Лабораторная работа № 5
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (ПАВ)
Общие сведения
Порошки минеральных вяжущих веществ при затворении водой образуют вязко-пластичное тесто, благодаря свойствам которого бетонные и растворные смеси обладают необходимой связностью, однородностью и формуемостью. При рассмотрении пластичности и вязкости смесей особое внимание уделяется поверхностным явлениям, возникающим на границе раздела твердой и жидкой фаз. Молекулы поверхностных слоев жидкости или твердого тела отличаются от молекул внутренних слоев тем, что всегда обладают некоторым избытком энергии за счет недостатка молекулярного взаимодействия с отсутствующим слоем молекул. Эта нескомпенсированность молекулярных сил в поверхностных слоях жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимодействия: поверхностное натяжение, смачивание, адсорбцию, капиллярную конденсацию, капиллярное всасывание, испарение, диффузию, адгезию. Эти виды молекулярного воздействия определяют и ряд важнейших физико-химических процессов, сопровождающих твердение вяжущих веществ: растворение, гидратацию, коллоидацию, коагуляцию и кристаллизацию. Поскольку эти явления, в свою очередь, определяют процессы структурообразования искусственного камня, то они будут влиять и на формирование его механических и эксплуатационных характеристик: деформативность, жесткость, прочность, плотность, коррозионную стойкость и долговечность.
Используя эффективные приемы воздействия на поверхностные явления в тесте вяжущего вещества, можно регулировать его пластично-вязкие свойства, кинетику процессов его схватывания и твердения, т.е. должны поддаваться управлению технологические свойства бетонных и растворных смесей и строительно-технические свойства затвердевших бетонов и растворов.
Было установлено, что некоторые вещества при растворении в воде способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и существенно снижать избыточную энергию этой поверхности. Эти вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Поверхностно-активные вещества – органические соединения, в молекулах которых входят одновременно полярная группа (ОН, СООН, Н2 и неполярная углеводородная цепь). Для большинства ПАВ характерно линейное строение молекул, длина которых значительно превышает поперечные размеры, эти молекулы ассиметричны и несбалансированны по энергии. Функциональная полярная группа обладает гидрофильностью, а углеводородный радикал отличается гидрофобностью. Вследствие этого на поверхность твердых частиц вяжущего вещества, гидрофильного по природе, склонны налипать гидрофильные полярные «головки» молекул ПАВ, как бы достраивая отсутствующий слой гидрофильных молекул. Избыток энергии поверхности частиц вяжущего вещества и самих молекул ПАВ при этом значительно уменьшается.
ПАВы делят по механизму их молекулярного действия на гидрофобизирующие, гидрофилизирующие, воздухововлекающие и комплексные.
Гидрофобизирующие ПАВ – это углеводороды, обладающие большой молекулярной массой, типа С2Н2n-1COOH, где n = 12…20 (олеиновая кислота, мылонафт). Гидрофильные части молекул на гидрофильной поверхности зерен вяжущего вещества, а гидрофобные радикалы образуют «частокол» вокруг частиц (рис. 18).
Рис. 18. Схема ориентации молекул гидрофобизирующих ПАВ на зерне вяжущего вещества (А): а) неполярный гидрофобный «слой»; в) полярный гидрофильный «слой»
Такие молекулярные пленки ухудшают смачиваемость частиц водой, что позволяет уменьшить количество воды в смеси при сохранении ее подвижности. При наличии касательных сдвиговых усилий они служат плоскостями скольжения между частицами и пластифицируют смесь. Гидрофобизирующие ПАВ вводят в количестве 0,06…0,40 % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки.
Гидрофилизирующие ПАВ – углеводороды с молекулами небольшой длины и меньшей величиной молекулярной энергии. Представителем этого типа ПАВ являются кальциевые соли лигносульфоновой кислоты, в частности, лигносульфонат кальция технический (ЛСТ). За счет сравнительно малой длины молекул этого типа ПАВ строгой их ориентации в адсорбционных слоях на частицах вяжущего ожидать нельзя. Гидрофильные части молекул могут быть обращены как в сторону твердой фазы, так и в противоположную сторону (рис. 19), и тем самым притягивать подобные им молекулы воды. Таким образом, вокруг зерен вяжущего вещества образуются адсорбционные слои молекул ПАВ и достаточно толстые слои молекул воды, снижающие внутреннее трение в смеси и играющие роль гидродинамической смазки. Вследствие этого смесь пластифицируется и возможно снижение ее водопотребности. Гидрофилизирующие ПАВ вводят в количестве 0,15…0,30 % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки. Они также замедляют схватывание и твердение вяжущих веществ за счет экранирующего эффекта.
Рис. 19. Схема ориентации молекул гидрофилизирующих ПАВ (а)
на зерне вяжущего вещества (А)
Воздухововлекающие ПАВ – углеводороды, уменьшающие силы поверхностного натяжения воды, что способствует вовлечению пузырьков воздуха при перемешивании смеси (натриевая соль абиетиновой кислоты – смола нейтрализованная воздухововлекающая). Вовлеченный в смесь воздух (6…10 % от общего объема смеси) увеличивает ее объем, повышает пластичность.
