Материал: 1167

Физико-химическая механика — раздел физической химии и коллоидной химии, в котором изучается зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем от физико-химических явлений на поверхности

раздела фаз, например, влияние среды на разрушение твердых тел. Физикохимическая механика возникла в середине 30-х гг. XX века главным образом в результате работ П.А. Ребиндера.

Механохимия — раздел физической химии, в котором изучаются химические и физико-химические превращения вещества при механическом воздействии на них. Механохимия рассматривает твердые вещества (влияние трения, измельчения, деформирования, действия ударных волн, высоких давлений, ультразвука) и жидкости (кавитация).

Активация — процессы, ускоряющие химические реакции.

Механоактивация — очень сложный, многоступенчатый процесс изменения энергетического состояния материала в условиях подвода механической энергии. В ее основе лежит изменение реакционной способности твердых тел под воздействием механических сил. Осуществление активационных процессов происходит за счет энергии напряженного состояния измельчаемого материала, энергии упругих и пластических деформации. Механическую активацию используют при производстве строительных материалов, пластификации каучука и в других процессах.

Под грунтом понимают любые горные породы, нижние горизонты почв или твердые техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты могут служить:

1)материалом оснований земляного полотна, зданий и сооружений;

2)средой для размещения в них сооружений;

3)материалом самого сооружения.

Грунт, укрепленный органическим вяжущим — искусственная смесь, получаемая смешением на дороге или в смесительных установках грунтов с органическими вяжущими (жидкими битумами и битумными эмульсиями) и активными добавками и без них или с органическими вяжущими совместно с минеральными.

6

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ

ВЕЩЕСТВ С ГРУНТАМИ

Наиболее изученными процессами взаимодействия вяжущего с минеральными материалами являются процессы, протекающие в грунтах при обработке их битумом (как отмечалось выше, в данном учебном пособии будут рассмотрены вопросы производства вяжущего на основе гудрона и механоактивированной крошки для укрепления грунтов и получения органоминеральных смесей). Так, согласно исследованиям М.М. Филатова, Б.В. Толстопятова, Ю.С. Кулиша, А.И. Лысихиной и других, взаимодействие грунтов с органическим вяжущим в основном сводится к трем явлениям:

–адсорбции (поглощению) некоторых составных частей вяжущего материала поверхностью тонкодисперсных частиц;

–адгезии (склеиванию) отдельных частиц и агрегатов грунта вяжущим материалом;

–механическому заполнению грунтовых пор вяжущим материалом.

В системе грунт – органическое вяжущее протекают сложные физические, физико-химические и химические процессы. При этом на упрочнение грунтов битумом значительно влияют как химико-минералогический состав минерального материала, так и состав самого вяжущего. Процесс взаимодействия грунтов с битумом очень близок по своему характеру к физической адсорбции. Как отмечает Б.В. Толстопятов:

1)битум адсорбируется грунтом;

2)наиболее интенсивно адсорбируются асфальтены, причем 0,5% их содержания достаточно для придания грунту водостойкости;

3)роль компонентов битума различна: смолы играют связующую роль; карбены и карбоиды – твердые заполнители; легкие масла – разжижители, способствующие более глубокому проникновению битума в грунт.

По данным исследований М.М. Филатова и Б.В. Толстопятова, компоненты битума обволакивают частицы глинистых фракций, в то время как песчано-пы- леватая часть собирается в гнезда-линзы различной формы и размеров. В результате битумизации в грунте образуются абсорбционные битумно-глинистые

7

соединения, которые стягивают более крупные гранулометрические элементы грунта в агрегаты. В порах и пустотах между частицами остается защемленный воздух, а битумно-глинистое вещество приобретает способность к растяжению, что в целом придает укрепленному грунту эластичные свойства.

В ходе исследований адгезии битума к грунтам и различным материалам А.С. Коржуевым выделено три характерных периода: адгезионный, адгези- онно-адсорбционный, и адсорбционный. С течением времени битумы претерпевают изменения, переходя из адгезионного в адсорбционный период, что способствует росту эффективности битумизации грунтов. Помимо этих процессов, по П.А. Ребиндеру, происходят явления полимеризации и поликоденсации.

Для формирования структуры битумированного грунта огромное значение имеет влажность исходного грунта, которая должна быть строго определенной.

