Электрохимические процессы при отвердевании свежеотформованного бетона: электромагнитная версия

А.А. КУЧЕРЕНКО, доктор техн. наук, профессор, Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Украина

Ключевые слова: атом, заряд, энергия, смесь, процессы, свежеотформованный бетон
Keywords: atom, charge, energy, mixture, processes, only molded concrete

В настоящее время изучены все процессы, сопровождающие отвердевание свежеотформованного бетона с точки зрения его минералогического состава. Современный уровень знаний требует учесть еще и то, что минералы сложены из атомов, природная сущность которых – электрические структура и строение. В данной работе это учтено; применены некоторые основы электрохимии и на электромагнитных моделях изучены электрические процессы, сопровождающие отвердевание уложенной в форму и уплотненной бетонной смеси. Показана непрерывная работа электричества (плюса и минуса) и порожденного им электромагнитного поля (химической связи).

Цемент – накопитель энергии электрических зарядов, которые находятся на поверхности зерен цемента и внутри них. Поверхностные заряды относятся к группе активных, вступающих в реакцию при смешивании с водой. Те, что внутри зерна цемента, – к группе пассивных, вступающих в реакцию при запоздалом проникновении воды к ним, или вовсе не синтезируют, если вода к ним за 28 суток не проникает. Часть такого цемента внутри зерен остается балластом. Аналог подобного есть в природе: чтобы мозг человека хорошо работал, ему нужна в достаточных количествах обычная вода. При недостатке воды возникает кризисное обезвоживание мозга. Человек начинает хуже соображать и с трудом воспринимает новую информацию. Передача информации между клетками мозга обеспечивается электрическими зарядами, движение которых при отсутствии воды прерывается [1]. Аналогична прерывистость потока воды в твердеющей бетонной смеси, что тормозит синтез ионов и приводит к прекращению производства новообразований. Тогда остается определенный объем рыхлой сухой массы в среде прочного бетона. Кроме того, вода – упругое вещество, и если на поверхности зерен цемента имеется толстая водная прослойка, то по обе ее стороны могут возникнуть новообразования, а вместо воды останутся пустоты с поверхностями раздела, заполненные водой, а по мере ее испарения – воздухом. «Берега» таких поверхностей раздела электронейтральны.

Генерировать, т.е. повышать энергетическую мощность цемента можно увеличением степени дробимости его зерен, электризацией электронейтральных веществ и подбором исходного сырья с атомами повышенных зарядов. Количество поверхностных зарядов пропорционально удельной поверхности цемента: чем она выше, тем больше активных зарядов. В свою очередь, удельная поверхность зерен цемента тесно связана со степенью дробимости его зерен. Чем тоньше помол, тем больше активных и меньше пассивных зарядов. Именно активные заряды обеспечивают высокие скорости схватывания теста и достижения заданной марки бетона в ранние сроки. Подтверждают это работы НА «Львiвська политехнiка» [2]: «высокие показатели ранней прочности бетона отвечают цементам с размером частиц 0,1-5 мкм, которые характеризуются высокими значениями открытой поверхностной энергии и реакционно-химической активности». Как известно, электризация тел – это возникновение в них электрических зарядов через трение, удар, давление, химическое воздействие и др. Эффективность выбора исходного сырья с атомами повышенных зарядов подтверждают наши расчеты по определению электромагнитной силы притяжения ионов разных знаков и валентности при сближении их с -0-2 до r=0,4 нм:

Cистема «металл – кислород»	Н+1-0-2	Са+2-0-2	Fe+3-0-2	Si+4-0-2
Сила связи F·10-6, ньютон	28,8	57,5	86,3	115,0

