Гигромеханика строительных материалов: закономерности и эффективность управления интенсивностью взаимодействия структур строительных материалов со средой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гигромеханика строительных материалов: закономерности и эффективность управления интенсивностью взаимодействия структур строительных материалов со средой

Чернышов Е.М., академик РААСН, д-р техн наук, профессор

Славчева Г.С., канд. техн наук, доцент

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет



Исходные посылки

водяной пар строительный интенсивность

Управление интенсивностью взаимодействия строительных материалов с водяным паром и водой является предметом гигромеханики /1,2/, рассматривающей закономерности реализации конструкционных свойств материалов при изменении их влажностного состояния в эксплуатационной среде, вопросы приложения этих закономерностей в инженерных задачах обеспечения задаваемого уровня качества продукции. Основы такого управления базируются на учете механизма и движущих сил взаимодействия дисперсной пористой структуры материала со средой.

Явления взаимодействия в системе «материал - среда» находят свое выражение в гигромеханических процессах адсорбции и капиллярной конденсации паров этой среды, а при прямом контакте материала с жидкостью - в капиллярном, и, наконец, при наличии избыточного давления жидкости - в фильтрационном насыщении материала. Фундаментальные соотношения Гиббса, Лапласа, Кельвина, Жюрена, Лыкова, Дарси (таблица 1) раскрывают такое взаимодействие с точки зрения изменения запаса внутренней энергии материала и, одновременно, отражают механизм процессов адсорбции А, капиллярной конденсации КК, капиллярного КН и фильтрационного насыщения ФН как функцию, с одной стороны, состава, структурных характеристик и состояния дисперсных пористых систем (объема Vтв.ф ,. площади поверхности Sтв.ф и удельной поверхностной энергии qтв.ф твердой фазы, объемной доли пор Vпор и распределения их по размерам drпор/dVпор , краевого угла смачивания жидкостью поверхности твердой фазы ), а с другой стороны, - параметров состояния среды (температуры t, относительного парциального давления р/р0 газовой фазы, избыточного давления P, плотности и молекулярной массы М жидкой фазы) /3-8/.



Таблица 1. Система фундаментальных соотношений для явлений адсорбции, капиллярной конденсации, капиллярного насыщения и фильтрации

Соотношение Гиббса для убыли величины поверхностной энергии dутф при адсорбции вещества на твердой фазе		(1)
Уравнение Кельвина для давления пара жидкости p в поре		(2)
Уравнение Лапласа для капиллярного давления pк		(3)
Уравнение Жюрена для высоты поднятия жидкости в капиллярах h		(4)
Уравнение Лыкова для скорости насыщения пор материала жидкостью		(5)
Уравнение баланса гидростатического pж и капиллярного давления при фильтрационном насыщении материала жидкостью		(6)

Обозначено: dутф = у0 _ уа _ убыль плотности поверхностной энергии; у0 _ свободная поверхностная энергия твердой фазы в вакууме, а уа _ в присутствии адсорбируемого вещества при парциальном давлении его паров р/рo; R _ газовая постоянная, T _ абсолютная температура; A _ величина адсорбции в г адсорбата на г адсорбента; Sтф _ удельная поверхность твердой фазы адсорбента; M _ молекулярный вес адсорбата; Vмж _ молярный объем жидкости; г _ поверхностное натяжение жидкости; rэ _ эффективный радиус пор; и _ краевой угол жидкости со стенками пор; сж _ плотность жидкости; мж _ вязкость жидкости; в _ угол наклона оси капилляра к горизонту; ф _ время; Н - высота столба жидкости над поверхностью материала.

