Исследование упруго-кинетических процессов в торфе

Непосредственное использование вязко-пластичных систем в качестве исходного сырья для получения разнообразных материалов обычно сочетается с физическими, химическими, механическими, термическими и другого ряда воздействиями. Выяснение закономерностей и механизма подобных воздействий, проявляющихся в процессах образования, деформирования и разрушения дисперсных структур, а также разработка оптимальных основ получения твердых тел с заданными физическими и механическими свойствами и составляют главную задачу физико-химической механики – науки, созданной в нашей стране П.А. Ребиндером и его школой и получившей развитие и применение в различных отраслях науки и практики. Основными методами изучения закономерностей формирования свойств дисперсных систем (прочности, упругости, эластичности, вязкости, пластичности) в физико-химической механике являются реологические методы.  

Реология – наука о деформировании и течении реальных тел. Между идеально упругими твердыми телами и истинно вязкими жидкостями в природе существует огромное многообразие реальных дисперсных структурированных систем промежуточного характера, которые называются реологическими телами (глина, почвы, грунты, строительные, волокнистые и пористые материалы, торф и многие другие естественные и искусственные системы). Закономерности образования, деформирования и разрушения подобных систем и материалов изучаются методами реологии – науки, рассматривающей связи между действующими напряжениями, развивающимися деформациями и скоростью течения. Все системы, являющиеся предметом изучения в реологии, называются реологическими или вязко-пластичными телами.

Все реологические тела имеют структуру. С физико-химических позиций в различных дисперсных системах выделяют: жидкообразные структурированные, твердообразные условно-пластичные коагуляционные и конденсационные (кристаллизационные) структуры, нетиксотропные структуры срастания (переплетения). Коагуляционные структуры в дисперсных системах возникают при контакте частиц дисперсной фазы друг с другом через прослойки среды. Силы взаимодействия при таком контакте ослаблены, а системы в целом являются высокоэластичными, легкоподвижными. После механического разрушения подобные системы обладают способностью восстанавливать свою структуру, т.е. они тиксотропны.

В системах с конденсационной структурой контактирование частиц осуществляется непосредственно. Системы с такой структурой малодеформируемы и нетиксотропны. Структура срастания (переплетения) образуется из растительных остатков. В торфе проявляются особенности коагуляционных структур. В жидкообразных торфяных системах коагуляционная структура образуется из остатков волокон растений торфообразователей, а также из надмолекулярных образований продуктов распада.

При удалении влаги из торфа число молекулярных и фазовых контактов в пространственной коагуляционной структуре возрастает и при влагосодержании, соответствующем верхней границе пластичности (87-92%), торфяные системы приобретают свойства твердообразных условно-пластичных дисперсных материалов. При влажности меньше нижней границы пластичности (75-83%) торфяные системы из твердообразного состояния переходят в полутвердое, а затем в упругохрупкое с открытой пористостью.

Тела, испытывающие под влиянием действующей силы деформации, находятся под напряжением. Если это напряжение во время действия силы неизменно существует и мгновенно исчезает при прекращении ее действия, то мы имеем дело с идеально упругим телом (рис.1). Зависимость между напряжениями τ и деформациями ε в таком теле описываются законом Гука:

,                                                     (1)

где G ₀ – модуль упругости.

При необратимой деформации напряжение в кратчайшие промежутки времени спадает и снова восстанавливается благодаря смещению структурных элементов. Если при этом форма и состояние структурных элементов не испытывает структурных изменений, то тело является истинно вязким (рис.2). Его поведение описывается уравнением Ньютона:

,                                                       (2)

где – вязкость системы;  – скорость деформации, равная отношению градиента скорости Δ  к расстоянию Δ l, где проявляется изменение скорости от  до  (рис. 3), т.е. .

Рис. 1. Связь между напряжениями τ              Рис. 2. Связь между напряжениями τ

и деформациями ε в идеально упругом         и скоростью деформации в истинно

                         теле                                                           вязком теле

 

Течение реологических тел подчиняется уравнению Шведова-Бингама (рис.4):

,                                                 (3)

где τ_к – предельное (условное) напряжение сдвига; η_пл – пластическая вязкость.

 

Рис. 3. Схема смещения слоев в                 Рис. 4. Графическая интерпретация

             истинно вязком теле                                    уравнения Шведова-Бингама

 

При τ_к = 0 уравнение Шведова-Бингама (3) переходит в уравнение Ньютона (2).

