Тиксотропные свойства — Справочник химика 21

    В жидкие кровельные покрытия, клеи и горючие смеси на основе битумных эмульсий и растворов обычно вводят наполнители такого же типа, как и в покрытия из галечно-битумных смесей. Тонкодисперсные сорта этих же наполнителей вводят для получения материала с пределом текучести или тиксотропными свойствами, обеспечивающими его способность наноситься кистью при низком содержании наполнителя. Ниже приведена стандартная спецификация на ситовой анализ такого тонкоизмельченного наполнителя (в вес. %)  [c.209]

    Определение тиксотропных свойств консистентных смазок имеет важное значение для оценки эксплуатационных качеств, так как 196 [c.196]

    На основании рассмотрения сил притяжения и сил отталкивания между двумя частицами и количественного их проявления при сближении частиц можно рассчитать потенциальную энергию сближающихся частиц по соответствующим формулам и определить равновесное расстояние, на которое подойдут частицы друг к другу.

Очевидно, энергия притяжения между сближающимися частицами возрастает. Максимального значения энергия притяжения достигла бы при полном слиянии частиц. Энергия отталкивания возрастает с уменьшением расстояния между частицами. В результирующем взаимодействии между частицами можно выделить минимум потенциальной энергии при достаточно больших расстояниях между сольватированными частицами, максимум потенциальной энергии — при средних значениях расстояний между частицами и снижение потенциальной энергии при малых расстояниях между частицами, которое определяет межмолекулярное связывание частиц друг с другом с энергией около 20 кДж/моль. Такое состояние является теплоустойчивым состоянием, то есть тепловой формы движения недостаточно для разрушения указанной связи частиц и в системе может быть создана пространственная сетка, которая легко разрушается при механическом встряхивании или нагревании. Такие системы обладают тиксотропными свойствами. 

[c.65]

    Другим примером тиксотропных систем, имеющих практическое применение, могут служить обычные масляные краски, представляющие собой взвесь минеральных пигментов в олифе. Благодаря тиксотропным свойствам красок их можно наносить на вертикальные поверхности в виде жидкости после их механического перемешивания, при этом нанесенная краска не стекает в результате быстро наступающего структурирования. Для повышения тиксотропных свойств в краски иногда вводят специальные добавки, например полиамиды, бентониты. Характерные реологические свойства, включая тиксотропию таких красок, в том числе и типографских, исследовали А. А. Трапезников с сотр. с помощью разработанных ими методов определения предела прочности и вязкости Б широком интервале скоростей деформации. Было показано, что тиксотропия может выражаться как в разрушении и образовании сплошной сетки (прочностная тиксотропия), так и в разрушении и восстановлении агрегатов частиц (вязкостная тиксотропия).. 

[c.318]

    Для тиксотропных жидкостей с увеличением продолжительности воздействия постоянного напряжения сдвига структура разрушается и текучесть возрастает. Однако после снятия напряжения структура жидкости постепенно восстанавливается, и она перестает течь. К числу таких жидкостей относятся, например, многие краски, благодаря тиксотропным свойствам которых облегчается нанесение и задерживается стекание краски, нанесенной на вертикальную поверхность. Легко наблюдать явление тиксотропии также на примере таких молочных продуктов, как простокваша, кефир и т. п., вязкость которых уменьшается при взбалтывании. 

[c.93]

    Свойства нефтепродуктов определяются условиями их дальнейшей эксплуатации, хранения. Так, профилактические средства различного назначения должны характеризоваться высокими тиксотропными свойствами. Соответствующими исследованиями показано, что период восстановления полностью разрушенной структуры зависит от группового состава профилактического средства, температуры его применения. Кроме того, необходимо обеспечить определенный уровень агрегативной устойчивости профилактических средств с целью предупреждения расслоения нефтяной дисперсной системы на фазы при транспортировании и хранении. Поэтому выбор компонентов для нефтяной композиции следует проводить с учетом их влияния на структурно-механические свойства и агрегативную устойчивость нефтяной системы, [c.44]

    Реометр сопротивления (рис. 3.4) широко используют при производстве каменноугольных смол. З от прибор позволяет исследовать тиксотропные свойства битумов. 

[c.111]

    Для предупреждения осаждения шлама буровой раствор при прекращении циркуляции должен быстро образовать структуру достаточной прочности, т.е. обладать высокими тиксотропными свойствами. СНС измеряют обычно через 1 и 10 мин покоя раствора, при этом полученные значения обозначают соответственно О, и 0ю. Отношение 9] к 010 характеризует интенсивность упрочения структуры во времени. [c.37]

    Кроме ограниченной прочности структурной сети необходимым условием тиксотропных свойств является наличие в дисперсной системе свободного от частиц объема среды, С точки зрения взаимного положения частиц на потенциальной кривой парного взаимодействия разрушение структуры означает их удаление на расстояние большее, чем радиус действия сил притяжения (чем Ад на рис. VII. 11). 

[c.195]

    При напряжении сдвига та достигается предел прочности структурного каркаса и начинается его хрупкая деформация. При этом смазка должна бы перестать существовать как единое тело, но благодаря тиксотропным свойствам разрушенные связи восстанавливаются. В точке кривой, соответствующей напряжению сдвига хз, восстанавливаются не все разрушенные связи- и насту- [c.358]

    Отделочные операции (гомогенизация, фильтрование, деаэрирование и расфасовка)—заключительная стадия приготовления смазок. Все операции при изготовлении какой-либо смазки одновременно используют редко. Гомогенизация (механическая обработка) необходима для большинства мыльных смазок. После охлаждения расплава смазки приобретают структуру, отличающуюся неоднородностью и высокой прочностью. При механическом воздействии эта структура необратимо разрушается и образуется новая, которая при последующем разрушении способна многократно восстанавливаться, т. е. смазка приобретает тиксотропные свойства.

Таким образом, гомогенизация необходима для получения однородных и тиксотропных смазок. В зависимости от типа и состава смазок подбирают режим их гомогенизации. [c.367]

    Тиксотропия — свойство дисперсных систем разжижаться под влиянием механического воздействия и вновь загустевать после его прекращения. Тиксотропные свойства консистентных смазок проявляются в уменьшении прочности или В5 зкостного сопротивления в процессе механического воздействия и в восстановлении их после прекращения этого воздействия. [c.669]

    При химической обработке решаются в основном две задачи 1) стабилизация раствора как дисперсной системы 2) восстановление и упрочнение структуры раствора, регулирование показателей, характеризующих его тиксотропные свойства. [c.53]

    Гели желатины обладают тиксотропными свойствами, но механические свойства разрушенных гелей восстанавливаются существенно медленней и не достигают первоначальных значений.

 [c.382]

    Для изучения тиксотропных свойств нефти последняя оставляется в покое на некоторое время, после чего вновь проводятся опыты по описанной методике. [c.31]

    Область I соответствует образованию структурированных нефтяных дисперсных систем в условиях невысоких температур. Образующиеся при этом в нефтяных дисперсных системах пространственные сетки могут придавать системе тиксотропные свойства. Такие системы малопрочны, но для них характерно наличие предельного напряжения сдвига и ползучесть. [c.62]

    Выполненными исследованиями установлено, что неионогенные ПАВ типа оксиэти тированных алкилфенолов (ОП-4, ОП-10), блоксополимеров окисей этилена и пропилена (сепароли), оксиэтилированных жирных спиртов (неонолы), оксиэтилированных и оксипропилированных оксиспиртов (ноналы), непосредственно введенные или перешедшие в нефть путем диффузии из водных растворов, подавляют аномалии ее вязкости, в результате чего реологические свойства нефти приближаются к свойствам ньютоновской жидкости, улучшаются условия ее фильтрации в пористой среде, увеличивается коэффициент вытеснения нефти из образцов горной породы.

Кроме того, введение в нефть ПАБ приводит к ослаблению ее тиксотропных свойств, т.е. снижает способность пространственной структуры нефти к тиксотропному упрочнению. [c.7]

    Криволинейный участок зависимости r =f(P), соответствующий промежуточным значениям вязкости, связан с обратимыми изменениями структуры системы. Такое аномальное поведение обычно характерно для систем, обладающих тиксотропными свойствами. Согласно представлениям Ребиндера [6.2], в области малых гра- 

[c.151]

    Частицы суспензий, как и частицы золей, могут иметь двойной электрический слой и сольватную оболочку, поэтому они обладают тиксотропными свойствами (например, глинистый раствор), т. е. при определенных условиях могут желатинироваться, а при механических воздействиях снова превращаться в золь. [c.58]

    Протоплазма живой клетки обладает еще одним важным свойством, которое сближает ее с коллоидными растворами,— тиксотропностью. Тиксотропные свойства протоплазмы были обнаружены при исследовании разного рода течений протоплазмы, определением вязкости, а также прямыми опытами с помощью микро-манипуляций. Исследования показали, что протоплазма стоит на грани между растворимостью и нерастворимостью в воде. В результате этого даже малейшего [c.401]

    Рассмотренные методы позволяют определить важнейшие параметры Ей Е , Рн, 111, Т12), количественно характеризующие упруго-пластические свойства структурированных коллоидных систем. Например, исследование изменения этих величин в зависимости от времени, прошедшего с момента формирования системы, позволяет провести количественную оценку тиксотропных свойств структурированных систем, имеющих большое значение для практики. [c.261]

    Динамический фильтр. Этот фильтр состоит из вращающихся и неподвижных дисков, попеременно расположенных так, что между ними имеются узкие каналы [4, с. 154]. Суапензия под давлением, создаваемым насосом,. протекает по каналам, в результате чего внутрь дисков проникает фильтрат, а суспензия постепенно сгущается. Как и в предыдущем фильтре, в данном случае основная часть образующегося осадка непрерывно перемещается, а на поверхности дисков сохраняется тонкий слой осадка. Фильтрат удаляется из вращающихся и неподвижных дисков соответственно через полый вал и коллекторный трубопровод. Производительность фильтра зависит от скорости вращения, давления и расстояния между вращающимися и неподвижными дисками. Получаемая на фильтре сгущенная суспензия нередко обладает вязкопластичными или тиксотропными свойствами. Сопротивление при фильтровании в основном является суммой сопротивлений фильтровальной перегородки и находящегося на ней упомянутого выше тонкого слоя осадка. В предположении, что перегородка с проникшими в нее частицами имеет такой же показатель сжимаемости, как и осадок, приведено соотношение где Wi — скорость фильтрования при АР=1. Сравнительные опыты показывают уменьшение влажности осадка и значительное увеличение удельной производительности по сухому осадку для динамического фильтра по отношению к фильтрпрессу.  [c.54]

    В табл.4.1 приведены результаты исследований влияния водного раствора ОП-10 на реологические и фильтрационные параметры пластовой нефти скв. 7950 Арланского месторождения. Перед исследованиями две пробы нефти параллельно выдерживали в течение 20 суток в контакте с 0,1%-ным водным раствором ОП-10 и дистиллированной водой. Из табл.4.1 видно, что после контакта с водньш раствором ПАВ уменьшаются ПЛНС. ГПДС- ИАВ и ИДИ нефти наблюдается резкое ослабление ее тиксотропных свойств. В этом случае при длительном перерыве в фштьтрации у нефти, бывшей в контакте с раствором ПАВ, не так сильно растет вязкость и снижается подвижность. [c.44]

    Разработана конструкция вертикального дискового фильтра типа ДдАр (рис. 3.40), в котором для механизированной выгрузки осадка с неподвижных фильтровальных дисков 3 предназначены вращающиеся серповидные ножи 5. Срезанный ножом осадок транспортируется к центральному разгрузочному отверстию диска и сбрасывается в выгрузной люк / при этом осадок не касается стенки и днища, что исключает возможность прилипания осадка, обладающего адгезионными и тиксотропными свойствами. Выгрузной люк закрывается быстродействующим поворотным затвором. [c.238]

    Вообще для калибровки следует применять масла с максимально пологой кривой вязкости и не содержащие твердых парафинов и смолистых веществ, придающих маслам явно выраженные тиксотропные свойства. Кроме того, при калибровке пе рекомендуется пользоваться маслами, вязкость которых установлена давно. Следует также иметь в виду указание Каннона и Фепске о том, что при расположении вискозиметра отклонение от вертикали па 5 мм приводит к ошибке в величине вязкости на 0,1%. [c.288]

    Адсорбционно-сольватные слон и диснерсионная среда НДС пг()ают роль смазочных слоев и определяют вместе с тем подвижность ССЕ, пластичность и ползучесть НДС даже ири малых напряжениях сдвига. Медленно развивающиеся и спадающие после снятия нагрузки обратимые деформации сдвига характерны не для ССЕ, а для образованной из ССЕ решетки (или каркаса) с тонкими прослойками среды по участкам контакта. Такие пространственные структуры (решетки) обладают тиксотропными свойствами, т. е. способны к обратимому восстановлению после механического разрушения. [c.129]

    На рис. 6.4 показана вязкость смесей окисленного венесуэльского битума с наполнителями — известняком и коротковолокнистым асбестом. Ниже приведены данные о влиянии наполнителей на возникновение тиксотропных свойств битумной смеси (вязкость наполненных и ненаполненных растворов битума в минеральных растворителях по Врукфильду)  [c.203]

    Необходимость ретулирования тиксотропных свойств буровых растворов часто возникает в связи с потерей структуры при стабилизации их химическими реагентами, при поступлении в раствор солей пластовых флюидов и разрушаемых горных пород. [c.57]

    В. Ф. Роджерс [73] указывает на трудност , регулирования вязкостных и тиксотропных свойств силикатных растворов, применяемых в США. Химическая обработка фосфатами, танинами и т. д. на силикатные растворы пе действует. Других специфических разякижителей для этих растворов пет. Вязкость их регулируется заменой части загустевшего (высоковязкого) раствора свежеприготовленным. Возможный путь уменьшения вязкости — снижение процента жидкого стекла (если другие меры оказались безуспешными). Рецептуры силикатных растворов, применяемых в США, отличались высоким (30—70%) содерлганием жидкога [c.190]

    Для экспериментал1>ного определения основных реологических параметров жидкостей (ньютоновской, пластической и эффективной вязкостей, статического и предельного динамического напряжений сдвига), а также исследования их тиксотропных свойств используют специальные приборы -вискозиметры, позволяющие измерять вязкость в широком диапазоне скоростей (напряжений) сдвига и получать полные реологические линии для испытуемых жидкостей [c.14]

    Вследствие того, что большинство нефтей, как правило, обладает тиксотропными свойствами, для получения сопоставимых результатов исследования ведутся при одинаковой степени разрушенности структуры. Перед проведением каждого опыта нефть предварительно пропускается через капилляр или образец породы при перепадах давления, обеспечивающих полное разрушение структуры в нефти. А затем только приступают к снятию экспериментальной зависимости, начиная с минимального объемного расхода нефти. [c.31]

    Измерения предельного напряжения сдвига и скорости сдвига показали, что прядение зависит от тиксотропных свойств пеков. Было установлено, что реологические свойства мезофазнЕлх пеков связаны не только с содержанием веществ, нерастворимых в пиридине (хинолине), но и с распределением относительных молекулярных масс в этих фракциях пека. [c.609]

    Начало формирования коагуляционной структуры (увеличение концентрации частиц ДФ до первого критического значения J ) соответствует возникновению слабых коагуляционных контактов с фиксацией частиц преимущественно в положении дальнего минимума (Ra =10…100 нм) с энергией взаимодействия порядка нескольких кТ и силой сцепления в контакте F alO » Н. Подобные коагуляционные структуры проявляют тиксотропные свойства, а устойчивость их максимальна при полном тиксотроп-ном восстановлении структуры и может регулироваться внешними механическими и энергетическими воздействиями, введением ПАВ и других добавок. Именно возможность фиксации частиц при достаточной их концен- фации в положении дальнего энергетического минимума в значительной мере обусл вливает способность дисперсных систем к проявлению тиксотропии. Дальнейший рост i приводит к увеличению числа контактов между частицами в единице объема и вероятности фиксации частиц в положении ближнего минимума, что сопровождается повышением структурной вязкости, прочности, структурной устойчивости системы к внешним меха- [c.103]

    Тиксотропные свойства приписывают таким сложным физиологическим структурам, как протоплазма и мускульная ткань. Раздражая иголкой тело малых лимфоцитов, Петтерфи наблюдал быстрое разжижение их протоплазмы, которая вновь быстро унлотнялас1>. Аналогичное явление можно наблюдать ири раздражении иголкой мелких амеб. Явлением тиксотропии легко объясняется наблюдение Кюне, который видел, как вдоль мышечного поперечнополосатого волоко1П1а лягушки продвигалась нематода с такой же легкостью, как в обычной жидкости. Дело в том, что нематода прн своем продвижении, механически воздействуя на тиксо-тропную субстанцию мускульного волокна, вызывала превращение его в золь, который после прохождения через него нематоды вновь обретал структуру. [c.380]

    Некоторые студни полимеров обладают явно выраженными тиксотропными свойствами. У таких студней прочность связей между макромолекулами должна быть достаточно малая, чтобы они могли легко разрушаться под действием приложенного усилия сдвига. Кроме того, у подобных студней должен быть достаточно узкий спектр молекулярных контактов. Студни, у которых этот спектр размыт, обычно не проявляют тиксотропии. В самом деле, когда связность структуры нарушается путем механического воздействия, при узком спектре молекулярных контактов больш11НСТво связей разрушается и затем восстанавливается при стоянии системы. Эт5 и составляет сущность явления тиксотропии. Если же спектр контактов широкий, разрушается только небольшое число связей, обладающих наименьшей прочностью. Система распадается на большие куски, которые не могут соединиться и образовать структуру с первоначальным значением критического напряжения сдвига. [c.487]

---

О полной форме реологической кривой и природе зоны аномалии вязкости нефти — Транспортировка

Представлены результаты исследований проблемы описания характера течения нефтей в условиях низких температур и скоростей сдвига для прогнозирования текучести потока и определения параметров холодного пуска нефтепровода после длительной остановки. Проведены аналитические и экспериментальные исследования, включающие обзор имеющихся в литературе данных реологических испытаний более ранних работ, а также анализ опытных зависимостей, полученных с помощью метода ротационной вискозиметрии. В частности, доказано наличие зоны аномалии вязкости для малопарафинистых и тяжелых нефтей на основе данных лабораторных испытаний модельных смесей товарных нефтей и их утяжеленных проб. Обоснована необходимость создания более адаптивных реологических моделей, аппроксимирующих полную кривую течения нефтей, включая зону аномалии вязкости в нестационарном режиме холодного пуска, проявляющуюся при достижении определенной температуры даже на малопарафинистых нефтях. По результатам работы выделены наиболее перспективные многофакторные реологические модели для описания полной формы реологической кривой в широком диапазоне температур и скоростей.

 

Перекачка нефтей в условиях низких температур по трубопроводам без тепловой изоляции связана не только с высокими энергозатратами, но и риском «заморозки» длительно простаивающих участков нефтепровода, удаленных от пунктов подогрева. При этом, кроме упомянутого критического варианта, даже при сохранении текучести нефти, возросшая эффективная вязкость уже может достигать критических значений, при которых необходимое пусковое давление для возобновления перекачки в лучшем случае будет превышать располагаемые мощности насосно-силовых агрегатов станции, а в худшем – вовсе ограничено лимитирующими участками, требующими ремонта и замены с низкой несущей способностью, выявленной по результатам диагностического обследования. В случае перекачки высокопарафинистых застывающих нефтей, таже склонных к интенсивному образованию отложение, снижение эффективного внутреннего диаметра значительно усугубляет проблему. В результате – для осуществления холодного пуска участка нефтепровода потребуется преодолеть многократно возросшее гидравлическое сопротивление, вызванное одновременным ростом вязкости нефти и снижением гидравлического радиуса трубопровода. Проблема отложений с целью проведения гидравлического расчета может до достаточной для решения задачи степени точности решена путем использования расчетных значений эффективного диаметра или эквивалентной длины трубопровода, в то время как определение реологических параметров текучести холодного потока требует применения сложенных моделей, точно описывающих нестационарное течение холодного потока в момент пуска, характеризующегося сверхнизкими градиентами сдвига. Наличие тиксотропных свойств у застывающих нефтей, приводящих к структурированию прочных парафиновых кристаллов в объеме потока и пристенной зоне, приводит к появлению статического напряжения сдвига, усилия, необходимого для начала течения, характеризующего высокими касательными напряжениями сдвига, значения которых возрастают не только со снижением температуры окружающей среды, но и при увеличении времени вынужденного простоя неизотермического участка нефтепровода.

 

Актуальность и текущее состояние вопроса

 

Первые отечественные труды, посвященные вышеуказанным проблемам, опубликованные еще в советское время, связаны с «горячим» магистральным нефтепроводом «Узень – Атырау – Самара» («Узень – Гурьев – Куйбышев»), предназначенного для перекачки высокопарафинистых нефтей месторождений Узень и Жетыбай в Западном Казахстане. Предложенная технология горячей перекачки вязких застывающих нефтей путем ее предварительно подогрева впоследствии претерпела ряд изменений, в том числе по причине открытия месторождений высоковязкой битуминозной нефти полуострова Бузачи [1-2].

Несмотря на значительное снижение температуры застывания (начала потери текучести) западноказахстанской товарной смеси за счет естественного депрессорного эффекта высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей по отношению к выпадающим кристаллам парафина, проблемы текучести потока в условиях низких температур после длительной остановки участка не позволили отказаться от метода горячей перекачки [3-5].

Невозможность эффективной реализации технологии термообработки из-за сравнительно низкого уровня развития техники и показателей надежности теплообменного оборудования также стали причиной неэффективности широко внедряемых методов химической обработки из-за недостаточных температур предварительного прогрева нефти при введении депрессорных присадок [6-8].

Результаты многочисленных научных трудов, направленных на решение проблемных вопросов и эксплуатационных задач горячей перекачки, легли в основу для создания нормативно-технических документов и методики расчета для определения оптимальных параметров режимов горячих нефтепроводов [9].

Последующий негативный опыт эксплуатации первого отечественного «горячего» нефтепровода «Узень – Атырау – Самара» показал, что вопросы холодного пуска нефтепровода после его длительной остановки требуют более детального и глубокого изучения течения высоковязких застывающих нефтей в условиях низких температур перекачки, характеризующихся возникновением статического напряжения сдвига и проявлением тиксотропных свойств [10-11].

Развитие теории коллоидных дисперсных систем, образуемых нефтями, и программных методов построения диаграмм фазового равновесия флюидов при современных возможностях ротационной вискозиметрии положили начало так называемой практической реологии, основанной на аппроксимации опытных кривых течения в широком диапазоне температур и скоростей сдвига.

  

Аппроксимация полной кривой течения неньютоновских нефтей

 

В рамках настоящих исследование получены экспериментальные кривые течения высоковязких застывающих образцов Харьягинской нефти. Основные физико-химические свойства испытуемой пробы представлены в таблице 1. На рисунке 1 представлена кривая течения, восстановленная по опытным данным, полученным на ротационном вискозиметре при температуре 20 ⁰С. Параметры реологической модели для расчета значений эффективной вязкости пробы, полученные путем аппроксимации опытных точек с использованием уравнения Балкли-Гершеля, сведены в таблицу 2.   

Рисунок 1. Аппроксимация экспериментальной кривой течения

Как видно из рисунка 1, уравнение Балкли-Гершеля, рекомендуемое для определения реологических параметров и расчета эффективной вязкости нефти, в том числе в неньютоновской зоне, характерной высоковязким застывающим нефтям при низких температурах [11], показывает высокую точность только лишь на прямолинейном участке кривой (коэффициент детерминации – 0,991), при этом в нелинейной вязкопластичной области для низких скоростей сдвига, характеризующих пусковой режим в начальный момент страгивания холодного потока при возобновлении перекачки после длительной остановки участка ее эффективность снижается. Примечательно также, что и для высоких скоростей сдвига уравнение Балкли-Гершеля противоречит физическому закону течения – при бесконечно высоких скоростях она будет стремиться к нулевому значению, что противоречит существующим теоретическим представлениям.

 С целью повышения точности расчётов показателей текучести нефтей, в том числе в неньютоновский зоне течения, в работах [15-17] была предложена универсальная модель асимптотического вида, эффективно аппроксимирующая сложную форму полной кривой течения, характерной для высокопарафинистых нефтей, область работы которой охватывает весь диапазон скоростей (рис. 2).

Рисунок 2. Вид предлагаемой асимптотической модели течения [15]

С целью описания полной кривой течения высоковязкой нефти авторами также была применена модель в виде степенного уравнения, но существенно отличная от широко известных моделей Балкли-Гершеля и Оствальда-де Вааля, которые по сути своей являются не физическими законами течения жидкостей, а лишь удобной формой регрессионной обработки данных экспериментальных кривых течения (непостоянство размерностей применяемых коэффициентов и потеря физического смысла уравнений – при бесконечно высоких скоростях вязкость стремится к нулю, в то время как в действительности – минимальное значение вязкости будет ограничено линией консистентности). Так для точной аппроксимации кривых течения нефти в зоне низких температур и скоростей авторами работы предложено использование следующих физически значимых параметров:  (статического и динамического напряжений, пластической вязкости) позволяющих получить кривую, удовлетворяющую форме наклонной асимптоты, записанную в виде следующего уравнения:

Определение вязкости нефти с использованием асимптотической модели (2), не смотря на довольно сложную форму записи последней, легко поддается автоматизации, что значительно ускоряет расчеты и упрощает аппроксимацию экспериментальных кривых течения высоковязких и застывающих нефтей как для стационарных, так и пусковых режимов даже при низких температурах.

Аномалия вязкости в зоне сверхнизких скоростей сдвига

 

В работах [12-13] приведены результаты аналитических исследований, основанных на обобщении данных экспериментальных работ, представленных в различных источниках, указывающих на существование аномальной зоны с пиками вязкости в области сверхнизких скоростей сдвига высокопарафинистых нефтей. Основной целью указанных исследований было установление границ применимости различных реологических моделей для эффективного описания течения высоковязких застывающих нефтей в широком диапазоне температур и скоростей сдвига (рис. 3). В частности, в работе [12] проведена корреляция между законом пропорциональности (моделью Ньютона) и существующими реологическими моделями, аппроксимирующими кривую течения жидкостей в неньютоновской области низких скоростей сдвига, характеризующей режимы холодного пуска. Авторами была предложена гипотеза о возможном изменении тиксотропной структуры нефти, упрочняющейся в начальный момент пуска и впоследствии разрушающейся по мере увеличения градиента скорости сдвига. 

Рисунок 3. Зависимость эффективной вязкости от градиента сдвига [12]

 

Наиболее слабым местом вышеизложенных в статье доводов, является отличительная особенность проведения измерений методом ротационной вискозиметрии, а именно тот факт, что измерительная система прибора представляет соосные цилиндры с узким кольцевым зазором, где слой испытуемой пробы настолько мал, что объемные структурообразования в нем маловероятны даже при использовании насадок для высоковязких жидкостей

В более поздних трудах [14] тем же коллективом авторов был проведен ряд собственных экспериментальных исследований, основанных на испытаниях методами ротационной вискозиметрии образцов парафинистой товарной нефти, последовательно утяжеляемой путем отгона от нее легких фракций (рис. 4).

Целью данных исследований являлось установление зависимостей между показателями текучести нефти, не только от содержания высокомолекулярных компонентов (парафинов, смол и асфальтенов), но и от их взаимоотношения с легкими фракциям, характеризующего степень насыщения ими нефти. 

Рисунок 4. Кривые течения исходной (слева) и утяжеленной (справа) проб (пунктирная линия – пусковой режим при прямом ходе вискозиметра; сплошная линия ­– стационарный режим при обратном ходе прибора) [14]
 

Для описания сложных экспериментальных кривых течения, начальные участки которых характеризовались зонами аномалии вязкости с выраженным экстремумом, авторами работы представлена обобщенная форма реологической кривой как для ньютоновского, так и неньютоновского течения, учитывающая тиксотропные свойства высокопарафинистых нефтей – изменение статического напряжения сдвига в начальный момент холодного пуска нефтепровода (рис. 5). 