Следствием, практическим результатом систематизации и анализа основополагающих соотношений гигромеханики выступают принципы и условия (факторы) управления интенсивностью взаимодействия материала с водяным паром и водой, которое (управление) должно осуществляться на основе структурного подхода (рисунок 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обобщенно интенсивность гигромеханических процессов в материале потенциально определяется силой связи воды с его структурой, поэтому существо принципов и условий управления должно быть связано с регулированием тех количественных и качественных характеристик твердой фазы и порового пространства материала, которые могут влиять на баланс сил его связи со средой, а именно:

1) объема твердой фазы в комплексе с величиной площади внутренней поверхности, доступной для газовой и жидкой фазы среды, с энергетическим состоянием поверхности, силой взаимодействия твердой и жидкой фаз;

2) объема пор, распределения объема по размерам пор и, соответственно, энергетического поля в объеме пор.

Возможности регулирования гигрометрически значимых характеристик твердофазовой составляющей строительных материалов могут быть реализованы двумя основными способами:

1) изменением величины активной площади поверхности (Sтф ), удельной поверхностной энергии (утф), сродства твердой фазы к воде, достигаемого регулированием химико-минералогического, дисперсного, морфологического ее состава;

2) изменением смачиваемости (cos) поверхности, обеспечиваемым с помощью прививки к ней слоев веществ с иной силой взаимодействия с водой.

Возможности же регулирования гигрометрически значимых характеристик порового пространства могут состоять:

1) в изменении размерно-геометрических характеристик пор, предусматривающим получение пор определенного радиуса и создание переменности их сечения с целью управления величиной капиллярного давления рк;

2) в закупорке входов в капилляры (кольматации), обеспечивающей перекрытие их сечения, что может влиять на интенсивность миграции влаги (массопереноса) в структуре.

Рассмотрение этих возможностей и составляет проблематику и предмет предлагаемой статьи, логически входящей в публикации по гигромеханике строительных материалов, как существенно значимой области современного материаловедческого знания /1,2/.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль состава и структуры твердой фазы.

Управление взаимодействием с водяным паром и водой строительных материалов достигаться, прежде всего, за счет регулирования химико-минералогического, дисперсного и морфологического составов твердой фазы. Для цементного и силикатного камня обеспечиваемое при таком регулировании уменьшение площади поверхности, величины свободной поверхностной энергии является результатом направленного регулирования процессов структурообразования цементирующих веществ, итогом чего может быть перевод высокоосновных форм гидратов в низкоосновные, а аморфных и скрытокристаллических их фаз в кристаллические. В результате достигается одновременное изменение термодинамических свойств (таблица 2) и величины суммарной площади поверхности частиц и кристаллов гидратов.



Таблица 2. Стандартные значения термодинамических свойств основных фаз цементирующего сростка

Наименование кристаллической фазы	Энтальпия - теплота образования -?Н0298, ккал/моль	Изобарный потенциал -?Z0298, ккал/моль	Энтропия -?S0298, ккал 0С/моль
Ca(OH)2	235,8	214,33	18,2
2CaOSiO21,17H2O	637,15	592,9	38,4
3CaO2SiO23H2O	1143,2	1052,95	74,6
6CaO6SiO2H2O	2396,7	2259,4	121,3
5CaO6SiO25,5H2O	2556,3	2361,45	146,15

Такое изменение химико-минералогического состава, связанной с ним степени закристаллизованности и энергетического состояния поверхности новообразований цементирующих веществ и твердой фазы материала в целом, закономерно приведет к существенному изменению силы взаимодействия материала с водяным паром и водой.

Вклад состава и структуры твердой фазы материала в интенсивность гигромеханического его взаимодействия со средой, с другой стороны, безусловно, должен увязываться и с объемным соотношением матричного материала (цементирующего вещества) и наполняющих компонентов, которые могут отличаться своим поведением при контакте с водяным паром и водой. При этом следует рассчитывать не на аддитивный, а скорее на синергетический эффект возможного влияния объемного соотношения «матрица»:«включение» в твердой фазе.

Роль модифицирования поверхности твердой фазы.

Возможная роль модифицирования поверхности твердой фаза должна анализироваться исходя из того, что проявляющееся в материале капиллярное давление одновременно зависит от размера пор и краевого угла смачивания поверхности твердой фазы материала водой (рисунок 2). Именно «управление» краевым углом смачивания и является целью модифицирования поверхности.