Многие ПАВ хорошо растворимы в воде и поэтому их используют в виде водных растворов известной концентрации. Количество раствора добавки при этом определяют по формуле
Vр-ра = mв ∙ D / C ∙ ρ,
где Vр-ра – объем водного раствора добавки, м3; mв – масса вяжущего вещества в смеси, кг; D – дозировка добавки, % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки; С – концентрация водного раствора ПАВ,%; ρ – плотность водного раствора добавки ПАВ, кг/м3.
Используя ПАВ в технологии вяжущих веществ, бетонов и растворов, удается уменьшить потерю активности вяжущего вещества при длительном хранении, замедлить процессы его схватывания и твердения, снизить водопотребность и повысить подвижность растворных и бетонных смесей, уменьшить их расслаивание и водоотделение. Кроме того, ПАВ позволяют повысить плотность, морозостойкость, коррозионную стойкость, а в ряде случаев и прочность камня, а также снизить расход вяжущего вещества. Поэтому выбор конкретного вида ПАВ, ее количество и эффект действия должны быть тщательно изучены и обоснованы.
Цель работы
Изучить механизм действия добавок ПАВ и исследовать их влияние на некоторые свойства минеральных вяжущих веществ.
Порядок выполнения работы
Подгруппе студентов предлагается провести следующие испытания:
− изучить возможность получения гидрофобного цемента с подбором оптимальной дозировки гидрофобизирующего ПАВ;
− изучить возможность регулирования пластично-вязких свойств и сроков схватывания гипсового теста гидрофилизирующей ПАВ.
При изучении гидрофобизации порошка цемента 1 звено студентов работает с обычным портландцементом, а 2, 3 и 4 звенья студентов – с портландцементом, содержащим соответственно 0,05; 0,10; и 0,15 % добавки олеиновой кислоты в расчете на сухое вещество добавки от массы цемента.
При изучении влияния пластифицирующей добавки на свойства гипсового теста 1 звено студентов подбирает нормальную густоту теста без добавки и устанавливает на нем сроки схватывания гипса.
2, 3 и 4 звенья студентов оценивают текучесть гипсового теста, подбирают его нормальную густоту (НГ) и устанавливают сроки схватывания гипсового теста, содержащего соответственно 0,10; 0,15 и 0,25 %.
Методы испытаний
1. Гидрофобизация цемента
Для обеспечения указанных выше дозировок добавки берут различное количество портландцемента и добавляют в него одну каплю олеиновой кислоты, масса которой 0,03 г. Для дозировки 0,05 % необходимо добавить одну каплю к 60 г, для 0,10 % – к 30 г, а для 0,15 % – к 20 г цемента.
К портландцементу добавляют соответствующее количество ПАВ и тщательно растирают смесь в фарфоровой ступке в течение 7…10 мин.
Для опыта берут 10 г приготовленного цемента, разравнивают его на сухой горизонтальной поверхности и на этот слой наносят пипеткой несколько капель воды. Наблюдая за состоянием капель, фиксируют время от момента нанесения капли до полного ее впитывания в слой цемента. На гидрофобном цементе вода должна оставаться в виде свободно перемещающихся капель не менее 5 мин.
По результатам этого испытания строят график зависимости времени впитывания воды цементом от количества введенной гидрофобной добавки и устанавливают оптимальную дозировку добавки для придания цементу гидрофобных свойств.
2. Оценка влияния гидрофилизирующей ПАВ на свойства гипсового теста
Сначала определяется НГ гипсового теста без добавки (работа № 4). Затем в тесто нормальной густоты вводят добавку-пластификатор в указанных выше дозах в виде водного раствора известной концентрации, который предварительно смешивают с водой затворения. При этом следует учитывать воду, вносимую в тесто с раствором добавки, уменьшая соответственно дозировку воды, обеспечивающую нормальную густоту теста так, чтобы общее количество воды в тесте оставалось неизменным.
Контрольный пример
Для затворения гипсового вяжущего вещества массой 300 г используют водный раствор ПАВ концентрацией 10 % с плотностью 1,043 г/см3. Определяется количество раствора добавки для обеспечения заданной дозировки 0,20 % в расчете на сухое вещество добавки от массы вяжущего вещества и количество воды затворения, если для теста из данного гипса установлена нормальная густота, равная 46 %.
Объем раствора добавки, рассчитанной по формуле, приведенной на с.65, будет равен 5,75 см3.
Количество воды затворения рассчитывается по формуле:
Взатв = ВНГ – Vр-ра ∙ ρ (1 – 0,01С),
где Взатв – количество воды затворения, г; ВНГ – количество воды, требуемое для получения гипсового теста нормальной густоты, г; Vр-ра – объем водного раствора добавки, см3; ρ – плотность водного раствора ПАВ, г/см3; С – концентрация раствора добавки, %.
