Структура материалов. Двухкомпонентные структуры

1. Структура материалов. Двухкомпонентные структуры.

 

Структура - это строение материала, характеризующееся качественным и количественным соотношением составляющих, взаимным расположением и связями между ними. Структура материалов чрезвычайно сложна, поэтому для ее изучения используют разнообразные способы. По способам изучения различают: макроструктуру - строение, видимое невооруженным глазом; микроструктуру - строение материала, видимое в микроскоп, ультраструктуру - внутреннее строение вещества, составляющего материал, изучаемый методами электронной микроскопии и рентгено-структурного анализа.

Структура материалов нестабильная. Процессы, протекающие в них, вызываемые как воздействием внешней среды, так и внутренней природой, изменяют их структуру, вызывая в материалах внутренние напряжения. В неоднородных материалах (например, бетонах) в отдельных  местах (поры, микротрещины, контактные слои, дефекты в кристаллах) возникают  концепции микронапряжений и микродеформаций, что, в свою очередь, в зависимости от условий, способствует увеличению или уменьшению дефектов в структуре материала. Процессы в материалах в значительной степени являются релаксационными и, как правило, протекают крайне медленно. Вследствие этого структура материала всегда находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии.

Структура материалов сложна, поэтому ее качество можно оценивать  комплексом показателей. Она в значительной степени определяется вещественным составом и состоянием материала (газообразное, твердое, аморфное, кристаллическое и т.п.). Важнейшими критериями качества структуры является средняя плотность и пористость материала. Зная эти показатели, можно судить о прочности, долговечности, изоляционных и других свойствах материала.

Структура материала может  быть одно-, двух-, многокомпонентной. Различают конгломератную (бетоны), волокнистую (древесина, стеклопластик), слоистую (текстолиты), рыхлозернистую (песок, гравий, щебень) макроструктуры.

 

Условно можно выделить двухкомпонентные структуры. Так, структуру бетонных смесей расчленяют на макроструктуру, состоящую из щебня и раствора (минимальный размер фракций 5мм), мезоструктуру - двухкомпонентную систему, состоящую из песка и вяжущего (размер зерен 5-0,05 мм) и микроструктуру вяжущего, состоящую из цемента и воды. Расчленение многокомпонентных структур на двухкомпонентные позволяет свести изучение сложных структур и их влияние на свойства материалов к изучению простых двухкомпонентных структур.

Среди двухкомпонентных структур материалов различают структуры  с базальной, поровой и контактной цементацией. В структурах с базальной цементацией крупные зерна не образуют взаимных контактов, они как бы погружены в цементирующее вещество. В этом случае свойства материалов обуславливаются преимущественно свойствами вяжущего (цемента, битума и т.п.), влияние крупных зерен невелико.

Структура с поровой  цементацией характеризуется плотным каркасом (при более высоком насыщении базальной структуры крупными зернами), в котором зерна склеены в монолит сравнительно тонкой прослойкой вяжущего. В этом случае влияние зерен значительнее.

Если в дальнейшем увеличивать  количество зерен в материале, их структура переходит в структуру с контактной цементацией.

Структура материалов - основной фактор, определяющий их прочность и долговечность.

Переход от одной структуры  к другой изменяет свойства материала. Различают также ячеистую, средне- и мелкокристаллическую структуры. Ячеистая макроструктура характерна наличием макропор, свойственных пено- и газобетонам, ячеистым пластмассам. Средне- и мелкопористые структуры свойственны керамическим материалам, бетонам и др. 
В формировании свойств материалов важное значение имеет их микроструктура. По характеру связей между компонентами акад. П. А. Ребиндер предложил выделить три типа микроструктур — коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную.

Коагуляционные структуры  — пространственные мйкросетки, возникшие  путем беспорядочного сцепления  мельчайших частиц дисперсной фазы через  тонкие прослойки жидкой или газообразной среды за счет вандерваальсовых сил. Свойства коагуляционных структур обусловлены  наличием тонких прослоек в местах контакта частиц фазы, которые в  значительной степени определяют силы сцепления, вследствие чего при механическом или температурном воздействии  возможно нарушение контактов между  структурными элементами. Поэтому эти  структуры характеризуются малой  прочностью, хорошо выраженной пластичностью, для них характерна тиксотропность — способность восстанавливать структуру (структурные связи) после ее разрушения механическими или температурными воздействиями. Такие структуры характерны для цементного и глиняного теста, асфальтового вяжущего вещества в асфальтобетонах и др.