Принципиальное отличие способа модифицирования поверхности твердой фазы привитыми поверхностными соединениями от способа регулирования ее химико-минералогического, дисперсного и морфологического состава заключается в том, что изменение величины свободной поверхностной энергии достигается посредством физико-химического воздействия на поверхностные функциональные группы субстанции твердой фазы, при том, что вещественный состав в ее объеме не затрагивается /10/.

Поверхность большинства неорганических строительных материалов, являясь полярной (из-за наличия гидроксильных групп), обладает значительной поверхностной энергией, высоким сродством к воде. Модифицирование поверхности (например, органическими молекулами ПАВ или полимерами) приводит к уменьшению ее свободной поверхностной энергии и сродства к воде, что проявляется в соответствующем изменении интегральной характеристики процесса смачивания - равновесного краевого угла смачивания . Смачиваемость поверхности теоретически может быть изменена в пределах от +1 до -1, то есть от абсолютно гидрофильной до абсолютно гидрофобной. Для общего случая поглощения воды материалом под действием гидростатического и капиллярного давления из уравнения (6) следует, что при постоянных параметрах состояния среды (гж, сж) и порового пространства материала (rэ ) можно путем изменения смачиваемости поверхности (cos) создать в капиллярах пониженное или даже противокапиллярное давление, которое будет препятствовать поглощению жидкости материалом.

Принципиально эффект уменьшения гидрофильности и, соответственно, увеличения гидрофобности (эффект гидрофобизации) поверхности может быть обеспечен:

а) путем создания привитых поверхностных соединений, когда якорная группировка модификатора (прививаемого вещества) вступает в необратимое химическое взаимодействие со структурными единицами поверхности твердой фазы. При этом смачиваемость поверхности будет определяться гидрофобной функциональной группировкой модификатора (как правило, неполярной углеводородной цепью);

б) путем образования на поверхности адгезионно связанной пленки высокомолекулярных соединений (полимеров), также изменяющих смачиваемость твердой фазы.

Следует специально обратить внимание на то, что в реальных технологических условиях невозможно, по-видимому, добиться близкой к единице степени заполнения ("укрытия") поверхности гидрофобным веществом, то есть невозможно получить на всей внутренней поверхности твердой фазы плотноупакованные слои модификатора или создать сплошную однородную гидрофобную пленку полимера на всей внутренней поверхности. Для строительных материалов наиболее вероятным представляется, как в первом случае (а), так и во втором случае (б), «мозаичное» распределение гидрофобного покрытия.

Анализ действия капиллярных сил (рисунок 3) позволяет предположить, что даже создание отдельных гидрофобизированных участков на внутренней поверхности капилляров может обеспечить уменьшение величины капиллярного давления. Данное предположение подтверждается расчетами, основанными на использовании уравнения Лапласа (3), характеризующего зависимость величины капиллярного давления Рк от диаметра цилиндрических пор d и угла смачивания , и уравнения Касси-Бакстера, описывающего изменение угла смачивания гетерогенной поверхности твердой фазы, содержащей гидрофильные и гидрофобные участки,

где fн.г. и fг. - относительная доли внутренней поверхности соответственно без гидрофобного и с гидрофобным покрытием, при условии .

При ведении расчетов принято:

1) краевой угол смачивания негидрофобизированной поверхности твердой фазы н.г. = 0-300; среднее значение н.г. = 150;

2) краевой угол смачивания гидрофобизированных участков поверхности твердой фазы г. = 106-1140; среднее значение .г. = 1100;

3) объем капиллярно-насыщаемой воды, исходя из соотношений (3) и (4)

Результаты расчетов изменения среднего краевого угла смачивания внутренней поверхности твердой фазы и значения величины капиллярного давления для принятого постоянного диаметра пор при варьировании значения fг представлены в таблице 3.

