Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор состояния проблемы по магнитной обработке водных дисперсных систем 14
1.1. Структура воды и водных систем 14
1.2. Процессы гидратации неорганических соединений в водных системах 18
1.3. Изменения в структуре водных систем под влиянием магнитного поля 29
1.4. Строительные материалы, изготовленные с применением магнитной обработки затворяющих растворов 37
Глава 2. Объекты и методы исследования 40
2.1. Выбор объектов исследования 40
2.2. Характеристика используемого сырья 42
2.3. Источники магнитного поля, методы магнитной обработки растворов и определение параметров магнитного поля . 43
2.4. Методы исследования 47
Глава 3. Влияние омагничивания на структурное состояние водных дисперсных систем 50
3.1. Омагничивание водных растворов систем с развитыми водородными связями 50
3.2. Влияние омагничивания на водные растворы некоторых неорганических солей 61
3.3. Время релаксации омагниченных растворов 77
Глава 4. Влияние магнитной обработки затворяющих растворов на процессы гидратации и твердения гипса 84
4.1. Предварительная оценка оптимальных параметров магнитного поля 84
4.2. Строительный гипс на основе омагниченной обессоленной воды 86
4.3. Затворение гипса омагниченными растворами спиртов 94
4.4. Свойства гипсового вяжущего на основе омагниченных растворов некоторых неорганических солей 100
4.5. Некоторые эксплуатационные свойства гипсового вяжущего затворённого магнитно активированными растворами 112
Глава 5. Влияние магнитной обработки затворяющих растворов на процессы гидратации строительной извести 118
5.1. Кинетика процессов гашения извести омагниченной водой и водными растворами спиртов и некоторых неорганических солей 118
5.2. Исследование свойств известкового вяжущего, затворённого омагниченными водными растворами 130
Общие выводы 145
Литература 148
Приложение 1 156
- Процессы гидратации неорганических соединений в водных системах
- Источники магнитного поля, методы магнитной обработки растворов и определение параметров магнитного поля
- Влияние омагничивания на водные растворы некоторых неорганических солей
- Строительный гипс на основе омагниченной обессоленной воды
Введение к работе
По общему признанию, физика жидкостей, особенно ассоциированных, представляет собой слабо разработанный раздел теоретической физики. Поэтому, учитывая огромную роль, которую играют вода и водные системы в жизни человечества, неудивительно, что свойства водных систем после внешних воздействий зачастую меняются, на первый взгляд, непредсказуемо. Кроме того, вода и водные растворы - труднейшие объекты для исследования. Относясь к открытым системам, они имеют свойство обмениваться с окружающей средой не только энергией, но и веществом. Одновременно это метастабильные, плохо организованные системы, свойства которых не однозначно и не аддитивно зависят от многих ещё не вскрытых фактов.
Бесспорно установлено, что под влиянием внешнего магнитного поля на воду происходят изменения таких ее свойств, как вязкость, электропроводность, степень гидратации ионов, диэлектрическая проницаемость и т. д. В число факторов, играющих важную роль в эффективности магнитной обработки воды, входят напряженность, частота и амплитуда колебаний магнитного поля, а также химический состав воды.
Поскольку при твердении цементного камня, гипса и извести протекает ряд сложных процессов (гидратация минералов, самопроизвольное диспергирование их до частиц коллоидных размеров, возникновение, рост и упрочнение кристаллизационных структур), на которые влияет омагничивание воды, то вполне закономерно влияние обработанной таким способом воды на твердение и свойства вяжущих строительных материалов.
Физико-химические изменения в водных системах при омагничивании не получили исчерпывающего теоретического объяснения. Исходя из самых общих соображений, механизм воздействия электромагнитных полей на водные системы можно связать с явлениями резонансного типа. Согласно этой гипотезе, молекулы воды, их ассоциаты, гидратированные ионы и микрочастицы примесей совершают непрерывные колебательные движения.
5 При воздействии на эту систему поля оптимальной частоты и напряженности возможен резонанс, сопровождаемый возникновением квантов энергии, способных деформировать связи, изменить структурную характеристику системы.
Эксперименты свидетельствуют, что при использовании омагниченной воды цемент гидратируегся значительно в большей степени, чем при использовании обычной воды, что способствует получению более плотной структуры камня с ростом прочности до 20%. В омагниченной воде скорость образования осадка суспензии цемента значительно выше, чем в обычной воде, причем количество кристаллов возрастает, а их размеры существенно уменьшаются.
