Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

Из приведенного выше следует, что по абсолютным величинам (модулям сдвига, пределу прочности структу­ры) упругие свойства структурированных систем малы по сравнению с упругими свойствами твердых тел, поэто­му ими обычно пренебрегают, рассматривают лишь структурную (пластическую) вязкость, которая являет­ся сравнительно очень высокой, более; заметной и легко­измеримой.

В области малых напряжений сдвига пластическая вязкость, соответствующая телу Бингама, будет наи­большей и не зависящей от скорости сдвига. Это свиде­тельствует о медленном течении систем с нарушенной (но не разрушенной структурой), которая успевает вос­станавливаться в, самом процессе течения.

Если возникающие (при течении) напряжения сдви­га выше предела упругости для данной системы, то в таком случае коэффициент вязкости будет зависеть от степени нарушения структурной связности и может до­стигать наименьшего значения при полном ее разруше­нии, поэтому понятие о вязкости, как о величине постоян­ной, не может быть в общем случае распространено на структурированные системы. В широком диапазоне скоростей сдвига подвижность таких систем зависит от степени нарушения структуры, поэтому вязкие свойства правильнее характеризовать двумя параметрами; коэф­фициентом вязкости и соответствующим напряжением сдвига. Как известно, для многих неньютоновских жид­костей кривые течения могут быть описаны уравнением Бингама:

Система, течение которой следует этому уравнению, является идеально пластичным веществом. Под действи­ем напряжений меньше предела пластичности оно вооб­ще не течет, т. е. т—т0=0. Однако большинство так называемых вязкопластических систем обнаруживает от­клонения от уравнения (2.3). Результаты многих иссле­дований показывают, что цементный гель не является идеально-пластическим телом, поэтому уравнение (2.3) не может быть использовано в том виде, в каком его предложил Бингам.

Учитывая вязкопластические свойства цементного ге­ля в диапазоне X от 1 до 1,65, в уравнение (2.3) Н. В. Шведовым введена вместо Рт величина предельно­го напряжения сдвига то, являющаяся более характер­ным параметром текучести при скоростях сдвига, возни­кающих при вибрации, перекачивании насосами и т. п. [5, 86]. В этом случае применительно к условиям тече­ния цементного геля по цилиндрической трубе, уравне­ние (2.3) примет вид:

Dv 1

— = — (т-т0), (2.4)

Dp Ц

Где т — напряжение сдвига, соответствующее данному градиенту ско­рости; и — общая вязкость системы, состоящая из двух слагаемых:

^ = (2.5)

Fxjv — нормальная или ньютоновская вязкость; [лСтр — структурная вязкость, вызванная добавочным сопротивлением движению со сто­роны разрушенных элементов структуры цементного геля

Для бесструктурных жидкостей то=0, |iCTP=0 и уравнение (2.4) будет соответствовать уравнению гидро­динамики Ньютона, интегралом которого для случая истечения через цилиндрическую трубу (капилляр) яв­ляется известное выражение Пуазейля:

Согласно уравнению Шведова — Бингама (2.4), тече­ние цементного геля через цилиндрическую трубу пред­ставляется следующим образом. Движущаяся система рассматривается^ как состоящая из бесконечного числа коаксиальных полых цилиндров, перемещающихся отно­сительно друг друга с различной скоростью, которая воз­растает от стенки трубы к ее оси. При этом предполага­ется, что скорость слоя, прилегающего к стенке трубы, равна нулю, а скорость слоев, близких к оси трубы, наи­большая. В связи с этим в структурных связях, обуслов­ив
ленных силами Ван-дер-Ваальса возникают напряжения сдвига, убывающие с увеличением скорости от стенки Трубы в направлении оси потока. Часть потока, ограни­ченная поверхностью радиуса г0, перестает течь и дви­жется йодобно упругопластическому телу с одинаковой скоростью VR.

Вследствие отмеченных явлений распределение ско­ростей в цилиндрической трубе в направлении, перпен­дикулярном потоку, должно происходить по усеченной параболе (рис. 2.7).

Соответствующий профиль распределения скоростей при вязкопластическом течении системы формируется следующим образом: весь поток в трубе может рассмат­риваться как бы состоящим из двух частей: так называ­емого входного участка и области структурного течения. : Во входном участке материал^поступающий в трубу, ис­пытывает тормозящее действие стенок. В связи с этим первоначальный "прямолинейный профиль скоростей по­стоянно преобразовывается и принимает вид усеченной параболы, пределом которого при вязком течении жид­кости является пуазейлевский (параболический) про­филь.

