Физико-химические основы технологии строительных материалов

Я.Н. КОВАЛЁВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано 
учебно-методическим объединением 
в области строительства и архитектуры
в качестве учебно-методического пособия для студентов
специальности 1–70 03 001 «Автомобильные дороги»

2017

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»

УДК 691:[53+54](075.8)
ББК 38.3я73
 
К56

Ковалёв, Я.Н.
Физико-химические основы технологии строительных материалов : учеб.-мет. пособие / Я.Н. Ковалёв. — Минск : Новое 
знание ; М. : ИНФРА-М, 2017. — 285 с. : ил. — (Высшее образование).

ISBN 978-985-475-493-2 (Новое знание).
ISBN 978-5-16-005580-0 (ИНФРА-М, print).
ISBN 978-5-16-104440-7 (ИНФРА-М, online).

Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно- строительного материаловедения, активационно-технологическая механика дорожных битумоминеральных материалов, основы дорожного бетоноведения. Большое внимание уделено закономерностям образования плотной структуры системы 
«твердое тело — жидкость».  Дополнительно описаны основные методы исследования строительных материалов. 
Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно магистрантам и аспирантам, специализирующимся в области строительного материаловедения.

УДК 691:[53+54](075.8)
ББК 38.3я73

К56

 
© Ковалёв Я.Н., 2012
 
© ООО «Новое знание», 2012

ISBN 978-985-475-493-2 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-005580-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104440-7 (ИНФРА-М, online)

Рецензенты:
директор Института общей и неорганической химии НАН Беларуси, академик НАН Беларуси, доктор химических наук, профессор Н.П. Крутько;
зав. кафедрой «Технология бетона и строительных материалов» Белорусского национального технического университета, доктор технических 
наук, профессор Э.И. Батяновский

Оглавление

Предисловие....................................................................... 7

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОГО  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ................................................... 9
1.1..Строение.вещества..Дисперсные.системы....................... 9
1.1.1..Ионизационный.потенциал..Работа.выхода..
электрона......................................................... 9
1.1.2..Механизмы,.обеспечивающие.связь.атомов..
в.молекулах.и.молекул.между.собой...................11
1.1.3..Общие.сведения.о.дисперсных.и.коллоидных..
системах.........................................................16
1.1.4..Структура.дорожных.битумоминеральных..
материалов......................................................25
1.1.5..Факторы,.формирующие.стабильную.структуру..
битумоминеральных.материалов........................31
Вопросы и задания для самопроверки............................. 39
1.2..Поверхностные.явления.в.дисперсных.системах............39
1.2.1..Свойства.дисперсных.частиц..............................40
1.2.2..Свойства.молекул.поверхностных.слоев..
материалов......................................................42
1.2.3..Поверхностная.энергия.и.поверхностное..
натяжение.жидкости........................................43
1.2.4..Смачивание..Когезия.и.адгезия..Адсорбция..........48
Вопросы и задания для самопроверки............................. 55
1.3..Поверхностно-активные.вещества.и.их.применение.
в.дорожном.строительстве................................................55
1.3.1..Структура.ПАВ................................................55
1.3.2..Классификация.ПАВ.........................................61
1.3.3..Влияние.ПАВ.на.взаимодействие.битумов..
с.минеральными.материалами...........................65
1.3.4..Активаторы.поверхности.минеральных..
материалов.и.их.применение.в.дорожном..
строительстве..................................................71
Вопросы и задания для самопроверки............................. 74

1.4. Физико-химическая механика дисперсных систем.........75

1.4.1. Основные задачи физико-химической

механики дисперсных систем............................75

1.4.2. Теоретические основы структурообразования

в дисперсных системах .....................................79

1.4.3. Основные положения ФХМ применительно

к дорожно-строительным материалам.................81

1.4.4. Эффект Ребиндера и его роль в технологии

создания прочных строительных материалов.......84

1.4.5. Тонкое измельчение и использование вибраций

для создания бездефектных материалов..............86

1.4.6. Физико-химические основы технологии

производства асфальтобетонных смесей и их
уплотнения.....................................................92

Вопросы и задания для самопроверки............................108
1.5. Основы реологии дисперсных систем.......................... 109