Закрепление грунтов с помощью компонентных смесей из крекинг остатков и легких газойлевых фракций в отличие от чистых расплавленных битумов и битумных эмульсий носит несколько иной характер и сводится в основном к следующим явлениям: адсорбции, адгезии, испарению легких фракций, окислению крекинг остатка.

Нефтяное вяжущее представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из смеси разнообразных высокомолекулярных соединений нефти, объединенных по молекулярной массе и характеру растворимости в селективных растворителях в группы углеводородов, смол и асфальтенов. С помощью селективного растворения вяжущее можно разделить на твердую и жидкую части. В твердую часть входят наиболее высокомолекулярные соединения: асфальтены, карбены и карбоиды. Жидкая часть вяжущего может быть разделена на масла, нейтральные смолы и асфальтогеновые кислоты (кислые смолы). Масла представляют собой смесь парафинонафтеновых моноциклических, бициклических и ароматических углеводородов. Смолы содержат кислородные гетероциклические соединения нейтрального характера, в очень малых количествах азотистые катионоактивные основания. Асфальтогеновые кислоты относят к группе полинафтеновых кислот (Сn H2nО2)

8

сповышенной молекулярной массой и более высокой поверхностной активностью. В вяжущем они выполняют функции анионактивных веществ.

Процессы молекулярного взаимодействия нефтяного вяжущего вещества

споверхностью частиц грунта можно предположительно объяснить следующим образом. С введением вяжущего в грунты на их поверхности возникают и развиваются смачивание, адсорбция, поверхностная и объемная диффузия, сольватация.

Результаты лабораторных исследований показывают, что грунты (суглинки), укрепленные такими вяжущими, имеют значительную механическую прочность. Это объясняется тем, что вяжущее имеет хорошее сцепление с поверхностью грунтовых частиц. Сцепление (адгезия) зависит от природы обоих компонентов, состояния и формы грунтовых частиц, их поверхности, условий контакта и условий внешней среды.

Адгезия – результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами вяжущего и грунта. Процесс образования адгезионной связи, вероятно, происходит в две стадии (рис.1.1). Первая стадия – «транспортирование» молекул вяжущего к поверхности частиц грунта.

Рис. 1.1. Стадии образования адгезионных связей до испарения

легкой фракции (I) и после затвердевания вяжущего (II).

9

На второй стадии между молекулам вяжущего и грунта начинают действовать молекулярные силы, затем наступает адсорбционное равновесие.

Необходимое предварительное условие сцепления – смачивание вяжу-

щим поверхности грунта, которое носит избирательный характер и зависит в основном от молекулярно-поверхностных свойств вяжущего и характера поверхности грунта. Поскольку поверхность части суглинка полярна и гидрофильна, она должна адсорбировать поверхностно-активные компоненты типа асфальтогеновых кислот и их ангидридов, имеющих большое число функциональных групп, асфальтены и их модификации.

Соединения ароматического ряда той же химической природы и с одинаковым числом атомов углеводорода адсорбируются больше, чем алифатические. Это можно объяснить, по-видимому, наличием большого числа ненасыщенных групп за счет двойных и тройных связей, что способствует повышению поверхностной активности.

Адсорбция может быть физической и химической. Хемосорбция, то есть процесс химического взаимодействия поверхностно-активных веществ с поверхностью грунта, способствует сравнительно прочному сцеплению вянущего с грунтами, тогда как сцепление при физической адсорбции значительно слабее. Хемосорбция наблюдается при взаимодействии битума с наполнителями, содержащими СаО, Аl203, АlСl3, Fе2О3 и др.

После тщательного перемешивания вяжущего вещества с грунтом в основном заканчиваются процессы образования поверхностных адсорбционных монослоев и диффузных слоев, то есть идет процесс микроструктурообразования. К этому времени все частицы грунта, а иногда агрегаты частиц окружены не только адсорбционными, но и диффузно-сольватированными (слабо структурированными) оболочками. В пределах диффузных слоев постоянно убывает концентрация молекулярных адсорбционных сил, а частицы асфальтенов более или менее прочно и плотно фиксируются, то есть происходит структурирование пленочного вяжущего (структурированные оболочки постепенно переходят в слои объемного вяжущего тем большей толщины, чем крупнее частицы грунта). Недостаточное количество вяжущего, введенного в грунт, может приводить к прерывистости пленок на поверхности частиц грунта.

10