Рисунок 5. Обобщенная модель течения нефтяной дисперсной системы [14]

Для описания изменчивого характера сложной реологической кривой, как и в работах [12-13] предложено использовать аппроксимационное уравнение Балкли-Гершеля с введением в него нового коэффициента состояния покоя k_t, характеризующего структуру нефти в зависимости от температуры и времени релаксации до начала теста, значение которого варьируется от нуля до единицы (при k_t = 1 значение статического напряжение сдвига стремится к максимуму):

Недостатком модели (2), как и уравнения Балкли-Гершеля, относящегося не к физическим законам (как модель Ньютона), а лишь к аппроксимационным уравнениям, является отсутствие их физического смысла из-за непостоянства степенных показателей для различных диапазонов измерений вязкости нефти. Оценить реальную эффективность применения вновь введенного коэффициента состояния покоя k_t, не представляется возможным, так как в работе результаты определения его значения по данным реологических испытаний не приводятся.

С целью исследования природы возникновения зон аномалии вязкости и оценки влияния содержания твердых парафинов на возможность ее проявления на начальных участках кривых течения, проведены дополнительные испытания методом ротационной вискозиметрии с образцами разбавленной Харьягинской нефти (в качестве разбавителя была использована маловязкая товарная нефть Башкирских месторождений), показавшие, что даже при низкой концентрации высокозастывающей компоненты (не более 20% об.) и сравнительно высоких температурах (15 ⁰С) опытные кривые течения маловязкой модельной смеси характеризуются зонами аномалии вязкости с выраженными экстремумами при нестационарном пусковом режиме в начальный момент сдвига нефти (рис. 6).

Рисунок 6. Кривые течения разбавленной пробы высокопарафинистой нефти  

 

Формы реологических кривых, полученные для различных температур на прямом ходу ротационного вискозиметра (пусковой нестационарный режим), представленные на рисунке 6, подтверждают возможность существования зон аномалии вязкости даже для нефтей с низким содержанием парафинов. Кривые течения полностью соответствуют представленной на рисунке 5 обобщённой форме реологической кривой и предложенному универсальной модели (2). Но с другой стороны – изложенные в работе [14] доводы о тиксотропной природе возникновения зоны аномалии вязкости являются необоснованными в связи со сравнительно невысоким содержанием парафинов в испытуемой пробе нефти, недостаточным для формирования прочной пространственной структуры.

 

Заключение

 

Выявленные в ходе исследования противоречия между теоретическими представлениями о возникновения зоны аномалии вязкости и практическими результатами реологических испытаний на маловязких пробах товарной нефти, свидетельствуют об иной природе проявления экстремумов, характеризующих зоны аномалии вязкости при пусковых режимах в условиях низких температур.  

Одними из первых попытку дать объяснение данному противоречивому факту предприняли на кафедре Транспорта и хранения нефти и газа Уфимского государственного нефтяного технического университета, связывая наличие зон аномалии вязкости и ярко выраженных экстремумов с волновой природой их возникновения, обусловленных конструкцией ротационных вискозиметров и инертностью их измерительной системы в режимах испытаний тиксотропных свойств и определения параметров холодного пуска [18]. Для подтверждения своих доводов, авторами работы была доработана ранее предложенная ими же асимптотическая модель гиперболического типа с использованием уравнения затухающих колебаний (рис. 7):

Рисунок 7. Волновая реологическая модель гиперболического типа [18]

Как видно из рисунка 7, полная кривая течения поделена на 5 различных зон, из которых первые 3, характеризующие области аномалии вязкости (I-III), разграниченные экстремумами (τ₀, точки 1-3) могут быть точно определены с использованием параметров уравнения затухающих колебаний (3). В частности, модель позволяет вычислить истинное значение начального напряжения сдвига непосредственно в момент пуска, что ранее не представлялось возможным и определялось методом линейной интерполяции, как среднее значение между фиксируемыми прибором экстремумами в области сверхнизких скоростей.

 

Благодарности

Авторы выражают признательность доцентам кафедры «Транспорта и хранения нефти и газа» Уфимского государственного нефтяного технического университета Каримову Р. М и Ташбулатову Р.Р., под руководством которых проводятся настоящие исследования.

 

Литература:

1         Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Изменение технологии перекачки нефти на нефтепроводе «Узень – Атырау – Самара» с развитием нефтетранспортной системы Западного Казахстана // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2010. –№2. – С. 9–14.

2         Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Реологические особенности западноказахстанской нефтяной смеси // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2011. – №2. – С. 3–7

3         Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Совместный транспорт высоковязких и высокозастывающих нефтей Западного Казахстана по нефтепроводу «Узень – Атырау – Самара» // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2012. – №1. – С. 3–6.

4         Ревель-Муроз П.А., Бахтизин Р.Н., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Совместная перекачка тяжелых и высокопарафинистых нефтей в смеси // Socar Proceedings (Научные труды). – Выпуск 2, 2018.

5         Бахтизин Р.Н., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Влияние высокомолекулярных компонентов на реологические свойства в зависимости от структурно-группового и фракционного состава нефти // Socar Proceedings (Научные труды). Выпуск 1, 2016.

6         Ревель-Муроз П.А., Бахтизин Р.Н., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Совместное использование термических и химических методов воздействия при транспортировке высоковязких и застывающих нефтей // Socar Proceedings (Научные труды). – Выпуск 2, 2017.

7         Каримов Р.М., Заплатин А.В., Ташбулатов Р. Р. Использование витых теплообменников из змеевиков малого радиуса гиба для подогрева и термообработки нефти // Деловой журнал Neftegaz.ru. – Москва.: Изд-во ООО «Информационное агентство Нефтегаз.РУ интернэшнл». – 2018. №12. С. 45-49.

8         R M Karimov, R R Tashbulatov, A V Zaplatin. Coiled Heat Exchanger with Small Radius Bent Tubes for Controlled Heat Treatment of High Viscosity Waxy Oil // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 272 (2019) 022193, doi:10.1088/1755-1315/272/2/022193.

9         РД 39-30-139-79. Методика теплового гидравлического расчета магистральных трубопроводов при стационарных и нестационарных режимах перекачки ньютоновских и неньютоновских нефтей в различных климатических условиях.

10      РД 39-30-648-81. Методика определения пускового давления для нефтепроводов, транспортирующих парафиновые нефти.

11      РД-39-0147103-329-86. Методика определения реологических параметров высокозастывающих нефтей.

12      Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Особенности трубопроводного транспорта многокомпонентных систем // Азербайджанское нефтяное хозяйство. – 2012. – №1. – С. 60-63.

13      Акжигитов А. Ш. О реологической кривой неньютоновской нефти. Нефть и Газ. – 2007. – №3. – С. 53-56.

14      Бахтизин Р.Н., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н. Обобщенная кривая течения и универсальная реологическая модель нефти // Socar Proceedings (Научные труды). Выпуск 2, 2016.

15      Ташбулатов Р.Р., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н., Валеев А.Р. Аппроксимация реологической кривой в низкотемпературных зонах аномального течения неньютоновских нефтей с использованием асимптотической модели // Трубопроводный транспорт (Теория и практика). –№4 (62). – 2017.

16      Ташбулатов Р.Р., Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н., Валеев А.Р. Асимптотическая модель для описания реологической кривой неньютоновского течения нефтяных смесей // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья – 2017. – №5 – С.14 – 23.

17      R. Tashbulatov, R Karimov, A. Valeev, A. Kolchin, B. Mastobaev. The Asymptotic Rheological Model of Anomalously Viscous Oil // Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018. – Volume 13, Issue 7, pp 5502-5506.

18      Ташбулатов Р.Р., Каримов Р.М., Валеев А.Р., Мастобаев Б.Н. Моделирование реологических свойств тиксотропных нефтей при прямом ходе измерений на вискозиметрах ротационного типа для оценки пусковых режимов работы магистрального нефтепровода // Нефтяное хозяйство. – 2020. – №4. – С. 80-85.

 

Тиксотропное восстановление — Энциклопедия по машиностроению XXL

Зависимость степени тиксотропного восстановления эпоксидно-фура-новой композиции от содержания тиксотропных добавок  [c.133]

На рис. 22 показана кинетика тиксотропного восстановления прочностных и вязкостных свойств смазки ПВК. Видно, что смазка ПВК при температурах 55 и 70 °С обладает ярко выраженной как прочностной, так  [c.165]

Кинетика тиксотропного восстановления прочностных Ps (1, 4), Рт (2, 5) и вязкостных г) ([c.166]

Рис. 1.7. Зависимость предела прочности при разрыве ст р смазки УС при тиксотропном восстановлении после разрушения различной интенсивности (время разрушения 20 с)

Чрезмерное снижение предела прочности в результате деформирования или затвердевание смазки в процессе тиксотропного восстановления может привести к вытеканию смазки из узла трения или к ухудшению ее поступления к трущимся деталям.  [c.45]

Этой же цели служит формула для определения степени тиксотропного восстановления 7г предела прочности  [c.99]

Для определения кинетики тиксотропного восстановления измерения производят через определенные промежутки времени 5, 10, 15, 20, 60 мин, оставляя систему в покое после разрушения. Цикл измерений для каждого образца необходимо повторить два раза. Согласно полученным данным строят график в координатах прочность— время отдыха (покоя), по которому определяют изменение относительной и абсолютной величины прочности структуры в процессе отдыха, т. е. соответствен-р  [c.37]

Рис. 18. Влияние концентрации совмещаемых мыл на скорость тиксотропного восстановления смазок.

О тиксотропном восстановлении смазок можно судить по данным табл. 3 II рис. 18. Как видно, все смазки восстанавливаются крайне медленно, далеко но достигая своей исходной прочности, даже спустя 30 суток после разрушения.  [c.35]

Избыток Са(ОН)г сверх расчетного количества, необходимого для нейтрализации Тиксотропное разрушение, г/сж Тиксотропное восстановление (в г/с,и ) через  [c.88]

При этом был установлен ряд закономерностей. Все смазки по кинетике тиксотропного восстановления могут быть отнесены к трем принципиально различным группам.  [c.122]

Измерения предела прочности относятся к системам, тиксотропно восстановленным после полного механического разрушения.  [c.364]

Присутствие вторых неомыляемых практически не сказывается на тиксотропных свойствах. Так, минимальная прочность при разрушении достигается после одного и того же механического воздействия для образцов 4—6 и 7—9. Тиксотропное восстановление закапчивается в обоих случаях за 24 часа. Предел прочности разрушенной и восстановленной структуры зависит только от  [c. 369]

Поскольку технология приготовления солидолов предусматривает введение в качестве обязательной добавки кальциевых солей водорастворимых кислот, необходимо было изучить вопрос о влиянии таких добавок на тиксотропные свойства солидолов. Добавление же кальциевых солей низкомолекулярных кислот может вызвать только увеличение степени тиксотропного восстановления (см. табл. 1—4).  [c.377]

Влияние малых добавок поверхностно-активных веществ подробно описано в литературе [4]. В данной работе этот вопрос детально не изучался, однако проведенные опыты еще раз подтвердили известное положение, что солидолы, содержащие относительно большое количество кальциевых солей низкомолекулярных кислот при небольшом содержании мыла, обладают значительной прочностью разрушенной и тиксотропно восстановленной структуры (табл. 5).  [c.377]

Метод оценки тиксотропных свойств материалов основан на определении кинетики восстановления структуры материала после разрушения при большом градиенте скорости деформации.  [c.14]

По форме кривой прочность структуры — время отдыха системы можно судить о тиксотропных свойствах материала. Тиксотропные свойства обусловливают возможность наносить материал на изделие в один слой большой толщины. При этом отсутствует сте-кание за счет восстановления структуры в процессе нанесения.  [c.14]

Нарушение структуры металла при деформации всегда сопровождается возрастанием предела текучести (наклеп, упрочнение), а восстановление нарушенной структуры в деформированных металлах (отдых, рекристаллизация) всегда связано со снижением предела текучести. В дисперсных же системах с коагуляционной структурой (глинистые растворы и другие коллоидные системы) восстановление частично разрушенной в потоке структуры носит тиксотропный характер, т. е. всегда сопровождается повышением предела текучести и прочности [39].  [c.58]

Особенностью смазок является легкое разрушение слабых связей и высокая устойчивость прочных связей к механическим воздействиям. Как уже отмечалось, при тиксотропном разрушении наряду с разрывом связей происходит и их восстановление, причем прочные связи восстанавливаются значительно труднее, чем слабые. Это объясняется тем, что на слабых разорванных связях не происходит поверхностной избирательной адсорбции ПАВ или она очень слабая, поэтому при сближении частиц связи восстанавливаются. На активных участках поверхности частиц загустителя, обеспечивающих проч-  [c.96]

Для изучения тиксотропных свойств смазок и их механической стабильности предложено много методов, различающихся как характером механического воздействия, так и критериями оценки свойств разрушенных систем [29, 30]. О механической стабильности смазок можно непосредственно судить по кривым их разрушения и восстановления и выражать ее количественно, используя различные коэффициенты. П. Д.. Ребиндер предло-  [c.97]

Стабильность масел оценивают в соответствии с ГОСТ 11063—7 7 по нарастанию вязкости после выдержки за определенное время при 200 °С. Механическую стабильность пластичных смазок определяют по изменению предела прочности на разрыв в результате интенсивного деформирования смазки в зазоре между ротором и статором тиксометра и при последующем тиксотропном восстановлении (ГОСТ 19295—73). Коллоидная стабильность по ГОСТ 7142—74 характеризуется количеством масла, отпрессованного из пластичной смазки на пенетрометре. Число диэмульгации — время, в секундах, в течение которого из эмульсии нефтяного масла, заэмульгированной сухим паро л, выделяется определенное количество масла (ГОСТ 12068—66).  [c.131]

С целью регулирования степени тиксотропности, необходимой для получения системы с заданными свойствами, важно знать кинетику тиксотропного восстановления структуры материала после ее разрушения. Обычно для этого на ротационном вискозиметре, позволяющем исследовать реологические параметры системы в широком интервале скоростей деформации, разрушают структуру материала при высокой скорости деформации в течение определенно-  [c. 14]

По особому может протекать изменение структуры у концентрированных (пластичных) дисперсных систем после перехода через предел прочности, если частицы дисперсной фазы у них отличаются анизодиаметричностью. В результате разрушения структурного каркаса при переходе через предел прочности они ориентируются в направлении деформирования, Г. В. Виноградовым в ряде работ было показано, что после прекращения деформирования тиксотропное восстановление — цементация трехмерного структурного каркаса не сопровождается сколько-нибудь полной дезориентацией частиц дисперсной фазы. Поэтому в результате деформирования такие системы приобретают анизотропию, которая может оставаться неизменной в течение длительного времени.  [c.81]

Так было показано, что регистрация зависимости разности нормальных напряжений pjj — р 2 от деформации позволяет определить время полного тиксотропного восстановления структуры упругой жидкости после ее деформирования [30], Относящиеся сюда данные представлены на рис. 43. Опыты проводили при 20°, При Q = onst раствору нафтената алюминия задали деформацию 10 %, при которой напряжения релаксировали в течение 2 мин. Затем была получена кривая 1. Если после первого деформирования релаксация продолжалась 10 мин, то этому отвечает кривая 2. Продолжительности релаксации напряжений 30 и 60 мин соответствуют кривые Зя 4. После релаксации в течение трех часов и более получается одна кривая 5 и, следовательно, трехчасовой  [c.97]

Выше отмечалось, что смазки в процессе деформации сдвига ожижаются и снова восстанавливают свой структурный каркас в момент прекращения деформации. Скорость тиксотропного восстановления структурных связей в смазке имеет важное практическое значение. Опыты показали [12], что она различна у смазок разного состава. На рис. 1.7 представлены кривые возрастания во времени предела прочности на разрыв одной из смазок после прекращения деформации при различных градиентах скорости сдвига. Если у кальциевых смазок, изготовленных на естественных жирах, переход из жидкотекучего состояния к пластичному с заметным пределом прочности (0,5-2,0 кПа) достигается практически мгновенно после прекращения дефор-  [c. 16]

Наиболее целесообразно использовать ротационные приборы, в которых обеспечивается интенсивное разрушение при постоянном режиме деформации. К таким приборам относится тиксометр Климова—-Леонтьева [28], который позволяет оценивать механическую стабильность смазок в самый начальный период тиксотропного восстановления. Смазка с постоянной скоростью подается в узкий зазор между вращающимся и неподвижным цилиндрами. Проходя через зону разрушения, смазка выдавливается в виде столбика, который по мере движения под действием собственного веса разрывается. Механическая стабильность оценивается -по изменению предела прочности смазки при разрыве.  [c.98]

Метод позволяет определить степень тиксотропности различных лакокрасочных материалов и выявить кинетику тиксотропного восстановления разрушенной структуры.  [c.34]

Тиксотропное восстановление смазок после окончания механического воздействия исследовалось во всех случаях по нарастанию прочности смазок, находящргхся в покое, во времени (рис. 9, б и 10, б).  [c.122]

Однако смазки могут быть тиксолабильнььми, долго не восстанавливаться и тогда, когда разрушается лишь структурный каркас, а сами дисперсные частицы остаются неразрушенными, в частности это может происходить и при блохсировке активных поверхностей элементарных частиц поверхностно-активными веществами. Иногда тиксотропному восстановлению препятствует ие разрушение дисперсных частиц, а агрегирование, приводящее к резкому уменьшению их аиизодиаметричности, как это имеется в смазках, загущенных стеаратом лития, которые после интенсивного механического воздействия очень плохо восстанавливаются (см. электронные микрофотографии рис. 2а и 26, где показана структура смазки, загущенной стеаратом лития, до и после интенсивного механического воздействия).  [c.123]

Из данных табл. 1, 2, 3 видно, что независимо от содержания загущающего компонента (в пределах 20 и 26%) тиксотропное восстановление разрушенной структуры солидола продолн ается не более 24 час. Проверка отдельных образцов показала, что после двухмесячного хранения уплотнение не превышает 10%. Степень восстановления, характеризующая тиксотропные свойства образцов, колеблется от 2 до 3 и ие зависит практически от фракционного состава кислот (в пределах длины углеродной цепи от С14 до С20) и от условий приготовления.  [c.376]

Количество загущаюш его компонента определяет начальный предел прочности солидолов, не влияет на скорость и величину тиксотропного восстановления.  [c.378]

По форме кривой определяют степень тиксотропности и скорость восстановления структуры материала.  [c.15]

Нелинейная теория тиксотроппой вязкоупругости А. II. Леонова [30, 31, 80] дает удовлетворительное согласие полученного уравнения состояния с экспериментальными данными для расплавов и концентрированных растворов полимеров. В работе Леонова постулирован принцип соответствия , устанавливающий соотношения между термодинамическими параметрами, силами н потоками в равновесном и неравновесном состоянии. В теории учитываются тиксотропные свойства д1атериалов (обратимые изменения их характеристик при деформировании), в связи с чем релаксационные спектры усекаются со стороны больших времен релаксации (низких частот) при увеличении интенсивности деформирования и восстанавливаются при ее снижении. Помимо рассеяния энергии на необратимое течение и накопление ее на обратимые деформации происходит консервирование энергии, затрачиваемой на тиксо-тропное разрушение структуры материала, которая расходуется на восстановление структуры при разгрузке.  [c.47]

Тиксотропное загустевание обусловлено явлениями сцепления пигментных частиц. Образующаяся при спокойном стоянии, в результате сцепления пигментных частиц, структура обусловливает потерю текучести краски. Для того чтобы краска снова приобрела текучесть, необходимо приложение механической силы для разрушения, хотя бы частичного, этой структуры. Следовательно, легкость накрашивания и разлив краски зависят от прочности этой структуры и от скорости, с какой происходит восстановление разрушенной структуры после снятия деформирующего напряжения. Например, кистевая краска (кистевой краской называют краску, пригодную для нанесения кистью) будет легко накрашиваться, если она обладает малым сопротивлением на сдвиг, так как в этом случае уже при малом деформирующем напряжении, обусловленном движением кисти, происходит значительное разрушение структуры (см. стр. ИЗ). Разлив определяется временем, необходимым для восстановления структуры.  [c.65]

Сырьевой состав и соотношение компонентов комплексных смазок существенно влияют на их качество и технологический режим приготовления. Так, с увеличением мольного соотношения уксусной кислоты (комп-лексообразователя) и стеариновой кислоты загущающая способность комплексного кальциевого мыла повышается. Оптимальным является мольное отношение 4 1 или 5 1, однако чем оно выше, тем в большей степени проявляется тиксотропное упрочнение смазки при восстановлении ее после разрушения. Кроме того, такие смазки, как правило, резко уплотняются при хранении.  [c.74]

Кинетика тиксотропного разрушения и восстановления пластичных смазок впервые была изучена Д. С. Ве-ликовским. Смазки разрушались в цилиндрических мешалках при возвратно-поступательном движении перфорированного диска. Критерием оценки механической стабильности служило изменение предела прочности т смазки. Обобщенная кривая тиксотропного разрушения и восстановления смазок приведена на рис. 18. Для этого процесса характерно, что при данной интенсивности механического воздействия прочность структуры вначале  [c.96]

---

Ключевые определения

Адгезия — явление, когда две поверхности разнородных тел соединены вместе за счет поверхностных сил или других механизмов сцепления.

Армирующий материал — материал, вводимый в полиэфирную смолу, эпоксидную смолу или смолу другого типа для усиления физико-механических свойств и придания композиции качеств конструкционного материала.

Биоразрушение — (биоразложение) свойство материалов разрушаться (разлагаться до простых веществ) под действием микроорганизмов почвы, воды.

Время гелеобразования – период по истечению которого полиэфирная смола или гелькоут из жидкого состояния переходит в состояние эластичного не текучего геля (скачкообразно повышается вязкость). Интервал времени, за который должно быть произведено нанесение гелькоута или полиэфирной смолы (формование изделия без повреждения структуры материала.

Вязкость — внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Гелькоут — декоративно-защитное покрытие, формируемое на поверхности композита с целью его защиты от воздействия окружающей среды, ультрафиолета и придания декоративных свойств. Гелькоут – это «лицо» изделия из стеклопластика или искусственного мрамора.

Диэлектрик — материал (среда), не проводящий электрический ток.

Изофталиевая смола — ненасыщенная полиэфирная смола на основе изофталиевой кислоты. Стеклопластик на базе этой смолы имеет малое водопоглощение, высокие механические свойства и химстойкость , высокую температуру HDT.

Инициатор (катализатор, отвердитель) – вещество, вызывающее реакцию полимеризации ненасыщенной полиэфирной смолы.

Ингибитор — вещество, замедляющее реакцию полимеризации ненасыщенной полиэфирной смолы.

Искусственный камень — конструкционный материал, основными компонентами которого является сыпучий наполнитель и полиэфирная смола. Отличительные особенности: высокая прочность, стойкость к бытовым загрязнениям, слабая теплопроводность, возможность имитации различных типов натурального камня.

Искусственный мрамор — разновидность искусственного камня, в котором тонкий наружный слой сделан из гелькоута. Силовая конструкция сделана из полимербетона. Искусственный мрамор используется для создания декоративных изделий.

Кислородный индекс — минимальная концентрация кислорода, при которой поддерживается горение.

Композиционный материал (композитный материал, композит) — материал, состоящий из двух или более компонентов, представляет собой полимерную основу (полиэфирная смола, эпоксидная смола) с заданным распределением в ней упрочнителей (стекловолокна, углеродные волокна, частицы и др.) при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. Обладает уникальными свойствами по сравнению со свойствами отдельных компонентов.

Коррозия — процесс разрушения материала в результате химического или физического воздействия .

Коэффициент армирования- показатель характеризующий количество армирующего компонента по отношению к единице массы композиционного материала

Ламинат — мокрый стеклопластик, состоящий из еще не отвержденной полиэфирной смолы и наполнителя.

Матрица — формообразующая оснастка, используется для формования изделий из стеклопластика или отливок из искусственного камня.

Наполнитель — относительно инертный материал, добавляемый в полиэфирную смолу или гелькоут с целью:

• снижения себестоимости полупродуктов и готовых изделий.

• модификации физико-механических свойств.

• специальных свойств ( придание композиту необходимой окраски или декоративных свойств).

• улучшение поверхности структуры.

Ортофталиевая смола — ненасыщенная полиэфирная смола на основе ортофталиевой кислоты. Имеет пониженные свойства по сравнению с изофталиевой смолой. Стеклопластик на базе этой смолы получил применение в областях и изделиях, к которым не предъявляются особые требования по водопоглощению, химстойкость.

Полимеризация — реакция отверждения полимера( полиэфирной смолы) посредствам сшивки его молекул. Экзотермическая реакция (с выделением тепла)

Полиэфирные смолы — растворы ненасыщенных полиэфиров в ненасыщенном мономере, например стироле. Используются в качестве связующего материала при изготовлении стеклопластика или изготовлении искусственного камня.

Постотверждение — технологическая операция, выполняемая после формования конструкции с целью полного завершения процесса полимеризации связующего компонента. Состоит из двух этапов: на первом этапе изделие выдерживается при комнатной температуре, на втором при повышенной. Пост отверждение требуется для набора стеклопластиком или искусственным камнем максимальной величины физико-механических свойств.

Премикс — предварительно смешанная композиция, состоящая из наполнителей. Премиксы могут иметь твердое или жидкое состояние.

Препрег — предварительно пропитанный непрерывный материал.

Пропитка — обработка волокнистых наполнителей полиэфирной смолы в процессе изготовления стеклопластика.

Разделительный состав — вещество, наносимое на поверхность матрицы, для предотвращения адгезии между изделием и поверхностью формообразующей оснастки (матрицы).

Ровинг — непрерывный жгут из большого числа нитей стекловолокна.

Связующее — готовая к применению полиэфирная смола с добавленным инициатором.

Система отверждения — компоненты, вводимые в смолу с целью инициации реакции полимеризации. Для полиэфирных смол инициатор и ускоритель(ингибитор).

Стекломат — стекловолокнистый наполнитель нетканого типа, состоящий из хаотически распределенных нитей стекловолокон (рубленных или непрерывных), скрепленных между собой особой связкой. Различают порошково связанные и эмульсионносвязанные стекломаты. Отличаются процессом пропитывания.

Стеклопластик — композитный материал, состоящий из синтетической смолы (полиэфирная смола, эпоксидная смола и т.д.) и армирующего материала-стекломата, стеклоткани или ровинга. Используется в качестве конструкционного материала в различных областях техники.

Стеклоткань — стекловолокнистый наполнитель тканного типа: полотняная, основа и уток взаимно переплетены, сатиновая, где нить основы проходит над несколькими нитями утка, жгутовая или ровинговая, полученная переплетением прядей ровинга.

Твердость по Барколу — величина твердости, определяемая по специальной методике. Шкала прибора (импрессор Беркола) имеет 100 делений. Твердость часто используют как характеристику степени отверждения связующего.

Температура HDT – температура начала термической деформации. Температура начала потери стеклопластиком или искусственным камнем физико-механических свойств.

Тиксотропия — временное понижение эффективной вязкости вязко-текучей или пластичной системы в результате ее деформирования с восстановлением исходной структуры после прекращения механического воздействия. На практике – например, разжижение гелей при интенсивном перемешивании или встряхивании, с последующим загустеванием после прекращения механического воздействия.

Тиксотропный наполнитель — вид наполнителя, предотвращающий стекание полиэфирной смолы с наклонных и вертикальных поверхностей.

Толщиномеры — приспособление для измерения толщины слоя мокрого гелькоута.

Топкоут – защитное покрытие, предназначенное для создания сухой, твердой, грязеводо отталкивающей поверхности, препятствующей остаточной эмиссии стирола из ламината в окружающую среду. Топкоут наносится на обратную сторону изделия из пластика.

Усадка — относительное изменение размеров образца или изделия, замеренных до начала реакции полимеризации полиэфирной смолы или композитного материала на ее основе и после завершения полимеризации.

Ускоритель — вещество, которое ускоряет реакцию полимеризации ненасыщенной полиэфирной смолы.

Формование — изготовление изделий из стеклопластика на матрице (форме)

Экзотермическая реакция — химическая реакция, сопровождается выделением тепловой энергии. Пик экзотермы- максимальная температура, развивающаяся в процессе отверждения инициированной полиэфирной смолы.

Методики исследования грунтов при статических нагрузках

Методики исследования грунтов при статических нагрузках

Опубликовано 11. 11.2012 22:40

Для изучения физических свойств грунтов наряду со стандартными методиками, регламентируемыми требованиями ГОСТ, используются методики определения гранулометрического состава и пределов пластичности тонкодисперсных грунтов по стандартам ASTM, BS и ISO, а также оригинальные методики испытаний, проведение которых защищено патентами РФ.