Выполненные расчеты показывают, что для снижения величины капиллярного давления, например, в 2 раза требуемая степень заполнении поверхности твердой фазы модифицирующим веществом может быть всего 0,3, а для снижения в три раза составлять 0,5.

Таблица 3. Изменение угла смачивания и капиллярного давления в зависимости от степени заполнения поверхности гидрофобизирующим веществом

Степень заполнения поверхности гидрофобизирующим веществом, fг	Средний краевой угол смачивания,	Капиллярное давление Рк при среднем диаметре пор d=0,002 мм, МПа
0	15	1
0,1	26	0,8-0,9
0,2	37	0,7
0,3	48	0,5-0,6
0,4	59	0,4-0,5
0,5	70	0,3

При этом следует ожидать снижения объема капиллярно-насыщаемой воды также в два и в три раза, так как согласно (8) этот объем прямо пропорционально связан с величиной капиллярного давления.

Роль структуры порового пространства

При анализе влияния параметров порового пространства строительных материалов на интенсивность взаимодействия с водяным паром и водой следует исходить из отличия природы и энергии связи воды в порах различного размера.

В порах d10-6 мм (гелевых и контракционных по происхождению) весь объем жидкой фазы находится в поле действия поверхностных сил и является адсорбционно-связанным. Нарушение этой связи возможно при десорбции в среде с парциальным давлением водяных паров р/р00,2-0,25 или при действии сил кристаллизации в условиях, например, охлаждения материала при отрицательной температуре -50ч-700С. Для реальной эксплуатации такие значения параметров эксплуатационной среды не характерны, поэтому изменение состояния и содержания воды в гелевых и контракционных порах мало вероятно. Отсюда вклад пор данных размеров в развитие гигромеханических процессов следует полагать достаточно ограниченным.

Развитие процессов капиллярной конденсации, насыщения и фильтрации наиболее активно происходит в капиллярных порах d= 10-1 ч 10-6 мм. Вода в них удерживается капиллярными силами, величина которых наряду с характеристиками стенок определяется размерно-геометрическими особенностями капилляров. К примеру, значение капиллярного давления может уменьшиться как минимум в 5-7 раз при увеличении диаметра пор в 10 раз (см. рис. 2).

Исходя из представлений о механизме процессов капиллярной конденсации, капиллярного и фильтрационного насыщения, можно утверждать, что при размере пор d 10-4 мм заполнение их водой по механизму капиллярной конденсации невозможно, для этого требуется прямой контакт с водой. С другой стороны, с точки зрения фильтрационного насыщения поры с d= 10-2 ч 10-3 мм являются мало опасными, так как в них резко возрастает динамическая вязкость жидкости, и процесс фильтрации тормозится. Поэтому целесообразным оказывается формирование в материале пор размером d= 10-2 ч 10-4 мм, поскольку при варьировании размера пор в указанном диапазоне можно ожидать изменения капиллярного давления в 50 раз.

В реальных материалах величина среднего капиллярного давления будет определяться объемным соотношением капиллярных пор различного диаметра:

где V1 и V2 объем капиллярных пор в материале с диаметром d1 и d2, %;

Р1к.ср. и Р2к.ср. - среднее капиллярное давление, соответствующее d1 и d2.

Результаты расчетов показывают (таблица 4), что, например, в материале с общим объемом капиллярных пор 20% при увеличении объемного содержания пор d = 10-2 мм и соответствующем уменьшении объемного содержания пор d = 10-4 мм величина среднего капиллярного давления может быть существенно снижена.

