«Поверхностные явления в строительстве» "Surface phenomena in

«Поверхностные явления в строительстве»
"Surface phenomena in construction"
Выполнила: Рыжкова Алина Александровна
Completed: Alina Ryzhkova
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Кубанский государственный технологический университет»
(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)
Federal state budgetary educational
institution of higher professional education
"The Kuban state technological University"
Содержание
Введение…………………………………………………………….................2
1. Разновидности поверхностных явлениях в строительстве и их
сущность.
1.1 Свойства межфазовой границы и поверхностное
натяжение ………………………………………………………...……..….2-3
1.2Адсорбция……..…………………………………………………………4-5
1.3 Адгезия …………………………………………………………………....5
1.4 Смачивание…………………………………………..……….…………5-7
1.5 Капиллярность………………………………………………………..7-10
2. Практическое значение поверхностных явлений в строительстве.
2.1 Способ повышения адгезионных свойств в композиционных
материалах на основе шпона и термопластов ……………….……......10-11
2.2 Адсорбционные свойства грунтов…………………...………….......12-13
Заключение……………………………………………….…………………..13
Литература…………………………………………………….......................14
2
Введение
В
1932
году
выдающийся
физик
и
химик
Н.П.Песков
писал:
«Поверхность раздела – необычайно интересная вещь. Это и есть единство
противоположностей. Молекулы, лежащие на поверхности, принадлежат обеим
фазам. В этом смысле они сосредотачивают в себе все те противоположные
свойства, которые имеются в этих фазах».
Действительно, прилежащие слои резко отличаются по многим физикохимическим характеристикам (удельной энергии, плотности, электрической
проводимости и др.) от свойств фаз в глубине их объема. Отличия связаны с
определенной
ориентацией
молекул
в
поверхностных
слоях
и
иным
энергетическим состоянием их в сравнении с молекулами в объеме. Кроме того,
в многокомпонентных системах (например, в растворах) состав поверхностного
слоя, как правило, не совпадает с составом объемных фаз.
Изучение физических и химических взаимодействий в поверхностных
слоях необходимо для развития многих областей науки и практики. В
строительстве
–
это
разработка
новых
конструкционных
полимерных
материалов, каучуков, синтетических волокон, пластических масс, вяжущих и
отделочных веществ, внедрение таких процессов, как склеивание, сварка,
формование.
Таким образом, изучение основ физической химии необходимо для
понимания многих процессов, встречающихся в практической деятельности
строителя [1].
1.1
Свойства
межфазовой
границы
и
поверхностное
натяжение
Фаза - это часть гетерогенной системы, однородная по химическому
составу и физическим свойствам и ограниченная от остальной системы
границей раздела. Явления, происходящие на границе раздела двух фаз,
называются поверхностными явлениями.
На границе раздела фаз каждая из граничащих фаз имеет избыток
потенциальной
энергии,
который
называется
поверхностная
энергия.
3
Стремление вещества уменьшить поверхностную энергию - поверхностное
натяжение . Существует оно потому, что состояние молекулы внутри фазы и на
её границе различно [2]:
1. Внутри фазы молекула окружена другими такими же молекулами.
Силовые поля этих молекул полностью компенсированы друг другом,
молекулы связаны между собой одинаково.
2.
На
границе
раздела
фаз
молекулы
рассматриваемой
фазы
одновременно взаимодействуют с молекулами как своей, так и другой фазы,
причём характер взаимодействия между молекулами разных фаз другой,
нежели между молекулами одной фазы. Это приводит к тому, что молекулы
рассматриваемой фазы «выталкиваются» из своей фазы в другую или сильнее
притягиваются к молекулам другой фазы, чем к «своим» молекулам.
3. Поверхностное натяжение (σ) - это величина свободной энергии
Гиббса на единицу поверхности вещества.(σ = Gs/S). Стремление вещества
уменьшить эту величину приводит к самопроизвольному сокращению границы
раздела фаз. Примеры: круглая форма капли жидкости при отсутствии
воздействий со стороны (в невесомости, при достаточно малом объёме
жидкости (поверхностное натяжение сильнее силы тяжести)), коагуляция,
коалесценция и др.
