Структурообразование в системах при производстве строительных материалов

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 99Б г.


Л.Н. ПОПОВ
И.Б. АЛИКИНА
Б.А. УСОВ



СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В СИСТЕМАХ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ





                УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ




                   Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» (квалификация (степень) «бакалавр»)


Электронноznanium.com

Москва ИНФРА-М 2018

УДК 691(075.8)
ББК 38.3я73
      П58

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

      Рецензенты:
         А.Н. Волнушев — канд. техн. наук, ст. научный сотрудник НИИЖБ;
         Г.Э. Окольников — канд. техн. наук, профессор МГОУ


      Попов Л.Н.
П58    Структурообразование в системах при производстве строитель      ных материалов : учеб. пособие / Л.Н. Попов, И.Б. Аликина, Б.А. Усов. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 61 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

         ISBN 978-5-16-010755-4 (print)
         ISBN 978-5-16-102762-2 (online)

         Учебное пособие посвящено механизму процессов структурообра-зования дисперсных систем, основным представлениям механохими-ческих процессов и их применению для изучения свойств бетонной смеси. Рассмотрены вопросы диспергирования систем при получении суспензий и дана классификация добавок, применяемых при изготовлении вяжущих.
         Предназначено для подготовки инженеров-строителей-технологов по направлению 08.03.01 «Строительство».


УДК 691(075.8)
ББК 38.3я73

ISBN 978-5-16-010755-4 (print)
ISBN 978-5-16-102762-2 (online)

© Коллектив авторов, 2008, 2016

Подписано в печать 28.06.2017.
Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 3,81.
ППТ30. Заказ № 00000

ТК 341300-915966-280316
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru         http://www.infra-m.ru



Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

СОДЕРЖАНИЕ


Введение..............................................
1. Структурообразование в дисперсных системах.........
   1.1.   Коагуляционные и конденсационные пространственные структуры.........................................
  1.2.  Понятие о механохимических процессах.................
  1.3.  Получение дисперсных систем...................
  1.4.  Диспергированные системы в виде суспензии.....
  1.5.  Классификация добавок.........................
  1.6.  Основные стадии твердения вяжущих.............
2. Сухие строительные смеси...........................
3. Воздушные вяжущие строительные материалы...........
  3.1. Известь........................................

5 6

6 9 11 13 16 19 20 27 27

  3.2. Гипсовые вяжущие вещества.................... 33
  3.3. Магнезиальные вяжущие вещества............... 36
4. Механохимическая активация цементов, добавок и заполнителей к бетону................................. 37
  4.1. Основные положения и область применения............ 37
   4.2.  Особенности механических активаторов и рекомендации по их эксплуатации............................ 40
   4.3.  Технология приготовления добавок, водных эмульсий из труднорастворимых в воде продуктов............... 41
   4.4.   Режимы виброимпулъсной активации растворов пластификаторов, суперпластификаторов и цементноводных суспензий.................................... 42
   4.5.   Технология приготовления цементно-водных суспензий и бетонной смеси................................ 43

  4.6.   Технология химической активации поверхности заполнителей и приготовление бетонной смеси......... 46
  4.7. Особенности контроля и техника безопасности. 47
5. Примеры решения задач и задачи................. 48
Приложение 1. Термины и определения............... 53
Приложение 2. Примеры определения кратности вибро-импульсной активации цементно-водных суспензий.... 54
Приложение 3. Пример подбора состава бетона с активированной цементно-водной супензией.................. 55

3

Приложение 4. Приготовление растворов кислот, щелочей, солей и гидрофобно-пластифицирующих добавок..... 57
Приложение 5. Методика контроля степени активации заполнителей...................................... 59
Список рекомендуемой литературы................. 60

4

            ВВЕДЕНИЕ


    Современные условия производства строительных материалов и изделий на неорганических вяжущих опираются на глубокие знания физико-химических процессов твердения и условий формирования их оптимальной структуры. Поэтому инженерам-строителям-технологам необходима серьезная подготовка по многим направлениям прикладной химии как для понимания закономерностей, происходящих в производственных процессах, так и для управления технологией получения оптимальной структуры материалов, в том числе и за счет широкой «химизации» строительных смесей различными добавками полифункционального действия.
    Настоящее учебное пособие посвящается основным положениям: гидратации известковых, гипсовых и магнезиальных вяжущих, механизму формирования структуры обычных и сухих строительных смесей и механохимической обработке их компонентов, включая жидкие и порошкообразные химические добавки. Механохимическая обработка по высокочастотным режимам позволяет улучшить в целом технологические свойства смесей и воздействовать на прочность и долговечность материалов.
    Авторы считают, что подготовка студентов в процессе изучения курса «Прикладная химия» по указанным проблемам является очень важной для воспитания новых специалистов, способных разобраться в многообразии современных строительных материалов, и главное, в химических и физических аспектах их производства по отечественным и зарубежным технологиям.
    Учебное пособие посвящено механизму процессов струк-турообразования дисперсных систем, основным представлениям механохимических процессов и их применению для улучшения свойств бетонной смеси. Рассмотрены вопросы диспергирования систем при получении суспензий и дана классификация добавок, применяемых при изготовлении вяжущих.