 

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТОДОМ ПРЕССОВАНИЯ

 

 

Защищено патентом РФ

Для испытаний используется прибор для определения предела пластичности грунта методом прессования. Сущность испытаний заключается в том, что влажность предела пластичности грунта достигается при отжатии воды из него под действием создаваемой на грунт сжимающей нагрузки. Достижение необходимой влажности контролируется визуально, по появлению трещин на жгутике грунта, выдавливаемом через калиброванное отверстие под действием той же сжимающей нагрузки. Для проведения опыта стаканчик с нижним штампом и кольцом помещают в выточку нагрузочного устройства, после чего в полость стаканчика шпателем помещают навеску грунтовой пасты (40-50 г). Сверху в полость стаканчика помещают верхний перфорированный штамп с фильтром до касания с навеской грунтовой пасты. На тяги основания гайками закрепляют траверсу с резьбовой стойкой, которую вращают до упора в верхний штамп. Время монтажа прибора с загрузкой грунта составляет 2-3 минуты. Опыт начинается после создания ручным прессом произвольного осевого давления s1 грунтовую пасту через подвижный верхний штамп. В течение определенного времени, по истечении которого поворачивают кольцо вокруг оси до совмещения калиброванных отверстий в кольце и в шаблоне и за счет созданных боковых давлений s2-3  выжимают через эти отверстия жгут грунта для визуального контроля за появлением на жгуте трещин, при этом после каждого контроля, во время которого трещин на жгуте не образуется, отверстия перекрывают поворотом кольца и увеличивают давление s1 на образец грунта, уменьшая интервал времени между визуальным контролем до появления трещин скалывания и распада жгута на отдельные части под собственным весом. Влажность, определяемая в результате испытания, соответствует искомой влажности нижнего предела пластичности Wp. После окончания опыта можно удалить нижний штамп, выдавить с помощью пресса весь образец грунта, и вычислить Wp весовым методом.Проведение опыта начинается с создания на грунтовую пасту произвольного осевого давления s1. По истечении времени открывается калиброванное отверстие, через которое за счет созданных боковых давлений s2-3  выжимается жгут грунта, на котором визуально определяется появление трещин. Если трещины на жгуте не образуются, давление на образец грунта увеличивается, после чего опыт повторяется. Влажность, определяемая в результате испытания, соответствует искомой влажности нижнего предела пластичности Wp. 

 

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

 

ТРЕХОСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Консолидировано-дренированные испытания

Этап А.  На этом этапе (гидростатическом или объемном нагружении), при открытых дренажах производится обжатие образца всесторонним давлением ?₃.

Этап Б. После завершения консолидации производится деформирование образцов осевой нагрузкой ?₁ при открытых дренажах и постоянном всестороннем давлении, достигнутом на первом этапе обжатия. Определяются модуль общей деформации Ео, коэффициент поперечной деформации n, параметры прочности в эффективных напряжениях.

 

Консолидировано-недренированные испытания

Этап В. Образцы подвергаются действию осевой нагрузки при закрытых дренажах, в недренированных условиях, с замером порового давления, вплоть до разрушения. Критерием разрушения образца считается постоянный рост деформаций без приращения осевой нагрузки. Определяются параметры прочности грунта в тотальных и эффективных напряжениях.

Этап Д.  В испытаниях с замачиванием после этапа Б производится насыщение образца водой природного состава. Дополнительное водонасыщение производится через нижний дренаж восходящим потоком, при градиенте напора (противодавлении), в течение определенного времени.

Этап Е. После замачивания образца повторяется этап Б. По его окончании дренажи прибора перекрываются. Последующее осевое нагружение вплоть до разрушения производится при отсутствии дренирования, в закрытой системе, с замером порового давления бw. Определяются параметры прочности грунта в тотальных и эффективных напряжениях.

 

Испытания с этапами анизотропного сжатия

Этап А. На этом этапе (гидростатическом или объемном нагружении), при открытых дренажах производится обжатие образца всесторонним давлением ?₃.

Этап Б*. После условной стабилизации объемных деформаций выполняется нагружение образцов осевой нагрузкой ?₁ при достигнутом на этапе А постоянном всестороннем давлении до заданного значения б₁ = б₃ / a

Этап Б’.  По окончании этапа Б* производится разгрузка вертикальных напряжений до значений заданных объемных давлений ?’₁ = ?’₃ / a

Этап Б». Вслед за этим осуществляется повторное нагружение до вертикального напряжения б₁. В процессе разгрузки и последующей повторной нагрузки сохраняется постоянным достигнутое соотношение осевых и боковых давлений  a  = б3 / б1 = n/ (1-n) (т.н. анизотропная разгрузка и сжатие).

Этап Б. Впоследствии образцы подвергаются дальнейшему действию увеличивающейся осевой нагрузки в тех же дренированных условиях вплоть до разрушения

По результатам этапов испытаний Б’’ и  Б  определяются модули общей деформации грунтов Ео’ и Ео, характеризующие соответственно сжимаемость грунта при нагрузках от сооружения, компенсирующих природное давление грунта, вынутого при разработке котлована (Ео’) и деформируемость грунтового массива под действием дополнительного давления (Ео).

 

СДВИГОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ 

Защищено патентом РФ

Недренированные сдвиговые испытания грунтов

Испытания проводятся на приборе недренированного сдвига. Основной особенностью данной методики является то, что сдвиговые испытания проводятся в недренированных условиях. При проведении испытания образец грунта закрывается герметичной эластичной оболочкой, плотно зажатой между верхним и нижним штампами, что обеспечивает его полную изолированность в процессе опыта. На образец передается вертикальная нагрузка, вертикальные деформации фиксируются с помощью датчика. После окончания этапа консолидации к образцу прилагается сдвигающее усилие и производится сдвиг. Касательные нагрузки, деформации и поровое давление в процессе опыта фиксируются датчиками и регистрируются на компьютере. Результаты опыта оформляются в виде паспорта испытания, а по результатам серии испытаний параметры прочности грунта определяются как с учетом порового давления (тотальные напряжения), когда грунт находится в нестабилизированном состоянии, так и его вычетом (эффективные напряжения), соответствующие стабилизированному состоянию грунта. 

Преимущества метода недренированного сдвига широки – кроме проведения обычных сдвиговых испытаний (с учетом порового давления в грунте), он позволяет исследовать прочностные свойства слабых, структурно неустойчивых грунтов (таких как илы или слабоконсолидированные глинистые осадки), проводить испытания на разных этапах консолидации грунтового массива, реологические испытания. Особенно заметными преимущества данного метода становятся при исследовании оползневых процессов.

 

 

Чистый или многоплоскостной сдвиг (скашивание)

Защищено патентом РФ

Сдвиговые испытания грунтов по схеме чистого или многоплоскостного сдвига (скашивания) проводятся на основе прибора недренированного сдвига. Для проведения испытания на образец грунта, изолированный оболочкой и штампами, на всю его высоту надевается набор сдвиговых колец. На образец передается вертикальная нагрузка, прилагается сдвигающее усилие и производится сдвиг. Касательные нагрузки, вертикальные и горизонтальные деформации, а также поровое давление в процессе опыта фиксируются датчиками и регистрируются на компьютере. Важной особенностью метода скашивания, предусмотренной конструкцией прибора, является возможность приложения касательных напряжений как в прямом, так и в обратном направлениях. Условия испытания обеспечивают постоянство объема образца во время опыта и отсутствие фиксированных поверхностей сдвига. Это дает возможность многократного сдвигового деформирования образца, что важно для исследования прочности структурных связей грунта, обратимость их разрушения восстановления во времени (тиксотропного уплотнения).

 

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ

Реологические испытания проводятся для определения параметров длительной прочности грунтов. Такие данные необходимы при прогнозе изменения свойств грунтов оснований сооружений в течение всего их жизненного цикла.

Испытания проводятся в приборах трехосного сжатия (стабилометрах) и сдвиговых приборах при длительном приложения разрушающих нагрузок методом релаксации напряжений и ползучести. Конструкция приборов позволяет проводить испытания грунтов со скоростью деформирования не более 0,001 мм/мин.  

Результаты исследований оформляются в виде паспорта испытания.

 

КОМПРЕССИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

  Длительные испытания грунтов в установке диффузионного выщелачивания  

Опыты на длительную фильтрацию грунтов проводятся в специальных одометрах. Фильтрующейся жидкостью является дистиллированная, грунтовая или морская вода, что позволяет моделировать различные виды техногенных утечек. Выщелачивание грунтов производится  в течение 10-20 суток, а диффузионное выщелачивание – в течение месяцев.

 

Определение избыточного порового давления в грунте

При создании на грунт дополнительной нагрузки в нем возникает избыточное поровое давление, которое, в свою очередь, приводит к снижению прочности грунта и его несущей способности. Определить величину избыточного порового давления, а также время и характер его рассеивания так же можно  в приборе компрессионного сжатия. Для этого верхний и нижний штамп одометра оборудуются датчиками порового давления. К образцу грунта, в зависимости от реальных условий сооружения, прилагается дополнительная нагрузка, датчиками фиксируется и регистрируется возникающее при этом поровое давление. В настоящее время проведение таких испытаний предусмотрено нормами ПиНАЭ-5.10-87.

По результатам опыта строится график и рассчитывается коэффициент избыточного порового давления.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТОВ

Определение проницаемости грунтов, наряду со стандартными методами испытаний, регламентированных требованиями ГОСТ 25584, проводится также в приборах трехосного сжатия (стабилометрах) и компрессионных приборах. Особенностью приборов является то, что они оборудованы системой создания противодавления в грунте. При этом испытания проводятся при постоянном градиенте напора, превышающем начальный градиент фильтрации грунта, при этом измеряется именно объем жидкости, профильтрованной через грунт. Эти факторы значительно повышают точность определения проницаемости грунта, что особенно важно при исследовании глинистых грунтов. 

Результаты исследований оформляются в виде паспорта испытаний.

 

ЭКСПРЕСС-ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Экспресс – методы определения сопротивления недренированному сдвигу (Сu) позволяют оперативно получить представление о строении грунтовой толщи, дать прогнозную, качественную оценку состава и свойств слагающих ее грунтов, провести предварительное выделение инженерно-геологических элементов.

Исследования могут проводиться как непосредственно сразу после извлечении керна из буровых скважин и выработок, когда грунт сохраняет свои естественные свойства, так и в лабораторных условиях. Такие исследования отечественными нормативными документами не предусмотрены, существуют лишь зарубежные стандарты, регламентирующие их проведение – ASTM D 4648-05, BS 1377/1990.

Все приборы компактны, просты в обращении, легко могут быть использованы непосредственно на месте производства буровых работ. Измерения с помощью микропенетрометров заключаются во вдавливании (пенетрации) конуса – индентора или специального штампа в образец грунта и замеру усилия вдавливания по шкале индикатора. Испытания микрокрыльчаткой основаны на методе вращательного среза. При проведении испытания прибор вдавливается в грунт на глубину грунтозацепов, размер которых может меняться в зависимости от свойств исследуемого грунта. После этого вращательным движением корпус прибора проворачивается до срыва, усилие которого фиксируется на индикаторе.

Результаты определения недренированного сцепления с помощью микропенетрометров и микрокрыльчатки близки к результатам, полученным при трехосных испытаниях по неконсолидировано-недренированной схеме, и позволяют получить предварительное представление о строении грунтовой толщи, ее разделении на ИГЭ, свойствах слагающих ее грунтов. Особенно полезным представляется применение таких исследований на ранних стадиях изучения территории (выборе пункта размещения и площадки объекта).

Шесть типов устройств, используемых для измерения вязкости от Cole-Parmer

Вам нужно измерить вязкость?

Вязкость — это мера сопротивления жидкости течению, точнее, это отношение силы, необходимой для преодоления внутреннего трения между слоями жидкости (напряжение сдвига), к изменению скорости между слоями жидкости (градиент скорости).

Знание вязкости жидкости может быть очень важным, когда вам нужно измерить вязкость. Многие меры контроля качества основаны на вязкости.Например, для поддержания стабильного качества производителю кетчупа необходимо поддерживать надлежащую вязкость, чтобы потребитель получил продукт, как и предполагалось. Краска должна хорошо распределяться, но не должна стекать с кисти. Чернила должны выходить из сопла точно. В других случаях при проектировании и проектировании оборудования и систем необходимо учитывать вязкость, чтобы обеспечить их функционирование в соответствии с требованиями. Размеры насосов и смесителей зависят от конструкции и мощности оборудования, позволяющего работать с данной вязкостью.

Многие различные типы вискозиметров и других устройств для измерения вязкости используются для измерения вязкости различных типов жидкостей и единиц измерения.

Вот шесть типов устройств для измерения вязкости, которые следует учитывать:

Вискозиметр с падающим шариком

Вискозиметр с падающим шариком измеряет вязкость жидкостей, а некоторые устройства также могут измерять вязкость газов.

Вискозиметры

Вискозиметры различных форм используют гравитацию, чтобы позволить жидкости течь через отверстие, расположенное на дне, в точном количестве, которое можно измерить с течением времени для расчета значения вязкости.Наиболее распространенными вискозиметрами являются вискозиметры Ford, Ford Dip и Zahn.

Консистометры

Консистометр представляет собой металлический желоб с градуировкой, предназначенный для измерения вязких материалов при их течении под наклоном под собственным весом. Они в основном используются для измерения вязкости краски, чтобы обеспечить соответствие военным спецификациям. Консистометры также хорошо подходят для многих пищевых продуктов, таких как сиропы, желе и соусы, а также для косметики. Консистенция, вязкость и скорость потока могут быть проверены на соответствие установленным стандартам.Консистометр на самом деле не измеряет значения вязкости напрямую: его измерение основано на том, как далеко жидкость будет течь по склону за определенный период времени. Это можно соотнести с вязкостью, используя установленные стандарты. Пользователи могут разрабатывать свои собственные стандарты и процедуры для тестируемого продукта. Хотя консистометры можно использовать не со всеми образцами, низкие эксплуатационные расходы и простота использования делают их очень популярными.

Стеклянные капиллярные вискозиметры

Стеклянный капиллярный вискозиметр используется в сочетании с методами испытаний, соответствующими определенному стандарту ASTM. Доступен широкий ассортимент стеклянных капиллярных вискозиметров, в том числе Ubbelhode, Cannon-Fenske и Zeitfuchs.

Вискозиметры камертонные вибрационные

Вискозиметр с камертонным вибрационным вискозиметром, обеспечивающий уровень точности 1 % от показаний, обеспечивает высокий уровень точности. Это измеряет вязкость путем обнаружения управляющего электрического тока, необходимого для резонанса двух сенсорных пластин с постоянной частотой.

Ротационные вискозиметры

Ротационный вискозиметр подходит для широкого диапазона до миллионов сантипуаз и считается наиболее универсальным типом вискозиметра.

Прочитать статью полностью «В гуще событий: измерение вязкости».

Просмотрите нашу полную линейку продуктов для испытаний материалов и физических свойств. Нужна помощь в выборе продуктов? Позвоните нашим экспертам по продуктам по телефону 1-800-343-4340.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Связанные

Металлы | Бесплатный полнотекстовый | Реологическая характеристика полутвердых металлов: обзор

1.

Введение В начале 1970-х годов Флемингс и его коллеги [1] обнаружили, что металлические сплавы в полутвердом состоянии с недендритной структурой обладают особыми реологическими свойствами, которые можно использовать для нового привлекательного процесса формования.Недендритная структура может быть легко получена путем перемешивания сплава при его охлаждении из жидкого состояния до полутвердого температурного диапазона. В результате получается суспензия, состоящая из жидкой металлической фазы и первичных твердых частиц глобулярной или розеткообразной формы [2,3], как показано на рис. 1, по сравнению с типичной дендритной микроструктурой. Реологические свойства этой специальной тип суспензии дает преимущества обработки полутвердых металлов (SSM).В частности, суспензия может либо течь как жидкость, но с непостоянной вязкостью, либо вести себя как твердое тело. Это характерно для суспензий с высокой долей твердого вещества (Fs) [4], в то время как полностью жидкие металлы демонстрируют ньютоновское течение, подобное воде [5]. Реологические свойства отвечают за поведение SSM при заполнении формы, которое отличается от полностью жидких (или полностью твердых) материалов [6,7] и приводит к особым преимуществам в качестве продукта (низкая газопористость, меньшая усадка). , более высокие механические свойства и т.д.), помимо связанных с технологическими аспектами (более высокая стойкость инструмента по сравнению с традиционными процессами литья за счет более низкой температуры металла и др.) [2]. Для получения этих преимуществ необходимо полностью понимать реологию материала. Это позволяет понять характерные для потока явления, такие как нестабильность или сегрегация, и позволяет оптимизировать процесс. Тщательно проведенные эксперименты в отношении механических, гидродинамических и тепловых условий приводят к разработке всесторонних и точных математических моделей, которые правильно отображают физику и используются в компьютерном моделировании для эффективного проектирования и оптимизации процесса.В нескольких публикациях содержится всестороннее обсуждение реологического поведения SSM [8,9]. Кроме того, в связи с этим следует отметить, что до сих пор некоторые аспекты течения полутвердых металлов не ясны или противоречат имеющимся в литературе данным [8]. По этой причине представляется полезным представить обзор современных знаний по этой теме, уделив особое внимание научным инновациям, произошедшим за последние 10–15 лет, в то время как подробности о полутвердой обработке металлов можно найти в другом месте [1]. 2,7,10].В разделе 2 объясняется реологическая классификация SSM. В разделе 3 представлены принципы наиболее часто используемых устройств для придания реологических свойств ССМ: в разделе 3.1 ротационный реометр и в разделе 3.2 испытание на сжатие. В разделе 4 дается краткий обзор применяемых реологических моделей и соответствующих определяющих уравнений. Обзор последних опубликованных результатов по равновесной вязкости алюминиевых сплавов дан в разделе 5. Раздел 6 посвящен особым реологическим явлениям SSM: пределу текучести и тиксотропии.В разделе 7 объясняется влияние созревания по Оствальду в реологических экспериментах, что важно учитывать при длительных экспериментах.

Прежде чем анализировать литературу, полезно уточнить некоторые реологические термины, связанные с реологическими свойствами SSM и часто неправильно используемые в литературе по обработке SSM.

2. Реологическая классификация SSM

Реологическое поведение любого материала находится между двумя предельными идеальными случаями: идеальное твердое тело (тело Гука), деформация которого пропорциональна напряжению, и идеальный вязкий материал (ньютоновское тело). тела), который показывает скорость деформации, пропорциональную напряжению.Среди вязких материалов, помимо ньютоновских жидкостей (с постоянной вязкостью, зависящей только от температуры и давления), встречаются неньютоновские жидкости. Среди них у нас есть нелинейные чистые вязкие жидкости, вязкость которых дополнительно зависит от напряжения и которые проявляют поведение при сдвиге истончения или сгущения при сдвиге. Другим классом нелинейных материалов являются пластичные материалы, которые демонстрируют твердое поведение ниже определенного порога напряжения (предела текучести), в то время как они характеризуются линейным (тело Бингама) или нелинейным поведением выше предела текучести. Другой класс материалов демонстрирует свойства, зависящие от времени, реологические свойства которых не меняются сразу после изменения деформации, а подчиняются определенной кинетике. Вязкоупругие материалы обладают одновременно упругими и вязкими свойствами. Тиксотропные материалы демонстрируют постепенное снижение вязкости при постоянном напряжении и восстановление вязкости при снятии напряжения; в частности, полностью восстановится вязкость исходного состояния. Как показано на рис. 2, из-за тиксотропии в начале сдвига или после быстрого изменения скорости сдвига мгновенная вязкость отличается от значений установившегося состояния, и требуется время, чтобы вязкость достигла постоянного значения, что отражает состояние равновесия конструкции.Противоположное поведение, увеличение вязкости со временем, называется реопексией. Что касается реологической классификации SSM, общепринято, что они являются жидкостями, разжижающими сдвиг, что означает, что вязкость будет падать с увеличением скорости сдвига (рис. 3) [12]. Кроме того, они являются тиксотропными материалами. Наконец, SSM с высокой долей твердого вещества обладают пределом текучести, что хорошо продемонстрировано на изображении блока алюминиевого сплава в полутвердом состоянии, способного выдерживать собственный вес и который можно разрезать обычный нож.Репрезентативное изображение этого явления показано на рисунке 4; аналогичные картины имеются в научной литературе, например в [1]. Специфические реологические свойства в конечном счете являются не чем иным, как следствием изменения внутренней структуры шлама под действием внешних сил. Можно построить простую физическую модель, соответствующую общему пониманию кинематики SSM. Можно предположить, что между частицами ССМ действуют силы сцепления, в результате чего образуются агломераты [13].Частицы таких агломератов могут временно соединяться путем образования сварных шейок или, например, капиллярными силами. Внутри агломератов иммобилизовано определенное количество жидкости, что приводит к более высокой кажущейся твердой доле [14]. Под действием сил сдвига агломераты будут частично или полностью разрушаться, при этом жидкая фаза высвобождается, а кажущаяся твердая фракция приближается к истинной фракции. В этой модели стационарное поведение материала, т.е.е., истончение при сдвиге, можно объяснить, поскольку вязкость уменьшается с уменьшением твердой фракции.

При снижении скорости сдвига частицы, встречающиеся в поле сдвига, могут агломерироваться, что приводит к увеличению кажущейся твердой фракции.

Отсюда следует, что структурное изменение обратимо, что объясняет одну особенность тиксотропии. Процессы деагломерации и агломерации происходят не мгновенно, а требуют некоторого времени. Агломерация контролируется диффузией и поэтому происходит намного медленнее, чем явление деагломерации.

Как и в других суспензиях, наиболее важным параметром, влияющим на реологические свойства, является твердая фракция, которая зависит от температуры [2]. Экспериментальные измерения показывают, что увеличение твердой фракции приводит к увеличению вязкости. Кроме того, предел текучести увеличивается с увеличением твердой фракции, как показано в научной литературе [15, 16, 17, 18], вместе с наличием тиксотропных эффектов. Другие факторы, такие как диаметр частиц или распределение по диаметру, а также форма частиц, имеют второстепенное значение.Оба эти параметра могут сочетаться с удельной поверхностью твердой и жидкой фаз. Зависимость от вязкости жидкой фазы не очень сильная, так как вязкость жидкой фазы на порядки ниже, чем у ССМ. Эта довольно простая структурная модель получила широкое признание, хотя четких экспериментальных доказательств нет. Действительно, все металлографические микрофотографии были получены из обычных затвердевших образцов при низких скоростях охлаждения. Показано [19, 20], что при скоростях охлаждения менее -10 К/с диффузионные процессы будут существенно изменять размер частиц и, следовательно, внешний вид структуры.Исследовать структуру сложно. Имеется лишь несколько публикаций [20, 21, 22, 23, 24], посвященных структурным экспериментам с рентгеновской томографией для ССМ в покое и при сжатии. Однако до сих пор не опубликовано ни одной работы по исследованию ССМ при чистом сдвиге. Оценка рентгеновских изображений показывает, что с увеличением скорости сдвига распределение частиц по объему становится более однородным, что качественно подтверждает физическую модель [24]. Эксперимент по сжатию под рентгеновским лучом показывает, что для высокой твердой фракции (0.70) материал ведет себя как насыщенная губка и жидкая фаза выдавливается из скелета, вследствие чего твердая фракция будет локально изменяться. Это было установлено ранее, в том числе при анализе распределения твердого тела в заготовке после сжатия [25].

3. Экспериментальные методы измерения реологических свойств

3.1. Эксперименты со сдвигом в ротационных реометрах

Наиболее широко используемыми сдвиговыми реометрами для исследования полутвердых металлов являются ротационные реометры с концентрически расположенными цилиндрами.Внешний цилиндр представляет собой чашу, которая содержит материал SSM и в которую вставлен внутренний цилиндр, боб. В реометре типа Куэтта чашка вращается, а груз неподвижен, тогда как в реометре Серла груз вращается, а чашка закреплена. Из-за относительного движения чашки и бобышки материал срезается в зазоре между ними. Напряжение сдвига на стенке связано с измеряемым крутящим моментом, а скорость сдвига связана со скоростью вращения и геометрией.Благодаря силам инерции система Серла чувствительна к вторичным течениям, вихрям Тейлора, которые рассеивают энергию и вызывают увеличение измеряемого крутящего момента [26]. В зависимости от геометрии системы и свойств образца вихри могут возникать уже при достаточно низкой скорости вращения. Имеются простые критерии для расчета возникновения вихрей [26], которые можно применять для всех вязких жидкостей. Другой эффект, искажающий измерения, состоит в турбулентных вихрях, возникающих для обоих реометров при более высоких скоростях вращения, определяемых критическим числом Re [27].Для ньютоновских жидкостей оценка вязкости по крутящему моменту и частоте вращения довольно проста. Для неньютоновских жидкостей это сложно, когда неизвестна реологическая природа жидкости. В этом случае часто применяется способ оценки, справедливый для ньютоновских жидкостей. Это приводит к значению кажущейся вязкости и кривой кажущегося потока, которые не отражают должным образом физические свойства материала. Для чисто вязких материалов следует применять подход репрезентативного положения сдвига [28], что приводит к физически правильным значениям.Александру и др. [29] недавно показали, что этот метод работает для вязкопластичных материалов только в особых случаях. В общем, обработка данных, полученных от ротационного реометра, должна оцениваться с помощью вычислительной реологии [30]. Пристенное скольжение является еще одним явлением, влияющим на реологические измерения в суспензиях с любым сдвиговым устройством. Скольжение обусловлено сегрегацией тонкого слоя жидкой фазы, прилегающего к стенке. Этот тонкий слой имеет эффект смазки, уменьшающей трение и, следовательно, крутящий момент, измеряемый ротационными реометрами, что приводит к явно более низким значениям вязкости. В литературе предлагались различные геометрические формы боба, чтобы избежать скольжения. Например, Модигелл и др. [31] показали, что лопастные бобышки не подходят, потому что они приводят к вторичным потокам, которые влияют на измерение крутящего момента, тогда как рифленый боб предотвращает проскальзывание, не оказывая существенного влияния на крутящий момент. Другим способом борьбы с проскальзыванием является применение метода Килянски для реометров Серла или Куэтта [32] (или метода Муни для капиллярных систем). Идея обоих методов заключается в оценке скорости скольжения с помощью двух разных геометрий.Харбо и др. [33] может показать, что применение метода Килянски приводит к той же кривой течения, что и применение рифленого стержня, но требует значительно больших экспериментальных усилий. Для SSM с низкой твердой фракцией и соответственно низкой вязкостью необходимо учитывать влияние поверхностного натяжения на результат эксперимента. Точчи и др. В работе [34] удалось показать, что небольшое отклонение симметрии измерительной системы приводит к возникновению вторичных сил, вызванных поверхностным натяжением, доминирующим при малых скоростях сдвига. Следовательно, материал оказывается сильно утонченным при сдвиге, хотя и почти ньютоновским. В начале разработки процессов SSM большая часть реологических исследований проводилась с легкоплавкими сплавами Sn-Pb из-за отсутствия высокотемпературных реометров. В настоящее время доступны коммерческие приборы для испытаний алюминиевых сплавов, в то время как, насколько нам известно, на рынке доступен только один коммерческий прибор для исследования сталей [35]. Йекта и др. [36] и Modigell et al.[37] использовали инструменты собственной разработки. Как правило, для экспериментов с ротационными реометрами первой важной частью процедуры является приготовление полутвердого материала путем его сдвига в течение определенного времени при охлаждении до желаемой температуры в соответствии с твердой фракцией. Надлежащая подготовка материала имеет основополагающее значение, особенно с учетом созревания по Оствальду (см. раздел 7), поскольку поведение полутвердых металлов сильно зависит от микроструктуры [2]. Пример эволюции вязкости в процессе приготовления материала представлен на рис. 5 для сплава Al-Si при постоянной скорости сдвига 100 с ^-1 [12]. Сначала материал подвергается резке в полностью жидком состоянии (630 °C) для обеспечения однородности материала. При понижении температуры происходит резкое увеличение вязкости, в основном за счет образования твердых частиц. Наконец, когда температура достигает значения, соответствующего желаемой твердой фракции (0.35 при 583 °С) наблюдается первое резкое снижение вязкости из-за превращения дендритов в глобулярные частицы из-за приложения сил сдвига. Следующее менее резкое снижение вязкости связано с созреванием по Оствальду.

Значения вязкости для оценки кривой течения в установившемся режиме рассчитываются на основе экспериментальных данных при различных скоростях сдвига.