Характеристики G и η являются материальными константами вещества, зависящими только от его структуры. Показатели η_пл и τ_к являются условными характеристиками вязко-пластичных материалов. Если для ньютоновских систем вязкость не зависит от напряжения, то для реологических тел по мере роста действующего напряжения вязкость уменьшается (3) вследствие разрушения структуры при течении и ориентации ее элементов по потоку. Такие системы часто называют аномально-вязкими. При течении реологических тел имеют место два противоположных процесса – разрушения и восстановления структуры. Равновесное состояние между этими процессами в установившемся потоке характеризуется эффективной вязкостью , которая убывает с ростом действующего напряжения в системе, т.е. каждому значению τ соответствует величина (рис. 5б).

Жидкообразные и твердообразные дисперсные системы, к числу которых относится и торф в вязко-текучем состоянии, исследуются в большинстве случаев методом снятия полных реологических кривых течения (реограмм), которые бывают двух типов: и . Такие кривые имеют S-образный вид (рис. 5 и 6). Для получения реологических кривых течения используют прибор Д.М. Толстого, ротационные и капиллярные вискозиметры, другие приборы.

По характеру S-образные диаграммы или бывают двух видов, один из которых свойственен жидкообразным структурированным системам (рис. 5), а второй – твердообразным условно-пластичным средам (рис.6). В общем случае такая классификация была предложена П.А. Ребиндером на основании изучения упруго-кинетических процессов в дисперсных системах. 

В данной работе определяются реологические характеристики твердообразных условно-пластичных сред. Согласно реограмме (рис. 6, а, б) реологические свойства твердообразных условно-пластичных систем оцениваются следующими характеристиками:

1) наибольшей вязкостью практически неразрушенной структуры по Шведову

                                       при  <  <  ;                                   (4)

2) наименьшей вязкостью предельно разрушенной структуры

                                      при  > ;                                                  (5)

3) наименьшей пластической вязкостью по Бингаму

                          при  < < ;                                             (6)

4) условным статическим пределом текучести (или статическим предельным напряжением сдвига) ;

5) динамическим условным пределом текучести (или динамическим предельным напряжением сдвига) ;

6) напряжением , соответствующим условной границе практически неразрушенной структуры, т.е. максимальному пределу прочности межагрегатных связей;

7) напряжением , соответствующим условной границе предельно разрушенной структуры;

8) напряжением , соответствующим нижнему пределу прочности внутриагрегатных связей;

9) статической текучестью ;

10) динамической текучестью ;

11) статической и динамической пластичностями по Воларовичу

,    .

 

Отмечая сложный характер зависимости  от τ (рис. 5, 6) для реальных систем, разрушение пространственных структур можно считать основной причиной падения вязкости с увеличением напряжения сдвига. В первую очередь разрываются наиболее слабые межагрегатные связи. Каждому градиенту скорости соответствует определенное количество таких связей. При =  прочность цепи настолько велика, что в нее не могут внедриться частицы поперечных связей. С этого момента система течет с η _m.

Молекулярно-кинетический механизм течения твердообразных условно-пластичных систем аналогичен механизму течения жидкообразных структурированных. Однако твердообразная система характеризуется резким падением эффективной вязкости в узком интервале напряжений, что позволяет находить условный статический предел текучести (статическое предельное напряжение сдвига). В этих системах эффективная вязкость η_эф с ростом τ может падать на 9-11 порядков, т.е. , в то время как для жидкообразных систем ≈10. Примером таких систем могут быть пасты, глины, битумы, торфяные высокодисперсные системы. 

Наиболее полную характеристику структурно-механических свойств торфа дает методика определения семейства кривых развития деформации сдвига ε во времени t под действием постоянного напряжения τ и спада деформаций при τ = 0 (рис. 7). Такие кривые могут быть получены при тангенциальном смещении образца торфа (6) в плоском зазоре двух рифленых пластин (5, 7) прибора Д.М. Толстого (рис. 9).

При исследовании торфа в твердообразном состоянии кривые ε = f ( t) (рис. 7), в зависимости от величины прикладываемого напряжения относятся к одному из следующих пяти типов:

1. При τ < 0,5  в торфяных системах развиваются преимущественно условно-мгновенные быстрые высокоэластические деформации ε₀;

2. В диапазоне 0,5 < τ < за время опыта обнаруживаются лишь ε₀ и ε₂ (медленная высокоэластическая деформация);

3. В условиях несущественного превышения τ над , когда > τ > , становится ощутимой деформация течения ε_m.