Результаты, полученные при изучении влияния магнитной обработки воды на твердение гипса мало отличаются от аналогичных для цемента Так, отмечено ускорение образования центров кристаллизации после омагничивания воды; линейная скорость роста кристаллов не изменяется, а в итоге возникает более мелкокристаллическая структура, что обуславливает высокопрочностные характеристики материала по сравнению с приготовленным на обычной воде.
Отмечено также значительное влияние магнитной обработки воды на процесс гашения извести. В оптимальных условиях время гашения сокращается вдвое. Варьируя режим магнитной обработки, можно повысить прочность газосиликатных образцов на 20%.
Все указанные изменения значительно влияют на физико-механические свойства строительных материалов. Их водостойкость, морозоустойчивость и химическая стойкость значительно возрастают. Кроме того, имеются данные о значительном (до 9 - 11%) снижении количества цемента и гипса для получения теста той же пластичности и камня с теми же свойствами, что и изготовленные на неомагниченной воде.
Однако, несмотря на успехи в исследовании отдельных зависимостей и параметров систем «водные растворы - магнитное поле» в данном
6 направлении отсутствует общая стратегия исследований. Это связано со слабостью и недостаточной разработанностью теории электромагнитной обработки воды, что, в свою очередь, связано с нерешённостью по сей день многих проблем, относящихся к общей теории жидкого состояния. Кроме того, водные растворы - сложные, метастабильные системы, из-за чего часто достигаемые в лабораторных условиях эффекты отличаются неустойчивостью, причём остаются неизвестными приемы стабилизации и оптимизации процесса. Вместе с тем накопленных экспериментальных данных недостаточно для построения строгой теории. Имеющегося математического аппарата достаточно для создания системы математических выкладок, но они получаются громоздкими, трудными для понимания и неадаптированными для практических нужд. Вследствие этого интерес к магнитной обработке водных систем в последнее время несколько спал. Кроме того, обработка водных систем в магнитном поле - процесс, требующий дорогой и точной технической аппаратуры для своего осуществления и для наблюдения за результатами, что в сочетании с вышесказанным не обещает быстрых и универсальных практических результатов и, конечно, не добавляет привлекательности исследованиям в этой области. Вместе с тем уже имеющиеся практические результаты (экономия строительных материалов и повышение их прочности и износостойкости в строительстве, снижение карбонатных отложений и коррозионной активности среды в теплоэнергетике и т.д.) продолжают стимулировать и поддерживать интерес к этой области на определённом уровне.
В нашей стране стали применять омагниченную воду для затворения цемента и бетона с 1962 г. С тех пор в этом направлении проводились и проводятся значительные (хотя и недостаточно систематические) исследования, позволяющие однозначно определить перспективность метода. Наибольшую известность получили работы В.И. Классена, В.И. Миненко, В.Е. Терновцева, Ю. В. Гурикова, Г. Н. Зацепина, В. П. Попкова,
7 К.А. Рубежанского, О.Я. Самойлова, О.В. Смирнова, B.C. Духанина, Н.Г. Ключникова, Л. А. Кульского, Дж. Лил мерса, X. Алемана, X. Киттнера.
В России ведущие позиции в области НИР по изучению эффекта магнитной обработки расворов и создания новых конструкционных материалов с применением омагничивания занимают Московский, Петербургский, Тюменский, Казанский, Новосибирский университеты, Институт органической химии АН РФ, С- Петербургский технологический университет, Новочеркасский политехнический институт, Т}ЩЬСКИЙ политехнический институт. С- Петербургский агрофизический научно-исследовательский институт и другие научно-исследовательские институты и вузы.
Омагниченные растворы для затворения вяжущих получают путём пропускания их через специальные аппараты, генерирующие магнитное поле тех или иных параметров. Поскольку эффект омагничивания зависит от множества характеристик системы (температура, давление, скорость движения раствора, концентрация тех или иных ионов и других примесей), которые по общепринятым в настоящее время теориям магнитной обработки водных систем не поддаются комплексному' учёту при расчётах параметров поля, эти аппараты зачастую рассчитываются по экспериментальным данным для каждой конкретной системы. Это обусловило появление различных (более ста восьмидесяти) вариантов конструкций аппаратов, однако лишь некоторые выпускаются серийно.
