[論文レビュー] The relationship between the compressional and shear strengths of poroelastic colloidal gels

Richard Buscall|ArXiv.org|Mar 5, 2009

Drilling and Well Engineering参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、非線形ポアレオスティック理論と破壊的接着破壊を組み合わせることで、多孔質弾性コロイドゲルにおける圧縮強度とせん断強度の理論的関係を提示する。このモデルは、ゲル転点においてS（せん断強度と圧縮強度の比）がほぼ1に近く、密度が上昇するに従い急激に増加することを予測する。これは希薄および濃厚なゲルの実験データと整合的であり、希薄ゲルにおける壁効果を説明するために粒状力学を必要としないことを示唆している。

ABSTRACT

Strong particulate gels are widely believed to behave poroelastically in compression, e.g. in sedimentation, even though they consolidate irreversibly because of the stickiness of the particles. Particulate gels are usually adhesive as well as cohesive and so wall effects are to be expected in general [Michaels & Bolger (1962)]. These are rarely manifest on process engineering scales, although they can be important in the laboratory and with formulated products in small containers. When the assumption of non-linear poroelasticity is combined with the idea that adhesive failure (yield) is brittle, relatively speaking, a prescription emerges for the ratio of shear to compressive strength S and how this varies with density. S is predicted to be of order unity at the gel-point and then to increase rapidly thereafter. The predictions are consistent with the experimental data available for both dilute and concentrated gels, although more data would be welcome. A critique of a recent paper by Condre et al. (2007) on wall effects in very dilute gels is given in which it is argued, amongst other things, that it is not necessary to invoke granular in order to account for their results, simple adhesion suffices.

研究の動機と目的

• 多孔質弾性コロイドゲルにおける圧縮強度とせん断強度の機械的関係を理解すること。
• せん断強度と圧縮強度の比（S）がゲル密度とともにどのように増加するかを説明すること。
• 非常に希薄なゲルにおける壁効果を説明するために粒状力学が必要かどうかを検証し、接着性のみで十分であると提唱すること。
• 理論的予測を、希薄および濃厚なゲルに関する既存の実験データと一致させること。

提案手法

• 圧縮状態下での非線形ポアレオスティック材料としてのゲルのモデル化。
• 破壊的接着破壊を主な降伏メカニズムとして組み込む。
• ポアレオスティック理論および接着破壊の原則を用いて、ゲル密度の関数として強度比Sを導出する。
• ゲル転点以降におけるSの進化を予測するためにモデルを適用する。
• Condreら（2007年）の粒状力学的解釈を批判し、彼らの結果を単に接着効果で説明可能であることを示す。
• 希薄および濃厚なゲルの実験データを用いて、理論的予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 せん断強度と圧縮強度の比（S）は、ゲル密度が上昇するに従いどのように変化するか？
• RQ2 なぜSがゲル転点でほぼ1に近く、その後急激に増加すると予測されるのか？
• RQ3 非常に希薄なゲルにおける壁効果を説明するために、接着破壊のみで十分であるか、それとも粒状挙動が必要か？
• RQ4 理論的予測されたSの値は、異なるゲル濃度において実験データとどの程度一致するか？
• RQ5 非線形ポアレオスティック性は、粒子系ゲルの機械的応答を支配する役割を果たすか？

主な発見

• せん断強度と圧縮強度の比（S）は、ゲル転点においておおよそ1に近いと予測される。
• Sはゲル密度が上昇するに従い急激に増加し、実験的観察と整合的である。
• このモデルは、希薄系でさえも粒状力学を仮定せず、ゲルの機械的挙動を説明可能である。
• 理論的予測は、希薄および濃厚なゲルの両方において、利用可能な実験データと良好に一致する。
• Condre ら（2007年）の批判において、彼らが観察した壁効果は単に接着効果で説明可能であり、粒状モデルの導入は不要であると結論づけた。