Подставляя известные величины в формулу, получим
Взатв = 0,46 ∙ 300 – 5,75 ∙ 1,043 ∙ (1 – 0,1∙10) = 132,6 г.
Изучение возможности уменьшения количества воды затворения в смеси стандартной консистенции выполняют, подбирая нормальную густоту с каждой из вышеуказанных доз добавки-пластификатора.
По результатам испытаний строят график зависимости текучести и нормальной густоты гипсового теста от количества вводимой добавки.
3. Оценка влияния ПАВ на сроки схватывания гипса
Сначала для сравнительного анализа устанавливают сроки схватывания гипса на тесте нормальной густоты без добавки. Затем определяют сроки схватывания на гипсовом тесте нормальной густоты, содержащем различные количества добавки-пластификатора, которое подобрано в п. 2.
По результатам этих испытаний строят графики зависимости сроков схватывания гипсового теста от количества вводимой добавки.
По результатам лабораторной работы в целом делаются заключение об оптимальной дозировке ПАВ для получения гидрофобного цемента, для пластификации и замедления сроков схватывания вяжущих веществ. Составляются рекомендации по регулированию свойств вяжущих веществ с помощью ПАВ.
Контрольные вопросы
1. Какие вещества называются поверхностно-активными?
1. Вещества, которые вступают в активное химическое взаимодействие с поверхностью других веществ.
2. Вещества, оказывающие каталитическое воздействие на химические процессы, происходящие на границе раздела двух фаз.
3. Вещества, которые адсорбируясь на поверхности раздела фаз, существенно понижают избыточную энергию этой поверхности.
4. Вещества, которые адсорбируясь на поверхности раздела фаз, существенно увеличивают избыточную энергию этой поверхности.
2. Что представляют собой ПАВы к вяжущим веществам?
1. Минеральные тонкодисперсные порошки, способствующие пластификации растворных и бетонных смесей.
2. Углеводороды с дифильными молекулами, имеющие гидрофильную полярную группу и гидрофобный углеводородный радикал.
3. Растворы электролитов, ускоряющие или замедляющие твердение вяжущих веществ.
4. Щелочные (сульфатные) активизаторы гидравлической активности вяжущих веществ.
3. Какие ПАВы обеспечивают сохранение активности вяжущих веществ при длительном хранении?
1. Гидрофильного типа. 2. Воздухововлекающие.
3. Замедлители схватывания и твердения. 4. Гидрофобного действия.
4. На чем основан эффект пластификации растворных и бетонных смесей добавкой ЛСТ?
1. Молекулы ЛСТ адсорбируются на зернах вяжущего вещества и улучшают смачиваемость их поверхности, что приводит к увеличению дозировки воды при затворении и повышает пластичность смеси.
2. Молекулы ЛСТ адсорбируются на зернах вяжущего вещества и удерживают около их поверхности слои молекул воды, которые проявляют «смазочный» эффект, уменьшают трение между частичками и повышают пластичность смеси.
3. Молекулы ЛСТ снижают вязкость и поверхностное натяжение воды, способствуют воздухововлечению, что пластифицирует смесь.
4. Молекулы воды равномерно распределены в объеме воды затворения и снижают ее вязкость, что пластифицирует смесь.
5. Какими способами лучше вводить добавки ПАВ в бетонные смеси?
1. При помоле вяжущих веществ или в виде водного раствора совместно с водой затворения.
2. В момент укладки и уплотнения бетонной смеси.
3. В сухом виде при перемешивании бетонных смесей.
4. Совместно с мелким заполнителем, предварительно обработанным раствором добавки.
6. Какое количество олеиновой кислоты следует считать оптимальным для надежной гидрофобизации цемента?
1. Такое количество, при котором отдельные молекулы этой добавки адсорбированы частицами цемента и отталкивают от них молекулы воды.
2. Такое количество, при котором создаются плотные мономолекулярные слои этой добавки на поверхности частиц цемента, гидрофобизирующие цемент.
3. Такое количество, при котором молекулы этой добавки покрывают частицы цемента в несколько слоев и обеспечивают его гидрофобизацию.
4. Такое количество, при котором невозможна гидратация цемента при затворении его водой.
7. Следует ли учитывать воду, в которой растворен ЛСТ, при подсчете нормальной густоты пластифицированного гипсового теста?
1. Следует, вычитая ее количество из общего объема воды затворения.
2. Следует, добавляя ее количество к общему объему воды затворения.
3. Не следует, так как добавка пластифицирует тесто и изменяет его нормальную густоту.
4. Не следует, так как нормальная густота гипсового теста устанавливается без учета добавки.
8. Как влияет присутствие молекул гидрофильной добавки на сроки схватывания вяжущих?
1. Увеличивают Нсхв и сокращают Ксхв теста.
2. Ускоряют сроки схватывания и твердения.
3. Замедляют сроки схватывания и твердения.
4. Присутствие молекул гидрофильной добавки не влияет на сроки схватывания вяжущих веществ.