Реологические исследования различных почв [1, 2], проведенные в цикле нагрузка-разгрузка, по характеру восстановления сопротивления деформации позволили выделить следующие типы деформационного поведения почв: тиксостабильность, тиксотропность, тиксолабильность, реопексия (рис. 1). Прямая ветвь фиксирует деформационное поведение почвы, характер разрушения ее структуры, обратная ветвь дает представление о способности почвы восстанавливать сопротивление деформации.
Рис. 1. Типы реологических кривых: а — тиксостабильность, б — тиксотропность, в — тиксолабильность, г — реопексия; сплошная линия — прямая ветвь реологической кривой, пунктирная — обратная
Тиксостабильная система обладает равными скоростями разрушения и восстановления структурных связей — обе ветви реологических кривых, практически совпадают (рис. 1а) [1]. На тиксостабильные структуры не сказывается действие деформирующей силы, механическое воздействие не оказывает влияния на величину предельного напряжения сдвига. Признаком равновесия системы служит неизменность величины касательного напряжения в потоке жидкости при изменении скорости потока. Критерием достижения равновесного состояния системы служит совпадение экспериментальных точек на восходящем и нисходящем участках реологической кривой. Состояние тиксостабильности обусловливается наличием в почве в преобладающем количестве коагуляционно-конденсационных структурных связей [3]. Реологические кривые подобного типа характерны для типичного мощного чернозема при влажности верхней границы пластичности.
Кривые следующего типа (рис. 1б) характеризуют типичную тиксотропию, обусловленную образованием коагуляционной структуры. Исследование петель гистерезиса на почвенных образцах [3, 4] показали, что если система восстанавливает сопротивление деформации в интервале Рк2 — Ркm то это характеризует наиболее полное проявление тиксотропии и наличие смешанных структур конденсационно-коагуляционного типа. Изменение петли гистерезиса в обе стороны приводит к уменьшению тиксотропии. Если петля гистерезиса сужается, то это свидетельствует об усилении влияния конденсационных (кристаллизационных) структур, система приближается к тиксостабильности, и наоборот расширение петли гистерезиса влево от Рк1 говорит о разрастании коагуляционной структуры малой прочности, система из состояния тиксотропии переходит в тиксолабильность.
Тиксолабильные структуры при механическом воздействии разрушаются, но не восстанавливаются вновь по прекращении деформации. В тиксолабильной системе разрушение структурных связей происходит в очень узком диапазоне изменения напряжений. Иногда точки Рк1 и Рк2 совпадают, так как коагуляционная структура непрочна и быстро разрушается. Восстановление структурных связей в тиксолабильной системе происходит очень медленно, практически только после полного снятия напряжения. Проявление тиксолабильность наблюдали для орошаемого содового солончака при влажности верхней границы пластичности.
При реологических исследованиях почв был получен еще один тип реологических кривых (рис. 1г.), образующих петлю противоположную гистерезису — петлю реопексии. При снятии напряжения происходит увеличение сопротивления деформации. Исследования Л. П. Абруковой показали, что их проявление на реологических кривых свидетельствует о преобладании в исследуемых почвах прочных конденсационно-кристаллизационных связей внутри агрегатов. Как и Н. И. Горбунов, Л. П. Абрукова считает, что проявление на реологических кривых петель реопексии связано со сложным процессом перераспределения структурных связей. При увлажнении и деформации происходит ослабление внутриагрегатных, главным образом, когезионных сил сцепления. Последнее приводит к разрушению прочносцементированных агрегатов, увеличению количества микроагрегатов и усилению межагрегатных, главным образом, адгезионных сил сцепления. Результатом процесса разрушения агрегатов является увеличение числа контактов в единице объема и, следовательно, увеличение вязкости почвы.
Почвы легкого гранулометрического состава при реологических исследованиях петель реопексии не дают. Они проявляют типичную дилатансию. На начальной стадии деформации почв обычно в состоянии максимального набухания на кривой зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига появляется дилатантный пик увеличения вязкости системы, который образуется вследствие расслоения дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, при увеличении скорости деформации этот пик исчезает [4]. При снятии напряжения восстановление сопротивления деформации может идти двояко: либо по типу тиксостабильности и реопексии, что свидетельствует о ложной дилатансии, вызванной наличием прочно сцементированных агрегатов, либо по типу тиксотропии, что характеризует истинную дилатансию, которая проявляется за счет грубодисперсной фракции песка. Дилатантное поведение характерно для грубодисперсных (опесчаненных) почв, где проявляется истинная дилатансия. В большинстве случаев в почвах проявляется ложная дилатансия, обусловленная наличием в почве прочно сцементированных агрегатов.
