Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Эффективность торкрет-бетона и способы повышения его плотности и прочности 8
1.1. Применение торкрет-бетона для повышения долговечности строительных сооружений 8
1.2. Влияние состава и технологии нанесения на технологические и конструктивные показатели торкрет-бетона. 16
1.3. Модифицирование торкрет-бетона химическими добавками 23
1.4. Цель работы и задачи исследований ..30
ГЛАВА 2. Характеристика исходных материалов. методика проведения исследований, приборы и устройства .31
2.1. Характеристика исходных материалов 31
2.2 Методика формования опытных образцов торкрет-бетона, новые приборы и устройства для физико-механических испытаний 37
ГЛАВА 3. Разработка новой торкрет-установки и приборов для технологического контроля процесса торкретирования 47
3.1 Особенности технологии нанесения торкрет-бетона и используемое оборудование 47
3.2. Разработка торкрет-установки для приготовления и загрузки торкрет-бетонной смеси 57
3.3. Разработка приборов и устройств для контроля технологических параметров нанесения торкрет-бетона 60
ГЛАВА 4. Получение водных эмульсий низкомолекулярного полиэтилена и оценка их свойств 69
4.1. Физико-химические основы получения водных эмульсий неполярных органических веществ 69
4.2. Технологические основы приготовления водных эмульсий низкомолекулярного полиэтилена 78
4.3. Опыт промышленного производства водной эмульсии НМПЭ 89
ГЛАВА 5. Технологические свойства торкрет-бетонных смесей, модифицированных эмульсиями НМПЭ, и физико-механические показатели бетона 92
5.1 Влияние водной эмульсии НМПЭ на физико-механические и эксплуатационные показатели цементо-песчаного раствора для гидроизоляции 92
5.2. Влияние рецептурных и технологических факторов на величину отскока бетонной смеси и прочность торкрет-бетона 96
5.3. Прочность сцепления торкрет-бетона с основанием 107
5.4. Физико-технические показатели торкрет-бетона с добавкой НМПЭ 109
5.5. Физико-механические свойства торкрет-бетона с противоморозными добавками 115
ГЛАВА 6. Практические аспекты использования виброэжекционной установки и модифицированного торкрет-бетона 121
6.1. Принципиальная технологическая схема получения торкрет-бетона121
6.2. Меры безопасности при проведении торкрет-работ 128
6.3. Опыт промышленных испытаний виброэжекционной торкрет-установки и модифицированного торкрет-бетона 129
Общие выводы 131
Литература 134
Приложение 145
- Применение торкрет-бетона для повышения долговечности строительных сооружений
- Методика формования опытных образцов торкрет-бетона, новые приборы и устройства для физико-механических испытаний
- Особенности технологии нанесения торкрет-бетона и используемое оборудование
- Физико-химические основы получения водных эмульсий неполярных органических веществ
Введение к работе
Одним из прогрессивных способов выполнения бетонных работ в строительстве является метод торкретирования, получивший широкое распространение в нашей стране и за рубежом с начала 60-х годов. Торкретирование целесообразно в тех случаях, когда необходимо бетонировать строительные конструкции сложной конфигурации и незначительной толщины, при возведении которых возникают трудности, связанные с уплотнением бетонных смесей вибраторами и требуются значительные затраты на изготовление опалубки, а также в тех случаях, когда к бетону предъявляются повышенные требования по водонепроницаемости и морозостойкости. В ряде случаев применение этого метода позволяет упростить транспортирование бетонной смеси к месту укладки.
Особенно эффективно применение торкрет-бетона при сооружении пространственных конструкций покрытий зданий (куполов, оболочек), резервуаров различного типа и назначения, плавательных бассейнов, элементов наружных трехслойных конструкций жилых и производственных зданий с эффективным утеплителем, в качестве облицовки небольших водопропускных сооружений, поверхностей тоннелей и т.д.
Большая заслуга в развитии и внедрении этого прогрессивного способа бетонирования в отечественное подземное строительство принадлежит В.М. Мосткову [74], труды и исследования которого явились тем фундаментом, на котором успешно развиваются дальнейшие научные исследования по технологии, конструированию и расчету набрызг-бетонных конструкций.
