Зверев В. М. ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫ1Х ЯВЛЕНИЙ В

СТРОИТЕЛЬСТВО
В.М. ЗВЕРЕВ
ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
В УЧЕБНОМ КУРСЕ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Рассматривается содержание и методика изложения темы: «Поверхностные явления в материалах» в
учебном курсе строительного материаловедения.
Особая роль поверхностных явлений в материалах обусловлена тем, что взаимодействие материала с окружающей средой происходит через поверхность. Почти все
строительные материалы в той или иной степени пористы, т. е. имеют фактическую,
«внутреннюю» поверхность больше наружной (визуально наблюдаемой). Вяжущие материалы дисперсны, т. е. имеют повышенную удельную поверхность ввиду малых размеров частиц.
Понятие об удельной поверхности пористого или дисперсного материала обычно
приводится в существующих учебниках, однако, применение этого понятия ограничивается указанием на зависимость скорости твердения цемента от удельной поверхности.
Явления, обусловленные наличием свободной поверхностной энергии, рассматриваются
фрагментарно или не рассматриваются совсем. Авторы учебников обычно не объясняют
физико-химическую сущность поверхностных явлений, полагая, что студенты знакомы с
физической химией.
При подготовке бакалавров по направлению 270800 «Строительство» в учебном
плане нашего института по разделу Б–3 предусмотрены вариативные дисциплины строительного материаловедения (профиль «Промышленное и гражданское строительство»),
дорожно-строительных материалов (профиль «Автомобильные дороги и аэродромы»). В
указанные дисциплины мы и включили тему «Поверхностные явления в материалах».
При изложении темы мы стремимся показать значение поверхностных явлений в
материаловедении и технологии строительных материалов, акцентировать внимание студентов на физической сущности и количественном описании процессов, протекающих на
поверхности. При этом обнаруживается необходимость пояснить некоторые неизвестные
студентам понятия физической химии (этого предмета нет в учебном плане направления
270800), а также напомнить известные из физики положения и формулы, имеющие прямое отношение к пониманию роли поверхностных явлений в материалах.
Далее приводятся вопросы темы с некоторыми методическими пояснениями.
1. Удельная поверхность дисперсных и пористых материалов. Термодинамика
поверхностных явлений
В практике материаловедения принято различать дисперсные материалы, состоящие из отдельных микроскопических частиц (например, цемент) и пористые материалы,
имеющие большую величину пористости преимущественно за счёт микро – и ультрамикропор. И те, и другие характеризуют величиной удельной поверхности (Sуд):
S
Sуд  общ ,
(1)
m
где m – масса материала; Sобщ – площадь поверхности всех частиц дисперсного материала
или площадь поверхности стенок пор пористого материала.
Для различных дисперсных и пористых тел величины удельной поверхности
находятся в широких пределах от сотен см2/г (мелкий песок, вяжущие) до сотен м2/г (материалы, используемые специально для адсорбции газов и паров, например, активированный уголь).
Особенности свойств дисперсных и пористых материалов обусловлены повышенной свободной поверхностной энергией (Gп), связанной с поверхностью S (общей или
удельной) соотношением:
G П  П  S ,
(2)
2
где П – свободная энергия единицы поверхности, Дж/м . Эта величина имеет также
другие названия в зависимости от вида границы раздела фаз конкретной системы
(табл. 1).
123
СТРОИТЕЛЬСТВО
Наибольшую свободную поверхностную энергию имеют очень пористые твёрдые
тела (без жидкости в порах), а также тонкодисперсные сухие порошки. Появление жидкости на поверхности твёрдого тела снижает запас его свободной поверхностной энергии.
Величина ТТ не имеет практического значения: она мала, не поддается прямому измерению, вообще трудно создать «чистую» границу между двумя твердыми фазами из-за
образования промежуточных контактных слоёв и пограничных структурных дефектов
всех уровней.
Таблица 1
Название величины свободной энергии единицы поверхности
на границах раздела различных фаз
Вид границы
Название и обозначение величины свободной энергии
раздела фаз
единицы поверхности
Твёрдое – газ
Поверхностное натяжение твердого материала Т
Жидкость – газ
поверхностное натяжение жидкости Ж
Твёрдое – жидкость
Межфазное натяжение на границе материала и жидкости ТЖ
Твёрдое 1 – твёрдое 2 Межфазное натяжение на границе двух твёрдых материалов ТТ
Величины, приведенные в табл.1, можно расположить в следующий ряд:
Т  Ж  ТЖ  ТТ .