В России промышленное применение нашли аппараты, выпускаемые Московским чугунолитейным заводом ПМУ-2, Новочеркасским заводом постоянных магнитов ПНК-150, Чебоксарским заводом «Энергозапчасть» ЭМА-25 (аппараты с постоянными магнитами), Чебоксарским заводом «Энергозапчасть» АМО-200 и АМО-25-У4, Курским заводом им. Серёгина П-100 (аппараты с электромагнитами) и др.
За рубежом интенсивные исследования в этой области и выпуск промышленных аппаратов производят фирмы «Эпюрекс» (Бельгия, аппарат СЕРІ), «Паккард» (США), «Полар» (Англия), «Дукла» (Чехия).
Актуальность проблемы. Получение высококачественных гипсовых и известковых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами является одной из важных задач строительного материаловедения. Одним из направлений повышения качества воздушных вяжущих является управление процессами их гидратации. Существующие способы регулирования скорости гидратации воздушных вяжущих основаны на введении значительных количеств различных специфических органических и неорганических добавок, либо на изменении дисперсности исходного вещества, что приводит к повышению стоимости готовых изделий.
Вода и водные растворы являются уникальными объектами, находящимися в состоянии неустойчивого равновесия, из которого их может вывести даже слабое энергетическое воздействие - механическое перемешивание, воздействие ультразвука или магнитного поля. При этом физико-химические свойства растворов в значительной степени изменяются. Поэтому при применении магнитной обработки растворов для затворения вяжущих в производстве строительных материалов возможно добиться улучшения физико-механических характеристик изделий, таких, как прочность, морозоустойчивость и химическая стойкость. Применяемые в настоящее время методы повышения качества воздушных вяжущих не включают в себя способы магнитной активации затворителя с целью изменения структуры раствора. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляет изучение влияния магнитной обработки воды затворения на скорость процессов гидратации и твердения строительных воздушных вяжущих.
Настоящая работа посвящена изучению связи между параметрами электромагнитного поля, эффектом омагничивания, типом и количеством
9 химических добавок в воде затворения и их влияния на свойства воздушных вяжущих.
Данная работа выполнена в рамках задания Министерства РФ 1999г. по тематріческому плану НИР на тему «Исследования процессов синтеза многокомпонентных вяжущих материалов и разработка принципов ресурсосбережения и повышения экологической безопасности».
Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось изучение влияния магнитной обработки затворяющих растворов на процессы гидратации воздушных вяжущих, используемых для получения материалов из них с улучшенными физико-механическими свойствами.
С научной точки зрения важно установить взаимосвязь между характером и количеством добавок к затворяющим растворам, параметрами электромагнитного поля и эффектом магнитной обработки растворов, выражающемся в улучшении физико-механических и эксплуатационных характеристик полученных материалов. Кроме того, необходимо показать, что правильно подобранный режим слабых энергетических воздействий на вещество способен изменять не только его микро-, но и макропараметры и на длительное время фиксировать эти изменения, придавая веществу новые свойства.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: изучение процессов гидратации ионов главных подгрупп I и II групп, а также ионов подгруппы железа Периодической системы и органических соединений в водных растворах, используемых в качестве растворов затворения, в условиях воздействия постоянного вихревого магнитного поля; установление характера взаимосвязи изменений процессов гидратации вяжущих с параметрами магнитного поля; построение модели взаимодействия водного раствора и магнитного поля, учитывающей тип растворённого вещества и реальные
10 физические свойства системы «раствор - поле» и расчет оптимальных параметров магнитного поля; определение количества и типа химических добавок в затворяющую воду с целью получения воздушных вяжущих с улучшенными физико-механическими свойствами; разработка принципиальной схемы комплексной магнитно-реагентной обработки затворителя; изучение физико-механических свойств воздушных вяжущих, затворённых магнитно-активированными растворами.
Научная новизна. Установлены особенности процессов гидратации воздушных вяжущих в омагниченных растворах электролитов, заключающиеся в изменении скоростей зародышеобразования и роста кристаллов под влиянием физико-химических параметров омагниченных растворов, позволяющие направленно регулировать прочностные свойства изделий. Выявлено влияние подвижности ионов электролитов растворов затворения на прочность и сроки схватывания воздушных вяжущих, которое обусловлено воздействием магнитного поля.
