Физико-химическая механика дорожно-строительных материалов


        ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Под редакцией доктора технических наук, профессора А. М. Гридчина, доктора технических наук, профессора В. И. Братчуна

Утверждено ученым советом Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова в качестве учебника для студентов направления подготовки «Строительство»














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 625.07
ББК 38.3+24.5
    Ф48

А в т о р ы:
Гридчин А. М., Братчун В. И., Золотарев В. А., Ядыкина В. В., Пактер М. К., Татаринский В. Б., Беспалов В. Л.

Р е ц е н з е н т ы:
советник Российской академии архитектуры и строительных наук доктор технических наук, профессор Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова В. В. Строкова;
доктор технических наук, профессор Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета Э. В. Котлярский


    Ф48       Физико-химическая механика дорожно-строительных материа-

     лов : учебник / [Гридчин А. М. и др.] ; под ред. д. т. н., проф. А. М. Грид-чина, д. т. н., проф. В. И. Братчуна. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 312 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0929-2

     Изложены сведения о физико-химической механике дорожно-строительных материалов. Даны основные представления о дисперсных системах и поверхностных явлениях в них, рассмотрены реологические и структурномеханические свойства дисперсных систем и композиционных строительных материалов. Описаны процессы структурообразования в композиционных материалах на основе минеральных вяжущих веществ и бетонов на органических вяжущих. Представлены примеры эффективного использования законов физикохимической механики для получения модифицированных каменноугольных вяжущих и бетонов на их основе, близких по качеству к нефтяным дорожным битумам и асфальтобетонам. Изложены основы физико-химической механики органических вяжущих веществ, асфальто- и дегтебетонов.
     Для студентов строительных направлений подготовки. Может быть полезно специалистам дорожно-строительной отрасли.

УДК 625.07
ББК 38.3+24.5




ISBN 978-5-9729-0929-2

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БЭТ    теория полимолекулярной адсорбции Брунауэра,         
       Эммета, Теллера                                      
СМ     строительные материалы                               
БМП    битумы, модифицированные полимерами                  
БПВ    битумополимерное вяжущее                             
ВМС    высокомолекулярные соединения                        
ОПВХ   отсев поливинилхлорида                               
В/Ц    водоцементное соотношение                            
ГЛБ    гидрофильно-липофильный баланс                       
ДПВ    дегтеполимерное вяжущее                              
ДС     дисперсная система                                   
ДСТ-30 термоэластопласт СБС                                 
ДТА    дифференциальный термический анализ                  
ДФ     дисперсная фаза                                      
ЭБА    эмульсия битумная анионная                           
ЭБК    эмульсия битумная катионная                          
ЭВА    сополимер «этиленвинилацетат»                        
ЭД     эпоксидная смола (эпоксидно-диановая)                
ЭЛВ    терполимер «этиленглицидилакрилат» (торговая марка   
       «Элвалой АМ» концерна DUPON (США)                    
ИК     инфракрасная спектроскопия                           
КСМ    композиционные строительные материалы                
КЛТ    каучуковый латекс                                    
ККМ    критическая концентрация мицеллообразования          
КФ-МТ  марка карбамидоформальдегидной смолы                 
МВВ    минеральные вяжущие вещества                         
МП     минеральный порошок                                  
ПАВ    поверхностно-активные вещества                       
ПБВ    полимербитумное вяжущее                              
ПОЭС   полимерсодержащие отходы производства эпоксидных смол
ДЭС    двойной электрический слой                           
ПКС    периодические коллоидные структуры                   
СБС    термоэластопласт «стиролбутадиенстирол»              
СКМС   бутадиенметилстирольный каучук                       
ФХМ    физико-химическая механика                           