Сыпучие вяжущие и заполнители смешиваются в смесителях с водой до получения бетонной смеси требуемой удобоукладываемости. Затем 28 суток технолог не может вмешаться в процессы, происходящие в отвердевающей смеси. Практически в течение длительного времени идет самоорганизация процессов и структуры изделий. Все это говорит о том, что мало одного требования от смесителя – выдать смесь требуемой удобоукладываемости. Такой подход чисто практический – быстрее приготовить смесь; ненаучный – приумножить энергетическую мощность смеси. В смесителе вода должна достичь центра зерен цемента и извлечь максимум пассивной энергии из глубины зерен. Не помешает и электризация исходного сырья для бетона. Можно увеличить количество поверхностной энергии, изменив, например, порядок загрузки материалов в бетономешалку. Сначала загружают щебень, зерна которого приумножат количество обнаженных зарядов за счет ударов (раскол зерен) и трения друг о друга (активация поверхности). Затем добавляют цемент, у которого повысится степень электризации за счет дробления зернами щебня и трения. Далее – песок с повышенной поверхностью трения и вода с энергетически заряженными добавками, например электролитами. При этом бетономешалка должна иметь несколько скоростей вращения, возможность изменения углов расположения лопастей и разную длительность смешивания при добавлении каждого компонента.

Таблица 1. Энергия межатомных химических связей минералов в 1 кг портландцемента и воде затворения

Минералы цемента			Энергия межатомных связей [5]
вид	кол-во n·1023, шт	Число молей, шт	одного минерала, кДж/моль	1 кг цемента, n·1024,
				кДж/моль	кДж
С2Ѕ	8,13	1,35	4139	3365	4543
С3Ѕ	15,87	2,64	5239	8314	21949
С3А	1,68	0,28	6247	1385	388
С4АF	1,66	0,276	9696	1610	444
СsН2	1,12	0,186	2843	944	176
СаОх.св	0,86	0,143	1076	93	13
Н2Ох.с.	0,67	0,111	969	6492	721
Н2Ообщ	1,34	0,223	969	12984	2895
Энергетическая мощность: – минералов, цемента – химически связанной Н2Ох.св. – минералов цемента и воды					27513 721 28234

Приготовленная бетонная смесь укладывается в форму (опалубку) и уплотняется. Получаем свежеотформованное изделие требуемых геометрических размеров, представляющее систему разобщенных твердых компонентов в сплошной водной среде. В условиях нормального твердения, по нормативным документам, за 28 суток изделие должно превратиться в камнеподобное состояние требуемой марки по прочности, представляющее собой систему дисперсно распределенной воды в среде монолитного твердого тела заданной прочности. Такое превращение мы называем твердением бетона, сопровождающееся процессом постепенного преобразования 100%-ной бетонной смеси в 100%-ный камень заданной прочности.

В условиях тепловой обработки твердение свежеотформованного бетона сопровождается дополнительными процессами по сравнению с условиями нормального твердения. С повышением температуры увеличивается длина межатомных и межэлектронных химических связей и их легче оторвать от электронейтрального вещества: атома, молекулы, минерала. В результате они становятся возбужденными электрозаряженными ионами, готовыми к синтезу. Также при повышении температуры интенсивнее становится броуновское движение, повышается количество ионизированных упругих столкновений: атом с атомом, ион с ионом, атом с ионом; столкновений, переводящих атомы в возбужденное состояние. Повышается концентрация атомов, ионизированных до различной степени, т.е. до различной кратности ионов. Происходят столкновения, когда электроны переходят от атома с малой кратностью ионизации к атому, ионизированному многократно. В результате возникают два атома с промежуточной кратностью ионизации. Добавляются и ионизирующие неупругие столкновения: ион с атомом, ион с ионом. Сумма этих генерирующих процессов повышает энергетическую мощность цемента, что приводит к ускоренным срокам схватывания его и достижению нужной прочности бетона за несколько часов. Все это убеждает нас в том, что основой отвердевания бетонной смеси служит электричество: плюс и минус.

В течение 28 суток объем бетонной смеси постоянно уменьшается, а бетона – увеличивается. Это происходит за счет физико-химических процессов, протекающих в основном в бетонной смеси. Но скорость химических процессов мгновенна, 10–8-10–10 сек., а физические процессы длятся 28 суток. Их назначение – обеспечить достаточное количество новообразований, а следовательно, плотности и заданной прочности бетона [1]. К физическим процессам относят: передачу зарядов от накопителя к приемнику; движение зарядов разного знака друг к другу до их синтеза; перемещение воды по поверхности твердого тела и проникновение ее вглубь зерен цемента с генерацией зарядов; гидролиз воды и генерация ее зарядов: Н— и НО—.

