Процеcсы, протекающие на межфазовой границе

Свойства битумоминеральных композитов зависят от процессов взаимодействия минеральных составляющих и битума на их общей поверхности раздела.

Применяемые в дорожном строительстве минеральные материалы многообразны по своему химическому составу и строению поверхности. Наибольшие различия в молекулярно-поверхностных свойствах, определяющих сцепление с вяжущим, наблюдаются между материалами карбонатных пород и кварцевыми, кислыми материалами.

Традиционно принято считать, что материалы из кислых пород плохо взаимодействуют с битумом. Однако, поверхность минеральных материалов, встречающихся в дорожно-строительной практике, мозаична, и каждая активная зона адсорбирует определенный вид полярных групп. Заряд поверхности минеральных материалов обусловливается наличием свободных ненасыщенных валентностей у поверхностного слоя ионов, участвующих в построении кристаллической решетки минералов, входящих в состав горной породы.

Цель работы – проанализировать процессы, протекающие на межфазовой границе камень-битум при смещении, а также взаимодействие битума с поверхностью минеральных материалов, поверхностное натяжение и адсорбцию битума камнем.

Задачи:

1) рассмотреть процессы, протекающие на межфазовой границе камень-битум при смещении;

2) определить взаимодействие битума с поверхностью минеральных материалов, смачивание поверхности камня битумом при высокой температуре;

3) раскрыть поверхностное натяжение, адсорбцию битума камнем.

1. Процессы, протекающие на межфазовой границе камень-битум при смещении

Перемешивание, происходящее в результате турбулентности, диффузии и других факторов характеризуется понятием продольного коэффициента диффузии Е. В случае гетерогенных каталитических реакций расчеты отнесены к объемам, включающим также и межфазовые границы вокруг зерен катализатора, на которых протекают поверхностные реакции. Наблюдаемую скорость этих реакций (с учетом диффузии) обозначим через Гэф.

Толщина каждого слоя зависит от разности химических потенциалов на его межфазовых границах, диффузионной проводимости и времени окисления металла, но относительная толщина когерентных (находящихся в связи) слоев, диффузия вещества через которые происходит вследствие ионной диффузии , не зависит от времени.

Твердофазовые реакции протекают очень медленно и практически никогда не доходят до конца. В отдельную группу они выделены потому, что характер их во многом специфичен и отличен от характера реакций в жидкостях и газах. Реакции в твердой фазе сопровождаются не только химическими, но и разнообразными физическими и физико-химическими процессами.

Например, еще до начала химического взаимодействия или одновременно с ним могут протекать такие процессы, как спекание, рекристаллизация, полиморфные превращения и т. п. С того момента, когда в результате химического взаимодействия появляются твердые продукты реакции, пространственно разделяющие исходные вещества, дальнейшее течение процесса начинает определяться диффузией через слой продуктов реакции.

В подавляющем большинстве реакций, происходящих в твердых телах, химическое взаимодействие на межфазовой границе при повышенных температурах протекает достаточно быстро, скорость же суммарного процесса определяется процессами переноса и диффузией. Явления диффузии, спекания, рекристаллизации оказывают существенное влияние не только на ход реакций, НО и на свойства и количество конечных продуктов химического взаимодействия  в твердых телах.

Эта опытная закономерность вместе с наблюдаемым     линейным окислением указывает на контроль процесса скоростью реакции  на межфазовой границе.

Слои I и II относятся к     твердому катализатору (глубинные слои), остальные - к газовой или жидкой фазе. Между слоями II и III существует межфазовая граница. Подход реагентов к катализатору начинается с V диффузионного слоя - транспорт к катализатору и отвод продуктов с катализатора.

В IV слое происходит первое влияние поверхности катализатора на реагенты - ориентация, электронные смещения, поляризация и т. д. В III слое протекает перераспределение связей между атомами в молекулах реагентов . Совокупность таких атомов А. А. Баландин называет индексной группой.

