Материал: 2031

7.8.2. По формулам (7.1) и (7.2) рассчитать долю "открытой" поверхности минеральных зерен, освободившейся от битума после кипячения S0, и долю поверхности минеральных зерен с сохранившейся после испытания битумной пленкой Sn .

7.8.3.Для каждого минерального материала определение выполняется однократно, что объясняется ограниченным временем одного лабораторного занятия. В исследовательских работах каждое определение должно быть повторено не менее трех раз. Результат принимается как среднее арифметическое всех определений после отбрасывания явно недостоверных результатов.

7.8.4.Результаты определений и расчетов записываются в таблицу по форме (пример – табл. 7.1 и 7.2).

7.8.5.На основании экспериментальных результатов и вычислений строят графики зависимостей Sn f (t), Sn f (содержание ПАВ, % от

массы битума).

7.8.6. Каждая бригада оформляет отчет по выполненной лабораторной работе, в котором приводится сводная таблица результатов всех бригад.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ ПО ПРОЕКЦИИ КАПЛИ ЖИДКОСТИ НА ПЛОСКОСТИ ПЛАСТИНЕ

8.1. Цель определения, область применения результатов

Оценить качество смачивания испытуемой жидкостью поверхности плоской пластины путем прямого измерения краевого угла смачивания на проекции капли жидкости, нанесенной на плоскую пластину. Результаты этого определения используют для оценки качества смачивания жидкостью данной поверхности (чем выше качество смачивания, тем выше ожидаемая адгезия), в том числе для оценки эффективности ПАВ, улучшающих смачивание и, следовательно, адгезию жидкости.

8.2.Теоретические основы методики

8.2.1.В технологии производства строительных материалов на основе вяжущих веществ и при оценке их состояния в эксплуатационных условиях часто приходится рассматривать явления и процессы, происходящие на поверхностях, разделяющих твердую, жидкую и газообразную фазы. Чаще всего внимание обращено на качество

54

смачивания жидкостью (водой, водным раствором, битумом, дегтем, полимерной смолой и др.) и на сопутствующее явление, называемое адгезией. Смачивание и адгезия – это две стороны явления, возникающие при контакте жидкости с твердой поверхностью и их взаимодействии. Смачивание – это способность данной жидкости растекаться по данной поверхности с образованием сплошной пленки, а адгезия – это прочность сцепления этой пленки со смачиваемой поверхностью.

8.2.2. Смачивание и адгезия происходят на границе трех фаз, из которых две – несмешивающиеся жидкости или жидкость и газ, а третья – твердое тело. Причем не только капля жидкости на твердой поверхности может быть окружена газообразной (обычно – воздушной) средой, но и пузырек газа может взаимодействовать с твердой поверхностью в окружении жидкой среды.

Рис. 8.1. Капля жидкости на слабосмачиваемой твердой поверхности:

Ж – жидкость; Г – газообразная среда; Т – твердое тело; GТЖ – поверхностное натяжение на границе твердого тела Т и жидкости Ж; GЖГ – то же на границе жидкости

Ж и газа Г; GТГ – то же на границе твердого тела Т и газа Г; – краевой угол смачивания; к – точка контакта всех трех фаз (твердой, жидкой и газообразной)

8.2.3.Качество смачивания и величина адгезии определяются взаимодействием жидкой, твердой и газообразной фаз на поверхностях их раздела. Эти взаимодействия зависят от свойств поверхности раздела фаз, прежде всего поверхностного натяжения на границе фаз.

8.2.4.Рассмотрим условия равновесия трех фаз (твердой, жидкой и газообразной), каждая из которых взаимодействует с двумя остальными (рис. 8.1). Между контактирующими фазами возникают поверхностные натяжения GТЖ , GЖГ , GТГ . Из общей точки контакта трех фаз «к» (см. рис.

8.1) можно провести векторы, касательные к контуру проекции капли, показывающие направление и величину поверхностного натяжения.

