Современный бетон представляет собой монолитное тело, состоящее из наполнителей в виде песка и щебня, склеенных цементом. Древние строители не знали цемента и склеивали песок и щебень глиной, гипсом или известью. Прочность такого бетона, особенно известкового, была вполне достаточной для древних построек. Некоторые древние сооружения из бетона поражают нас своими размерами и совершенством. Так, действительно кажется удивительным, что знаменитый римский Пантеон был перекрыт бетонным куполом диаметром более сорока метров. Но подобные сооружения были большой редкостью. Дело в том, что и глина, и гипс, и известь постепенно теряют свои склеивающие свойства при реакциях с водой, поэтому бетон древних расползался под воздействием дождей и туманов.
Строители древней Руси вводили в известь, идущую на изготовление бетона, толченый кирпич или бой обожженной глиняной посуды. Такие добавки (их называли цемянкой) хотя и увеличивали водостойкость бетона, на прочность и стойкость оказывали недостаточное влияние. В начале прошлого века наш соотечественник Е. Челиев впервые изготовил цемент, ставший основным клеящим веществом в процессе производства бетона.
Изготавливают цемент из смеси известняка с глиной, чаще всего берут 70—75% известняка и 25—30% глины. Для производства цемента часто употребляют доменные шлаки, глинистые сланцы, золу горючих сланцев и др. Приготовленную и тщательно перемешанную смесь подвергают обжигу в громадных вращающихся цилиндрических печах, температура обжига достигает 1500°С. Полученные зерна спекшейся смеси размалывают, получая мелкую пыль, затем вводят туда некоторые добавки (гипс и др.), повышающие качество цемента.
В процессе обжига составляющие цемент вещества теряют воду, в том числе и находящуюся в химическом соединении с ними. Благодаря этому цемент получает способность вступать в химические реакции с водой'.
Для изготовления бетона на 1 весовую часть цемента берут 2—3 части песка и 3—5 частей щебня, добавляют в полученную смесь воды и тщательно перемешивают. Готовую бетонную массу помещают в форму, соответствующую конфигурации и размерам изделия, и оставляют затвердевать.
Рассмотрим, что же происходит внутри бетонной массы при затвердевании.
При смешивании цемента с водой между ними начинается химическая реакция. При этом вокруг каждой пылинки цемента образуется слой продуктов реакции в виде студенистой массы, называемой гелем. Гель склеивает между собой песчинки и кусочки гравия. Химическая реакция теперь идет уже как между пылинками цемента и водой, так и между образовавшимся гелем и поверхностью зерен заполнителей — песка и гравия. В результате этих реакций гель постепенно теряет воду, и входящие в состав цемента химические соединения начинают образовывать кристаллы. Бетонная масса твердеет, постепенно превращаясь в твердый камнеобразный монолит.
На рисунке 23 изображено при большом увеличении внутреннее строение бетона после его отвердевания. Поверхность каждого куска щебня 1 разъедена в результате взаимодействия с гелем, причем так, что на ней возникли микроскопические кристаллики щебня, которые переплелись кристаллами, возникшими в геле 2, а последние в свою очередь переплелись с кристалликами, образовавшимися на поверхности зерен песка 3. Промежутки между кристалликами заполнены еще не прореагировавшим гелем 4 и даже не успевшими раствориться зернами цемента 5. Но на этом не остановилось протекание химических реакций во внешне затвердевшем бетоне, хотя оно затрудняется по мере возрастания числа и размеров образующихся кристаллов. По мере затвердевания
бетона эти реакции идут все медленнее и продолжаются годами и даже десятилетиями, а монолит бетона становится от этого все прочнее и тверже.
От каких же особенностей внутреннего строения бетона зависит его прочность и какой из образующих его частей она определяется?
Прочность щебня, идущего на изготовление бетона, обычно выбирают такой, чтобы она была в 2—3 и более раз больше прочности готового бетона, поэтому обычно не качество щебня определяет свойства бетона. Кварцевый песок, идущий на изготовление бетона, также во много раз прочнее последнего и, конечно, не его прочность определяет свойства бетона. Наименьшей прочностью из всех составляющих бетона обладает водоцементная смесь, вернее, то кристаллическое вещество, которое образуется в результате реакции цемента с водой. Отчего же зависит прочность этого вещества.
В первую очередь она зависит от количества воды в смеси. Если воды много, то в процессе затвердевания бетона она будет испаряться и создавать пузырьки, заполненные водяным паром или воздухом в массе выросших кристаллов. Эти пузырьки будут снижать прочность бетона в целом. Значит, количество воды следует брать возможно меньшим.
