Вопросы и ответы к экзамену (1094464), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Все отмеченные свойства воды в той или иной мере влияют на характер переноса воды в неметаллических материалах, на растворение в ней других веществ (например, газов), вызывают появление внутренних напряжений в материале или понижение поверхностного натяжения, – все это негативно сказывается на его эксплуатационных характеристиках.

Взаимодействие неметаллических материалов с водой начинается с ее адсорбции на поверхности материала. Количество адсорбируемой воды определяется полярностью веществ, образующих материал. Силикатные материалы, состоящие из полярных оксидов, особенно щелочных и щелочно-земельных металлов, адсорбируют большое количество воды, образующей на поверхности полимолекулярный слой. Подобная многослойная адсорбция воды возможна и на полярных полимерах, содержащих полярные группы (ОН-, СООН- и др.). На неполярных полимерах адсорбированная на поверхности вода образует вначале мономолекулярный слой. Адсорбированные молекулы воды находятся на поверхности в непрерывном движении и при наличии градиента концентрации могут диффундировать по поверхности, передвигаясь от одного центра адсорбции к другому. Поверхностная диффузия играет важную роль в процессах смачивания и разрушения неметаллических материалов во влажной среде, инициируемого механическими растягивающими напряжениями. Адсорбированные молекулы воды помогают перестройке и способствуют разрыву межатомных и межмолекулярных связей в неметаллических материалах, облегчая их деформирование и разрушение под действием внешних сил, проявляя тем самым эффект адсорбционного понижения прочности.

Способность материала смачиваться водой зависит от соотношения сил взаимодействия молекул воды с материалом (адгезия) и сил взаимодействия молекул воды между собой (когезия). Если силы взаимодействия молекул воды с материалом выше сил когезии, то вода будет хорошо смачивать такой материал. В этом случае степень смачивания будет существенно зависеть от микрогеометрии поверхности материала (ее дефектности) и наличия открытой пористости в материале. Если на поверхности материала имеются дефекты структуры, соизмеримые с диаметром молекулы воды (0,29 нм), то молекулы воды могут внедриться в объем материала и при наличии такой же пористости (дефектности) в объеме материала будут диффундировать по механизму активированной диффузии, аналогично диффузии газов. Силикатные стекла способны вполне свободно поглощать пары воды, т.к. размер дефектов в них находится в пределах от 0,7 до 1,7 нм.

При наличии в неметаллических материалах дефектов диаметром 100 – 200 нм пары воды адсорбируются на стенках таких капилляров, заполняя их влагой за счет капиллярного поднятия. Вода, заполняющая капилляры за счет капиллярной конденсации и капиллярного поднятия, не переносится в таких капиллярах, а может только испаряться с их противоположной стороны или диффундировать через стенки капилляров в водопроницаемую матрицу.

Неметаллические материалы с протяженными дефектами диаметром менее 100 нм при обычных гидростатических напорах непроницаемы для воды.

Разнообразие процессов взаимодействия воды с неметаллическими материалами и форм существования ее в них создает затруднения в установлении контролирующих процессов и факторов. В общем случае различают четыре вида связи воды с неметаллическими материалами в порядке убывания энергии связи:

Химически связанная вода в виде гидроксильных ионов в гидратах, вода в кристаллогидратах и т.д.;

Адсорбционно-связанная вода в виде моно- и полимолекулярных слоев на внешней поверхности контакта или в объеме материала;

Капиллярно-связанная вода;

Свободная вода, заполняющая пористое пространство неметаллического материала.

Рис. 17.1. Изотермы сорбции воды неметаллическими материалами.

Химически связанную воду можно идентифицировать методами спектрального анализа. Наличие адсорбированной и капиллярной влаги, кластеров и ассоциатов устанавливаются с помощью изотерм сорбции воды неметаллами (рис. 17.1), которые выражают зависимость количества поглощенного вещества – воды (Q) от ее активности Р/Р0 (Р – парциальное давление паров над раствором, Р0 давление чистого пара) при постоянной температуре.

У большинства неметаллических материалов (силикатных, полимерных, композиционных) изотерма сорбции паров воды имеет S- образный вид (I на рис 17.1). В области давления паров воды от 0 до 0,25 от равновесного значения Р0 наблюдается образование мономолекулярного слоя адсорбированной воды. В области давлений от 0,25 до 0,70 от Р0 идет формирование полимолекулярного адсорбционного слоя (скорость процесса уменьшается). Резкий подъем кривой в области от 0,70 до 1,00 Р0 соответствует процессу конденсации влаги в капиллярах материала.

Линейная изотерма (III) характерна для гидрофобных полимеров, когда отсутствует любой вид локализации воды, и ее растворимость в материале подчиняется закону Генри.

Отклонение изотермы сорбции от линейной зависимости (кривая II на рис. 17.1) свидетельствует о локализации гомогенно растворенной воды в гидрофобных полимерах.

При измерении количества воды, сорбируемой неметаллическим материалом, по достижению равновесного водопоглощения фиксируется вода, поглощенная материалом по любому механизму, начиная от гомогенно растворенной до свободной воды в макропорах.

