Автор: Сaйлaубeкулы Рустeм

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №8 (112) апрель-2 2016 г.

Дата публикации: 18.04.2016

Статья просмотрена: 55 раз

Библиографическое описание:

Сaйлaубeкулы Р. Методы изучения реологических свойств почв // Молодой ученый. — 2016. — №8. — С. 291-294.



Структурно-механические (реологические) свойства почв изучают по реологическим кривым течения (основной и дополнительной), получаемых на ротационных вискозиметрах [1]. Прибор РЕОТЕСТ-2 представляет собой ротационный вискозиметр с внутренним вращающимся цилиндром и предназначен для исследования реологических свойств ньютоновских жидкостей с высокой вязкостью, а также структурированных дисперсных систем (рис. 1). На данном приборе можно измерять следующие аномалии текучести: структурную вязкость, дилатансию, пластичность (предел текучести), тиксотропию и реопексию. Так как в почве мы обнаруживаем все виды перечисленных аномалий текучести, этот прибор подходит для почвенных исследований. Поскольку особенностью многих связнодисперсных систем является медленное установление стационарного потока в процессе течения, то применение ротационных вискозиметров правомерно, так как они допускают необходимую выдержку в процессе измерения скорости течения.

Рис. 1. Иономер U-500 и РЕОТЕСТ-2

РЕОТЕСТ-2 является двуосным прибором, в комплекте 5 измерительных устройств. Для почвенных исследований при влажности максимального набухания более всего подходит устройство «Н/Н» в диапазоне скоростей от 0,17 до 145,8 с-1. Рабочим органом прибора является система двух коаксиальных цилиндров: внешний цилиндр неподвижен, внутренний вращается с заданной скоростью. Исследуемая почвенная паста помещается в зазор между цилиндрами. При вращении внутреннего цилиндра прилегающий слой почвенной пасты захватывается им, более удаленные концентрические слои имеют меньшую угловую скорость, а слой внешнего цилиндра — неподвижен. В Реотесте-2 задается угловая скорость вращения цилиндра и измеряется момент вращения на внутреннем цилиндре. Момент вращения определяется реакцией образца на приложенную к нему деформацию. По измеренному моменту вращения, пропорциональному показанию индикаторной шкалы прибора α, рассчитывается напряжение сдвига Р (дин/см2=10–1 Па), возникшее при данной деформации, и структурная (эффективная) вязкость η (пуаз).

Для получения сравнимых реологических характеристик деформационное поведение почв изучается в одинаковом физическом состоянии — в вязко-пластичной консистенции. Понятие одинаковое физическое состояние подразумевает, что при разной влажности почва содержит воду одинаковых категорий, что может проявиться в одинаковом поведении почв при механическом воздействии.

В ходе анализа получают две реологических кривых. Основная реологическая кривая отражает зависимость скорости деформации (Дr, 1/с) от напряжения сдвига (Р, дин/см2), дополнительная — зависимость структурной вязкости (η, пуаз) от напряжения сдвига (Р, дин/см2).

Реологические исследования позволяют получить следующие параметры:

− Рк1 — первое критическое напряжение сдвига, соответствующее началу течения пасты (условный предел текучести, предел Шведова);

− Рк2 — второе критическое напряжение сдвига, соответствующее началу разрушения (динамический предел текучести, бингамовское напряжение сдвига), течение происходит при постоянной пластической (бингамовской) вязкости ηm*. Значение Рк2 получают продолжением прямолинейного участка реологической кривой при Р>Рк1 до пересечения с осью Р. Выделение на реологической кривой Рк1 и Рк2 указывает на наличие коагуляционных структур;

− Рm — напряжение сдвига, соответствующее полному разрушению структуры, достигается полная минимальная вязкость ηm (кривая структурной вязкости идет параллельно оси абсцисс);

− Ркон — предел текучести восстановленной структуры. Если Рконк1, то это указывает на дилатантность (или η<ηРк1);

− ηрк1 — вязкость начала течения (наибольшая структурная вязкость);

− ηо* — шведовская вязкость;

− ηm* — бингамовская вязкость (вязкость пластического течения — критерий полноты разрушения связей);

− ηm — минимальная структурная вязкость;