Для ионов хлоридов элементов главных подгрупп I и II групп Периодической системы установлен неоднородный характер изменений степени и типа их гидратации в растворах в зависимости от размера гидратированного иона. Дня ионов с малым радиусом в результате магнитной активации усиливается степень ближней гидратации, что приводит к увеличению подвижности ионов. Для ионов большого радиуса и малого заряда возрастает степень дальней гидратации, что увеличивает размер гидратной оболочки, снижая подвижность иона, и способствует образованию крупных ионных ассоциатов, что служит благоприятным фактором для ускорения процессов кристаллизации. Установлены структурные изменения в омагниченных растворах органических спиртов, которые оказывают влияние на физико-механические характеристики продуктов гидратации воздушных вяжущих.
Установлена зависимость между напряженностью магнитного поля и степенью гидратации и подвижностью ионов в растворе, что позволило
11 получить математическое выражение для расчёта оптимальных параметров магнитного поля на основании измерения электропроводности раствора. Практическая значимость работы: определены оптимальные параметры магнитных полей и оптимальные концентрации растворов электролитов для затворения воздушных вяжущих с целью управления процессами их гидратации и улучшения физико-механических свойств изделий на их основе; разработан метод комплексной магнитно-реагентной обработки затворителя, позволяющий добиться повышения прочности на сжатие гипса на 40%; разработана принципиальная схема комплексной магнитно-реагентной обработки воды и технический регламент на получение магнитно-активированных растворов для затворения воздушных вяжущих. использование полученных научных результатов в производстве силикатного кирпича позволит снизить удельный расход извести, улучшить формуемость силикатной смеси за счёт повышения её пластичности и повысить марочность кирпича Мероприятия по использованию магнитно-активированной воды в производстве силикатного кирпича приведут к повышению его марки, что при переходе от марки 125 к марке 150 даст условный экономический эффект 1675 тыс. руб. при выпуске 100 млн. штук кирпича в год. результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе по курсам «Общая и неорганическая химия», «Химия вяжущих материалов» и «Технология композиционных материалов» для студентов специальности 25.08.00 - «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» специализации 25.08.01 -«Технология воздушных вяжущих веществ».
Положения работы, выносимые на защиту:
Появление структурных изменений в водно-спиртовых растворах в результате воздействия относительно слабого магнитного поля.
Изменения степени и характера гидратации ионов главных подгрупп I и II групп Периодической системы и ионов подгруппы железа в водных растворах в результате воздействия магнитного поля.
Оценка оптимальных параметров магнитного поля и определение количества и типа добавок в затворяющую воду с целью получения изделий с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Результаты экспериментальных исследований свойств строительного гипса и воздушной извести, полученных при затворении омагниченнои водой и омагниченными водными растворами.
Апробация работы. Результаты научной работы были представлены на следующих конференциях, совещаниях, выставках и семинарах:
Международная научно-практическая конференция «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» (Белгород, 2000г.), 2-я Международная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», (Томск, 2000г.), Международная научно-техническая конференция (Белгород, 2001г.), Всероссийская научно-практическая конференция и выставка студентов, аспирантов и молодых учёных «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2001г.), Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы строительного материаловедения: 1-е Соломатовские чтения", (Саранск, 2002).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Вклад автора. Проанализированы результаты всех лабораторных экспериментов. Предложены теоретические модели, обсуждаемые в работе.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 156 страниц и включает 71 рисунок, 25 таблиц и 105 литературных источников. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов.
В введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость работы.
13 В первой главе дан критический анализ состояния проблемы магнитной обработки водных дисперсий. Рассмотрены теоретические представления о процессах гидратации различных соединений в водной среде, а также механизмы гидратации и твердения полуводного гипса и строительной воздушной извести.
Во второй главе представлены методы физико-химических анализов, дана характеристика исследованных объектов и используемого сырья и материалов, а также приборов, применяемых для генерации и изучения параметров магнитного поля.
В третьей главе изложены основные теоретические и практические особенности процессов гидратации спиртов и некоторых неорганических соединений, предположения о характере и степени влияния магнитного поля на растворы в зависимости от их состава и концентрации и результаты исследований свойств растворов, подвергавшихся обработке в магнитных полях различных параметров.
В четвертой главе дан вывод формулы для приближенной оценки оптимальных параметров магнитного поля с учётом состава и концентрации и данных по электропроводности раствора, а также изложены результаты экспериментов по определению влияния магнитной обработки растворов затворения на физико-механические свойства строительного гипса
В пятой главе рассмотрены экспериментальные данные о влиянии магнитной обработки затворяющих растворов на процессы гидратации строительной извести, а также твердения изделий из неё.