3

        УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Г                     величина адсорбции                               
По                    пористость                                       
П25                   пенетрация при 25 °С                             
с                     концентрация                                     
Ск                    критическая концентрация                         
                      условная вязкость жидкости по вискозиметру       
сбо                   с капилляром диаметром 5 мм при температуре 60 °С
                      (в секундах)                                     
Е                     модуль упругости (модуль Юнга)                   
AF                    изменение свободной энергии системы              
G                     модуль сдвига                                    
G                     ускорение силы тяжести                           
ан...                 стандартное значение энтальпии                   
к                     постоянная Больцмана                             
Квд                   коэффициент водостойкости                        
кст                   коэффициент старения                             
m                     коэффициент пластичности                         
N                     выносливость (количество циклов нагружения       
                      или деформирования до разрушения материала)      
Na                    число Авогадро                                   
Р                     давление                                         
Ps                    двухмерное давление                              
q                     количество тепла                                 
R (в разделе 11)      прочность асфальтобетона                         
R20                   прочность асфальтобетона при 20 °С               
Ro3[                  предел прочности при изгибе                      
R (в других разделах) универсальная газовая постоянная                 
r                     радиус частицы ДФ                                
S                     величина поверхности                             
Зуд                   удельная поверхность                             
т                     температура                                      
Тхр                   температура хрупкости                            
Тр                    температура размягчения                          
U                     энергия (взаимодействия, активации)              
V                     объем                                            
V                     скорость седиментации                            

4

dv

dx               градиент скорости сдвига                       
W                угловая скорость                               
Wa               робота адгезии                                 
WK               работа когезии                                 
AZ298            энергия Гиббса (свободная энергия)             
а (раздел 2)     степень набухания                              
a (раздел 8)     степень гидратации                             
Y                скорость сдвига                                
5                толщина пленки битума                          
£                деформация (относительная)                     
■                градиент скорости деформации                   
£                                                               
£                электрокинетический потенциал (дзета-потенциал)
                 на границе скольжения ДЭС мицеллы              
n                                                               
Po                                                              
Pm               вязкость                                       
9 (разделы 2-4)  вязкость неразрушенной структуры ДС            
9 (разделы 6-11) вязкость разрушенной структуры ДС              
P                краевой угол смачивания                        
a (разделы 2-4)  период релаксации                              
oK               плотность                                      
a (разделы 6-11) поверхностное натяжение                        
Икр              поверхностное натяжение при ККМ                
т                нормальное напряжение                          
*                критическое напряжение                         
т                напряжение сдвига                              
max              предел сдвиговой прочности по Г. В. Виноградову
Тсдв             сдвигоустойчивость органобетонов (прочность при
                 сдвиге)                                        
Тк               величина когезии                               
Тст              напряжение установившегося течения             

5

        ВВЕДЕНИЕ


    Учебник «Физико-химическая механика дорожно-строительных материалов» подготовлен на основе опыта преподавания нескольких дисциплин на кафедрах автомобильных и железных дорог Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова, автомобильных дорог и аэродромов Донбасской национальной академии строительства и архитектуры, технологии дорожно-строительных материалов Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Он охватывает три основных направления: фундаментальные принципы и закономерности физико-химической механики дисперсных систем; физико-химические основы структурообразования, прочности и долговечности цементных бетонов; физико-химические основы структурообразования, прочности и долговечности бетонов на органических вяжущих.
    Первое направление посвящено основным свойствам дисперсных систем: дисперсность, гетерогенность, межмолекулярные взаимодействия, поверхностные свойства (поверхностное натяжение, смачивание, адсорбция, влияние на них поверхностно-активных веществ - ПАВ) и реологические свойства (включая их моделирование, релаксационную природу деформирования, температурную и скоростную зависимость механических показателей).
    Второе направление освещает структурно-реологические свойства цементобетонных смесей и способы их регулирования, структурообразование композиционных материалов с использованием цемента во времени и способы его регулирования; способы повышения эффективности использования цемента в бетоне, современные технологические способы и методы повышения качества цементных бетонов и их экономичности.
    Третье направление охватывает сведения о составе, структуре и физикомеханических свойствах каменноугольных дорожных дегтей и нефтяных дорожных битумов, битумных эмульсий, способы их комплексного модифицирования, реологические свойства, природу деформирования и разрушения дегтебетонов и асфальтобетонов с привлечением термофлуктуационной теории прочности, а также критерии и способы оценки их долговременной прочности. Кроме этого, раскрывается механизм формирования свойств бетонов на основе органических вяжущих на стадии производства смесей. Сформулированы требования к показателям качества битумополимерных вяжущих и асфальтополи-мербетонам.
    В учебнике на примере модификации типичных коллоидных систем, каменноугольных вяжущих, убедительно показана эффективность использования законов физико-химической механики для направленного регулирования состава, структуры и свойств каменноугольных дорожных дегтей с целью получения композиционных дорожно-строительных материалов с необходимым комплексом физико-механических свойств в широком диапазоне эксплуатационных свойств в условиях эксплуатации в конструктивных слоях нежесткой дорожной одежды.
    В основу учебника положены фундаментальные работы, приведенные в библиографическом списке рекомендуемой литературы к I и II частям.

