Методическое пособие 720

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБВОДНЕННЫХ ДИСПЕРСНО-ЗЕРНИСТЫХ СИСТЕМ

В главе представлены результаты исследований, позволившие при совместном рассмотрении макро- и микрореологических показателей изучить влияние свойств поверхности, природы (происхождения, адсорбционной способности), дисперсности частиц твердой фазы минеральных компонентов, а также вида ПАВ, используемых при разработке комплексных ОМД, на структурнореологические свойства обводненных дисперсно-зернистых систем – минеральных паст.

4.1. Результаты исследований влияния свойств поверхности, природы, дисперсности частиц твердой фазы на структурно-реологические

характеристики минеральных паст

Известно, что реологические свойства концентрированных дисперснозернистых систем: суспензий, минеральных паст, цементного теста, растворных и бетонных смесей - во многом зависят от вида и свойств формирующихся структур в тонкодисперсной и микрогетерогенной составляющей, представленной частицами цемента, минеральными добавками, микронаполнителями, мелкой фракцией песка. В таких системах в формировании структур определяющую роль играют поверхностные силы, преобладающие над инерционными. Результатом действия поверхностных сил, обусловленных силами физикохимической природы, является стремление систем к самоорганизации и формированию агрегированных фрактально-кластерных структур. Формирование и разрушение агрегатов или кластеров оказывает значительное влияние на струк- турно-реологические характеристики систем, что неоднократно показывалось в исследованиях, например [55].

Реологические свойства, такие как предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость и другие, используемые в макрореологии, не всегда дают достаточно полные характеристики структурных изменений, происходящих в дисперсно-зернистых системах при воздействии на них сдвиговых напряжений, возникающих при реализации технологических переделов. Более полные представления и информацию о структурно-реологических свойствах смесей позволяют получать методы микрореологии, которая исследует деформации и течение в микрообъемах, соизмеримых с размером частиц дисперсной фазы.

В данном разделе представлены результаты исследований влияния природы, дисперсности, свойств поверхности частиц твердой фазы минеральных компонентов, входящих в состав разрабатываемых ОМД, на структурнореологические свойства минеральных паст с учетом фрактально-кластерных проявлений на различных масштабных уровнях. Исследования выполнялись на модельных системах – минеральных пастах: «молотый песок – вода», «молотый

61

цемент – вода», «молотый известняк – вода», «молотый шлак – вода», «зола – вода», «биокремнезем – вода» с помощью ротационной вискозиметрии.

Проведенные исследования позволили уточнить механизм течения концентрированных дисперсно-зернистых систем в условиях сдвиговых напряжений, рассмотренных в работах Н. Б. Урьева, П. Миллса [85, 94, 95] и других ученых. Модель реологического течения дисперсно-зернистой системы приведена на рис. 4.1. Согласно этой модели первоначально сложившаяся структура системы в виде бесконечного кластера (вид образующейся структуры I) при напряжениях, больших предельного напряжения сдвига, разрушается на отдельные крупные агрегаты (вид образующейся структуры II), что сопровождается снижением эффективной вязкости (рис. 4.1, т. 1 – т. 2). Максимальное разжижение достигается за счет разрыва связей между агрегатами (рис. 4.1, т. 2 – т. 3). С ростом напряжения сдвига и при полном разрыве связей агрегаты разбиваются на более мелкие кластеры или даже индивидуальные частицы (вид образующейся структуры III), что приводит к увеличению внутреннего трения и соответственно повышению эффективной вязкости (рис. 4.1, т. 3 – т. 4). При дальнейшем нарастании напряжений сдвига вновь происходит снижение вязкости в результате разрыва сплошности системы (рис. 4.1, т. 4 – т. 5).

ηэфф min

Рис. 4.1. Модель реологического течения дисперсно-зернистой системы: ηэфф – эффективная вязкость системы; τ0 – предельное напряжение сдвига; I, II, III – виды образующихся структур

Подобный механизм течения наблюдается и в исследуемых обводненных дисперсиях (рис. 4.2). Отмечается наличие участков с минимальной величиной «эффективной» вязкости (рис. 4.2, т. 2 – т. 3) и рост «эффективной» вязкости при дальнейшем увеличении напряжения сдвига (рис. 4.2, т. 3 – т. 4) с последующим ее снижением при разрыве сплошности систем (рис. 4.2, т. 4 – т. 5). На примере системы «молотый песок – вода» (рис. 4.3) показано, как меняется структура обводненных дисперсий в процессе реологического течения. Видно, что в состоянии «покоя» - без сдвиговых деформаций, формируется бесконеч-

62

ная сеть взаимосвязанных фрактальных кластеров – темные участки (рис. 4.3, а). По мере приложения внешних сдвигающих напряжений происходит разрыв сети связей и разрушение фрактально-кластерных агрегатов (рис. 4.3, б), агрегаты разбиваются на более мелкие кластеры или индивидуальные частицы [96, 138].