Регулирование величины капиллярного давления в порах возможно не только путем изменения размерных характеристик, но и посредством создания капилляров переменного сечения, а также кольматацией пор полимерным веществом. Данные приемы модификации параметров порового пространства основаны на принципе выведения из «работы водонасыщения» определенного объема пор. В первом случае наличие в капилляре расширенных участков способствует разрыву столба капиллярной жидкости за счет местного понижения капиллярного давления, во втором случае часть пор оказывается перекрыта водонепроницаемым веществом. Возможный эффект уменьшения капиллярного насыщения при этом может составить

Таблица 4. Зависимость величины капиллярного давления от объемного соотношения капиллярных пор различного диаметра в материале

Объем капиллярных пор d = 10-4 мм, %	Объем капиллярных пор d = 10-2 мм, %	Величина капиллярного давления, МПа (при = 150)
20	0	4,0
18	2	3,6
16	4	3,2
14	6	2,8
12	8	2,4
10	10	2,0

ДКН - уменьшение величины капиллярного насыщения в результате дисперсной поризации или кольматации капиллярно-насыщенных пор, г/см2;

КН - исходная величина капиллярного насыщения, г/см2;

fп - объемная доля дисперсной пористости или вводимого для кольматации пор вещества, % от объема материала;

Vм - общий объем микропористого материала.

Приведенное соотношение отражает положение о том, что уменьшение величины капиллярного насыщения будет пропорционально объемной доле «выведенной из работы водонасыщения» микропор во всем объеме микропористого материала, контактирующего с водой. Например, для ячеистого бетона средней плотностью 600 кг/м3 при исходной величине КН = 2,5 г/см2, fп =5%, объемной доле микропористых мембран в общем объеме ячеистого бетона Vм = 50% изменение величины капиллярного насыщения в результате дисперсной поризации или кольматации капиллярно-насыщенных пор по расчету составит ДКН= 0,54 г/см2, что меньше на 22% исходного значения. Так как в рассматриваемом примере капиллярная пористость мембран составляет 45% относительная объемная доля поризованных или кольматированных капиллярных пор от общего их объема будет равна 5/(50•0,45)=22%. Таким образом, эффект модификации 1% объема капиллярных пор выражается величиной уменьшения капиллярного насыщения на 1 абс. %.

Комплексная экспериментальная оценка взаимосвязи интенсивности гигромеханических процессов со структурными характеристиками материала

Эффективность использования рассмотренных закономерностей в управлении гигромеханическими характеристиками материалов можно продемонстрировать на примере экспериментальных исследований процессов взаимодействия силикатного камня с водяным паром и водой. В экспериментах использовались пять «структурных моделей» силикатного камня с достаточно широким варьированием параметров его строения (таблица 5). При относительно постоянном количестве цементирующего вещества Сн (0,5_0,55 кг/кг) объем порового пространства Vп изменялся в пределах 0,33_0,65 см3/см3, а объем твердой фазы, соответственно, - в интервале 0,67_0,35 м3/м3. Отношение суммы объемов цементирующего вещества и пор (Vцв + Vп), то есть той части материала, которая способна взаимодействовать с водяным паром и водой, к остаточному объему зерен кремнеземистого компонента Vмн, то есть той его части, которая в этом смысле сравнительно «пассивна», варьировалось от 2,12 до 5,56. Поровое пространство материала всех моделей было представлено микропорами с радиусом от 2 до 103 нм, при неодинаковом распределении пор по размерам, вследствие чего крайние значения среднего эффективного радиуса пор rэ как оценки такого распределения равнялись 12 и 65 нм, то есть отличались в 5 раз. В силу известного влияния объема свободного пространства на процессы кристаллизации цементирующее вещество в моделях заметно различалось по дисперсности слагающих его минералов и энергетическим характеристикам, что, соответственно, отражается показателями его удельной площади поверхности Sцв и удельной теплоты смачивания qцв.