Значительный вклад во внедрение набрызг-бетона в практику строительства внесли работы отечественных ученых С.А. Атманских, И.Л. Воллера, Б.Г. Грязнова, Д.М. Голицинского, М.В. Тушинского, М.Г. Дюженко, М.И. Карамышева, А.Р. Машина, В.А.Москвина [2-5,16,33-36,57,69]. Необходимо отметить и работы зарубежных специалистов: Л. Рабцеви-ча, Э. Роттера, Р. Линдера, Ф. Пахера, Л. Мюллера, И.Вебера, Т. Райани, А. Манфреда и др. [96,97,101].
С каждым годом растет число повреждений железобетонных конструкций от коррозии, вызванных различными причинами — химической агресси- , ей, некачественным выполнением работ, повреждениями от стихийных бедствий и механических воздействий и пр. Применение торкретирования для ремонта и усиления поврежденных конструкций является наиболее эффективным и, нередко, единственно возможным способом.
Однако нет предела техническому совершенству материалов и процессов, и торкретирование не является исключением. Речь идет как об улучшении технологических и эксплуатационно-технических свойств торкретбетона, так и об установках для его нанесения, основанных на новых физических принципах работы. Безусловно, всегда остается актуальным вопрос контроля технологического процесса с помощью надежных и одновременно простых приборов и устройств. Именно, с целью совершенствования технологии нанесения бетонных смесей способом торкретирования выполнялась данная работа в стенах Казанской государственной архитектурно-строительной академии. Основными задачами ее явились: разработка торкрет-установки, работающей на принципе одновременной эжекции и вибрации, модифицирование торкрет-бетонной смеси водной эмульсией низкомолекулярного полиэтилена (НМПЭ), являющегося отходом производства полиэтилена (в частности, в ОАО «Казанский Оргсинтез»), разработка комплекта приборов и устройств для оперативного контроля технологического процесса нанесения новых составов торкрет-бетона.
Научная новизна
— обоснована и реализована возможность получения стабильных водных эмульсий НМПЭ с помощью анионактивных ПАВ как эмульгаторов; — установлены экспериментальные зависимости физико-механических показателей бетона в покрытии (прочности на сжатие и сцепления с поверхностью) от скорости движения и силы удара струи бетонной смеси о поверхность конструкций. Выявлены математические зависимости времени работы торкрет-установки для нанесения заданной толщины-покрытия за один проход;
— выявлены закономерности модификации цементных торкрет-бетонов водными эмульсиями НМПЭ, проявляющиеся в повышении плотности, структурной однородности, водонепроницаемости и долговечности бетона при оптимальных концентрациях добавок.
Практическая значимость
— подобраны типы ПАВ-эмульгаторов и режимы приготовления прямых концентрированных водных эмульсий НМПЭ-2 и смеси НМПЭ-2 и НМПЭ-3; определены оптимальные составы и основные технологические характеристики эмульсий: однородность, вязкость, устойчивость при хранении и транспортировке;
— разработка, изготовление и внедрение в производство установок для приготовления водных эмульсий НМПЭ;
— разработана, запатентована и изготовлена виброэжекционная установка для подачи и нанесения бетонной смеси. Отличительной особенностью установки является непрерывность работы, простота и надежность конструкции;
— для обеспечения технологического контроля процесса торкретирования разработаны, изготовлены и испытаны простые приборы и устройства для определения: скорости движения струи торкрет-бетона, силы ее удара о твердую поверхность и отскока торкрет-бетона при ударе;
— разработаны простые методы контроля физико-механических свойств отвердевшего торкрет-бетона и его сцепления с поверхностью; — технология, составы торкрет-бетона и виброэжекционная машина успешно прошли опытно-промышленные испытания на объектах г. Казани.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены на 51 Республиканской научной конференции (г. Казань, 2000 г.), шестых и седьмых академических чтениях: Современные проблемы строительного материаловедения (г.Иваново, 2000г. и г.Белгород, 2001г.), на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2001г.) на Всероссийской XXXI научно-технической конференции — Актуальные проблемы современного строительства (г. Пенза, 2001 г.). Материалы диссертации опубликованы в 6 статьях и 6 авторских свидетельствах и патентах РФ.
Автор выражает признательность руководству Казанской государственной архитектурно-строительной академии за представление возможности выполнения данной диссертационной работы, научному руководителю — д.т.н., проф. Хозину В.Г., а также научным консультантам: проф. Пензенской государственной архитектурно-строительной академии Демьяновой B.C. и доценту КазГАСА Азимову Ф.И. за ценные советы и замечания в процессе исследований и обсуждении результатов.