4
1.2 Адсорбция
Адсорбция - это концентрирование вещества на границе раздела фаз в
результате его самопроизвольного перехода данного вещества из объёма фазы.
Адсорбционное равновесие определяется притяжением молекул к поверхности
другой фазы и тепловым движением, стремящимся восстановить равенство
концентраций в поверхностном слое и объёме фазы
Наблюдается адсорбция на поверхностях раздела следующих фаз:
твёрдое
вещество-жидкость,
твёрдое
вещество-газ,
жидкость-жидкость,
жидкость-газ. Адсорбент - твёрдое вещество, на поверхности которого
происходит адсорбция. Адсорбтив (адсорбат) - вещество, концентрирующееся
на границе раздела фаз.
Если на границе раздела фаз вещество поглощается в результате
образования химических соединений, это хемосорбция. Если вещество
поглощается объёмом другой фазы, это абсорбция.
Различают два случая адсорбции: адсорбция на твёрдой поверхности и
адсорбция в поверхностном слое жидкости.
1 Адсорбция на однородной плоской поверхности раздела фаз - в
поверхностном слое жидкостей.
5
Большинство поверхностно-активных веществ, меняющих поверхностное
натяжение воды, имеет общую структуру: в молекуле содержатся гидрофильная
головка и гидрофобный хвост. При взаимодействии с водой гидрофильная
головка
оказывается
сильно
гидратированной,
а
гидрофобный
хвост
выталкивается наружу. Образуется мономолекулярный слой поверхностноактивного вещества на поверхности воды.
Правило Дюкло-Траубе: при увеличении числа углеродных атомов в
гомологическом ряду в арифметической прогрессии поверхностная активность
вещества возрастает в геометрической прогрессии.
2. Адсорбция на твёрдой поверхности
Если адсорбат покрывает поверхность слоем толщиной в одну
молекулу, адсорбция называется мономолекулярной.
Адсорбция - процесс обратимый и равновесный.
1.3 Адгезия и когезия
Под адгезией принято понимать взаимодействие совершенно разных
поверхностей тел твердых и жидких. В основе подобного взаимодействия
оказываются связи межмолекулярного характера. В противоположность ему
когезия определяет сцепление однородного материала на внутреннем уровне.
Адгезия
способна
в
большей
степени
изменить
свойства
соприкасающихся поверхностей. Они могут приобрести низкий коэффициент
трения. Если это вещества с твердой кристаллической структурой, то их в
дальнейшем можно использовать в виде антифрикционных смазок. Также к
эффектам адгезии можно отнести смачиваемость и капиллярность[3].
1.4 Смачивание
Смачивание
—
это
поверхностное
явление,
заключающееся
во
взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости.
Смачивание бывает двух видов:
1) Иммерсионное(вся
жидкостью)
поверхность
твёрдого
тела
контактирует
с
6
2) Контактное(состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)
Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул
жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами
взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
Степень смачивания характеризуется углом смачивания (θ)
Интересна возможность искусственно придавать поверхности свойство
смачиваться или не смачиваться какой-либо жидкостью. Если речь идет о
водных растворах, то говорят о гидрофилизации или гидрофобизации
поверхности. Так, для улучшения смачивания поверхности углеводорода к воде
добавляют ПАВ. Они адсорбируются на гидрофобной поверхности своими
неполярными радикалами, а полярной гидрофильной частью ориентируются к
воде.
7
Если адсорбционное взаимодействие достаточно прочно, то гидрофобная
поверхность
покрывается
мономолекулярным
слоем
молекул
ПАВ,
гидрофильные концы которых находятся снаружи. В таком случае поверхность
будет смачиваться. По такому же механизму идет процесс гидрофобизации.
Большое значение имеет смачивание при механической обработке
различных материалов – резании, сверлении, шлифовке. Под влиянием
внешних нагрузок в твердых телах образуются трещины. При снятии нагрузки
трещины могут «захлопываться», смыкаться. Если твердое тело смочить
жидкостью при его обработке, то жидкость, попадая в микротрещины,
препятствует их закрыванию. Поэтому разрушение твердых тел легче идет в
жидкости, а не на воздухе. Все гидрофильные тела (кварц, силикаты, стекло)
легче разрушаются в воде, а такие вещества, как графит, уголь, металлы
выгоднее обрабатывать в неполярных жидкостях.