Исследованиями установлено, что взаимодействие силикатного камня с водяным паром и водой подчиняется общим закономерностям явлений адсорбции, капиллярной конденсации, капиллярного и фильтрационного насыщения дисперсных капиллярно-пористых тел. Изотермы адсорбции силикатного камня (рисунок 4) имеют вид, характерный для изотермы II_ой основной формы классификации Брунауэра /4/. Эта форма типична для материалов, у которых при развитии процессов адсорбции силы взаимодействия молекул адсорбата между собой больше энергии взаимодействия между поверхностью адсорбента и молекулами адсорбата. На изотермах адсорбции можно выделить два характерных участка. Первый из них располагается в интервале значений парциального давления p/ро = 0,0_0,75. На этом участке поглощение водяного пара происходит преимущественно по механизму моно- и полимолекулярной адсорбции.

Таблица 5. Параметры структуры «модельных» образцов силикатного камня

№ модельной серии	Содержание цементирующего вещества, кг/кг	Минералогический состав цементирующего вещества	Содержание, м3/м3	(Vц.в+ Vп )/Vмн	Sцв	qцв	rэ, нм	Содержание пор радиусом rэ в % от общего объема пор
			Vц.в.	Vмн	Vп		м2/г	м2/см3	Дж/г	Дж/см3		< 10 нм	10-25 нм	25-100 нм	>100 нм
1	0,50	Преимущественно C-S-H (I)	0,35	0,32	0,33	2,12	300	500	33,2	27,7	12	44	32	11	13
2	-	C-S-H (I), тоберморит	0,3	0,27	0,43	2,70	255	360	26,4	19,9	20	18	66	11	5
3	0,52	C-S-H (I), тоберморит	0,26	0,22	0,52	3,50	210	250	27,9	17,3	32	10	58	25	7
4	-	Тоберморит 1,13 нм и C-S-H (I)	0,22	0,19	0,60	4,55	155	150	21,0	11,2	59	4	16	74	6
5	0,55	Тоберморит 1,13 нм и C-S-H (I)	0,20	0,15	0,65	5,65	125	110	19,4	9,3	65	3	30	58	6

Обозначено: Vц.в - объем цементирующего вещества, Vмн - объем остаточных зерен кремнеземистого компонента, Vп - объем пор, Sцв - удельная площадь поверхности и qцв - удельная поверхностная энергия цементирующего вещества, rэ - эквивалентный радиус пор

В среде с p/ро = 0,75_0,80 (второй участок) поглощение пара резко интенсифицируется, что объясняется прежде всего проявлением действия механизма капиллярной конденсации. Эти данные не означают, конечно, что при давлениях менее 0,75_0,80 не имеет места капиллярная конденсация. В наиболее мелких порах материала конденсация вполне возможна. В наших экспериментах это положение относится к образцам модельных серий 1 и 2, в которых основная часть объема порового пространства представлена порами с rэ < 25 нм при большой доле пор с rэ < 10 нм. Неслучайно, поэтому, для образцов этих модельных серий величина адсорбционно-конденсационной емкости (таблица 6), оказываются в 2,5_3,5 раза большей, чем для серий 4 и 5, в которых пор с указанным размером содержится значительно меньше.

Результаты изучения процесса адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара на примере силикатного камня позволяют раскрыть общую картину влияния на этот процесс параметров состава и структуры строительного материала.



Таблица 6. Гигромеханические характеристики силикатного камня (структурные модели 1-5)

Гигромеханические характеристики	Структурные модели
	1	2	3	4	5
Адсорбционно-конденсационная емкость, % по массе (над чертой); степень заполнения объема пор водой, Vжф/Vпор, м3/м3 (под чертой) при р/р0=0,98	17,0 0,86	23,3 0,76	23,7 0,54	26,1 0,43	20,9 0,27
Водонасыщение по массе, %	27,2	35,1	49,2	65,1	74,2
Водонасыщение по объему, %	43,4	48,2	57,1	59,2	61,1
Соотношение в водонасыщенном состоянии объемов жидкой фазы и первоначального объема пор, Vжф/Vпор, м3/м3	1,26	1,25	1,09	0,99	0,94
Соотношение в водонасыщенном состоянии объемов жидкой и твердой фазы, Vжф/Vтв.ф., м3/м3	0,64	0,84	1,19	1,47	1,74
Капиллярное насыщение, г/см2	7,4	5,7	4,4	5,3	4,6