Применение торкрет-бетона для повышения долговечности строительных сооружений
Бетонные и железобетонные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях эксплуатации, требуют высокого качества исходных материалов для приготовления из них удобоукладываемых смесей и подбора соответствующих методов их получения. Под тяжелыми условиями эксплуатации в соответствии со СНиП принято считать, в первую очередь, воздействие агрессивных технологических сред при производстве различных жидких, твердых и газообразных продуктов, сопровождаемого температурными перепадами.
Наиболее распространенными агрессивными к бетону жидкими средами являются вода и растворенные в ней кислоты, щелочи, соли (электролиты). Бетонные и железобетонные конструкции нередко разрушаются не только от воздействия растворов кислот, щелочей и солей высоких концентраций, но и от жидких агрессивных сред невысокой концентрации, например грунтовых вод. Известны случаи разрушения бетона и пресными водами, имеющими в своем составе незначительное количество солей (дождевая, мягкая озерная и речная вода). Вместе с тем имеются многочисленные примеры полной сохранности бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений, которые подвергались действию морской воды. Таким образом, недостаточная стойкость бетона к агрессивным растворам не есть свойство, фатально присущее ему как материалу, а зависит от целого ряда факторов, и, в первую очередь от плотности цементного камня и самого бетона.
Из используемых в настоящее время цементов нельзя назвать такой, который бы не взаимодействовал с агрессивными средами (солевыми, щелочными, кислотными). Зачастую бетон на более стойком цементе корродирует быстрее бетона на менее стойком, если первый обладает большей пористостью, чем второй. Установлено, что при воздействии 10%-ного раствора сернокислого натрия бетон на пуццолановом портландцементе с В/Ц=0,8 корродирует значительно быстрее бетона на портландцементе с В/Ц=0,6. Это объясняется тем, что в плотном бетоне взаимодействие цементного камня с агрессивными растворами происходит только на открытой поверхности, в то время как в пористом бетоне этот процесс распространяется вглубь, вследствие его большей проницаемости. При этом поверхность взаимодействия агрессивной среды с пористым цементным камнем и скорость разрушения последнего может повышаться в десятки и сотни раз.
Таким образом, плотность бетона является главным фактором его стабильности, хотя и вид вяжущего играет не последнюю роль. А первопричиной разрушения реальных строительных конструкций из бетона и железобетона чаще всего является низкое качество строительных работ: наличие в бетоне раковин, открытой или недостаточно защищенной слоем бетона арматуры, а также технологические перерывы в бетонировании, вызывающие появление граничных поверхностей раздела между уложенными слоями бетона в конструкции.
Применение бетона с минимальным значением В/Ц, приготовленного на наиболее стойких видах цемента с соответствующими добавками и, отвечающая требованиям стандартов его укладка и уплотнение, позволяют в значительной мере повысить долговечность конструкций и, в отдельных случаях, обеспечить их стойкость даже к воздействию солевых растворов высоких концентраций, а в некоторых случаях — и к воздействию растворов кислот.
Достижение высокой плотности бетонной смеси обеспечивается различными способами ее укладки, в частности вибрационными (на виброплощадках, внутренними и наружными вибраторами, поверхностными вибраторами) и невибрационными способами (центробежный, прессование, уплотнение и торкретирование). Перечисленным способам укладки бетона предшествует этап его приготовления и транспортирования к месту укладки и только в способе торкретирования все эти операции совмещены. Кроме того, в случаях реконструкции, ремонта, восстановления бетонных и железобетонных конструкций, когда требуется не столько выполнение большого объема бетонных работ, сколько обеспечение габаритов конструктивных элементов, подверженных тем или иным коррозионным разрушениям наиболее приемлемым следует считать способ торкретирования [2,4, 6, 53, 63,. 80, 81, 93, 99, 100, 102, 103].