Проанализируем формулу (2) и явления, связанные с избытком свободной поверхностной энергии.
Условие G  0 соответствует в термодинамике возможности самопроизвольного
протекания процесса. Для свободной поверхностной энергии GП это условие реализуется
в двух вариантах:
1) при S  constП  0 или 2) при П  constS  0 .
Первый вариант означает, что при постоянной поверхности самопроизвольный
процесс может быть осуществлен путём уменьшения величины П , например, в случае
межфазной границы твёрдое тело – газ путём снижения поверхностного натяжения материала. Очевидно, что для каждого твёрдого материала поверхностное натяжение является
характеристикой его природы, прежде всего, – химического состава. Уменьшить эту величину можно только, изменив состав, если не всего материала, то его поверхностного
слоя. Известен самопроизвольный процесс изменения состава поверхностного слоя – это
адсорбция.
Другими словами, дисперсная система с постоянной поверхностью, т. е. пористое
тело, приближается к равновесию, уменьшает самопроизвольно поверхностную энергию,
адсорбируя на стенках пор вещества из окружающей среды. Использование адсорбции и
близких к ней процессов широко используется в технологии строительных материалов и
будет рассмотрено в теме далее. Второй из приведенных выше вариантов самопроизвольного процесса означает, что при постоянном поверхностном натяжении (при отсутствии
адсорбции) свободная поверхностная энергия уменьшается при сокращении поверхности.
Такое может быть для дисперсного материала. Явление заключается в самопроизвольном
слипании частиц материала между собой и называется коагуляцией. Например, при хранении цемент слеживается. Рассев слежавшегося цемента показывает, что в нём увеличилась
доля более крупных частиц, потому что мелкие слиплись между собой.
Для дисперсного (сыпучего) материала, в отличие от пористого, возможны, конечно, оба процесса одновременно – адсорбция веществ на частицах и слипание частиц.
Эту возможность практически используют, например, для уменьшения слеживания цементов путем добавления к ним легко и прочно адсорбирующихся на поверхности частиц
веществ, называемых поверхностно активными.
Формула (2) отражает связь свойств материала с его составом и структурой. Параметр  П зависит от природы, и, следовательно, от состава материала, поверхность
S – структурная характеристика. Обе эти величины определяют энергию Gп, т. е. многие
свойства материала.
124
СТРОИТЕЛЬСТВО
Конечно, поверхностная энергия определяет свойства поверхности. Но материал
взаимодействует с окружающей средой через поверхность. Поэтому поверхностные
свойства как проявление этого взаимодействия и есть свойства материала.
Мы считаем методически правильным сразу же связать удельную поверхность
материала с поверхностной свободной энергией Гиббса и показать, что поверхностные
явления суть самопроизвольные термодинамические процессы, поэтому приведённая
выше разработка изложена достаточно подробно.
Далее можно напомнить студентам силовую трактовку поверхностного натяжения,
обычно используемую в физике и поэтому хорошо им знакомую еще со школы. Поскольку
1 Дж/м2 = 1 Н/м, поверхностное и межфазное натяжение можно представлять в виде силы,
приложенной к единице длины поверхностного слоя, и изображать в виде вектора.
Ряд поверхностных явлений в материалах можно представить более наглядно,
изображая поверхностное натяжение вектором, особенно это касается явлений, обусловленных природой поверхности материала.
2. Смачивание материалов водой. Гидрофильность и гидрофобность
Изложение вопросов смачивания здесь подробно не приводится: оно не отличается от того, которое известно студентам из физики. Необходимо напомнить понятие краевого угла смачивания и различные случаи смачивания и несмачивания. Из классической
картины – капля жидкости на поверхности твёрдого тела – можно получить выражение
для косинуса краевого угла (пригодится при рассмотрении адгезии):
  ТЖ
cos   Т
(3)
Ж
Лишь базируясь на понятиях смачивания и несмачивания, краевого угла, можно
говорить о гидрофильности и гидрофобности материала. Смачивание – первая стадия
взаимодействия любого строительного материала, прежде всего, с водой, главной жидкостью, с которой контактирует материал в процессе эксплуатации.
Гидрофильность или гидрофобность материала влияет на многие другие его свойства: водопоглощение, водопроницаемость, гигроскопичность, сцепление с другими материалами. Придание поверхности материала гидрофильных или гидрофобных свойств
называют соответственно гидрофилизацией или гидрофобизацией.