Работа выполнена на кафедре неорганической химии БГТУ им. В.Г. Шухова. Инициатором и научным руководителем работы является д.т.н., академик РАЕ, профессор В. И. Павленко, которому автор выражает глубокую благодарность.
Автор выражает благодарность коллективу кафедры НХ БГТУ им. В.Г. Шухова за поддержку и помощь при выполнении диссертации.
Процессы гидратации неорганических соединений в водных системах
Влияние ионов на структуру водных систем связано с их гидратацией. Различают ближнюю гидратацию (взаимодействие иона с ближайшими к нему молекулами воды) и дальнюю гидратацию - поляризацию более отдалённых молекул воды. Основной вклад в теорию гидратации ионов сделан О. Я.
Самойловым, развившим молекулярно-кинетическое представление о гидратации ионов [2]. Характеристикой ближней гидратации является отношение времени пребывания молекулы воды в ближайшем окружении иона ко времени нахождения её ко времени нахождения её в положении равновесия равновесия с другими молекулами в невозмущённой структуре воды. На основании данных о растворимости солей и теплотах гидратации ионов установлено, что на связь одной молекулы воды с катионом в зависимости от его заряда ( +1, +2 или +3) приходится соответственно 42, 126 или 420 кДж/моль. В последнем случае гидратированный катион похож на химическое соединение. Вблизи одновалентных ионов время оседлого пребывания молекул воды имеет порядок 10"8 сек.
По изменению энтропии гидратации установлено, что при появлении иона в воде энтропия системы увеличивается вследствие искажения структуры воды (гидратированный ион не вписывается в сетку водородных связей). Кроме того, ионы разного радиуса и заряда по-разному влияют на подвижность молекул воды вблизи иона Ионы малого размера с большим зарядом (А13+, Mg2+) уменьшают подвижность молекул воды ближнего порядка (т.е. вблизи иона), ионы же большого радиуса с малым зарядом (К+, Cs+, Br") влияют на молекулы воды наоборот: они становятся более подвижными. Это явление получило название положительной и отрицательной гидратации [2]. Вообще, по характеру гидратации ионы можно разделить на две группы: упорядочивающие вокруг себя структуру воды (Al3+, Ве2+, Cd2+, Mg2+, Li+, S042 , F ) и разрыхляющие вокруг себя структуру воды (СЮ4_, Г, Cs+, К+, N03 ). Всё это важно, поскольку характер гидратации влияет на основные свойства водных растворов - плотность, давление пара, вязкость, электропроводность, температуры кипения и замерзания. Кроме того, степень гидратации ионов является одним из основных факторов, определяющих их подвижность и химическую активность.
В случае хорошо растворимых дифильных веществ (например, спиртов) полярная часть может замещать молекулу воды каркаса, а гидрофобный радикал - заполнять пустоты (гидрофильное внедрение). Таким образом, дифильные молекулы могут по-разному влиять на структуру и свойства воды, в том числе и стабилизировать её [3]. Это связано с размерами клатратных комплексов. Согласно представлениям Л. Полинга, в воде возможно образование гидратов газов, имеющих додекаэдрическое строение (двенадцатигранник из двадцати молекул воды с полостью диаметром 0,52 нм). Попадание в эту полость молекул или ионов близких размеров способствует стабилизации структуры системы. Так, например, в объяснении свойств реальной воды [4] большая роль отводится образованию ионами кальция гексааквакомплексов [Са(Н20)6]2+, в центре которых находится ион Са2+. Такие комплексы имеют диаметр 0,516 нм и хорошо соответствуют размерам полости клатратной структуры. Это приводит к образованию больших метастабильных ионов, стабилизирующих структуру данной системы.
Процессы гидратации играют важную роль в производстве строительных материалов, поскольку большинство современных строительных материалов (бетон, строительный гипс, строительная известь) представляют собой твердые гидраты исходного материала - вяжущего (цемента, полуводного гипса, негашеной извести).
Большинство исследователей [6, 10] объясняют твердение вяжущего возникновением кристаллического сростка гидратных новообразований, выпадающих из раствора При затворении вяжущего водой оно начинает растворяться с образованием насыщенного по отношению к вяжущему раствора В результате реакции в растворе между компонентами вяжущего и водой возникают новообразования, менее растворимые, чем исходное вещество. По отношению к этим соединениям раствор оказывается пересыщенным, вследствие чего и происходит кристаллизация этих новообразований.
