Материаловедение: Как и зачем надо смазывать бетон

На первый взгляд, материал, от которого ждут твёрдости и прочности, нуждается в чём угодно, кроме смазки. Однако швейцарские учёные убеждают нас в прямо противоположном.

В целом ряде практических приложений взвеси частиц приходится передвигать через систему труб. Часто, как это происходит при производстве цемента и бетона, жидкого компонента в таких субстанциях должно быть по минимуму, иначе качество конечного продукта резко снизится.

Но как только содержание жидкости падает, поднимают голову иные проблемы. После сдвига в бетономешалке или при перекачке смесей в них начинается загустевание. Вязкость взвеси в потоке резко растёт, а при некоторых обстоятельствах растёт едва ли не до бесконечности, заставляя то в огромное количество раз увеличивать расход энергии на прокачку бетона по трубам, то вообще уничтожая непомерной нагрузкой насосы.


Загустевание при сдвиге ведёт к значительному удорожанию перекачки больших объёмов бетона на существенные расстояния, что часто бывает неизбежным при строительстве крупных и дорогостоящих объектов, таких как небоскрёбы или здания промышленного назначения. (Фото Concrete Forms.)

Крупный французский производитель цемента Lafarge для решения такого рода проблем обратился к Швейцарской высшей технической школе Цюриха с просьбой о помощи. Используя компьютерное моделирование процессов, происходящих с такими взвесями, и лабораторные эксперименты, Николас Фернандес (Nicolas Fernandez) и Роман Мани (Roman Mani), кажется, смогли сдвинуть это весьма важное дело с мёртвой точки.

Ключевым в понимании происходящего стало признание того, что поток в столь плотных взвесях по своим параметрам скорее сводится к взаимодействию между отдельными его зёрнами, нежели к процессам, характерным для жидкостей. Таким образом, реология, деформации и текучесть вещества в них тесно связаны с трибологическими параметрами компонентов взвеси — контактным взаимодействием твёрдых деформируемых тел.

При малых скоростях потока «контакты» между частицами взвеси происходят при увлажнении сталкивающихся поверхностей жидкой плёнкой. В таком гидродинамическом режиме трение умеренно, и насосы могут перекачивать смеси без особого напряжения. Однако при росте скорости плёнка между частицами разрывается, и зёрна трутся друг о друга, как если бы были сухими. Именно в этот момент начинается загустевание после сдвига.

Ещё хуже становится, когда разорванная на многочисленные фрагменты жидкая плёнка полностью исчезает — что при высоком содержании твёрдых компонентов во взвеси и приличном трении случается довольно часто. Именно тогда вязкость устремляется к бесконечности, и перекачивающие насосы выходят из строя.


На определённом этапе трение внутри такой взвеси начинает больше напоминать трение частиц песка или гравия друг о друга, нежели процессы, происходящие в жидкостях. (Фото Shutterstock.)

Как только возникло понимание связи загустевания при сдвиге и трения твёрдых зёрен взвеси друг о друга, стало ясно, как помешать этому процессу. Опытная проверка показала: внесение во взвеси на цементной основе небольшого количества полимерных добавок резко снижало коэффициент трения и полностью предотвращало загустевание при сдвиге. Как замечают авторы, открытие способно покончить с поломками перекачивающего оборудования и заодно существенно снизить энергозатраты бетонной индустрии без снижения качества производимых ею смесей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Швейцарской высшей технической школе Цюриха

Автор: Александр Березин