Накопленная энергия зарядов цемента в течение 28 суток передается приемнику. Передать – значит обеспечить среду, в которой смогут легко двигаться заряды разного знака. На пути следования зарядов не должно быть препятствий. В противном случае зарядам цемента необходим проводник, способствующий прохождению электронов к плюсу или протонов к минусу. При отвердевании свежеотформованного изделия заряды могут двигаться в твердой, жидкой и газообразной фазах. Поэтому принимаем классификацию веществ, по которым перемещаются заряды, по природному происхождению: проводники (Пр), полупроводники (ППр) и диэлектрики или изоляторы (ДИ). Основные проводники: в цементном вяжущем – Fe-, Al- и S-cодержащие минералы, металлы тонкомолотого техногенного шлака и других добавок; в заполнителях и наполнителях – металлы и сплавы (Ca, Al, Fe–, H, зола-унос и др.); в жидкой фазе – вода, электролиты, водные растворы добавок, щелочей, кислот, солей и др. Изученные нами [3] Fe-содержащие Пр способствуют продвижению электрических зарядов в электромагнитном поле (ЭМП), а электроны Пр не встречают сопротивления в продвижении их внутри проводника к месту контакта с зарядом (магнитом), повышая прочность их связи на 44-59%. И в то же время Al-cодержащий Пр не имеет своего ЭМП и не реагирует на ЭМП соседнего заряда, а электроны внутри Пр встречают сопротивление, уменьшая энергию их связи на 18-81%. Поведение ППр кремния в керамзитобетоне на гидрофобизированном кремнийорганической жидкостью керамзитовом гравии показало, что в кубах бетона с ребром 10 см через 33 года стал гидрофобным и цементный камень, что говорит о миграции ГКЖ-94 внутри бетона во времени [4]. Диэлектрик типа полимерной фибры диаметром 1 мм применен нами в дорожных бетонных плитах размером 50×50×5 см в качестве арматуры. Через 15 лет плиты вышли из строя. Причина: диаметр полимерных нитей уменьшился до 0,2 мм, а отверстия от них в бетоне остались прежними – 1 мм. Оставшиеся нити свободно извлекались из отверстий в бетоне, что свидетельствует о всесторонней коррозии полимера и полной потере его связи с бетоном и прочности изделия. Важность выбора проводника подтверждается и природными явлениями. Известен случай: шаровая молния появилась в комнате, где были мальчик, бабушка и дедушка: «шар молнии обошел всех, но гоняться стал за мальчиком и, разрядившись, его обжег». Почему мальчик? Люди имеют свою ауру, «светящийся нимб», т.е. из тела каждого вылетают свободные электроны на 1/2 величины амплитуды колебаний, они и «светятся» при определенных условиях окружающей среды. У ребенка свежее тело с нимбом и свободными, вылетающими из тела и вновь влетающими электронами. Тело ребенка – отличный проводник, и по нему шаровая молния «ушла» в землю и разрядилась. Молния за ребенком гонялась потому, что электромагнитные поля мальчика, и молнии обобщились, образовав между ними химическую связь. У бабушки и дедушки старая толстая кожа с погибшими электронейтральными клетками на поверхности. Активных свободных электронов и нимба нет. Такими свойствами обладают диэлектрики, не пропускающие сквозь себя электричество. Поэтому дедушка и бабушка не «заинтересовали» шаровую молнию. Почему только ожог?

Н. Тесла: «обнаружил, что при частоте тока свыше 700 Гц электрический ток протекает по поверхности тела, не нанося вреда тканям организма».

Метод изучения энергетики в технологии бетона под названием «Электромагнитная версия» показывает, что вода в бетонной смеси играет роль проводника зарядов. Это подтверждает наш опыт, имитирующий поглощение воды зернами цемента, глубину гидратации зерен за определенное время, а также указывающий на наличие у воды свойств проводника (рис. 1). В прозрачный стеклянный сосуд (рис. 1б) с уложенным на дне круглым магнитом заливают воду на глубину 3 см от поверхности магнита. На поверхность воды опускают деревянный прямоугольник (плотик) 4×2 см, толщиной 5 мм (рис. 1а). По его центру в лунке глубиной 2 мм вложен металлический шарик диаметром 8 мм. Сухой плотик с шариком опускается на поверхность воды вдали от магнита (рис. 1в). Плотик сразу же движется к магниту, поворачивается (кинетическая энергия) на одном месте по линии «север-юг» и зависает над магнитом, лежащим на дне сосуда (рис. 1г-ж). Очевидно, что в процессе приближения плотика к магниту со скоростью v на заряд q шарика дейст­вуют только силы Fмп, магнитного поля (МП), Нмп:

Fмп=qНv/с,

где с=3·1010 см/сек – скорость света в вакууме.

