Dlaczego glina przywiera do opon mocniej niż piasek? Adhezja, kohezja i mechanika usuwania błota

Piasek, jako materiał niespoisty i dobrze przepuszczalny, stosunkowo łatwo odpada od opon pod wpływem bezwładności lub spłukiwania wodą. Glina może natomiast przylegać do ogumienia, wypełniając rowki bieżnika i tworzyć zwartą, trudną do usunięcia warstwę. W artykule tłumaczymy, dlaczego usuwanie gliny z opon wymaga wykorzystania zaawansowanej technologii mycia oraz jak skuteczne są w tej kwestii rozwiązania bazujące na technologii MobyDick, dostarczana przez Frutiger.

Glina i piasek – różnice w strukturze

Piasek jest gruntem niespoistym, którego głównym składnikiem zazwyczaj jest kwarc. Ziarna piasku są stosunkowo duże, bryłowe lub podkątne, mają niewielką powierzchnię właściwą i nie tworzą stałej struktury kohezyjnej.

W strukturze gliny dominują cząstki frakcji ilastej o średnicy poniżej 2 µm, które występują w postaci m.in. kaolinitu, illitu i montmorillonitu. Są to struktury płytkowe, których grubość wynosi od jednego do kilku nanometrów (jedna miliardowa część metra), a wymiary poprzeczne sięgają setek nanometrów.

Tak duże rozdrobnienie cząstek gliny oznacza ogromny wzrost znaczenia sił powierzchniowych. W przypadku gliny oddziaływania cząstka-woda, cząstka-powietrze i cząstka-ogumienie są silniejsze niż oddziaływanie grawitacji i bezwładność.

Adhezja i kohezja w kontakcie gliny z gumą

Glina charakteryzuje się wysoką kohezję wewnętrzną (zdolnością cząstek do utrzymywania się razem) oraz silnymi oddziaływaniami na granicy faz. Zdolności adhezyjne gliny, czyli związane z przyleganiem do ogumienia, również są wysokie. Materiały ilaste mają trwały ładunek ujemny, który wynika z budowy krystalicznej, kompensowanej przez wymienne kationy, m.in. Na⁺, K⁺, Ca²⁺.

W obecności wody powstaje podwójna warstwa dyfuzyjna, a ponadto między cząstkami występują także oddziaływania van der Waalsa i wiązania wodorowe. W efekcie wilgotna glina może zachowywać się jak materiał plastyczny, podczas gdy piasek pozostaje sypki.

Właściwość	Piasek	Glina
Charakter gruntu	Niespoisty	Spoisty
Wielkość cząstek	Większa	< 2 µm
Struktura	Bryłowa	Płytkowa
Kohezja	Bardzo mała	Wysoka
Przepuszczalność	Wysoka	Bardzo niska
Zachowanie z wodą	Sypkie	Plastyczne i tiksotropowe

Wpływ ssania matrycowego i efektu Stefana na zachowanie gliny

W mikroporach gliny powstają zakrzywione meniski ciecz-gaz, które generują ssanie matrycowe. W piasku pory te są znacznie większe, dlatego efekt menisku jest słabszy i krótkotrwały. W glinie promienie porów mogą mieć skalę submikrometryczną, a w obrębie pakietów minerałów nawet nanometryczną. Siła ssania może osiągać setki kilopaskali, a nawet kilka megapaskali.

Podczas kontaktu opony z plastyczną gliną elastomer wypiera powietrza, pozostawiając między powierzchniami bardzo cienki film wodny. Przy próbie rozdzielenia powstaje opór, określany jako efekt Stefana. Niska przepuszczalność gliny ogranicza dopływ powietrza do powstającej szczeliny, dlatego podciśnienie utrzymuje się znacznie skuteczniej niż w przypadku piasku.

Co dzieje się z gliną podczas obrotu obciążonej opony?

Ciężkie samochody ciężarowe oraz maszyny budowlane i rolnicze mogą generować obciążenie osi sięgające 50 ton. Elastyczny bieżnik odkształca się pod naciskiem i odwzorowuje geometrię podłoża. Płytkowe cząstki gliny układają się wzdłuż ścianek rowków, a kolejne obroty koła powodują ich zagęszczenie.

W ten sposób powstaje zjawisko blokowania bieżnika (plugging). Glina wypełnia przestrzenie i w praktyce może stać się integralną częścią obracającego się koła. Zamknięte rowki tracą zdolność do odprowadzania wody, przez co opona staje się śliska i traci właściwości trakcyjne.

Natomiast wysoka przepuszczalność piasku pozwala szybko wyrównać ciśnienie, a brak kohezji uniemożliwia powstanie zwartej masy. Ziarna piasku nie wypełniają plastycznie bieżnika, ale przemieszczają się i rozsypują.

Znaczenie rozwiązań od Frutiger w usuwaniu gliny z kół

Tradycyjne mycie wysokociśnieniowe HP-LV wykorzystuje zwykle ok. 100-200 barów przy przepływie ok. 15-30 l/min. Mycie kół i podwozi pod wysokim ciśnieniem daje skoncentrowany strumień, który może przecinać powierzchnię osadu, ale niewielki przepływ oznacza małą masę wody oddziałującą na objętość zwartej gliny.

Technologia MobyDick, dostarczana przez Frutiger, stosuje zasadę niskiego ciśnienia i wysokiego przepływu wody. Przy około 2-5 barach system dozuje setki litrów wody na minutę. Duży przepływ zwiększa pęd strumienia i pozwala wodzie wejść w strukturę osadu, nasycić go i odspoić od elastomeru.

Jak mechaniczne odkształcenie bieżnika wspomaga mycie kół?

System MobyDick ONE łączy działanie hydrauliczne z mechaniczną pracą opony. Poprzeczne stalowe profile rampy są ustawione pod kątem do kierunku przejazdu i powodują lokalnie zginanie i skręcanie klocków bieżnika.

W ten sposób:

• rowki chwilowo poszerzają się, powodując pękanie zwartej gliny;
• otwiera się droga dla strumienia wody;
• ogranicza się obciążenia szczytowe.

Oddziaływanie strumienia wody i chwilowa deformacja bieżnika pozwalają skutecznie przełamać adhezję gliny i usunąć materiał zalegający w bieżniku.

Źródła:

1. https://monstertires.com/medium-deep-lug-backhoe-tires-clay/
2. https://www.researchgate.net/publication/230333100_INVESTIGATIONS_INTO_THE_MECHANISM_OF_SOIL_ADHESION
3. https://frutiger.pl/offer/mycie-pojazdow-technologicznych/