Структура материалов. Двухкомпонентные структуры

 

Для создания эмульсии нерастворимых друг в друге жидкостей необходим стабилизатор, удерживающий в течение определенного времени диспергированную фазу в среде.

Для приготовления анионных, катионных эмульсий и паст используют по ГОСТ 22245-90 нефтяные дорожные битумы (или с добавкой полимера).

Для приготовления обратных эмульсий используют: дегти каменноугольные (по ГОСТ 4641-80), битумы сланцевые Дорожные, масло сланцевое и смеси нефтяных битумов со сланцевым битумом.

В качестве эмульгаторов для  анионных эмульсий используют анионные ПАВ типа высших органических кислот с числом омыления от 50 до 200 мг КОН  на 1 г продукта.

Для получения анионных эмульсий, как правило, вменяют щелочные вещества: едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия.

В качестве эмульгаторов для катионных эмульсий используют катионные ПАВ типа аминов, диаминов, четвертичных аммониевых солей.

Для получения катионных  эмульсий применяют соляную кислоту или уксусную.

Битумные эмульсии приготавливают на стационарных или передвижных  эмульсионных установках. Основным технологическим  узлом установок являются эмульсионные машины, которые при помощи вращающихся  дисков (лопастей) диспергируют битум  в водной среде.

Приготовление катионных  и анионных эмульсий может осуществляться по двум технологическим схемам.

По первой схеме эмульгатор и щелочь (или кислоту) вводят в воду, приготавливают раствор определенной концентрации, а затем подают его и битум в определенных соотношениях в диспергагор, где происходит образование эмульсии.

По второй схеме эмульгатор вводят в битум, щелочь (или кислоту) - в воду, а затем эти компоненты поступают в диспергатор.

Количество едкого натра А (в % массы воды) рассчитывают по формуле:

А = (а ^. п ^. 0,714/1000)+С,

 где а - кислотное число или число омыления эмульгатора (мг КОН/г);

n - количество эмульгатора, %;

0,714 - коэффициент пересчета молекулярного веса от едкого натра к едкому калию;

С - избыток едкого натра в водном растворе эмульгатора, % (0,4 - для гиссиполовой смолы; 0,1-0,12 - для остальных эмульгаторов).

 

Едкий натр поступает на производство не в твердом виде, а в растворе, его дозируют с учетом концентрации раствора.

Водные растворы анионных эмульгаторов рабочей концентрации независимо от способа их приготовления  должны быть щелочными 

(рН=9-12).

Количество соляной кислоты, необходимое для введения в воду при использовании эмульгаторов БП-3 или аминов, рассчитывают по формуле:

А = (100 ^. О ^. 0,00365 ^. п/С) +0,2 (%массы воды) ,

где О - основность эмульгатора, мл 0,1Н раствора НС1;

 n  - количество эмульгатора, %;

 С - концентрация НС1, %.

Эмульгаторы БП-3 и амины  вводят в битум, разогретый до очей температуры, и растворяют в нем при перемешивании.

Битум с эмульгатором не рекомендуется держать в нагретом состоянии более 8 часов.

Эмульгатор ATM вводят в воду, приготавливая раствор следующим образом: в нагретую до 65-75 °С воду вводят ATM и соляную кислоту и тщательно перемешивают до полного растворения ATM. Готовый раствор должен иметь рН=1,8-2,2.

рН<1,8 свидетельствует об избытке кислоты, что отрицательно влияет на адгезию эмульгированного битума; рН>2,2 - о недостатке кислоты, что ухудшает условия эмульгирования битума.

Растворы эмульгаторов и  кислот готовят непосредственно  перед их использованием в емкостях, снабженных плотно закрывающимися крышками.

Температура нефтяного битума, поступающего в эмульсионную машину, должна быть, °С:

БНД 40/60, БН 40/60 - 130-140;

БНД 60/90, БН 90/130 - 120-130;

БНД 200/300, БН 200/300 - 90-100.

Температура водного раствора эмульгатора - 70-80 °С.

Температуру битума и раствора эмульгатора следует назначать  таким образом, чтобы сумма этих температур не превышала  200 °С.

В противном случае может  произойти вспенивание смеси  битума и раствора эмульгатора и  выбрасывание ее из эмульсионной машины.

Температура готовой эмульсии, выходящей из эмульсионной машины должна быть <90°С.

При приготовлении обратных вязких эмульсий ЭО-В предварительно составленную смесь го нефтяного  битума и сланцевого масла нагревают  до 60-80°С, водный раствор едкого натра и поваренной соли нагревают до 30-40°С.

 

5. Влияние неорганических вяжущих веществ на процессы формирования структуры укрепленных грунтов.

 

При укреплении крупнообломочных и песчаных грунтов цементом процессы гидролиза и гидратации цемента  происходят как и при приготовлении  бетона. В результате образуется кристаллизационная структура.

При укреплении глинистых  грунтов, когда поры цементогрунта  заполнены раствором, содержащим малое  количество извести Са(ОН)₂, происходит извлечение извести гидратирующегося цемента вследствие обменного поглощения катионов Са или молекул Са(ОН)₂ тонкодисперсной частью грунта. Такое нарушение нормального хода процесса гидролиза цемента наблюдается, например, при укреплении кислых глинистых грунтов (РН<6,5) и приводит к формированию кристаллизационной структуры пониженной прочности, водо- и морозостойкости, поскольку происходит предельное физико- химическое поглощение катионов кальция поверхностью грунтовых частиц, что ослабляет процесс гидратации и набора прочности.