Длина входного участка, в пределах которого форми­руется профиль распределения скоростей по сечению по­тока, зависит, очевидно, от толщины пристенного слоя, с его увеличением диаметр внутреннего ядра потока будет уменьшаться. Умень­шение диаметра ядра сопровождается уско­рением течения, по­скольку общее количе­ство протекающей мас­сы должно оставаться постоянным. После

Прохождения потоком Рис- 2-7- Распределение скоростей Некоторого участка в поперечном сечении потока

Трубы формирование профиля распределения скоростей заканчивается, и течение происходит уже по установив­шейся закономерности.

В целях проверки применимости уравнения (2.4) к свойствам цементного геля были изучены режимы те­чения по цилиндрическим трубам диаметром от 0,016 до 0,1 м и длиной от 1 до 4 м при постоянном и переменном напоре.

Ом

В опытах использовали несколько сортов цемента различного минералогического состава. Было установле­но, что при характер движения цементного геля резко меняется (рис. 2.8). При водоцементных отношени­ях, соответствующих упругопластическому состоянию, система не деформируясь скользит по стенке цилиндри­ческой трубы и ядром служит все сечение трубы г0=г. В этом случае при Х=1 в пристенном слое возникают напряжения (около 150 Па), что значительно меньше предельного напряжения сдвига (246—260 Па), поэтому в пристенном слое течение цементного геля обусловлива­ется пластическими деформациями, т. е. релаксационной ползучестью. С увеличением водоцементного отношения, сопротивление цементного геля сдвигу становится мень­ше» чем напряжение сдвига, возникающее у стенок тру­бы. В связи с этим ядро занимает в потоке сравнительно меньшее место: г0=г/п.

Как уже указывалось, если напряжение сдвига т не­значительно превосходит т0 (при небольших перепадах давления) и цементный гель течет как вязкопластичес- кая масса, тогда можно пренебречь инерционными сила­ми по сравнению с большими силами трения. Приняв для этого случая, что то есть величина. постоянная, опреде­лим радиус ядра цементного геля. Если — площадь

Сечения ядра, то сила, сдвигающая его, будет равна (рис. 2.9):

Т = яг20Р, (2.7)

Где Р —разность давлений на концах трубы, приходящаяся на еди­ницу площади ее сечения.

Сила трения, преодолеваемая ядром по длине потока - (длине трубы /), будет равна

Г = 2яг0/т0. (2.8)

При равновесии этих сил, т. е.

Jv§P — 2л;го/то = 0,

Находим, что

Г.-^. (2.9)

Будем исходить из того, что давление, необходимое для преодоления только начального сопротивления сдви­га то, равно Роу тогда из рассмотрения равновесия сил на стенках трубы найдем

T0=-^-/V (2.10)

Аналогично для любого цилиндрическбго потока радиуса р>г0 имеем

R = Fp. (2.11)

Экспериментально установлено [4], что величина ра­диуса ядра потока при вязкопластическом течении це­ментного геля зависит не только от прочности структуры, но и от диаметра трубы. Однако отношение г/г0 для дан­ного значения X является величиной постоянной (рис. 2.10).

Проинтегрируем уравнение (2.4) в пределах от г до го и подставим в него вместо т его значение (2.11). В ре­зультате получим закон распределения скоростей по се­чению трубы:

Часть потока, ограниченная радиусой г0, не деформи­руется и движется внутри трубы как упругопластическое тело со скоростью

Г.). (2.13)

При отсутствии в потоке ядра, т. е. г0=0 и т0=0, ве­щество течет как обычная вязкая жидкость с осевой ско­ростью:

»оси=^. (2.14)

Сравнивая формулы (2.14) и (2.13), мы видим, что по­следняя отличается дополнительным параметром, учиты­вающим пластические свойства цементного геля.

