Реологическое моделирование и механизмы структурообразования дисперсных систем на основе органических вяжущих

Исследование реологического поведения и механизмов структурообразования дисперсных систем на основе органических вяжущих – актуальная задача для оптимизации энергозатрат при производстве и эксплуатации вязкопластичных нефтепродуктов. Целью работы является совершенствование методологии оценки реологических свойств таких систем с учетом их сложной внутренней структуры. На основе массива экспериментальных данных ротационной вискозиметрии выполнен сравнительный анализ точности аппроксимации кривых течения с применением моделей Оствальда – де Ваале, Шведова – Бингама, Кассона и Гершеля – Балкли. Показано, что применение упрощенных степенных зависимостей приводит к существенному завышению предела текучести (до 1000 %) и ошибочной интерпретации вязкостного сопротивления как статической прочности структуры. Обоснована эффективность трехпараметрической модели Гершеля – Балкли как наиболее достоверного инструмента для описания поведения вязкопластичных сред (коэффициент детерминации >0,99). Установлено, что минеральный наполнитель выполняет функцию загустителя, не формируя связного каркаса даже при высоких концентрациях. Подтвержден перколяционный механизм упрочнения системы целлюлозными волокнами, формирующими пространственный армирующий кластер при содержании выше 2,5 %. Разработанная эмпирическая модель, описывающая предел текучести как кубическую функцию от содержания волокна и линейную функцию от содержания полимера, рекомендуется для направленного регулирования реологических свойств дисперсных систем. Полученный результат обеспечивает рациональное использование дорогостоящих компонентов и повышает энергетическую эффективность производства и эксплуатационную надежность материалов на основе органических вяжущих.

1. Blazejowski K. (2011) Stone Matrix Asphalt: Theory and Practice. Boca Raton–London–New York, CRC Press. 293.

2. Brown E. R., Mallick R. B., Haddock J. E., Bukowski J. (1997) Performance of Stone Matrix Asphalt (SMA) Mixtures in the United States. NCAT Report 97-1. Auburn, National Center for Asphalt Technology. Available at: https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/13985

3. Nabizadeh H., Von Quintus H., Hajj E., Aschenbrener T. (2022) Advances in the Design, Production, and Construction of Stone Matrix Asphalt (SMA). TechBrief. FHWA-HIF-22-042. Washington, DC, Federal Highway Administration. Available at: https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/77871

4. Kennepohl G. J., Davidson J. K. (1992) Introduction of stone mastic asphalts (SMA) in Ontario. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 61, 517–534.

5. Hainin R., Reshi W. F., Niroumand H. (2012) The importance of stone mastic asphalt in construction. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 17, 49–56.

6. Tentative Specifications for Stone Matrix Asphalt. IRC: SP-79-2008. New Delhi, Indian Roads Congress, 2008. Available at: https://law.resource.org/pub/in/bis/irc/irc.gov.in.sp.079.2008.pdf

7. Kiryukhin G. N., Smirnov E. A. (2009) Stone mastic asphalt concrete pavements. Moscow, ELIT-PRESS Publ. 176 (in Russian).

8. Kostin V. I. (2009) Stone-Mastic Asphalt Concrete for Road Surfaces. Nizhny Novgorod, NNGASU. 2009. 65 (in Russian).

9. Huchenreuther J., Wӧrner T. (2010) Asphalt im Straßenbau: 2. Auflage. Bonn, Kirschbaum Verlag. 408.

10. Verenko V. A. (2004) New Materials in Road Construction. Minsk, Technoprint Publ. 169 (in Russian).

11. Verenko V. A., Zankovich V. V., Ladyshev A. V., Lira S. V., Afanasenko A. A., Yatsevich P. P. (2015) Durable Asphalt Concrete Pavements for Roads, Bridges and Streets. Minsk, Art Dizain Publ. 2015. 296 p. (in Russian).

12. Zankovich V. V., Afanasenko A. A. (2006) Technological stability of asphalt concrete mixtures with high binder content. Stroitel'naya nauka i tekhnika [Construction Science and Engineering], 1 (4), 66–69 (in Russian).