В технической литературе существует два понятия: торкрет-бетон и на-брызг-бетон. Торкрет-бетон отличается более высоким содержанием цемента и на практике используется для создания жестких гидроизоляционных покрытий, декоративных элементов и изготовления тонкостенных конструкций. Процесс нанесения набрызг-бетона является дальнейшим развитием способа торкретирования, который с технологической точки зрения подразделяется на «сухое» и «мокрое» торкретирование. Различие между этими способами заключается в состоянии исходной смеси и в применяемых машинах и оборудовании. При «сухом» способе неувлажненная (естественной влажности до 8%) исходная смесь вводится в машину и посредством сжатого воздуха транспортируется по материальному шлангу к распылительному соплу, куда под давлением подводится вода для затворения. Таким образом, сухая бетонная смесь смачивается водой только непосредственно перед ее вылетом из сопла и в виде пластичного бетона наносится на рабочую поверхность. При «мокром» способе вода для затворения вводится заранее в исходную смесь перед загрузкой ее в машину. Готовая бетонная смесь транспортируется по трубопроводам посредством сжатого воздуха или насосов (механическим способом). В последнем случае к соплу подводится дополнительно сжатый воздух, который обеспечивает интенсивное набрызгивание бетонной смеси.
Способ торкретирования впервые был применен в США в 1910г., затем в 1913 в Германии, где создается фирма «Торкрет» по выпуску машин для тор кретирования. И с этого времени метод торкретирования получает распространение в странах Европы, где его используют для ремонта и укрепления поврежденных бетонных и каменных конструкций, устройства покрытий в гидротехнических сооружениях и крепи в горных выработках.
В России первые опыты по торкретированию с применением специальных машин цемент-пушек проводились в 1916 г. военно-инженерным ведомством. Но, несмотря на удачные опыты и благоприятные отзывы о работе аппаратов, метод торкретирования должного распространения в России не получил. В СССР первые сведения об использовании торкрет-бетона появились в 30-х годах, когда инженеры П.И. Глужге и С. И. Дружинин подробно описали прочностные характеристики торкрет-бетона и опыт его применения в строительстве[31, 32]. Позднее торкрет-бетон использовался при строительстве метрополитена. В эти же годы торкрет-бетон начинает находить применение при сооружении водонапорных резервуаров, для защиты металла и дерева от коррозии и гниения, для облицовки тоннелей, плотин, стволов шахт, для нанесения огнеупорных обмазок на поверхности барабанов и камер паровых котлов, при ремонте железобетонных конструкций и т.д. [15,16, 38, 47, 48, 63].
Методика формования опытных образцов торкрет-бетона, новые приборы и устройства для физико-механических испытаний
Специфика технологии нанесения торкрет-бетона не позволяет получать стандартные образцы и применять стандартные методики, используемые для обычного бетона. Поэтому , для исследования его свойств необходимо изготовление специальных образцов, получение которых отличается сложностью и трудоемкостью. В связи с этим, выполненные исследования базировались, как на основе известных стандартных методик, регламентированных ГОСТами, либо заимствованных из литературных источников[10,11,77,78,86]. Наряду с ними, использовались методики, разработанные в Казанской государственной архитектурно-строительной академии. Отдельные авторские разработки представлены в третьей главе диссертации.
Прочность при сжатии торкрет-бетона. Оценка прочности бетона, уложенного в стандартные металлические формы, уплотненного вибрированием, не учитывает ряд производственных факторов, присущих способу торкретирования, таких, как, условия транспортирования бетонной смеси, укладки и уплотнения, влияющих на структуру затвердевшего торкрет-бетона.
В ряде работ прочность торкрет-бетона оценивалась на образцах, выполненных из специально изготовленных торкретированных плит [35]. Однако методика определения прочности путем изготовления контрольных плит методом торкретирования бетонной смеси с последующим выпиливанием образцов достаточно сложна. Попытки применять обычные кубические формы с целью определения прочности торкрет-бетона дают весьма заниженные результаты. При заполнении обычных форм торкрет-бетоном, струя сжатого воздуха с взвешенными частицами бетонной смеси, наполняя форму, создает у стенок формы и, особенно в ее углах, значительные завихрения. Давление в этих местах падает и сюда, в первую очередь, попадают крупные частицы. В результате, смесь расслаивается и образуются запесо-ченные участки, что неизбежно сказывается на однородности бетона по структуре и снижении прочности.
В практике зарубежного строительства для изготовления образцов из торкрет-бетона применяются цилиндрические формы, стенки которых изготавливаются из круглых прутков[35]. При заполнении таких форм излишки воздуха и смеси торкрет-бетона проходят между стержнями стенок формы, не создавая завихрения. При таком заполнении не создаются области пониженного давления, и смесь не расслаивается.