Взаимосвязь между скоростью течения ядра вязко - пластической массы и вязкой жидкостью можно опреде­лить, пользуясь выражениями (2.13) и (2.14), а именно

Подставив* вместо то его значение (2.10), после преобра­зований получим

»0 = "оси [ (1 - 'о/'2) - V 0 - V0 ] • (2.:16)

Из уравнения следует, что скорость течения цементно­го геля по трубопроводу при вязкопластическом режиме всегда меньше скорости течения обычной вязкой жидко­сти. Только в частном случае, если т значительно прев­зойдет то, структурные связи в цементном геле окажутся разрушенными и тогда он будет течь со скоростью, рав-

ЙОЙ Роси.

Иначе, чем это было описано, происходит истечение цементного геля под действием собственной массы из вертикальной цилиндрической трубы при изменяющемся напоре: ядро значительно опережает пристенный слой, отрывается от него и медленно сползает из трубы; затем появляется полый цилиндр, непосредственно соприкаса­ющийся со стенкой трубы. Такой характер истечения це­ментного геля из вертикальной трубы объясняется нерав­номерным распределением действующих сил (силы тяжести) во всем его объеме и неуравновешенностью нормальных сил в нижнем сечении.

По мере увеличения деформации вместе с развитием касательных напряжений %х по коаксиальным поверхно­стям появляются осевые растягивающие напряжения gX и, как следствие этого, поперечные ^растягивающие на­пряжения Gy, которые нарушают структурные связи це­ментного геля и тем самым значительно снижают вели­чину то (рис. 2.11).

<9

А — вертикальной сверху вниз; б—горизонтальной и вертикальной снизу вверх

Под влиянием всесторон­него растяжения ядро отрыва­ется от пристенного слоя и са­мостоятельно сползает из тру­бы до выхода остальной час­ти. При движении цементного геля по горизонтальной трубе или же по вертикальной тру­бе снизу вверх в ядре возни­кает трехосное сжатие (рис. 2,41,6), поэтому сохраняется связанность ядра потока с при­стенным слоем цементного ге­ля. При значительных сопро­тивлениях течению всесторон­нее сжатие может привести к закупорке трубы, вследствие потери цементным гелем (при отслоении из него жидкости) требуемой текучести.

Исследования реологических свойств коллоидных систем впервые были начаты Н. Ф. Шведовым, который пользовался прибором с коаксиальными цилиндрами. Приборы такого типа широко применяются при изучении коллоидных систем и сейчас. Не останавливаясь подроб­но на всех методах измерения, отметим, что эти прибо­ры позволяют измерять вязкость слабоконцентриро­
ванных структурированных систем в достаточно широких интервалах скоростей сдвига. Однако для цементного геля, являющегося сильно концентрированной системой, целесообразнее метод, основанный на измерении объем­ной скорости (расхода) течения через трубу, при раз­личных перепадах давления (скоростях сдвига). Этот метод удобен тем, что он позволяет связать взаимно ре­жимы течения, цементного геля с параметрами его вязко­сти при различных перепадах давления и водоцементных отношениях, что весьма важно при решении ряда произ­водственных задач, связанных с вибрированием бетон­ных смесей, транспортированием при помощи насосов и т. п. Для глинистых растворов указанный метод исследо­ваний был использован в работе [136], а для цементного геля применен в [86] [4].

Для исследования реологических свойств цементного геля пригоден вискозиметр, отличающийся от обычных, используемых для измерения вязкости нормальных жид­костей, конической формой и диаметром трубки. Это обусловлено необходимостью воспрепятствования отры­ву ядра от пристенной части потока, а также проскаль­зыванию упругопластических систем, наблюдающемуся при движении по цилиндрической трубе.

Пользуясь уравнением (2.4), выведем необходимые расчетные формулы для определения коэффициента вяз­кости и величины предельного напряжения сдвига це­ментного геля. Для этого рассмотрим задачу о продав - ливании упругопластической массы через коническую трубу (рис. 2.12). Выделим горизонтальными параллель­ными сечениями элементарный объем конической трубы, заполненный цементным гелем, и предположим, что дав­ление распределено по сечению равномерно, считая, что падение давления Pz по длине трубы есть некоторая функция от 2.