3.2. Испытания на сжатие

Испытание на сжатие представляет собой традиционный метод испытаний для получения кривых деформация-напряжение путем сжатия образца либо при постоянной нагрузке между двумя параллельными пластинами, либо при постоянной скорости перемещения пластин [38]. Эксперименты по сжатию обычно проводят с материалами, характеризующимися твердой фракцией выше 0,5. Возможны различные конфигурации эксперимента в зависимости от используемого устройства, пример показан на рис. 6. Обычно образец сначала нагревают до необходимой температуры в отдельной печи. либо непосредственно в испытательной камере, при этом после сжатия его можно закалить в воду для дальнейшего изучения микроструктуры. Приложенная сила и полученное смещение контролируются соответствующим тензодатчиком.По кривой напряжение-деформация можно рассчитать реологические параметры и получить кривую течения с точки зрения вязкости как функции скорости сдвига, как показано Laxmanan et al. [40]. Важно отметить, что с помощью этого метода вязкость при заданной скорости сдвига рассчитывается в предположении ньютоновского поведения (сравнимо с простым подходом с ротационными реометрами). Следовательно, расчетные значения вязкости являются только кажущимися значениями. Тем не менее, при сравнении значений кажущейся вязкости, рассчитанных при различных скоростях сдвига, можно получить доказательства того, что SSM истончается при сдвиге. Другим недостатком является состояние течения на поверхностях пластин. Для чисто сдвигового течения материал должен прилипать к пластинам. Условия проскальзывания приводят к удлиненному течению, которое следует оценивать по-другому. На практике ни одно из двух условий полностью не выполняется, и течение имеет смешанный характер. Кроме того, поток является нестационарным и по крайней мере двумерным. Поскольку обычно скорость ползуна высока для моделирования условий ковки, достигаются большие ускорения, и оценка тиксотропных эффектов затруднена (как это обсуждается в разделе 6).В связи с этим Hu et al. [40] провели испытания на сжатие алюминиевого сплава в условиях, близких к процессам ковки, и применили скорость ползуна до 1000 мм/с, в результате чего время эксперимента составило примерно 0,01 с. Аналогичные значения были получены Becker et al. [41,42] во время экспериментов со сталью. Две практические проблемы возникают с SSM во время сжатия. Даже при малых скоростях плунжера жидкая фаза выдавливается из образца, когда доля твердой фазы меньше 0,80. Это приводит к неоднородному составу образца, который дополнительно меняется во времени, хотя эксперименты проводились изотермически.Кроме того, еще одной проблемой является растрескивание свободной поверхности при увеличении деформации [43].

Температуру и скорость сжатия можно варьировать, чтобы воспроизвести реальные условия заполнения полости штампа, что является одним из преимуществ этого метода по сравнению с экспериментами по сдвигу. С другой стороны, возможные экспериментальные процедуры шире для экспериментов на сдвиг, что позволяет полностью охарактеризовать реологическое поведение материала.

В частности, скорость сжатия является ключевым параметром, поскольку медленное сжатие может предоставить информацию, недостаточную для понимания фактического производственного процесса, который, как известно, занимает менее 1 с.По этой причине были проведены быстрые тесты на сжатие для изучения переходного поведения SSM [44,45,46]. Схематическое изображение кривой нагрузки-перемещения для такого рода экспериментов показано на рисунке 7. для промышленного процесса.

Наконец, эта экспериментальная процедура может быть применена с использованием закрытой головки для исследования течения жидкости во время сжатия.Это помогает прогнозировать образование сегрегации жидкости и поверхностных трещин в продуктах, полученных обработкой ССМ [47]. Также могут быть проведены испытания на сжатие с дренированием для исследования сжимаемости твердой фазы в изотермических условиях [10].

4. Моделирование реологических свойств

Результатом оценки экспериментальных реологических исследований должны быть математические уравнения, называемые определяющими моделями, которые должны отражать физику течения и процесс деформации.Конечно, сложно включить все явления в одну модель и принято делать упрощения по применению модели. Простейшими моделями являются однофазные равновесные модели, которые предполагают, что SSM является однородной жидкостью без свойств, зависящих от времени. При этих предположениях модель Оствальда-де-Ваэля — или степенной закон — является самой простой, предполагающей только вязкие свойства. Связь между напряжением сдвига и скоростью сдвига может быть выражена следующим уравнением: А кажущаяся вязкость определяется по формуле: где при nn = l жидкость демонстрирует ньютоновское поведение; n > l жидкость проявляет сдвиговое сгущение.

Термины m и n представляют собой два эмпирических параметра, индекс текучести и показатель сдвига соответственно.

Из-за простоты этого уравнения оно широко применяется для обработки данных реологических экспериментов. Помимо первых исследований по характеристике реологического поведения полутвердых суспензий [38, 48], в основном сосредоточенных на сплаве SnPb15, также в более поздних работах использовалось соотношение Оствальда-де-Ваэля для выражения вязкости как функции скорости сдвига. для различных алюминиевых сплавов и сталей [49,50].

Простота связана с несколькими недостатками. Во-первых, индекс потока m не имеет фиксированной размерности, поскольку он зависит от индекса мощности. Более серьезным является тот факт, что для малых и больших скоростей сдвига уравнение приводит к физически неправильным значениям. Это создает проблемы при его применении в численном моделировании. Часто параметры Оствальда-де-Ваэля представлены с показателями сдвига меньше нуля. Это приведет к физически бессмысленным результатам, таким как, например, положительный градиент давления в простом потоке в трубе.

Уравнение Гершеля-Балкли обычно используется для описания течения вязкопластичных жидкостей [26]. Это обобщение модели пластичности Бингама для рассмотрения случая нелинейной зависимости между напряжением сдвига и скоростью сдвига [51].

Где τy — предел текучести, а m и n — индекс текучести и показатель степени сдвига.

Считается, что τy является фундаментальным параметром для моделирования поведения полутвердых металлов [52]. По этой причине для численного моделирования полутвердой обработки была применена модель Гершеля-Балкли [30, 53, 54], согласующаяся с экспериментальными результатами для сплава Sn-Pb15.Позднее эта же модель была модифицирована для лучшего описания явлений, происходящих на ранних стадиях деформации твердой структуры [30]. Для моделирования тиксотропии применяются три основных подхода. Один из них заключается в описании изменения структуры при изменении вязкости, для чего необходимо определить уравнение скорости для временного развития вязкости [55]. Другой подход заключается в подсчете количества существующих и разорванных связей между частицами, которые зависят от локальной скорости сдвига [56].Наиболее перспективной моделью является та, которая первоначально была разработана Муром [57]. Он определил параметр структуры или когерентности λ, который равен 1 в полностью насыщенном состоянии структуры и равен 0, когда все связи между частицами разорваны. Уравнение скорости для структурного параметра составлено так, чтобы учитывать создание и разрушение связей. Часто предполагается, что все параметры уравнения Гершеля-Балкли зависят от λ [58]. Более подробная модель была создана Petera et al.[59]. SSM моделируется как двухфазная система с полужидким подходом для твердой фазы. Введено кинетическое уравнение, отражающее изменение структуры. Модель была успешно применена для моделирования экспериментов по заполнению фильеры, когда фронт потока снимался на видео. Было достигнуто хорошее соответствие между моделированием и экспериментом для развития фронта потока, переходного перепада давления в головке и окончательного распределения в твердой фазе из-за сегрегации [60].Модель Кросса считает, что при экстремальных граничных условиях, т. е. при очень низкой или очень высокой скорости сдвига, тиксотропные жидкости приобретают ньютоновскую вязкость [61]. Это выражается следующим уравнением: где η0 — вязкость при нулевой скорости сдвига, η∞ — вязкость при высоких скоростях сдвига, а параметры k и n — как в уравнении Оствальда-де-Ваэля. Эта модель была применена для удовлетворительного согласования экспериментальных результатов различных исследований сплава SnPb15 [62], несмотря на то, что непротиворечивые данные об экстремальных условиях практически отсутствуют в литературе и, следовательно, нельзя утверждать о надежности модели [62]. 7].С практической точки зрения она не дает преимущества по сравнению с моделью Оствальда-де-Ваэля, поскольку модель Кросса сводится к модели Оствальда-де-Ваэля, если не определены вязкости в экстремальных условиях.

Вышеупомянутые подходы применимы, если доля твердых частиц ниже примерно 0,65, что соответствует максимальной упаковке твердых частиц. Выше этого значения SSM можно рассматривать как «пористое твердое тело», и для моделирования связи между напряжением и деформацией необходимо применять подходы механики сплошной среды.

5. Установившееся состояние: независимые от времени свойства

Как упоминалось выше, важно различать свойства SSM в установившемся и переходном режимах. В этом параграфе основные результаты, связанные с поведением, не зависящим от времени, будут рассмотрены в соответствии с применяемой экспериментальной процедурой.

Сравнение данных, имеющихся в литературе, было сделано в прошлом для A356 и A357 [44]. Было обнаружено, что кривые течения для обоих сплавов, выраженные с помощью степенной зависимости, характеризовались наклоном примерно -1, соответствующим показателю сдвига. Сравнение проводилось среди результатов, полученных с помощью различных методов и условий (рис. 8), что, как ожидается, приведет к расхождениям в кривых течения даже при изучении одного и того же сплава. В качестве дополнительного доказательства этого Лашкари и др. [63] и Бланко и соавт. [49] исследовал аналогичный алюминиевый сплав, содержащий приблизительно 4,5 % меди, используя, соответственно, испытания на сжатие и эксперименты по скачку скорости сдвига с помощью реометра Серла. В этом случае различие также заключается в диапазоне исследованных скоростей сдвига, поскольку результаты испытаний на сжатие соответствуют очень низким скоростям сдвига (порядка в другом исследовании исследовался совсем другой диапазон (60–260 с ^-1 ).Что касается экспериментов со сдвигом, совсем недавно Das et al. [64] выполнили различные эксперименты на сплаве A356 с реометром типа Серла, применяя модель степенного закона для оценки своих результатов. Кроме того, они сравнили полученные параметры m и n с результатами предыдущих исследований. Разница между значениями была в основном связана с различными диапазонами скоростей сдвига, учитываемых для подбора кривой потока, поскольку Das et al. [64] выполняли реологические измерения до 1500 с ^-1 в качестве значений скорости сдвига, в то время как другие авторы рассматривали более узкий диапазон (примерно до 200 с ^-1 ).Для актуализации имеющейся информации в настоящем обзоре основное внимание уделено исследованиям с 2003 г. по настоящее время. Значения индекса текучести и показателя сдвига для алюминиевых сплавов были собраны из различных научных публикаций, если таковые имеются, и показаны в Таблице 1 и Таблице 2. Это было выбрано для организации данных в соответствии с используемыми экспериментальными методами, т.е. сдвигом (Таблица 1) или эксперименты по сжатию (таблица 2), чтобы лучше представить реологическое поведение этих материалов. В связи с этим важно отметить, что эксперименты с ротационными реометрами полезны для исследования реологического поведения полутвердого шлама с твердой долей 0. 2–0,5, тогда как эксперименты по сжатию могут дать информацию для материалов, характеризующихся твердой долей выше 0,5.

Похоже, что показатель степени сдвига принимает значения от -1,5 до -1,2 для скоростей сдвига до 300 с ^-1 , тогда как он уменьшается, если применяется более широкий диапазон скоростей сдвига. Значения, очень близкие к 0, обнаруживаются для исследований, проведенных при низкой твердой фракции. Это разумно, если учесть, что жидкие металлы проявляют ньютоновское поведение. Следовательно, ожидается, что течение полутвердых шламов с низким содержанием твердых частиц будет смещаться в сторону ньютоновского поведения.

Это особенно очевидно, если кривые течения, соответствующие параметрам, перечисленным в таблице 1, нанесены на график зависимости вязкости от скорости сдвига, как на рис. 9. Очевидно, что наклон кривых течения, полученных для твердой фракции выше 0,3, сопоставим. , в то время как при более низких значениях твердой фракции вязкость меньше зависит от скорости сдвига, что отражает возрастающий вклад ньютоновской жидкой фазы. Кроме того, также видно влияние твердой фракции, если рассматривать результаты для тех же сплавов A356.С другой стороны, наблюдается разброс значений вязкости полутвердых сплавов AlSi, что подчеркивает, как на эти виды измерений могут влиять различные параметры, такие как подготовка материала, время выдержки, история сдвига образцов и т. д. , Несмотря на большое количество экспериментов, доступных в научной литературе, все еще трудно однозначно и систематически определить значения вязкости для SSM. Выполнить такой же анализ для кривых потока, полученных в результате экспериментов по сжатию, сложнее, поскольку в научной литературе доступно меньше данных, как показано в таблице 2.

Важно отметить, что большинство показателей сдвига имеют отрицательные значения. Как упоминалось выше, это дает странные физические результаты. Следует предположить, что в экспериментах преобладали вторичные эффекты, влияющие на результаты экспериментов, например проскальзывание стенки. Применение этих результатов представляется сомнительным. Это еще более очевидно для результатов испытаний на сжатие, которые указывают на сложность получения разумных результатов для поведения сдвига из испытаний на сжатие.

С другой стороны, эксперименты по сжатию могут предоставить важную информацию о переходных и зависящих от времени свойствах SSM, близкую к практическому применению [68], даже когда их использование для моделирования может быть сомнительным.

6. Невязкие свойства

6.1. Предел текучести

Из предыдущих объяснений очевидно, что реологические свойства SSM сильно зависят от времени, о котором часто забывают. Это важно, поскольку любой процесс заполнения штампа, будь то литье или ковка, по своей природе является нестационарным процессом с изменяющимися во времени граничными условиями деформации материала.

Важным вопросом является сравнение типичных временных масштабов процесса и поведения материала при обсуждении соответствующего подхода к правильному моделированию поведения материала [51,69]. Это становится очевидным при исследовании явления предела текучести в SSM. Существование предела текучести является предметом основных дискуссий, которые носят, по-видимому, философский характер [70,71]. Несомненно, что экспериментальное определение предела текучести зависит от качества эксперимента.Однако это относится и к любому механическому свойству. Для выявления, например, тиксотропных свойств необходимо иметь прибор с определенным минимальным временным разрешением. В целом принято, что введение предела текучести для материалов с вязкопластическим поведением является, по крайней мере, разумным инженерным подходом для адекватного моделирования поведения потока [11, 52, 72]. Как и в других материалах, предел текучести в SSM является следствием образования более или менее механически стабильной сетки частиц.Прямым способом исследования явления предела текучести является применение рамп напряжения или деформации и наблюдение за временным поведением деформации или напряжения соответственно [69]. Эксперименты [6,15] показывают, что предел текучести зависит от твердой фракции, размера и формы частиц, а также от времени покоя. С увеличением времени покоя предел текучести увеличивается почти экспоненциально, что приводит к понятию трех различных значений предела текучести [15,16]:

• статическое значение является постоянной величиной и достигается после длительного периода покоя,

• динамическое напряжение текучести сохраняется в течение периода, когда предел текучести увеличивается со временем, когда материал находится в состоянии покоя после сдвигания и

• изоструктурный, соответствующий значению, которое будет измерено сразу после резки материала.

Изоструктурное значение не может быть измерено напрямую и должно быть найдено, например, путем экстраполяции динамического предела текучести на нулевое время покоя. Для двух алюминиевых сплавов было обнаружено, что изоструктурный предел текучести составляет менее 1/10 от статического значения, которое для обоих сплавов составляет около 400 Па. Солек [73] провел сравнимые эксперименты с высокоуглеродистой сталью, что подтверждает вышеупомянутые результаты. Применение колебательного сдвига и сравнение временного развития во время покоя предела текучести и модулей потерь и накопления показывают, что отношение обоих модулей уменьшается, а предел текучести увеличивается [74].В связи с образованием в материале устойчивой структуры реологическая природа материала меняется с вязкой на упругую — из текучей на твердую — на что указывает угол потерь. Временное увеличение модуля накопления сопоставимо с увеличением предела текучести. Другой способ определения предела текучести — косвенный, путем оценки кривой течения на основе соответствующей вязкопластической модели. Было обнаружено, что модель Гершеля-Балкли надлежащим образом согласуется с экспериментальными результатами для полутвердого сплава Sn-Pb15 при различных долях твердого вещества [60].Сплав считался однородным материалом с тиксотропными свойствами и испытывался в изотермических условиях. Среди параметров, полученных в результате применения модели к экспериментальным результатам, можно было рассчитать конечные значения предела текучести в зависимости от твердой фракции. Подход Гершеля-Балкли был применен к численному моделированию заполнения штампа, и он был подтвержден результатами экспериментов по заполнению штампа [75] с использованием сплава Sn-Pb. В этих экспериментах наблюдали эволюцию фронта потока, а также падение давления во время заполнения матрицы, и процесс выполнялся для различных условий потока.Точно так же была разработана модель, соответствующая модели Гершеля-Балкли, для представления поведения полутвердых металлических суспензий в условиях быстрых переходных процессов [76]. Проверка модели была проведена с помощью кратковременных измерений сплава Sn-Pb15 при быстрых изменениях скорости сдвига, уже опубликованных другими авторами [77]. Модель может показать увеличение скорости сдвига при скачке скорости сдвига и постепенное снижение после достижения максимума. Интересно, что для предела текучести авторы нашли постоянное значение 100 Па, не зависящее от времени, в течение которого материал находился в состоянии покоя (которое составляло от 0 до 5 часов).Оценка поведения текучести сплавов Al-Si проводилась также с использованием различных экспериментальных методик, таких как метод сжатия и метод конусного проникновения [72]. Предел текучести измеряли как функцию температуры, т. е. твердой фракции, принимая также во внимание различные методы обработки заготовок, такие как добавление измельчителя зерна и применение магнито-гидродинамического перемешивания (рис. 10).

Было обнаружено, что не только твердая фракция влияет на характеристики текучести, но и захваченная жидкость и морфология твердых глобул могут играть важную роль в определении сопротивления деформации.Большое количество захваченной жидкости может привести к увеличению предела текучести, так как «эффективная» доля жидкости уменьшается, а наличие более округлых твердых частиц может привести к меньшему сопротивлению деформации и, следовательно, к снижению предела текучести.

Вязкопластическое поведение сплава A356 в полутвердом состоянии было выражено моделью Гершеля-Балкли Simlandi et al. [78]. Они также рассмотрели структурный параметр, зависящий от времени, для всестороннего описания поведения материала при различных твердых фракциях.Усовершенствованная модель, основанная на уравнении Гершеля-Балкли, была предложена и для других металлических сплавов, таких как стали [79] и сплавы Mg [80]. Пуяфар и др. [79] рассчитали предел текучести стали М2 по кривой течения, полученной в результате экспериментов при стационарном течении, путем интерполяции экспериментальных результатов для оценки напряжения при нулевой скорости сдвига. Усовершенствованная модель сравнивалась с классической, и было обнаружено, что новая модель может более точно предсказывать поведение материала, особенно при высокой скорости сдвига, чем обычная.Это было подтверждено также применением модели для моделирования потока в реометре. Кроме того, эта же модель использовалась для моделирования поведения материала при испытании на сжатие [36].

6.2. Переходное поведение: свойства, зависящие от времени

Во введении кратко обсуждались основные тиксотропные свойства SSM. Было отмечено, что тиксотропные материалы демонстрируют снижение вязкости при постоянном напряжении и восстановление вязкости при прекращении нагрузки.Такое поведение связано с микроструктурной эволюцией ССМ, в частности с явлениями агломерации и деагломерации.

Для лучшего изучения этих зависящих от времени свойств могут быть проведены различные эксперименты, которые сосредоточены на реакции SSM на изменения приложенной скорости деформации или напряжения сдвига, например, скачок скорости сдвига или эксперименты с петлей гистерезиса [60,65,68 ] или экспресс-тесты на сжатие [45,81]. Modigell et al. [60] исследовали тиксотропное поведение сплава Sn-Pb15 в изотермических условиях.Эксперименты с петлями гистерезиса особенно полезны для получения качественной информации о степени тиксотропии материала. Было обнаружено, что чем быстрее выполняется рампа, тем выше площадь гистерезиса и, следовательно, тем более выражено тиксотропное поведение (рис. 11). С другой стороны, Brabazon et al. [65] испытали сплав AlSi4 аналогичным образом, но обнаружили, что с более медленным линейным изменением пиковая вязкость увеличивается, что соответствует увеличению тиксотропии, без учета изменения вокруг петли гистерезиса.Они также оценили влияние времени покоя на тиксотропию материала и измерили увеличение вязкости с увеличением времени покоя. Сообщается [60], что сразу после увеличения скорости сдвига измеренная вязкость делает резкий скачок и затем , следует уменьшение в соответствии с тиксотропной природой материала. Обратное происходит, когда скорость сдвига уменьшается. Это явление называют «изоструктурным поведением». Предполагается, что структура сплава, соответствующая начальной скорости сдвига, не изменится мгновенно на структуру, соответствующую новой скорости сдвига.Оценка специальных экспериментов по скачку скорости сдвига с точки зрения «изоструктурной кривой течения» показывает, что ССМ сразу после скачка скорости сдвига реагирует сдвиговым утолщением [17]. Недавний анализ литературы [10] относительно этого эффекта подтверждает выводы [60]. Они показали, что для наблюдения требуется твердая фракция больше 0,36. Было выяснено, что для скачков скорости сдвига от нуля скорости сдвига (образец в состоянии покоя) этот эффект утолщения при сдвиге маскируется эффектами предела текучести.Как упоминалось выше, важно сравнить шкалу времени зависящих от времени реологических свойств и типичное время процесса. Типичное время процесса литья под давлением или ковки составляет порядка 1/10 с [40, 82], что также подтверждается другими авторами [83, 84] для тиксоформования стальных компонентов. Интересно, что это время отклика современного ротационного реометра. Подробные исследования кинетики тиксотропии в SSM проводятся редко. Первые известные исследования этого явления были проведены Quaak и Peng et al.[85,86]. Кваак предположил, что процесс деагломерации и агломерации после изменения скорости сдвига состоит из двух стадий: быстрого процесса разрушения или образования агломератов и медленного процесса укрупнения и спекания. Это было подтверждено для сплава Sn-Pb Коке [18], который смог смоделировать переходный процесс, предполагая две разные кинетики. Масштаб времени для быстрого процесса был порядка 0,5 с и, по-видимому, не зависел от скорости сдвига, тогда как масштаб медленного процесса был в 100 раз медленнее.Лю и др. [77] также изучали влияние скачков сдвига на временное развитие напряжения сдвига для Sn-Pb15 (рис. 12). Они исследовали только краткосрочное поведение, и временная шкала, которую они нашли для тиксотропных эффектов, сравнима с результатами Куаака [85] и Коке. Испытания на быстрое сжатие сплавов AlSi были проведены Hogg et al. [45], для исследования реологических свойств в условиях реального производственного процесса. Временная шкала теста была около 0.065 с, что намного короче шкалы ротационного реометра. Эксперименты также предоставили данные о влиянии времени выдержки и температуры повторного нагрева. Вязкость, оцененная из их экспериментов, была примерно в десять раз выше, чем значения вязкости, оцененные из экспериментов по сдвигу. Принимая масштаб времени для тиксотропии около 1/10 с, можно заключить, что в этих экспериментах материал не находился в конечном состоянии равновесия. На основе этих исследований также были разработаны численные модели для точного описания переходного режима [30,40,46,76].Другой интересный результат, касающийся тиксотропии, можно извлечь из работы Bührig-Polazek et al. [87], которые провели эксперименты с Al 356 с помощью капиллярного реометра. Устройство собственной разработки было оснащено четырьмя датчиками давления вдоль капилляра. Это позволило оценить перепад давления на пути течения и, следовательно, проанализировать тиксотропную реакцию материала. Скорости сдвига, которые они могли реализовать в капилляре, составляли до 3200 с ^-1 , а время пребывания в капилляре находилось в диапазоне 1/10 с, что сопоставимо с типичным временем процесса литья.Они обнаружили поведение истончения при сдвиге в диапазоне скоростей сдвига от 1000 до 3200 с ^-1 , при этом вязкость за 1000 с ^-1 была примерно в десять раз выше, чем вязкость, измеренная ротационным реометром при скорости сдвига, равной 250 с. ^-1 , что согласуется с выводами Хогга [45]. Оценка перепада давления вдоль капилляра показала, что вязкость вблизи входа составляла около 2,5 Па·с, а к концу капилляра снижалась до 0.6 Па·с (оба для скорости сдвига 3200 с ^-1 ). Падение было почти линейным и не имело тенденции становиться постоянным. Это свидетельствует о том, что за время пребывания 0,15 с тиксотропная реакция не завершается. Следствием этого является то, что, очевидно, краткосрочное и переходное поведение SSM представляет гораздо больший интерес для типичных процессов литья и ковки, чем кривые равновесного течения. Это соответствует численному анализу течения вязкопластического материала в зазоре реометра в условиях, соответствующих техническим процессам, выполненному Alexandrou et al.[30]. Они составили функцию напряжения по двум вкладам: «установившемуся» напряжению, оцененному из экспериментов с длительным временем сдвига и предполагаемому следованию модели Гершеля-Балкли, и напряжению из-за прочности суспензии, которое зависит от параметра когерентности, зависящего от времени. . Моделирование показало, что на малых временах последний вклад является доминирующим и определяет распространение сдвига в зазоре. Соответствующий временной интервал порядка менее 0,1 с. Оценка экспериментов в этом временном масштабе требует применения вычислительной реологии, а не классической оценки экспериментальных данных.

7. Созревание по Оствальду

Другим важным аспектом, который необходимо учитывать для полного описания реологического поведения SSM, является рост и укрупнение шаровидных твердых частиц в состоянии покоя или при сдвиге путем рекристаллизации. Это произойдет в изотермических условиях. Это явление обычно обозначается как созревание Оствальда и имеет место в различных материалах, таких как эмульсионные системы и т. д. В ходе этого процесса мелкие частицы растворяются, а более крупные укрупняются, в результате чего поверхностная энергия минимизируется [88], поэтому что в целом средний диаметр частиц в материале увеличится.Это явление изучалось в прошлом несколькими исследователями [89, 90, 91, 92] в основном посредством наблюдения двумерных сечений образцов, закаленных из полутвердого состояния, что представляло серьезное ограничение в исследовании реального явления. . Совсем недавно методом рентгеновской in situ томографии были исследованы агломерация и рост перешейков между твердыми частицами, отличающиеся от оствальдовского созревания, а также последние [93, 94]. В системах, находящихся в состоянии покоя, созревание Оствальда представляет собой процесс, контролируемый диффузией, который является довольно медленным и имеет меньшее техническое значение в рамках обсуждаемых здесь вопросов.Рост частицы как функцию времени можно рассчитать на основе теории ЛСВ (Лифшица, Слоёзова [95] и Вагнера [96]), которая дает линейную зависимость между объемом частицы и временем. В системах с перемешиванием рост частиц сильно усиливается за счет конвективного переноса, что приводит к росту частиц во временных рамках, соответствующих по крайней мере нескольким экспериментальным исследованиям. Реологический эффект созревания по Оствальду заключается в уменьшении вязкости из-за увеличения среднего диаметра частиц в образце, хотя твердая фракция не изменится из-за изотермических условий. Этот эффект показан на рис. 13.

Расплав Sn-Pb, изначально полностью жидкий, охлаждается до двухфазного состояния. Сначала вязкость повысится, затем достигнет максимума и начнет падать. Первое уменьшение после максимума связано с образованием недендритных частиц. На первом небольшом пике этот процесс более-менее завершается. Дальнейшее снижение вязкости происходит в основном за счет конвективного оствальдовского созревания. Увеличение размера частиц отчетливо видно на металлографических снимках.Временной масштаб этого процесса составляет порядка 60 мин в зависимости от скорости сдвига. Чем выше скорость сдвига, тем быстрее рост.

Очевидно, что оствальдовское созревание искажает экспериментальные результаты при проведении длительных исследований, таких как, например, эксперименты по скачку скорости сдвига. Например, в случае сплава А356, испытанного на ротационном реометре при твердой доле 0,40, на рис. 14 видно, что в конце эксперимента вязкость при скорости сдвига 80 с ^-1 значительно ниже, чем с начала. Оценка этих данных приведет к переоценке эффекта истончения при сдвиге. Модигелл и др. [97] разработали простую модель, учитывающую конвективный перенос в системе, которая позволяет скорректировать данные для любого сдвига, как показано на рисунке 14. При достаточно больших скоростях сдвига временное изменение диаметра является линейным со временем. Влияние изотермического и неизотермического перемешивания на размер частиц было также оценено для сплавов Al-Si [98, 99, 100, 101] и сплавов Mg [102]. Сукумаран и др.[99] исследовали изменение диаметра частиц в зависимости от времени сдвига для сплава Al-Si с добавкой измельчителя зерна и без нее (рис. 15). При этом было установлено, что в первую очередь уменьшается размер частиц за счет фрагментации дендритной структуры. Впоследствии размер частиц достигает минимального значения, прежде чем начать увеличиваться из-за обсуждаемого механизма созревания Оствальда, который считается основным механизмом укрупнения твердых глобул, в то время как явления агломерации, как полагают, вносят второстепенный вклад. Благодаря наличию измельчителя зерна тормозится рост дендритов при полутвердой обработке, способствуя формированию равноосной микроструктуры, по сравнению с основным материалом, и ускоряя формирование глобулярной микроструктуры, а также укрупнение и явления созревания. Следовательно, укрупнение частиц происходит раньше для сплава с измельчителем зерна по сравнению с базовым сплавом, как видно на рис. 15. Тот же механизм проиллюстрирован также Chen et al.[102], который представил следующую схематическую диаграмму (рис. 16) и сопоставил эволюцию размера частиц с кажущейся вязкостью для сплава Mg.