Установлено, что адсорбционно-конденсационная емкость материала, количественно связанная с энергетическим потенциалом поверхности частиц твердой фазы и порового пространства, возрастает (при прочих равных условиях) с увеличением содержания цементирующего вещества и объема пор или, что то же, с увеличением соотношения (Vцв + Vп)/Vмн в нем (см. рисунок 4 и таблицу 6). Однако определяющая роль в «активности» материала при взаимодействии с водяным паром принадлежит качественным характеристикам структуры. Для цементирующего вещества речь в данном смысле идет о его минералогическом и морфологическом составе, поскольку с ними связаны показатели удельной поверхностной энергии и удельной площади поверхности, а для порового пространства - о распределении его объема по радиусам пор. В практическом отношении с целью снижения адсорбционно-конденсационной емкости материала заданной средней плотности (пористости) и с оптимальным по прочности содержанием цементирующего вещества необходимо стремиться к синтезу низкоосновных гидросиликатов кальция преимущественно в виде тоберморита 1,13 нм при удельной площади поверхности новообразований менее 100 м2/г и к формированию порового пространства со средним эффективным радиусом пор более 20_30 нм.

Величина капиллярного насыщения, зависящая от степени гидрофильности (смачиваемости) твердой фазы и «энергетики» порового пространства, также закономерно снижается, во-первых, при изменении состава цементирующего вещества в сторону роста содержания в нем низкоосновных гидросиликатов кальция и тоберморита, во-вторых, при увеличении радиуса пор, что закономерно связано с уменьшением при этом величины капиллярного давления. Так, по скорости и предельной величине капиллярного насыщения наиболее активными оказались модели силикатного камня 1 и 2 (рисунок 5). И это вполне объяснимо, так как цементирующее вещество материала указанных моделей отличается наибольшей удельной площадью поверхности, лучшей смачиваемостью (более высоким значением показателя удельной теплоты смачивания), а поровое пространство характеризуется наименьшим значением среднего эффективного радиуса слагающих его пор. Иными словами, структурные параметры материала данных моделей таковы, что они предопределяют наибольшую в пределах проводимых экспериментов величину капиллярного давления поднятия жидкости в его порах.

Фильтрационное водонасыщение материала является результатом действия капиллярного давления и гидростатического давления жидкости. Когда поровое пространство материала сложено из пор с rэ < 10_3_10_4 см, его водонасыщение проходит под действием главным образом капиллярного давления. И в этом случае при наличии над образцами столба жидкости можно ожидать заполнения водой практически всего объема микропор материала. Действительно, соотношение объемов жидкой фазы и первоначального объема порового пространства оказывается близким к 1 или даже превышает ее. В соответствии с тем, что практически весь объем порового пространства в силикатном камне заполняется водой, абсолютные показатели его водонасыщения с увеличением пористости естественно возрастают (см. таблицу 6); интенсивность фильтрационного насыщения растет с улучшением смачиваемости твердой фазы, с уменьшением среднего радиуса пор и увеличением их объема.

Отдельно следует рассмотреть вопрос о эффективности воздействия приема гидрофобизации поверхности твердой фазы на изменение меры взаимодействия структуры материала с водяным паром и водой. Экспериментальные данные получены для модельных систем силикатного камня, гидрофобизация которого осуществлялась введением двух групп добавок:

а) модификаторов (канифоль, ГКЖ-94, латексы), которые закрепляются на поверхности твердой фазы в результате химического взаимодействия его молекул и структурных поверхностных групп материала;

б) полимеров, образующих адгезионно связанную пленку на поверхности (термоэластопласт дивинилстирольный, инденкумароновая смола, кубовые остатки ректификата стирола).

Установлено, что при введении в сырьевую силикатную смесь определенных малых доз гидрофобных добавок оказывается возможным добиться снижения величины адсорбции, капиллярного насыщения, водопоглощения материала в 1,5-2 раза (таблица 7).

