Физическая химия в дорожном материаловедении

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

(МАДИ)

Контрольная работа

на тему: Физическая химия в дорожном материаловедении

Выполнил:

Костенецкий В.А.

Москва 2011 г.

1. Элементы реологии смеси

Что же происходит при укладке бетонной смеси в форму? Отчего зависит расплыв конуса? От пластической деформации или разъединения частиц в поперечном направлении? Эти явления наблюдаются в одной и той же бетонной смеси при различном количестве воды. Неясны причины большей или меньшей хрупкости бетонной смеси. Бетонная смесь упорно хранит тайны своего поведения при укладке в формы.

Попытки разгадать эту тайну с помощью старых методов исследования кончались неудачами. Нужен был новый подход, новый критерий. И на помощь пришла физика, а точнее один из ее разделов - реология. Только она смогла четко определить физическую сущность удобоукладываемости.

Реология! Чем же она занимается? Это совершенно новое направление в механике. Оно связано с развитием теории упругости. Она изучает поведение под нагрузкой влажных материалов, которые нельзя отнести ни к твердому телу, ни к жидкости. К таким материалам относится и бетонная смесь, представляющая собой так называемую упруго-вязкую среду. Чтобы установить, как деформируется материал под нагрузкой, механики используют структурные механические модели. Они позволяют имитировать внутреннюю структуру материала.

Как работает структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка. Под ее воздействием в теле возникает деформация. Это значит, что тело будет деформироваться пропорционально приложенной нагрузке (или закону пропорциональности напряжений и деформаций Гука). Как только нагрузка будет снята, тело восстановит свою первоначальную форму.

А как будет, если мы имеем дело с материалами, которые имеют сложные свойства и, кроме упругих характеристик, имеют еще и неупругие? Здесь структурные механические модели уже непригодны. Она не позволяют точно имитировать внутреннюю структуру таких материалов.

Для этой цели потребуются другие механические модели, которые носят название реологических. Они отличаются тем, что состоят из комбинаций двух элементов, которые имитируют два основных свойства твердого тела: упругость и вязкость. Самое простое тело - упругое. Зависимость деформации и напряжений для него выражается одной кривой для процессов нагружения и разгрузки. Достаточно снять нагрузку и возникающие деформации полностью исчезают. Ну, а в идеально вязком теле? Ведь наличие вязкости материала приводит к остаточным деформациям, которые безгранично возрастают при уменьшении скорости нагружения. Для идеально вязкого элемента применим закон деформации вязкой жидкости.

Для создания реологической модели пружину и «амортизатор» (модель упруго-вязкой деформации) можно комбинировать между собой последовательно или параллельно. Такие комбинации позволяют наилучшим образом имитировать механические свойства любых реальных материалов.

Реологические модели позволяют получить необходимую информацию об изменениях внутренней структуры реального тела под нагрузкой. К этой информации относятся характеристики внутреннего трения, вязкости и адгезии (сцепления).

Какова же реологическая модель бетонной смеси? Бетонная смесь является так называемым двухфазным материалом. Это значит, что она содержит в себе элементы двух фаз - твердой и жидкой. А если так, то как лучше отразить внутреннюю структуру бетонной смеси?

Проведем некоторый анализ. Начнем с внутреннего трения. Это одна из важных характеристик упруго-вязкого тела. Внутреннее трение характеризует твердую фазу материала. Если же в материале внутреннее трение равно нулю, то его можно считать идеальной жидкостью. Бетонная смесь обладает внутренним трением. Казалось бы, по этому признаку ее можно отнести к твердому телу. Однако присутствие в ней воды делает ее все же промежуточным материалом между жидкостью и твердым телом. А если это так, то в реологической модели бетонной смеси должны участвовать как упругие, так и неупругие элементы.