4. При > τ >  наступает постепенный разрыв внутриагрегатных связей в образце;

5. При τ >  наступает лавинное разрушение структуры, приводящее к нарушению сплошности материала.

При этом развиваются деформации ε₀ ; ε₂ и ε_m, где ε₀ – быстрая высокоэластическая деформация; ε₂ – медленная высокоэластическая деформация; ε_m – остаточная деформация, т.е. общая деформация торфа ε =ε₀ + ε₂ + ε_m. 

Рис. 7. Типичные кривые кинетики развития (τ = const)

и спада (τ = 0) деформаций

 

Величину каждой деформации можно определить из следующих соотношений: , где G₀ – модуль быстрой высокоэластической деформации; ,   где G₂ – модуль медленной высокоэластической деформации, t – время ее развития и θ – период релаксации напряжений;  (или ), т.е. можно записать, что

                                    (8)

 

Формула (8) – это математическое описание рологическ5ой модели Бюргерcа – Френкеля (рис. 8). На модели η₂ – вязкость, характеризующая процесс развития медленной высокоэластической деформации ε₂.

Эта модель и ее математическое описание в первом приближении могут характеризовать деформационное поведение торфа.

Для математического описания деформационных процессов в реальных телах предложено большое разнообразие реологических моделей. Наиболее достоверно отражает картину деформационных явлений в торфе полная реологическая модель (рис. 9), включающая упругий, эластичный, вязкий элементы и элемент трения.

 

 

Рис. 8. Модель реологического тела по Бюргерсу – Френкелю

 

Рис. 9. Полная реологическая модель торфа

 

Согласно этой модели общая деформация торфа равна:

 ,            (9)

где τ – напряжение сдвига и t –время развития деформации, или

,                                      (10)

где ε₀ – быстрая высокоэластическая деформация; ε₂ – медленная высокоэластическая деформация; , ,  и – деформации, развивающиеся, соответственно, при течении с вязкостями , , и

По величине деформаций течения ε_m  и времени ее развития t можно определить градиент скорости развития деформации

.                                                     (11)

Из кривых кинетики развития и спада деформаций при различных значениях τ  (, где m – масса груза; s – площадь поверхности пластинки) находят  и строят зависимость = f (τ), которая представлена на рис. 6а. На типичной реологической кривой течения условно-пластичных твердообразных систем по характерным участкам выделяют пять областей деформационного состояния материала (рис. 8): 1 – псевдоупругую при τ < ; 2 – область шведовской ползучести > τ > ; 3 – переходную  > τ > ; 4 – область бингамовского течения > τ > ; 5 – область течения с практически разрушенной структурой при τ > .

Рис. 8. Типичная реологическая кривая течения условно-пластичных

твердообразных систем с областями деформационного состояния

 

Порядок выполнения работы

 

Образец торфа 6 в виде параллелепипеда помещается между рифлеными параллельными пластинками: нижней неподвижной 7 и верхней подвижной 5, наложенной на испытуемый образец торфа. Тангенциальная сила, смещающая пластинку в горизонтальном направлении, создается грузом 1, подвешенным к нити 2, перекинутой через блок 3 и прикрепленной другим концом к подвижной пластинке 5. Действующее напряжение , где m – масса груза; s – площадь поверхности пластинки.

 

Рис. 9. Схема прибора конструкции Д.М. Толстого: 1 – груз; 2 – нить; 3 – блок; 4 – часовой индикатор для отсчета перемещений верхней рифленой пластинки 5; 6 – образец торфа; 7 – неподвижная рифленая пластинка; 8 – столик прибора

 

Величина сдвига верхней пластинки относительно нижней определяется с помощью отсчетного индикатора 4 с ценой деления 0,01 мм. Относительная деформация вычисляется как отношение абсолютного перемещения к высоте образца h, т.е. . Для уменьшения влияния пристенного скольжения и неоднородного напряженно-деформированного состояния торфа необходимо подбирать образцы определенной высоты. Отклонение величины деформации при τ = const не превышает 3% при высоте образца h от 5 до 16 мм, что соответствует  (l – длина образца). При таких значениях  поля деформаций и напряжений в приборе можно считать однородными, а эффектом пристенного скольжения можно пренебречь. Для уменьшения пристенного скольжения применяют рифленые пластинки. Зубцы, нанесенные на рабочую поверхность прибора, уменьшают скольжение. Для обеспечения однородности сдвига высота образца не должна превышать 10 мм при s = 40 см².

