Методика побудови реологічних кривих

В'язкість можна вимірити при постійному крутильному моменті (постійне навантаження), прикладеному до однієї з поверхонь, чи при постійній швидкості обертання однієї з поверхонь (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема пластовіскозиметру ПВР-2: 1 - малий електродвигун; 2 - великий електродвигун; 3 - коробка передач; 4 - зубчаста муфта; 5 - муфта; 6 - сполучна муфта; 7 - хвостовик сердечника; 8 - зовнішній циліндр; 9 - гнучка нитка; 10 - змінні тензометричні балки; 11 - пересувний столик з термостатом; 12 - плита; 13 - стійка

Нехай швидкість деформування = const = C, тоді деформація ε = Ct + A₁. Приймаємо A₁ = 0, знайдемо ε = Ct. З іншого боку, при незмінній швидкості обертання однієї з поверхонь W щодо іншої нерухомої поверхні деформацій ε = W·t.

Звідси випливає рівноважність умов W – const і = const. При =const залежності τ (t) і τ (ε) еквівалентні. Залежність напруження τ (t), τ(ε) (рис. 7.12) від деформації носить релаксаційний характер.

 

Рис.7.12. Залежність напруження τ від часу t при заданої швидкості деформації

 

З часом t₂ установлюється напруження τ_вст, що не залежить від часу, тобто крива відповідає сталому режиму течії (порівняти ділянку АВ на рис. 7.1). Таким чином, за заданим визначаються відповідні напруження. Змінюючи , знайдемо різні τ. Після цього будують повну реологічну криву. Величина τ^* (рис. 7.12), що відповідає максимуму на кривій τ = f (t), була введена Г.В. Виноградовим і названа ним «межею зсувної міцності». Для твердоподібних систем перехід через максимум, на думку Г.В. Виноградова, відповідає руйнуванню структури, що утворена дисперсною фазою. Поняття межі міцності при зсуві А.А. Трапезников переніс на пружні рідини. У цьому випадку також відбувається руйнування надмолекулярних структур.

Рис. 7.13. Залежність напруження зсуву τ від часу деформування t рідкоподібних систем: 1 – ; 2 – ; 3 – ;

Представлені на рис. 7.13 криві τ = f (t) показують поводження легко релаксуючих матеріалів (рідкоподібні системи, пружні рідини). Крива 1 відповідає низьким швидкостям деформування (), коли швидкість наростання напружень під впливом деформування порівняна зі швидкістю їхньої релаксації. При цьому на початковій стадії деформування, поки напруження невеликі, швидкість їх релаксації менше від швидкості росту. Розвиток затриманих у часі пружних деформацій приводить до відхилення напружень кривих τ (t) і (– швидкість деформування) від осі ординат і обумовлює кінцеву швидкість досягнення сталого режиму течії, якому відповідає стаціонарне значення напруження зрушення (τ_вст) і оборотної деформації. Початкова, де сходить гілка τ (t) плавно переходить у ділянку сталих режимів деформацій (τ = τ_вст), тому що при деякому напруженні зсуву швидкість релаксації підвищується настільки, що при заданому значенні подальший ріст напруження стає неможливим. Якщо швидкості деформації дуже низькі, то тривалість процесу досягнення сталого режиму течії у швидкорелаксуючих речовинах мала.

Межа зсувної міцності характеризує ступінь розвитку структури системами. Чим більше значення відношення τ*/τ_вст при однаковій швидкості зсуву, тим більше структурована система. В той же час для однієї і тієї ж системи з відношенням швидкості зсуву τ*/τ_вст зростає, що свідчить про включення у процес деформування ще більшої частини структуроутворюючих елементів.

Чим вище задана швидкість деформації, тим у більшій мірі, після початку деформування, швидкість росту напруження зрушення обганяє швидкість їхньої релаксації.

При цьому поновлюється розвиток затриманих пружних деформацій. Якщо матеріал виявляє високу еластичність, то виникають високоеластичні деформації. Вихідна галузь кривих відхиляється від осі ординат. З підвищенням напруження на пружні деформації накладається течія. Тому вихідна частина кривої виявляється в більшій чи меншій мірі увігнутою до осі абсцис. У розглянутих умовах на кривій виявляється максимум (криві І, 2, 3 рис. 7.13). Після максимуму вихідна частина кривої плавно переходить у частину сталих режимів течії, яким відповідають рівноважні затримані пружні (чи високоеластичні деформації).

При високих швидкостях деформації максимум на кривій) виражений дуже чітко і спадна область кривої відразу після максимуму виявляється крутою. Різкість, з якого виражений максимум на кривих при кожному даному значенні залежить від співвідношення в'язкості і модуля високоеластичної деформації.

Отже, з підвищенням швидкостей деформацій монотонні криві переходять у криві з максимумом; його висота зростає; положення екстремуму зміщується убік великих деформацій, перехід від спадної гілки до області сталих режимів течії відбувається при великих деформаціях; перевищення екстремуму над областю сталих режимів течії збільшується. Для бітумів експериментально показано, що залежність τ*/τ_вст від є прямо лінійною і що зниження τ*/τ_вст тим більше, чим вище температура, чим більше бітум структурований асфальтенами. Втім навіть слабо структуровані системи досягають межі зсувної міцності при відповідно високих швидкостях зсуву.