Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ROZDIL_1.docx
Скачиваний:
95
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
11.22 Mб
Скачать

Розділ 7

РЕОЛОГІЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

7.1. Деформації і течії

7.2. Методи реологічного моделювання

7.3. Криві течії і в'язкості

7.4. Методика побудови реологічних кривих

7.5. Моделі і рівняння течії структурованих дисперсних систем

7.6. Про реологічні криві течії і в'язкості структурованих рідин на прикладі цементобетонної суміші

7.1. Деформації і течії

Реологія наука про деформації і течії різноманітних реальних тіл.

Реологія – це наука про поведінку матеріалів (систем, тіл) з врахуванням взаємозв'язку часових режимів навантаження та механічних властивостей. Реологія органічно поєднує пружність і здатність механічних тіл до течії.

Деформація характеризує відносне переміщення точок системи внаслідок дії механічних факторів, температури і інших впливів.

Точкою системи називається такий матеріальний об’єм середовища, усі компоненти якого мають постійну швидкість. Стосовно обраної системи відліку відносне переміщення точок чи деформація – це функція координат цих точок, а також часу.

Щоб краще відчути особливості поведінки різних тіл можна уявити такий експеримент. Беруть три кульки з металу, пластиліну та води (краплю). Кидають їх з однієї висоти і спостерігають ефект: відскік металічної кульки, прилипання до столу пластилінової, розтікання води. У мить удару усі кульки деформувалися (змінили форму): сталева стиснулась та миттєво розправилася і тому відскочила – її деформація є пружною; пластилінова прилипла до столу та сплющилася, тобто деформувалася, її деформація необоротна, запас пружної енергії в ній малий, і її форма не відновилась. Така деформація є пластичною або залишковою. Кулька з води розтеклась, тобто виявила здатність до течії.

Чисто пружну поведінку матеріалів вивчають теорія пружності та опір матеріалів, пластичні деформації – теорія пластичності, а течію - гідродинаміка. Коли ж у одному тілі властивості сполучаються, то його поведінку під навантаженням у часі вивчає реологія.

Для розуміння особливостей виявлення тілом механічної поведінки доцільно спочатку зупинитись на ідеальних тілах (пружному та в'язкому) і також сформулювати поняття пружності та в'язкості.

Пружність - це здатність тіла: відновлювати свої форму та об'єм (тверді тіла) або тільки об'єм (рідкі тіла) після припинення дії зовнішніх сил, які викликали деформацію тіла. Тіла, які мають цю властивість, називають пружними.

Характеристикою пружності є модуль пружності. Модуль пружності - це величина, яка дорівнює відношенню напруження до відносної пружної деформації, яку воно викликало, тобто це опір :матеріалу зворотній зміні його форми, віднесений до одиниці довжини. Модуль пружності Е визначається з діаграми навантаження як коефіцієнт пропорційності між напруженням σ та відносною деформацією ε.

Нормальне напруження звичайно викликає зміну об’єму, а дотичне – зміну форми.

Структуровані дисперсні системи підпорядковуються закону Гука. Для одномірної деформації (7.1):

(7.1)

(7.2)

де: Е – модуль Юнга; G = модуль зсуву; – відносна деформація.

Пружність схематично моделюється пружиною. Різні тіла мають різну жорсткість та модулі пружності: сталь – 2∙105 МПа, бетон – (1…2)∙104 МПа, асфальтобетон від 102 до 10МПа залежно від температури.

У реології існує поняття «однорідний зсув» (коли усе тіло, що бере участь, є тіло однорідної деформації). Структурована система підпорядковується закону, Гука до визначення напруження, що називається межею пружності. Якщо напруження τ від вище межі пружності, то настає новий вид деформацій – пластичні деформації, що не відновлюються цілком після зняття напруження. Залежність напруження від пластичної деформації показано на рис. 7.1.

Рис.7.1. Залежність напруження від пластичної деформації

Відрізок ОА – відповідає початковому навантаженню до границі текучості τт; АВ – пластичній течії при τ = const; ВС – повному розвантаженню. Якщо збільшувати напруження і далі, то може наступити розрив суцільності тіла. Напруження, що відповідає розриву, називається границею міцності структури. Якщо вона близька до межі пружності, то тіло називається крихким. Якщо межа міцності сильно відрізняється від межі пружності, то в тілі виникають досить великі пластичні деформації. У цьому випадку межа міцності співпадає з границею текучості. Деформація в структурованих системах залежить від часу (рис. 7.2.).

t1

t2

t

Рис. 7.2. Залежність деформації ε від часу t

Якщо до тіла в момент часу t1 прикладене напруження τ, то в ньому зі швидкістю звуку, у даному тілі, установлюється початкова пружна деформація ε0 = А1В1. Після повного навантаження (τ = const) деформація досить повільно зростає по кривій В1С1. Нехай з моменту t2 тіло розвантажене, тобто τ = 0, тепер деформація знижується на величину ε0 = С1D1 зі швидкістю , яка дорівнює швидкості звуку, що відповідає в даному середовищі, а потім повільно зменшується по кривій D1Е1. Таким чином, після припинення дії сили поступово відновлюється деформація D1D2. Тіло повільно відновлює свою форму. Це явище називається пружним наслідком, чи уповільненою пружністю.

Відрізок D1D2 зображує еластичну деформацію εm, а відрізок D2D3 – пластичну необоротну деформацію (εПЛ).

При переміщенні шарів рідини під впливом зсувних напружень між τ і швидкістю деформування за відомим законом Ньютона існує прямо пропорційна залежність. Коефіцієнт пропорційності в цій залежності називається в'язкістю і позначається η (7.3):

(7.3)

де: η – зсувна в'язкість; – градієнт швидкості деформації.

Рис. 7.3. Розподіл швидкості в ламінарному потоці

Таким чином в'язкість - це властивість рідини чинити опір переміщенню її шарів одного відносно іншого на молекулярному рівні, тобто необоротній зміні форми. Мірою в'язкості є коефіцієнт в'язкості (або в'язкість) η, тобто коефіцієнт пропорційності між напруженням τ та швидкістю деформації (7.3).

Розмірність в’язкості Па∙с, оскільки розмірність τ - Па, а розмірність швидкості зсуву – с–1. Схематично та по суті в'язкі властивості моделюють поршнем, розташованим у циліндрі з маслом або кулькою у рідині. В'язкість води 10–3 Па∙с, веретенного масла 50 Па∙с, бітуму від 1 до 1∙107 Па∙с залежно від температури.

У природі, техніці і особливо у будівництві зустрічається мало тіл, матеріалів, які можна віднести до істинно пружних або істинно в'язких. Звичайно, реальні тіла мають ці дві властивості. Більш того, в залежності від зовнішніх умов, вони можуть виявляти у більшій або у меншій мірі здатність до течії чи до пружності.

Наприклад, бітум при високій температурі веде себе як істинно в'язке тіло, а при низьких температурах виявляє помітну пружність. Цемент після замішування з водою на першій стадії являє собою колоїдну систему з зерен цементу, що набрякли у воді (практично структуровану рідину), потім, в міру коагуляції (зчеплення) він стає гелем зі змішаними в'язко-пружними властивостями. а потім після завершення гідратації мінералів цементу, це вже типове тверде тіло (цементний камінь), яке має яскраво виражені пружні властивості. Таким чином, реальні тіла - це в'язко-пружні тіла, що є об'єктом вивчення реології.

Крім того, деякі структуровані рідини не можуть текти під навантаженням, поки напруження, що у них виникають, не перевищать деяку границю, яку називають границею пластичності, після чого починається течія.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]