Значит, реологическая модель бетонной смеси будет представлять собой «пружинящую» сплошную структуру, поры которой будут заполнены вязкой жидкостью (цементным тестом). Наконец, последний вопрос. Как должны быть соединены между собой элементы? Так как бетонная смесь - это двухфазный материал, то лучшей имитацией ее будет комбинация обоих элементов. Как будет имитировать реологическая модель бетонную смесь в процессе затвердевания? Пока бетонная смесь еще не затвердела, она представляет собой вязкую жидкость. В этой стадии в ней преобладает жидкая фаза. Но вот цементное тесто начинает твердеть. По мере нарастания прочности вязкость смеси уменьшается, зато возрастает упругость, а вместе с ней и внутреннее трение. А раз появилось внутреннее трение, то это уже признак твердой фазы материала. Теперь создадим нагрузку. Под влиянием нагрузки в реологической модели будут происходить как обратимые, так и необратимые процессы, вызывающие соответствующие деформации. Под влиянием нагрузки какая-то часть механической энергии, воздействующей на бетонную смесь, будет превращаться в тепло. Это - следствие внутреннего трения. Тепло будет создаваться в пружинах, которые при сжатии будут нагреваться. Это тепло они будут выделять в окружающую среду. Что касается амортизатора, то в нем возникнут необратимые деформации. Под нагрузкой в результате вязкого трения амортизаторы будут также нагревать вязкую жидкость. Таким образом, характеристики бетонной смеси зависят от того, в какой фазе находится бетонная смесь.

Что же мы выяснили благодаря реологическим моделям? Во-первых, что поведение бетонной смеси зависит от таких упруго-вязких характеристик, как внутреннее трение, сцепление и работа разрушения при сдвиге. Эти физические характеристики расшифровывают понятие «удобоукладываемости». Во-вторых, мы установили, что заполнители и цементное тесто, входящее в состав бетонной смеси, как правило, находятся на границе упруго-вязких и пластичных фаз. Поэтому различные соотношения заполнителя и цемента будут сказываться на свойствах различных бетонных смесей. В-третьих, мы получили возможность определять все физические характеристики бетонной смеси.

Например, внутреннее трение бетонной смеси можно определить по коэффициенту внутреннего трения. Оказалось, что для заполнителей, полученных дроблением, его значение больше, чем для заполнителей округлой формы. При повышении содержания раствора и увеличении количества воды затворения он уменьшается. Вязкость бетонной смеси прямо пропорциональна коэффициенту внутреннего трения и зависит от содержания воды.

Знание физических характеристик бетонной смеси расширяет смысл термина «удобоукладываемость». Реологические свойства бетонной смеси, характеризующие удобоукладываемость, дополнили это понятие. Они дали возможность представить себе весь механизм укладки бетонной смеси.

2. Реология битумов

Реология рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластических материалов (неньютоновских жидкостей, дисперсных систем и др.), а также явления релаксации напряжений, упругого последействия и т.д.

Реология битумов изучена недостаточно. Основными показателями, определяемыми при исследовании реологических свойств битумов в диапазоне температур приготовления и укладки смеси, а также эксплуатации покрытия, являются вязкость и деформативные характеристики битума (модуль упругости, модуль деформации и др.). Поведение битума под действием внешних деформирующих сил определяется комплексом механических свойств, к которым относятся вязкость, упругость, пластичность, хрупкость, усталость, ползучесть, прочность. Каждое свойство зависит от температуры и характера напряженного состояния и связанно с межмолекулярными взаимодействиями и наличием структуры. Реологические свойства не должны значительно изменяться при нагреве битума в битумных котлах, приготовлении и укладке смеси и в течение длительного времени службы.

По реологическим свойствам битумы делятся на три типа:

1) вещества, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона, когда напряжение снимают, наступает состояние неэластичной упругости. Сюда можно отнести вязкие неколлоидные жидкости, неэластичные или слабоэластичные золи.

2) Вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига скорость сдвига после начала деформации снижается и через некоторое время становится почти постоянной, когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавливается, коллоидное состояние битумов этого типа золь-гель. реология битум дорожный материаловедение

3) При постоянном напряжении сдвига в начале деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается, если приложенное напряжение сдвига больше некоторого определенного значения, после того как напряжение снято, упругость восстанавливается, битумы этого типа имеют структуру геля.

3. Понятие о вязкости

Вязкость - свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и др. видах деформации. Вязкость характеризуют интенсивностью работы, затрачиваемой на осуществление течения газа или жидкости с определенной скоростью.