Конденсационные структуры — представляют собой хрупкие пространственные микросетки, которые образуются из коагуляционных структур вследствие уменьшения в системе жидкой фазы (например, высушенные глины). В конденсационных структурах возникает непосредственный контакт между частицами фазы, в результате чего прочность конденсационной структуры увеличивается. При этом утрачиваются тиксотропность, пластичность и эластичность. 
Конденсационные структуры могут обратимо переходить в коагуляционные при увеличении в системе жидкой фазу.

 В кристаллизационных  структурах пространственные сетки  образуются в результате непосредственного  срастания отдельных кристаллов  новообразований, вследствие чего  эти структуры обладают большой  прочностью, разрушаются без заметных  остаточных деформаций и характеризуются  отсутствием тиксотропных свойств.  Пластичность кристаллизационной  структуры, может наблюдаться  лишь в тех случаях, когда  пластичностью обладают структурные  элементы — кристаллики. Эти  структуры являются долговечными  и устойчивыми при большой  плотности и отсутствии в них  тех или иных дефектов. Кристаллизационные  структуры характерны длят горных  пород, цементобетонов, гипсовых  изделий и др. Между рассмотренными  структурами могут быть промежуточные:  кристаллизационно-конденсационные, коагуляционно-конденсационные.

 По крупности зерен составляющих в каменных материалах обычно различают крупно-, средне- и мелкокристаллические структуры. Форма зерен структурных составляющих также влияет на образование определенных структур и свойства материалов. С уменьшением крупности зерен существенно изменяются свойства материала. Это связано с тем, что с уменьшением зерен структурных составляющих изменяется характер неоднородности материала, а следовательно, и его внутреннее напряженное состояние. В общем случае чем меньше крупность зерен минерального материала, тем более он прочен.

Пористость микроструктуры играет важную роль в формировании свойств материалов. По происхождению  различают пористость, возникшую  вследствие воздухововлечения во время технологического процесса ( -м), капиллярную пористость, образовавшуюся за счет тепло-массообменных (-м), контракционных, а также других физико-химических процессов, протекающих на уровне формирования ультрамикроструктуры материалов. Размер пор в этом случае меньше м.

Структура оказывает большое  влияние на изоляционные, технологические, эксплуатационные свойства материалов, на их долговечность. Поэтому, оптимизируя  ее, можно заметно улучшить свойства материалов, что необходимо учитывать  при организации технологических  процессов. В этом случае имеются  широкие возможности непрерывного управления структурообразованием  материалов.

 

2. Активаторы поверхности минеральных материалов.

 

Поверхностно-активными веществами (ПАВ) называют такие химические соединения, которые адсорбируются на поверхностях раздела жидкостей и твердых тел и влияют на их физико-химические или химические свойства. ПАВ являются, как правило, соединениями, молекулы которых состоят из двух главных частей - радикала и функциональной группы.

Структура асфальтобетона определяется пространственным расположением зерен  минеральной составляющей и интенсивностью их взаимодействий с вяжущим веществом  - битумом . Следовательно, должно быть достигнуто максимальное и прочное взаимодействие органических вяжущих с минеральными компонентами асфальтобетона. Выполнить это можно либо путем мощного физико-механического воздействия, теория которого разработана в трудах Л.Б. Гезенцвея и Я.Н. Ковалева , либо путем направленного применения поверхностно-активных веществ, модифицирующих зону контакта битума с минеральными материалами

Наряду с добавками ПАВ, усиливающими адгезию каменного материала с битумом, ту же роль могут играть некоторые неорганические вещества, такие как известь, цемент, растворы хлористого кальция, солей железа. Сущность этого эффекта заключается в активизации или модификации поверхности минеральных материалов, связанной с ее электризацией (зарядом).

Активаторы поверхности  химически взаимодействуют с  компонентами битума, изменяя его  структуру. Для усиления эффекта  активации и гидрофобизации поверхности минеральных материалов в битумы нередко вводят анионные или катионные ПАВ.

На этом эффекте основано получение гидрофобных материалов, таких как известь, портландцемент и минеральный порошок. Гидрофобная известь, гидрофобный портландцемент и активированный минеральный порошок практически не смачиваются водой.

Это обстоятельство облегчает  их транспортирование, хранение и применение. Особое значение указанные свойства приобретают в условиях современной  технологии приготовления асфальтобетонных смесей, предусматривающей подачу минерального порошка в мешалки АБЗ в  холодном виде.

