Трение скольжения и пленки адсорбированной влаги

Рассмотрим поведение твердого тела, покоящегося на плоской поверхности I—I (рис. 7.1) и подвергнутого воздействию двух сил, одна из которых Pn действует под прямым углом к плоскости I—I, в то время как другая сила Pt действует по касательной к этой плоскости. Допустим далее, что Pn остается постоянной в период всего эксперимента, в то время как Pt постепенно возрастает от нулевого значения до значения, которое вызовет сдвиг тела. Угол, образованный равнодействующей R этих двух сил с нормалью к плоскости I—I, известен под названием угла отклонения а. Твердое тело начнет скользить по плоскости I—I, когда сила Pt достигнет величины, вызывающей увеличение угла а до некоторого максимального его значения ф. Угол ф называется углом трения, а величина tg ф — коэффициентом трения.

Экспериментальные исследования показывают, что критическое значение Pt пропорционально Pn, т. е. что

или, так как Pt=sA, а Рn=оА, где А — общая площадь контакта,

Уравнение (7.3) идентично зависимости (7.1) при сцеплении с, равном нулю. Установлено, что при с=0 максимальное сопротивление сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению по плоскости скольжения.

Природа этой зависимости сложна и еще не полностью раскрыта. Для химически чистых поверхностей величина tg ф несколько увеличивается с повышением шероховатости поверхности скольжения. Это свидетельствует о том, что в таких случаях сопротивление сдвигу зависит от сцепления за счет выступов на обеих поверхностях. Микроскопически малые выступы имеются даже на полированной поверхности. Поэтому, когда две плоскости приходят в контакт по площади А, они на самом деле благодаря этим выступам будут соприкасаться друг с другом лишь небольшой частью этой площади в точках действительного контакта, и в этих точках могут под воздействием силы, нормальной к плоскости контакта, возникать очень высокие напряжения вплоть до предела текучести. Сдвиг может найти свое выражение, когда эти выступы, зацепляющиеся друг за друга в плоскости контакта, будут срезаны. При увеличении нормального давления, по-видимому, должна соответственно увеличиться как в абсолютном, так и в процентном выражении площадь действительного контакта соприкасающихся поверхностей. При этом условии с увеличением общей площади поперечного сечения таких выступов, которые должны быть срезаны при сдвиге, увеличится также и само сопротивление сдвигу.

Известно также, что на величину сопротивления трения оказывают большое влияние пленки адсорбированной влаги. Для смазки трущихся металлических поверхностей и уменьшения трения между ними уже в течение многих столетий применяются масла. С другой стороны, гораздо менее изучено антисмазочное действие воды на некоторые материалы, например на сталь или стекло. В отношении грунтов вода имеет первостепенное значение. Поэтому Терцаги (1925 г.) подчеркивал ее антисмазочные свойства. В соответствии со взглядом, по которому сопротивление трения между частицами грунта равно прочности на сдвиг разделяющего их в контактной зоне материала, считалось, что при наличии на частицах обволакивающих их пленок жидкости сопротивление трения в грунте должно приравниваться прочности на сдвиг этих адсорбированных пленок. Увеличение нормального давления приводит, по-видимому, к уменьшению толщины этих пленок и отсюда —к увеличению их прочности на сдвиг. Выше уже отмечались особенности пленок адсорбированной воды, сообщающие им свойства полутвердого вещества.

Исследования по изучению трения скольжения раньше проводились на металлах, стекле и других подобных им веществах и не касались минералов, входящих в состав грунта. Чеботарев и Уэлч провели такие опыты, причем возможность влияния на их результаты выступов на трущихся поверхностях даже в макроскопическом масштабе исключалась. Установка для испытаний показана на рис. 7.2. Были исследованы в отношении твердости следующие минералы:

Последние два минерала являются разновидностями талька, который иногда встречается в глинах. Из четырех указанных минералов были заготовлены образцы в виде кубиков со сторонами 2". Нижняя грань их шлифовалась. Как показано на рис. 7.2, образец закрепляется с помощью гипса в верхней части корпуса стандартного прибора для испытания грунтов на прямой сдвиг. Небольшие фрагменты из того же минерала втапливались в цементный раствор, покрывающий металлическую решетчатую плиту, закрепленную в нижней части сдвигового прибора. Они впрессовывались верхним блоком в еще не затвердевший раствор, которому затем давали возможность схватиться. Опыт проводился при контроле за деформациями образца (см. рис. 7.2) при трех его состояниях: сухом, влажном и при полном погружении в воду. Касательное усилие Pt, потребовавшееся для того, чтобы вызвать первые подвижки образца как начало наблюдавшегося сдвига, наносилось на график зависимости деформации сдвига от величины приложенного к образцу нормального усилия Pn. Такой график показан на рис. 7.3. В условиях опыта эти силы не зависели от величины перемещения образца. Полученные таким образом значения коэффициентов трения tg ф нанесены на график, приведенный на рис. 7.4.

В результатах опытов, проводившихся при сухом и влажном состоянии образцов, было обнаружено значительное расхождение. Даже ничтожная влажность окружающего воздуха быстро сказывалась на результатах, по-видимому, вследствие образования пленок адсорбированной влаги на поверхностях минералов. Кроме того, было выявлено отчетливое различие между гидрофильными минералами (кварц и кальцит), имеющими сродство с водой, и двумя гидрофобными минералами, представленными разновидностями талька, которые не смачиваются водой.

Коэффициент трения кварца в совершенно сухом состоянии был получен в 4,5 раза меньшим, чем при полном погружении образца в воду. Для кальцита это соотношение оказалось равным 2,5. Коэффициенты трения для обоих минералов при незначительной их влажности и при полном погружении в воду были практически одинаковы. Это свидетельствует о том, что наблюдавшееся увеличение сопротивления трения по сравнению с образцами в сухом состоянии вызывается не поверхностным натяжением воды, а изменившимися свойствами воды в адсорбированном слое, где она приобретает характер полутвердого тела. Обратная зависимость наблюдалась при испытании гидрофобных минералов: вода выполняла роль слабой смазки и тем самым уменьшала сопротивление трения. Испытания проводились также на комбинациях двух различных минералов. При таких опытах образец из более твердого минерала всегда использовался для образования шлифованной поверхности в блоке верхней части прибора. Рис. 7.4 показывает, что коэффициенты трения таких комбинаций минералов имеют значения, промежуточные по отношению к полученным при испытаниях, в которых использовался, только один из двух этих минералов. Испытание проводилось с кварцем после тщательной шлифовки его поверхности на карборундовом камне. Коэффициенты трения образцов во влажном и подводном состояниях оставались практически неизменными и приблизительно равными 0,48. Однако по отношению к сухому состоянию коэффициент трения увеличился более чем в 3 раза (от 0,106 до 0,37). Таким образом, представляется, что трение скольжения между двумя различными видами минералов может изменяться в широком диапазоне и, очевидно, зависит в основном от природы пленок, адсорбированных на их поверхности, и только в меньшей мере от шероховатости поверхностей минералов на контакте друг с другом.

Естественные грунты состоят из смеси гидрофильных и гидрофобных минералов. Точное относительное содержание их в грунтах пока еще не установлено, но, по-видимому, в большинстве случаев в них преобладают гидрофильные минералы.