В заключение этого вопроса приводятся примеры гидрофильных и гидрофобных
материалов, гидрофилизации и гидрофобизации в технологии получения и применения
строительных материалов.
3. Капиллярные явления
Капиллярные явления рассматриваются в учебниках строительных материалов
несколько односторонне – как капиллярное всасывание, т. е. подъём жидкости (воды) по
капиллярам материала. Приводится известная формула Жюрена (высота капиллярного
подъёма) и классическое проявление капиллярного всасывания – подъём воды из грунта
по фундаменту и стенам, чему должна препятствовать вертикальная и горизонтальная
гидроизоляция. В связи с технологиями гидрофобизации материалов, например, восстановления гидроизоляции путём гидрофобизации материала фундамента, целесообразно
напомнить также, что к капиллярным явлениям, наряду с капиллярным подъёмом, относится также и капиллярное опускание – понижение уровня жидкости в капиллярах материала, пропитанного гидрофобным (водоотталкивающим) составом.
Количественно явление капиллярного опускания можно характеризовать той же
формулой Жюрена:
2 cos 
,
(4)
h Ж
rg
где величина h будет отрицательной, потому что отрицателен косинус краевого угла смачивания.
4. Адгезия
Вопрос о сцеплении (адгезии) различных частей материала – один из важнейших в
материаловедении. Адгезия покрытия к основе, адгезия между битумом и минеральной
частью в асфальтобетоне, адгезия между старым и новым слоем материалов при ремонте –
125
СТРОИТЕЛЬСТВО
все эти вопросы постоянно находятся в центре внимания строителей и технологов по материалам. Между тем, вопросы адгезии в учебниках рассматриваются лишь на уровне «хорошая – плохая адгезия», «улучшается – ухудшается сцепление». В редких случаях упоминается работа адгезии без количественного пояснения.
Формула для работы адгезии легко выводится, если вернуться от силовой интерпретации поверхностных натяжений к их первоначальной энергетической трактовке.
В качестве примера рассмотрим адгезию жидкости к твердому телу, например,
краски или лака к окрашиваемой поверхности, битумного покрытия к бетону, битумного
связующего к щебню в асфальтобетоне и т. п.
При контакте жидкая и твердая фаза имеют общую поверхность S и межфазное
натяжение на границе раздела ТЖ , при разделении фаз появляется две поверхности
площадью S каждая и два поверхностных натяжения Т и Ж . Если S = 1, то работу адгезии (как разность поверхностных энергий) можно выразить следующей формулой:
(5)
А АДГ  Т   Ж  ТЖ .
Чтобы исключить величины Т и ТЖ , не поддающиеся прямому экспериментальному
определению, воспользуемся формулой (3) и получим выражение, называемое уравнением Дюпре:
А АДГ  Ж  1  cos   .
(5.1)
Из формулы (5.1) следует, что адгезия жидкообразного материала к поверхности
твердого тем больше, чем выше значения Ж и cos  . Чем лучше жидкость смачивает
поверхность и чем больше поверхностное натяжение жидкости, тем лучше сцепление её с
поверхностью. Условие смачивания всегда учитывается в технологии лакокрасочных покрытий, где перед окраской применяют покрытие поверхности грунтовкой, имеющее целью улучшить смачивание её краской.
При полном несмачивании  cos   1 A адг  0 ; при полном смачивании  cos   1
получается максимальное значение работы адгезии A адг.max  2 Ж .
5. Сорбционные явления
Сорбция – общее название процессов поглощения веществ из газовой или жидкой
фазы твердыми материалами.
Сорбционные процессы подразделяют на следующие виды:
а) адсорбция – поглощение веществ на поверхности материала (в том числе на поверхности стенок пор), обусловленное действием физических сил межмолекулярного
притяжения (вандерваальсовых сил);
б) капиллярная конденсация – конденсация паров в ультрамикропорах материалов;
в) абсорбция – поглощение веществ в объёме (не в порах, а в кристаллической
решетке) твёрдого материала; чаще абсорбцией называют поглощение газов и паров жидкостями;
г) хемосорбция – поглощение веществ на поверхности, обусловленное химическим взаимодействием, образованием химических связей между поверхностью и поглощаемым веществом; если химический процесс не идет вглубь, не образуется слой продуктов реакции, а лишь мономолекулярная пленка, как, например, при окислении алюминия кислородом воздуха, то предпочтителен термин «химическая адсорбция».
