых системах, в том числе цементных суспензиях, микрогетерогенной составляющей бетонных смесей, происходит до тех пор, пока они не достигнут устойчивого максимального размера, соответствующего динамическому равновесию между формированием и разрушением агрегатов [95].

Рис. 2.6. Схема разрушения фрактальных кластеров при сдвиговых деформациях [95]: 1 – фрактальный кластер до сдвигающих воздействий; 2 – фрактальный кластер после сдвигающих воздействий

Исходя из вышеизложенного, можно сделать предположение, что сложность процесса течения и оценки поведения дисперсно-зернистых систем при

36

внешних воздействиях приводит к необходимости применения дополнительных микрореологических структурных характеристик, позволяющих получить данные о реальных изменениях, происходящих в их структуре с учетом фракталь- но-кластерных проявлений на различных масштабных уровнях. Реализация такого подхода позволит совместить результаты макро- и микрореологических исследований и дать оценку поведению систем в координатах «напряжение сдвига – скорость сдвига» и структурным построениям, характерным для исследуемых систем.

2.3. Реологические свойства цементного теста, растворных и бетонных смесей и основные технологические факторы, влияющие на их изменение

Общие вопросы реологии бетонных смесей были развиты в работах [97 – 100 и др.]. На основе этих исследований был решен ряд сложных технологических задач, связанных с использованием параметров реологических свойств бетонных смесей, проявляемых в условиях сдвига при воздействии рабочих органов агрегатов и устройств. Это такие задачи, как транспортирование бетонной смеси по трубопроводам при механическом и пневматическом нагнетании, процессы перемешивания, укладки и др.

Как показано в работе [23], основное влияние на реологические свойства бетонных смесей оказывают количество и реология цементного теста, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует возникновению значительных сил молекулярного сцепления, обеспечивающих связанность системы. При этом цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры, формирующейся за счет межмолекулярного взаимодействия между частицами через возникающую на их поверхности сольватную оболочку, состоящую из адсорбционно связанной воды, на поверхности твердой фазы. Образующиеся на поверхности частиц цемента сольватные оболочки создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему свойство пластичности и способствуя течению системы при приложении внешних силовых воздействий. Обычно бетонные смеси содержат достаточное количество цементного теста и воды для создания сплошной среды. Наличие сил связи между дисперсными частицами твердой фазы и воды позволяет рассматривать бетонную смесь как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами. Реологические свойства таких дисперсно-зернистых систем определяются прочностными и деформативными свойствами их структур, устойчивостью твердообразных сред, кинетическими особенностями долговечности пространственных каркасов, развитием и реализацией межмолекулярных и надмолекулярных взаимодействий в коагуляционных, коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных состояниях. Во всех этих состояниях таким дисперсно-зернистым системам присущ

37

комплекс упруговязкопластичных свойств с различным их специфическим весом, зависящим от состояния, определяющегося силами контактного взаимодействия между поверхностями твѐрдых тел, например коллоидных и макроскопических частиц [23].

Вместе с тем, изложенные выше представления не совсем полно описывают структурно-реологические свойства бетонных смесей на различных масштабных уровнях. Как известно, бетонные смеси представляют собой сложную многокомпонентную систему, имеющую в своем составе частицы, относящиеся как к микрогетерогенным (цемент, минеральные добавки, мелкая фракция песка, воздушные включения), так и к грубодисперсным (частицы песка и щебня) (рис. 2.7). Для случаев рассмотрения бетонной смеси в целом в работе [101] предложено относить их к связанным дисперсно-зернистым системам. Связи в них на ранних стадиях (до начала процессов схватывания и твердения) обеспечиваются межфазными и межчастичными взаимодействиями. Согласно класси-

ческим представлениям межфазные взаи-

терогенных систем определяются поверхностными явлениями, а грубодисперсных систем – их объемно-массовыми характеристиками, при рассмотрении реологических свойств бетонных смесей, в условиях динамических воздействий необходимо учитывать баланс сил, проявляющийся на различных масштабных уровнях и оказывающий существенное влияние на процессы формирования и переформирования структуры бетонной смеси и качество затвердевшего бетона. В работе [55] предполагается следующий механизм формирования и разрушения структуры бетонной смеси при сдвиге (рис. 2.8).

