4. Капиллярные и некапиллярные поры. Классификация их по радиусам.

КАПИЛЛЯРНЫЕ ПОРЫ

мелкие поры, небольшие трещины, каналы, полости и другие пустоты, в которых вода и другие жидкости (нефть) могут перемещаться под действием капиллярных сил. Размер пор округлой формы в горных породах условно принимается равным 0,0002 — 1,0 мм, а размер трещин 0,0001 — 0,25 мм. Более мелкие пустоты называются субкапиллярными или суперкапиллярными.

Капиллярные поры

 

На любой стадии гидратации капиллярные поры представляют собой часть общего объема, которая не была заполнена продуктами гидратации. Так как продукты гидратации занимают объем, превышающий более чем в два раза объем первоначальной твердой фазы (т. е. цемента), то по мере гидратации цемента объем капиллярной системы пор уменьшается.

Таким образом, капиллярная пористость цементного камня зависит как от В/Ц смеси, так и от степени гидратации. Скорость твердения цемента сама по себе не имеет значения, но вид цемента влияет на степень гидратации, достигаемую в определенном возрасте. При В/Ц более 0,38 объем геля недостаточен для заполнения всего имеющегося пространства, поэтому некоторый объем капиллярных пор будет оставаться даже после завершения процесса гидратации.

Капиллярные поры невозможно видеть в оптическом микроскопе, но было установлено, что их размер составляет порядка 12,7-10"5 см. Они  различаются  по  форме,

но, как известно из результатов определения проницаемости, образуют взаимосвязанную систему, беспорядочно распределенную по всему цементному камню. Эти взаимосвязанные капиллярные поры главным образом и определяют проницаемость затвердевшего цементного камня и его морозостойкость.

Благодаря наличию некапиллярных пор структурная почва хорошо впитывает влагу, которая по мере движения рассасывается комками; промежутки между комками заполняются воздухом. Воздух содержится и в порах аэрации внутри комков. Потери воды от поверхностного стока незначительны, а наличие некапиллярных пор предохраняет почву от испарения влаги с поверхности. Следовательно, в структурной почве одновременно создаются условия обеспечения растений влагой и воздухом.

Макропоры и капиллярные поры относятся к элементам макроструктуры. Более мелкие поры – к элементам микроструктуры.

Капиллярами принято называть канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Впитывание жидкости происходит, если так называемый капиллярный потенциал в каждой точке соприкосновения жидкости с внутренней поверхностью превышает потенциал поля тяжести.

Капиллярный потенциал зависит от величины поверхностного натяжения, радиуса капилляра, плотности жидкости, краевого угла смачивания жидкости при взаимодействии с данным материалом. Впитывание жидкости происходит, если так называемый капиллярный потенциал φ_к.п в каждой точке соприкосновения жидкости с внутренней поверхностью капилляра превышает потенциал поля тяжести φ_к.п.т Эффект впитывания тем выше, чем больше разность потенциалов, т.е. φ_к.п - φ_к.п.т → ∞.

Под капиллярным потенциалом понимают потенциальную энергию поля капиллярных сил, отнесенную к единице массы жидкости (плотности).

Для цилиндрического капилляра, один конец которого находится в воде, капиллярный потенциал в Н^.м/кг определяют по формуле:

φ_к.п  =(2σ_п.н./ρ_ж).(1/r)

где:  σ_п.н - коэффициент поверхностно натяжения, Н/м;

ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;

 г - радиус кривизны мениска, м.

Потенциал поля тяжести:  

φ_к.п.т = gh

где: g - ускорение свободного падения, м/с;

 h - высота капилляра, м.

При поднятии уровня жидкости в капилляре разность потенциалов уменьшается и при φ_к.п.т = φ_к.п. высота капилляра h — достигает максимума. С учетом краевого угла смачивания максимальная высота капиллярного подъема жидкости в пористом материале может быть вычислена по формуле Жюрена:

h = 2 σ_п.н соs/ ρ_ж г g,

где г — условный радиус капилляра, м.

Средний радиус капилляра, т.е. поры, в которой имеет место капиллярный подсос, для различных материалов неодинаков, так как основные параметры этого процесса значительно различаются.

В стеновых материалах, где основными взаимодействующими фазами являются вода и цементный камень, верхний критический размер пор, впитывающих воду, не превышает 20 мкм, тогда как в огнеупорных материалах, работающих в среде расплавленных шлаков, этот критерий составляет - 25 мкм. В последнем случае химическое взаимодействие жидкой и твердой фаз уменьшает потенциал капиллярного подсоса.

В стеновых материалах с учетом изменения фазового состояния воды макропоры (по А.С. Беркману и И.Г. Мельниковой — свыше 200 мкм) являются резервными, а микропоры (<0,05 мкм) - безопасными. Но, по В.М. Москвину и Г.И. Горчакову, опасный интервал размера пор несколько уже, так как при уменьшении радиуса капилляра вода в нем замерзает при более низкой температуре.

Интересно отметить, что значения нижних критических радиусов капилляров при заполнении водой и силикатными расплавами практически одинаковы и равны примерно 0,1 мкм. Это указывает на близкие значения длин свободного пробега молекулы воды при тем температуре 20°С и силикатных расплавов при 1500°С.

Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что основная  проблема оптимизации пористой структуры материалов, в частности повышения морозостойкости для гидратационных и эксплуатационной стойкости обжиговых систем, связана с уменьшением интервала между верхним и нижним критическими радиусами капилляров. А как это осуществить? Есть два возможных варианта:

- исключение из структуры опасного интервала капиллярных пор путем создания преимущественно крупнопористой или мелко пористой структуры;

- уменьшение капиллярного потенциала системы при неизменных пористости и размерах радиусах капилляров.

Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что при уменьшении радиуса пор ниже критического значения (< 0,5 мкм) исчезает капиллярный подсос, однако жидкость все же заполняет даже мельчайшие поры за счет конденсации паров на их стенки с последующим переходом пленок в столбик жидкости. Такое свойство заполнения пор жидкостью называют гигроскопичностью структуры.