Коллоидные системы и их роль в строительстве

Дисперсные системы, в которых размеры частиц дисперсной фазы имеют размеры от 100 до 1 нм, называются коллоидными системами {растворами).

Коллоидные растворы чрезвычайно широко распространены в природе. Они входят в состав как неживого, так и живого вещества и по агрегатному состоянию могут быть жидкими, полужидкими и твердыми. Коллоиды составляют основу строительных конструкций.

Дисперсионной средой коллоидных систем является жидкость (преимущественно вода), иногда — газ. Дисперсная фаза коллоидных растворов представлена твердым веществом. Коллоидные пылеватые частицы твердого вещества в воздухе — пример газообразных коллоидных систем. Коллоиды подразделяют на лиофильные, лиофобные, золи, гели и др.

Лиофобными (гидрофобными) коллоидными системами называют системы, в которых между коллоидом и молекулами растворителя практически отсутствует химическое взаимодействие (например, коллоиды серы в воде).

Лиофилъными (гидрофильными) коллоидными системами называют системы, в которых между коллоидом и молекулами растворителя реализуется химическое взаимодействие.

Гидрофильные коллоиды подразделяют на молекулярные и мицеллярные коллоидные системы.

Молекулярные коллоиды являются растворами высокомолекулярных химических соединений: полисахаридов, белков и др.

Мицеллярные коллоидные системы состоят из растворителя и мицелл, образованных нерастворимым веществом, при этом между мицеллой и молекулами растворителя осуществляется химическое взаимодействие.

Мицелла состоит из заряженной гранулы и диффузного (размытого) слоя противоионов. Гранула образована ядром (нерастворимым веществом) и адсорбированного на нем (поглощенного поверхностью ядра) слоя ионов. Непосредственно на ядре содержатся потенциалопределяющие ионы, на которых адсорбируются противоионы. Потенциалопределяющими могут быть только те ионы, которые входят в состав ядра.

На грануле возникает заряд, равный разности между общим зарядом адсорбированных потенциалопределяющих ионов и адсорбированных противоионов; знак заряда гранул такой же, как и потенциалопределяющих ионов.

Общая схема строения мицеллы.

Рассмотрим строение мицеллярной коллоидной частицы, образованной кремниевой кислотой, которая получена при взаимодействии силиката калия и соляной кислоты, взятой в избытке:

Ядро образовано кремниевой кислотой. Так как в избытке взята соляная кислота, то потенциалопределяющими ионами будут ионы Н⁺, а противоионами — ионы С1~. Отсюда строение мицеллы:

Если в избытке был взят силикат калия, то в этом случае потенциалопределяюшими ионами будут ионы SiO^^-. Строение мицеллы можно выразить формулой.

Мицеллярные коллоиды составляют основу твердеющего портландцемента и других вяжущих.

Золи — коллоидные системы, у которых структура практически не отличается от таковой для растворителя.

Вязкость и консистенция золей практически совпадают с таковыми для растворителей. Золями являются золи гидроксида алюминия, кремниевой кислоты и др.

Гели (студни) — коллоидные системы, структура которых значительно отличается от структуры растворителя.

Ими являются мышцы, сухожилия, хрящи и кости животных, бетон и др.

Важнейшим свойством коллоидных систем является коагуляция, внешним признаком которой является седиментация.

Расслоение коллоидной системы, сопровождающееся выпадением осадка, называется седиментацией.

Коагуляция — укрупнение коллоидов за счет их слипания.

Коагуляция бывает скрытой и явной. Признаком явной коагуляции является седиментация, наблюдаемая невооруженным взглядом. Коагуляция приводит к разрушению коллоидной системы. Она бывает обратимой и необратимой.

Обратилюй называют коагуляцию, которая сопровождается восстановлением структуры исходной коллоидной системы после удаления или нейтрализации фактора, ее вызвавшего.

Необратимой называют коагуляцию, в результате которой невозможно восстановление структуры исходной коллоидной системы после нейтрализации фактора, ее вызвавшего.

Коагуляция имеет большое значение в строительстве при твердении вяжуших. Технологические операции в строительстве сопровождаются тиксотропией — переходом геля в золь при механическом воздействии и обратным переходом золя в гель после прекращения механического воздействия. Тиксотропия реализуется при формовании строительных конструкций из бетона: свежеприготовленная бетонная смесь быстро превращается в гель, который подвергается вибрированию, превращается в золь и заполняет все пустоты в форме; далее вибрацию прекращают, золь становится гелем и затвердевает. Аналогичные явления наблюдаются при использовании красок в строительстве: краска перед нанесением ее на поверхность является гелем, ее интенсивно перемешивают, переводя в золь. При нанесении краски на поверхность она вновь переходит в гель и нс стекает с нанесенной поверхности.