О некоторых поверхностных явлениях в цементных системах

В химии и химической технологии фазой называется совокупность тех частей системы, которые одинаковы но составу и по всем свойствам и отделены от остальных частей системы поверхностью раздела. Так, цементный строительный раствор в момент изготовления — это система, состоящая из различных компонентов, в том числе цемента, песка, воды. Каждое твердое вещество в данном случае представляет собой отдельную фазу независимо от его распределения в системе. В приведенном примере каждое зерно песка может быть отделено от других песчинок прослойками воды, частицами цемента, но так как по составу и свойствам песчаные зерна практически не отличаются одно от другого, то их рассматривают как одну фазу. Равным образом и все частицы цемента, вводимого в состав строительного раствора, считаются другой твердой фазой.

Зерна цемента имеют размеры главным образом 1—50 мкм, т. е. они очень малы. Чем дисперснее вещество, тем больше его удельная поверхность. Удельная поверхность цементов, определяемая по методу воздухопроницаемости, составляет в среднем 3000— 3500 см²/г. Этот метод вполне пригоден для практических нужд и нм повсеместно пользуются. Однако он не является достаточно точным, так как не отражает истинной поверхности цементных зерен, обычно имеющих развитый микрорельеф, микротрещины и микрощели. По этой причине реальная микрогеометрическая поверхность цементной частицы во много раз больше ее кажущейся геометрической поверхности. Значительно более достоверными являются показатели удельной поверхности, определяемые по адсорбции азота. Пользуясь этим методом, Б. В. Киселев и К. Г. Красильников показали, что удельная поверхность современных цементов составляет в среднем около 20 000 см²/г. Нетрудно подсчитать, что суммарная поверхность цементного порошка, идущего на изготовление 1 м³ бетона при расходе цемента 400 кг/м³, составляет 800 000 м². А если сюда добавить еще поверхность заполнителей (их удельная поверхность значительно меньше, чем цемента), то окажется, что поверхность частиц твердых фаз в 1 м³ бетонной смеси приближается к 1 км².


Допустим, что при изготовлении 1 м³ бетонной смеси вводят 180—190 л воды. Теоретически такое количество воды нужно распределить на указанной огромной поверхности твердых частиц и получить практически однородную смесь. Смешивание компонентов — одна из важных задач в технологии бетонов и строительных растворов. В частности, равномерное перемешивание способствует более полному и быстрому физико-химическому взаимодействию цементных частиц с водой. Вода, вводимая в бетонную смесь при ее изготовлении, должна прежде всего равномерно и притом тончайшим слоем смочить всю суммарную поверхность цементных частиц и заполнителей. Но вода обладает значительным поверхностным натяжением, т. е. между молекулами воды, находящимися в ее поверхностном слое на границе раздела фаз, действуют значительные силы сцепления, препятствующие ее растеканию. Так как из всех геометрических тел шар обладает наименьшим отношением поверхности к объему, т. е. отличается наиболее «экономным» развитием поверхности, то именно благодаря поверхностному натяжению жидкость в свободном состоянии стремится не растекаться в тонкую пленку, а образовывать шарообразные капли. Это мы наблюдаем повседневно при медленном выливании жидкости из какого-либо сосуда, при попадании воды на горячую поверхность (образуются отдельные капли), при растекании ртути, при выпадении атмосферных осадков в виде дождя. Следовательно, большое поверхностное натяжение воды препятствует ее равномерному распределению на твердых частицах бетонной смеси.

Некоторые вещества, а именно поверхностно-активные, способны существенно снижать поверхностное натяженне воды у данной поверхности раздела фаз, например на границах раздела фаз вода—твердое тело, вода—воздух. Известный физико-химик Перреи приводит наглядный пример, характеризующий эффект от понижения поверхностного натяжения воды, — получение мыльных пузырей. Можно раздуть мыльный пузырь диаметром даже более 20 см. Это удается сделать потому, что на обеих сторонах тончайшей водяной оболочки пузыря находятся молекулы ПАВ. В таком состоянии слой воды не стремится сжаться, а наоборот, легко поддается растяжению, становясь как бы подобным резине.

Таким образом, добавки ПАВ, снижая поверхностное натяжение воды, тем самым облегчают равномерность ее распределения тонким слоем на поверхности твердых тел.