Радиус ядра цементного геля определится так: если пг — площадь сечения ядра потока, то сила, сдвигаю­щая ядро, будет равна

Nrgd/V (2.17)

Сила сопротивления, обусловленная структурной свя­занностью "цементного геля на элементарном участке Dz Трубы, составляет

2яг0т^г. (2.18)

Из условия равновесия этих сил получим, что

(2.19)

Следовательно, в данном случае г0 есть величина пе­ременная, так как падение давления, приходящееся на единицу длины трубы в ее узком конце, больше, чем в широком. Аналогично для любого конического слоя ра­диуса р>г0 имеем

2Xdz

Р = —• (2.20)

Для получения закона распределения скоростей по коническому сечению воспользуемся выражениями (2.4) и (2.20):

1 dPzp Ц [ 2dz

После соответствующих преобразований получим

Где г — переменный радиус конуса; р — радиус коаксиального слоя в рассматриваемом сечении трубы р^г0.

Скорость ядра потока может быть определена из ус­ловия, что р равняется го

Т0R . (2.23)

Расход цементного геля через коническую трубу мо­жет быть представлен в следующем виде:

Г0 г

Q = J 2npv0dp + J* 2npvdp. (2.24)

Внося в (2.24) значения для V и V0 из (2.22) и (2.23), после «интегрирования получим

„=DP ^ 4/3 jwi+_l_ /2 s*y i

4 8ndz [ г ' г т 3 (dPzf г ) .

Уравнение (2.25) трудноразрешимо относительно DPz если же пренебречь последним членом как величи­
ной малой высшего порядка, можно получить упрощен­ную формулу следующего вида:

[dPe-4/3^L]. (2.26)

8[Idz

Решив уравнение (2.26) относительно DPz и прини­мая r=ri+Јz, где K = Tga= (рис. 2.12),^имеем

+ (2-27)

Я (Г1 — кг) 3 rxkz

Отсюда после интегрирования в пределах от 0 до / полу­чим окончательно

J-U^-to-a.. (2.28)

П 3k [4 r) '2

Заменив давление напором, можно написать

U _ / _L—_L —In — , (2.29)

36 ^ гз гз J 3kgyr r%

Где Н — высота напора, см; гх и г2 — соответственно, радиус боль­шего и меньшего отверстия трубы, см; q — расход, см3/с; у г — объ­емная масса геля, г/см3.

При вязкопластическом течении системы общая поте­ря напора слагается из сумм потерь на преодоление со­противления структурной связности и на живую силу вытекающей струи, т. е.

Я = ЯХ + Я2. (2.30)

Для вычисления первого члена можно воспользовать­ся уравнением (2.29), подставив в него соответствующие размеры трубки:

Г = 0,5см; — 0,4; 6 = 0,01;

#1==0,66 — <7 + 0,061 — . (2.31)

YD YP

Потеря напора на живую силу сравнительно невели­ка и мало отражается на точности расчетов. Для опреде­ления этой части потери напора может быть использо­вана формула, выведенная на основании теории перемен­ной вязкости.

Минуя промежуточные выкладки, связанные с выво­дом формулы для #2, приводим окончательное ее выра­жение:

Н% = Bq2, (2.32)

Где В — коэффициент, варьирующий в пределах от 0,00216 до 0,00248. Не допуская существенной погрешности можно принять среднее его значение 0,00232.

В таком случае для определения вязких свойств це­ментного геля при истечении под постоянным напором получим следующую расчетную формулу:

Н = 0,66FJt/7P Q + 0,06LT0/Vr + 0,00232<72. (2.33)

Уравнение (2.33) содержит две неизвестные величи­ны —- i и to, в связи с чем необходимо не менее двух на­блюдений при разных по величине, но постоянных в каж­дом случае напорах. Для описания истечения вязкопла - стических систем под влиянием переменного напора формула (2.33) не может быть применена, поскольку при ее выводе предполагалось, что Н=const.

Для этого случая уравнение (2.33) необходимо пред-

Ставить в таком виде, исходя из допущения, что Q=F—,

Dt

Где F— площадь основания цилиндра вискозиметра:

Н = 0,66— F + 0,061 ^- + BMF (Ур? . (2.34) Yr Dt Yr Dt J

Решим дифференциальное уравнение (2.34) относи - Dff '

Тельно ----- , приняв £=0,0025-и F=200 мм2, и, разде-

Dt

Лив переменные, получим Dt = DH * (2.35)

0,66 — — Л/ 0,43б(—У — 0,00061 —+ 0,01Я Yr У Yr / Yr

Интегрируя (2.35) (правую часть в пределах от T0 до T и левую часть в пределах от H0 до H), получим