Вязкость - способность твердых тел необратимо поглощать энергию, затрачиваемую на их деформацию без течения (внутреннее трение). Обычно поглощение энергии при деформировании упругих тел мало, но оно может заметно возрастать в нек-рых узких температурных диапазонах, наз. областями релаксац. переходов. При деформировании эластомеров (каучуков и резин) наблюдается заметное поглощение энергии, сопоставимое с энергией упругих колебаний, что приводит к разнообразным гистерезисным явлениям при их деформировании, в частности к значит. саморазогреву при многократных циклич. деформациях.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, В. обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на "рыхление" жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения В. жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория В. жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул В., достаточно хорошо отражающих зависимость В. отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.

В. жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) В. изменяется закономерно -- возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов. Две жидкости различной В., которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением В. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей. На этом основано применение измерений В. в качестве метода физико-химического анализа.

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении "структурированной" жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры

Вязкость низкомол. жидкостей, относящихся к одному гомологич. ряду, примерно линейно растет с увеличением мол. массы в-ва; она увеличивается также с введением в молекулу циклов или полярных групп. Вязкость разб. суспензий и эмульсий линейно возрастает с увеличением относит. объема дисперсной фазы. Вязкость р-ров и расплавов полимеров достигает 0,1 МПа*с, каучуков и резиновых смесей, битумов и асфальтов - 100 МПа*с. В отличие от низкомол. гомологов, вязкость полимеров растет пропорционально их мол. массе не линейно, а в степени 3,5, т.е. гораздо сильнее.

Значением вязкости характеризуют переход некристаллизующихся (переохлажденных) жидкостей из текучего в стеклообразное состояние при охлаждении. Т-ру, при к-рой вязкость достигает 1011-1012 Па*с, условно принимают за т-ру стеклования. Свойства разб. р-ров полимеров оценивают т. наз. характеристической вязкостью ("предельным числом вязкости")

4. Роль поверхностно-активных веществ(ПАВ) в технологии ДСМ. Виды ПАВ

Поверхностно-актиивные веществаа (ПАВ) -- химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность -- способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз -- это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Классификация ПАВ:

1. Ионогенные

- Катионные

- Анионные

- Амфотерные

2. Неионогенные

- Алкилполиглюкозиды

- Алкилполиэтоксилаты

Анионактивные ПАВ - содержат в молекуле одну или несколько полярных групп и диссоциируют в водном растворе с образованием длинноцепочечных анионов, определяющих их поверхностную активность. Это группы: COOH(M), OSO2OH(M), SO3H(M), где M-металл (одно-, двух- или трехвалентный). Гидрофобная часть молекулы обычно представлена предельными или непредельными алифатическими цепями или алкилароматическими радикалами. В анионактивных ПАВ катион м.б. не только металлом, но и органическим основанием. Часто это ди- или триэтаноламин. Поверхностная активность начинает проявляться при длине углеводородной гидрофобной цепи C8и с увеличением длины цепи увеличивается вплоть до полной потери растворимости ПАВ в воде. В зависимости от структуры промежуточных функциональных групп и гидрофильности полярной части молекулы длина углеводородной части может доходить до C18.

Катионактивные ПАВ - диссоциируют в водном растворе с образованием поверхностно-активного катиона с длинной гидрофобной цепью и аниона (обычно галогенида, иногда аниона серной или фосфорной кислоты). Среди катионактивных ПАВ преобладают азотсодержащие соединения; также используются вещества, не содержащие азот: соединения сульфония [RR'R:S]+X-и сульфоксония [RR'R:SO]+Х-, фосфония [R3PR']+X-, арсония [R3AsR']+Х-, иодония. Катионактивные ПАВ меньше снижают поверхностное натяжение, чем анионактивные, но они химически взаимодействуют с поверхностью адсорбента, напр. с клеточными белками бактерий, обусловливая бактерицидное действие.

