Новости химической науки > Первые секунды жизни здания

Независимо от того, имеем ли мы дело с крупным комплексом построек, отдельно стоящим небоскребом или подземным гаражом, современное строительство не может обойтись без такого материала, как бетон, компоненты которого связываются друг с другом с помощью цемента.

Для того, чтобы знать, уметь предсказывать и контролировать свойства бетона, необходима информация о процессах, протекающих при затвердевании бетона. Немецким исследователям удалось наблюдать «первые секунды жизни» бетона с помощью метода дифракции рентгеновских лучей. Полученные результаты позволяют объяснить роль суперпластификаторов, добавляемых к бетону.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2012, DOI: 10.1002/anie.201200993

Бетон получают смешением песка, гравия, добавок и цемента. Портланд-цемент представляет собой смесь тонко измельченных известняка, глины, песка и железной руды – в основном – силиката кальция с примесями производных алюминия и железа, главным образом – сульфатов. При смешении цемента с водой вода и другие компоненты цемента вступают в химические реакции, и цемент затвердевает, по завершению процесса оставаясь твердым даже при контакте с водой или под водой. Уникальная стабильность бетона обусловлена существованием иглообразных кристаллов, образующихся во время процесса затвердевания – эти иглы оказываются весьма прочно сцепленными друг с другом. Для оптимизации свойств бетона применяются различные добавки, включая суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов [polycarboxylate (PCE)]. Эти суперпластификаторы улучшают текучесть бетона, облегчая его перемешивание и отливку. Для увеличения предела прочности бетона на сжатие в исходной рецептуре может быть понижено содержание воды.

Руководитель исследования Франциска Эммерлинг (Franziska Emmerling) отмечает, что детальная информация о различных стадиях процесса гидратации необходима для более полного понимания того, как этими процессами можно управлять. По ее словам, в настоящее время исследователям в особенности не хватает информации о самом начале процесса гидратации. Исследователи предполагают, что критически важным этапом начальной стадии является быстрое инициирование реакции компонента цемента C3A (Ca₃Al₂O₆) с сульфатом (SO₄^2-) с образованием эттрингита (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂˙26H₂O). C помощью рентгеновской дифракции высокого разрешения исследователи смогли проследить за этой реакцией в миллисекундной временной шкале. Рассеивание рентгеновских лучей во время их прохождения через образец позволяет определить его кристаллическую структуру. Для того, чтобы на информацию об образце не накладывалась информация о материале материала подложки анализируемый образец находился в подвешенном состоянии за счет воздействия на него звуковых волн.

По словами Эммерлинг, проведенный эксперимент также позволяет уточнить функции поликарбоксилатных суперпластификаторов – сразу после контакта воды с цементом суперпластификатор адсорбируется на поверхности C3A; частицы остаются суспендированными из-за взаимного отталкивания. На следующем этапе суперпластификатор постепенно замещается сульфат-ионами, что замедляет кристаллизацию эттрингита. Это обстоятельство приводит к тому, что в системе остается большее количество свободной воды, способной растворять кристаллические соединения – в результате этого бетон может сохранять текучесть в течение более длительного периода, и помимо этого, становится более плотным.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2012, DOI: 10.1002/anie.201200993

метки статьи: #аналитическая химия, #межмолекулярные взаимодействия, #неорганическая химия, #физическая химия, #химическая технология, #химия поверхности