τ0

ηэфф min

Рис. 4.2. Реологические кривые обводненных дисперсных систем:

1 – «молотый известняк-вода»; 2 – «молотый песок-вода»; 3 – «молотый шлак-вода»; 4 – «молотый цемент-вода»; 5 – «зола-вода» при В/Т = 0,32; Sуд = 500 м2/кг

63

агрегаты

Рис. 4.3. Изменение структуры системы «молотый песок-вода» при сдвиговых деформациях (увеличение в 10 раз): а) до начала испытаний; б) после испытаний

Установлено, что при прочих равных условиях применение различных видов частиц твердой фазы позволяет изменять основные реологические характеристики обводненных дисперсных систем в широких диапазонах: предельное напряжение сдвига (τ0) – от 26,1 Па для системы «молотый известняк-вода» до 466,1 Па для системы «зола-вода» и эффективную вязкость (ηэфф min) – от 7,3 Па·с до 38,1 Па·с для этих же систем. Проявление макрореологических свойств обводненных дисперсных систем тесно связано с их микрореологическими структурными характеристиками (рис. 4.4). Так, с ростом показателя фрактальности D последовательно в обводненных системах с твердой фазой: зола, молотый цемент, молотый шлак, молотый песок, молотый известняк - отмечается соответствующее снижение τ0 и ηэфф min . Причем наибольшими значениями τ0 и ηэфф min обладают системы, характеризующиеся более разветвленной и менее плотной фрактально-кластерной структурой, с наименьшими показателями фрактальности D (табл. 4.1).

D1

D1

D2

D2

Рис. 4.4. Корреляция реологических характеристик систем с показателем фрактальности D: D1 – фрактальность системы «зола-вода»;

D2 – «молотый цемент-вода»; D3 – «молотый известняк-вода»

64

Формирующиеся фрактально-кластерные структуры в исследуемых обводненных системах являются самоподобными на различных масштабных уровнях, в том числе на мезо- и микроуровнях, определяющимися характеристиками поверхности частиц твердой фазы. Так, частицы золы, имея более развитую и шероховатую поверхность, характеризующуюся меньшим показателем фрактальности D по сравнению с частицами песка как на мезоуровне (рис. 4.5), так и на микроуровне (рис. 4.6), формируют обводненную золоводную систему с более разветвленной и менее плотной структурой ρ = 1478 кг/м3, по сравнению с более плотной структурой системы «молотый песок-вода» ρ = 1961 кг/м3

(табл. 4.1).

Таблица 4.1

Структурные показатели обводненных дисперсных систем (В/Т = 0,32; Sуд = 500 м2/кг) и отдельных частиц твердой фазы

D* - фрактальность частиц твердой фазы на мезоуровне;

D** - фрактальность частиц твердой фазы на микроуровне.

Рис. 4.5. Вид проекции молотых частиц (на мезоуровне): а) цемента; б) песка; в) известняка; г) шлака; д) золы; увеличение в 400 раз; Sуд = 500 м2/кг

65

Молотый песок

Молотый песок

Рис. 4.6. Изображения поверхности (а) и «разрезов» поверхности (б) частиц твердой фазы (на микроуровне), полученные методом атомно-силовой микроскопии; единицы измерений: по оси X и Y – мкм, по оси Z – нм

66

Для изучения влияния дисперсности частиц твердой фазы на структурнореологические свойства обводненных систем были проведены сравнительные испытания с В/Т-отношением, равным 0,28, которое является достаточно близким к нормальной густоте цементоводных систем, для системы «зола-вода» было принято В/Т = 0,36, так как при В/Т = 0,28 система является несвязанной. Результаты испытаний и их обобщенные данные представлены на рис. 4.7 – 4.12.

Рис. 4.7. Влияние дисперсности твердой фазы на реологические свойства

системы «молотый цемент-вода» при В/Т =0,28:

1 - Sуд = 300 м2/кг; 2 - Sуд = 500 м2/кг; 3 - Sуд = 700 м2/кг

67

Рис. 4.8. Влияние дисперсности твердой фазы на реологические свойства

системы «молотый песок-вода» при В/Т =0,28:

1 - Sуд = 300 м2/кг; 2 - Sуд = 500 м2/кг; 3 - Sуд = 700 м2/кг

68

Напряжение сдвига, Па

Рис. 4.9. Влияние дисперсности твердой фазы на реологические свойства

системы «молотый известняк -вода» при В/Т =0,28: 1 - Sуд = 300 м2/кг; 2 - Sуд = 500 м2/кг; 3 - Sуд = 700 м2/кг

69

Рис. 4.10. Влияние дисперсности твердой фазы на реологические свойства

системы «молотый шлак-вода» при В/Т =0,28:

1 - Sуд = 300 м2/кг; 2 - Sуд = 500 м2/кг; 3 - Sуд = 700 м2/кг

70