Амфолитные ПАВ - в зависимости от величины рН они проявляют свойства катионактивных или анионактивных ПАВ. Содержат в молекуле гидрофильный радикал и гидрофобную часть, способную быть акцептором или донором протона в зависимости от рН раствора. Обычно эти ПАВ включают одну или несколько основных и кислотных групп, могут содержать также и неионогенную полигликолевую группу. При некоторых значениях рН, наз. изоэлектрической точкой, ПАВ существуют в виде цвиттер-ионов. Константы ионизации кислотных и основных групп истинно растворимых амфотерных ПАВ весьма низки, однако чаще всего встречаются катионно-ориентированные и анионно-ориентированные цвиттер-ионы. В качестве катионной группы обычно служит первичная, вторичная или третичная аммониевая группа, остаток пиридина или имидазолина. Вместо N м.б. атомы S, P, As и т. п. Анионными группами являются карбоксильные, сульфонатные, сульфоэфирные или фосфатные группы.

Неионогенные ПАВ - высокомолекулярные соединения, не образующие ионов в водном растворе. Их растворимость обусловлена наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксильных групп, чаще всего полиэтиленгликолевой цепи. При растворении образуются гидраты вследствие образования водородной связи между кислородными атомами полиэтиленгликолевого остатка и молекулами воды. Вследствие разрыва водородной связи при повышении температуры растворимость неионогенных ПАВ уменьшается, поэтому для них точка помутнения - верх. температурный предел мицеллообразования- является важным показателем. Mногие соединения., содержащие подвижной атом H (кислоты, спирты, фенолы, амины), реагируя с этиленоксидом, образуют неионогенные ПАВ RO (C2H4O)nH. Полярность одной оксиэтиленовой группы значительно меньше полярности любой кислотной группы в анионактивных ПАВ. Поэтому для придания молекуле требуемой гидрофильности и значения ГЛБ в зависимости от гидрофобного радикала требуется от 7 до 50 оксиэтиленовых групп. Характерная особенность неионогенных ПАВ - жидкое состояние и малое пенообразование в водных растворах. Неионогенные ПАВ хорошо комбинируются с другими ПАВ и часто включаются в рецептуры моющих средств.

ПАВ, называемые пластификаторами, добавляют к цементно-песчаным смесям и бетонам для уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Это увеличивает конечную прочность (марку) затвердевшего материала, его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость.

Пластификаторы - ПАВ, которые вводят в строительные растворы и бетонные смеси (0,15…0,3 % от массы вяжущего) для облегчения укладки в форму и снижения содержания воды. Это улучшает большинство характеристик затвердевшей смеси, а также позволяет снизить расход цемента, уменьшить энергозатраты при вибрировании бетона (самоуплотняющиеся смеси) или разравнивании стяжек (наливные самовыравнивающиеся смеси для полов).

Широко используемый пластификатор этого типа -- сульфитно-спиртовая барда. Позже были созданы супер- и гиперпластификаторы с меньшими дозировками, а также противоморозными, воздухововлекающими и другими полезными свойствами.

В зависимости от пластифицирующего эффекта добавки подразделяются на следующие виды:

суперпластификаторы (I группа пластифицирующих добавок) повышают подвижность бетонных смесей от П1 до П5 (от 2...4 см до 21...25 см) без снижения прочности бетона во все сроки испытания;

сильнопластифицирующие (II группа пластифицирующих добавок), повышающие подвижность смесей от П1 до П4 (от 2..:4 см до 16...20 см) без снижения прочности бетона;

среднепластифицирующие (III группа пластифицирующих добавок) повышают подвижность смесей от П1 до ПЗ (от 2...4 см до 10...15 см) без снижения прочности бетона;

слабопластифицирующие (IV группа пластифицирующих добавок) увеличивают подвижность бетонной смеси от П1 до П2 (от 2...4 см до 5...9 см) без снижения прочности бетона.

Список используемой литературы

1. Шварц А., Перри Дж., Берч Д ж., Поверхностноактивные вещества и моющие средства, пер. с англ., М., 1960

2. Ребиндер П.А., Поверхностноактивные вещества и их применение "Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева", 1959

3. Тиниус К. Пластификаторы, пер. с нем., М. -- Л., 1964 Барштейн Р. С., Кирилович В.И., Носовский Ю. Е. Пластификаторы для полимеров, М., 1982

4. Гатчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М.-Л., 1935 Виноградов Г.В., Малкин А.Я., Реология полимеров, М., 1977, с. 120-235.

Размещено на Allbest.ru