— j/" 0,436 ^j2 —0,00061 у- +0,01 H —

- 2000,436 ^ J -0,00061 ^ + 0,01Я где T — время истечения от уровня H0 до HXt

Введем следующие обозначения:

C.= J/" 0,43б(-Ь)а Cl- 0,436 (J-J-

Окончательно имеем:

0,66-^ -С0

Т= 132 -^Ln1------------- -------------- Ь200 (С0 —Cx). (2.39)

Yr 0,66-^ - Ci Yr

Уравнение (2.39) описывает движение вязкопласти - ческой системы через коническую трубу при переменном напоре. В этом случае для определения параметров вяз­кости fi и to необходимо иметь два измерения: одно при переменном напоре, а другое при постоянном, и затем ре­шить совместно уравнения (2.33) и (2.39).

Для упрощения подсчета может быть рекомендован следующий прием: сначала применяют формулу (2.33) для обоих случаев истечения (в том числе при перемен­ном напоре). При этом исходят из того, что Н — посто­янная величина, равная. Потом вычисленные ве­личины х/уг и to/vr подставляют в формулу (2.39) и если при этом получается время Т, отличающееся от измерен­ного в действительности, то несколько уменьшают сред­нее значение Н и этот же прием повторяют вновь пока не будет получена удовлетворительная сходимость.

Прибор для измерения вязких свойств цементного геля представляет собой несколько видоизмененный вискозиметр Энглера с приспособлениями, позволяющи­ми варьировать величину давления, под которым выдав­ливается цементный гель через коническую трубу [5].

Параметры вязкости цементного геля при Х>1,65 измеряют при поддержании постоянного давления в при­боре в течение опыта. Менее подвижные смеси выдавли­вались из трубки как под постоянным давлением, так и при различных перепадах давления, создававших напря­жения, близкие по величине к предельному напряжению сдвига цементного геля.

Напряжение сдвига и коэффициент вязкости цемент­ного геля при различных значениях X от 1 до 1,65 опре­
деляют по данным двух опытов при различных расходах q, обусловленных близкими по величине напорами (дав­лениями) .

При Х< 1 цементный гель представляет собой земли - стовлажную массу, состоящую в основном из несвязан­ных между собой цементных комков (микроагрегатов) различных размеров. Для их слияния в сплошное тело необходимо воздействовать на микроагрегаты вибрацией при частоте колебаний не менее 100 Гц.

В уплотненном состоянии такой цементный гель подо­бен квазитвердому телу с явно выраженными упругопла - стическими свойствами; для определения его реологиче­ских параметров вискозиметрический метод оказывается непригодным. В этом случае предельное напряжение сдвига то можно измерить испытанием в сдвиговом при­боре [5].

Величина сдвигающего груза зависит не только от структурной прочности цементного геля, но и от нормаль­ного давления, обусловленного его собственной массой. Если по оси ординат откладывать сдвигающее напряже­ние т, а по оси абсцисс нормальное напряжение, равное Yr/i (где H — высота слоя цементного геля), то каждому значению X будет соответствовать кривая, отсекающая на оси абсцисс различные по величине отрезки С Для удобства использования графической зависимости кри­волинейное очертание заменяют близкой к ней прямой (рис. 2.13)/В таком случае общее сдвигающее напряже­ние можно записать в виде

■ т = С + т',

Где Y=Hyr tg а, т. е. т'=а tg а. Следовательно,

Т = C + atga. (2.40)

Выражение (2.40) соответствует зависимости Кулона для связных грунтов, при этом параметр С может быть интерпретирован как коэффициент сцепления грун­та при сдвиге, а tga=/ — как коэффициент внутренне­го (статического) трения. Для сыпучих грунтов С=0 и тогда

* = crtga. (2.41)

В обычных жидкостях С=0 и т не зависит от нор­мального напряжения; в этом случае напряжение сдвига может быть выражено в функции от вязкого сопротив­ления жидкости.

Надо заметить, что в ря­де работ по механике грун­тов, например в [125], не рекомендуется придавать параметрам, входящим в уравнение (2.40), непосред­ственный физический смысл в виде коэффициентов тре­ния и величины сцепления, полагая, что непосредствен­ный физический смысл име­ет только полная величина сопротивления сдвигу т.