Источники магнитного поля, методы магнитной обработки растворов и определение параметров магнитного поля
Исходным сырьём для получения исследуемых материалов являлись гипс строительный (полуводный) CaSO4#0,5H2O марки Г-5 БП, полученный из гипсового камня Баскунчакского месторождения и строительная воздушная известь (негашеный СаО, известь высококальциевая быстрогасящаяся) со следующими характеристиками: Гипс строительный (полуводный) CaSO4 0,5H2O марки Г-5 БП, представляющий собой высококачественное сырьё для производства строительных изделий. Основные характеристики приведены в табл. 2.1. Насыпная плотность 2340 кг/м. Цвет белый со слабым серым оттенком. Гипс находился в виде тонкого кристаллического порошка, кристаллы волокнистые, плохо сформированные. Минеральный состав представлен в основном Р-полугидратом сульфата кальция. Строительная воздушная известь (негашеный СаО, известь высококальциевая быстрогасящаяся), представляющая собой высококачественное химическое сырьё со следующими основными характеристиками (табл. 2.2.). В качестве источников магнитного поля использовались следующие приборы: . катушка статорного типа восьмиполюсная, питание - 100 - 250В пост./пер. тока 5 - 14 А, напряженность генерируемого магнитного поля Н = 55-180 кА/м (рис.2.1); . промышленный аппарат АМО - 40, представляющий собой многослойный соленоид с сердечником из магнитномягкого железа; питание 150 - 250В, сила тока 4 - 16А, напряженность поля с сердечником 120 - 200 кА/м, без сердечника по оси аппарата 85-180 кА/м; . блок питания трансформаторный переменного тока БТС - 11, напряжение на входе 205 - 225В, на выходе 100 - 250В, сила тока 5 А; . устройство зарядное для аккумуляторов УЗА - 4 с регулируемым током подзарядки, напряжение на входе 220В, сила тока 5А(переменный ток), напряжение на выходе 50 - 200В, сила тока 4 - 15 А (постоянный ток). Принципиальная схема магнитной обработки воды и растворов показана на рис. 2.3. Напряженность магнитного поля в аппарате АМО - 40 определялась по формуле где I - сила тока, х - длина катушки, yi и у2 - соответственно внутренний и внешний радиусы катушки, Т - параметр, относящийся к электрическим характеристикам катушки и определяемый экспериментально.
Напряженность магнитного поля в восьмиполюсной статорной катушке определялась по градуировочному графику (рис. 2.4), построенному с помощью прибора Ф4300. Расчёт напряженности поля производился по формуле Кроме того, была разработана и изготовлена опытная установка для магнитной обработки воды на основе аппарата АМО - 40 (рис. 2.5). Испытания проведены на метрологически аттестованном оборудовании по стандартным и специальным методикам Госстандарта РФ. При проведении исследований свойств омагниченной воды и растворов руководствовались требованиями следующих методик: Растворы спиртов приготовлялись согласно методике [104]. Растворы неорганических солей приготовлялись из сухих солей квалификации не ниже «ч.д.а.» согласно методикам [104]. Воду для приготовления растворов предварительно дистиллировали до жесткости 6 мкг-экв/л, затем подвергали обессоливанию методом катионитно-анионитовой обработки на ионитовом фильтре, заполненном катионитом КУ-2-8 и анионитом Плотность растворов определялась пикнометрическим методом согласно методике [104]. Концентрацию растворов определяли потенциометрическим методом с помощью ионоселективных электродов на приборе Электропроводность растворов определяли согласно методике [15] в стандартной ячейке с помощью моста переменного тока Магнитную восприимчивость (намагничиваемость) растворов солей определяли модифицированным методом Квинке согласно методике [3]. Физико-механические и эксплуатационные свойства гипса и извести При исследовании физико-механических и эксплуатационных свойств образцов гипса и извести, приготовленных на омагниченнои воде и растворах, руководствовались требованиями следующих нормативных документов: ГОСТ 125 - 79, ГОСТ 23789 - 79, СТ СЭВ 826 - 77, ГОСТ 9179 - 77, Стандарт ASTM (США). Испытания проведены на метрологически аттестованном оборудовании по стандартным и специальным методикам Госстандарта РФ. Плотность порошкообразных вяжущих определяли пикнометрическим методом (истинную плотность) по ГОСТ 2409-80. Предел прочности на сжатие гипса определяли по ГОСТ 23789 - 79. Водопоглощение строительного гипса измеряли по ГОСТ 2409-80. Удельный вес определяли согласно методике [104]. Сроки схватывания гипса определяли на приборе Вика согласно ГОСТ 23789-79. Теплоту гашения извести определяли по ГОСТ 9179 - 77. Скорость гашения извести определяли согласно стандарту ASTM (США).