6

    В каждой части приведены условные обозначения и список сокращений, а каждый раздел заканчивается контрольными вопросами для проверки качества усвоения теоретического материала.
    Издание предназначено для бакалавров направления «Строительство» профилей подготовки «Автомобильные дороги и аэродромы» и «Мосты и тоннели», студентов специальностей «Уникальные здания и сооружения» и «Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей», для магистрантов направления «Строительство», обучающихся по магистерской программе «Дорожно-строительное материаловедение».
    Уважаемые студенты, желаем Вам успешного усвоения данного курса.
    Уважаемые коллеги, Ваши замечания по совершенствованию содержания и структуры учебника «Физико-химическая механика дорожно-строительных материалов» просим присылать по адресу: vvya@intbel.ru.

7

I ЧАСТЬ


ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ


        1.         ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

    1.1. Окружающий мир и дисперсные системы.
    1.2. Физико-химическая механика как научная дисциплина, ее задачи.
    1.3. Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем с позиции физико-химической механики композиционных материалов.
       1.3.1. Дисперсные (микрогетерогенные) системы.
       1.3.2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз.
       1.3.3. Классификация дисперсных систем (коллоидных растворов) по интенсивности молекулярных взаимодействий.
       1.3.4. Дисперсные коллоидные системы.
       1.3.5. Классификация дисперсных систем по размерам частиц.
       1.3.6. Периодические коллоидные системы.
    1.4. Особенности свойств коллоидных систем.
    1.5. Краткий исторический обзор.
    Вопросы для контроля.

        1.1. Окружающий мир и дисперсные системы

    Окружающий мир существует во многом благодаря формированию тел в результате взаимодействия, слипания, срастания тончайших частиц (их коагуляции) или, наоборот, благодаря способности этих частиц находиться во взвешенном состоянии в определенной среде: жидкости, газе, твердом теле. Что общего между кометой, облаком, туманом, почвой, порошковой металлургией, керамикой, цементным бетоном, асфальтовым бетоном, резиной, пластмассой, кремами, хлебом, кирпичом и т. д.?
    Общим является то, что все эти тела, материалы и предметы, которые являются частью окружающего мира, представляют собой дисперсные системы.
    Дисперсными называют системы, состоящие из множества мелких частиц, распределенных в жидкой, твердой или в газовой среде.
    Дисперсный - значит «измельченный, рассеянный». Наиболее важными признаками таких систем являются высокая дисперсность и гетерогенность (т. е. неоднородность состава). По размерам частицы, образующие материаль