8. Резюме

В настоящем обзоре представлены основные аспекты реологии полутвердых металлов. Эти материалы демонстрируют сложное поведение, и необходимо учитывать несколько параметров, чтобы правильно его охарактеризовать. По этой причине различие между стационарным состоянием и свойствами, зависящими от времени, является фундаментальным.Кроме того, обсуждаются дополнительные важные аспекты, такие как оценка предела текучести и механизма созревания по Оствальду.

В целом, анализ современной литературы показывает, что было проделано много экспериментальной и теоретической работы и что первоначальные результаты ранних исследований подтверждаются. База данных была предоставлена ​​для тугоплавких сплавов в связи с техническим развитием в области реометров. Даже для сталей теперь доступны базовые данные, полученные в результате экспериментов по сдвигу.

Большинство данных дают информацию о реологическом поведении в равновесных условиях. В технической практике процессы далеки от равновесных из-за высоких скоростей процессов. Для лучшего понимания явлений процесса и надежного моделирования процесса формообразования кратковременное поведение ССМ необходимо исследовать более глубоко, чем это делалось до сих пор. Это означает, что тиксотропные свойства, а также явления текучести должны быть изучены для ясного понимания явлений процесса в технических условиях.Кроме того, отсутствуют знания о взаимосвязи между составом сплава и реологическими свойствами.

Определение тиксотропных свойств эмульсионной гелевой краски

Действия

‘) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») форма.setAttribute(«действие», formAction.replace(«/checkout», «/cart»)) document. querySelector(«#ecommerce-scripts»).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { переключать.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаВариант.classList.add («расширенный») } еще { покупкаOption. classList.remove(«расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Ящик для покупок: ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Modal : ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { форма. querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(«/checkout», «/cart?messageOnly=1») ) form.addEventListener( «представить», Buybox.interceptFormSubmit( Буйбокс.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), консоль.лог, ), ложный ) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { документ. addEventListener(«keydown», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var buyboxWidth = buybox.смещениеШирина ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить. щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключать.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

границ | Метод оценки тиксотропии глины, подвергнутой испытанию на неограниченное сжатие

Введение

Под тиксотропией глины понимается явление, при котором при нарушении почвы нарушается ее первоначальная структура и резко падает ее механическая прочность. После прекращения нарушения часть механической прочности почвы постепенно восстанавливается с течением времени (Mitchell, 1961; Díaz-Rodríguez and Santamarina, 1999; Feng et al., 2004; Li et al., 2010). Boswell (1948) обнаружил, что тиксотропия широко распространена в осадочных отложениях, за исключением чистого песка, при исследовании большого количества осадочных отложений. Дальнейшие исследования Kruyt (1952) показали, что в системах глина-вода обычно существует тиксотропия. Под влиянием тиксотропии грунта прочностные и деформационные характеристики грунта сильно зависят от времени (Шахриар, Джадид, 2018; Шахриар и др., 2018)., 2018; Аль-Джанаби и Обени, 2019 г.; Камил и Алджорани, 2019 г.; Руге и др., 2019; Алам и др., 2020). Тиксотропная оценка грунта является одной из ключевых проблем при оценке безопасности устройства фундаментов при длительной нагрузке.

Тиксотропность глины обычно измеряется путем изучения правила изменения предела текучести (Landrou et al., 2018), прочности (Chan, 2015), вязкости (Jeong et al. , 2015) и отношения прочности (Zhang et al. ., 2014b; Wang et al., 2015; Al-Rubaiee and Al Salami, 2020) со временем после того, как глина была нарушена, чтобы отразить тиксотропию.Ду и др. (2020) предложили модель, объясняющую влияние ионной силы на тиксотропию и предел текучести геля монтмориллонита натрия, отражающую тиксотропное поведение монтмориллонита натрия посредством изменения прироста предела текучести со временем. Шахриар и др. (2016) изучили закон изменения прочности глины на сдвиг со временем и обнаружили, что тиксотропия почвы не была очевидной, когда содержание воды было выше предела текучести, и что прочность глины значительно увеличивалась со временем, когда содержание воды было ниже предела текучести. лимит жидкости.Ларсон и Вей (2019) проанализировали ход исследований в области тиксотропии и сопутствующего реологического явления и отметили, что изменение вязкости со временем может отражать силу тиксотропии. Чжан и др. (2017b) определили коэффициент тиксотропной прочности глины как отношение между прочностью в момент времени 90–169 t 90–170 после нарушения и прочностью в момент времени 0 после нарушения и сравнили коэффициент тиксотропной прочности глины в разных регионах. Этими исследованиями установлены показатели, отражающие тиксотропию глины, что заложило основу для количественного описания и оценки тиксотропии.Однако в этих исследованиях не обсуждалось, как сравнивать тиксотропию разных типов грунта с разной степенью тиксотропии, и отсутствуют методы классификации для разных типов грунта с разной степенью тиксотропии.

Большое влияние на инженерную практику оказывает тиксотропность глины (Кульчицкий, 1975; Лютенеггер, 2017; Al-Janabi, Aubeny, 2019). Инженерные проблемы, такие как рост прочности насыпного грунта (Chan, 2015; Tsugawa et al., 2017), несущая способность свайного фундамента в глиняном слое (Shen et al., 2005; Абу-Фарсах и др., 2015; Рости, 2016; Карлссон и др., 2019; Gong et al., 2020), и временной эффект анкерной силы анкерного болта (Zhang N. et al., 2017) тесно связаны с тиксотропией грунта. Для грунта с сильной тиксотропией восстановление прочности после отдыха вполне очевидно. Если пренебречь влиянием тиксотропии, результаты расчета несущей способности и осадки будут иметь большое отклонение от измеренного значения, и применимость традиционного опыта и теории станет проблемой. Создание метода оценки тиксотропии может стать основой для решения практических инженерных задач. Глины формации Чжаньцзян обладают сильными структурными свойствами (Shen et al., 2013b), высокой пластичностью (Zhang et al., 2014a), микропроницаемостью (Zhang et al., 2012), сильной кислотностью вследствие окислительного гидролиза (Zhang et al., 2012). al., 2017a), разница в пространственном распределении (Shen et al., 2013a), свойство ползучести (Kong et al., 2012), тиксотропия (Zhang et al., 2017b) и т. д., и это крайне аномальный тип грунт с особыми свойствами, приводящими к редким инженерным характеристикам.В настоящее время не существует метода классификации для измерения тиксотропии глин формации Чжаньцзян, и инженерный круг не может определить влияние тиксотропии глины на инженерную практику. Чтобы изучить систему индексов и методы классификации для оценки тиксотропии глины формации Чжаньцзян, были проведены неограниченные испытания прочности на сжатие на трех группах ненарушенного грунта и переформованного грунта, которые были отверждены в разное время после реконструкции формации Чжаньцзян в Китае, чтобы получить значения прочности на неограниченное сжатие образцов и установить взаимосвязь между прочностью на неограниченное сжатие и временем отверждения реконструированного грунта. По зависимости между пределом прочности при неограниченном сжатии и временем отверждения был предложен показатель для оценки тиксотропии глины и установлен метод оценки тиксотропии глины с использованием этого показателя. Предложенный в данном исследовании относительно предварительный метод оценки, основанный на результатах безнапорных испытаний на прочность на сжатие, дает основу для сравнения и классификации различных типов грунтов с различными тиксотропными свойствами.

Испытание на прочность при сжатии без ограничений

На основе имеющихся региональных геологических данных и инженерно-геологических изысканий отбираются типовые пласты для исследования, бурения и отбора проб.Три группы образцов ненарушенного грунта, 1, 2 и 3, из глины формации Чжаньцзян были получены на металлургической базе Baosteel Zhanjiang Iron and Steel Base, расположенной на острове Дунхай, город Чжаньцзян, провинция Гуандун, Китай. Тиксотропность почвы на разных глубинах различна (Li et al., 2010). Для получения образцов грунта с разной степенью тиксотропии были выбраны разные глубины отбора проб. Глубина отбора проб почвы для групп образцов 1, 2 и 3 составляет 2–3, 6–9 и 19,25–20,05 м соответственно.Отбор проб производили открытым тонкостенным пробоотборником из нержавеющей стали с внутренним диаметром 100 мм, толщиной стенки 2 мм, углом режущей кромки 60° и длиной 300 мм. Верхний конец пробоотборника соединялся с бурильной штангой винтами и имел выпускное (сливное) отверстие и сферический клапан для сброса давления воздуха и воды при отборе проб, предотвращения повторного попадания воды и поддержания вакуума над образцом грунта. во время подъема. Основные физические свойства, такие как естественная влажность, естественная плотность и удельный вес структурной глины из формации Чжаньцзян, были проверены методами сушки, кольцевого ножа и удельной массы в колбе.Методы испытаний основаны на соответствующих положениях статей 5.2, 6.2 и 7.2 «Стандарта на геотехнические методы испытаний» (GB/T50123-2019, Китай), а результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1 . Результаты испытаний физических свойств.

Ненарушенная почва была высушена и измельчена с помощью сита 0,5 мм. Затем по плотности и влажности ненарушенного грунта был приготовлен цилиндрический переформованный образец грунта диаметром 39,1 мм и высотой 80 мм путем отбора образцов грунта с размером частиц <0.5 мм. Для подготовки образцов потребность в воде рассчитывается в соответствии с содержанием влаги в ненарушенной почве и сухой почве, а содержание влаги в образцах почвы настраивается на содержание влаги в ненарушенной почве. Затем по плотности ненарушенного грунта и объему образцов рассчитывали массу грунта, необходимую для образца. Отвесить необходимый для образца грунт и поместить его в цилиндрическую пробоподготовку диаметром 39,1 мм и утрамбовать грунт на высоту 80 мм.Согласно этому методу путем уплотнения были получены образцы переформованного грунта с такой же плотностью и влажностью, как и у ненарушенного грунта. Метод подготовки образцов должен соответствовать соответствующим положениям статей 4. 3.1 и 4.4.2 «Стандарта на геотехнические методы испытаний» (GB/T50123-2019, Китай). После завершения пробоподготовки отбирали по две пробы из каждой группы. Массу образцов взвешивали. Плотность образцов рассчитывали по массе и объему.Влажность образцов проверяли методом сушки. Плотность и влажность образцов усреднялись. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 . Результаты испытаний физических свойств переформованных образцов.

Из таблицы 2 видно, что влажность и плотность переформованных образцов в основном такие же, как и у ненарушенного грунта. Для поддержания постоянной влажности образцы были обернуты консервирующей пленкой и помещены в пробирки из ПВХ.На пробирки надели крышки. Пробирки запечатывали воском, а затем хранили в герметичной увлажняющей банке для отверждения. Комнатную температуру поддерживали на уровне 25 ± 2°C. Согласно исследованиям, восстановление прочности грунта происходит быстро на начальном этапе и медленно на более позднем этапе (Feng et al. , 2004; Li et al., 2010), мы установили время отверждения на 0, 1, 7, 30. , и 60 дней. Неограниченные испытания на прочность на сжатие были проведены на ненарушенных образцах грунта и переформованных образцах грунта с разным временем отверждения.Метод испытаний соответствовал соответствующим положениям статьи 20 «Стандарта на геотехнические методы испытаний» (GB/T50123-2019, Китай). Кривые зависимости между осевой деформацией и осевым напряжением образцов представлены на рис. 1.

Рисунок 1 . Кривая зависимости между осевой деформацией и осевым напряжением образцов. (A) Кривая зависимости между осевой деформацией и осевым напряжением образца грунта 1. (B) Кривая зависимости между осевой деформацией и осевым напряжением образца грунта 2. (C) Кривая зависимости между осевой деформацией и осевым напряжением образца грунта 3.

На рисунке 1 максимальное напряжение трех групп образцов ненарушенного грунта и напряжение, приводящее к 15% деформации образцов повторно формованного грунта, представляет собой предел прочности на сжатие без ограничений образцов ненарушенного грунта и образцов повторно формованного грунта, как показано в таблице 3. Кривая Связь между неограниченной прочностью на сжатие и временем отверждения переформованных образцов грунта установлена, как показано на рисунке 2.

Таблица 3 . Неограниченная прочность на сжатие ненарушенных образцов грунта и переформованных образцов грунта.

Рисунок 2 . Кривая зависимости между пределом прочности при сжатии и временем отверждения переформованных образцов грунта.

Как видно из табл. 3, механические свойства образцов грунта заметно изменились до и после ремоделирования, что было вызвано структурным разрушением и резким снижением прочности грунта.По отношению предела прочности на сжатие ненарушенных образцов грунта к переформованным образцам грунта, твердеющим в течение 0 сут, значение чувствительности для групп 1, 2 и 3 составило 4,52, 5,96 и 4,93 соответственно. Три набора почв были очень чувствительными и обладали сильными структурными свойствами. С течением времени отверждения прочность на сжатие переформованных образцов грунта без ограничений постепенно увеличивалась. Когда образцы переформованного грунта выдерживали в течение 0–60 дней, прочность на сжатие без ограничений образца переформованного грунта 1 увеличилась на 6.4 с 27,24 до 33,64 кПа, прирост которого составил 23,49 % от показателя 0 сут. Прочность на сжатие переформованного образца грунта № 2 увеличилась на 10,7 с 26,06 до 36,76 кПа, прирост которой составил 41,09 % от показателя 0 сут. Прочность на сжатие переформованного образца грунта № 3 увеличилась на 13,81 с 28,04 до 41,85 кПа, прирост которой составил 49,25 % от показателя 0 сут. Это показывает, что глина формации Чжаньцзян обладает сильной тиксотропией. Чжан и др. (2014b) сообщили об увеличении прочности на сжатие повторно отформованной глины в течение 500 дней.Через 500 дней прочность грунта в 2,89 раза превышала начальную прочность, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 . Кривая взаимосвязи между неограниченной прочностью на сжатие и временем отверждения повторно формованных образцов грунта [изменено из Zhang et al. (2014б)].

Из рисунков 2, 3 видно, что влияние тиксотропии может в определенной степени восстановить прочность грунта после разрушения конструкции. Из рисунка 2 видно, что прочность на сжатие повторно формованных образцов грунта без ограничений быстро увеличивалась в период 0–7 дней, замедлялась в течение 7–30 дней и имела тенденцию оставаться стабильной в течение 30–60 дней.Тиксотропность глин формации Чжаньцзян предполагает, что тиксотропное восстановление происходит быстрее на ранней стадии и замедляется и становится стабильным на более поздней стадии. Естественная потеря прочности грунта после нарушения и процесс восстановления прочности, вызванный тиксотропией после стояния, представляет собой процесс, при котором исходная структура разрушается в дисперсную, а структура имеет тенденцию к флокуляции из-за изменения силового поля взаимодействия притягивающих и отталкивающих сил. сил в частицах.Этот процесс требует движения частиц, воды и ионов в зависимости от времени. В ссылке Zhang et al. (2017b), зависимость между энергией и расстоянием между зернами в тиксотропном процессе представлена ​​на рис. 4.

Рисунок 4 . Кривые энергия-расстояние для тиксотропного грунта [модифицировано из Mitchell (1961)]: (A) в исходной, ненарушенной конфигурации, E _R = E _A , флокуляционная структура, (B) во время переформовки, E _R > E _A , энергетический барьер отталкивания предотвращает флокуляцию, а (C) в состоянии покоя в тиксотропии, E _R < E _A , частицы пытаются флоккулировать.

Взаимодействие в системе почва–вода–электролит привело к образованию двойных электрических слоев на поверхности глинистых частиц. Когда две частицы находились близко друг к другу на определенном расстоянии, двойные электрические слои перекрывали друг друга, создавая интерактивное силовое поле. Как показано на рисунке 4, кривая E _R представляет увеличение энергии отталкивания, когда две частицы сближаются. Кривая E _A показывает, как меняется энергия притяжения.Кривая E _T , где отталкивание считается положительным, а притяжение отрицательным, представляет собой отношение между полной потенциальной энергией и расстоянием между частицами. Когда частицы находятся далеко друг от друга, преобладает притяжение, кривая находится ниже горизонтальной оси, а полная потенциальная энергия отрицательна. По мере уменьшения расстояния между частицами начинает действовать сила отталкивания, и полная потенциальная энергия возрастает до положительного значения. Когда он достигает определенного расстояния, полная потенциальная энергия достигает своего максимума, и появляется энергетический пик E _MAX .Повышение потенциальной энергии означает, что две частицы не могут сблизиться или они разделятся после сближения. Когда пиковая энергия E _MAX пройдена, потенциальная энергия быстро падает, что означает флокуляцию частиц. Из рисунка 4А видно, что межкристаллитное притяжение и отталкивание ненарушенной глины находятся в равновесном и стабильном состоянии. Когда почва нарушена, к почвенной системе прикладывается внешняя энергия. Энергия возмущения извне заставляет первоначальную структуру почвы разрушаться, а чешуйчатую глину рассеивать, а это означает, что отталкивание между частицами, возникающее в результате внутренних сил двойного электрического слоя и внешней энергии, способствует рассеиванию структуры.За счет действия внешних сил энергия силы между частицами находится на высоком уровне, происходит перераспределение ионов в адсорбционном слое воды и двойном электрическом слое, а также реорганизация микроструктуры. Однако, как только возмущение прекращается, энергия извне, вызывающая внутреннее отталкивание между частицами с образованием дисперсной структуры, расходуется, поэтому отталкивание между частицами уменьшается, и структура адаптивно приспосабливается к новому силовому полю, и частицы смещаются. и сблизиться друг с другом.Когда сила притяжения превышает силу отталкивания (рис. 4C), а межкристаллитная сила превышает энергетический пик E _MAX , частицы будут флоккулировать. Если близкие друг к другу частицы потребляют часть энергии и не пересекают энергетический пик, взаимодействие между частицами грунта также достигает нового межчастичного равновесия. В это время структура будет пытаться приспособиться к новому состоянию с более низкой энергией, и структура будет постепенно развиваться от дисперсной до флоккулированной, а прочность грунта также будет постепенно увеличиваться со временем.

Показатели тиксотропии глины

Из вышеприведенных испытаний видно, что прочность грунта меняется со временем, а его структура меняется со временем в ходе тиксотропного процесса. Показатель, отражающий структуру почвы, чувствительность S _t , который является постоянной величиной для вида почвы, а чувствительность S _t не может описать изменение структуры почвы во времени. Для этого вводится понятие тиксотропной чувствительности, а почва определяется как

St = quq’u(t)    (1)

где S _t ( t ) – тиксотропная чувствительность, безразмерная; q _u – предел прочности при сжатии ненарушенного образца грунта в кПа; qu'(t) — прочность на сжатие повторно формованного образца грунта при времени отверждения t в кПа.

Из формулы (1) видно, что значение тиксотропной чувствительности на 0-е сутки после переформовки равно значению чувствительности, а именно

St(0)=quq’u(0)=St    (2)

Тиксотропная чувствительность почвы отражает изменение структуры почвы во времени после нарушения. q q _{U U} постоянна, тем более высокий QU ‘(T) (ближе к Q _U ), меньшая тиксотропная чувствительность S _T ( T ) , а следовательно, тем больше структурное восстановление нарушенной почвы.В соответствии с таблицей 3 можно рассчитать значение S _t ( t ) каждого времени отверждения и установить кривую зависимости тиксотропной чувствительности от времени отверждения, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 . Кривая зависимости между тиксотропной чувствительностью и временем отверждения.

Как показано на рис. 5, тиксотропная чувствительность снижается по мере истечения времени отверждения. В период 0–7 сут тиксотропная чувствительность быстро снижается; в период 7–30 дней снижение скорости замедляется; а в период 30–60 дней тиксотропная чувствительность имеет тенденцию быть стабильной.Такую же тенденцию можно получить из данных литературы (Zhang et al., 2014b), как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 . Кривая взаимосвязи между тиксотропной чувствительностью и временем отверждения [с изменениями из Zhang et al. (2014б)].

Форма кривой соотношения S _t ( t ) — t может различаться для разных глин. Чем круче кривая, тем заметнее снижение тиксотропной чувствительности за тот же период и, следовательно, тем сильнее тиксотропность грунта; и наоборот, чем стабильнее кривая, тем слабее тиксотропия грунта.Следовательно, наклон касательной в любой точке кривой представляет собой степень интенсивности тиксотропии грунта в соответствующий момент времени t , а именно

где K – коэффициент структурного восстановления почвы за дней ⁻¹ . Знак минус указывает на то, что тиксотропная чувствительность снижается с увеличением времени отверждения. Чем больше значение К , тем сильнее тиксотропия грунта и, наоборот, тем слабее тиксотропия грунта.Поскольку тангенс наклон в каждой точке на S _T ( T ) — T Кривая отличается, устойчивая склон в определенные периоды T ₁ и T ₂ быть выбрано для измерения степени интенсивности тиксотропии грунта, а именно,

K=-ΔSt(t)Δt=-St(t2)-St(t1)t2-t1    (4)

где К – коэффициент структурного восстановления почвы за дней ⁻¹ ; t ₁ и t ₂ — время отверждения в днях; S _{T T} ( T ₁ ) и S _{T T ( T 2 ) являются тиксотропной чувствительностью, соответствующей T 1 и T 2 , безразмерный.}

Из рисунка 4 также видно, что тиксотропное восстановление глины формации Чжаньцзян имеет тенденцию быть стабильным при времени отверждения 60 дней. T T _{1 1 = 1 День и T 2 = 60223 2} = 60169 D Ays принимаются в качестве замены в формулу (4) Для расчета коэффициента структурного восстановления K ₁ , K ₂ и K ₃ групп 1, 2 и 3, которые равны 0,0143, 0.0289 и 0,0271 сут ⁻¹ соответственно, а затем

Можно определить, что тиксотропия образца грунта 2 выше, чем у образцов грунта 1 и 3. Тиксотропность образца грунта 3 выше, чем у образца грунта 1, поэтому коэффициент структурного восстановления K можно использовать для измеряют степень интенсивности тиксотропии почвы.

Для дальнейшего изучения изменения тиксотропной чувствительности глин формации Чжаньцзян со временем тиксотропная чувствительность S _t ( t ) и время отверждения t были изучены в полулогарифмической координате, и отношение S _t ( t ) — logt было построено путем выбора log t в качестве базовой функции. Поскольку log t бессмысленно при 0, то, согласно табл. 3, расчетные значения S _t (0) и образцы почвы мало изменились, ошибкой между этими двумя значениями можно пренебречь. Поэтому для подбора выбраны данные со временем отверждения 1, 7, 30 и 60 дней, и результаты показаны на рисунке 7. Тот же процесс был выполнен для данных из литературы (Zhang et al., 2014b), как показано на рисунке 8.

Рисунок 7 . Связь между тиксотропной чувствительностью S _t ( t ) и логарифмом t .

Рисунок 8 . Соотношение между тиксотропной чувствительностью S _t ( t ) и log t [изменено из Zhang et al. (2014б)].

Как показано на рисунках 7, 8, R ² трех групп грунта близки к 1, что указывает на хорошую степень подгонки.Тиксотропная чувствительность S _t ( t ) уменьшается с увеличением log t , и между ними существует линейная зависимость:

St(t)=-Kelogt+St(1)    (5)

, где K _e определяется как индекс структурного восстановления почвы, безразмерный, представляющий изменение тиксотропной чувствительности, вызванное каждым логарифмическим периодом (10 раз) изменения времени отверждения; S _t (1) – тиксотропная чувствительность при времени отверждения 1 день, безразмерная.

Ke=-ΔSt(t)Δ(logt)=-St(t2)-St(t1)logt2-logt1    (6)

Аналогично коэффициенту структурного восстановления К , чем больше значение К _и , тем сильнее будет тиксотропия грунта, и, наоборот, тем слабее будет тиксотропия грунта. Предполагая к _{, 1} , k

E 2 , и K и K 9 _{E 3} соответствует индексу структурного восстановления образцов почвы 1, 2 и 3 соответственно, согласно к результатам подгонки (как показано на рисунке 7), значения K _{e 1} , K _{e 2} и K e равны.4321, 0,9753 и 0,9109 соответственно, затем

Следовательно, можно определить, что тиксотропия образца почвы 2 выше, чем у образцов почвы 1 и 3, и что тиксотропия образца почвы 3 выше, чем у образца почвы 1, поэтому индекс структурного восстановления K _e можно использовать для измерения степени интенсивности тиксотропии почвы. Из приведенного выше обсуждения видно, что структуры образцов почвы 1, 3 и 2 усиливаются по очереди.Чем прочнее структура почвы, тем выше энергия притяжения между частицами. После нарушения частицы с большей вероятностью образуют хлопьевидную структуру, а восстановление прочности более очевидно, чем в грунте с меньшей чувствительностью.

Обсуждая различия и сходства между двумя показателями, мы видим, что после введения понятия тиксотропной чувствительности S _t ( t ) был определен структурный коэффициент восстановления K Как наклон ущелья S _{T T} ( T ) — T Кривая отношений, которая определяется путем выбора определенного периода [ T ₁ , T ₂ ] оценивают тиксотропию, а значение коэффициента восстановления К связано с выбранным периодом времени, а индекс структурного восстановления К _e представляет собой наклон прямой S _t ( t ) − logt , полученное путем аппроксимации кривой по данным испытаний на прочность при неограниченном сжатии глины формации Чжаньцзян. Для одного и того же вида глин формации Чжаньцзян значение K _e является фиксированным и не зависит от времени. Оба они могут быть использованы для измерения степени интенсивности тиксотропии глин формации Чжаньцзян.

Метод оценки тиксотропии

Исследования показали, что тиксотропность почвы тесно связана со структурой, а высокоструктурированная почва имеет тенденцию к сильной тиксотропии (Zhang et al., 2020), и что тиксотропное восстановление обычно происходит быстрее на ранней стадии, медленнее на поздней стадии и наконец, имеет тенденцию быть стабильным (Feng et al., 2004; Ли и др., 2010). По методу классификации состава глины установлен метод классификации по тиксотропии. При рассмотрении классификации тиксотропии временной интервал [0, t ] индекса тиксотропии следует выбирать от 0 до определенного времени покоя t стабильности тиксотропии. Согласно вышеуказанным определениям тиксотропной чувствительности S _T ( T ) и коэффициент структурного восстановления K , если T ₁ = 0 D AY, T ₂ = т , потом

K=-ΔSt(t)Δt=-St(t2)-St(t1)t2-t1 = St(t1)-St(t2)t2-t1   =St(0)-St(t)t = St-St (т)т    (7)

где К – коэффициент структурного восстановления почвы за дней ⁻¹ ; t ₁ и t ₂ – время отдыха в днях; S _{T ( T 2 ) и S T T ( T 2 ) являются тиксотропной чувствительностью, соответствующей T 1 и T 2 , безразмерный; t — определенное время отверждения тиксотропной стабильности, верхняя граница интервала оценки [0, t ] в днях; S t (0) и S t ( t ) – тиксотропная чувствительность, соответствующая 0 дню и t , безразмерная.}

Согласно уравнению (7), для одного и того же вида грунта коэффициент структурного восстановления K и чувствительность S _t взаимно однозначно соответствуют в интервале оценки [0, t ]. Поэтому тиксотропию грунта можно классифицировать, обратившись к классификационному методу строения глины. В инженерной практике по чувствительности структуру глины можно разделить на три категории: малочувствительная (1 ≤ S _t ≤ 2), средняя чувствительность (2 < S _t ≤ 4), и высокой чувствительности (4 < S _t ), среди которых предельное значение чувствительности S _t равно 2 и 4.Ссылаясь на вышеуказанный метод классификации, K и K _II устанавливаются в качестве предельного значения коэффициента структурного восстановления K для классификации тиксотропии. Согласно уравнению (7) получаем

KI = 2-St(t)t    (8) KII = 4-St(t)t    (9)

, где К _I — значение коэффициента восстановления структуры К при S _t = 2, безразмерное; t — верхняя граница интервала оценки [0, t ] в днях; S _t ( t ) – тиксотропная чувствительность, соответствующая t , безразмерная; К _II – значение структурного коэффициента восстановления К при S _t = 4, безразмерное.

