Направленное структурообразование бетона

Получение бетона с заранее заданными свойствами представляет для строителей задачу первостепенной практической важности. Поэтому, естественно, что многие исследователи уделяют большое внимание направленному структуреобразованию бетона.

Многие работы известных ученых [10] посвящены управлению конечными свойствами цементного камня и бетона на основании представлений физико-химической механики путем воздействий на начальном этапе процесса структурообразования. Так отмечено, что механические воздействия, прикладываемые в оптимальное время, способствуют максимальному конечному упрочнению бетона и снижению вероятности образования дефектов в структуре затвердевшего цементного камня. Оптимальное время приложения механических воздействий находится в интервале между сроками схватывания цемента и совпадает с окончанием периода формирования структуры.

Размеры и формы развивающихся гидратов, пространственное строение образующихся структур зависят от механических воздействий, введения в систему адсорбирующихся ПАВ, от действия электролитов, структурообразующих малых добавок минеральных примесей, а также магнитно-механических воздействий, изменяющих структуру воды затворения и ее физико-химические свойства [10] .

Современные представление о структуре воды и её влияние на формирование свойств цементного камня и бетона.

Структура воды

Атомы водорода и кислорода, из которых состоит природная вода, или, точнее, оксид водорода, могут иметь различный атомный вес и значительно отличаться друг от друга по своим физическим и химическим свойствам, хотя и занимают в периодической системе элементов одно и то же место [11].

Это изотопы. Известны пять различных водородов с атомными весами 1, 2, 3, 4, 5 и три различных кислорода с атомными весами 16, 17 и 18. Ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомные массы изотопов различны [11]. Вокруг ядра атома водорода вращается один единственный электрон, поэтому атомный номер водорода равен единице. Этот электрон вращается по круговым орбитам, в совокупности образующим сферу.

У атома кислорода 8 электронов (атомный номер 8), 6 из которых движутся по наружным орбитам, представляющим форму восьмерки или гантели, и 2 по внутренней круговой орбите. В соответствии с количеством электронов в ядре атома кислорода 8 протонов, таким образом, сам атом в целом нейтрален.

Наиболее устойчивой наружной орбитой атома является орбита, состоящая из 8 электронов, а у кислорода их 6, т, е., не хватает 2 электронов. В то же время водород, как и кислород, существует в молекулах, содержащих 2 атома (Н₂), связанных между собой двумя электронами, которые легко замещают вакансию двух электронов наружной орбиты атома кислорода, образуя в совокупности молекулу воды, с полной устойчивой восьмиэлектронной наружной орбитой (рис 2.).

Рис. 2. Схема образования молекулы воды (б) из 1 атома кислорода и 2 атомов водорода (а)

Размеры атомов различных элементов колеблются примерно от 0,6 до 2,6 А, а величины длины световой волны - в несколько тысяч раз больше: 4,5 10^-5 - 7,7 10^-5см. К тому же и атомы, и молекулы не имеют четких границ, чем и объясняется существующий диапазон вычисленных радиусов.

В молекуле воды положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно, асимметрично. Такое расположение зарядов создает полярность молекулы. Хотя молекула воды нейтральна, но в силу своей полярности она ориентируется в пространстве с учетом тяготения своего отрицательно заряженного полюса к положительному заряду и положительно заряженного полюса к отрицательному заряду.

Способность воды растворять твердые тела определяется ее диэлектрической проницаемостью e, которая у воды при 0° С равна 87,7; при 50° С - 69,9; при 100° С - 55,7. При комнатной температуре диэлектрическая проницаемость равна 80. Но вода состоит не только из одних молекул. Молекула воды может диссоциировать (расщепляться) на заряженный положительно ион водорода Н⁺ и на заряженный отрицательно гидроксильный ион ОН^-. Хотя вода в целом в химическом отношении инертна, наличие ионов Н⁺ и ОН^- делает ее чрезвычайно активной.

Модели структуры воды

Известно несколько моделей структуры чистой воды, начиная с простейших ассоциатов, льдоподобной модели и желеподобных масс, свойственных полипептидам и полинуклеотидам, - бесконечно и беспорядочно разветвленный гель с быстро возникающими и исчезающими водородными связями [11]. Выбор определенной модели жидкой воды зависит от изучаемых свойств. Каждая модель передает те или иные характерные особенности ее структуры, но не может претендовать как на единственно правильную (рис.3).

Рис. 3. Элементы структуры жидкой воды: а - элементарный водный тетраэдр (светлые кружки - атомы кислорода, черные половинки - возможные положения протонов на водородной связи);

б - зеркальносимметричное расположение тетраэдров;

в - центральносимметричное расположение; г - расположение кислородных центров в структуре обычного льда

Большему количеству экспериментальных данных отвечает льдоподобная - модель О. Я. Самойлова [11]. Согласно этой модели, ближняя упорядоченность расположения молекул, свойственная воде, представляет собой нарушенный тепловым движением льдоподобный тетраэдрический каркас, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. При этом молекулы воды, находящиеся в пустотах льдоподобного каркаса, имеют иную энергию, чем молекулы воды в его узлах. Для структуры воды характерно тетраэдрическое окружение ее молекул. Три соседа каждой молекулы в жидкой воде расположены в одном слое и находятся на большем от нее расстоянии (0,294 нм), чем четвертая молекула из соседнего слоя (0,276 нм). Каждая молекула воды в составе льдоподобного каркаса образует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центральносимметричных (менее прочных) связи. Первая относится к связи между молекулами воды данного слоя и соседних слоев, остальные - к связям между молекулами воды одного слоя. Поэтому четвертая часть всех связей - зеркальносимметричные, а три четверти центральносимметричные. Представления о тетраэдрическом окружении молекул воды привели к выводу о высокой ажурности ее строения и наличии в ней пустот, размеры которых равны или превышают размеры молекул воды.

Жидкая вода характеризуется значительными силами межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, которые образуют пространственную сетку. Водородная связь обусловлена способностью атома водорода, соединенного с электроотрицательным элементом, образовывать дополнительную связь с электроотрицательным атомом другой молекулы. Водородная связь относительно прочна и составляет несколько килоджоулей на моль. По прочности она занимает промежуточное место между энергией Ван-дер-Ваальса и энергией типично ионной связи.