1.2.3. Водные свойства и поверхностная энергия песка.

Характер взаимодействия мелкого заполнителя с цементным тестом в определенной степени обусловливается, наряду с прочими факторами, водными свойствами и поверхностной энергией песка. К водным свойствам песка, представляющим наибольший интерес с точки зрения использования его в качестве заполнителя в растворах и бетонах, следует отнести гидрофильность (способность его поверхности смачиваться водой), водоудерживающую способность и влагоемкость (адсорбционные свойства).

Количество воды, идущее на смачивание частиц заполнителя, необходимо учитывать при подборе составов строительных растворов и бетонов. От свойств поверхности смачиваться жидкостью зависят контакт цементного теста с заполнителем, водоудерживающая способность растворов и бетонов: чем лучше смачивается минерал водой, тем больше он может удержать ее на своей поверхности, тем прочнее связь заполнителя с тестом, тем выше водоудерживающая способность, противодействие расслаиванию и получаемая плотность растворов и бетонов.

Мерой гидрофильности поверхностей твердых тел служат краевой угол смачивания, определяющий собой отношение адгеии: жидкости к твердому телу к когезии самой жидкости. Он характеризуется степенью растекания капли жидкости на поверхности исследуемого минерала: чем больше, тем меньше степень смачивания.

Вода на поверхности чистого кварца образует краевой угол-равный 0. Действительно чистые поверхности большинства минералов, включая сульфиды, дают весьма малые краевые углы.

Малые краевые углы смачивания минералов, входящих в состав мелкозернистых песков, свидетельствуют о хорошей их смачиваемости.

Мелкозернистые пески обладают свойством удерживать определенное количество влаги, которое принято характеризовать коэффициентом водоудерживающей способности (Кв). Он представляет собой отношение массы воды, удержанной песком, к массе сухого песка и выражается в кг/кг или процентах. Коэффициент водоудерживающей способности, являясь своеобразной характеристикой песка, зависит в некоторой степени от минералогического и гранулометрического состава, формы, размеров, взаимного расположения его частиц, характера и величины удельной поверхности и т. п.

Согласно существующим гипотезам распределения влаги в грунтах, следует предполагать, что удерживаемая песком вода состоит из гигроскопической, пленочной, гравитационной (капиллярной), и подвешенной.

Толщина слоя гигроскопической и пленочной воды зависит главным образом от размеров поверхности, крупности, формы частиц и минералогического состава песка, от внешних условий - относительной влажности, давления и температуры, и отчасти от самого метода определения количества связанной воды. Вода эта связана электрическими силами и довольно Прочно удерживается на поверхности частиц. Часть гравитационной воды стекает из пересыщенного песка, в углах пор остается капиллярная влага, а на отдельных частицах в небольшом количестве - подвешенная влага.

Основную массу воды, определяющую величину Кв, составляет гравитационная (капиллярная и подвешенная), так как ее количество зависит от степени пористости и размера пор песка. В очень мелких песках размеры пор настолько малы, что гравитационная вода не может быть удалена из них действием собственной массы, так как удерживается капиллярными силами.

Увеличение удельной поверхности, т. е. уменьшение крупности зерен песка, вызывает Изменение содержания пленочной и гигроскопической влаги.

При возрастании удельной поверхности со 131 до 336 см2/г количество пленочной и гигроскопической влаги в песке повышается с 1,0 до 5,5%, т. е. на 4,5%, причем в первом случае оно составляет всего 4,1%, а в последнем -15,6% общего количества удержанной воды. Прирост же гравитационной воды, составляющей 84,4—95,6% суммарного количества удержанной воды, равен 8,5%.

Таким образом, по мере диспергирования песка Кв возрастает в основном за счет увеличения количества удержанной капиллярными силами гравитационной воды.

Для сравнительно крупных песков, имеющих величину удельной поверхности до 150 см2/г, находится в прямой пропорциональной зависимости от. В этом случае зерна песка еще достаточно крупные, и поры между ними заполнены гравитационной водой лишь частично. По мере возрастания удельной поверхности размеры капилляров уменьшаются, и гравитационная вода заполняет почти все межзерновые пустоты песка. Объем воды, удержанной песком, приближается к объему пустот. При размерах выше 150 см2/г Кв характеризует дисперсность и капиллярность в большей степени, чем удельную поверхность. У анизотропных частиц серых слюдистых песков капиллярность выше чем у желтых окатанных, так как точек контакта у первых значительно больше.

Пески при определенной степени увлажнения удерживают только пленочную и гигроскопическую воду, находящуюся на из поверхности в виде тончайшего слоя.

Взаимодействие заполнителей и цементного теста, так называемая адгезия, обусловливается рядом факторов, среди которых важное значение имеет поверхностная энергия компонентов. Частицы песка обладают определенной поверхностной энергией. Как известно из области физической химии, абсолютная величина поверхностной энергии дисперсной системы измеряется произведением поверхностного натяжения, возникающего на границе соприкосновения частиц дисперсной фазы с дисперсной средой, и величины суммарной поверхности всех частиц дисперсной фазы. Обычно измерение этих величин связано с рядом условных допущений, и полученный результат, как правило, далек от фактического. Поэтому пределы колебаний величин поверхностной энергии мелкозернистых песков различной крупности и минере логического состава были установлены по условному показателю способности связывать воду.

Способность связывать гигроскопическую и пленочную воду определялась по толщине ее слоя на поверхности частиц песка, получаемой от деления объема связанной воды на активную поверхность адсорбента.

Удельная поверхность песка определена с помощью пневматического поверхностемера, количество связанной воды - методом влагоемких сред.

Толщина слоя связанной воды составила у исследованных мелкозернистых желтых и серых слюдистых песков от 0,0007 до 0,0016 мм или, принимая диаметр молекулы равным 2,76- 107мм, от 2540 до 5800 диаметров молекул воды. Она зависит главным образом от формы и размеров частиц и для мелкозернистых песков колеблется в довольно узких пределах. Средневзвешенная толщина слоя равна 0,0012 мм или 4220 диаметрам молекул с отклонением в ту или другую сторону в 1,7 раза:

Толщина слоя связанной воды у различных по генезису серых слюдистых и желтых мелкозернистых песков приблизительно одинакова, в то время как у элювиальных песков колеблется в очень широких пределах и составляет у дресвы Актау 0,00234 мм, речного ортотоканского песка 0,0031 мм, искусственного дробленого порфиритового песка 0,0035 мм и т. д. Это дает основание предполагать,, что суммарные величины поверхностной энергии минералов, входящих в состав желтых и серых слюдистых песков различной крупности, близки, т. е. характер взаимодействия единицы поверхности этих песков в цементных растворах и бетонах может считаться практически одинаковым.