Влияние омагничивания на водные растворы некоторых неорганических солей
Существует много гипотез, объясняющих изменения свойств омагниченных растворов и основанных на влиянии магнитного поля на процессы гидратации ионов. В самом деле, введение солей и появление среди молекул воды заряженных частиц-ионов изменяет порядок и разрушает структуру воды в тем большей мере, чем выше концентрация раствора.
Силовые поля катионов оттягивают от атомов кислорода ближайших молекул воды электронные пары, в результате чего заполняются свободные энергетические уровни в катионах и последние оказываются более или менее прочно связанными с молекулами воды, непосредственно прилегающими к иону (ближняя гидратация). В случае анионов связи с молекулами воды возникают вследствие оттягивания электронных пар внешних электронных слоев анионов протонами воды.
В отличие от чистой воды, где благодаря равноценности связей между всеми молекулами воды процессии в идентичных атомах практически одинаковы, в растворах и в других водно-дисперсных системах ввиду различия поляризации молекул воды электрическими полями ионов идентичные атомы и их электронные облака при наложении внешнего магнитного поля не прецессируют с одинаковой частотой. Поляризация электронных облаков в молекулах, составляющих непосредственное окружение иона и в свободных молекулах, далеко отстоящих от иона и сохраняющих структуру воды, оказывается различным. Ввиду неодинаковой магнитной восприимчивости частиц в растворе (водно-дисперсной системе) индуцированные магнитные моменты, равные произведению магнитной восприимчивости на напряжённость внешнего магнитного поля, в разных точках для разных частиц также будут отличаться друг от друга.
Существенное значение должны иметь действующие при перемещении раствора в магнитном поле электрические поля. Они имеют направленность, способны вызывать асимметрию электронных облаков ионов (поляризацию ионов) и колебаний связанных с ними молекул воды, следовательно, и возникновение временных результирующих диполей ионов. Эти поля при известных условиях (в случае в случае легко поляризуемых ионов, к которым относятся атомы кислорода в молекулах воды и в гидроксиле) могут нарушить закономерность колебаний связанных с ионом молекул воды, вызвать сближение молекул с ионом и привести к перестройке окружения иона в направлении уменьшения количества связанных с ним молекул воды, т.е. к уменьшению степени гидратации.
Таким образом, наиболее значительных изменений структуры и свойств под влиянием кратковременных воздействий магнитных полей следует ожидать для растворов, содержащих сильно поляризующие и легко поляризуемые ионы. Поскольку поляризующее влияние и поляризуемость различных ионов неодинаковы, частоты прецессии электронных оболочек атомов и смещение электронных облаков в молекулах воды различны. В силу этого действие магнитного поля на раствор должно зависеть от природы растворённых веществ и их концентрации, а так как магнитные восприимчивости ионов выше этого показателя для воды [22], то наибольшее влияние магнитное поле должно оказывать на ионы. Эффект воздействия магнитного поля на растворы электролитов должен быть пропорционален магнитной восприимчивости ионов.
Катионы с положительной гидратацией (малый радиус и большой положительный заряд) стабилизируют структуру, а с отрицательной -разрушают её, поэтому введение солей, растворяющихся с экзотермическим тепловым эффектом, при магнитной обработке должно сопровождаться его уменьшением. В этом случае степень дальней гидратации должна уменьшаться, а при растворении солей, характеризующихся эндотермическим эффектом растворения и содержащих ионы, обладающие отрицательной гидратацией, возрастать. Эти предположения подтверждены экспериментально.
Интересны результаты экспериментов по оценке изменения кинетики растворения неорганических солей под влиянием магнитных полей как на сам раствор, так и на растворитель. Основным параметром оценки кинетики растворения служила скорость достижения определённой концентрации, для чего непрерывно производились измерения показателя рК: где [Кп!] - концентрация катиона К.
В эксперименте для нивелирования влияния аниона были взяты хлориды элементов главной подгруппы первой группы и катиона аммония. Для измерений использовался иономер Pi-120 и ионселективные электроды. Вода для растворения предварительно обессоливалась на катионитовом и анионитовом фильтрах до значения электропроводности 57 мкСм/м. Результаты эксперимента показаны в табл. 3.3.