Методика классификации степени интенсивности тиксотропии грунта представлена ​​в таблице 4.

Таблица 4 . Стандарт классификации тиксотропии глин.

Для проверки рациональности метода классификации тиксотропии тиксотропность грунта обсуждалась со ссылкой на литературные данные, как показано в таблице 5.

Таблица 5 . Классификация тиксотропии глин разных регионов.

Из таблицы 5 видно, что этот метод может предварительно классифицировать тиксотропию почвы, что может служить ориентиром для классификации почвы по тиксотропии.Однако этот метод является лишь предварительной классификацией тиксотропии грунта с точки зрения макроскопической прочности, рассматривает только один параметр и не обсуждает классификацию грунта с точки зрения микроскопического механизма тиксотропии, поэтому он все еще нуждается в дальнейшем изучении. и проверка.

Заключение

В этом исследовании были проведены испытания на прочность при неограниченном сжатии трех групп ненарушенного грунта и переформованного грунта, которые были отверждены в разное время после переформования формации Чжаньцзян в Китае, чтобы получить значения прочности при неограниченном сжатии образцов и установить взаимосвязь между неограниченная прочность на сжатие и время отверждения реконструированного грунта. Тиксотропность глин формации Чжаньцзян может быть измерена по коэффициенту структурного восстановления и индексу структурного восстановления, и дан метод классификации тиксотропии.

(1) Глина формации Чжаньцзян имеет явную тиксотропию. После 60 дней твердения восстановление прочности переформованного грунта в трех группах составляет 23,49, 49,25 и 41,09% от исходной прочности соответственно.

(2) Тиксотропность грунта может привести к некоторому восстановлению прочности грунта после разрушения конструкции, но это восстановление прочности относительно ограничено.Следовательно, для грунта фундамента с высокой чувствительностью и прочной структурой нельзя игнорировать инженерную катастрофу, вызванную потерей прочности, вызванной нарушением конструкции.

(3) Тиксотропность структурной глины в формации Чжаньцзян может быть измерена коэффициентом структурного извлечения K и индексом структурного извлечения K _e . Чем больше коэффициент структурного восстановления К и индекс структурного восстановления К _и , тем сильнее будет тиксотропия грунта, и наоборот.

(4) Следуя методу структурной классификации грунта, для классификации тиксотропии грунта рассчитывают граничные значения коэффициента структурного восстановления К _I и К _II . Когда значение К меньше значения К _I , тиксотропия грунта слабая. При значении К больше значения К _I и меньше значения К _II тиксотропность почвы умеренная.Когда значение К больше, чем К _II , тиксотропия почвы является сильной.

Заявление о доступности данных

Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору/авторам.

Вклад авторов

BT: написание и доработка статьи. БЖ: эксперимент, обработка данных и написание статьи. ЛХ: перевод.JY: сбор литературных данных и редактирование документов.

Финансирование

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (41867035), Фондом естественных наук Гуанси (2020GXNSFAA297199) и проектом Ключевой лаборатории геотехнической механики и инженерии Гуанси (2016-A-01).

Конфликт интересов

BZ и LX используются Геотехнической инженерной компанией, Уханьским геодезическим геотехническим исследовательским институтом Co., Ltd, MCC Group.JY работает в Hunan Non-Ferrous Institute of Engineering Prospecting Co., Ltd.

Оставшийся автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим всех авторов за их вклад, рецензентов за ценные комментарии и редакцию Frontiers за улучшение оформления этой темы исследования.

Ссылки

Абу-Фарсах, М., Рости, Ф., и Сури, А. (2015). Оценка установки сваи и последующего тиксотропного и консолидирующего воздействия на установку с помощью численного моделирования для полномасштабных испытаний сваи под нагрузкой. Кан. Геотех. Дж. 52, 1734–1746. doi: 10.1139/cgj-2014-0470

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Алам М.К., Шахриар А.Р., Ислам М.С., Ислам Н. и Абедин М.З. (2020). Экспериментальное исследование прочностных и деформационных аспектов тиксотропного старения восстановленных глин. Геотех. геол. англ. 39, 2471–2486. doi: 10.1007/s10706-020-01639-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Аль-Джанаби, Х.А., и Обени, К.П. (2019). «Экспериментальное измерение тиксотропии и чувствительности в глине Мексиканского залива», в 29-й Международной океанской и полярной инженерной конференции. Международное общество морских и полярных инженеров (Гонолулу, Гавайи).

Академия Google

Аль-Рубайи, А.К.Х., и Аль-Салами, Р.С. (2020). Определение чувствительности и тиксотропного воздействия глинистой почвы на выбранных участках в городе Дивания, Ирак. Дж. Саутв. Цзяотунский университет 55, 1–12. doi: 10.35741/issn.0258-2724.55.2.58

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Босуэлл, PGH (1948). Предварительное исследование тиксотропии некоторых осадочных пород. QJ Geol. соц. 104, 499–526. doi: 10.1144/GSL.JGS.1948.104.01-04.23

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чан, К.М. (2015). Восстановление прочности переформованной морской глины, извлеченной из дноуглубительных работ: тиксотропное твердение в сравнении с индуцированной цементацией. Электр. Дж. Геотехн. англ. 20, 5847–5858. Доступно в Интернете по адресу: http://eprints.uthm.edu.my/id/eprint/7419/

.

Диас-Родригес, Дж. А., и Сантамарина, Дж. К. (1999). «Тиксотропия: случай почв Мехико», в XI Панамериканской конференции по механике грунтов и геотехнической инженерии (Бразилия), 441–448.

Академия Google

Ду, М., Лю, П., Вонг, Дж. Э., Клод, П. Л., Лю, Дж., и Леонг, Ю. К. (2020). Коллоидные силы, микроструктура и тиксотропия гелей монтмориллонита натрия (SWy-2): роль электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Заяв. Глина наук. 195:105710. doi: 10.1016/j.clay.2020.105710

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фэн, С. Ли., Чжоу, С. В., Линь, Л., Лю, Т., и Ву, С. К. (2004). Тиксотропия ила в дельте Хуанхэ. Период. Университет Океана. Китай 34, 1053–1056.doi: 10.16441/j.cnki.hdxb.2004.06.027

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гонг В., Ли Л., Чжан С. и Ли Дж. (2020). Долгосрочная установка сваи смещения в глине: аналитическая основа. Океанский инж. 218:108143. doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.108143

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хо, Х., Ци, Л., Лей, Х., и Ю, Г. (2016). Анализ и экспериментальное исследование тиксотропии тяньцзиньской мягкой глины. Чин. Дж. Рок Мех.англ. 3, 631–637. doi: 10.13722/j.cnki.jrme.2015.0435

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чон, С. В., Локат, Дж., Торранс, Дж. К., и Леруэй, С. (2015). Тиксотропное и антитиксотропное поведение мелкозернистых грунтов в различных флокулированных системах. англ. геол. 196, 119–125. doi: 10.1016/j.enggeo.2015.07.014

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Камил, А.С., и Алджорани, А.Н. (2019). Тиксотропное твердение фаоглины. Дж. Инж. 25, 68–78. doi: 10.31026/j.eng.2019.05.05

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Карлссон, М., Янни, Дж., и Дейкстра, Дж. (2019). Моделирование старения вытесняющих свай в природной мягкой глине. Дж. Геотех. Геосреда. англ. 145:04019070. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002110

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Kong, L.W., He, L.J., и Zhang, X.W. (2012). Модель ползучести чжаньцзянской глины и пластиковых компонентов с переменными параметрами. Механизм каменной почвы. 3, 2241–2246. doi: 10.16285/j.rsm.2012.08.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Круйт, Х. Р. (1952). Коллоидная наука: необратимые системы, Vol. 1 . Амстердам: Эльзевир.

Академия Google

Кульчицкий Г.Б. (1975). Тиксотропия грунтов Среднего Приобья и ее учет при устройстве свайных фундаментов. Почвенный мех. Нашел. англ. 12, 168–170. дои: 10.1007/BF01707641

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Ландро, Г., Брюмо, К., Плетце, М.Л., Виннефельд, Ф., и Хаберт, Г. (2018). Свежий взгляд на плотную глиняную пасту: механизмы дефлокуляции и тиксотропии. Коллоидный прибой. Физикохим. англ. Асп. 539, 252–260. doi: 10.1016/j.colsurfa.2017.12.029

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ларсон, Р. Г., и Вей, Ю. (2019). Обзор тиксотропии и ее реологического моделирования. Дж. Реол. 63, 477–501. дои: 10.1122/1.5055031

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Л.Х., Чен Л. и Гао С.Ю. (2010). Экспериментальное исследование тиксотропии мягкого грунта водно-болотных угодий в Цуйху. Механизм каменной почвы. 31, 765–768. doi: 10.16285/j.rsm.2010.03.041

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лютенеггер, А. Дж. (2017). «Сопротивление сдвигу переформованных глин при старении в недренированном состоянии», в материалах 8-й международной конференции «Геотехника по исследованию морских площадок», , материалы (Общество подводных технологий), 378–383. DOI: 10.3723/OSIG17.378

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Митчелл, Дж.К. (1961). Основные аспекты тиксотропии почв. Пер. Являюсь. соц. Гражданский инж. 126, 1586–1620. doi: 10.1061/TACEAT.0008103

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Руге, Дж. К., Молина-Гомес, Ф., и Рохас, Дж. П. (2019). «Исследование тиксотропного поведения глинистых грунтов из озерных отложений высокогорного плато Боготы», в 5-м Международном совещании исследователей материалов и плазменных технологий (5-й IMRMPT) (Сан-Хосе-де-Кукута: IOP Publishing), 012050. дои: 10.1088/1742-6596/1386/1/012050

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шахриар, А. Р., Абедин, М. З., и Ислам, М. А. (2016). «Факторы, влияющие на тиксотропное твердение глин Дакки», в материалах 1-го Саммита по гражданскому строительству Бангладеш (Дакка).

Академия Google

Шахриар, А. Р., Абедин, М. З., и Джадид, Р. (2018). Тиксотропное старение и его влияние на одномерное сжатие мягких восстановленных глин. Заяв.Глина наук. 153, 217–227. doi: 10.1016/j.clay.2017.12.029

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шахриар, А. Р., и Джадид, Р. (2018). Экспериментальное исследование влияния тиксотропного старения на первичное и вторичное сжатие восстановленных драгированных глин. Заяв. Глина наук. 162, 524–533. doi: 10.1016/j.clay.2018.05.023

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шен, Дж. Х., Ван, Р., Чжэн, Ю., Хань, Дж. З. и Чен, X.Д. (2013б). Исследование региональных характеристик микроструктуры структурных глин формации Чжаньцзян. Механизм каменной почвы. 34, 1931–1936 гг. doi: 10.16285/j.rsm.2013.07.043

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шен, Дж. Х., Ван, Р., и Чжу, К. К. (2013a). Исследование закономерностей пространственного распределения серых глин формации Чжаньцзян. Механизм каменной почвы. 34, 331–336+339. doi: 10.16285/j.rsm.2013.s1.073

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Шен, С.Л., Цзян, Ю. К., Цай, Ф. X., и Сюй, Ю. С. (2005). Механизмы изменения свойств мягких глин вокруг колонны глубокого смешения. Чин. Дж. Рок Мех. англ. 24, 4320–4327.

Академия Google

Skemption, AW, and Northey, RD (1952). Чувствительность глин. Геотехника 3, 30–53. doi: 10.1680/geot.1952.3.1.30

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Цугава, Дж. К., Перейра, К. Ф., и Босков, М. Э. (2017). «Тиксотропия шлама водоочистной станции Кубатан, Бразилия», в Geotechnical Frontiers 2017 (Орландо, Флорида), 842–851.дои: 10.1061/9780784480472.090

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ван Л., Цао Л., Ли Л., Ян Л., Сунь Т., Ши П. и др. (2015). Тедтс лопастного сдвига по тиксотропии шламов, вынутых из озер Тайху и Баймаху. Дж. Инж. геол. 23, 548–553. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2015.03.025

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Чжан М., Инь Дж., Ван В., Чжао С. и Тан Б. (2020). Влияние физико-механических свойств структурной глины формации Чжаньцзян на ее тиксотропию. Дж. Инж. геол. 1–9. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-530

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Чжан Н., Ву Х. Н., Шен Дж. С. Л., Хино Т. и Инь З. Ю. (2017). Оценка подъемной силы пластинчатого анкера в структурированной морской глине. Мар. Георесурс. Геотехнолог. 35, 758–768. дои: 10.1080/1064119X.2016.1240273

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Zhang, X. W., Kong, L.W., Chen, C., Li, K.K., and Liu, Y. (2017a). Влияние гидрохимии на структурную прочность глин формации Чжаньцзян. Чин. Дж. Геотех. англ. 39, 1967–1975 гг. дои: 10.11779/CJGE201711003

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Zhang, X.W., Kong, L.W., Guo, A.G., и Tuo, Y.F. (2014a). Экспериментальное исследование распределения пор в прочной структурной глине при различных давлениях консолидации. Механизм каменной почвы. 35, 2794–2800. doi: 10.16285/j.rsm.2014.10.005

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Zhang, X.W., Kong, L.W., Guo, A.G., and Tuo, Y. (2012). Эволюция микроскопических пор в процессе сжатия структурированной глины на основе теста SEM и MIP. Чин. Дж. Рок Мех. англ. 31, 406–412.

Академия Google

Чжан, X. В., Конг, Л. В., Ли, Дж., и Ян, А. В. (2014b). Микроскопический механизм повышения прочности глины при тиксотропном процессе. Чин. Дж. Геотехн. англ. 36, 1407–1413. DOI: 10.11779/CJGE201408005

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Чжан, X. В., Конг, Л. В., Ян, А. В., и Сайем, Х. М. (2017b). Тиксотропный механизм глины: микроструктурное исследование. Почвы найдены. 57, 23–35. doi: 10.1016/j.sandf.2017.01.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Вязкость — абсолютная (динамическая) и кинематическая

Вязкость — важное свойство жидкости при анализе поведения жидкости и ее движения вблизи твердых границ. Вязкость жидкости является мерой ее сопротивления постепенной деформации под действием напряжения сдвига или напряжения растяжения. Сопротивление сдвигу в жидкости вызвано межмолекулярным трением, возникающим, когда слои жидкости пытаются скользить друг относительно друга.

• . динамическая ( или абсолютная )
• кинематическая

Динамическая (абсолютная) Вязкость

Абсолютная вязкость — коэффициент абсолютной вязкости — является мерой внутреннего сопротивления.Динамическая (абсолютная) вязкость — это касательная сила на единицу площади, необходимая для перемещения одной горизонтальной плоскости по отношению к другой плоскости — с единичной скоростью — при поддержании единичного расстояния друг от друга в жидкости.

Касательное напряжение между слоями нетурбулентной жидкости, движущейся по прямолинейным параллельным линиям, можно определить для ньютоновской жидкости как = μ γ (1)

, где

τ = стрижка сдвига в жидкости (N / M ² )

μ = динамическая вязкость жидкости (N S / M ² )

dc = скорость единицы (м / с)

dy = единое расстояние между слоями (м)

γ = DC / DY = скорость сдвига (S ^-1 )

Уравнение (1) известно как закон трения Ньютонов.

(1)

(1) можно переставить на экспресс Динамическая вязкость AS

μ = τ DY / DC

= τ / γ (1b)

В системе СИ единицами измерения динамической вязкости являются Нс/м ² , Па с или кг/(мс) — где

5 м ² = 1 кг/(мс) = 0.67197 LB _M / (Ft S) / (Ft S) = 0.67197 Slug / (Ft S) = 0,02089 фунт _F S / Ft ²

Динамическая вязкость также может быть выражена в метрике CGS (сантиметр -Грам-второй) система как г / (см) , Dyne S / CM ² 2 или Poise (P) , где

• 1 Poise = 1 Dyne S /см ² = 1 г/(см·с) = 1/10 Па·с = 1/10 Н·с/м ²
  

поэтому часто делится на 100 — на меньшую единицу сантипуаз (сП) — где

• 1 P = 100 сП
• 1 сП = 0.01 poise = 0,01 грамм на см второй = 0,001 Паскаль второй = 1 миллипаскал второй = 0,001 N S / M ^{2
  2}
  
  

  вода на 20.2 ^O C (68.4 ^O F) имеет абсолютную вязкость на — 1-сантипуаз .

  -5 Оливковое масло -1 Жидкость Мед +

  жидкость
  Абсолютная вязкость *) ( N S / M 2
  Air	1.983 10
  	воды 10 -3
  	10
  	Глицерин 10 0
  	10 1
  Золотой Сироп	10 2
  Стекло	10 40

  *) при комнатной температуре

  Кинематическая вязкость

  Кинематическая вязкость является отношением — абсолютная (или динамическая) вязкость до плотности — величина, в которой не задействована никакая сила.Кинематическая вязкость может быть получена путем деления абсолютной вязкости жидкости с плотностью массы жидкости, как

  ν = μ / ρ (2)

  , где

  ν = кинематическая вязкость (M ² / S)
  

  μ = абсолютная или динамическая вязкость (N S / M ² )
  

  ρ = плотность (кг / м ³ )
  

  в Si-система теоретический Блок кинематической вязкости м ² / с — или обычно используется STAKE (ST) , где
  

  • 1 ст. (Стокс) = 10 ^-4 м ² / s = 1 см ² /s
    

  Стокс взят из системы единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда).

  с 20169 Stake — это большой блок, который часто делится на 100 в меньший блок сантихой (CST) — где

  • 1 ST = 100 CST
  • 1 CST (Centistoke ) = 10 ^-6 M ² / S = 1 мм ² / S
    
  
  1 м ² / S = 10 ⁶ Centistokes

  Удельная гравитация для воды на 20,2 ^или С (68.4 ^O F) — почти один, и кинематическая вязкость для воды на

  20.2 ^O C (68,4 ^O F) предназначена для практической цели 1.0 мм ² / с ( cСтокс). Более точная кинематическая вязкость для воды при 20,2 ^o C (68,4 ^o F) составляет 1,0038 мм ² /с (сСт).

  Преобразование абсолютной вязкости в кинематическую в имперских единицах может быть выражено как

  ν = 6.7197 10 ^-4 μ / γ (2A)

  Где

  ν = кинематическая вязкость (FT ² / S)
  

  μ = абсолютная или динамическая вязкость (CP)
  

  γ  = удельный вес (фунт/фут ³ )
  

  Вязкость и эталонная температура

  необходимо указывать.В ISO 8217 эталонная температура для остаточной жидкости составляет 100 ^o C . Для дистиллятной жидкости эталонная температура составляет 40 ^o C .

  • для жидкости — кинематическая вязкость уменьшается при более высокой температуре
  • для газа — кинематическая вязкость увеличивается при более высокой температуре использоваться в автономном режиме на мобильных устройствах.

    Другие единицы измерения вязкости

    Универсальные секунды Сейболта (или

    SUS, SSU )

    Универсальные секунды Сейболта (или SUS ) являются альтернативной единицей измерения вязкости. Время истечения составляет универсальные секунды Сейболта ( SUS ), необходимое для прохождения 60 миллилитров нефтепродукта через калиброванное отверстие универсального вискозиметра Сейболта при тщательно контролируемой температуре и в соответствии с методом испытаний ASTM D 88. Этот метод имеет в значительной степени был заменен методом кинематической вязкости.Универсальные секунды Сейболта также называют номером SSU (Seconds Saybolt Universal) или номером SSF (Saybolt Seconds Furol) .

    Кинематическая вязкость в SSU против динамической или абсолютной вязкости может быть выражена как

    ν _SSU = B μ / SG

    = B ν _{Гидстоки} (3)

    где

    ν _SSU = кинематическая вязкость (SSU)

    B = 4.632 для температуры

    100 ^O F (37.8 ^O C) 0

    9 210 ^O F (98,9 ^O C) 0

    μ = динамический или абсолютный Вязкость (CP)

    SG = удельный вес

    ν _{Centistokes = кинематическая вязкость (сантистокс)}

    степени Engler

    градусов Engler используется в Великобритании измерить кинематическую вязкость.В отличие от весов Saybolt и Redwood , весы Engler основаны на сравнении потока испытуемого вещества с потоком другого вещества — воды. Вязкость в Энглера градусов есть отношение времени истечения 200 кубических сантиметров жидкости, вязкость которой измеряется, к времени истечения 200 кубических сантиметров воды при той же температуре (обычно 20 ^o C , но иногда 50 ^o C или 100 ^o C ) в стандартном вискозиметре Engler .

    Ньютоновские жидкости

    Жидкость, в которой напряжение сдвига линейно связано со скоростью деформации сдвига, обозначается как ньютоновская жидкость .

    Ньютоновский материал называют истинной жидкостью, поскольку на вязкость или консистенцию не влияет сдвиг, такой как перемешивание или перекачивание при постоянной температуре. Наиболее распространенные жидкости — как жидкости, так и газы — являются ньютоновскими жидкостями. Вода и масла являются примерами ньютоновских жидкостей.

    Разжижаемые при сдвиге или Псевдопластические жидкости

    A Разбавляемые при сдвиге или псевдопластичные жидкости — это жидкости, вязкость которых уменьшается с увеличением скорости сдвига.Структура не зависит от времени.

    Тиксотропные жидкости

    Тиксотропная жидкость имеет структуру, зависящую от времени. Вязкость тиксотропной жидкости уменьшается с увеличением времени — при постоянной скорости сдвига.

    Кетчуп и майонез являются примерами тиксотропных материалов. Они кажутся густыми или вязкими, но их можно довольно легко прокачать.

    Дилатантные жидкости

    A Жидкость для загущения сдвига — или Дилатантная жидкость — увеличивает вязкость при перемешивании или деформации сдвига.Дилатантные жидкости известны как неньютоновские жидкости.

    Некоторые дилатантные жидкости могут стать почти твердыми в насосе или трубопроводе. При взбалтывании сливки становятся масляно-карамельными соединениями. Глиняный шлам и подобные сильно наполненные жидкости делают то же самое.

    Bingham Plastic Fluids

    Bingham Plastic Fluids имеет предел текучести, который должен быть превышен, прежде чем он начнет течь как жидкость. С этого момента вязкость уменьшается при увеличении перемешивания. Примерами таких продуктов являются зубная паста, майонез и томатный кетчуп.

    Пример — воздух, конвертировать между кинематической и абсолютной вязкостью

    Кинематическая вязкость воздуха на 1 бар (1 10 ⁵ PA, N / M ² ) и 40 ^o C (16,97 10 ^-6 м ² /с) .

    Плотность воздуха можно оценить с помощью закона идеального газа Дж/(кг К)) ((273 ^o Кл) + (33 ^o Кл)) )

        = 1.113 (кг / м ³ )

    , где

    ρ = плотность (кг / м ³ )

    p = абсолютное давление (PA, N / M ² )

    R = индивидуальная газовая постоянная (Дж/(кг К))

    T = абсолютная температура (К)
    

    Абсолютная вязкость может быть рассчитана как

    3 ) 16,97 10 ^-6 (m ² /с)

        = 1.88 10 ^-5 (кг / (мс), n s / m ² )0

    Вязкость некоторых распространенных жидкостей

    крем 914 75

    Centistokes	(CST, 10 -6 M 2 / с, мм 2 / с 0)	Saybolt второй Universal (SSU, SUS)	типичная жидкость
    0,1		Mercury
    1	31	Вода (20 или С)
    4.3	40	Молоко SAE 20 трансмиссионного масла SAE 75 Трансмиссионное масло
    	15.7 80	№ 4 мазута
    	20,6 100
    	43,2 200	Овощное масло
    110	500	500	SAE 30 Crankcase масло SAE 85 Gear Oil
    220	1000	томатный сок SAE 50 картера
    440 +	2 тысячи +	SAE 140 Трансмиссионное масло +
    1100 91 421	5000 +	Глицерин (20 O С) SAE 250 Трансмиссионное масло +
    2200 +	10000 +	Мед +
    6250 +	28000	Майонез
    19000	86000	Сметана

    Кинематическая вязкость может быть преобразована из SSU в сантистоксов с

    ν _{сантистоксов} = 0.226 ν _SSU — 195/ ν _SSU (4)
    

    70

    Где

    ν _SSU <100

    ν _{Гентайстокс} = 0.220 ν _SSU — 135/ ν

  4

  ν ν > 100

  Вязкость и температура

  Кинематическая вязкость жидкостей, таких как вода, ртуть, масла SAE 10 и масло №.3 — и такие газы, как воздух, водород и гелий, указаны на диаграмме ниже. Обратите внимание, что

  • для жидкостей — вязкость уменьшается с температурой
  • для газов — вязкость Увеличение с температурой

  Измерение вязкости

  Три типа устройств используются для измерения вязкости

  • Вискозиметр Сейболта
  • Ротационный вискозиметр

  Роль гематокрита и реологических свойств эритроцитов

  Abstract

  Мы сравнили тиксотропные/разжижающие сдвиг свойства крови и реологические свойства эритроцитов в группе пациентов с серповидно-клеточной анемией (СС) и здоровых лиц (АА).Тиксотропию крови определяли путем измерения вязкости крови капиллярным вискозиметром с использованием «петлевого» протокола: скорость сдвига начиналась с 1 с ^-1 и постепенно увеличивалась до 922 с ^-1 , а затем снова снижалась до исходной скорости сдвига. . Измерения проводились при нативном гематокрите для двух групп и при гематокрите 25% и 40% для лиц с AA и SS соответственно. Деформируемость эритроцитов определяли с помощью эктацитометрии, а свойства агрегации эритроцитов — с помощью обратного лазерного рассеяния в зависимости от времени.АК при нативном гематокрите имели более высокий тиксотропный индекс крови, чем СС при нативном гематокрите и АК при гематокрите 25%. При гематокрите 40% SS имел более высокий тиксотропный индекс крови, чем AA. В то время как деформируемость и агрегация эритроцитов были ниже в SS, чем в AA, прочность агрегатов эритроцитов была выше в первой популяции. Наши результаты показали, что 1) анемия является основным модулятором тикстропии крови и 2) низкая деформируемость эритроцитов и высокая сила агрегатов эритроцитов вызывают более высокую тиксотропию крови у пациентов с ССД, чем у лиц с АА, при гематокрите 40%, что может влиять на кровоток в определенных сосудистых отсеки.

  Образец цитирования: Вент-Шмидт Дж., Вальс X, Романа М., Харди-Дессорс М.Д., Лемонн Н., Бийо М. и др. (2014) Тиксотропия крови у пациентов с серповидноклеточной анемией: роль гематокрита и реологических свойств эритроцитов. ПЛОС ОДИН 9(12): е114412. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114412

  Редактор: Wilbur Lam, Университет Эмори/Технологический институт Джорджии, США

  Получено: 10 октября 2014 г.; Принято: 10 ноября 2014 г .; Опубликовано: 11 декабря 2014 г.

  Авторское право: © 2014 Vent-Schmidt et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

  Доступность данных: Авторы подтверждают, что по утвержденным причинам к данным, лежащим в основе выводов, применяются некоторые ограничения доступа. Данные предоставляются по запросу, поскольку они не могут быть обнародованы из-за юридических ограничений. Данные принадлежат Лаборатории и Академической больнице.Запросы данных можно направлять доктору Филиппу Коннесу ([email protected]; UMR Inserm 1134 — CHU de Pointe à Pitre — Guadeloupe) или в Центр серповидно-клеточной анемии Академической больницы Пуэнт-а-Питр.

  Финансирование: Авторы не имеют поддержки или финансирования для отчета.

  Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

  Введение

  Кровь представляет собой неньютоновскую жидкость с вязкоупругими, разжижающими сдвиг и тиксотропными свойствами.Тиксотропная жидкость — это жидкость, вязкость которой зависит не только от касательного напряжения, но и от предыдущей истории движения внутри жидкости [1]. Вязкость обычно уменьшается с увеличением продолжительности движения жидкости. Сообщалось о повышенной тиксотропии крови у пациентов с ишемической болезнью сердца [2]. Совсем недавно Франко и соавт. [3] сообщили о повышенной тиксотропии крови у пациентов с болезнью Гоше. В обоих случаях повышенная тиксотропия крови являлась результатом повышенной агрегации эритроцитов [2], [3] и предполагалась причастной к сердечно-сосудистым и микроциркуляторным нарушениям, наблюдаемым при этих двух заболеваниях.

