Реологические свойства глиняных масс: пластическая прочность, деформация и модуль упругости.

Реология – наука о деформациях и текучести вещества, исследующая различные деформации материалов в зависимости от напряжении.

Реологические свойства глиняных масс: пластическая прочность, деформация, модуль упругости.

В основе количественной оценки структурно-механических (реологических) свойств формовочных масс лежат теоретические основы самостоятельного раздела коллоидной химии, называемого физико-химической механикой, основные положения которого разработаны академиком П.А.Ребиндером.

Приготовленная масса обладает определенными качественными характеристиками, оцениваемыми  по показателям свойств. Свойства выражают способность вещества реагировать на внешние и внутренние факторы (механические, тепловые, гравитационные и др.).

Главным свойством приготовленной смеси (массы) является ее способность к технологической обработке – распределению слоя заданной толщины, уплотнению, формованию с уплотнением. Такую способность смеси называют удобоформуемостью, подвижностью и относят к группе структурно-механических или реологических свойств.

В дисперсных пластичных массах, в том числе и глинистых, под действием сдвиговых напряжений могут возникнуть три типа деформации: быстрая эластическая εб, медленная эластическая εм, пластическая деформации εпл.

Разрывы первичных контактов различных типов и образование новых, вторичных, происходящие при нагружениях системы выше условного статического предела текучести, составляют пластическую деформацию.

Суммарная деформация, возникающая при нагружениях дисперсий глинистых минералов, глин и керамических масс, состоит из трех видов деформации: двух обратимых, протекающих с различными скоростями и исчезающих после снятия нагрузки (быстрой и медленной эластических), и одной необратимой (пластической). Эти деформации развиваются одновременно, но по величине различно сочетаются между собой в деформационном процессе.

Быстрая эластическая деформация εб происходит в первое мгновение после приложения внешнего усилия; она связана с шарнирным поворотом и упругой деформацией частиц дисперсной фазы. При снятии нагрузки быстрая эластическая деформация полностью и также мгновенно исчезает (равновесное состояние достигается со скоростью, близкой к скорости звука в данном теле).

Медленная эластическая деформация εм развивается с момента приложения внешней нагрузки в течение нескольких, обычно 3-10 мин, с постепенно уменьшающейся скоростью; она связана с нескольким смещением (скольжением) частиц относительно друг друга без разрыва межмолекулярных связей и разрушения структуры. При снятии нагрузки медленная эластическая деформация полностью обратима, причем восстановление системы  происходит также с постепенным замедлением.

Пластическая деформация εпл возникает только тогда, когда напряжение  сдвига достигнет определенной величины, называемой предельным напряжением сдвига или пределом текучести (верхний предел влажности, при котором глина сохраняет пластические свойства).

Пластическая прочность или механическая прочность структуры представляет собой предельное напряжение сдвига, которое может выдержать пластичная масса при статическом нагружении. При пластической деформации происходит частичное разрушение структуры, которая самопроизвольно восстанавливается со временем (явление тиксотропии). Поскольку при данном напряжении  в системе устанавливается равновесие процессов разрушения и тиксотропного восстановления, общее разрушение структуры не нарастает во времени. Деформация этого вида происходит с постоянной скоростью и после снятия напряжения не исчезает, т.е. является необратимой.

Если приложенная внешняя нагрузка вызывает напряжения, лежащие ниже предела текучести Рт, то в системе возникают только первые два вида деформации εб и εм.

Если напряжения превышают Рт, то имеют место деформации  всех видов, причем в при течении дисперсных систем в области неразрушенных структур отдельные деформации складываются друг с другом, т.е. общая деформация ε=εб+εм+εпл  или ε'=ε'б+ε'м+ε'пл , где ε‘ (с соответствующими индексами) – относительная деформация, равная по отношению абсолютной деформации ε‘ к толщине деформируемого слоя а.

Модуль быстрой эластической деформации (модуль упругости)

Еуп=Р/ε'б=Ра/εб

Модуль медленной эластической деформации (модуль эластичности) Еэл=Р/ε‘м=Ра/εм=Ра/(εэл-εб)

Наибольшая пластическая (шведовская) вязкость 

ηпл=(Р-Рт)/dε‘пл/dτ=(Р-Рт)а/dεпл/dτ

где Р-Рт соответствует действующему напряжению, поддерживающему пластическое течение.

Вязкость упругого последействия

ηуп=Р/(dε‘б/dτ - dε‘пл/dτ )= Ра/(dεб/dτ -dεпл/dτ)