Нами для определения прочности при сжатии пневмобетона предлагается использовать кубические формы размером 100x100x100 мм, в двух противоположных стенках которых просверливается 18 отверстий диаметром 20 мм (по 9 отверстий в каждой стенке) с последующей раззенковкой их с внутренней стороны, что облегчает распалубку затвердевших образцов.
С целью выбора методики оценки прочности торкрет-бетона были затор-кретированы виброэжекционной торкрет-машиной 9 образцов-кубов по методике, предложенной Поспеловым и Соваловым [86], и 9 образцов в обычных формах. Для сравнения результатов, были изготовлены также 9 образцов-кубов обычным способом, то есть с уплотнением бетона на вибростоле. Торкретирование образцов-кубов при оптимальном режиме работы торкрет-машины велось бетонной смесью состава 1:1,51:3,2 на портландцементе марки ПЦ-500, песке и щебне гранулометрического состава, приведенного выше. Водоцементное отношение поддерживалось в пределах 0,39. После твердения в нормально-влажностных условиях в течение одних суток образцы освобождались от опалубки и подвергались дальнейшему твердению до 28-дневного возраста. Результаты испытаний опытных образцов в возрасте 28 суток представлены в табл. 2.6.
Как показали результаты испытания образцов торкрет-бетона одного и того же состава, изготовленных различными способами, наиболее высокое значение прочности наблюдается у торкретированных образцов, уложенных в формах с отверстиями. Прочность при сжатии торкретированных образцов составляет 46 и 38,7 МПа, что соответствует марке бетона 400 и 300. Образцы, заторкретированные в формы с отверстиями, показали прочность, повышенную на 15,9%, по сравнению с образцами, заформованными в сплошных формах, и на 41,7% по отношению к контрольным. Соотношение прочностей исследуемых образцов составляет 1,21... 1,71.
Предлагаемая методика оценки прочности торкрет-бетона была апробирована в промышленных условиях непосредственно при торкретировании тонкостенных конструкций. При бетонировании конструкций одновременно формовались опытные образцы в сплошных формах и в формах с отверстиями. Для сравнения бетонировались контрольные образцы виброуплотнением. Как показали проведенные испытания прочность бетона торкретированного в формах с отверстиями составила — 39,8 МПа, в сплошных формах- 32,3 МПа, в то время, как прочность контрольного бетона достигла всего лишь 30,1 МПа.
Таким образом, отработка способов бетонирования контрольных образцов бетона позволила остановиться на образцах кубах, торкретированных в формах с отверстиями. Эта методика была принята при дальнейших исследованиях.
Особенности технологии нанесения торкрет-бетона и используемое оборудование
Сухая бетонная смесь поступает в загрузочное приспособление, затем подается шнеком к основанию мундштука. Материал, пройдя жесткое основание мундштука, полностью заполняет его объем и уплотняется до некоторой степени. Затем он попадает в эластичную конусную часть мундштука, где доуплотняется. При изменении физико-механических свойств транспортируемого материала усилие бокового распора в мундштуке саморегулируется за счет эластичности мундштука. При увеличении усилия бокового распора, в случае применения эластичного мундштука, происходит изменение угла конусности последнего, что приводит к снижению усилий на проталкивание материала. Плотность материала в мундштуке остается в пределах, обеспечивающих герметичность аэрокамеры от загрузочного приспособления при постоянной мощности привода. Для разрыхления материала, поступающего в аэрокамеру, плоскость загрузочного отверстия мундштука имеет скос, направленный под углом к поверхности основания конуса, а воздуховод подключен к аэрокамере таким образом, чтобы динамический напор струи ударял с внешней стороны выступающей кромки боковой поверхности скошенного эластичного конуса. Из аэрокамеры материал транспортируется по трубопроводу к соплу, где смачивается водой, с последующим нанесением бетона на укрепляемую поверхность.
Недостатком шнековых машин является высокая энергоемкость (мощность двигателя в 4...5 раз больше, чем у машин камерного типа) и сложность некоторых конструктивных узлов (обеспечение герметизации цилиндра шнека). Такие машины (BS-12, MS-12 и др.) выпускает известная швейцарская фирма «Алива».
Машины роторного типа тоже являются машинами непрерывного действия. Это наиболее совершенные машины для ведения набрызг-бетонных работ. Особенностью их является то, что сухая смесь через открытую загрузочную воронку с помощью ротора (шлюзового барабана) с вертикальной осью вращения, имеющего цилиндрические ячейки, куда попадает сухая смесь, равномерно поступает в материальный шланг и затем, под действием сжатого воздуха — в сопло.