  Пациенты с серповидноклеточной анемией (СС) имеют тяжелые гематологические и гемореологические нарушения [4]. Несколько исследований продемонстрировали ключевую роль аномальной гемореологии в нескольких острых и хронических осложнениях ССД [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [ 12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]. Однако, несмотря на то, что в значительном количестве исследований приводились данные о вязкости крови при СС, нет опубликованных данных о тиксотропных свойствах крови в этой популяции.В настоящем исследовании представлены сведения о тиксотропных и сдвиго-разжижающих свойствах крови, определяемых при различных показателях гематокрита и реологических свойствах эритроцитов (эритроцитов) у больных ССД по сравнению со здоровыми лицами (АА).

  Материалы и методы

  пациентов

  Образцы крови от 18 пациентов с ССД и 8 АА были взяты в пробирки с ЭДТА. Субъекты АА были здоровыми людьми: т. е. без нарушений гемоглобина, анемии или заболеваний сердца, легких или обмена веществ. Набранные пациенты с СС регулярно наблюдаются в отделении серповидно-клеточной анемии Академической больницы Пуэнт-а-Питр (Пуэнт-а-Питр, Гваделупа).Анализ и количественное определение гемоглобина выполняли с использованием изоэлектрофокусировки (Multiphor II System, GE HEALTH CARE, Buck, UK), электрофореза на цитратном агаре и катионообменной высокоэффективной жидкостной хроматографии (VARIANT, Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA). Все участники были в возрасте ≥18 лет. Пациенты с серповидноклеточной анемией на момент исследования находились в клиническом устойчивом состоянии (, т.е. без вазоокклюзионного криза, острых медицинских осложнений в течение последнего месяца или переливаний крови/флеботомий в течение последних 3 месяцев).Участники дают информированное письменное согласие на участие. Исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией и одобрено Региональным комитетом по этике (CPP Sud/Ouest Outre Mer III, Бордо, Франция, регистрационный номер: 2010-A00244-35).

  Определение вязкости плазмы и тиксотропии крови

  Все гемореологические измерения проводились в соответствии с последними рекомендациями по международной стандартизации методов/измерений и интерпретации реологии крови [23].

  Плазма представляет собой ньютоновскую жидкость: ее вязкость измеряли при 106 с ^-1 и 37°C с помощью капиллярного вискозиметра (Vilastic bioprofiler, Vilastic Scientific, Austin, TX). Вязкость крови определяли при нативном гематокрите (Hct) и скорректированном Hct (25% для АА и 40% для SS) с использованием аутологичной плазмы, при 37 ° С и при различных скоростях сдвига с помощью одного и того же капиллярного вискозиметра, колеблющегося с частотой 2 Гц [24]. Hct измеряли микроцентрифугированием в соответствии с рекомендациями [23].Мы использовали «петлевой» протокол, в котором скорость сдвига начиналась с 1 с ^-1 и постепенно увеличивалась (каждые 5 секунд) до 922 с ^-1 , а затем снова постепенно уменьшалась до начальной скорости сдвига (см. [1]). , [24] для деталей). Этот протокол петли гистерезиса позволяет охарактеризовать тиксотропные свойства крови. Рассчитывали разницу между двумя кривыми вязкости крови для данной скорости сдвига и наносили на график зависимость от скорости сдвига: рассчитывали площадь под кривой, которая соответствовала индексу тиксотропии [1].

  Эктацитометрия

  Деформируемость эритроцитов

  определяли при 37°C при девяти напряжениях сдвига в диапазоне от 0,30 до 30 Па с помощью лазерного дифракционного анализа (эктацитометрия) с использованием лазерного оптического анализатора вращательных клеток (LORCA, RR Mechatronics, Hoorn, Нидерланды). Система подробно описана в [23]. Вкратце, 25 мкл приготовленной суспензии крови смешивали с 5 мл поливинилпирролидона (ПВП; вязкость  = 30 сП, RR Mechatronics, Hoorn, Нидерланды) и сдвигали в стеклянную систему Куэтта.Дифракционную картину анализировали на компьютере и рассчитывали индекс удлинения. Увеличение индекса удлинения свидетельствует о большей деформируемости эритроцитов. Значение 3 Па часто считается порогом между низким/умеренным напряжением сдвига и высоким значением напряжения сдвига. При давлении 3 Па деформируемость эритроцитов в большей степени зависит от способности мембраны эритроцитов деформироваться под действием напряжения сдвига, тогда как при давлении выше 3 Па деформируемость эритроцитов в основном зависит от внутренней вязкости клеток [23].

  Определение агрегационных свойств эритроцитов

  Агрегационные свойства эритроцитов определяли при 37°C по обратному лазерному рассеянию в зависимости от времени с использованием лазерного оптического вращательного анализатора клеток (LORCA, RR Mechatronics, Hoorn, Нидерланды) после доведения Hct до 40% с помощью аутологичной плазмы [23]. ], [25].Кровь вводили в систему Куэтта LORCA и подвергали сильному сдвиговому усилию в течение 2 с (800 с ^-1 ) для диссоциации ранее существовавших агрегатов эритроцитов. Затем сдвиг резко прекращали и в течение 2 минут контролировали изменения интенсивности обратного рассеяния лазера (силлектограмма) с помощью фотодиодного датчика, встроенного в LORCA. Паттерны силлектограммы демонстрируют три экспоненциальные фазы с непосредственной короткой фазой подъема, соответствующей времени, необходимому эритроцитам для восстановления своей исходной формы.Амплитуда и время полураспада всей силлектограммы использовались для расчета индекса агрегации эритроцитов (ИИ). Порог дезагрегации эритроцитов (т. е. прочность агрегатов эритроцитов) определяли с использованием процедуры повторной итерации [25]: применяли 7 отдельных предварительно заданных скоростей сдвига от 7,5 с ^-1 до 800 с ^-1 с чередованием или без него. скорость сдвига дезагрегации суспензии эритроцитов, чтобы найти минимальную скорость сдвига, необходимую для предотвращения агрегации эритроцитов.

  Статистический анализ

  Различные реологические и гемореологические термины, используемые в этой статье, определены в таблице 1.Непарный критерий Стьюдента или однофакторный дисперсионный анализ с критерием Ньюмена-Кеулса для апостериорных сравнений использовали для сравнения гемореологических параметров между двумя группами или различными условиями гематокрита, соответственно. Статистическую значимость определяли по значению p<0,05. Анализы проводились с использованием Statistica (версия 8.0; StatSoft, Талса, штат Оклахома, США), и данные представлялись как среднее ± стандартное отклонение.

  Результаты

  Деформируемость и агрегационные свойства эритроцитов

  Как и ожидалось, нативный Hct был ниже у SS, чем у AA (рис.1А, р<0,001). В то время как агрегация эритроцитов (АИ) была ниже у СШ, чем у АА (р<0,05), порог дезагрегации эритроцитов был в 3 раза выше в первой группе (р<0,001). Вязкость плазмы, как правило, была несколько выше в группе SS (p = 0,07). При всех уровнях напряжения сдвига, кроме самого низкого, СС имели более низкую деформируемость эритроцитов, чем АК (табл. 2, p<0,001). Время восстановления формы эритроцитов, рассчитанное по силлектограмме, было меньше при СС, чем при АА (рис. 1Д, р<0,001).

  Рисунок 1.

  A–E: гематокрит (Hct; 1A), индекс агрегации эритроцитов (AI; ​​1B), сила агрегатов эритроцитов (порог дезагрегации; 1C), вязкость плазмы (1D) и время образования красной крови восстановление формы клеток (1Е) у больных серповидноклеточной анемией (СС) и здоровых лиц (АА).Достоверная разница: *p<0,05; ***р<0,001.

  https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114412.g001

  Тиксотропия крови

  На рис. 2А представлена ​​средняя петля гистерезиса для SS при исходном Hct и для AA как при исходном, так и при 25% Hct. В целом вязкость крови при СС при нативном Hct была выше, чем вязкость крови при AA при 25% Hct (p<0,01). Напротив, вязкость крови при AA при нативном Hct была выше, чем вязкость крови при SS при нативном Hct и AA при 25% Hct (p<0.001). На рис. 2Б представлены результаты различия двух кривых вязкости крови, полученных при петлевом протоколе для каждой группы: площадь под кривой была рассчитана и соответствовала тиксотропному индексу (рис. 2В). Наши результаты показали, что АК с нативной Hct имеет более высокий тиксотропный индекс, чем как АК с 25% Hct, так и SS с нативной Hct (p<0,001), в то время как тиксотропный индекс был одинаковым для этих двух последних условий.

  Рисунок 2.

  A–C: Петля гистерезиса вязкости крови (2A), различия между двумя кривыми вязкости крови петли, полученными на рис.3А (2Б) и тиксотропный индекс крови у больных серповидноклеточной анемией (СС) при нативном гематокрите и у здоровых лиц (АА) как при нативном, так и при 25% гематокрите. Достоверно от AA при нативном гематокрите: ***p<0,001.

  https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114412.g002

  Рис. 3A и 3B изображают среднюю петлю гистерезиса и разницу в вязкости крови между двумя кривыми для SS и AA при 40% Hct соответственно. Вязкость крови при 40% Hct была выше у SS, чем у AA (p<0.001). Мы наблюдали более высокий индекс тиксотропии у SS, чем у AA (рис. 3C, p<0,05).

  Рисунок 3.

  A–C: Петля гистерезиса вязкости крови (3A), различия между двумя кривыми вязкости крови петли, полученными на рис. 3A (3B), и тиксотропный индекс крови у пациентов с серповидно-клеточной анемией (СС) и здоровые люди (АА) при гематокрите 40%. Достоверная разница: *p<0,05.

  https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114412.g003

  Обсуждение

  Впервые наши результаты продемонстрировали, что низкий Hct (анемия) был ответственен за потерю тиксотропии крови и свойство разжижения при сдвиге в SS.Напротив, при скорректированном Hct (40%) SS демонстрировал более высокий тиксотропный индекс крови, чем AA.

  Явление тиксотропии жидкости обусловлено микроструктурой жидкой системы. Тиксотропию можно объяснить как следствие агрегации взвешенных частиц. Если суспензия находится в состоянии покоя, частицы могут агрегировать. С другой стороны, при сдвиге суспензии слабые физические связи между частицами нарушаются, и сеть распадается на отдельные агрегаты, которые в дальнейшем могут распадаться на более мелкие фрагменты [1].Это явление можно наблюдать в крови, где эритроциты образуют агрегаты при низкой скорости сдвига [24], [26]. Агрегация эритроцитов в крови является обратимым процессом с прогрессирующей дезагрегацией, происходящей либо с увеличением времени сдвига, либо с увеличением уровня скорости сдвига [24], [26].

  Как упоминалось выше, у пациентов с ишемической болезнью сердца [2] и болезнью Гоше [3] сообщалось об увеличении тиксотропии крови. Высказано предположение, что повышенная тиксотропия крови в обоих случаях [2], [3] может иметь отношение к сердечно-сосудистым и микроциркуляторным нарушениям, наблюдаемым при этих заболеваниях.Наше исследование является первым, в котором исследуется тиксотропия крови у пациентов с серповидно-клеточной анемией. Мы показали, что тиксотропия крови при нативном Hct была ниже в SS по сравнению с AA. Hct AA был в 2 раза выше, чем у SS, что позволяло чаще контактировать между соседними эритроцитами с образованием агрегатов. Действительно, хроническая анемия является основной причиной низкого тиксотропного индекса, обнаруживаемого при СС. Кроме того, при разбавлении цельной крови АА аутологичной плазмой для снижения Hct до того же уровня, что и при СС (т.е. 25%), тиксотропный индекс снижался и становился сходным с таковым у СС.

  Напротив, когда Hct доводили до 40% в обеих группах, тиксотропный индекс крови был выше у SS, чем у AA. Тот факт, что тиксотропный индекс крови был выше у СС, чем у АА, при 40% Hct, но не при 25% Hct, свидетельствует о том, что анемия в некоторой степени компенсирует другие реологические нарушения эритроцитов. Образование агрегатов эритроцитов более затруднено при 25% Hct, чем при 40%. Действительно, влияние нарушений агрегации эритроцитов на тиксотропию крови при СС менее значимо при нативном Hct, чем при 40% Hct.

  Большая тиксотропия крови в СС при 40% Hct не была обусловлена ​​более высокой агрегацией эритроцитов, так как индекс агрегации был ниже в этой группе по сравнению с АК. Низкая агрегация эритроцитов при СС в основном обусловлена ​​наличием очень ригидных слабоагрегируемых эритроцитов [4], [17], [27]. Однако, хотя агрегация эритроцитов была ниже при СС, сила агрегатов эритроцитов (т.е. порог дезагрегации эритроцитов) была выше, чем у АА; ранее сообщалось о находке [22], [28] и, в частности, при СШ с гломерулопатией [18].Это открытие указывает на то, что с прогрессивным увеличением скорости сдвига менее частые и/или менее крупные агрегаты эритроцитов при SS сохраняются дольше, чем при AA, тем самым влияя на вязкость крови при низкой, а также при умеренной и высокой скорости сдвига. При высокой скорости сдвига вязкость крови в основном зависит от способности эритроцитов к деформации [26]. Меньшая деформируемость эритроцитов при СС приводила к более высокой вязкости крови при высокой скорости сдвига по сравнению с АК.

  Во время нисходящей фазы петлевого протокола вязкость крови сначала зависит от способности эритроцитов восстанавливать свою первоначальную форму, а затем, при низкой скорости сдвига, вязкость крови зависит от способности эритроцитов к повторной агрегации [24].Время восстановления формы эритроцитов было короче при СС по сравнению с АК, но это не свидетельствует о лучшей эластичности мембран эритроцитов. Вместо этого это является следствием плохой деформации эритроцитов при высокой скорости сдвига, заставляющей их быстро возвращаться к своей неподвижной жесткой форме, когда скорость сдвига уменьшается или прекращается. Действительно, быстрый возврат эритроцитов при СС к их жесткой форме в большей степени влиял на вязкость крови пациентов, чем при ОА в зонах высокого сдвига. По мере постепенного снижения скорости сдвига до более низких значений происходит повторное формирование агрегатов эритроцитов, но этот процесс был менее выражен при SS, чем при AA, и может объяснить, почему, например, разница в вязкости крови во время петлевого протокола через 6 с ⁻¹ достиг пика в 43% в SS, в то время как он достиг пика в 36% в AA.

  Таким образом, более низкая тиксотропия крови, обнаруженная при нативном Hct при СС, может быть защитной характеристикой от вредного воздействия на сосудистую функцию. Тем не менее, Hct зависит от диаметра сосудов, явление, называемое эффектом Фареуса [29], [30]. Действительно, вполне возможно, что in vivo и в некоторых сосудистых компартментах тиксотропия крови может быть выше при SS, чем при AA, и влиять на структуру кровотока и сосудистое сопротивление. К сожалению, размер группы SS был слишком мал, чтобы исследовать связь между тиксотропией крови и клинической тяжестью/осложнениями.Очевидно, необходимы дальнейшие исследования на больших когортах для проверки клинической важности и актуальности тиксотропных характеристик крови при патологии серповидноклеточной анемии.

  Вклад авторов

  Задумал и спроектировал эксперименты: JVS XW PC. Проведены эксперименты: JVS XW NL MB MEJ PC. Проанализированы данные: JVS XW MR MDHD NL PC. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: JVS XW PC. В написании рукописи участвовали: JVS XW MR MDHD NL MB MEJ PC.

  Каталожные номера

  1. 1. Barnes HA (1997) Тиксотропия — обзор. J Неньютоновская гидромеханика 70: ​​1–33.
  2. 2. Dintenfass L (1962) Тиксотрофия крови и склонность к тромбообразованию. Сого Ринсё 11: 233–239.
  3. 3. Франко М., Коллек Э., Коннес П., ван ден Аккер Э., Биллетт де Виллемёр Т. и др. (2013) Аномальные свойства эритроцитов предполагают роль в патофизиологии болезни Гоше. Кровь 121: 546–555.
  4. 4.Chien S, Usami S, Bertles JF (1970)Аномальная реология насыщенной кислородом крови при серповидноклеточной анемии. J Clin Invest 49: 623–634.
  5. 5. Вая А., Колладо С., Алис Р., Даси М.А. (2014)Агрегация эритроцитов при гомозиготной серповидно-клеточной анемии. Clin Hemorheol Microcirc.
  6. 6. Вая А., Кольядо С., Даси М.А., Перес М.Л., Эрнандес Дж.Л. и соавт. (2013)Деформируемость и агрегация эритроцитов при гомозиготной серповидноклеточной анемии. Clin Hemorheol Microcirc.
  7. 7.Ланде В.М., Эндрюс Д.Л., Кларк М.Р., Брахам Н.В., Блэк Д.М. и другие. (1988) Частота болевых кризов при гомозиготной серповидно-клеточной анемии: корреляция с деформируемостью эритроцитов. Кровь 72: 2056–2059.
  8. 8. Нэш Г.Б., Джонсон К.С., Мейзельман Х.Дж. (1986)Влияние напряжения кислорода на вязкоупругое поведение эритроцитов при серповидноклеточной анемии. Кровь 67: 110–118.
  9. 9. Stuart J, Johnson CS (1987)Реология серповидно-клеточных заболеваний. Baillieres Clin Haematol 1: 747–775.
  10. 10. Кларк М.Р., Мохандас Н., Шохет С.Б. (1980)Деформируемость насыщенных кислородом необратимо серповидных клеток. Дж. Клин Инвест 65: 189–196.
  11. 11. Эмбери С.Х., Кларк М.Р., Монрой Г., Мохандас Н. (1984)Сопутствующая серповидно-клеточная анемия и альфа-талассемия. Влияние на патологические свойства серповидных эритроцитов. Дж. Клин Инвест 73: 116–123.
  12. 12. Мохандас Н., Эванс Э. (1989) Реологические и адгезионные свойства серповидных клеток. Потенциальный вклад в гематологические проявления заболевания.Ann NY Acad Sci 565: 327–337.
  13. 13. Ballas SK (1991) Серповидноклеточная анемия с редкими болезненными кризами характеризуется пониженной деформируемостью эритроцитов и увеличением количества плотных клеток. Am J Hematol 36: 122–130.
  14. 14. Баллас С.К., Ларнер Дж., Смит Э.Д., Суррей С., Шварц Э. и др. (1988) Реологические предикторы тяжести болезненного кризиса серповидно-клеточной анемии. Кровь 72: 1216–1223.
  15. 15. Баллас С.К., Смит Э.Д. (1992) Изменения эритроцитов во время развития болезненного кризиса серповидно-клеточной анемии.Кровь 79: 2154–2163.
  16. 16. Connes P, Lamarre Y, Hardy-Dessources MD, Lemonne N, Waltz X и др. (2013)Снижение отношения гематокрита к вязкости и повышение уровня лактатдегидрогеназы у пациентов с серповидноклеточной анемией и рецидивирующими язвами ног. PLoS One 8:e79680.
  17. 17. Connes P, Lamarre Y, Waltz X, Ballas SK, Lemonne N и др. (2014)Гемолиз и патологическая гемореология при серповидноклеточной анемии. Бр Дж. Гематол 165: 564–572.
  18. 18. Ламарр Ю., Романа М., Лемонн Н., Харди-Дессорс М.Д., Тарер В. и др.(2014)Альфа-талассемия защищает пациентов с серповидно-клеточной анемией от макроальбуминурии благодаря своему влиянию на реологические свойства эритроцитов. Clin Hemorheol Microcirc 57: 63–72.
  19. 19. Ламарр Ю., Романа М., Вальс Х., Лаланн-Мистрих М.Л., Трессьер Б. и др. (2012)Гемореологические факторы риска острого грудного синдрома и болевого вазоокклюзионного криза у детей с серповидно-клеточной анемией. Гематология 97: 1641–1647.
  20. 20. Лемер С., Ламар И., Лемонн Н., Вальс Х., Чахед С. и др.(2013) Тяжелая пролиферативная ретинопатия связана с повышенной вязкостью крови при серповидноклеточном гемоглобине С, но не при серповидноклеточной анемии. Clin Hemorheol Microcirc 55: 205–212.
  21. 21. Лемон Н., Ламар И., Романа М., Мукиси-Муказа М., Харди-Дессорс М.Д. и др. (2013) Повышает ли повышенная деформируемость эритроцитов риск остеонекроза при серповидноклеточной анемии? Кровь 121: 3054–3056.
  22. 22. Tripette J, Alexy T, Hardy-Dessources MD, Mougenel D, Beltan E, et al.(2009) Агрегация эритроцитов, совокупная сила и потенциал транспорта кислорода в крови являются ненормальными как при гомозиготной серповидно-клеточной анемии, так и при серповидно-гемоглобиновой болезни С. Гематологические 94: 1060–1065.
  23. 23. Baskurt OK, Boynard M, Cokelet GC, Connes P, Cooke BM, et al. (2009) Новые рекомендации по гемореологическим лабораторным методам. Clin Hemorheol Microcirc 42: 75–97.
  24. 24. Терстон Г.Б., Хендерсон Н.М., Дженг М. (2004)Влияние переливания эритроцитафереза ​​на вязкоупругость серповидноклеточной крови.Clin Hemorheol Microcirc 30: 83–97.
  25. 25. Хардеман М.Р., Доббе Дж.Г., Инс К. (2001) Лазерный оптический вращательный анализатор клеток (LORCA) в качестве агрегометра эритроцитов. Clin Hemorheol Microcirc 25: 1–11.
  26. 26. Baskurt OK, Meiselman HJ (2003) Реология крови и гемодинамика. Семин Тромб Хемост 29: 435–450.
  27. 27. Йерсо Р., Вальс Х, Мора П., Романа М., Лемонн Н. и др. (2014)Влияние окислительного стресса на реологию эритроцитов у пациентов с серповидноклеточной анемией.Бр Дж. Гематол 166: 601–606.
  28. 28. Вальс X, Хедревиль М., Синнапа С., Ламарр Ю., Сотер В. и др. (2012) Отсроченное положительное влияние интенсивных упражнений на агрегатную силу эритроцитов у пациентов с серповидноклеточной анемией. Clin Hemorheol Microcirc 52: 15–26.
  29. 29. Барби Дж. Х., Кокелет Г. Р. (1971) Эффект Фареуса. Микроваск Рез. 3:6–16.
  30. 30. Goldsmith HL, Cokelet GR, Gaehtgens P (1989) Робин Фареус: эволюция его концепций в физиологии сердечно-сосудистой системы.Am J Physiol 257:h2005–1015.

  Тиксотропная текучесть суспензий волокон химической целлюлозы :: BioResources

  Ша, Дж., Чжан, Ф., и Чжан, Х. (2016). «Тиксотропная текучесть суспензий волокон химической целлюлозы», BioRes. 11(2), 3481-3493.

  ---

  Abstract

  В данной статье представлены результаты исследования тиксотропных свойств суспензий целлюлозных волокон лиственных и хвойных пород. Для исследования тиксотропной реологии использовали три реологических теста, включая петли гистерезиса, тесты на ползучесть и пошаговые эксперименты.Обе суспензии демонстрировали плато на своих кривых течения, где небольшое изменение приложенного напряжения сдвига приводило к резкому изменению соответствующих скоростей сдвига. Во время экспериментов на ползучесть при контролируемом напряжении они развивались либо в сторону быстрого сдвига (жидкий режим), либо в сторону остановки (твердый режим), в зависимости от относительных значений приложенного напряжения, что приводило к бифуркации вязкости вокруг критического напряжения. Переходная реакция пульпы на ступенчатые изменения скорости сдвига была отмечена характерным временем, которое можно использовать для понимания скорости структурных изменений пульповых суспензий.Более того, текучесть и тиксотропность суспензий целлюлозы в значительной степени зависели от истории сдвига и времени покоя перед измерением.

  ---

  Загрузить PDF

  ---

  Полный текст статьи

  Тиксотропная текучесть суспензий волокон химической целлюлозы

  Цзюлун Ша, Фанг Чжан и Хуэй Чжан *

  В данной статье представлены результаты исследования тиксотропных свойств суспензий целлюлозных волокон лиственных и хвойных пород. Для исследования тиксотропной реологии использовали три реологических теста, включая петли гистерезиса, тесты на ползучесть и пошаговые эксперименты.Обе суспензии демонстрировали плато на своих кривых течения, где небольшое изменение приложенного напряжения сдвига приводило к резкому изменению соответствующих скоростей сдвига. Во время экспериментов на ползучесть при контролируемом напряжении они развивались либо в сторону быстрого сдвига (жидкий режим), либо в сторону остановки (твердый режим), в зависимости от относительных значений приложенного напряжения, что приводило к бифуркации вязкости вокруг критического напряжения. Переходная реакция пульпы на ступенчатые изменения скорости сдвига была отмечена характерным временем, которое можно использовать для понимания скорости структурных изменений пульповых суспензий.Более того, текучесть и тиксотропность суспензий целлюлозы в значительной степени зависели от истории сдвига и времени покоя перед измерением.

  Ключевые слова: неньютоновские жидкости; реология; зависимость от времени; Уступчивость; Суспензии волокон целлюлозы

  Контактная информация: Ключевая лаборатория целлюлозно-бумажной науки и технологии провинции Цзянсу, Совместный инновационный центр Цзянсу по эффективной переработке и использованию лесных ресурсов, Нанкинский университет лесного хозяйства, Нанкин, 210037, Китай; * Автор, ответственный за переписку: [email protected]

  ВВЕДЕНИЕ

  Суспензии таких материалов, как глина, коллоидные гели, пасты, минералы, волокна, и т. д. , являются реологически сложными, поскольку состоят из мелких частиц, диспергированных в жидкости (Coussot 2005; Mewis and Wagner 2009). Различные специфические взаимодействия частица-частица и частица-среда могут приводить к образованию микроструктур в покоящейся суспензии. Изменения микроструктуры, вызванные сдвигом, усложняют реологические свойства этих суспензий, и могут быть обнаружены различные типы макроскопических характеристик течения, такие как истончение при сдвиге, текучесть, вязкоупругость и тиксотропия (Møller et al.  2006; Лопес-Санчес и Фарр, 2012). С точки зрения как практического, так и фундаментального значения, тиксотропия и предел текучести являются двумя наиболее важными реологическими свойствами суспензий (Coussot et al.  2002a; Denn and Bonn 2011; Derakhshandeh et al.  2012).

  Тиксотропия — это непрерывное снижение вязкости с течением времени, когда образец отрывается от покоящегося материала, и последующее восстановление вязкости с течением времени при прекращении потока (Barnes 1997; Mewis and Wagner 2009).С физической точки зрения, этот эффект, по-видимому, является результатом связи сдвиг/структура через конкуренцию между процессом реструктуризации (старение) и вызванной сдвигом деструктуризацией (омоложением сдвигом) (Coussot et al. 2002a; Ovarlez et al.  2013). Подробные отчеты о тиксотропии можно найти в существующих обзорах по этому вопросу (см. Bauer and Collins, 1967). Более свежие и общие обзоры в этой области сделаны Барнсом (1997) и Мьюисом и Вагнером (2009).

  Суспензии волокон целлюлозы представляют собой гетерогенные смеси, в которых волокна считаются находящимися в твердой фазе.Уникальное поведение волокон в суспензии обуславливает их сложную реологию (Керекес, 2006; Дерахшанде, и др., , 2011). Суспензии пульпы обычно состоят из волокон диаметром от 15 до 30 мкм и длиной от 1 до 3 мм. Волокна механически переплетаются, образуя волокнистые хлопья со средним размером от 2 до 3 см. Повышенная консистенция волокон также увеличивает количество взаимодействий между волокнами, образуя сетчатую структуру по всей подвеске. Степень взаимодействия между соседними волокнами в текучей пульповой суспензии можно оценить с помощью числа скученности N , которое определяется как количество волокон в объеме, выметаемом на длину одного волокна (Kerekes and Schell 1992). .Его можно описать следующим образом,

  , где L — длина волокна (м), d — диаметр волокна (м), δ — грубость волокна (кг/м), C _v — объемная консистенция (%), и C _m  – массовая консистенция (%) суспензии.