То же происходит и во время его зависания над магнитом, пока сухое дерево не пропускает электричество. Сил МП недостаточно – синтеза шарика с магнитом не происходит. Через 35 мин. дерево плотика пропитывается водой и она соприкасается с шариком. Вода стала проводником электрических зарядов шарика и магнита. Между ними возникла электрическая связь и добавилось электрическое поле (ЭП), равное Е, и на заряд шарика q действует сила:

Fэп=qЕ

В результате воздействия двух полей с силой

F=Fмп+Fэп=qНv/с+qЕ

(сила Лоренца) шарик устремляется к магниту (соскальзывая с плотика или прижимая его к магниту). Возник синтез шарика с магнитом, и между ними устанавливается химическая связь в виде электромагнитного поля (ЭМП). Вывод: вода – проводник электричества.

Время пропитки древесины плотика водой – это аналог оценки времени миграции воды вглубь зерна цемента. Результат: вода – хороший проводник, в ней ионы легче перемещаются и быстрее синтезируют. Время миграции ее вглубь зерен цемента – процесс долгий, трудный и не всегда выполнимый за 28 суток. Синтез идет успешно только в присутствии жидкой фазы. Кроме того, если сравнить массу электрона 9,1·10–28 г с массой зерна цемента условным диаметром 20 мкм 10·10–10 г, то электрон меньше зерна в 11·1017 раз, что предопределяет участие и гравитационных сил (притяжение электрона к зернам цемента), особенно когда заряд находится в воде.

Вода не только приемник, но и поставщик энергии зарядов разного знака (Н+ и НО—) – около 10,5% от суммы энергии межатомных связей всех минералов цемента (табл. 1). Подтверждением этого является большая на 8,1% (120 против 111 г/см2) сила притяжения двух магнитов в пресной воде сравнительно с воздушной средой. В морской воде сила притяжения магнитов на 11,4% (137 против 120 г/см2) больше, чем в пресной воде, что говорит о возможности облагораживания воды энергоэффективными добавками.

Это согласуется с мнениями Н. Теслы [6] «вода – отличный проводник электричества» и А.Ф. Иоффе [7] «вода – жидкое электричество». Механизм электронного отвердевания бетонной смеси приведен на рис. 2.

Полюса индивидуальных магнитов (рис. 2а) имеют разную силу магнетизма, что оценено по величине удерживаемого груза в граммах: от 600 г у полюса с положительным зарядом (+м1) до 800 г – у отрицательного (-м4). Разная степень магнетизма полюсов у одного магнита означает разную величину эффективного заряда каждого из них. Величину заряда мы не можем определить, но величину магнетизма можем оценить по характеру кривых комплексов межмагнитного взаимодействия: от двух (рис. 1б) до четырех (рис. 1г) магнитов. Два магнита (рис. 2а): м1 с цифрой –720 и м2 с +600 при притяжении (синтезе) образуют соединение (рис. 2б). Одна часть разноименных зарядов (условно –720 и +600) компенсируется в равном количестве (–600 м1 и +600м2). Такая компенсация зарядов в центре спаренных магнитов приводит к исчезновению ЭМП. Создается электронейтральная зона (штриховка внутри магнитов горизонтальной части кривой (рис. 2б). Оставшаяся часть (избыток –120) характеризуется наличием эффективного отрицательного заряда, т.е. электронов. Они перетекают к периферии комплекса магнитов (отсутствие штриховки на концах комплекса магнитов), играя роль избыточного эффективного заряда, или с участием окружающей среды создают новые эффективные заряды. Наличие избыточных зарядов на периферии комплекса магнитов создает избыточное, более мощное ЭМП. Последнее приумножает магнитное поле, удерживающее больший груз: м1 (рис. 2а) от +600 г до м1 +920 г (рис. 2б), а м2 от –700 до –800 г. И по аналогии, если синтез атомов (минералов) цемента создает твердое вещество, то одна часть разноименных зарядов компенсируется в равном количестве, создавая стабильную электронейтральную зону бетона, стойкую в окружающей среде, а вторая – перетекает на периферию этой зоны и играет роль повышенных избыточных эффективных зарядов, готовых к синтезу с соседними зарядами, приумножая объем стабильного твердого тела внутри свежеотформованного бетона.

