6.2. Энергетика тиксотропных превращений в дисперсных системах

вибрационным) разупрочнением этот процесс завершается существенно быстрее — максимум за несколько суток, причем общая продолжительность упрочнения выше для водонасыщенных разностей.

Наибольший прирост прочности грунта обычно отмечается в течение первых 3-10 минут отдыха системы, и с этой точки зрения весь процесс восстановления можно разделить на два этапа: начальный, когда формируется, в основном, струк­ турная сетка, и завершающий, связанный с ее дальнейшим упрочнением. В ряде работ, посвященных вопросам тиксотропии в малоконцентрированных дисперсных системах, существенная роль отводится так называемому «мгновенному» тиксо­ тропному упрочнению, проявляющемуся сразу после прекращения воздействия по причине того, что в это время существует максимальное количество «свобод­ ных» частиц, потенциально способных к участию в восстановлении структурной сетки. Надо сказать, что сам термин «мгновенное» упрочнение неудачен, поскольку наталкивает на излишнюю схематизацию процесса. Кроме того, экспериментально доказано (Вознесенский, 1985) отсутствие мгновенного восстановления прочности в природных глинистых грунтах, в отличие от малоконцентрированных модельных систем, после динамического воздействия. Это обусловлено значительной инерци­ ей крупнопылеватых частиц и агрегатов, а также высокой вязкостью природных грунтов в связи с относительно невысоким содержанием жидкой компоненты.

6.2.Энергетика тиксотропных превращений в дисперсных системах

Тиксотропная система (рис. 66, а): для произвольного fc-ro цикла динами­ ческого нагружения справедливо уравнение энергетического баланса вида (39)

критической толщиной водной пленки в зазоре коагуляционного контакта между частицами в диапазоне расстояний, соответствующем положению вторичного по­ тенциального минимума. Тогда, если Fp — сила, которую достаточно приложить к одной из частиц для увеличения расстояния между ними на величину dr и изме­ нения баланса сил в пользу отталкивания, то условие разрушения коагуляционного контакта выразится в виде

В любом г-м цикле воздействия после достижения условия (45) продолжается разрушение структуры грунта, а энергия, сообщаемая его элементарному объему, расходуется на поддержание достигнутого уровня разрушения, упругие деформа­ ции и увеличение внутренней энергии. Эта избыточная энергия накапливается в кинетической форме — как энергия колебаний частиц (AU). Известное явле­ ние лавинообразного разрушения структурных связей в тиксотропных системах, проявляющееся по прошествии некоторого времени после начала воздействия, свя­ зано со снижением энергетических затрат на поддержание достигнутого уровня разрушения за счет увеличения поверхностной энергии системы (AS) при раз­ рыве межчастичных контактов. Этот эффект может быть выражен в виде члена (ЕаAS) и означает увеличение подвижности колеблющихся частиц после разрыва части связей между ними в любом элементарном объеме грунта. С учетом ска­ занного уравнение энергетического баланса в любом j -м цикле после достижения условия (45) можно записать в виде

Таким образом, в результате изменения толщины гидратной пленки в зазоре ко­ агуляционного контакта на величину dr,- за счет совершения над г-й частицей работы dUj происходит увеличение энергии молекулярного взаимодействия между частицами на величину dEmj. А т. к. этот процесс идет с поглощением эквива­ лентного количества кинетической энергии, то уравнение энергетического баланса для этого случая имеет вид:

где AEmj = X) dEmj. Откуда после прекращения воздействия Ed = 0 имеем:

Что и выражает эффект увеличения прочности в процессе тиксотропного восста­ новления.

Таким образом, накапливающаяся при динамическом нагружении природного глинистого грунта в кинетической форме энергия расходуется не только на образо­ вание новых поверхностей, но и на изменение сил взаимодействия между частицами в сторону его энергетического оптимума. Кроме того, экспериментально показа­ но (Вознесенский и др., 1990), что при достаточно интенсивном динамическом нагружении в грунте происходит разрушение микроагрегатов, особенно крупнопы­ леватых (0,05-0,1 мм), и снижение агрегированности глинистых частиц. В уравнении энергетического баланса этот процесс должен выражаться появлением дополнитель­ ного количества поверхностной энергии - A Saj за счет разрыва внутриагрегатных контактов. В системе таким образом появляется большее по сравнению с ее ис­ ходным состоянием количество частиц, формирующих при восстановлении новый структурный каркас. А, следовательно, количество структурных связей в единице объема грунта возрастет, что обусловит дополнительный прирост его прочности

Наконец, более сложный случай — тиксотропное упрочнение глинистых грунтов природного сложения, характеризующихся заметной неоднородностью структуры (Вознесенский и др., 1990): наряду с очень мелкими порами на РЭМ-изображениях прослеживаются и значительно более крупные (в 3-10 раз). Это означает, что в исходном грунте существуют микрообъемы, имеющие относительно некоторого среднего для него уровня избыток нереализованной (и запасенной в потенциальной форме) поверхностной энергии, что снижает энергию их активации:

Таким образом, в исходном грунте могут присутствовать структурные связи с более низким уровнем энергии активации, влияющие на прочность грунта. При ди­ намическом разрушении структуры происходит выравнивание пор по размерам, и новая структура грунта характеризуется большей однородностью и, как следствие, отсутствием контактов с энергией активации низкого уровня Е^.

Итак, в основе упрочнения квазитиксотропного грунта лежат три эффекта: 1) увеличение энергии взаимодействия частиц во вторичной потенциальной яме за счет приближения к оптимуму; 2) исчезновение структурных связей с энер­ гией активации низкого уровня (уменьшение энтропии системы — стремление к среднему значению энергии активации); 3) увеличение количества межчастичных контактов в единице объема грунта. Некоторый эффект может, по-видимому, ока­ зывать и более равномерное распределение влаги в процессе восстановления грунта (Barber, 1958).

Случай {б) — конечная прочность грунта после завершения восстановления не достигает исходной (рис. 66,5). Такое поведение характерно для грунтов, в струк­ туре которых заметную роль играют контакты, необратимо теряющие часть энергии взаимодействия при их разрушении. В этом случае часть освобождающейся энергии А Е т расходуется на «переход» контактирующих частиц из ближней потенциальной ямы в дальнюю (с уменьшением энергии взаимодействия) или же (для переходных и фазовых контактов) выделяется в виде звуковой энергии А Е ас:

откуда при Ed = 0:

Последнее уравнение и выражает уменьшение прочности новой структуры по срав­ нению с исходной, т. к. часть энергии воздействия была необратимо истрачена на разрушение структурных связей с энергией активации высокого уровня. Это так­ же означает упорядочение системы, идущее в направлении уменьшения ее энтропии. Обобщив уравнения (51) и (52) и считая величины АЕт и АЕас эквивалентными по смыслу как обозначающие долю энергии взаимодейс'Гвия частиц грунта Е{п, условие квазитиксотропности грунта можно выразить следующим образом:

Отсюда очевидно, что квазитиксотропность связана исключительно с энергети­ ческой неоднородностью структуры природного глинистого грунта и при данной интенсивности динамической нагрузки может проявляться только в первом ци­ кле «разрушения — восстановления», а в последующих таких циклах не должно происходить прогрессирующего увеличения прочности грунта, что согласуется с экс­ периментальными данными (Вознесенский и др., 1990).