Для полимерных материалов условно принято считать, что если равновесное водопоглощение не превышает 1%, то такие материалы относятся к классу гидрофобные. Полимеры, у которых равновесное водопоглощение более 10%, явно относятся к гидрофильным материалам.

1. Водостойкость силикатных материалов.

Водостойкость – это способность неметаллических материалов сопротивляться физико-химическому и химическому воздействию воды, сохраняя свои эксплуатационные свойства при длительном увлажнении или контакте с водой.

В зависимости от пористости плавленные и керамические силикатные материалы могут взаимодействовать с водой, как с поверхности, так и в объеме материала. Основным процессом, способным привести к потери материалом эксплуатационных свойств, является процесс выщелачивания, в результате которого часть катионов щелочных и щелочноземельных металлов в группах

где R+ - катион) замещается на катион водорода с образованием группы

Это замещение дополнительно разрыхляет структуру материала из-за расклинивающего воздействия адсорбируемой материалом воды.

В результате взаимодействия с водой в раствор переходят гидроксиды, в первую очередь NaОН, частично растворяется аморфный кремнезем, переходя в раствор в виде кремневой кислоты H2SiO3.

Процесс выщелачивания идет с замедлением по параболической зависимости, т.к. на поверхности материалов образуется плотная защитная пленка из продуктов взаимодействия.

В целом, указанные силикатные материалы характеризуются достаточно высокой водостойкостью при температурах, рекомендуемых для их применения.

Водостойкость бетонов зависит от состава воздействующих вод и от структуры бетонов. В зависимости от состава воды выделяют три основных вида разрушения (коррозии) бетонов.

К коррозии первого вида относят процессы разрушения бетонов под действием пресной воды с малой временной жесткостью, возникающие в результате растворения составных частей цементного камня. Наиболее растворимым компонентом является гидроксид кальция Са(ОН)2. Этот вид коррозии особенно интенсивно протекает при воздействии проточной воды, фильтрующейся через бетон. Особенно сильное выщелачивание Са(ОН)2 происходит через трещины, швы и различные дефекты бетонной кладки. Интенсивность такого фильтрационного выщелачивания зависит от напора воды, формы и ширины раскрытия трещины. При проектировании конструкций из бетона следует учитывать ослабление бетона в зонах трещин в результате указанного процесса выщелачивания.

Коррозия второго вида происходит вследствие обменных реакций между составными частями цементного камня и химическими веществами, содержащимися в воде. Эти обменные реакции чаще всего протекают в бетоне под действием углекислоты, сернокислых и хлористых солей, содержащихся в значительном количестве в грунтовых и промышленных (сточных) водах, в морской воде. Продукты взаимодействия выделяются в виде аморфной массы, либо легко растворяются, – все это ведет к повышению пористости и снижению прочности цементного камня.

Под действием углекислоты природных вод возможно и уплотнение бетона за счет образования карбонизированного слоя по реакциям:

Са(ОН)₂ + Н₂СО₃ → СаСО₃ +2Н₂О (17.17)

Са(ОН)₂ + Са(НСО3)₂ → 2СаСО₃ + 2Н₂О (17.18)

Однако при большом содержании углекислоты (> 280 – 300 мг/л) происходит растворение карбоната кальция и разрушение цементного камня.

Третий вид коррозии бетона возникает при воздействии на него сильно минерализованной воды. В этом случае в порах и капиллярах материала накапливаются кристаллы солей и продукты взаимодействия воды с цементным камнем. Под действием этих новообразований возникают значительные усилия в стенках пор и капилляров, приводящих к разрушению бетона.

Эффективными методами борьбы с рассмотренными видами коррозии является уплотнение бетонов введением гидравлических добавок, связывающих Са(ОН)2 в малорастворимые соединения, введение в их состав высокомолекулярных соединений – смол (создание, так называемых полимербетонов), применение различных гидрофобизирующих или защитных покрытий: кремнийорганические жидкости, битумные, виниловые и другие покрытия.

1. Водостойкость полимерных и композиционных материалов.

Сорбция воды полимером может вызывать его набухание, сопровождающееся увеличением массы, объема, изменением структуры. Предельным случаем набухания является растворение полимера.

Полимеры, применяемые в качестве конструкционных материалов и защитных покрытий, не растворяются в воде, а лишь ограниченно набухают.

Сорбируемая вода может вызывать вымывание водорастворимых ингредиентов – пластификаторов, стабилизаторов, наполнителей, красителей и т.д. По отношению к ряду полимеров вода может быть не только физически, но и химически активной средой.

Под воздействием воды в полимерах могут протекать реакции гидролиза. При гидролизе вода присоединяется по месту разрыва связей. Гидролизу, как правило, подвержены гетероцепные полимеры, имеющие гетероатом в основной цепи. Например, к гидролизу наиболее чувствительны соединения, содержащие ацетальные , амидные , сложные эфирные и простые эфирные

группы. Однако реакции гидролиза в чистой воде для большинства полимеров протекают слишком медленно, и они практически устойчивы к химическому воздействию воды.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)