Розділ 1. Загальні поняття і визначення фізико-хімічної механіки дисперсних систем

1.1 Предмет фізико-хімічної механіки

Одним із найважливіших завдань сучасного будівельного матеріалознавства є отримання матеріалів із наперед заданими властивостями і структурою, які відповідають умовам їх експлуатації.

Фізико-хімічна механіка є яскравим прикладом створення промислових технологій на основі досягнень хімії, механіки матеріалів, фізико-хімії поверхневих явищ у дисперсних системах. Вона вивчає сукупність фізичних і фізико-хімічних процесів і методи їх реалізації в промисловому виробництві з урахуванням економічної доцільності.

Фізико-хімічна механіка вивчає дво- або багатофазні системи, у яких хоча б одна з фаз перебуває у високодисперсному стані. Властивості таких систем визначаються великою питомою поверхнею і молекулярними силами, нескомпенсованими в поверхневих міжфазних шарах, а також характеристиками і будовою цих шарів.

Народжена часом, ця наука висуває два основні завдання:

1) з’ясування закономірностей і механізму ф/х процесів отримання різного роду твердих тіл, структурованих дисперсій, будівельних і конструкційних матеріалів із заданими властивостями і структурою;

2. встановлення залежностей механічних показників твердих тіл і структурованих рідин від сукупності механічних чинників, температури, складу та їх ф/х взаємодії з довкіллям.

Вирішення першого завдання відкриває нові шляхи в технологіях отримання високоякісних матеріалів: цементів, бетонів, асфальтобетонів, кераміки, композиційних матеріалів тощо.

Рішення другого завдання призводить до повнішого розуміння процесів руйнування твердих тіл та емульсій, підвищення стійкості дисперсій, а також пошуку шляхів механічного оброблення матеріалів.

Відомо, що портландцемент, основний промисловий в’яжучий матеріал, використовується в бетонах приблизно на половину своїх можливостей. Розроблення науково обгрунтованої технології бетону і виробів на його основі дозволить значно покращити використання цементу, підвищити міцність і стійкість готових виробів, зменшити площі перерізу бетонних і з / б елементів тощо.

Використання в технології бетону хімічних добавок класу "суперпластифікатори" дозволяє застосувати для жорстких бетонних сумішей технологію відливання. При цьому, завдяки зменшення водоцементного відношення досягається підвищення міцності і довговічності бетону. Комплексні хімічні добавки, які містять пластифікуючу і протиморозну складові, дають можливість здійснювати бетонування конструкції при температурі до –30 С.

Змішуванням нафтового бітуму з водою при застосуванні поверхнево–активних речовин можна отримати високоефективні матеріали для дорожнього будівництва – бітумні емульсії, які за своїми властивостями у низці технологічних процесів мають перевагу над бітумами.

Закономірності ф/х процесів формування та руйнування будівельних матеріалів, що належать до структурованих систем, в центрі уваги цього курсу.

2. . Загальні поняття про дисперсні системи

Дисперсними (мікрогетерогенними) системами (ДС) називаються системи, що складаються із двох або декількох фаз, одна з яких перебуває у високодисперсному стані.

Дисперсна фаза (ДФ) представлена окремими дрібними частинками, розподіленими в іншій фазі – дисперсному середовищі (ДСер). Кожна частинка ДФ складається із достатньо великої кількості молекул.

Колоїдними (високодисперсними) системами наз. мікрогетерогенні системи з гранично високою дисперсністю, тобто з великою поверхнею поділу. При подрібненні (диспергуванні) ДФ збільшується її дисперсність і внутрішня поверхня поділу між фазами, при цьому, зростає роль граничних шарів і пов’язаних із ними специфічних поверхневих явищ.

Подальше диспергування ДФ, якщо воно можливе, призводить до утворення гомогенної однофазної системи – істинного розчину, у якому вже немає внутрішніх поверхонь поділу.

Дисперсність характеризує питому поверхню ДФ і визначається відношенням:

S₁ = S_1,2 / V_1, см ^–1 (1.1)

де: S_1,2 – поверхня поділу між ДФ (1) і ДСер. (2); V_1, - об’єм ДФ.

Дисперсність також оцінюють величиною, зворотною розміру частинки:

Д=1/а, (м^-1) (1.2)

Рис.1.1. Стан дисперсної системи залежно від розміру частинок дисперсної фази

Різноманітність властивостей ДС обумовлюється:

- хімічним складом окремих компонентів;

- агрегатним станом вихідних продуктів;

- молекулярними силами в поверхневих міжфазних шарах;

- властивостями і будовою цих шарів.

- величиною (дисперсністю) частинок подрібнених речовин;

1.3. Класифікація та властивості дисперсних систем

ДФ	ДСер.	Умовне позначення	Назва системи
Газ		Г/Г	Система неможлива
Рідина	Газ	Р/Г	Аерозоль ( туман, хмари)
Тверде тіло		Т/Г	Аерозоль (дим, порох, порошки)
Газ		Г/Р	Піна, газова емульсія
Рідина	Рідина	Р/Р	Емульсія, мастило, сира нафта
Тверде тіло		Т/Р	Колоїд.розчин, суспензія
Газ		Г/Т	Тверда піна, пористе тіло (пемза)
Рідина	Тверде тіло	Р/Т	Тверда емульсія, грунти
Тверде тіло		Т/Т	Твердий золь, сплав, гірськи породи, бетон