Таким образом, результат синтеза вяжущего – это избыточные заряды на периферии твердого тела и электронейтральные новообразования внутри его. При этом надо отметить, что у синтеза двух магнитов электронейтральная зона удерживает груз 770 г (32,9 г/см2), а добавляя третий магнит, повышается до 863 г (36,9 г/см2). С четвертым магнитом она составляет 1047 г (44,7 г/см2). Это означает, что по мере увеличения количества и силы зарядов общая величина их усредняется с повышением энергии химических связей, в данном случае на 36%, и затем стабилизируются силы химических межатомных связей. То же должно происходить и с зарядами синтезируемых минералов бетона. И тогда отвердевание бетонной смеси – это преобразование порошкообразного вещества в единое монолитное тело за счет синтеза зарядов разного знака, повышение плотности монолита и за счет этого – повышение его прочности. С учетом основ электрохимии отвердевание бетонной смеси – это переход электровозбужденного дисперсного вещества в монолитное электронейтральное.

Результаты наших опытов сопоставимы с результатами математических вычислений, выполненных американскими физиками-теоретиками Д. Гроссом, Ф. Вильчеком, Д. Полит­цером [8] о непрерывном уменьшении эффективного заряда по мере уменьшения расстояния между взаимодействующими частицами вплоть до полного сведения эффективного заряда к нулю. Такое свойство эффективного заряда и явление «самовыключения взаимодействия» авторы назвали «асимптотической свободой». В своих опытах мы называем это пространство электронейтральной зоной, где магнитное поле снижается до нуля, и указываем на ее наличие только внутри комплекса взаимодействий атомов.

Таким образом, теоретики подошли с одной стороны (оценка по заряду), мы – с другой (оценка по отсутствию ЭМП), а результат одинаков. И неудивительно, потому что нет заряда – нет и ЭМП. При этом теоретические расчеты могли быть продолжены, поскольку авторы не дают ответа, куда исчезает заряд и тем более его энергия. Известен же закон сохранения энергии: она «не возникает из ничего и не исчезает бесследно». Не объясняют, что исчезновение заряда сопровождается исчезновением ЭМП. В наших опытах при синтезе трех и четырех магнитов, т.е. когда между взаимодействующими магнитами расстояние минимально, исчезает ЭМП и увеличивается количество электронейтральной зоны: от рис. 2б до рис. 2г. Исчезновение ЭМП – признак исчезновения заряда. Это отображено и на рис. 2в, 2г, горизонтальной частью кривых, которую мы назвали электронейтральной зоной. И продолжается отток на периферию комплекса взаимодействий (вертикальная часть кривых рис. 2б-г) излишних эффективных зарядов и увеличение грузоподъемности (магнетизма) полюсов магнитов м1 и м4 до 1160 г, т.е. на 29-45%.

У американцев «асимптотическая свобода» послужила отправной точкой смелой гипотезы – «Великого объединения взаимодействий», согласно которой природа отличается высокой степенью симметрии, когда частицы связаны единым взаимодействием и практически исчезает разница между различными типами элементарных частиц. Однако не указано, какие процессы могут подтвердить возможность существования «смелой гипотезы». В наших исследованиях эта гипотеза решена наличием в природе двух последовательных термодинамических процессов: взаимодействия частиц на периферии комплекса и возникновения стабильных новообразований внутри его. Внутренняя зона – электронейтральная, с минимальной энергией химических связей, а потому стабильная и устойчивая в окружающей среде и подтверждающая «объединение взаимодействий в природе». Внешняя зона – на периферии комплекса атомов с максимальными эффективными зарядами, всегда готовыми к дальнейшему взаимодействию и наращиванию твердого тела, подтверждающая непрерывность процесса в природе. Поэтому, с нашей точки зрения, гипотеза «Великого объединения взаимодействий» имеет право на существование.

Отмечая тот факт, что атомы и их производные (молекулы, кристаллы и др.) имеют электронное строение и структуру, невозможно не упомянуть гения электричества Н. Теслу и не сопоставить технологии в области использования электричества и в отвердевании бетонной смеси (табл. 2).