1.5 Капиллярность.
Капиллярность (от лат. capillaris — волосяной ) — физическое явление,
заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких
каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит
в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных
трубках, песке, грунте и т. п Чем тоньше капилляры, тем выше поднимается
жидкость кверху трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например,
ртуть в стеклянной трубке.
8
Так действуют молекулы жидкости, а именно их силы когезии и силы
адгезии, со стенками сосудов. Если силы адгезии между жидкостью и стенками
сосуда больше, чем силы когезии и сила притяжения земли, как, например, в
случае воды, то жидкость будет подтягиваться кверху по стенкам сосуда [2].
В строительстве действие капиллярности имеет большое значение [4].
Пористые строительные материалы, такие как легкий бетон, стеновой кирпич,
раствор, дерево и многие утеплители, всасывают воду. Это может привести к
строительным
повреждениям
вследствие
увлажнения
строительных
конструкций, как, например, высолы и разрушения вследствие замерзания, к
коррозии и откалыванию штукатурки, краски и обоев, к образованию плесени и
грибковых поражений, а также к уменьшению теплоизоляции и к ухудшению
внутренней среды в помещениях.
При адгезии энергия тела на отдельно взятом участке поверхности
стремительно уменьшается. Именно поэтому адгезия измеряется той силой или
той работой, что понадобилась для отрыва двух поверхностей, взятая для
отдельной единицы площади.
Благодаря данному физическому явлению удалось улучшить процесс
производства стальных блоков и плит с толстыми и тонкими стенками, знание
основ позволило ускорить изготовление строительных изделий и существенно
уменьшить их масса [1].
Именно адгезия помогает наносить на поверхность строительных
материалов лакокрасочные покрытия, покрытия анодные и гальванические.
Они необходимы для защиты металла от коррозии, улучшения его эстетических
возможностей, приведения к единому знаменателю. Знание адгезии помогает
правильно сделать склеивание разнородных материалов и провести их сварку.
Также при ее непосредственном участии происходит изготовление оксидных
пленок, выполняющих исключительно защитные функции. Применяется
эффект адгезии при бетонных работах, в том случае, если невозможно добиться
одноразовой заливки объекта. Если прибегнуть к повторной заливке, то между
двумя бетонными основаниями образуется холодный стык, который негативно
9
влияет на прочность соединения. Также применять адгезию рекомендуется при
необходимости отделения бетона от стальной формы. Сделать это иными
методами практически невозможно. Использование адгезионных свойств
позволяет избавиться от дефектов на поверхности уже изготовленных бетонных
изделий [1].
Важной проблемой является уменьшение сцепления бетона с опалубкой.
Это сцепление зависит от адгезии (прилипания) и когезии (прочности на
растяжение пограничных слоев на контакте «опалубка-бетон») бетона, его
усадки и характера формирующей поверхности опалубки. Адгезия заключается
в том, что при укладке и виброуплотнении бетонная смесь приобретает
свойства пластичности и поэтому сплошность контакта между ней и опалубкой
возрастает. Если палуба выполнена из слабо смачивающихся (гидрофобных)
материалов, например, пластиков, текстолита и т. п., и имеет гладкую
поверхность, сцепление с палубой незначительно. Если палуба выполнена из
сильно смачивающихся (гидрофильных) материалов, например, стали, дерева и
т. п., имеет шероховатую поверхность или пористую структуру, сплошность и
прочность контакта возрастают и, следовательно, увеличивается адгезия. Если
адгезия мала, а когезия велика, при распалубке отрыв происходит по плоскости
контакта и формующая поверхность опалубки остается чистой, а лицевые
поверхности забетонированной конструкции получаются хорошего качества
[4].