Такая точка зрения может быть оправдана при рас­смотрении несущей способности грунтов, служащих ос­нованием для сооружений, так как в этом случае прак­тический интерес имеет поведение всего подстилающего слоя, свойства которого изменяются в широких пределах в зависимости от множества факторов: влажности, пере­уплотнения грунта и т. п.

В рассматриваемом же случае, когда с достаточной степенью точности можно регулировать консистенцию и плотность цементного геля, создавать требуемые условия для воспроизведения напряженного состояния при сдви­ге и т. д., придавать непосредственный физический смысл упомянутым параметрам вполне оправдано.

Коль скоро связность цементного геля появляется только при определенных добавках воды и этим обуслов­ливается его сопротивление сдвигу* то это дает нам пра­во считать параметр С величиной предельного напряже­ния сдвига to.

Величина то, определенная из условия предельного, равновесия системы (при весьма малых скоростях де­формации), характеризует сопротивление цементного ге­ля в момент срыва, т. е. то минимальное напряжение сдвига, при котором нарушаются (разрываются) струк­турные связи в цементном геле.

Сопротивление структуры цементного геля сдвигу и растяжению обусловливается в основном ван-дер-вааль - совым притяжением, так как силы электростатического и магнйтного притяжения, а также валентные силы бо­лее короткодействующие, чем сила отталкивания. Кроме этого, указанные силы зависят в значительной мере от
полярности взаимодействующих частиц и при оводнении быстро нейтрализуются.

Если обозначить через ег—коэффициент пористости цементного геля; —диаметр частиц; ац — расстояние между активными центрами на их поверхности, тогда си­ла ван-дертваальсового притяжения между двумя мине­ральными частицами может быть выражена уравнением:

Дв = 0,047 —-4г Т- > (2А2)

4 **

Где коэффициент А оценивается порядком

Из уравнения (2.42) видно, что сила ван-дер-ваальсового притяжения возрастает с умень­шением/пористости и расстояния между твердыми частицами. Эта взаимосвязь между сопротивле­нием сдвига структуры цементно­го геля и плотностью упаковки цементных частиц четко просле­живается по экспериментальным данным.

Интегральная кривая изме­нения величины предельного на­пряжения сдвига цементного ге­ля в зависимости от значений X, полученная методом ^ вискози­метрии и на сдвигаемом приборе, приведена на рис. 2.14.

В экспериментах были ис­пользованы цементы различных видов, в том числе глиноземис­тый. На том же рисунке показа­на интегральная кривая измене­ния вязкости р, г (рис. 2.14,6), из­меренная при истечении цемент­ного геля в диапазоне значений X от 1 до 1,65 (Х<1, цементный гель не способен течь или выдав-

Рис. 2.14. Изменение т0(а) и вязкости Jir, (б) цементного геля в зависимости от X

Ливаться из конической трубки вискозиметра, так как в этом случае происходит уплотнение — запрессовывание системы).

Кривая рис. 2.14 показывает, что процесс упрочнения структуры цементного геля происходит до значения Х = =0,876, при котором to достигает максимальной величи­ны 1040 Па (10,6 г/см2), а затем с повышением содержа­ния воды то уменьшается и при Х=1,65 оно практически соизмеримо с вязкостью цементного геля. Объясняется это ослаблением сил связи между частицами твердой фазы, обусловленным образованием более толстых соль­ватных» оболочек и возникновением расклинивающего давления воды в, плоскости сдвига под влиянием напря­женного состояния (эффекта П. А. Ребиндера). -

Экспериментальные данные других исследователей, например авторов работы [50], удовлетворительно сов­падают с приведенными значениями то. Здесь важно заметить, что, несмотря ga некоторое различие в минера­логическом составе и дисперсности цементов, при соот­ветствующих значениях X практически формируются идентичные по прочности внутренних связей структуры цементного геля. Это обстоятельство позволяет исполь­зовать лишь один раз построенную интегральную кри­вую то=ф(Х) для решения различных технологических задач, связанных с учетом реологических свойств це­ментного геля.

При вибрационном воздействии на цементный гель значение т0 значительно уменьшается и может равняться нулю при полном разрушении сил ван-дер-ввальсового взаимодействия. Это свидетельствует о том, что то — в

ТАБЛИЦА 2.1. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ (©„-50 Гц, а-0,175 см) НА

Общем случае величина непостоянная для цементного геля данной консистенции, а именно т0 может возрасти под влиянием уплотняющего нормального давления (на­пряжения) или снизиться до нуля в зависимости от скоро­сти деформации структуры цементного геля (табл. 2.1).