5

     Подробно освещены физико-химические аспекты получения воздушных вяжущих строительных материалов - извести, гипса, магнезиальных вяжущих, приведена классификация сухих строительных смесей и схема получения дисперсных полимерных порошков (ДНИ). Для закрепления материала даны примеры решения задач по воздушным вяжущим и к излагаемому курсу, а также приведены необходимые приложения.
     Учебное пособие предназначено для подготовки инжене-ров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

1. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ


            1.1. Коагуляционные и конденсационные пространственные структуры


     Строительные материалы (бетоны, известь, гипс, цемент, керамика и т. д.) - грубодисперсные системы с размером частичек более 100 ммк (1 ммк = Г10'⁷см). Их разделяют на: свободнодисперсные (неструктурированные) и связнодисперсные (структурированные). Первые - текучие, т.к. частицы дисперсной фазы, не имея контактов в дисперсионной среде, участвуют беспорядочно в тепловом движении и свободно перемещаются под действием силы тяжести.
     Структурированные (связнодисперсные) системы образуются при контакте частиц дисперсной фазы с образованием структуры в виде каркаса или сетки. Эти системы не текучие и сохраняют форму.
     Ребиндером П.А. определены два типа пространственных структур - коагуляционные и конденсационные. В коагуляционных структурах контакт между частицами осущестляется через тонкие прослойки дисперсионной среды (рис. 1а) и точечные контакты (рис. 1в) или при участии макромолекул (рис. 16). Конденсационные структуры возникают путём склеивания, сваривания, срастания частиц дисперсной фазы на отдельных участках поверхности (рис. 1г).


6

а               б           в         г
Рис. 1. Виды контактов в пространственных дисперсных структурах:
а, в- коагуляционные с низкомолекулярными сольватными (а) и высокомолекулярными (б) слоями; в - точечные контакты;
г - фазовые контакты

     В коллоидном растворе в начале коагуляционного взаимодействия агрегаты из двух, трех (а иногда и целой цепочки) первичных дисперсных частиц - сохраняют текучесть (скрытая коагуляция) до образования сетки. Но уже дальнейший рост агрегатов приводит к образованию коагулята (седимента) или геля. Возникает твердообразная коагуляционная структура, которая может быть плотной (рис. 2а) или рыхлой (рис. 26). Све-жевозникшие коагуляты во многих случаях часто переходят в состояние золя. Изотермичесский переход коагулята в золь называется пептизацией, а вызывающие его вещества - пептиза-торами.

а            б

Рис. 2. Связнодисперсные системы:
коагулят с плотной (а) и рыхлой (б) «арочной» структурой

     Пептизаторы ионной (электролиты) и молекулярной природы стабилизируют дисперсные системы и, адсорбируясь на поверхности первичных частиц, ослабляют взаимодействие между ними, приводя к распаду агрегатов, и коагуляты переходят в золь.


7

     Пептизацию часто можно наблюдать при промывании дистиллированной водой находящихся на фильтре свежеполу-ченных осадков сульфидов и гидроксидов металлов. Промывание дистиллированной водой уменьшает концентрацию электролитов, что приводит к изменению структуры двойного электрического слоя - часть противоионов переходит из адсорбционного в диффузный слой, величина электрокинетического £ -потенциала возрастает, и в результате этого осадок гидроксида или сульфида на фильтре уменьшается - пептизируется, проходя через поры фильтра в виде золя.
     Со временем пептизируем ость коагулятов в результате развития точечных контактов между первичными частицами уменьшается, происходит упрочнение коагуляционных структур или так называемое старение коллоидов. Проявляется оно в агрегации частиц дисперсной фазы, в уменьшении их числа и степени гидратации, в уменьшении поверхности раздела между фазами и адсорбционной способности. Прочность коагуляционных структур незначительна, так как сетчатый каркас из дисперсных частиц удерживается за счет межмолекулярных сил, которые невелики.
     Для коагуляционных структур характерно явление тиксотропии (от греческого слова «тиксис» - встряхивание и «тре-по» - изменяется). При механических воздействиях происходит разрушение структуры с переходом в текучее состояние и в покое - самопроизвольное восстановление структуры, как бы «отвердевание». Тиксотропность может быть полезным свойством. Например, масляные краски, будучи разжижены механическим воздействием, в результате тиксотропного структурирования не стекают с вертикальных поверхностей. При высушивании материалов с этой структурой коагуляционные контакты переходят в точечные, теряют пластичность и прочность материала быстро возрастает. Оводнение такого высушенного материала (например, керамической массы, глины, бумажной массы) ведёт к его размоканию со снижением прочности.
     Конденсационные дисперсные структуры в зависимости от механизма возникновения фазового контакта (рис. 1) разделяют на: структуры спекания (срастания) и кристаллизационные структуры твердения.