Время нахождения торфа под нагрузкой принято равным 5 мин. Этого времени достаточно для полного развития и проявления быстрых и медленных высокоэластических деформаций, а также остаточных деформаций. В течение 5 минут проводятся также наблюдения за деформационным поведением системы после снятия напряжений. Таким образом, кривая кинетики развития и спада деформаций снимается в течение 10 мин. 

Обычно получают серию кривых развития и спада деформаций при различных напряжениях сдвига, начиная от малого до значительного. Эта серия кривых называется полной реологической диаграммой торфа. 

Перед началом опыта исследуемый образец помещается между пластинками. Стрелку индикатора устанавливают вращением диска на нулевое положение. После этого на чашечку, привязанную к нити, устанавливают первый груз (обычно 100 г) таким образом, чтобы он не создавал напряжения в системе. Затем опускают чашечку с грузом, включая при этом секундомер. Измеряют абсолютный сдвиг по индикатору. Первый отсчет берут сразу же после пуска секундомера и нагружения системы (2 с), затем на 10, 30 с, 1, 2, 3, 4 и 5 мин от начала опыта. 

После этого систему разгружают и наблюдают за спадом деформации, записывая показания индикатора на 2, 10, 30 с, 1, 2, 3, 4 и 5 мин. Опыт в такой последовательности повторяют при других грузах (300, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 г). Исследования заканчивают при грузах, вызывающих нарушение спло-шности образца. Результаты наблюдений заносят в табл. 1.

 

 

Вид торфа………………………           Площадь пластинки s =……….см²

Влажность торфа ω =…………%         Масса груза m =…………….г                                                      

Степень разложения R =…….%           Высота образца h = …….см                                                            

 

 

Таблица 1. Результаты измерений

 

Время отсчета t, с	m = 100 г, τ =			m = 300 г,  τ =			m = 500 г, τ =
	Абс. сдвиг в делениях индикатора	Абс. сдвиг ε абс, см	Относит. деформация ε	Абс. сдвиг в делениях индикатора	Абс. сдвиг ε абс, см	Относит. деформация ε	Абс. сдвиг в делениях индикатора	Абс. сдвиг ε абс, см	Относит. деформация ε
Н а г р у з к а
2
10
30
60
120
180
240
300
Р а з г р у з к а
2
10
30
60
120
180
240
300

и т.д. при грузах m = 600, 700, 800, 900 г ……. до тех пор, пока не произойдет нарушение сплошности образца торфа.

 

По результатам наблюдений строят семейство кривых кинетики развития и спада деформаций в координатах ε = f (t) (рис. 7). Определяют величины остаточной деформации ε_m  при каждом грузе, рассчитывают градиент скорости деформации при различном напряжении в системе . Строят реологическую кривую течения (рис. 6а).

Определяют реологические характеристики с 1 по 11, а также:

12) условно-мгновенный модуль быстрой высокоэластической деформации

, при τ < ;

13) модуль медленной высокоэластической деформации

, при τ < ;

14) равновесный модуль деформации .

Результаты определений заносят в табл. 2.

 

Вид торфа…………………

Степень разложения R = ………..%

Влажность торфа ω =………%

 

Таблица 2. Реологические характеристики торфа

 

G0, дин/ см^2

G2, дин/ см^2

Gm, дин/ см^2

, дин/ см^2

, дин/см^2

, дин/см^2

, дин/см^2

, дин/см^2

, пз

, пз

, пз

, пз^-1

, пз^-1

, с^-1

, с^-1

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое реология и реологические тела?

2. Типы структур в дисперсных системах и торфе.

3. Идеально упругие, истинно вязкие и реологические тела.

4. В чем заключается аномалия вязкости систем?

5. Кривые кинетики развития и спада деформации. Их вид.

6. Реологические характеристики, получаемые по кривым = f (τ).

7. Вид кривой течения условно-пластичных твердообразных торфяных систем. Отметить на них пять областей деформационного состояния материала.

8. Снятие кривых ε(t) и принцип построения зависимости = f (τ).

Лабораторная работа № 20