Подобным образом проводились эксперименты по определению изменения кинетики растворения тех же солей при обработке магнитным полем непосредственно в процессе растворения. Вода для растворения помещалась в однородное магнитное поле напряжённостью 143 кА/м, в неё одновременно вводилась навеска соли и ионселективный электрод на расстояние 10 см от навески, перемешивание не производилось. Результаты эксперимента показаны в табл. 3.4.
Строительный гипс на основе омагниченной обессоленной воды
Одновременно проводились испытания на скорость гашения и температуру гашения извести. Как выяснилось, время гашения в тесто уменьшается, а теплота гашения увеличивается (рис. 5.2, 5.3). Кривые зависимостей времени гашения и температуры гашения от напряженности поля зеркально симметричны. Это свидетельствует о том, что магнитная активация воды ускоряет процесс гидратации негашеной извести, который протекает с большей интенсивностью. Кривые носят полиэкстремальный характер, что может быть связано со структурным состоянием воды, фиксируемым магнитным полем.
Пластичность теста, полученного на основе омагниченной воды, выше пластичности теста, в котором вода не подвергалась магнитной активации, и составляет 10 встряхиваний. Увеличение пластичности теста связано с увеличением дисперсности частиц погасившейся извести и повышением их оводнённости с одновременным изменением структурных свойств воды.
Введение в воду гашения малых количеств спиртов замедляет скорость гашения извести [11]. Вместе с тем при добавлении спиртов улучшается качество теста, повышается его пластичность и удобоукладываемость. Однако при гашении извести в пушонку добавление спиртов нежелательно, так как снижается дисперсность продукта гидратации. При магнитной обработке спиртовых растворов гашения не обнаружено изменения качества продуктов гидратации извести, выходящее за пределы ошибки измерений, по сравнению с растворами, не подвергавшимися магнитной активации, за исключением небольшого повышения пластичности. Это можно объяснить тем, что намагниченность растворов спирта с повышением температуры снимается из-за тепловой структурной перестройки раствора, обусловленной разрывом и перераспределением водородных связей, и раствор переходит в термодинамически равновесное состояние. При гидратации же извести происходит быстрый и резкий подъём температуры на 30 - 40С за первую минуту, что достаточно для снятия намагниченности раствора.
Введение добавок электролитов сильно изменяет кинетику гашения извести. Известно, что введение некоторых электролитов, дающих при взаимодействии с известью более растворимые соединения, чем Са(ОН)2, ускоряет гашение извести. К таким добавкам относятся хлориды лития, натрия, калия, кальция. При магнитной обработке растворов электролитов изменяются их свойства, что должно отражаться на свойствах конечного продукта. При гашении извести омагниченными растворами хлоридов лития, натрия, калия, цезия и аммония наблюдалось значительное увеличение скорости гашения извести по сравнению с использованием неомагниченных растворов.
Максимальное увеличение скорости гашения для 0,01М растворов лития, натрия и калия наблюдалось в области 130-140 кА/м, цезия и аммония - в области ПО - 120 кА/м (рис. 5.4). Практически время гашения уменьшалось почти вдвое по сравнению с гашением чистой водой и проходило полностью за 3,5 - 4 мин. Для растворов хлоридов лития, натрия и калия эти максимумы совпадают с минимумом электропроводности (рис. 3.8). По-видимому, магнитная обработка, стимулируя процесс гидратации ионов соли в растворе, создаёт условия для ускоренной кристаллизации гидроксида кальция, что и обусловливает ускорение процесса гашения.
При гашении извести в тесто растворами электролитов наряду с ускорением гашения наблюдался значительный подъём температуры (рис. 5.5). Вместе с тем пластичность теста значительно снижалась, составляя 15 и даже 17 по методу встряхиваний. Добавки электролитов вообще отрицательно влияют на пластичность теста, поскольку пластичность зависит от размера частиц Са(ОН)2, оводнённости и наличия в воде затворения растворённых веществ. Диффузные оболочки, окружающие частицы Са(ОН)2, уменьшают трение и увеличивают подвижность зёрен, сообщая тесту пластичность. Чем крупнее частица, тем меньше оводнённость теста, тем тоньше диффузные гидратные слои и тем менее пластично тесто. Электролиты ухудшают пластичность теста, разряжая коллоидные мицеллы, что приводит к отрыву диффузных слоев. Таким образом, ускорение гашения более чем в два раза под влиянием магнитной обработки растворов гашения приводит к снижению качества теста.