Таблица 2. Процессы и аппараты в технологии отвердевания свежеотформованного бетона

Н. Тесла – об электричестве		Автор статьи – об отвердевании смеси
Процессы	Аппараты	Процессы	Аппараты
Накопление ­энергии	Трансформатор ­повышающий	Накопление энергии в цементе	Дробление, помол и др.
Передача энергии приемнику	Провод, окружающая среда (вода, воздух, земля)	Передача накопленной энергии цементом	Проводники, полупроводники, ­диэлектрики, вода
Приемник переданной энергии	Понижающий ­трансформатор	Приемник переданной энергии	Вода и водные растворы добавок
Потребитель ­энергии	Промышленность, ­социальные нужды и др.	Движение зарядов, синтез зарядов атомов минералов – новообразования. Разрыв химических связей – дефекты	Свежеотформованный бетон: накопление количества новообразований, повышение плотности и прочности твердеющей смеси

С другой стороны, для нас тоже очень важно знать, что разрабатываемая нами в строительном материаловедении новая теория под названием «Электромагнитная версия», основанная на оценке термодинамических свойств атомов, их взаимодействий и свойств конечного продукта, также имеет право на существование, т.к. решает ряд важных задач.

Выводы:

1. Основные процессы, сопровождающие отвердевание свежеотформованного бетона, состоят из двух групп: физические и химические, конструктивные и деструктивные. Физические: передача энергии от накопителя (цемента) к приемнику (воде); транспортировка энергии через проводники – как ускоритель, или диэлектрик – как замедлитель движения зарядов разного знака; проникновение воды вглубь зерен цемента и вскрытие зарядов глубинных минералов цемента; приближение заряженных атомов друг к другу. Химические: синтез атомов с зарядами разного знака, возникновение новообразований, их накопление и упаковка; усреднение величин зарядов и химических связей; стабилизация величины зарядов и длины химических связей. Движущей силой всех процессов служит электричество и его производные: электрические, магнитные или электромагнитные поля.

2. Ускорить отвердевание свежеотформованного бетона с целью получить заданную марку в ранние сроки можно за счет увеличения количества поверхностных активных зарядов (тонкости помола цемента), а также ускоренного извлечения (проникновения воды вглубь зерна цемента) внутренних пассивных зарядов.

3. Деструктивные процессы в отвердевающей смеси связаны с возникновением дефектов: в виде пустот, раковин, трещин, капилляров и т.п. с их поверхностями раздела в виде электронейтральных берегов в местах отсутствия воды и синтеза зарядов и поверхностей разрыва химических связей с возникновением пустот с электрозаряженными «берегами».

4. Все процессы отвердевания бетонных смесей связаны с электричеством: ионами атомов, молекул, минералов и их комплексами, обладающими эффективными зарядами, и потому создается электронная структура и электронное строение для все более твердого тела.

Библиографический список

1. Кучеренко А.А. Отвердевание и рост прочности бетона: электромагнитная версия / А.А. Кучеренко // Технологии бетонов, №3-4, 2017, с. 10-13.
2. Гевюк I.Н. Мультимодальнї композицїйнї портландцементи з високою ранньою мїцнїстю та модификованї бетони на їх основї. Дисс. … к.т.н. – Л.: 2018. – 162 с.
3. Кучеренко А.А. Роль проводников в бетоноведении: электромагнитная версия / А. А. Кучеренко // Технологии бетонов, №11-12, 2017, с. 49-53.
4. Кучеренко А.А. Технология легких бетонов на модифицированных заполнителях. Дисс. … д.т.н. ОГАСА. – Одесса: 2010, – 300 с.
5. Кучеренко А.А. Термоднамические характеристики цемента – основа создания бетона с заданными свойствами / А. А. Кучеренко // Технологии бетонов, №5-6, 2018, с. 21-23.
6. Никола Тесла. – К.: Лотос, 2017, – 214 с.
7. Иоффе А.Ф. О физике и физиках / А.Ф. Иоффе. – Л.: – Наука, 1985, – 344 с.
8. Ширков Д.И. Новый метод теоретической физики / Д.И. Ширков Наука и человечество, 1987. – М.: Знание, с. 127-139.