Силы
адгезии
можно
уменьшить,
используя
для
формующих
поверхностей опалубки гидрофобные материалы, нанося на поверхность
палубы специальные смазки и противоадгезионные гидрофобиризующие
покрытия. Наиболее практичны комбинированные смазки в виде так
называемых обратных эмульсий. В них помимо гидрофобизаторов и
замедлителей схватывания вводят пластифицирующие добавки, которые
пластифицируют бетон в зоне контакта с опалубкой и облегчают ее отрыв.
10
В качестве эмульгаторов для анионных эмульсий используют ПАВ типа
высших
органических
кислот
(жирные,
смоляные,
нафтеновые,
сульфатонафтеновые) и их солей (мыла).
Для получения анионных эмульсий, как правило, применяют щелочные
вещества: едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия.
В качестве эмульгаторов для катионных эмульсий используют ПАВ типа
аминов, диаминов, амидо-аминов и четвертичных аммониевых солей.
В качестве эмульгаторов для паст используют: известь (пушонку или
молотую кипелку), содержащую не менее 60 % оксидов кальция и магния;
фильтро-прессную грязь - дефекат - отходы сахарного производства,
содержащие не менее 80 % частиц мельче 0,071 мм и другие тонкодисперсные
минеральные материалы [1].
2.1 Композиционные
материалы в строительстве и способ
повышения их адгезионных свойств на основе шпона и термопластов
Важнейшую,
а
зачастую
и
определяющую
роль
в
развитии
строительства играют мате риалы. Среди них особое место занимают
композиционные материалы. Бетон – это строительный композиционный
материал, представляющий из себя щебень, скрепленный связующим.
Прочность бетона определяется не прочностью щебня, а прочностью
соединения щебня. Бетон явился родоначальником железобетона (бетон,
армированный стальной арматурой) и других композиций на его основе.
Сегодня бетон армируют стеклопластиковыми (композиционными) стержнями,
что позволяет снизить вес и создать еще более ажурные строительные
конструкции из бетона. Другой, не менее важный композиционный материал в
строительстве,
это
гнуто
клееные
деревянные
балки
(конструкции),
позволяющие увеличить длину пролета между опорами с 6 метров до 24, а
иногда и до 30 метров. При этом такие балки устойчивы к гниению, горению и
другим неблагоприятным воздействиям; их срок службы возрастает в десятки
раз по сравнению с цельными деревянными балками при полном сохранении
эстетического вида и структуры древесины. Чрезвычайно прочными и легкими
11
оказались конструкции из стекло- и углепластика, навитого из нитей,
пропитанных эпоксидными полимерами [5].
Актуальной задачей современных технологий является модификация
крупнотоннажных термопластов, в частности полиэтилена, веществами,
обладающими способностью повышать поверхностную энергию слабого
граничного слоя в композиционном материале.
Целенаправленное
модифицирование
полимерного
связующего
веществами, увеличивающими адгезионную прочность, является эффективным
способом регулирования свойств композитов на основе полиолефинов [6].
Известные вещества, повышающие липкость, являются производными
абиетиновой кислоты канифоли. Кислоты канифоли получают в виде
побочного продукта переработки древесины, например смолы камеди,
древесной смолы и таллового масла. Абиетиновая кислота сама может
использоваться в качестве вещества, повышающего липкость, однако в
большинстве случаев этот материал химически модифицируют различными
способами. Непредельность абиетиновой кислоты приводит к окислению и
обесцвечиванию. Эту проблему можно исключить гидрированием двойных
связей. Кислота канифоли используется также в этерифицированном виде.
Обычно абиетиновую кислоту этерифицируют глицерином или пентаэритритом
для получения материалов с более высокой температурой размягчения.
Модифицирующая добавка должна быть совместима с исходным
полимером, так как в противном случае может происходить нежелательное
фазовое разделение в процессе хранения или нанесения клея.
Из
известных
способов
получения
полимерных
композиций
с
улучшенными адгезионными свойствами наиболее часто встречается способ
получения модифицированных полиолефинов путем прививки малеинового
ангидрида (МА) [7] .
12
2.2 Адсорбционные свойства грунтов
Адсорбционные свойства грунтов (от лат. ad — на, при и sorbeo —
поглощаю) в инженерной геологии — особенности грунтов, характеризующие
их способность поглощать (сорбировать) какие-либо вещества. В их основе
лежит физико-химическое явление адсорбции [8].