Процессы абсорбции и хемосорбции не представляют практического интереса в
строительном материаловедении.
Наиболее универсальным, происходящим везде и всегда при контакте газов, паров, растворённых веществ с твёрдым материалом является процесс адсорбции. Адсорбция с позиций термодинамики рассмотрена в начале темы. С физической стороны адсорбция объясняется тем, что поверхностные молекулы, атомы или ионы твердого тела
имеют нескомпенсированное поле сил межмолекулярного притяжения и поэтому притягивают к себе молекулы из газовой фазы или раствора. При этом предпочтительно адсорбируются молекулы с большей молекулярной массой по сравнению с низкомолекулярными веществами, а также адсорбция паров превалирует над адсорбцией газов.
В данной теме можно рассматривать два типа сорбционных процессов по виду
адсорбируемых веществ. Прежде всего, это сорбция воды из воздуха. Ею обусловлено
126
СТРОИТЕЛЬСТВО
свойство материалов, называемое гигроскопичностью. Это не просто одно из гидрофизических свойств. С гигроскопичностью связана постоянная влажность материала, влияющая на его прочность и коррозию [1]. Поэтому здесь целесообразно рассмотреть изотермы сорбции воды на трех видах материалов [2]: гидрофильном непористом (или пористом, но при отсутствии пор коллоидных размеров), гидрофильном ультрамикропористом (имеющем заметный объём пор размером менее 1 мкм) и гидрофобном. При этом на
второй из перечисленных изотерм надо указать область капиллярной конденсации и объяснить это явление.
Второй тип сорбционных процессов, имеющий огромное значение в строительном материаловедении и технологии строительных материалов, – это адсорбция поверхностно – активных веществ (ПАВ). Мы приняли изучение этого вопроса по следующему
плану: 1) пример, когда незначительная добавка ПАВ основательно изменяет свойства
материала; 2) объяснение, почему это происходит (строение молекул ПАВ и их ориентация на границе раздела фаз с образованием мономолекулярного слоя – на классическом
примере «частокола Лэнгмюра»); 3) объяснение действия ПАВ в различных материалах и
процессах (образование и устойчивость пен, стабилизация битумных эмульсий, вододисперсионных красок, гидрофобизация материалов, пластификация цементных систем и
др.); 4) примеры ПАВ, широко используемых строителями. При этом для студентовдорожников необходимо ввести понятие катионоактивных и анионоактивных ПАВ в связи с адгезией битума к основным и кислым породам (в асфальтобетоне).
Введение данной темы в курс строительного материаловедения способствует
фундаментализации знаний будущих бакалавров (они по определению являются специалистами с законченным высшим образованием), углубляет их знания о материалах, полученных в базовом курсе, связывает фундаментальные понятия физики, химии и физической химии с практикой применения строительных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зверев В.М. Физико-химические представления о прочности и разрушении материалов в учебном курсе
строительного материаловедения./ Труды Псковского политехнического института. – Псков : Издательство
ППИ, 2011. – № 14.2. – С. 113–116.
2. Андреев В.Н., Зверев В.М., Мельков Б.Н. Материаловедение: учебное пособие. – СПб. : Изд-во СПБ ГТУ,
2004. – 179 с.
К.Ю. ПРОКОФЬЕВ
АНАЛИЗ РЫНКА ЖИЛИЩНЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ УСЛУГ
Г. ПСКОВА
Проведён анализ рынка жилищных и коммунальных услуг г. Пскова. Выявлено состояние рынка
услуг по управлению многоквартирными домами.
Понятие жилищно-коммунальных услуг было впервые сформулировано в ГОСТ
516117-2000 как « действия или деятельность исполнителя по поддержанию и восстановлению надлежащего технического состояния зданий, сооружений, оборудования, коммуникаций и объектов жилищно-коммунального назначения, вывозу бытовых отходов и
подаче потребителям электрической энергии, питьевой воды, газа, тепловой энергии и
горячей воды» [2].
Жилищная проблема является одной из сложнейших, её решение и формирование
рынка жилья имеют ключевое значение в развитии экономики и успехе рыночных реформ.
Проинвентаризированный жилищный фонд г. Пскова на 1 января 2010 года составил 4664,4 тыс. кв.м. общей площади, в том числе в многоквартирных домах –
4084,7 тыс. кв. метров общей площади. На рис. 1 представлена динамика ввода в действие жилых домов на 1 января 2010 года.
127