55

Уравнение равновесия системы можно получить сложением проекций сил на ось, соответствующую проекции плоской поверхности:

проекция GЖГ на ось X

8.2.5. Как видно из рис. 8.1, по периметру площадки контакта капли жидкости с поверхностью твердого тела действуют три поверхностных натяжения: GТЖ , GЖГ , GТГ . Поверхностные натяжения на границе раздела твердое тело – газ GТГ стремятся увеличить площадь контакта жидкости с твердой поверхностью и способствуют растеканию капли. Поверхностное натяжение GЖГ препятствует растеканию капли и стремится сократить площадь контакта капли с поверхностью твердого тела. Поверхностное натяжение на границе жидкости с газом GЖГ стремится уменьшить поверхность капли. Оно направлено под углом к поверхности твердого тела.

8.2.6. Уравнение равновесия капли (8.2) и вытекающее из него выражение (8.3) были сформулированы Юнгом более 130 лет тому назад. Уравнения Юнга описывают фундаментальные закономерности, связывающие важнейшие термодинамические характеристики: поверхностные натяжения контактирующих фаз GТЖ , GЖГ , GТГ – с углом смачивания . Угол является одной из основных характеристик смачивания.

8.2.7. Понятие о краевом угле смачивания появилось в связи с рассмотрением проекции капли жидкости на плоской поверхности, при этом было отмечено, что форма этой капли зависит от качества смачивания жидкостью данной поверхности. Оказалось удобным и возможным измерить угол между касательной к контуру капли из точки на периметре площади контакта капли с пластиной (рис. 8.2).

Краевой угол является мерой смачивания жидкостью поверхности твердого тела или другой жидкости. Если = 180°, то твердая поверхность совершенно не смачивается жидкостью. Если жидкость представлена водой, то такую поверхность называют гидрофобной. Если же жидкость представлена жирами, например жидким растительным маслом, то такую поверхность называют лиофобной (рис. 8.2, а). При 180° > > 90° наблюдается слабое смачивание (рис. 8.2, б), при = 90° – заметное смачивание без растекания (рис. 8.2, в), при < 90° – хорошее смачивание с

56

растеканием капли по твердой поверхности, которую в этом случае называют гидрофильной или лиофильной (рис. 8.2, г), причем чем больше растекается капля, тем сильнее выражены гидро- и лиофильность.

Краевой угол не стоит принимать как единственный и достоверный показатель адгезии и смачивания, так как на его измеренное значение оказывает влияние множество факторов, например, температура, наличие примесей, чистота и неровность поверхности, способ нанесения капли и др. Однако у него есть главное преимущество – сравнительная простота определения, что делает такое измерение доступным и легко реализуемым.

57

Рис. 8.2. Схемы характеристик проекций капли жидкости на твердой плоской поверхности: а – полное отсутствие смачивания; б – очень слабое смачивание; в – заметное смачивание; г – хорошее смачивание с

растеканием капли

8.3. Рабочие гипотезы (выбрать соответствующие эксперименту)

8.3.1.Добавление анионактивной добавки к битуму улучшает смачивание им сухой и чистой поверхности стеклянной пластинки, но не улучшает смачивание им влажной поверхности этой пластинки.

8.3.2.Добавление катионактивной добавки к битуму улучшает смачивание сухой и влажной поверхности стеклянной пластинки, что сопровождается уменьшением угла смачивания.

8.3.3.Наилучшее смачивание соответствует некоторому оптимальному содержанию данного ПАВ, выше которого улучшение смачивания не наблюдается.

8.3.4.Композиция битум + ПАВ, обеспечивающая хорошее смачивание, гарантирует высокую адгезию композиции на поверхности зерен каменного материала (щебня кислых и карбонатных пород, песка кварцевого вольского).

Возможны и другие варианты рабочих гипотез, зависящие от цели и характера эксперимента. Следует помнить, что улучшению смачивания соответствует уменьшение угла смачивания .

8.4.Используемые материалы и реактивы

1.Стеклянные пластинки размером 25 60 мм – 20 шт.

2.Битум нефтяной дорожный вязкий марки БН или БНД 60/90 – 500 г.

3.Анионактивное ПАВ, например, гудрон, керосиновый контакт (контакт Петрова), каменноугольная смола или деготь – по 30 г.

4.Катионактивные ПАВ, например, «Дорос», БП-3, «Амдор» – по 30 г.

5.Вода дистиллированная – 1000 мл.

8.5.Используемые приборы и оборудование

1. Устройство проекционное на базе любого диапроектора – 1 шт.

58