Физико-химические свойства

К группе физико-химических свойств принято относить свойства, определяющие такие параметры состояния материалов, которые существенным образом влияют на химическую кинетику и физико-механические свойства материалов. Ряд технологических свойств, проявляющихся на физическом уровне, объясняется физико-химическими свойствами материалов.

Дисперсность – это характеристика степени измельчения материала. Дисперсность является важнейшим свойством порошкообразных материалов, таких, например, как вяжущие вещества, минеральные наполнители, пигменты. С ростом дисперсности увеличивается суммарная площадь поверхности материала. Поверхности твердых и жидких веществ отличаются особыми свойствами, так как поверхностные слои обладают свободной энергией за счет неуравновешенности молекул, образующих границу раздела. Дисперсность порошкообразных материалов может быть оценена рядом показателей. На практике ее часто определяют по остатку на контрольном сите после просеивания пробы, гранулометрическим составом и удельной поверхностью.

Для определения гранулометрического состава порошков с крупностью частиц, не превышающей 100 мкм, предпринимают седиментационный анализ. Седиментационный анализ основан на том, что скорость падения частиц в жидкой среде зависит от их размеров и, согласно закону Стокса, может быть определена по формуле:

V = , м с^-1

где g = 9,81 м/с² - ускорение силы тяжести ;

и - плотности частицы и среды, кг/м³;

- коэффициент вязкости, кг м^-1с ^–1;

Седиментационный метод определения гранулометрического состава порошкообразных материалов заключается в том, что по истечению определенного срока отстаивания суспензии, приготовленной из исследуемого порошка, отбирается проба, которую выпаривают и взвешивают. По известной концентрации начальной пробы и концентрации проб, взятых спустя различное время отстаивания, можно определить содержание отдельных фракций в исследуемом материале.

Удельная поверхность – это суммарная площадь поверхности частиц, приходящаяся на единицу массы порошкообразного материала. Удельную поверхность порошкообразных материалов можно измерять с помощью приборов типа ПСХ-2 и Т-3. Принцип работы этих приборов основан на том, что с уменьшением размеров частиц в материале возрастают силы сопротивления воздухопроницаемости, что связано с ростом площади поверхности порового пространства. Возрастание удельной поверхности цемента увеличивает скорость его твердения.

Способность образовывать жидкие дисперсии. Порошкообразные материалы обладают способностью образовывать с жидкой средой дисперсные системы. Чем выше степень дисперсности, тем выше устойчивость дисперсных систем. При очень высокой степени дисперсности, которая имеет место в коллоидных системах, самопроизвольное осаждение дисперсоида не происходит, так как ничтожно малые силы земного тяготения, действующие на частицы диспергированного вещества, компенсируются броуновским движением, препятствующим осаждению.

Способность образовывать с водой пластично-вязкие системы. В порошкообразном состоянии материалы способны также образовывать пластично-вязкие системы. Причиной, обуславливающей образование пластично-вязких систем, является наличие в них промежуточной фазы – воды, связанной с поверхностью смежных твердых частиц. При значительной площади поверхности высокодисперсных материалов роль связанной воды сильно возрастает. Оболочки воды на поверхности твердых частиц выполняют двойную функцию: они служат и связующим звеном пластично-вязкой системы, обеспечивающим сохранение сплошности при деформациях, и, вместе с тем, облегчают скольжение твердых частиц друг относительно друга.

Свойства образовывать жидкие дисперсные системы и пребывать в пластично-вязком состоянии характерны для разнообразных композиционных материалов: красок, эмульсий, мастик, грунтовок; растворных, бетонных, керамических смесей и пластмасс на стадии их технологической переработки.

Растворимость - это способность материалов образовывать с жидкой средой однородные прозрачные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Наиболее распространенным растворителем является вода. По степени растворимости вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. В практической деятельности возникают задачи определения содержания массовой доли растворенного вещества в единице объема исследуемого раствора. Решение таких задач может быть сведено к использованию таблиц зависимости концентрации вещества от плотности раствора при заданной температуре. Плотность раствора определяют по шкале ареометра, погружаемого в раствор.

Когезия – это свойство материала быть прочным под влиянием сил взаимного сцепления частиц. Когезию оценивают энергией когезии, под которой понимают работу образования новых поверхностей или работу разрыва вещества. Косвенно о когезии можно судить по прочности материалов.

Адгезия - это свойство одного вещества прилипать к поверхности другого. Адгезию характеризуют энергией адгезии, оцениваемую работой удаления одного вещества с поверхности другого. Свойство адгезии используют для создания клеящих, герметизирующих и защитно-декоративных композиционных материалов. Адгезия зависит от природы и строения соприкасающихся веществ.

Определение адгезии лакокрасочных покрытий к металлическим поверхностям проводят методом решетчатых надрезов. Метод состоит в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке степени отслоения покрытия от основания по четырехбалльной шкале. Адгезию приклеивающих, герметизирующих и гидроизоляционных мастик оценивают испытанием склеенных мастикой образцов бетона, кирпича, металла на прочность при отрыве, при сдвиге.

Адсорбция – это свойство поверхности материала притягивать к себе частицы из другой фазы за счет свободной энергии поверхности. По величине энергии, выделяющейся вследствие этого физико-химического процесса, различают физическую, активированную адсорбции и хемосорбцию с химическим взаимодействием.

Строение. Известно, что одни и те же материалы могут иметь как кристаллическое, так и аморфное строение. В аморфном состоянии вещества обладают большим запасом внутренней энергии по сравнению с этими же веществами в кристаллическом состоянии и поэтому они более реакционноспособны. Например, аморфный оксид кремния при атмосферном давлении и комнатной температуре химически взаимодействует с известью. Для протекания активной химической реакции между кристаллическим кварцем и известью требуются автоклавные условия.

Минералогический состав является важной характеристикой природных и искусственных каменных материалов. Практика показывает, что материалы, имеющие один и тот же химический состав, но отличающиеся минералогическим составом, могут значительно отличаться и своими свойствами.

Для изучения минералогического состава каменных материалов в настоящее время используют методы физико-химического анализа. Методы микроскопического анализа позволяют непосредственно наблюдать конфигурацию и свойства кристаллов. Естественные грани кристаллов очень помогают при идентификации минералов: для любого минерала характерными являются постоянство углов между гранями и определенная степень упорядоченности в расположении граней и ребер кристаллов - симметрия. Для идентификации минералов применяют также методы рентгеновской дифрактометрии и инфракрасной спектроскопии. Дифференциально-термический и дифференциально-термогравиметрический методы анализа применяются для идентификации отдельных минералов в сложных смесях.

2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Общие сведения

Около трех тыс. лет тому назад в строительстве стали применять вяжущие вещества для связывания отдельных камней. В современном строительстве применяют минеральные и органические вяжущие вещества. Минеральными вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело. Органические вяжущие материалы представляют собой высокомолекулярные соединения, как правило, не смачивающиеся водой. В рабочее, пластичное состояние они приводятся нагревом или растворением в органических растворителях.

По способности твердеть и сохранять свою прочность в воде или на воздухе минеральные вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические. Воздушные минеральные вяжущие затвердевают, сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. Гидравлические вяжущие обладают такой способностью не только на воздухе, но и в воде. К группе воздушных вяжущих веществ