Первоначально, в области напряжений от нуля до предельного напряжения сдвига смесь проявляет упругие свойства, вязкое течение при этом отсутствует, что определяется межчастичными взаимодействиями в микрогетерогенной составляющей смеси, представленной частицами цемента, минеральных добавок, микронаполнителя. В данном случае в бетонной смеси в балансе сил ведущую роль играют поверхностные силы, преобладающие над инерционными. Проявляются межчастичные взаимодействия, способствующие формированию неоднородной, агрегированной – фрактально-кластерной структуры. Во

превышающих предельное напряжение сдвига, происходит разрыв упругих связей, охватывающих всю систему. Система переходит в текучее состояние, смесь обладает структурой с практически не нарушенными связями, с максимальной эффективной вязкостью ηmax. При напряжениях ≥ происходит полный разрыв связей и разрушение структуры с достижением при определенных величинах > минимальных величин эффективной вязкости ηmin. Это обеспечивается за счет относительного перемещения как в микрогетерогенной составляющей, сопровождающейся движением самих кластеров, так и взаимодействием кластеров с грубодисперсной составляющей бетонной смеси. При этом в балансе сил определяющую роль играют объемно-массовые и инерционные характеристики грубодисперсных составляющих смесей.

Рис. 2.8. Реологические кривые течения бетонной смеси: ηА – эффективная вязкость; τ0 – предельное напряжение сдвига

Из рассмотренных теоретических положений структурно-реологического поведения бетонных смесей можно сделать вывод о том, что для оценки их реологических свойств важно знать такие характеристики, как , , , ηmax, ηmin и др. Для определения этих характеристик используют специальные приборы – вискозиметры, которые по принципу действия делятся на несколько групп

(рис. 2.9) [23, 102].

39

Рис. 2.9. Схемы приборов для определения реологических свойств цементного теста и бетонной смеси [23]: а) по измерению скорости истечения смеси через отверстие; б) по измерению глубины проникания конуса; в) по измерению скорости погружения шарика; г) по измерению усилия выдергивания; д) по измерению усилия вращения коаксиальных цилиндров

1.Приборы, основанные на определении скорости истечения цементного теста или бетонной смеси через капилляр, трубку или отверстие определѐнной формы и размера. Измеряется время, необходимое для истечения бетонной смеси через отверстие. Если смесь начинает двигаться через отверстие, это означает, что напряжение больше, чем предельное напряжение сдвига. Следовательно, данный метод позволяет измерить величину, которую можно соотнести с вязкостью.

2.Приборы, основанные на измерении глубины проникания в цементное тесто или бетонную смесь конуса или иного тела (конический пластометр МГУ

идр.). Основой этого метода является то, что глубина проникновения какоголибо объекта зависит от предельного напряжения сдвига. Масса или сила, приложенная к проникающему объекту, позволяют измерить предельное напряжение сдвига системы. Такие приборы успешно используются для контроля качества и определения того, изменился ли состав бетонной смеси. Они также часто используются для определения времени затвердевания цементного теста и бетона.

3.Приборы, основанные на определении скорости погружения или всплывания шарика определенной массы и размеров (испытания обычно проводят при вибрировании смеси). Используются шарики различных диаметров. По результатам измерений можно рассчитать вязкость среды. Этот метод может быть рекомендован для измерения вязкости цементной суспензии. Однако он не рекомендуется для бетонов, так как диаметр шарика должен быть существенно больше, чем диаметр твердых частиц и агрегатов. В противном случае бетон не может рассматриваться как однородная среда, в которой шарик свободно падает.

4.Приборы, основанные на измерении усилия выдергивания из смеси рифленых пластинок, стержней или цилиндров. Эта вариация метода больше

40