Rheologische Verhaltensweisen von Na-Montmorillonit unter Berücksichtigung von Partikelinteraktionen: Eine molekulardynamische Studie

Das Verständnis der Rheologie von Bentonitsuspensionen ist entscheidend für die Gewährleistung der Sicherheit ingenieurtechnischer Praktiken. Die rheologischen Mechanismen von Bentonit sind jedoch aufgrund der Einschränkungen konventioneller experimenteller Techniken unklar, insbesondere bei der Bewertung der mikroskopischen Interaktionen zwischen Tonpartikeln und deren Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden die rheologischen Verhaltensweisen von Na-Montmorillonit untersucht, mit Schwerpunkt auf den Interpartikelinteraktionen. Sowohl Gleichgewicht-Molekulardynamik-(MD) als auch Nicht-Gleichgewicht-MD-Simulationen wurden durchgeführt, um die physikalischen Eigenschaften von Na-Montmorillonit bei Nullschub und verschiedenen Scherraten zu verstehen. Die Interaktion zwischen zwei parallel angeordneten Tonpartikeln wurde in Simulationen bestimmt, was darauf hinweist, dass die klassische Darjaguin-Landau-Verwey-Overbeek-(DLVO)-Theorie die Interaktionen bei kleinem Abstand unterschätzt. Na-Montmorillonit zeigt ein typisches Scherverdünnungs-verhalten unter Scherbelastung. Wenn der Wassergehalt jedoch zunimmt, verhält es sich mehr wie flüssiges Wasser. Der Fließdruck von Montmorillonit, bestimmt durch das Bingham-Modell, wurde als linear abhängig von den Interaktionsdrücken zwischen Tonpartikeln festgestellt. Neben MD-Simulationen wurde die Mikrostruktur der Tonsuspension weiter quantifiziert anhand des Abstandes und des Neigungswinkels zwischen nicht-parallelen Tonpartikeln. Basierend auf den MD-Ergebnissen und der quantifizierten Tonstruktur wurde ein Modell entwickelt, um den Fließdruck von Montmorillonit unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren wie Elektrolytkonzentration, Temperatur und Feststoffanteil zu schätzen. Schließlich bestätigen die Ergebnisse aus einem Vergleich mit berechneten und experimentellen Daten die gute Leistung des vorgeschlagenen Modells. Diese Erkenntnisse bieten bedeutende Einblicke in das Verständnis der rheologischen Bodenverhalten und die Bewertung des Fließdrucks von Bentonitsuspensionen.