ВСЕ О ПЕНОБЕТОНЕ

Причинно-следственные связи изменения физико-химических свойств активированных минералов

Приведенный обзор изменений свойств и состава веществ показывает мно­гообразие физико-химических процессов, протекающих под влиянием механи­ческих сил (например, при измельчении) или имеющих место в тонкодисперс­ной минеральной среде. Некоторые из рассмотренных выше явлений были открыты и исследованы сравнительно недавно. Они способны существенно из­менить традиционные подходы к оценке физико-химических процессов общей химической технологии, строительного материаловедения, геологии и т. д.

Явления, обусловленные активацией минералов при измельчении, явно недооценены современной наукой, и даже сейчас еще не принимаются во вни­мание - главным образом потому, что еще не сложились четкие представления о формах аккумуляции энергии в измельченном веществе и «прочности кон­сервации» избыточной энергии в тонкодисперсных минеральных системах.

Учитывая отсутствие доступной в популяризаторском плане информации об активации минеральных веществ посредством измельчения, уместно еще раз акцентировать внимание на ключевых положениях механоактивации.

Как уже было сказано выше, изменение запаса потенциальной энергии из­мельченного вещества, его активация, выражается двумя слагаемыми: первое представляет изменение поверхностной энергии, второе - изменение внутрен­ней энергии. Активация веществ посредством измельчения протекает последо­вательно, ступенями. Причем переходы от одной ступени к другой обусловле­ны сложными причинно-следственными связями. В достаточно упрощенном виде последовательные ступени активации можно представить схемой, в кото­рой следствие первопричины, в свою очередь, становится причиной очередного следствия (см. таблицу 8.4.3-1).

Представив активацию при измельчении в виде такой многоступенчатой лестницы, можно в первом приближении оценить значение тех или иных форм аккумуляции энергии в измельченном минеральном веществе и дать относитель­ную количественную оценку времени хранения «законсервированной» энергии.

Если активация вещества выражена в формировании зон остаточного на­пряжения, предшествующих разрушению, то аккумулированная энергия со­храняется сравнительно недолго и только в условиях невысоких температур. Повышение температуры более чем на 100 °С резко увеличивает скорость ре­лаксации остаточных напряжений и сокращает время существования зон оста­точного напряжения.

Такие остаточные напряжения способны проявиться под воздействием внешних факторов, и тогда разрушение идет по местам концентрации этих на­пряжений. Так капля воды рвет стекло по следу алмаза. Можно предполагать, что аналогичные процессы прослеживаются и при соприкосновении активи­рованных измельчением кристаллических веществ с водой. Например, при «встрече» кристаллов активированного кварца (кварцевый песок) или кри­сталлов активированных алюмосиликатов (цемент) с водой в ходе приготов­ления бетонов.

Если активация вещества обусловлена тонким измельчением и связана главным образом с увеличением поверхностной энергии, то ни длительная вы­держка, ни нагревание (разумеется, до температур, не превышающих точки плавления, спекания или фазового перехода) не снимут активности измель­ченного материала. Но она проявится в процессах, идущих с сокращением сво­бодной поверхности и стяжением вещества, таких как образование кристаллов радиально-лучистого строения - конкреций, оолитов. (Типичный минерал, кристаллы которого имеют оолитовую структуру, - карбонаты кальция: мел, известняк.)

Влияние поверхностной энергии может быть измерено непосредственно и инструментально, например, с помощью дериватографа (прибор, позволя­ющий определить соотношение свободной и связанной влаги в минеральных веществах). Так, у веществ одного и того же химического состава, но разной кристаллической организации (мел, мрамор и др.), прослеживаются четкие различия температуры начала диссоциации.

Если активация измельчением привела к образованию аморфного вещества, то аккумулированная при этом энергия будет сохраняться до тех пор, пока фи­зико-химические условия не станут благоприятными для образования кристал­лической фазы. К примеру, если кварц измельчен до дисперсности 100 м2/г и при этом полностью превращен в аморфный кремнезем, то его потенциальная энер­гия увеличена на следующую величину: поверхностная энергия (18,6 кал/г) + энергия аморфизации (25 кал/г) = 43,6 кал/г.

Именно такая энергия выделится при последующей кристаллизации аморфного вещества в кристаллическое и «поможет» более бурному и полному протеканию этого процесса. (Для наглядности, такого количества энергии до­статочно, чтобы нагреть данное вещество до температуры 250-300 °С!)

Если при механическом воздействии имел место переход вещества в но­вую кристаллическую модификацию, например, киноварь ^ метациннабарит, то аккумулированная при этом энергия, равная разности теплоты образования (в данном случае - 0,62 Ккал) этих сульфидов ртути, сохранится как угодно долго, но выделится скачком при нагревании до точки обратного перехода в ис­ходную кристаллическую форму.

Аналогичные процессы скачкообразного выделения энергии возможны и при переходе одного кристаллогидрата в другой, например при растворении в воде.

Не только соединения ртути имеют несколько кристаллических модифи­каций (полиморфов). Этим свойством обладают сера, углерод, олово и желе­зо. Лед имеет целых 7 кристаллических модификаций. Кварц существует еще в двух своих кристаллических модификациях (тридимит и кристобалит). Кар­бонат кальция также встречается в природе в нескольких кристаллических мо­дификациях (кальцит и аргонит).

Если учесть еще и кристаллогидраты различных соединений, то активация многих химических добавок, применяемых в технологии бетонов, позволит по - новому взглянуть на их эффективность. И в первую очередь благодаря эффекту высвобождения энергии, накопленной в ходе механоактивации, при полиморф­ных превращениях этих соединений в составе бетонов и растворов.

Имеются уже достаточно достоверные сведения, что некоторые химиче­ские модификаторы, применяемые в строительстве, именно факту своей пред­варительной механоактивации обязаны столь прекрасному (сильно отличаю­щемуся от аналогичных, конкурирующих составов) эффекту.

Если в процессе измельчения произошла деструкция минерального ве­щества на простые окислы (SiO2, Al2O3, MgO, СаО), то выделение энергии произойдет лишь при образовании новых соединений, например, шпинелей MgO + А12О3 = MgAl2O4.