1.5.1. Реологические свойства простых идеальных

тел............................................................... 109

1.5.2. Методы реологического моделирования

сложных реальных тел.................................... 116

1.5.3. Изменение структуры тел при их

деформировании. Аномалия вязкости............... 123

1.5.4. Влияние скорости деформирования на

прочность вязкоупругих дисперсных систем...... 126

1.5.5. Температурная зависимость механических

характеристик коллоидных систем
и материалов................................................. 128

1.5.6. Реологическое моделирование уплотнения

асфальтобетонной смеси.................................. 131

1.5.7. Механическая «память» материалов................. 133

Вопросы и задания для самопроверки............................135

2. АКТИВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОРОЖНЫХ

БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................... 137
2.1. Гипотеза активации компонентов дорожных

композиционных материалов.................................... 137

2.2. Теоретические предпосылки усиления межфазных

контактных связей в системе «диоксид кремния –
органическое вяжущее»...................................................139

2.3. Активационно-технологическая механика

асфальтобетона....................................................... 142

2.4. Электронно-ионная технология активации

компонентов битумоминеральных материалов............ 148

2.5. Механохимическая технология получения

активированных кварцевых минеральных порошков .... 158
2.5.1. Теоретические предпосылки

механохимической активации минеральных
порошков из кремнеземистого сырья................ 158

2.5.2. Закономерности измельчения отработанных

формовочных смесей...................................... 161

2.6. Технология трибоактивации песка............................. 172

2.6.1. Теоретический аспект трибоактивации песка..... 172
2.6.2. Взаимодействие ПАВ с трибоэлектризованной

поверхностью песка........................................ 177

2.7. Физико-химические методы активации битумов

и битумных эмульсий.............................................. 182
2.7.1. Разрядно-импульсная технология обработки

жидких органических вяжущих...................... 182

2.7.2. Экспериментальные исследования по обработке

битумов........................................................ 185

2.7.3. Электрогидравлическая и электромеханическая

активация битумных эмульсий........................ 187

2.8. Химическая активация волокнистых материалов

для микроармирования асфальтобетона...................... 194

2.9. Раздельная технология приготовления

асфальтобетонных смесей......................................... 201

2.10. Перспективы индустриализации производства

асфальтобетона....................................................... 203

2.11. Пути энергосбережения при устройстве дорожных

асфальтобетонных покрытий.................................... 207

Вопросы и задания для самопроверки............................215

3. ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО

И ПРИКЛАДНОГО БЕТОНОВЕДЕНИЯ.................................216
3.1. Введение в теорию бетона ......................................... 216

3.1.1. Теоретические основы технологии бетона........... 216
3.1.2. Микроструктура цемента................................. 218
3.1.3. Структура воды.............................................. 221

3.1.4. Адсорбция, структура и свойства тонких 

пленок воды ................................................. 222

3.1.5. Водоудерживающая способность цемента .......... 226
3.1.6. Контракция объема системы «цемент – вода» .... 227
3.1.7. Химические добавки и их роль в процессе 

твердения цементного камня .......................... 231

Вопросы и задания для самопроверки ...........................237
3.2. Реологические свойства бетонной смеси ..................... 238

3.2.1. Вязкость бетонной смеси и ее регулирование ..... 238
3.2.2. Управление свойствами бетонной смеси ............ 241
3.2.3. Транспортирование бетонных смесей 

по трубопроводам .......................................... 242

Вопросы и задания для самопроверки ...........................244
3.3. Совершенствование технологии бетона ...................... 244

3.3.1. Теоретические основы усиления контактных 

взаимодействий компонентов бетонных смесей ... 244

3.3.2. Методы активации компонентов 

цементобетонов ............................................. 247

3.3.3. Интенсивная раздельная технология получения 

бетонных смесей ........................................... 255

Вопросы и задания для самопроверки ...........................257

4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 

И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ......................................... 259
4.1. Методы исследования строительных материалов ......... 259
4.2. Современные методы контроля качества строительных 

материалов и изделий ............................................. 271
4.2.1. Системы контроля качества промышленной 

продукции ................................................... 271

4.2.2. Физические методы неразрушающего контроля 

качества строительных материалов 
и конструкций .............................................. 273