Адсорбция в грунтах проявляется в том, что на поверхности или на грани
кристаллов происходит увеличение концентрации молекул воды, а в результате
этого - уплотнение окружающей частицу грунта водной оболочки. В грунтах
адсорбентом являются частицы скелета, а адсорбатом - вода, находящаяся в
порах.
Адсорбционные силы являются частным случаем молекулярных сил. Они
отличаются от других видов молекулярных взаимодействий, во-первых, тем,
что они происходят на поверхностях раздела фаз и, во-вторых, тем, что
происходят обычно между молекулами разного рода.
Взаимодействие частиц скелета с водой происходит по поверхности
контакта между ними, т. е.- по поверхности частиц.
Характер и интенсивность этих явлений (поверхностных явлений) в
грунтах зависит в основном от степени дисперсности грунта и от
интенсивности действующих на единице поверхности сил. Чем выше степень
дисперсности, тем больше поверхность частиц.
Удельной поверхностью грунта называют суммарную поверхность
частиц, содержащихся в 1 см3 грунта, т. е. отношение поверхности частиц к их
объему.
Удельная поверхность очень быстро увеличивается по мере уменьшения
размера частиц. У монтмориллонита притяжение воды происходит по
наружным и по внутренним поверхностям кристаллической решетки, что еще
более увеличивает активную поверхность.
Таким образом, благодаря величине удельной поверхности глинистые
частицы обладают в десятки тысяч раз большей адсорбционной способностью,
13
чем пески. Кроме того, у глинистых грунтов значительно большую величину
имеет и интенсивность поверхностных явлений [3].
Заключение
Химия и строительство, две обширные и древние области деятельности
человека,
в
течение
многих
веков
развиваются
в
тесном
контакте,
взаимопроникая друг в друга. Можно с уверенностью сказать, что характерная
особенность
строительства
-
это
быстрое
освоение
и
продуктивное
использование всего нового, что появлялось в химической науке. Современное
развитие строительства трудно представить себе без использования продукции
химической промышленности.
Использование поверхностных
явлений в
строительстве
позволяет
интенсифицировать существующие технологические процессы. Поверхностные
явления в значительной мере определяют пути получения и долговечность
важнейших строительных и конструкционных материалов; эффективность;
качество и свойства продукции [8].
14
Литература
1.
Овчинников
В.В.
Химия
в
строительстве.
//
Соровский
образовательный журнал Т.6 № 5, 2000 г. С. 38-43
2.
Фролов Ю.Г.: Курс коллоидной химии. – М.:Химия,1998. – С. 10,
25-29, 78-106, 133, 136.
3.
Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная
химия. - СПб.: Издательство «Лань», 2003. - 336 с. (Учебник для вузов.
Специальная литература).
4.
Берлин, А. А. Основы адгезии полимеров / А. А. Берлин, В. Е.
Басин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1974. – 392 с.
5.
Способ модификации (со)полимеров этилена: пат. 2115665, Рос.
Федерация, МПК C08F255/00, C08F222/06 / Г. Принчиотта, С. Делфино;
заявитель Эникем С.П.А. – № 93048542/04; заявл. 30.07.1993; опубл. 20.07.1998.
6.
Композиционный материал: пат. 2074208,Рос. Федерация, МПК
C08L97/02, C08L97/02, C08L23:26 / Н. С. Ениколопов, В. П. Волков, Л. О.
Бунина, С. Н. Зеленецкий, М. Д. Сизова, Н. Ю. Артемьева; заявитель Институт
синтетических полимерных материалов РАН. – № 93037034/04; заявл.
21.07.1993; опубл.27.02.1997.
7.
Ламинированный материал и способ его получения: пат. 2040404,
Рос. Федерация, МПК B32B15/08 / П. Д. Хейес, Н. Д. Миддлтон; заявитель
Карнауд Металбокс ПЛС. – № 4614273/05; заявл. 05.06.1989; опубл. 25.07.1995.
8.
В.Н. Захарченко. Коллоидная химия. М: Высшая школа, 1989. – 28 с.