Большинство процессов, протекающих в твердых фазах, заключается в переносе реагирующих веществ к межфазовым границам, в реакции на межфазовой границе и в переносе продуктов реакции от межфазовой границы. Если максимальная скорость одной из этих стадий намного меньше любой остальной, то суммарный процесс характеризуется относительно простой кинетикой, и реакции в твердой фазе в этом случае можно разделить на два типа 1) реакции, контролируемые скоростью переноса, или диффузии 2) реакции, контролируемые скоростью реакции  на межфазовой границе.

Процессы, лимитируемые     скоростью химического взаимодействия. Кинетика многих керамических процессов определяется скоростью реакций  на межфазовых границах.

Кинетика реакций на межфазовых границах обусловливает процессы образования центров кристаллизации, скорость которых зависит от степени пересыщения, а также выделение  кристаллов из раствора с незначительным пересыщением.

Если     рост кристалла целиком контролируется скоростью диффузии на межфазовых границах, то скорость роста можно выразить  уравнением.

В зависимости от поставленной     задачи границу между фазами рассматривают в виде математической поверхности или в виде промежуточного слоя. Эта граница обладает особыми свойствами, которые определяются различием энергетических характеристик молекул  на поверхности и в объеме фазы.

Взаимодействие битума с минеральными компонентами в асфальтобетоне является определяющим в получении материала с заданными свойствами. При этом под воздействием битума и минеральных материалов понимаем весь комплекс процессов, происходящих при длительном контакте этих материалов. К ним относят: физические процессы, протекающие на границе раздела битум - минеральный материал; хемосорбционные процессы; фильтрацию битума и его компонентов внутрь минеральных зерен.

Физическое взаимодействие битума с минеральными материалами обусловлено способностью вяжущего адсорбироваться на поверхности минеральных зерен. В результате формируются адсорбционные слои (слои повышенной концентрации высокомолекулярных составляющих битума).

Наряду с адсорбционным взаимодействием на границе битум - минеральный материал проявляют свое действие межмолекулярные силы минерального материала. Битум, попадая в зону их действия, претерпевает структурные изменения. Высокомолекулярные соединения битума, проявляя «эстафетное действие», образуют цепочки, перпендикулярные к поверхности минеральных зерен. Прочность связи звеньев цепочки по мере удаления от зерна падает и на расстоянии нескольких микром (10 м) практически равна нулю, битум приобретает объемные свойства. Аналогичное явление происходит с металлическими опилками, которые попадают в магнитное поле.

1. Абдуллин А. И., Емельянычева Е. А., Дияров И. Н. Изучение влияния температуры на смачивающие и адгезионные свойства битума // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №9.
2. Гунн Р.Б. Нефтяные битумы. - М., "Химия", 1973. 432с. 
3. Завьялов М.А., Кириллов А.М. Методы оценки срока службы асфальтобетонного покрытия // Инженерностроительный журнал. 2017. № 2(70). С. 42–56.
4. Иноземцев С.С., Королев Е.В. Процессы взаимодействия на границе раздела фаз «битум – дисперсная фаза из цементного камня» // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 6(82). С. 60–67.
5. Левченко Е.С. Влияние минеральных наполнителей на свойства и состав битума : Дис. ... канд. техн. наук : 02.00.13 СПб., 2005 127 с.
6. Органические вяжущие и материалы на их основе: Метод. указ. к практическим занятиям и лабораторным работам / Сост.: О.А. Корчагина, О.А. Киселева. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. 36 с.
7. Справочник химика. Под ред. Б. П. Никольского, Л: Химия, 1971 г.
8. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии / Б.Д. Сумм. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. – 240 с.
9. Сюньи, Г.К. Дорожный асфальтовый бетон / Г.К. Сюньи. - Киев: Гос. изд-во по строительству и архитектуре УсСр, 1962. - 486 с.
10. Урьев Н.Б. Физико_химические основы технологии дисперсных систем и материалов. ... М.: Химия, 1988. 256 с.