− ηк — конечная эффективная вязкость исследуемой системы, которая соответствует наименьшей скорости деформации (Дr=0,17 об/с) по обратной реологической кривой;

− ΔS — удельная мощность разрушения структуры;

− (ηk/ ηрк1) — отношение конечной вязкости пасты к начальной характеризует способность структур к восстановлению;

− (Рmk1) — отношение напряжения сдвига максимального разрушения структуры к первому критическому напряжению сдвига, характеризует прочность коагуляционных связей между почвенными частицами, чем выше отношение, тем прочнее структура;

− (РК1К2) — отношение первого критического напряжения сдвига ко второму показывает наличие дилатантных свойств;

− (Рк2m*) — отношение второго критического напряжения сдвига к бингамовской вязкости характеризует бингамовскую пластичность (тиксотропность): чем оно выше, тем сильнее в почве выражена способность к тиксотропному разжижению;

− (Рк2к1) — отношение характеризует диапазон напряжений, в котором происходит разрушение структуры (чем отношение больше, тем прочнее структура).

Рис. 2. Реологические кривые: а) основная; б) дополнительная

На рис. 2 показаны реологические кривые идеальной коагуляционной тиксотропной структуры [2].

На кривой можно выделить четыре участка, соответствующих определенному физическому состоянию структуры.

1. Р<Рk1. В области малых напряжений сдвига систему целесообразно рассматривать как твердообразное с высокой вязкостью тело Кельвина, практически не текущее при напряжении сдвига меньше некоторого предельного Рk1 (упругое последействие связано с взаимной ориентацией анизометрических частиц, способных участвовать в тепловом движении).

2. Рk1<Р<Рk2. Участок ползучести по Шведову, большая часть контактов между частицами, остается не разрушенной. На этом участке система течет как ньютоновская жидкость с постоянной большой вязкостью. На вязкости системы еще заметно не сказываются процессы разрушения структуры, деформация и ориентация элементов структуры в потоке, «почти ненарушенная» структура.

3. Рк2<Р<Рm. Энергетическое разрушение структуры описывается моделью Бингама. Вязкость жидкости, рассматриваемая как отношение напряжения сдвига к соответствующему градиенту скорости (так называемая эффективная вязкость), перестает быть постоянной величиной и непрерывно падает с ростом градиента скорости или напряжения сдвига. Для реальных структурированных систем вязкость может падать на много порядков. Это вызвано тем, что выше Рк2 происходит лавинное разрушение структуры.

4. Р>Рm, Рm — предел прочности, соответствующий разрушению структурных связей, ηm — наименьшая структурная вязкость при Р=Рm.

Процессы деформации и ориентации практически завершены. Кривая течения опять принимает линейный характер, система течет с постоянной вязкостью ηm. В сильно структурированных системах область кривой течения не достигается, так как уже при меньших напряжениях сдвига начинается турбулентный поток [3].

Хорошо оструктуренная прочноагрегированная почва и совсем бесструктурная (в агрономическом отношении) грубого гранулометрического состава могут иметь одинаковые высокие значения пределов прочности. Однако их деформационное поведение и характер реологических кривых будет резко отличаться.

Литература:

  1. Щукин Е. Д. Физико-химическая теория прочности дисперсных структур и материалов // Физико-химическая механика природных дисперсных систем / Под ред. Щукина Е. Д. и др. — М.: Изд-во МГУ. 1985. 72–90 с.
  2. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. — М.: Изд-во МГУ. 1982. 348 с.
  3. Абрукова Л. П. Тиксотропные свойства почв // Депон. научн. отчёт. № 7.1977.141 с.
Основные термины (генерируются автоматически): напряжения сдвига, напряжение сдвига, предел текучести, отношение напряжения сдвига, структурная вязкость, критическое напряжение сдвига, критического напряжения сдвига, эффективная вязкость, разрушения структуры, разрушение структуры, напряжения сдвига максимального, бингамовское напряжение сдвига, вязкость пластического течения, вязкость начала течения, минимальная структурная вязкость, реологической кривой, наибольшая структурная вязкость, критическому напряжению сдвига, напряжений сдвига систему, меньших напряжениях сдвига.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос