Влияние воды и пористости изделий на их морозостойкость

Морозостойкие керамические материалы

Анализируя влияние пористости изделий на их морозостойкость, следует учитывать отличие свойств воды, адсорбированной на поверхности стенок пор, от свойств обычной (объемной) воды.

В воде и во льду каждая молекула Н2О имеет четыре соседних молекулы. В воде межмолекулярное взаимодействие определяется водородными связями, которые обеспечивают более плотную упаковку молекул, чем во льду. Длина водородной связи в воде составляет 0,185 нм.

Структура воды определяется единой сеткой водородных связей, чья энергия распределена статистически. В системе молекул происходят меж- и внутримолекулярные переходы протонов, сопровождающиеся синхронными колебаниями дипольных молекул воды с частотой  1 013 Гц в достаточно больших объемах (до 10 мкм3).

Вода, адсорбированная на поверхности твердого тела (пленочная вода), как показывают многочисленные экспериментальные данные, значительно отличается по своим свойствам от объемной воды. Структурные изменения поверхностных слоев воды обусловлены энергетическим влиянием твердого тела (подложки). Вследствие напряженности водородных связей область ее измененной структуры может иметь значительную протяженность. Расстояния, на которые действуют поверхностные силы твердого тела, изменяющие строение и свойства воды, уменьшаются при снижении гидрофильности подложки и повышении температуры.

Исследования методами ЯМР и ДТА систем кальцит-вода, флюорит-вода и глина-вода позволили установить, что дальнедействующее влияние поверхностных сил, исходящих от твердого тела, на структуру и свойства воды проявляется на значительных расстояниях и выражается в изменении степени подвижности молекул воды в тонких смачивающих пленках и порах. При этом в граничных слоях жидкости возникает квазикристаллическая структура.

Рассматривая свойства пленочной воды, следует подчеркнуть важную роль твердой фазы – адсорбента. Именно действие сил, исходящих от его поверхности, определяет формирование структуры и особенностей пленочной воды.

Температурный минимум объема (максимальная  плотность) воды, адсорбированной на поверхности слюды, при толщине пленки 0,6 мкм сдвигается в область отрицательных температур и располагается в интервале от  –10 до –20 °C. При толщине водных пленок более 1 мкм температурный минимум объема соответствует +4 °C, т.е. объемной воде. Изменение структуры воды обусловливает кинетические препятствия для ее кристаллизации. Тонкие водные пленки, прилегающие к поверхности горных пород, длительное время могут находиться в жидком состоянии при температуре значительно ниже 0 °C.

Очевидно,  при образовании льда в порах ближайшие к  поверхности твердых стенок слои воды будут находиться в жидком или квазижидком состоянии.

При этом возможны следующие ситуации. При радиусе пор, равном 0,1…0,2 мкм (диаметр пор до 0,4…0,5 мкм), вследствие сильного действия поверхности твердого тела образование льда очень затруднено, практически невозможно. При большем радиусе образование льда возможно, причем с увеличением радиуса оно будет протекать интенсивнее.

Следует учитывать, что при образовании льда объем увеличивается. Плотность льда при 0 °C составляет 0,917 г/см3, а плотность воды при 20 °C – 0,998 г/см3. Таким образом, 1 г воды при замерзании увеличивает объем на 8,8 %.