Применение указанных добавок может сопровождаться «побочными» эффектами. При введении рассмотренных групп добавок не выявлено появления новых фаз, которые можно было бы связать с влиянием полимерных веществ на структуру (см. табл. 7). В тоже время обнаружены существенные отличия в соотношении C-S-H (I) и тоберморита, а также в характере кристаллизации в зависимости от вида полимерных добавок. Канифоль способствует ускорению синтеза гидросиликатов кальция, вледствие чего материал с этой добавкой характеризуется наибольшим содержанием тоберморита с высокой степенью кристаллизации; добавка термоэластопласта, напротив, несколько тормозит синтез гидросиликатов.

Таблица 7. Параметры структуры и гигромеханические характеристики силикатного камня с гидрофобизирующими добавками

Параметры структуры и гигромеханические характеристики	Без добавок	С добавкой канифоли	С добавкой термоэластопласта
Параметры структуры	Содержание цементирующего вещества, кг/кг	0,55	0,45	0,49
	Минералогический состав цементирующего вещества	C-S-H (I), тоберморит	Тоберморит 1,13 нм и C-S-H (I)	Преимущественно C-S-H (I)
	основность СаОсвяз SiО2 связ	0,93	0,83	0,82
	Содержание H2Огидр, %	6,50	4,75	5,03
	Удельная площадь поверхности твердой фазы Sтв.ф, м2/г	57	12	78
Гигромеханические характеристики	Адсорбционно-конденсационная емкость, % по массе при р/р0=0,98	7,6	4,0	5,5
	Капиллярное насыщение, г/см2	2,8	1,9	1,6
	Водонасыщение по массе, %	40,3	41,4	24,6
	Водонасыщение по объему, %	55,2	49,2	30,0
	Степень заполнения объема пор водой, Vжф/Vпор, м3/м3	1,2	0,93	0,58

Научно-инженерным результатом рассмотрения и анализа количественной взаимосвязи критериев гигрометрического состояния с характеристиками структуры материала являются принципы и условия управления интенсивностью его взаимодействия со средой посредством регулирования и модифицирования его строения. Эти принципы и условия составляют соответствующую основу для оптимизации структуры строительных материалов с позиций обеспечения оптимальных гигромеханических их характеристик.

Эффективность управления показателями интенсивности взаимодействия материала с водяным паром и водой определяется совлиянием (синергизмом) действия всех структурных параметров твердой фазы и порового пространства и характеризуется (на примере силикатного камня) системной возможностью снижения адсорбционно-конденсационной емкости в три раза, скорости и величины капиллярного насыщения в полтора-два раза, соотношения объемов жидкой и твердой фаз в водонасыщенном состоянии материала в два-три раза.



Список литературы

Чернышов Е.М, Славчева Г.С. Гигромеханика строительных материалов: дидактические основы/Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения: Матер. VIII академ.чтений РААСН. - Самара, 2004. - С. 571--577.

Чернышов Е.М, Славчева Г.С. Гигромеханика строительных материалов: механизмы и закономерности проявления конструкционных свойств как функции влажностного состояния/Новые научные направления строительного материаловедения: IX Матер. академ.чтений РААСН. - Белгород, 2005, с. 177-193.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей.-М.: Мир, 1979.- 553 с.

Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. - М.: Изд-во иностр. литер., 1948. -623 с.

Межфазовая граница газ - твердое тело. Под ред. Э.Флада.-М.: Мир, 1970.- 433 с.

Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М.: Мир, 1970. - 220 с.

Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск: Изд-во АН БССР, 1961. - 520 с.

Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 470 с.

Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов/ Под ред. О.П. Мчедлова-Петросяна. М.: Стройиздат, 1986. 408 с.

Химия привитых поверхностных соединений/Под ред. Г.В. Лисичкина. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 592 с.

Размещено на Allbest.ru

...