Из табл. 2.1 следует, что при Х=0,876 и 1 структур­ные связи в цементном геле разрушаются не полностью. Под влиянием вибрации с частотой 50 Гц цементный гель при Х=0,876 обладает более прочной структурной связностью, чем при Х=1. Следовательно, при частоте колебаний 50 Гц не может быть достигнута надлежащая скорость деформации структуры цементного геля, когда полностью могли бы быть разрушены силы внутреннего взаимодействия между зернами твердой фазы. В не­сколько меньшей мере сказанное относится и к цементно­му гелю при Х=. В этом случае то уменьшается при­мерно в 22 раза. Вмёсте с тем при большем водосодержа - йии кратковременная вибрация (до 6 с) вполне достаточна для практически полного разрушения струк­турных связей цементного геля.

Если скорость деформации сдвига сравнительно неве­лика, что бывает в отдельных^случаях при вибрационном воздействии, а также в процессе перекачивания смесей насосами по трубам, то полного разрушения структур­ных связей цементного геля не произойдет, поэтому сле­дует различать напряжение сдвига то, определяющее со­противление цементного геля срыву (например, в момент пуска насоса), и остаточное напряжение сдвига т0СТ — После нарушения структурной связности при данной ско­рости деформации сдвига (стабилизированное состоя­ние).

Остаточное или стабилизированное напряжение сдви­га обусловливается неполной десольватациёй частиц твердой фазы, т. е. наличием в цементном геле очагов связанных структур, оказывающих сопротивление сдви­гу. Такие очаги, обнаруженные после сдвига, состоят из вытянутых слоев цементного геля, ориентированных к плоскости сдвига под углом примерна 45°. Они выступа­ют из тонкой водной пленки, образовавшейся в резуль­тате частичной десольватации зерен цемента в зоне сдвига (рис. 2.15). Отсюда следует, что разрушение структурных связей цементного геля при сдвиге проис­ходит от разрыва их под влиянием главных растягиваю­щих напряжений. Можно предположить, что структур­
ные связи, сохранившиеся в цементном геле при вибрационном воздействии, не утрачивают своих упруго - пластических качеств и способны сопротивляться дейст­вию главных растягивающих напряжений, возникающих при деформациях сдвига.

Как и т0, коэффициент внутреннего трения можно рассматривать в качестве составной характеристики реологических свойств цементного геля, поскольку каж­дому значению X соответствует определенная величина fr. В случае полного (объемного) разрушения структуры коэффициент fr цементного геля независимо от его водо - содержания приобретает постоянное значение, равное примерно 0,012, и соответствует коэффициенту вязкости «воды», - поэтому при течении цементного геля с полно­стью разрушенными структурными связями основным реологическим критерием может служить коэффициент вязкости. Значительное снижение значений Fr под влия­нием вибрационных импульсов является следствием на­сыщения зоьг сдвига избыточным количеством жидкости в результате кратковременного перевода слабосвязан­ных диффузных слоев в состояние «свободной» жидко­сти. Рассматривая вязкие свойства цементного геля во взаимосвязи с его структурной прочностью, можно пред­положить, что коэффициент вязкости |яг утрачивает свою структурную составляющую — р, СТр (в условиях прове­денных опытов) уже при Х=1,65, так как с увеличением скорости истечения вычисленные значения [хт для це­ментного геля при X^lfiS весьма незначительно отли­чаются друг от друга. Судя по результатам опытов, |Lir=[Xjv, т. е. р, г(вязкость воды при T—288 К равна 0,011)'; это может быть объяснено тем, что «турбулент­ность» в цементном геле наступает при значительно мень­ших числах Рейнольдса, чем в случае истечения бесст­руктурных жидкостей, для которых Re=2000.

При содержании в потоке твердых частиц и облом­ков разрушенной структуры критическое значение числа Рейнольдса может, согласно данным [107, 136], пони­жаться в 10 раз и более. Такая ранняя «турбулентность»

Обусловливается возникновением местных завихрений вокруг частиц твердой фазы, в связи с чем переход лами­нарного режима в «турбулентный» сопровождается не­которым увеличением вязкости.