13. Zankovich V. V., Afanasenko A. A. (2007) Optimization of Asphalt Concrete Mixtures with High Binder Content Based on Technological Stability. Avtomobil'nye dorogi i mosty = Roads and Bridges, (1), 35–39 (in Russian).

14. Reiner M. (1958). Rheology. Flügge S. (eds.). Elasticity and Plasticity / Elastizität und Plastizität. Encyclopedia of Physics / Handbuch der Physik. Springer, Berlin, Heidelberg, 434–550. https://doi.org/10.1007/978-3-662-43081-1_4

15. Reiner M. (1960) Lectures on Theoretical Rheology. 3rd Ed. Amsterdam, North Holland; New York, Interscience. 158.

16. Vinogradov A. I., Malkin A. J., (1977) Rheology of Polymers. Moscow, Khimiya Publ. 440 (in Russian).

17. Adarkwa O. A., Attoh-Okine N., Cook P. (2016) Cookbook for Rheological Models – Asphalt Binders. Final Report CAIT-UTC-062. Newark, University of Delaware. Available at: https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/31801

18. Aksenova N. A., Rozhkova O. V. (2016) Drilling Fluids and Well Flushing. Vol. 1. Tyumen, TIU. 167 (in Russian).

19. Herschel W. H., Bulkley R. (1926) Konsistenzmessungen von Gummi-Benzollösungen. Kolloid-Zeitschrift, 39(4), 291–300. https://doi.org/10.1007/BF01432034

20. Matvienko O. V., Litvinova A. E. (2021) Steady Flow of High-Paraffin Bituminous Binder in Cylindrical Tube in Terms of Herschel–Bulkley fluid. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta = Journal of Construction and Architecture, 23 (4), 79–99 (in Russian). https://doi.org/10.31675/1607-1859-2021-23-4-79-99

21. Casson N. (1959) A Flow Equation for Pigment-Oil Suspensions of the Printing Ink type. Mill C. C. (ed.) Rheology of Disperse Systems. Oxford, Pergamon Press, 84–104.

22. Casson N. (1953) Rheology and the Letterpress Printing Process. Journal of the Society of Dyers and Colourists, 69 (13), 576–582. https://doi.org/10.1111/j.1478-4408.1953.tb02800.x

23. Campos W., Ribeiro G. S., Brandão E. M. (1999) Exact Determination of the Three Parameters of a Herschel–Bulkley Fluid. Proceedings of XV Brazilian Congress of Mechanical Engineering. São Paulo. 1999. https://abcm.org.br/app/webroot/anais/cobem/1999/pdf/aaabeb.pdf

24. Draper N. R., Smith H. (1998) Applied Regression Analysis. 3rd ed. N.-Y., John Wiley & Sons. 708. https://doi.org/10.1002/9781118625590

25. Montgomery D. C. (2012) Design and Analysis of Experiments. 8th ed. Hoboken, NJ, John Wiley & Sons. 740.

26. Bug A. L. R., Safran S. A., Webman I. (1985) Continuum Percolation of Rods. Physical Review Letters, 54 (13), 1412–1415. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.54.1412

27. Balberg I., Anderson C. H., Alexander S., Wagner N. (1984) Excluded Volume and its Relation to the Onset of Percolation. Physical Review B, 30 (7), 3933–3943. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.30.3933

28. Drwenski T., Dussi S., Dijkstra M., van Roij R., van der Schoot P. (2017) Connectedness Percolation of Hard Deformed Rods. Journal of Chemical Physics, 147 (22), 224904. https://doi.org/10.1063/1.5006380

29. Saify H., Shabani S., Mohammadian Gezaz S. (2024) Evaluation of the Effect of Cellulose-Based Mixture on Rheology and Performance of Bitumen. International Journal of Transportation Engineering, 11 (3), 1571–1594.

30. Mohammed M., Parry T., Grenfell J. (2018) Influence of Fibres on Rheological Properties and Toughness of Bituminous Binder. Construction and Building Materials, 163 (1), 901–911. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.146