8

     Структуры спекания возникают в результате сварки, сплавления, спекания или склеивания дисперсных частиц в точках касания. Они получаются при термической обработке, когда частицы дисперсной фазы «свариваются» по местам точечных контактов. Характерна она для ряда адсорбентов (алюмогель, силикагель), которые хрупки вследствие своей рыхлой структуры. При высокой плотности упаковки дисперсных частиц коагуляционные структуры спекания приобретают высокую прочность и часто жаростойкость. Таковы композиции из металла и тугоплавкого оксида металла, например, спеченный алюминиевый порошок (САП). На алюминиевый порошок наращивают тонкую оксидную пленку и затем спекают его под давлением. Структура САП представляет собой каркас из пленки А1₂0з толщиной 10-20 нм, в ячейки которой включены зерна алюминия с сохранением частичных контактов между ними.
     Таким образом, конденсационная структура представляют собой непрерывные каркасы дисперсной фазы и дисперсионной среды, вдвинутые друг в друга и не потерявшие дисперсности. Однако она может быть получена и при конденсации дисперсной фазы из пересыщенных растворов или расплавов. При образовании и росте зародышей новой фазы из концентрированных пересыщенных систем может возникнуть непрерывный сетчатый каркас путем срастания и переплетения растущих частиц дисперсной фазы. Если эти частицы представляют собой кристаллы, то возникающие структуры называют кристаллизационно-конденсационными структурами твердения.
     Сцепление элементов конденсационных структур дополняется образованием химических связей, что обусловливает значительную их прочность. Конденсационные структуры не тиксотропны и не пластичны, это упруго-хрупкие, необратимо разрушаемые структуры, в отличие от тиксотропно-обратимых коагуляционных структур.


            1.2. Понятие о механохимических процессах


     Область науки, изучающая физику и химию процессов деформирования, разрушения и образования материалов и дис

9

персных структур, называется физико-химической механикой твердых тел и дисперсных структур или механохимией. Научные знания здесь находятся на стыке наук - коллоидной химии, молекулярной физики твердого тела и механики материалов. Одно из направлений физико-химической механики - это повышение прочности материалов для снижения массы, увеличения срока службы изделий, снижения расхода материалов на их изготовление и повышения эффективности производства.
     Механохимические превращения обусловлены переходом вещества в метастабильное химически активное состояние, а также интенсификацией массопереноса в результате поглощения механической энергии. Активность твердых тел при деформировании, трении или разрушении вызвана возникновением колебательно- и электронно-возбужденных состояний межатомных связей, механически напряженных и разорванных связей, в том числе свободных радикалов, ион-радикалов, координационно-ненасыщенных атомов, различных структурных дефектов.
     Механохимические процессы характеризуются энергетическим выходом Q, равным числу молей активных частиц или продуктов химического превращения, возникших в результате поглощения веществом 1 МДж механической энергии (моль/МДж). Для передачи механической энергии пластические материалы обрабатывают на вальцах-экструдерах и подобном оборудовании, порошки - в мельницах, дезинтеграторах или аналогичных машинах.
     Поглощение механической энергии инициирует разложение веществ (в том числе вызывает деструкцию полимеров), полиморфные превращения, гетерогенные реакции твердого тела с жидкостями и газами, твердофазный синтез в смесях порошков и другие реакции.
     Механическая обработка порошков сопровождается накоплением точечных дефектов, дислокаций аморфных областей, образованием новых поверхностей. В результате механического нарушения атомной структуры повышаются растворимость вещества и скорость растворения, облегчаются реакции с молекулами среды и другими твердыми телами (снижается энергия активации реакций), на порядки снижаются температуры твер

10