Раскрыт секрет вязкости бетона (и других текучих масс)
Ученые раскрыли работающий на микроуровне механизм, приводящий к деформации сдвига – увеличению вязкости плотных суспензий по мере нарастания скорости их перетекания. Это открытие имеет непосредственное практическое значение для цементной промышленности.
Во многих отраслях промышленности суспензии необходимо перекачивать по трубам и обрабатывать. Нередко – и именно так происходит в цементной промышленности – для получения требуемых свойств материала необходимо максимально сократить влагосодержание суспензии. Но если заставить течь суспензии повышенной плотности, их вязкость нарастает – т.н. непрерывная деформация сдвига. Это означает, что затраты энергии на быструю транспортировку цемента по трубам растут быстрее, чем в случае простых жидкостей (вроде воды). Поэтому расходы при перекачке бетона на большие расстояния (при строительстве небоскребов, например) недопустимо высоки.
Более того, при определенных условиях вязкость текучей массы (вещества в полужидком состоянии) нарастает (при заданной скорости) до бесконечности – это явление называют дискретной деформацией сдвига. Оно приводит к серьезным авариям. Чтобы решить эти проблемы, фирма Lafarge, гигант французской цементной промышленности, обратилась за помощью к ученым Лаборатории науки и технологии поверхностей факультета материаловедения Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе. Лабораторию возглавляет профессор Николас Спенсер (Nicholas Spencer).
Объединив данные лабораторных экспериментов и цифрового моделирования, ученые дошли до истоков деформации сдвига в плотной массе. Оказывается, текучесть такого рода плотных систем определяется контактами между текущими частицами. Иными словами, реология (текучесть) массы тесно связана с ее трибологическими (фрикционными) свойствами.
Начальный момент нарастания вязкости связан с переходом от одного типа смазки частиц к другому. На низкой скорости контакты между частицами суспензии смазываются жидкостной пленкой (так называемый гидродинамический режим). Когда частицы начинают течь быстрее, эта плёнка разрушается и поверхности крупинок начинают непосредственно контактировать друг с другом. Трение между ними теперь такое же, как и между сухими крупинками (этот режим называется граничной смазкой).
Именно переход между различными режимами смазки является причиной деформации сдвига. При высокой относительной сплошности и коэффициенте трения течение массы во втором режиме может вовсе стать невозможным – при разрушении жидкостной пленки вязкость возрастает до бесконечности (происходит дискретная деформация сдвига).
Но, как показали эксперименты, коэффициент трения между частицами легко контролируется полимерными добавками. Полимеры связываются с поверхностью частиц и покрывают их «густой щеткой», снижающей этот коэффициент. Комбинированные реологические и трибологические испытания подтвердили, что полимеры позволяют массе течь при более высокой относительной сплошности – при этом дискретная деформация сдвига не возникает. Теперь к зёрнам цемента можно будет добавить полимеры в небольших количествах – и с подвижностью бетонной смеси при высокой скорости проблем не будет.
Данные исследования представлены в журнале Physical Review Letters.
По материалам пресс-релиза ВТШ.
Артём Космарский nauka21vek.ru