  В предыдущих исследованиях Мейсон (1950) определил N = 1 как «критическую концентрацию», при которой впервые происходят столкновения между волокнами в сдвиговом потоке. Керекес и Шелл (1992) показали, что при N = 60 количество точек контакта на волокно составляет примерно три, что достаточно для создания когерентной волоконной сети.В последующем исследовании Martinez et al.  (2003 г.) определили другое критическое число скученности,  N _gel (примерно 16), которое представляет собой «число скученности геля». Ниже этого значения суспензии волокон существенно разбавлены, тогда как выше этого значения они значительно взаимодействуют, но не полностью иммобилизуются, поскольку они находятся при N  = 60. Силы в точках контакта волокон создают волокнистые хлопья, которые придают сети механическую прочность. Чтобы создать движение в подвеске, необходимо преодолеть предел текучести, характеризующий прочность сети; это достигается за счет усилия сдвига, превышающего предел текучести (Divoux et al.  2011; Бонн и др.  2015). Были проведены обширные исследования предела текучести волокнистых суспензий, и для определения предела текучести целлюлозных суспензий использовались различные методы измерения (Викстрём и Расмусон, 1998; Керекес, 2006; Дерахшандех,  и др.,  2010a). Среди этих исследований Martinez et al.  (2003) исследовали влияние переменных первичных волокон на предел текучести суспензий целлюлозы и составили следующее уравнение:

  , где τ _y — предел текучести (Па), N _gel — число скученности геля ( i.е. , N _гель = 16), а α и β  являются константами, характерными для типа волокна.

  Помимо предела текучести, суспензии целлюлозных волокон также проявляют тиксотропные свойства. При изучении текучести и тиксотропных свойств суспензий волокон механической целлюлозы при массовой концентрации 6% Derakhshandeh et al. (2012) обнаружили, что концентрированные суспензии механической пульпы демонстрируют плато на своих кривых текучести, где небольшое увеличение напряжения сдвига приводит к скачку соответствующей скорости сдвига.Кроме того, как история сдвига, так и время покоя перед измерением играли значительную роль в реологии суспензий механической пульпы. На практике тиксотропные свойства пульповых суспензий часто не учитывают из-за отсутствия простых, систематизированных и актуальных методик их характеристики.

  Измерение тиксотропных материалов очень сложно. Такие явления, как оползание стенки, полосатость при сдвиге или другие неоднородности при сдвиге, седиментация, трещинообразование при сдвиге и необратимые изменения в образце — все это может привести к ошибкам (Meeker et al .2004 г.; Мьюис и Вагнер, 2009). Типичные способы измерения тиксотропии включают петли гистерезиса, эксперименты с пуском и ползучестью, а также эксперименты с переходными процессами, созданными путем ступенчатого изменения напряжения сдвига или скорости сдвига (Barnes 1997). Метод гистерезиса был введен Грином и Вельтманном (1943) и состоит в линейном увеличении и уменьшении скорости сдвига (или иногда напряжения сдвига) между нулем и максимальным значением. Серьезным ограничением петли гистерезиса является то, что скорость сдвига и эффект времени связаны в этом эксперименте, даже если он обеспечивает относительную меру тиксотропии.В начальном эксперименте образец внезапно подвергается постоянной скорости сдвига после того, как он находился в состоянии покоя, тогда как в эксперименте на ползучесть прикладывается постоянное напряжение сдвига. Главных недостатков метода петли гистерезиса можно избежать при использовании ступенчатых изменений скорости сдвига или напряжения сдвига; этот подход обычно используется в тиксотропных суспензиях (Völtz et al , 2002).

  Волокна из химической целлюлозы производятся путем химической экстракции лигнина и гемицеллюлозы, и этот тип целлюлозы важен для международной целлюлозной промышленности.Для производителей бумаги химические целлюлозные волокна в основном используются для соответствия высоким стандартам качества бумаги при сохранении желаемого выхода (Chauhan et al.  2011). Однако имеется мало информации о тиксотропном поведении суспензий целлюлозы. Таким образом, целью данной статьи было изучение тиксотропии суспензий волокон химической целлюлозы с использованием петель гистерезиса, экспериментов на ползучесть и пошаговых экспериментов. Одновременно оценивали влияние времени покоя на тиксотропию пульповых суспензий.Полученные результаты дают некоторое общее представление о микроструктурном поведении этих суспензий.

  Таблица 1. Свойства волокон лиственной и хвойной целлюлозы

  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ

  Материалы

  Были получены две товарные беленые крафт-целлюлозы на основе древесины лиственных и хвойных пород в высушенном виде. Хвойная целлюлоза, содержащая 100% ели и пихты, поставлялась компанией Canfor Pulp Products (Принс-Джордж, Британская Колумбия, Канада).Целлюлоза из твердой древесины производилась из эвкалипта и была получена от CMPC (Санта-Фе, Чили). Среднюю длину волокна, ширину волокна, зернистость и содержание мелочи для обеих видов целлюлозы определяли на предприятии с помощью анализатора качества волокна (FQA) (OpTest Equipment Inc., Хоксбери, Канада), как показано в таблице 1. Оба сырья были набухали в дистиллированной воде в течение 24 ч, а затем диспергировали с помощью блендера (PTI, Vorchdorf, Austria) в течение 5 мин для получения однородной суспензии. Поскольку пузырьки воздуха задерживаются в концентрированных суспензиях и вызывают нежелательные отклонения в результатах, суспензии лиственных и хвойных пород с числом скучивания 120 готовили с использованием деионизированной воды для реологических измерений, за исключением испытаний по определению влияния числа скучивания на предел текучести. .

  Реометрия

  Мера относительной важности поперечных сил по сравнению с броуновским движением дается с использованием числа Пекле (уравнение 3),

  где K _B — постоянная Больцмана (м ² с ^-2 кгK ^-1 ), R — радиус частиц (м), T 900 K) — скорость сдвига (с ^-1 ), а η   — средняя вязкость (Па·с).Для суспензий с более высокими числами Пекле вклад броуновских движений в структурообразование пульпы незначителен (Barnes 1997; Derakhshandeh et al.  2012). Как правило, пересечение между броуновскими и неброуновскими системами частиц часто принимается в пределах от 1 до 5 мкм (Moller et al. 2009). Более мелкие частицы остаются во взвешенном состоянии за счет броуновского движения, тогда как более крупные системы практически неподвижны. Суспензии волокон целлюлозы являются хорошим примером последнего случая.

  Все реологические измерения проводились с использованием реометра с регулируемым напряжением (Brookfield Engineering Laboratories Inc., Массачусетс, США). В основной измерительной системе использовалась геометрия вращающейся лопасти в чашке, преимущество которой по сравнению с другими геометриями заключается в том, что можно избежать скольжения стенки и эффектов осаждения (Barnes and Nguyen 2001; Cullen et al.  2003). Однако при использовании устройств с лопастной геометрией, , т. 2005 г.; Дерахшанде  и др.  2010b). Лопасти имели четыре лопасти диаметром 40 мм, длиной 80 мм и диаметром чашки 100 мм.

  Реологические эксперименты включали петли гистерезиса, переходные эксперименты, проводимые путем ступенчатого изменения скорости сдвига, и эксперименты на ползучесть. Перед измерениями суспензии волокон пульпы подвергались предварительному сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 минут с последующей релаксацией в течение заданного периода времени для обеспечения воспроизводимых исходных условий во время последующих испытаний (Cloitre et al.  2000; Эрвин и др.  2010). Все измерения проводились при 26°С.

  РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

  Петли гистерезиса

  В эксперименте с гистерезисом напряжение сдвига увеличивалось и уменьшалось линейно со скоростью изменения 0,2 Па/с и 0,1 Па/с соответственно. Были зарегистрированы суспензии пульпы и мгновенная скорость сдвига твердой и мягкой древесины. На рис.1. В рампе напряжения были выделены разные области. При низких приложенных напряжениях наблюдалось непрерывное увеличение скорости сдвига. Этот результат, возможно, связан с небольшими деформациями, соответствующими небольшим необратимым перестройкам. При критическом напряжении 64 Па произошло резкое увеличение скорости сдвига (примерно с 0,2 с ^-1  до 7 с ^-1 ), что привело к появлению кажущегося плато на кривой течения, что свидетельствует об отсутствии значительных потоков. возможны ниже этого критического напряжения сдвига.Следовательно, это критическое напряжение можно определить как (зависящий от времени) статический предел текучести, который является мерой механической прочности конструкции подвески (Vasu et al.  2013). Плато на кривой течения обусловлено эффектом полос сдвига, который также наблюдался в коллоидных гелях, бентонитовых суспензиях и других мягких стеклообразных материалах (Coussot et al. 2002b; Møller et al. 2006). Сразу после этого плато произошло резкое изменение наклона кривой скорости напряжения, при этом напряжение и скорость сдвига увеличились вместе.При последующем уменьшении приложенного напряжения восходящие и нисходящие кривые потока перекрывались, что позволяет предположить, что на кривой течения присутствовала стационарная ветвь, независимая от истории течения. Дальнейшее уменьшение приложенного напряжения приводило к непрерывному уменьшению скорости сдвига, но резкого снижения скорости сдвига (на порядок) здесь не наблюдалось. Этот эффект был в основном связан с тем, что микроструктура в суспензиях деструктурировалась довольно быстро, в то время как процесс восстановления происходил гораздо медленнее во время линейного снижения напряжения.

  Рис. 1. Петли гистерезиса для суспензий лиственной (а) и хвойной (б) целлюлозы при одинаковом числе скученности 120. Образцы предварительно подвергали сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 мин с последующим 10-минутным отдыхом . На вставке показано изменение критического напряжения сдвига со временем покоя.

  Площадь, окруженная петлей для древесины хвойных пород, была намного меньше, чем для древесины лиственных пород с тем же номером скученности, что означает, что суспензии целлюлозы из лиственных пород демонстрировали более жесткое тиксотропное поведение.Критическое напряжение сдвига для древесины хвойных пород (приблизительно 5,9 Па) также было намного ниже (рис. 1), что указывает на то, что взаимодействие между волокнами древесины твердых пород было сильнее при заданном числе скученности. Более того, формы кривых гистерезиса для лиственной и мягкой древесины были аналогичными, что позволяет предположить, что системы суспензии целлюлозы демонстрируют сильное механическое сходство.

  Когда изучалось влияние времени покоя на эксперименты по гистерезису, образцы подвергались предварительному сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 минут, а затем им давали отдохнуть в течение 2, 5, 10, 15 или 20 минут перед сдвигом. рампа напряжения.Значения критического напряжения сдвига, полученные из профилей гистерезиса, были нанесены на график в зависимости от времени покоя (рис. 1, вставки). Статический предел текучести для суспензий как лиственной, так и хвойной целлюлозы увеличивался нелинейно с увеличением времени покоя, и лишь незначительное увеличение предела текучести наблюдалось, когда время покоя превышало 300 с. Учитывая этот результат, можно утверждать, что в состоянии покоя эти материалы перестраивались, что приводило к более жесткой «структуре». Однако через заданный промежуток времени микроструктуры в суспензиях развивались медленнее.Явное увеличение предела текучести с течением времени покоя согласуется с предыдущими наблюдениями за пределом текучести тиксотропных жидкостей (Алдерман, и др., , 1991 г.; Куссо, , и др., , 2002 г.; Нгуен, и др., , 2006 г.). объясняет некоторые трудности измерения предела текучести.

  Для изучения влияния числа краудинга на свойства текучести суспензий целлюлозы критические значения напряжения сдвига суспензий целлюлозы при пяти различных числах краудинга были получены из экспериментов по гистерезису (рис.2). Более высокое число скученности привело к более высокому пределу текучести. По сравнению с суспензиями целлюлозы из хвойной древесины суспензии из целлюлозы из твердой древесины имели гораздо более высокий предел текучести при каждом числе скученности. Этот эффект объясняется более высокой средней длиной волокон хвойной древесины, что приводит к меньшему количеству волокон и точек контакта волокон при заданном числе скученности и, следовательно, к уменьшению сцепления в сети волокон. Уравнение 2 использовалось для корреляции предела текучести с числом скученности (таблица 2). Значение β было около 2.06, что отличалось от значения β 2,3, указанного Martinez et al.  (2003 г.). Это различие в основном связано с различными видами целлюлозы и используемыми экспериментальными методами.

  Рис. 2. Предел текучести как функция числа скученности, полученный из петель гистерезиса. Образцы подвергали предварительному сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 минут с последующим 10-минутным отдыхом.

  Таблица 2.  Сводка подобранных коэффициентов к уравнению. 2 для всех тестов

  Испытания на ползучесть

  Для более детального изучения течения суспензии по наблюдаемому плато на кривых течения, представленных на рис.1, испытания на ползучесть проводились по следующей методике. Образцы были предварительно подвергнуты сдвигу при высокой скорости сдвига 200 с ^-1 в течение 3 минут с последующим 10-минутным отдыхом. Начиная с одинаковых начальных условий, к образцам прикладывались различные уровни напряжения сдвига, и результирующая скорость сдвига измерялась как функция времени (рис. 3). На рис. 3 при малых значениях напряжения сдвига скорость сдвига снижается до фиксированного значения, что связано с ограничением реометра для измерения малых скоростей сдвига.В этом случае минимальная скорость сдвига указывает на твердое поведение суспензий.

  Рис. 3.  Испытания на ползучесть суспензий лиственной (а) и хвойной (б) целлюлозы при одном и том же числе скученности 120. отдых.

  Испытания на ползучесть показали, что оба материала демонстрируют твердый и жидкий режимы. При низком напряжении вызванная деформация имела тенденцию к насыщению (твердый режим), тогда как при высоком напряжении они имели тенденцию к протеканию с постоянной скоростью (жидкий режим).При значениях напряжения, меньших критического значения ( σ _c ≈ 63 Па), результирующая скорость сдвига была настолько низкой, что наращивание конструкции преобладало над ее разрушением, и материал постепенно переставал течь. Напротив, при значениях напряжения выше σ _c разрушение микроструктуры побеждало, и течение со временем ускорялось, пока скорость сдвига не достигла стационарного значения. Примечательно, что переход между этими двумя системами является прерывистым в зависимости от приложенного напряжения; это явление называется бифуркацией вязкости (Coussot et al .2002а; Оварлез и др. . 2013). Кроме того, важно, что значения критического напряжения для обеих суспензий пульпы, полученные в результате измерений ползучести, достаточно хорошо согласуются со значениями статического предела текучести, измеренными в экспериментах по гистерезису.

  В тиксотропных образцах важно время покоя перед измерением, и кривые ползучести могут стать довольно сложными, особенно вблизи предела текучести (Uhlherr et al. . 2005; Coussot et al.  2006; Mewis and Wagner 2009 ).На рис. 4 показаны кривые ползучести, соответствующие разным временам покоя для суспензий целлюлозы из хвойной древесины при постоянном напряжении сдвига 5,8 Па. По мере увеличения времени покоя деформация сначала выравнивалась, а через некоторое время снова увеличивалась. Кроме того, кривые ползучести сместились вниз, а время задержки увеличилось, т.е. , вязкость увеличилась со временем покоя, предположительно отражая нарастание структуры. Такой же сдвиг в профилях скорости сдвига наблюдался в суспензиях древесной массы лиственных пород (данные не представлены).

  Рис. 4.  Скорость сдвига по сравнению с . время для суспензий целлюлозы из хвойной древесины при числе скученности 120 и постоянном напряжении 5,8 Па. Образец предварительно подвергали сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 минут с последующим 2-, 5-, 10- или 20-минутным отдыхом. .

  Пошаговые эксперименты

  Тиксотропное поведение обычно изучается путем отслеживания реакции материала в результате пошаговых изменений скорости сдвига или напряжения сдвига, поскольку в таких экспериментах можно четко разделить связанные эффекты времени и истории сдвига.Суспензии целлюлозы из лиственной и хвойной древесины при числе скученности 120 исследовали с помощью последовательности ступеней скорости сдвига, которая включала первоначальную более низкую скорость сдвига (60 с ^-1 ), которая была увеличена до соответствующей скорости сдвига (80 с ^-1 ). , 100 с ^-1 или 120 с ^-1 ), а затем снова сокращается до 60 с ^-1 . Полученные значения кажущейся вязкости ( µ _app ) измеряли как функцию времени. Пример шагов скорости сдвига вместе с откликом системы,  i.е. кажущаяся вязкость суспензии древесной массы лиственных пород показаны на рис. 5(а) и (б) соответственно.

  Вязкость уменьшалась со временем при заданной скорости сдвига, и суспензия проявляла более низкую вязкость при скорости сдвига 100 с ^-1 . С конструктивной точки зрения подвеска деструктурировалась при сдвиге. Однако, когда приложенная скорость сдвига была уменьшена со 100 с ^-1  до 60 с ^-1 , кажущаяся вязкость увеличилась, что указывает на увеличение структуры.Однако со временем вязкость все равно уменьшалась. Эта тенденция была противоположна той, которую наблюдал Derakhshandeh et al. (2012). Примечательно, что на кривой вязкости была точка поворота, когда суспензия подвергалась сдвигу со скоростью сдвига 100 с ^-1 , в основном из-за инерционных эффектов, вызванных измерительной головкой реометра (Barnes 1997).

  Рис. 5.  Отклик суспензии волокон целлюлозы лиственных пород при числе скученности 120 при ступенчатом изменении скорости сдвига.(а) Ступенчатые изменения скорости сдвига; б) динамическая вязкость суспензии. Образец был предварительно подвергнут сдвигу при 200 с ^-1 в течение 3 минут с последующим 10-минутным отдыхом.

  Простая экспоненциальная модель использовалась для количественной оценки тиксотропных характеристик (уравнение 4),

  , где τ  – характерное время (с), а µ _∞  – вязкость после сдвига в течение бесконечного времени (Па·с). Чтобы получить характерное время τ , для анализа точек экспериментальных данных использовалась нелинейная регрессия.Соответствующие характерные времена ( τ ) приведены в таблице 3 для образцов при различных начальных и конечных условиях течения. Для первой скорости сдвига с ^-1 характеристические постоянные времени составляли τ = 55,08 с и τ = 37,92 с для суспензий целлюлозы из лиственной и хвойной древесины, соответственно. Для начальной скорости сдвига ^-1 с характерное время ( τ ) увеличивалось по мере увеличения конечной скорости сдвига. Однако для конечной скорости сдвига s ^-1 τ уменьшилось с увеличением начальной скорости сдвига.После ступенчатого изменения скорости сдвига τ  становилось больше, когда образцы подвергались сдвигу при той же скорости сдвига 60 с ^-1 . Этот результат указывает на то, что структура суспензий пульпы определяется столкновениями, вызванными сдвигом. Кроме того, характерные постоянные времени для суспензий лиственной древесины были больше, чем для суспензий целлюлозы из мягкой древесины при заданной скорости сдвига, что было обусловлено свойствами самих волокон.

  Таблица 3. Тиксотропные константы времени для суспензий целлюлозы лиственных и хвойных пород

  ВЫВОДЫ

  1. Суспензии волокон химической целлюлозы представляют собой тиксотропные материалы, демонстрирующие явление текучести, и наблюдается удивительное сходство в наблюдаемом поведении текучести между суспензиями целлюлозы из мягкой и лиственной древесины.
  2. Суспензии целлюлозы демонстрировали плато на своих кривых текучести, где небольшое изменение напряжения сдвига приводило к скачку соответствующей скорости сдвига. Наблюдалась бифуркация вязкости, когда суспензии переставали течь, чтобы достичь состояния насыщения ниже критического напряжения, и достигали установившегося состояния течения при более высоких значениях.
  3. Время отдыха перед экспериментом повлияло на кривые ползучести. По мере увеличения времени покоя кривые ползучести смещались вниз, а время задержки увеличивалось.
  4. Простая экспоненциальная модель может использоваться для количественной оценки тиксотропной реакции пульпы на ступенчатые изменения скорости сдвига и характеристического времени, отражающего изменения микроструктуры суспензии пульпы.

  БЛАГОДАРНОСТЬ

  Это исследование было поддержано грантами Инновационного проекта последипломного образования провинции Цзянсу (KYLX15_0933) и Приоритетной академической программы развития высших учебных заведений Цзянсу (PAPD).

  ССЫЛКИ

  Олдерман, Нью-Джерси, Митен, Г.Х., и Шервуд, Д.Д. (1991). «Лопастичная реометрия бентонитовых гелей», Journal of Non-Newton Fluid Mechanics 39(3), 291-310. DOI: 10.1016/0377-0257(91)80019-G

  Барнс, HA (1997). «Тиксотропия: обзор», Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 70(1), 1-33. DOI: 10.1016/S0377-0257(97)00004-9

  Барнс, Х.А., и Нгуен, К.Д. (2001). «Реометрия с вращающейся лопастью: обзор», Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 98(1), 1-14.DOI: 10.1016/S0377-0257(01)00095-7

  Бауэр, У. Х., и Коллинз, Э. А. (1967). «Релаксационная теория явлений переноса», в: Реология: теория и приложения , Ф. Р. Эйрих (редактор), Academic Press, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, стр. 83-144.

  Бонн Д., Паредес Дж., Денн М.М., Бертье Л., Диву Т. и Манневиль С. (2015). «Материалы с пределом текучести в мягких конденсированных средах» (http://arxiv.org/abs/1502.05281v1), по состоянию на 18 февраля 2015 г.

  .

  Чаухан В.С., Кумар Н., Кумар, М., Чакрабарти, С.К., и Тапар, С.К. (2011). «Влияние раздельного и смешанного рафинирования целлюлозы лиственных и хвойных пород на свойства бумаги», Journal of Korea TAPPI 43(4), 1-10.

  Куссо, П., Нгуен, К.Д., Хюинь, Х.Т., и Бонн, Д. (2002a). «Бифуркация вязкости в тиксотропных текучих жидкостях», Journal of Rheology 46(3), 573-589. DOI: 10.1122/1.1459447

  Куссо, П., Рейно, Дж. С., Бертран, Ф., Мушерон, П., Гильбо, Дж. П., Хьюн, Х.Т., Ярни С. и Лесюер Д. (2002b). «Сосуществование жидкой и твердой фаз в текучих стеклообразных материалах», Physical Review Letters 88, 218301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.218301

  Куссо, П. (2005). «Реофизика паст и гранулированных материалов», в: Реометрия паст, суспензий и гранулированных материалов: применение в промышленности и окружающей среде , John Wiley & Sons Inc., Хобокен, Нью-Джерси, США. DOI: 10.1002/0471720577.index

  Куссо, П., Табуто, Х., Шато, X., Токер, Л., и Оварлез, Г. (2006). «Старение и твердое или жидкое поведение в пастах», Journal of Rheology 50(6), 975-994. DOI: 10.1122/1.2337259

  Каллен, П. Дж., О’Доннелл, С. П., и Хоушка, М. (2003). «Вращательная реометрия с использованием сложных геометрий: обзор», Journal of Texture Studies 34(1), 1-20. DOI: 10.1111/j.1745-4603.2003.tb01052.x

  Клойтр, М. Р., Боррега, Р., и Лейблер, Л. (2000). «Реологическое старение и омоложение в микрогелевых пастах», Physical Review Letters, 85, 4819-4822.DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.4819

  Денн, М.М., и Бонн, Д. (2011). «Проблемы течения жидкостей с пределом текучести», Rheologica Acta 50(4), 307-315. DOI: 10.1007/s00397-010-0504-3

  Дерахшанде Б., Хацикириакос С. Г. и Беннингтон С. П. Дж. (2010a). «Кажущийся предел текучести суспензий целлюлозных волокон», Journal of Rheology 54(5), 1137-1154. DOI: 10.1122/1.3473923

  Дерахшанде Б., Хацикириакос С. Г. и Беннингтон С. П. Дж.(2010б). «Реология суспензий волокон пульпы с использованием ультразвуковой доплеровской велосиметрии», Rheologica Acta 49(11), 1127-1140. DOI: 10.1007/s00397-010-0485-2

  Дерахшанде Б., Керекес Р. Дж., Хацикириакос С. Г. и Беннингтон С. П. Дж. (2011). «Реология суспензий целлюлозных волокон: критический обзор», Chemical Engineering Science, 66(15), 3460-3470. DOI: 10.1016/j.ces.2011.04.017

  Дерахшанде Б., Влассопулос Д. и Хацикириакос С. Г. (2012).«Тиксотропия, текучесть и ультразвуковая доплеровская велосиметрия в суспензиях волокон пульпы», Rheologica Acta 51(3), 201-214. DOI: 10.1007/s00397-011-0577-7

  Диву, Т., Барентин, К., и Манневиль, С. (2011). «Перерегулирование напряжения в жидкости с простым пределом текучести: обширное исследование, сочетающее реологию и велосиметрию», Soft Matter  19(19), 9335-9349. DOI: 10.1039/C1SM05740E

  Эйн-Мозаффари, Ф., Беннингтон, С.П., и Дюмон, Г.А. (2005). «Предел текучести суспензии и динамическая реакция резервуаров с перемешиваемой пульпой», Chemical Engineering Science  60(8), 2399-2408.DOI: 10.1016/j.ces.2004.11.019

  Эрвин, Б.М., Власопулос, Д., и Клойтр, М. (2010). «Реологические отпечатки пальцев стареющего мягкого коллоидного стекла», Journal of Rheology 54(4), 915-939. DOI: 10.1122/1.3442901

  Керекес, Р. Дж., и Шелл, С. Дж. (1992). «Характеристика флокуляции волокон по фактору скученности», Journal of Pulp and Paper Science  18 (1), 32–38.

  Керекес, Р. Дж. (2006). «Реология волокнистых суспензий в производстве бумаги: обзор последних исследований», Nordic Pulp and Paper Research Journal 21(5), 598-612.DOI: 10.3183/NPPRJ-2006-21-05-p598-612

  Грин Х. и Велтманн Р. (1943). «Анализ тиксотропии суспензий пигмент-носитель: основные принципы петли гистерезиса», Industrial and Engineering Chemistry, Analytical Edition 3, 201-206. DOI: 10.1021/i560115a015

  Лопес-Санчес, П. и Фарр, Р. (2012). «Степенные законы упругости и текучести суспензий растительных частиц», Food Biophysics 7(1), 15-27. DOI: 10.1007 / s11483-011-9238-8

  Мартинес, Д.М., Кискинен Х., Алман А.К. и Керекес Р.Дж. (2003). «О подвижности текучих суспензий для производства бумаги и ее связи с образованием», Journal of Pulp and Paper Science 29(1), 341-347.

  Мейсон, С.Г. (1950). «Движение волокон в текущих жидкостях», Pulp and Paper Canada Magazine, , 51(5), 93-100.

  Микер, С.П., Боннеказ, Р.Т., и Клойтр, М. (2004). «Скольжение и течение в пастах с мягкими частицами», Physical Review Letters  92(19), 1–4.DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.198302

  Мьюис, Дж., и Вагнер, Нью-Джерси (2009). «Thixotropy», Advances in Colloid and Interface Science 147-148, 214-227. DOI: 10.1016/j.cis.2008.09.005

  Мёллер, П. К. Ф., Мьюис, Дж., и Бонн, Д. (2006). «Предел текучести и тиксотропия: о сложности измерения предела текучести на практике», Soft Matter  2(4), 274–283. DOI: 10.1039/B517840A

  Моллер П., Фолл А., Чиккади В., Деркс Д. и Бонн Д. (2009).«Попытка классифицировать поведение жидкости при стрессе текучести», Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical 367 (1909), 5139-5155. DOI: 10.1098/rsta.2009.0194

  Нгуен, К., Акройд, Т., Де-Ки, Д., и Чжу, Л. (2006). «Измерения предела текучести в суспензиях: межлабораторное исследование», Korea-Australia Rheology Journal 18(1), 15-24.

  Оварлез Г., Токер Л., Бертран Ф. и Куссо П. (2013). «Реопексия и настраиваемый предел текучести суспензий сажи», Soft Matter, 9(23), 5540.DOI: 10.1039/C3SM27650C

  Uhlherr, P., Guo, J., Tiu, C., and Zhang, X.M. (2005). «Вызванный сдвигом переход твердое тело-жидкость в материалах с пределом текучести с химически различной структурой», Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 125(2-3), 101-119. DOI: 10.1016/j.jnnfm.2004.09.009

  Васу, К.С., Кришнасвами, Р., Сампат, С., и Суд, А.К. (2013). «Предел текучести, тиксотропия и полосатость при сдвиге в разбавленной водной суспензии пластин из нескольких слоев оксида графена», Soft Matter  9(25), 5874-5882.DOI: 10.1039/C3SM50708D

  Вёльц, К., Ничке, М., Хейманн, Л., и Реберг, И. (2002). «Тиксотропия в макроскопических суспензиях сфер», Physical Review E 65(5), 051402.