Вопросы и задания для самопроверки ...........................281

Рекомендуемая литература ............................................... 283

Предисловие

Содержание.данного.учебного.пособия.соответствует.учебной.
программе.курса.«Физико-химические.основы.технологии.строительных.материалов».(ФХОТ.СМ).специальности.1-7003.01.«Автомобильные.дороги».
Курс.основан.на.положениях.активационно-технологиче.ской.
механики.строительных.материалов..Его.цель.–.познакомить.студентов. с. современным. состоянием. строительного. материаловедения.и.стимулировать.интерес.к.новому.в.области.инженерного.
строительного.материаловедения.
Основная.задача.изучения.дисциплины.–.научить.творчески.
применять.базовые.знания.для.развития.прогрессивных.технологий.строительного.материаловедения.
Получение.строительных.материалов.–.это.физико-химиче.ский.
процесс..Именно.с.этой.позиции.в.книге.рассматриваются.дорожное.
материаловедение.и.перспективы.его.дальнейшего.развития.
Знания. о. строительных. материалах. основаны. на. данных.
химико-технологических. наук,. физической,. неорганической. и.
коллоидной. химии,. физикохимии. полимеров.. Поэтому. изучение. физико-химических. процессов. в. смесях. твердых. веществ.
различной. гранулометрии. (размеры. частиц. от. сантиметровых.
до.микрометровых).с.минеральными.и.органическими.вяжущими.тонкодисперсных.и.молекулярных.структур.обязательно.для.
инженера-строителя..
Процессы.контактных.взаимодействий.предшествуют.процессам.отвердевания.смесей.после.их.перемешивания.и.уплотнения..
Без. понимания. сущности. закономерностей. взаимодействий. в. системах.«твердое.тело.–.твердое.тело»,.«твердое.тело.–.жидкость»,.
«твердое. тело.–.газообразное. вещество». невозможно. управлять.
структурообразованием.искусственного.строительного.материала.
Необходимо.отметить,.что.физические.и.химические.превращения,. происходящие. в. процессе. образования. искусственного.
строительного.композиционного.материала,.продолжают.изучаться.и.в.настоящее.время..К.ним.можно.отнести.ряд.нерешенных.про

Предисловие

блем.теоретического.и.прикладного.характера:.процессы.диффузии.
в. рассматриваемых. системах,. образование. кластерных. дефектов.
в. микро-. и. макроструктурах. асфальтовяжущих. композиций. (асфальтобетон).и.гелевой.части.цементного.камня.в.цементобетонах.
Основу.технологии.получения.строительных.композиционных.
материалов,. в. составе. которых. используются. высокодисперсные.
органические. и. неорганические. вяжущие,. составляют. механизм.
концентрации.их.твердой.фазы.в.жидкой.среде.и.те.поверхностные.
явления.на.межфазных.границах,.которые.и.приводят.к.образованию.плотного.монолита.из.исходных.компонентов.смесей.
В. направленном. структурообразовании. строительных. материалов.на.органических.вяжущих.важнейшее.значение.имеет.
изучение. закономерностей. образования. плотной. структуры. системы.«твердое.тело.–.жидкость».на.основе.рассмотрения.таких.
физических.явлений,.как.адсорбция,.адгезия,.когезия,.смачивания.водой.и.жидкими.органическими.вяжущими.твердой.поверхности.минеральных.наполнителей.и.заполнителей.строительных.
смесей,.активация.разнофазных.компонентов,.влияние.на.их.контактное. взаимодействие. различных. химических. добавок,. а. также.закономерности.реологического.поведения.смесей.в.процессе.
их. перемешивания. и. уплотнения.. Не. менее. важны. и. процессы.
растворения,. образования. насыщенных. и. перенасыщенных. растворов,. появления. зародышей. кристаллообразований,. их. роста,.
срастания. с. другими. подобными. образованиями. для. получения.
материалов.на.неорганических.вяжущих.
Курс.ФХОТ.СМ.состоит.из.трех.основных.взаимосвязанных.
частей:

.
‰ теоретические.основы.строительного.материаловедения;

.
‰ активационные. технологии. дорожных. битумоминеральных.
материалов;

