Simulation of peloids

Abstract

In this work we investigate dense colloidal suspensions of alumina particles, which we regard as a model system for clay-like soils (peloids). Beyond soil mechanics these suspensions are important for wet processing of work-pieces in ceramics. In the present work we investigate the rheological properties of the suspensions and connect them to the underlying microstructure. Experimental findings depending on the pH value and the salt concentration in the sample (expressed as ionic strength) are reviewed (viscosity versus shear rate, shear thinning, oedometer data, sedimentation experiments, cyclic loading...) and computer simulations are performed to carry out further research work. For this purposes a coupled Molecular Dynamics (MD) and Stochastic Rotation Dynamics (SRD) code has been developed and the simulation results are compared to the experimental data. To describe the surface charge of the particles a charge regulation model, which describes adsorption and desorption of the charge determining ions on the particle surface, has been developed within Debye Huckel theory. This model has been calibrated to measurements of the zeta potential. Starting from the known values, the model allows us to extrapolate to different experimental conditions. Based on characteristic time scales and dimensionless numbers like the Reynolds number and the Peclet number, we apply a scaling scheme to determine the simulation parameters, so that we can achieve a quantitative comparability of simulation and experiment. Using the shear viscosity, shear force, pair correlation function, density fluctuations and structure factor we can identify three different regimes: a clustered regime, a stable suspension, a repulsive structure similar to the structure known from glassy systems. The microstructures are plotted in a stability diagram depending on pH value an ionic strength. The microstructures found in the simulations provide a possibility to explain the relations found in the experiments.

In der vorliegenden Arbeit werden dichte kolloidale Suspensionen von Aluminiumoxid-Teilchen als Modellsystem für tonähnliche Böden (Peloide) untersucht. Über die Bodenmechanik hinaus sind diese Suspensionen bei der Herstellung von Keramik-Werkstücken durch Nassformgebung interessant. In dieser Arbeit werden die fließeigenschaften der Suspension untersucht und mit der zugrunde liegenden Mikrostruktur in Verbindung gebracht. Experimentelle Befunde in Abhängigkeit von pH-Wert und Salzkonzentration der Probe (ausgedrückt als Ionenstärke) werden dargestellt (Viskositätsverlauf, Scherverdünnung, Ödometer-Daten, Sedimentationsexperimente, zyklische Scherung...) und mittels Computersimulationen untersucht. Ein gekoppelter Molekulardynamik (MD) und Stochastic Rotation Dynamics (SRD) Simulationscode wurde entwickelt und die Simulations-Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Zur Beschreibung der Oberflächenladung der Partikel wurde im Rahmen der Debye-Hückel-Theorie ein Ladungs-Regulierungs-Modell entwickelt, das die Adsorption und Desorption der Ladungs-bestimmenden Protonen auf der Teilchenoberfläche beschreibt. Dieses Modell wurde anhand von Zeta-Potential-Messungen geeicht und erlaubt es, von den bekannten Werten ausgehend zu anderen experimentellen Bedingungen zu extrapolieren. Aufbauend auf charakteristischen Zeiten und dimensionslosen Größen wie Reynoldszahl und Pecletzahl wird ein Skalierungsverfahren zur Bestimmung der Simulationsparameter angewendet, um eine quantitative Vergleichbarkeit von Simulation und Experiment zu gewährleisten. Anhand der Scherviskosität, Scherkraft, Paarkorrelationsfunktion, Dichtefluktuationen und Strukturfaktor können drei Regimes identifiziert werden: Ein Regime der Clusterbildung, eine stabile Suspension und eine repulsive Struktur, die an ein glasartiges System erinnert. Diese werden in einem Stabilitätsdiagramm in Abhängigkeit von pH-Wert und Ionenstärke aufgetragen. Die jeweils in der Simulation beobachtete Mikrostruktur bietet eine Erklärungsmöglichkeit für die experimentell gefundenen Zusammenhänge.