Такие машины имеют небольшую высоту, компактны и достаточно удобны в эксплуатации. Кроме того, они потребляют значительно меньше энергии, чем шнековые машины. Большим преимуществом машин этого типа является их универсальность, то есть при наличии сменного оборудования (барабана с различными ячейками) возможно работать на заполнителях различной крупности, а также осуществлять транспортирование и укладку готовой бетонной смеси за опалубку.
Машины роторного типа выпускает зарубежная фирма «Алива» (Швейцария) различных моделей: «Алива-300» -250, -260, -400 и -600. В Германии фирма «Торкрет» выпускает универсальные машины GM-57 и ТМ -63. Все они имеют высокие технические характеристики. Так, современные роторные машины фирмы «Алива» весят 800... 1000 кг и имеют размеры 0,8мх1,6мх1,5м. Производительность их, по сухой смеси составляет 7...9 м /ч при расходе сжатого воздуха 8... 12 м /мин. Следует отметить, что многочисленные модификации машин, выпускаемые за рубежом, приспособлены к самым различным условиям и отличаются высокой рациональностью и универсальностью. Например, машина «Алива-280 Универсал» позволяет переходить в течении нескольких минут с «мокрого» способа на «сухой», а система бесступенчатого регулирования гидропривода обеспечивает производительность в зависимости от диаметра шланга от 3 до 11 м мокрой или сухой смеси в час. Геометрические размеры такой машины следующие: высота 1,40м, ширина 0,85м, длина 2,25м. Масса машины 1500 кг. Мощность электродвигателя 15 кВт. Сопло применяется одинаковое как для «мокрого», так и для «сухого» способа нанесения. Дальность подачи составляет при «мокром» способе (по горизонтали и вертикали) до 40 м, а при «сухом» по горизонтали -до 300м, по вертикали -до 100м. В нашей стране машины роторного типа выпускаются марок С-320, БМ-68,БМ-70иСБ-117.
Анализ литературы [10,11,24,26,32,35] позволил выделить из числа используемых машин установки для эжекционного торкретирования (УЭТ) [10]. Достоинством машин эжекционного типа является отсутствие механических питателей, простота конструкции, малая масса, простота обслуживания и работы. Машина представляет собой аппарат струйного типа, производящий смешение и обмен энергий двух потоков разных давлений с образованием смешанного потока с промежуточным давлением. Смешиваемые потоки представляют собой смесь воздуха и твердого тела (газообразное вещество и сухая бетонная смесь). На рис.3.4 представлена схема торкрет-машины , действующей по принципу виброэжекции.
Сухая бетонная смесь из вибробункера 1 стекает по патрубку 4 в приемную камеру 5 эжектора и подхватывается потоком сжатого воздуха, выходящего из сопла воздушной трубки 11. Сжатый воздух по шлангам подается передвижным компрессором. Далее поток поступает в камеру смешения 6, диффузор 7 и гибкий материальный шланг 8, который заканчивается соплом наконечником 9, где сухая бетонная смесь увлажняется водой, содержащей водоразбавляемые модификаторы бетона (суперпластификаторы, ускорители и др.) подаваемые из специального бака по шлангу.
Физико-химические основы получения водных эмульсий неполярных органических веществ
Эмульсии — двухфазные дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой [129]. В водных эмульсиях дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой — любая органическая жидкость, не растворимая в ней, в большинстве случаев неполярная (масла, жиры, битум, керосин и др.). Независимо от химической природы эту органическую жидкость принято называть маслом. Кроме воды и масла для получения устойчивой эмульсии необходим третий компонент — эмульгатор, как правило, поверхностно-активное вещество (ПАВ). Вода и масло могут образовывать эмульсии двух типов: прямые и обратные. В первых дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой — масло в виде мельчайших взвешенных капелек (от 0,1 мм и выше). Это эмульсии «масло в воде» (м/в). Второй тип: вода — дисперсная фаза, диспергирована в виде капелек в непрерывной масляной фазе. Эти эмульсии называют эмульсиями «вода в масле» (в/м) [64].
Тип эмульсии зависит от соотношения объемов жидких фаз, условий эмульгирования и других факторов, но главную роль играет природа эмульгатора. Основными параметрами эмульсий являются: — концентрация дисперсной фазы; дисперсность — размер капелек дисперсной фазы и полидисперсность — распределение по размерам; устойчивость.