Помимо гидрофобизации существенное усилие структурообразующей роли минерального порошка в асфальтобетоне, а, следовательно, и улучшение структурно - механических свойств этого материала достигается в результате физико-химической активации порошка. При этом наибольший эффект может быть получен путем совмещения физико - химической обработки с механическими воздействиями. Такие условия создаются при обработке минерального порошка в процессе размола.

        Основная  гипотеза активационно - технологической механики была выдвинута Я.Н. Ковалевым, в основу ее положена идея оптимизации условий для проявления наиболее активного состояния минеральных компонентов и вяжущего в момент их технологических контактных взаимодействий, т.е. если на компоненты битумоминеральных материалов воздействовать так, что при этом полностью реализуется их способность к активному взаимодействию на электронно-ионном уровне, то можно целенаправленно регулировать процессы адгезионного взаимодействия фаз на границе их раздела. При этом открывается реальная возможность усилить адгезионные контакты поверхностей частиц минеральных материалов, имеющих кислую природу, с органическими вяжущими (вплоть до хемосорбционного уровня). Прочной адгезионной связи на границе раздела «кислого минерального материала и органического вяжущего» можно достичь при наличии между ними достаточного уровня разнополярных электростатических взаимодействий.

Одним из способов достижения этого является трибоактивация, сущность которого заключается в следующем. Поверхность естественных кварцевых песков характеризуется энергетической неоднородностью, что обусловлено существованием на ней различных по величине и знаков электрических зарядов. Для обеспечения интенсивного взаимодействия минеральных материалов с ПАВ или органическими вяжущими необходимо стремиться к увеличению энергетического потенциала их поверхности, что может быть достигнуто путем ее направленной трибоэлектризации. Для сообщения поверхности частиц песка отрицательного электрического заряда они должны контактировать с материалом, имеющим меньшее значение работы выхода электрона (например любым металлом), а для зарядки положительным электрическим зарядом - с материалом, имеющим величину работы выхода большую чем у песка, например, полиэтиленом. Осуществлять процесс трибоактивации можно путем продувки кварцевого песка через металлическую или диэлектрическую трубу .

 

3. Химико - минералогические  и физические процессы и превращения обжигаемого материала при производстве неорганических вяжущих веществ гидравлического твердения.

 

Минеральные вяжущие водного твердения (гидравлические) - после затворения водой твердеющие на воздухе и в воде, причем во влажной среде вяжущие приобретают большую прочность (цементы, гидравлическая известь).

Подготовка  сырья осуществляется с точки  зрения наибольшего выхода минерального вяжущего: для приготовления клинкера портландцемента используют природные мергели или искусственную смесь (3:1) известняка с глиной, (доменными шлаками). Обычно клинкер имеет следующий химический состав: 63-67% - СаО; 4-7% - А1₂0₃; 20-24% - Si0₂, 2- 6% - Fe₂0₃; 1,5-3,0% - MgO, S0₃ и др.

Принципиальная схема получения неорганических вяжущих - обжиг породы, в результате чего получают активный материал:

• обжиг известняка при t° 900-1200°С:

СаСОз + 180 кДж -» СаО + С0₂ ↑;

• обжиг сырья портландцемента до t=1450°C до образования клинкера химического состава, характеризуемого следующими модулями:

 

 

- гидравлический (основной) модуль;

- глиноземистый (алюминатный)  модуль.

 В состав портландцемента  входят минералы:

 алит (37-60%),

белит (15-37 %),

целит (10-18%),

алюминат (5-15%).

(C₃S) Алит в основном состоит из трехкальциевого силиката

ЗСаО х SiО_{2 .} При затворении водой он быстро твердеет с большим выделением тепла.

(C₂S) Белит содержит 2СаО х SiО₂ с примесью ЗСаО х Al₂О₃. В начале затворения водой белит твердеет медленно и только на 14-28 сутки более заметно. При твердении он выделяет тепла почти в 2 раза меньше, чем алит.

(C₄AF) Целит чаще всего состоит из 4САО х Al₂O₃ х Fе₂О₃ , с примесью ЗСаО х A l₂О₃ , 2СаО х Si O₂ . Твердеет медленно.

(С₃А) Алюминат ЗСаО х Al₂О₃ - быстротвердеющий минерал с большим тепловыделением (в 1,5 раза больше, чем у элита и в 6 раз больше, чем у белита).

Учитывая различные свойства минералов, можно регулировать их выход  на стадии подготовки сырья, а также путем влияния технологических факторов на процесс образования клинкера в печах.

 

4. Основы технологии производства дорожных эмульсий.