ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУРНЫХ СРЕД
Очень мелкие твердые частицы (размером менее 10 мм), помещенные в воду, вступают в броуновское движение и вообще не оседают на дно сосуда даже в покоящейся жидкости. Частицы-размером 10~6—10~4 мм образуют так называемые коллоидные растворы. Частицы размером более 10~4 мм образуют тонко- и грубодисперсные суспензии или гидросмеси. Здесь рассматриваются гидросмеси, в состав твердой фракции которых входят в том или ином количестве коллоидные частицы, обусловливающие их специфические вязкостные и реологические свойства.
Физические свойства таких гидросмесей могут быть рассмотрены на примере глинистой гидросмеси. Частицы глины имеют чешуйчатую форму, являются носителями положительного заряда электричества и, имея одноименные заряды, не проявляют тенденции к коагуляции. При смачивании поверхности глинистых частиц водой, которая удерживается на ней тонким слоем, образуется так называемая сольвентная (или сольватная) оболочка.
Гидрофильность глинистых частиц является обстоятельством, обусловливающим способность к образованию структур из глинистых частичек.
Поскольку для разрушения структуры коллоида требуется некоторое усилие, то, следовательно, усилие необходимо и для того, чтобы заставить структурную среду двигаться в трубах. Иными словами, подобные гидросмеси обладают начальным сопротивлением сдвигу в отличие от ньютоновских жидкостей, для которых напряжение начальному сдвигу равно нулю.
Основным соотношением, обобщающим физические свойства структурообразующих жидкостей, является уравнение Бингама-Шведова:
Максимальное напряжение сдвига т0 определится при рассмотрении равномерного движения бингамовой жидкости в трубах (рис. 94):
Это уравнение положено в основу учения о структурных жидкостях, поэтому их обычно называют бингамовыми жидкостями.
Вязкостная характеристика бингамовой жидкости — структурная вязкость ц — в отличие от коэффициента абсолютной вязкости в известном соотношении Ньютона (167) не является физической константой для данной жидкости, а оказывается переменной величиной, изменяющейся в зависимости от скорости движения гидросмеси, т. е. степени разрушенности ее структуры.
Чем сильнее механическое воздействие на структурную жидкость, тем меньше вязкость, но до некоторого предела: при вполне разрушенной структуре, например при развитом турбулентном движении бингамовой жидкости, вязкость ее становится постоянной, минимальной из всех возможных значений при данной температуре.
Для определения вязкости бингамовых жидкостей наибольшее применение получили вискозиметры: ротационные, трубчатые, воронкообразные и др. Вязкость бингамовой жидкости может быть определена по данным, характеризующим течение ее в трубах.
Величина динамического сопротивления сдвигу будет равна 3/4 длины отрезка оси ординат от начала до пересечения с прямыми У const. Сами отрезки оси ординат, отсекаемые прямыми у = const, соответствуют величине.
Опытные данные по исследованию бингамовых жидкостей показывают, что:
вязкость аномальной жидкости увеличивается с увеличением консистенции и особенно с повышением концентрации в гидросмеси тонкодисперсных фракций;
структурная вязкость, как и абсолютная, уменьшается с увеличением температуры гидросмеси;
структурная вязкость изменяется при режиме разрушения ядра потока и при переходе от ламинарного движения к турбулентному; для режимов чисто ламинарного и вполне развитого турбулентного движений значение вязкости бингамовой жидкости остается постоянным, причем минимальное значение вязкости соответствует вполне развитому турбулентному движению;
с увеличением консистенции аномальной жидкости увеличивается напряжение начальному сдвигу. Это важное свойство бингамовых жидкостей обусловливает несущую способность потоков таких жидкостей, т. е. способность переноса, например, песчаной фракции в глинистой гидросмеси, кусков мела в меловом растворе, кусковатого угля в угольном шламе и кусков породы в глинистом растворе при бурении нефтяных скважин.