Реологические исследования, выполненные для ряда почв в широком диапазоне изменения влажности В. В. Абруковой [4], позволили создать классификацию почвенных реологических кривых и ввести в описание физических свойств почвы вид прямой ветви реологической кривой.
В. В. Абрукова выделяет четыре основный вида деформационного поведения почв (рис. 2).
Рис. 2. Виды почвенных реологических кривых
Деформации 1-го вида (рис. 2–1) присущи почвам с хорошо развитой коагуляционной структурой и проявляется в особых условиях увлажнения и однородности агрегирования.
Деформации 2-го вида характеризуются реологической кривой (рис. 2–2) с клювообразным изгибом в области перехода от течения с ненарушенной структурой к разрушенной, пластическое течение разрушенной структуры осуществляется при меньших напряжениях сдвига, чем само разрушение структуры. Деформации 2-го вида свидетельствуют о наиболее неблагоприятных в технологическом отношении структурных свойствах почвы вследствие резкого падения прочности при достижении определенной величины напряжения сдвига. Диапазон влажности для проявления данного свойства может быть узким и широким в зависимости от сочетания дальней и ближней агрегации почв.
Кривые 3-го и 4-го вида характеризуют дилатантное поведение системы (рис. 2–3, 2–4). Б первом случае (3-й вид) реологическая кривая начинается с уступа или ступеньки, Рк2 может быть значительно ниже Рк1. Дилатансия в зависимости от гранулометрического состава может быть вызвана опесчаненностью или высоким содержанием водопрочных микроагрегатов и сочетается с тиксотропным или тиксолабильным поведением почвы.
Во втором случае (4-й вид) реологическая кривая также начинается со ступеньки, но Рк1 не превышает Рк2. Дилатансия (ложная) вызвана неводопрочными или менее водопрочными, в первом случае микроагрегатами, и сочетается с реопектичным восстановлением структуры почвы.
Предлагаемая В. В. Абруковой [4] классификация прямых ветвей реологических кривых позволяет выделить четыре вида деформационного поведения почв разной степени оструктуренности:
- слитые и бесструктурные почвы,
- неоднородно агрегированные почвы,
- дилатантные опесчаненные почвы,
- хорошо агрегированные почвы.
Для каждого вида деформационного поведения почв характерна особая форма прямой ветви реологической кривой. Важное значение для характеристики структурного состояния почв имеет величина удельной мощности предельного разрушения структуры АБ. Прочность структуры дисперсной системы пропорциональна произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. Для количественных исследований межмолекулярных сил, возникающих между агрегатами, наиболее удобно изучать удельную мощность предельного разрушения структуры. Для вычисления удельной мощности предельного разрушения структуры необходимо экспериментально получить полную реологическую кривую. Площадь, ограниченная реологической кривой и осью скоростей деформации (рис.3) в интервале напряжений сдвига от 0 до Рm, численно равна величине мощности S = Sm + ΔS, необходимой для поддержания стационарного потока в системе.
Рис. З. Схема определения удельной мощности предельного разрушения структуры
Мощность эта складывается из двух частей: удельной мощности Бш, расходуемой на поддержание ньютоновского течения и удельной мощности ДБ, требующейся при том же градиенте для предельного разрушения структуры. Удельная мощность предельного разрушения структуры определяется как площадь треугольник ОАР.
Величина удельной мощности предельного разрушения структуры характеризует прочность структурных связей и их тип. Однако вследствие недостаточности экспериментальных данных и их стандартизации к настоящему времени нет четких классификационных градаций типа структурных связей по величине удельной мощности предельного разрушения структуры.
Возникающие под действием сил капиллярной контракции (когда нет в системе свободной воды) вторичные когезионно-адгезионные молекулярные связи способствуют упрочнению структурных элементов и значительному росту ДБ. С увеличением содержания физической глины ДБ увеличивается. Величина ДБ зависит от содержания гумуса, степени солонцеватости, механического состава и влажности почв.
Если нагрузки на почву превышают ДБ, то техника будет тонуть на поле, если же они будут меньше прочности структурных связей, то обработка почвы возможна и в условиях повышенной влажности.
Прочность структуры, ее реологические свойства и тип структурных связей зависят от многих факторов: концентрации твердой фазы или, соответственно от влажности почвы, минералогического состава, температуры почвы, состава поглощенных катионов, наличия органического вещества.
Литература:
- Абрукова В. В., Манучаров A. C. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях. Почвоведение, 1985, № 6, с. 89–95.
- Абрукова Л. П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8. Почвоведение, 1970, № 8, с. 83–90.
- Горбунов Н. И., Абрукова Л. П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв. Почвоведение, 1974, № 8, с. 74–85.
- Абрукова В. В. Связь реологических свойств почв со структурными характеристиками. М., 1988, 128с.