По первому признаку эмульсии подразделяются на: разбавленные (концентрация ДФ мала: не более 1%) и концентрированные (выше 1%); к последним относятся и высококонцентрированные (концентрация ДФ превышает 74% по объему, что приводит к деформированию сферических капелек ДФ и превращению их в многогранники (полиэдры), разделенные тонкими пленками дисперсионной среды.
Важнейшим технологическим показателем эмульсий является стабильность, или устойчивость, определяющая возможности их технического применения. Различают кинетическую устойчивость _(скяояяостъ ДФ к оседанию или всплыванию в зависимости от соотношения плотностей фаз) и агрега-тивную устойчивость (к агрегации частиц — коалесценции при хранении, в результате чего понижается дисперсность вплоть до коагуляции [116]. В отношении к агрегации дисперсные системы бывают устойчивы либо термодинамически, либо кинетически. Большинство водных дисперсий органических веществ, являются термодинамически неустойчивыми коллоидными системами, вследствие избытка свободной энергии, обусловленной огромной удельной свободной энергии, обусловленной огромной удельной поверхностью раздела фаз. Устойчивость технических водных дисперсий (концентрированных) достигается за счет присутствия эмульгаторов — ПАВ, которые вследствие дифильности строения молекул растворены как в водной, так и в масляной фазах. Существует целый ряд теорий, объясняющих механизм стабилизации водных дисперсий [1, 29, 39, 126], однако их анализ не входит в нашу задачу. Следует, однако, подчеркнуть экспериментальный факт, что стабильные эмульсии «м/в» образуются лишь при использовании в качестве ПАВ-эмульгаторов солей высших карбоновых кислот. Эмульгаторы вокруг капелек ДФ образуют прочную пленку, не разрывающуюся при столкновении капелек, что и обеспечивает устойчивость эмульсии (рис.4.1). В эмульсиях типа «м/в» молекулы мыла щелочных металлов располагаются так, что их полярные части обращены в дисперсионную среду (воду),. В эмульсиях типа «в/м» наблюдается противоположная ориентация молекул ПАВ. Поверхностные адсорбционные слои образуют структурированную оболочку, обладающую определенной вязкостью, прочностью и упругостью, придающую эмульсии устойчивость [64]. Действие эмульгатора (ПАВ) тем эффективнее, чем лучше сбалансированы полярные и неполярные части его молекулы между обеими фазами эмульсии. Сбалансированность в простейшем случае определяется, с одной стороны, длиной углеводородной цепи молекулы ПАВ, а с другой стороны, сродством (растворимостью) ионогенной или полярной группы к воде. Эмульгирующей способностью обладают и высокодисперсные минеральные порошки, которые смачиваются как полярной, так и неполярной жидкостями, образующими эмульсии. К ним относятся глины, известь, цемент, асбест и другие порошки, широко применяемые для получения грубых битумных водных эмульсий — холодных асфальтовых гидроизоляционных мастик (ХАМАСТ) [85]. Однако наиболее эффективными эмульгаторами-стабилизаторами водных эмульсий являются ПАВ. Выбирая ПАВ для эмульсии, следует знать, обеспечит ли оно нужную устойчивость и стабильность дисперсной фазы; учитывать метод эмульгирования, дефицитность и экономику производства, «фи-зико-химию» эмульсии и область ее применения. В щелочной среде, каковой является цементно-бетонная смесь, эмульгирующую способность проявляют анионоактивные ПАВ. Анионные эмульсии имеют высшую устойчивость при рН= 10-13. Как известно [126], процесс эмульгирования чрезвычайно сложен и на сегодняшний день нет единой теории эмульгирования и механизма действия ПАВ при диспергировании одной фазы в другой и стабилизации дисперсий. При выборе ПАВ-эмульгаторов его важнейшими параметрами являются растворимость в фазах (коэффициент распределения), мицеллообразование в одной или обеих фазах и гидрофильно-лиофильный баланс (ГЛБ). ПАВ, как химические соединения, являются дифильными, состоящими, как правило, из неполярного углеводородного радикала (алифатического или жирного) и полярной функциональной группы (гидроксильной, карбоксильной, аминной, нитро-, сульфо-, и др.) [91]. Кроме алифатических существуют и другие радикалы (непредельные, циклические, в том числе ароматические, гетероциклические).