Зависимость коэффициента вязкости цементного геля от скорости истечения наблюдается только при водоце - ментных отношениях в пределах X от 1 до 1,65. Чем прочнее структура, тем значительнее падение р, г с увели­чением давления, под которым цементный гель выдавли­вается из вискозиметра.

Зависимость вязких свойств цементного геля от вели­чины напора может быть наглядно выражена функцией Q—F (Я) (где Q — расход через трубку; Я — напор). Результаты опытов (рис. 2.16) показывают, *1то для це­ментного геля кривые Q=F{H) не проходят через нача­ло координат и отсекают на оси абсцисс некоторые отрезки, равные Я0. Только при этих минимальных напо­рах цементный гель начинает приобретать свойство теку­чести. При Х=1,65 кривая Q=F(H) пересекает ось абсцисс вблизи начала координат, и такая система по своим реологическим свойствам приближается к бес­структурным жидкостям (прямая OA). Эти опыты под­тверждают, что при Л^1,65 система практически не об­ладает структурными связями.

Структурная связность цементного геля, характери­зуемая Х=, нарушается при #о=0,75 м, что в перерас­чете на то эквивалентно 264 Па. Затем следует криволи­нейный участок, в пределах которого продолжается раз­рушение структуры, заканчивающееся при Я=2,4— —2,6 м. Истечение цементного геля с разрушенной структурой происходит при постоянной вязкости (пря­молинейный участок) так же, как и при нормальных жидкостях. Напор (давление), при котором цементный гель вовсе утрачивает свою связность, зависит от пер­воначальной плотности коагуляционной структуры, т. е. от X, а следовательно, от способа приготовления це­ментного геля и условий проведения опытов.

Реологические параметры цементного геля изменяют­ся также при неоднократном повторном пропускании его через вискозиметр и в процессе перекачивания по тру­бам. Например, если перекачивать цементный гель по резиновому шлангу, организовав замкнутый цикл (раст - воронасос-бункер), то в этом случае по манометру мож­но заметить, что при повторных циркуляция* цементного

Геля давление снижается, т. е. сопротивление течению уменьшается. В процессе непрерывного нарушения структурных связей существенно отдаляется время, соот­ветствующее началу схватывания цементного геля. Однако вместе с этим наступает момент, когда цемент­ный гель мгновенно превращается в твердое тело с вы­делением значительного количества тепла, порядка 353— 263 К. Это необратимое явление, связанное с мгновен­ным превращением вязкопластической массы в твердое тело, минуя продолжительную промежуточную стадию завершения процесса коагуляционного структурообразо - вания цементного геля, свидетельствует об ускорении ионного обмена при продолжительной циркуляции (тече­нии) цементного геля в замкнутом пространстве под влиянием сдвиговых напряжений, возникающих в потоке при перекачивании насосом. Аналогичный эффект можно наблюдать при продолжительной вибрации цементного геля и прочих интенсивных механических воздействиях.

Практически стабильные значения параметров вязко­сти цементного геля сохраняются в течение определенно­го времени и зависят от скорости физико-химических и фазовых превращений, возникающих при взаимодейст­вии цементных частиц с водой. Образующийся вследст­вие этрго ионный раствор претерпевает количественные и качественные изменения, способствующие возникнове­нию кристаллогидратных структур и упрочнению в них внутренних связей. Чем выше начальная концентрация твердой фазы в цементном геле—меньше X, тем быстрее утрачивается стабильность реологических параметров.

В качестве примера мож­но привести результаты опытов по определению изменения коэффициен­та вязкости шлакопорт - ландцементного геля при Х~ 1,65, или В/Ц=0,5 [63]. Исследования про­водились на ротационном вискозиметре РВ-8, кон­струкция которого позво­ляла замерять вязкости через каждые 15 мин не­посредственно в пуазах.

По рис. 2.17 можно заключить, что в течение 120 мин значения коэф­фициента вязкости це­ментного геля практичес­ки не изменяются, а за­тем они резко возраста­ют, достигая максимума при Г=300 мин, которое соответствует времени, определяющему конец схватывания цементного

Геля при Х~1,65 (при нормальной его густоте начало схватывания наступает через 140 мин по Вика).

При динамических (сдвиговых) воздействиях спон­танный процесс становления коагуляционной структуры нарушается, и несколько отодвигается момент, когда в цементном геле создаются условия для образования от­носительно более прочных связей между частицами твер­дой фазы.