Но чем меньше воды, тем гуще будет водоцементная смесь и тем хуже она будет проникать в промежутки между частицами щебня и песка. Кроме того, при малом количестве воды может случиться так, что в результате испарения воды запасы ее в бетоне иссякнут прежде, чем зерна цемента успеют прореагировать с ней до полного растворения.
Как же можно разрешить эти противоречия? Очевидно, нужно уменьшить размеры пылинок цемента, тогда сократится и время их растворения. С одной стороны, это обеспечит успешное протекание реакции цемента с водой за такое время, пока мало еще испарится воды. С другой стороны, увеличение количества мелких зерен цемента приведет к появлению большего числа меньших по размеру кристалликов. Выше говорилось, что чем меньше кристалл, тем большее напряжение он выдерживает. Значит, измельчение зерен цемента приведет к упрочнению бетона.
Необходимо также обеспечить проникновение водоцементной смеси по возможности во все промежутки между частицами щебня и песка. Осуществляют это путем обработки бетонной массы вибраторами, которая не только улучшает проникновение водоцементной смеси в промежутки, но и способствует уменьшению промежутков, тем самым уплотняя бетон. Уплотнившийся бетон получается более прочным.
Прочность бетона возрастает при использовании специально подобранных песка и щебня: поверхность их зерен должна быть, возможно, более шероховатой, а состав таким, чтобы реакция между ними и гелем шла, возможно, более интенсивно. В результате сцепление между песчинками и частицами щебня возрастает, и бетон получается более прочным. Современные бетоны имеют прочность на сжатие 600—700 — и более. Но бетон очень плохо противостоит растяжению. О том, как строители борются с этим его недостатком, будет рассказано дальше.
2.2.Синтетические материалы
К числу основных синтетических материалов по важности свойств и масштабам их получения относят синтетический каучук, пластические массы и искусственные волокна.
Непрерывный и очень быстрый рост производства этих материалов во всем мире позволяет предположить, что уже в ближайшие десятилетия их выпуск должен достичь масштабов выплавки металлов.
Синтетические материалы — это высокомолекулярные органические соединения. Каждая молекула таких веществ содержит громадное количество атомов углерода и водорода, причем сочетание их бывает самым разнообразным. Молекулярный вес таких молекул-гигантов может достигать сотен тысяч, а иногда миллионов кислородных единиц.
Существенным свойством таких соединений является возможность даже при одинаковом составе входящих в молекулу атомов создавать различную структуру молекул. Вещества, имеющие одинаковый состав и молекулярный вес, но различную структуру молекул, называют изомерами. Высокомолекулярные синтетические вещества можно получать различными способами.
Можно химическими реакциями соединить в единое целое несколько (иногда очень большое количество) молекул одного и того же вещества. Такой процесс называют полимеризацией, а полученные вещества — полимерами.
Полученное вещество по своим качествам будет резко отличаться от исходного, хотя никаких посторонних примесей в него при этом и не вводится. Из одних и тех же исходных продуктов, объединяя их в молекулы различной структуры, можно получать полимеры самых разнообразных свойств.
Высокомолекулярное синтетическое вещество может быть создано путем взаимодействия нескольких химических соединений. Такой процесс называют поликонденсацией.
Широкое распространение в настоящее время получил капрон, исходным сырьем для которого служит каменный уголь. Полученные из угля фенол и карболовая кислота образуют соединение, называемое капролактамом.
Молекулы капролактама полимеризуют в молекулы-гиганты под действием высокой температуры и давления. Нагретый капролактам пропускают через маленькие отверстия и охлаждают в струе воздуха. Полученные капроновые нити имеют еще недостаточную прочность. Дело в том, что нитевидные молекулы капрона еще не распрямлены и расположены не вдоль оси полученной нити. Эту нить растягивают в 5 — 6 раз на специальных машинах. При этом молекулы капрона выпрямляются и располагаются вдоль оси нити. Прочность нити заметно возрастает. Аналогичным образом из угля, воды и азота воздуха получают другой синтетический материал — нейлон.
Прочность капроновых, и нейлоновых нитей на, растяжение равна прочности хорошей конструкционной стали. Кроме того, эти материалы обладают гораздо большей эластичностью, чем сталь, и неподдаются ржавлению. Но эти вещества боятся воздействия солнечного света и повышенных температур.