.
‰ основы.теоретического.и.прикладного.бетоноведения.
Дополнительный.раздел.курса.–.основные.методы.исследования.строительных.материалов.
Автор. выражает. глубокую. благодарность. рецензентам:. академику. НАН. Беларуси,. доктору. химических. наук,. профессору.
Н.П..Крутько.и.доктору.технических.наук,.профессору.Э.И..Батяновскому,.а.также.кандидату.биологических.наук.Н.М..Ковалевой,.оказавшей.большую.помощь.в.подготовке.данного.учебнометодического.пособия.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
СТРОИТЕЛЬНОГО 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Строение вещества. Дисперсные системы

1.1.1. Ионизационный потенциал. Работа выхода 
электрона

Для. объяснения. строения. и. свойств. вещества. необходимо.
знать. законы. взаимодействия. атомов. и. молекул.. Энергетическое.состояние.молекул.и.их.взаимодействие.между.собой.определяются. энергетическим. поведением. атомов. этих. молекул..
В.1911.г..Э..Резерфордом.была.предложена.ядерная.модель.атома..Согласно.этой.модели.атом.состоит.из.положительно.заряженного.ядра.и.электронов,.вращающихся.вокруг.него.по.тем.
или.иным.орбитам..При.вращении.по.таким.орбитам.электрон.
не.излучает.энергии,.а.атом.находится.в.стационарном.(«невозбужденном»). состоянии.. Излучение. или. поглощение. энергии.
атомом.происходит.только.при.переходе.электрона.с.одной.орбиты.на.другую..Так.как.электрон.притягивается.ядром,.то.переход.на.орбиту.с.меньшим.радиусом.сопровождается.выделением.
некоторого.количества.энергии..Переход.электрона.на.орбиту.с.
большим.радиусом.может.происходить.только.при.поглощении.
атомом.соответствующего.количества.энергии,.т.е..атому.необходимо. сообщить. энергию. «извне».. Это. обстоятельство. является.весьма.важным.для.последующего.объяснения.активации.
компонентов.дорожных.бетонов.и,.в.частности,.активации.кварцевых.песков..Например,.чтобы.зарядить.поверхность.твердого.
тела.положительно,.достаточно.от.«поверхностного».атома.это
1.1.

1. Теоретические основы строительного материаловедения

го материала оторвать один электрон, т.е. преодолеть энергию
связи данного электрона с ядром.

При сравнении химических свойств элементов было уста
новлено, что некоторые электроны могут довольно легко отделяться от ядра, поскольку они вращаются на большем расстоянии от него. Так, например, атомы натрия и калия (I группа
периодической системы химических элементов) сравнительно
легко переходят в состояние однозарядных положительных
ионов, т.е. теряют по одному электрону. В настоящее время
удается отделить от них два и более электрона, превращая атомы этих химических элементов в положительные ионы (двух-,
трехзарядные и т.д.). Однако достичь этого нельзя химическими взаимодействиями. Для таких превращений атомов необходимо применить к ним более энергетически сильные средства
воздействия. Аналогичен процесс превращения нейтральных
атомов магния и кальция (II группа периодической системы)
в двухзарядные положительные ионы, поскольку они сравнительно легко отдают сразу два электрона.

Разработаны методы определения энергии последователь
ной ионизации атома в результате отделения от него сначала
одного (наиболее легко отделяемого) электрона, затем двух,
трех и т.д. Энергии последовательной ионизации характеризуются ионизационными потенциалами, т.е. потенциалами,
которые надо приложить для последовательного отделения
первого, второго, третьего и т.д. электронов от атома. Следует
отметить, что только первый ионизационный потенциал выражает энергию связи соответствующего электрона в атоме.
Остальные потенциалы всегда будут больше энергии связи. Это
объясняется тем, что первый электрон отделяется от нейтрального атома, а последующие – уже от положительного иона (на
что требуется значительно бóльшая энергия). При отделении
электронов из твердых (жидких) тел затрачивается энергия ионизации Еи, выражаемая в электрон-вольтах1:

1Электрон-вольт (эВ) определяется как количество энергии, кото
рое нужно затратить, чтобы частицу, обладающую зарядом, равным
заряду электрона, переместить в электрическом поле на разность потенциалов в 1 В.