При небольшой добавке  в кислые грунты молотой негашеной  СаО или гашеной извести Са(ОН)₂ - гидратной - происходит насыщение раствора, заполняющего поры грунта катионами кальция. При этом в порах грунта создается шелочная среда (РН=11-12), процесс гидратации цемента и дальнейшего твердения цементного каркаса начинает протекать в условиях, наиболее благоприятных для твердения гидравлического вяжущего.

При недостаточном содержании цемента в укрепленном глинистом  грунте может образовываться кристаллизационно - конденсационная структура, переходящая при водонасыщении в коагуляционно -конденсационную. 

В начальной стадии твердения  цементогрунта происходит переход  ионов из кристаллической решетки  цементных минералов в водную среду и гидратация их в этой среде  с последующей кристаллизацией  из пересыщенного раствора нового устойчивого  в этих условиях гидрата. Из таких  новообразований и первичных  частиц гидратированного вяжущего вещества до начала схватывания и при начальной  стадии твердения возникает коагуляционная кратковременная структура, представляющая собой пространственную сетку, образующуюся путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной твердой фазы через тонкие прослойки жидкой дисперсной среды. Прочность такой структуры сравнительно невысока, поскольку обусловлена слабыми молекулярными силами сцепления.

Такой коагуляционной структуре  свойственна тиксотропность, т.е. способность  к обратимому восстановлению структуры  после ее разрушения. Поэтому до начала схватывания прогидратировавшихся зерен цемента образовавшаяся коагуляционная структура может быть разрушена  без ущерба в отношении прочности  кристаллизационной структуры, образующейся в дальнейшем в процессе твердения  цементогрунта.

В процессе твердения цементогрунта  в нем формируется каркас пространственной кристаллизационной структуры, характеризующейся  прочностью, в десятки раз превышающей  прочность коагуляционной структуры.

Фторангидрит представляет собой порошкообразный материал, включающий твердые гранулометрические частицы и характеризующийся  показателем рН > 9,5.

Применение фторангидрита  особенно эффективно при укреплении песчано-гравийных и золошлаковых смесей. В таких смесях фторангидрит выполняет функции как вяжущего, так и гранулометрической добавки. Укрепление песчано-гравийной смеси 4 - 6 % цемента в сочетании с 30 - 40 % фторангидрита позволяет получить материал марки по прочности М20 - М40, марки по морозостойкости F15. Введение в золошлаковую смесь, укрепленную 4 - 6 % цемента, 5 - 20 % фторангидрита позволяет также получить материал марки по прочности М10 - М40, марки по морозостойкости F25. Фторангидрит из отвалов (фторгипс) в комплексе с 30 - 50 % фторангидрита является прекрасным материалом (марка по прочности М40 - М60, марка по морозостойкости F25) для устройства оснований дорожных одежд .

Одним из перспективных направлений  применения фторангидрита является использование его в составе  ангидрито-силикатного вяжущего (АСВ). АСВ производит ОАО «Галоген» (г. Пермь) посредством смешения кислого  фторангидрита и самораспадающегося ферросплавного шлака. Отличительной  особенностью АСВ является то, что  при его использовании упрочнение материала происходит за счет образования  гидросиликатов кальция, в то время  как при применении фторангидрита, нейтрализованного известью, упрочнение осуществляется за счет новообразований  гипса. Это обстоятельство и определяет более высокие показатели водо- и  морозостойкости конгломератов  на основе АСВ в сравнении с  материалами, укрепленными фторангидритом, нейтрализованным известью.

 

6.  Химико - термическая обработка стали и ее влияние на структуру и свойства.

 

К группе видов термической обработки относятся процессы, связанные с диффузионным насыщением поверхностного слоя изделия различными элементами - так называемая химико - термическая обработка.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение  стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической  обработки включает три элементарные стадии:

1. Выделение диффундирующего  элемента в атомарном состоянии  благодаря реакциям, протекающим  во внешней среде;

2. Контактирование атомов  диффундирующего элемента с поверхностью  стального изделия и проникновение  (растворение) их в решетку  железа (адсорбция);

3. Диффузия атомов насыщающего  элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку  железа неодинакова. При насыщении  углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем  при насыщении металлами, образующими  твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для углерода или азота в γ-железе составляет 31-32 ккал/(г·атом), то энергия  активации для элементов, образующих с железом твердые растворы замещения (Cr, Mo, W, Al и др.), превышает 60 ккал/(г·атом), поэтому при диффузионном насыщении  металлами процесс ведут при  более высоких температурах и  длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при  насыщении азотом, и особенно углеродом.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности  насыщения (рис. 1)

 

Рис. 1.

 Зависимость  толщины диффузионного слоя от  продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

Толщина диффузионного слоя x в зависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре обычно выражается параболической зависимостью. Следовательно, с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1а). толщина диффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1б).

Концентрация диффундирующего  элемента на поверхности зависит  от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь  металла, состава обрабатываемого  металла, состава и структуры  образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного  слоя, образующегося за данный отрезок  времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1в).

Отжигом называется такой процесс термической обработки, который заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержке и последующем медленном охлаждении (обычно с печью) для получения наиболее равновесной структуры перлита.

Нормализацией называется процесс термической обработки, который заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержке и последующем охлаждении на воздухе для получения структуры перлитно-сорбитного типа. Нормализация для низкоуглеродистой стали применяется взамен отжига, для высокоуглеродистой - с целью уничтожения цементитной сетки.

Закалкой называется такой процесс термической обработки, который заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, для получения наиболее твердой мартенситной структуры.

Перлитное превращение структуры  происходит при температурах от 550°  до 700°С. Структура перлитного типа состоит из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита.

Процесс образования аустенита - первичный процесс термической  обработки. Процесс образования  аустенита состоит из зарождения и роста зерен на границе цементитных  и ферритных пластин при температуре 723°С.