8

ный мир, отличаются во много миллионов раз. Элементарные частицы, атомы, молекулы - это область физики и химии. Более крупные частицы проявляют свою специфику поведения. Законы их взаимодействия - это область исследования физико-химической механики дисперсных систем и коллоидной химии. Само название этих научных дисциплин связано с понятием мелких частиц, которые образуют клей (коллоид - colla, греч.). Это название ввел английский химик Томас Грэм в первой половине XIX века в ходе исследования свойств растворов веществ, которые проявляют нетипичные для настоящих (молекулярных) растворов свойства: выпадение осадка при добавлении в раствор небольших количеств солей, отсутствие температурных эффектов при растворении, рассеяние света или опалесценция и др.
    Все это и другие особенности связаны с высокой степенью дисперсности частиц, со специфическими особенностями их поверхности (высокая свободная энергия), с наличием в системе поверхности раздела фаз и поверхностной энергии.
    Фаза - это часть дисперсной гетерогенной системы, которая отделена поверхностями раздела фаз и характеризуется одинаковыми физическими свойствами во всех точках.
    Вещество, в котором распределяются тонкодисперсные частицы, называется дисперсионной средой (ДС), а вещество, которое распределено в объеме среды, называется дисперсной фазой (ДФ).
    Гетерогенность - это неоднородность происхождения и свойств компонентов, входящих в состав дисперсных систем. Несмотря на достаточно малые размеры дисперсных коллоидных частиц, для них характерна агрегативная неустойчивость. Задача технолога заключается в умении или обеспечивать устойчивость дисперсной системы (эмульсии, однородные известковые и цементные растворы, связные бетонные смеси), или ее разрушать, то есть обеспечивать коагуляцию (слипание) частиц (получение керамического кирпича, цементного клинкера спеканием, распад эмульсий, коагуляция асфальтеновых комплексов мицелл).
    Неустойчивость дисперсных систем связана с их большой свободной поверхностной энергией, сосредоточенной на границе раздела фаз. Эта энергия накапливается в процессе измельчения, и молекулы, расположенные на поверхности, находясь в особом неуравновешенном состоянии, способствуют слипанию частиц (коагуляции). При этом исчезает межфазная граница и свободная энергия системы уменьшается. Она приходит в состояние равновесия (можно вспомнить, как капли масла в воде объединяются и система разделяется на два слоя). Эта способность частиц может быть использована с целью получения прочного клеевого состава, улучшения сцепления битума или цемента с минеральными материалами.
    В основе существования дисперсных систем и, следовательно, строительных материалов лежит баланс сил притяжения-отталкивания. Силы сцепления обычно имеют межмолекулярную природу (Ван-дер-Ваальсовы силы: ориентационные, индукционные, дисперсионные; водородные связи). Эти силы очень быстро растут по мере сближения частиц.

9

    На некотором расстоянии начинают проявляться силы отталкивания (обусловленные электрическими зарядами на поверхности частиц). Силы притяжения и отталкивания дисперсных (коллоидных) частиц можно регулировать, используя добавки электролитов и ПАВ.
    Имеются и другие способы обеспечения устойчивости дисперсных систем (в частности, создание на поверхности дисперсной фазы защитных слоев).
    Все это будет предметом последующего рассмотрения.

        1.2. Физико-химическая механика как научная дисциплина, ее задачи

    Физико-химическая механика (ФХМ) - научная дисциплина, сформировавшаяся на стыке молекулярной физики (физика твердого тела), механики материалов и физической химии (физико-химия поверхностных явлений и дисперсных систем).
    Физико-химическая механика композиционных строительных материалов (КСМ) - это область знания, изучающая физико-химические факторы, определяющие механические свойства КСМ и их структуру, и которая разрабатывает способы и методы использования этих факторов для управления механическими свойствами КСМ, а также процессами получения КСМ с заданной структурой и необходимыми свойствами.
    Решение этой задачи должно привести к повышению прочности и долговечности материалов в различных условиях их службы, а также к облегчению, ускорению и улучшению процессов механической обработки различных твердых тел давлением, резанием и измельчением с помощью совместного использования физических (температуры), физико-химических и механических факторов. Для решения основной задачи ФХМ необходима разработка двух проблем:
    -     изучение физико-химических закономерностей и механизма деформационных процессов и разрушения твердого тела в зависимости от его состава и структуры, влияния температуры и внешней среды;
    -     изучение процессов структурообразования, а именно: развитие пространственных структур, образующих твердое тело с заданными механическими свойствами; изучение кинетики этих процессов.
    Первая проблема связана с развитием теории разного рода процессов обработки твердых тел - давлением, резанием, а также измельчением и тонким помолом.
    Вторая проблема связана с теорией образования новых дисперсных фаз из первоначальной жидкой среды - переохлажденного расплава, пересыщенного раствора или путем спрессовывания и спекания изначально не связанных между собой твердых частиц порошка.
    Физико-химическая механика изучает двух- или многофазные системы, в которых хотя бы одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии. Свойства таких систем определяются большой удельной поверхностью, моле

10