Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
Эластичные гели (студни) характерны в основном для высокомолекулярных полимеров. Такие гели поглощают не все смачивающие их жидкости, а только те, которые имеют химическое сходство по составу. Поглощение жидкости эластичным гелем сопровождается увеличением объема — набуханием.
Дисперсным системам с коагуляционными структурами свойственно явление синерезиса — самопроизвольного уменьшения объема геля с выделением из него дисперсионной среды, находящейся в геле.
Процессы набухания, растворения, гелеобразования и высушивания определяются природой вещества и могут происходить многократно или только один раз. Например, при прибавлении к разбавленному водному раствору силиката натрия соляной кислоты образуется коллоидный гель кремниевой кислоты. Высушивание такого геля мало изменяет его объем, так как выделяющаяся вода замещается воздухом. Свойства этого геля с уменьшением содержания воды изменяются постепенно — от пластичного до жесткого.
Гели, из которых удаленная жидкая фаза способна ими вновь поглощаться, называются к с е*р о г е л я м и. Например, продукты гидратации цемента, формирующиеся в затвердевшем материале, обладают свойствами ксерогелий, которые в результате неоднократного увлажнения и сушки снижают физико-механические свойства, стабилизирующиеся затем через несколько циклов. На свойства затвердевшего цемента при его увлажнении существенное влияние оказывают два фактора: поверхностная энергия коллоидных частиц и расклинивающее давление воды. При относительной влажности ниже 50% основное влияние на свойства цементного камня оказывает поверхностная энергия частичек геля, изменяющаяся вследствие сорбции воды. По мере повышения относительной влажности свыше 50% частички геля отделяются друг от друга тонкой пленкой воды под воздействием расклинивающего давления воды. Это приводит к тому, что при высокой относительной влажности цементный ксерогель обладает меньшей механической прочностью, в сухом состоянии.
Поглощение среды может быть как за счет капиллярного всасьг--вания, так и за счет расширения структуры геля вследствие воз-
16?
никновения расклинивающего давления и заполнения образовавшихся промежутков дисперсионной средой. При этом имеет место набухание ксерогеля, т. е. явление, обратное синерезису,—-процессу самопроизвольного уменьшения размеров геля с одновременным выделением из него дисперсионной среды (интермицеллярной жидкости). Это происходит за счет перегруппировки частиц, обусловленной их тепловым движением, с последующим увеличением контактов между частицами и появлением кристаллизационных мостиков. В конечном итоге такой процесс может привести к формированию монолитного кристалла. Например, в течение геологических эпох в природе идет процесс:
Золь БЮг -*¦ Селикагель ->- Опал-^-Халцедон -»• Кварц
Процессы уплотнения и отделения жидкости наблюдаются также у гелей гидроксидов железа, алюминия, меди и других в результате коагуляционного структурообразования. Следствием синере-зиса являются резкое повышение прочности и потеря тиксотропных свойств. Синерезису способствуют все факторы, вызывающие коагуляцию.
Тиксотропные явления в силикатных системах. Коагуляционные системы >в результате механических воздействий способны к обратимому разрушению и восстановлению структуры. Это явление, называемое тиксотропией, характерно для многих силикатных дисперсных систем. Например, суспензия бентонитовой глины при содержании дисперсной фазы больше 10% полностью утрачивает текучесть, приобретая упругие свойства, а при небольших механических нагрузках (при слабом встряхивании) снова полностью разжижается.
Явление тиксотропии характерно для многих золей. Так, золи Ре203, \\Ю3, У205 при определенных концентрациях коллоидных частиц и электролитов многократно могут переходить в гели.
Образование и разрушение тиксотропных структур широко используют в технологических процессах. В частности, глинистые водные суспензии, обладающие тиксотропными свойствами, широко применяют при бурении нефтяных и газовых скважин. Попадая на стенку скважины, глинистый раствор упрочняется, предотвращая осыпание породы в скважину.
Иногда вовлечение воздуха цементным тестом или раствором приводит к возникновению так называемого ложного схватывания. Этот вид схватывания, тиксотропный по своей природе, обусловлен взаимодействием поверхностных зарядов противоположного знака, возникающих на частицах гидратирующегося цемента.
Ложное схватывание переходит в нормальное при введении добавок, снижающих водопотребность или замедляющих схватывание. Адсорбция таких добавок приводит к возникновению заряда одного и того же знака на всех фазах гидратирующихся частиц цемента. Тиксотропное схватывание предотвращается перемешиванием цементного теста в течение 4... 11 мин.
168
Тиксотропные структуры, формирующиеся при приготовлении и укладке цементных растворов и бетонов, в результате механических воздействий (вторичное перемешивание или вибрирование смеси) переходят в исходное разжиженное, удобоукладываемое состояние.
Обратное тиксотропии явление называется дилатансией. Этот процесс, выражающийся в загустевании вследствие механического воздействия, наблюдается в суспензиях зерен кварца в воде или в концентрированных растворах метасиликата калия при избытке кремниевой кислоты. В результате механического воздействия на высококонцентрированный раствор жидкого стекла происходит резкое его загустевание и переход в твердое состояние. Механизм дилатансии объясняется нарушением непрерывных водных оболочек в результате резкого увеличения напряжения сдвига. При этом в системе появляются воздушные пустоты, способствующие загу-стеванию. Явление дилатансии иногда наблюдается в отливочных глинистых массах.
