Электронная структура и строение атомов определяют электронную структуру и строение всех минералов и зерен цемента. Основной показатель атомов – величина заряда его ядра. Она определяет заряженность зерен и в сумме – энергетическую мощность цемента. Приведен ориентировочный показатель ее: 66000·1024 кДж/кг цемента. Цемент представлен на начальном этапе как накопитель энергии зарядов, а в последующем – передатчик ее. Знание электрических и термодинамических свойств основных атомов и минералов цемента позволит регулировать его мощность и заданную электронную структуру, а также строение бетона.

УДК 691.327

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

Ключевые слова: атом, минерал, зерно, цемент, бетон, свойства
Keywords: atom, mineral, grain, cement, concrete, properties

Основные минералы и зерна цемента состоят из суммы атомов, разных по природе, активности, массе и полезности в обеспечении качества конечного продукта. Представляется эффективным путь решения главных химических и физических задач, во взаимодействии их друг с другом и в создании бетона с заданными свойствами, – это оценка и учет термодинамических характеристик каждого атома. Любой минерал, тем более зерно портландцемента, состоит из группы атомов.

В любой группе атомов всегда есть энергетически самый сильный и самый слабый сравнительно с другими. Слабый можно заменить на более сильный. Мы это называем минералогенной инженерией, сознательно конструируя заданные свойства бетона. Сильный – значит активный. Первым готов вступить в химическую связь с другим сильным атомом соседнего минерала – и создавать бетон. Энергетическую силу или слабость атомов цемента можно определить по справочным данным термодинамических характеристик атомов: потенциалу ионизации (IP), сродству к электрону (EA), энергии химической связи (Е«атом-О») с партнером, а при необходимости учитывать и другие термодинамические характеристики (табл. 1) [1, 2].

Таблица 1. Термодинамические характеристики атомов портландцемента

Атом	IP, эВ	ЕА, эВ	ЭО	χион	χтх	χгеом	i, %	Е«атом-О» кДж/моль [3]
Аl	5,99	0,441	1,5	1,64	1,35	1,32	60	905
Са	6,11	0,005	1,0	1,17	0,8	1,08	83	1076
Fe	7,9	0,151	1,8	1,79	1,45	1,06	–	751
Si	8,15	1.389	1,8	1,49	1,95	1,5	46	931
S	10,36	2,077	2,5	2,46	2,6	2,2	37	341
Н	13,6	0,754	2,1	—	2,2	2,2	23	485
О	13,62	1,461	3,5	3,2	3,2	3,42	0	192

Потенциал ионизации (IP) – минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с внешней орбиты атома. Чем легче атом теряет электроны, тем активнее вступает в реакцию. По величине IP комплекса атомов отдают предпочтение одному. Чем ниже величина IP, тем активнее атом, тем быстрее других он станет ионом.

В портландцементе такая роль принадлежит атомам Аl и Са, а остальные минералы располагаются в следующий ряд: Аl, Са, Fe, Si, S, О. Сродство к электрону (EA) – это энергия, выделяемая при присоединении электрона к атому, молекуле или минералу. Чем ниже ее величина, тем активнее этот атом. Убывание по степени активности: Fe, Аl, Н, Si, О и S. Электроотрицательность (ЭО) отражает способность атома притягивать электроны от связанных с ним атомов и является оценкой ионности связи (і). Показатели электроотрицательностей (ионизационных χи, термохимических χт или геометрических χг) атомов свидетельствуют о большей электронной мощности у одного атома сравнительно с другими. Энергия химической связи (Е«атом-О») с партнером, а им является кислород, наибольшая у Са, а по степени убывания, атомы минералов цемента располагаются в ряд: Si, Аl, Fe, Н, S и О.

Выбор атомов для производства цемента с наименьшими величинами IP, ЕА и с максимальными ЭО и (Е«атом-О») предпочтительнее. Исходное сырье с большим количеством таких атомов ускорит химический процесс отвердевания бетона. Замена слабых химических связей на сильные или добавочное (в составе цемента либо с водой затворения) внедрение сильных связей повысит прочность бетона. Выбор соответствующего атомарного состава исходного сырья определит технологию и долговечность изделий и конструкций. Это тем более необходимо, что атомарный и минералогический составы цемента не самые лучшие.

В новообразованиях цемента общее количество атомов кислорода и водорода 76-83% и только 17-25% представлены атомами металла [4], энергия химической связи которых (например, у Са=О равна 1076 кДж/моль) в разы больше энергии атомов связи водорода и кислорода (например, у О–О всего 192 кДж/моль). Энергетика цемента формируется и при выборе исходного сырья с атомами повышенных зарядов или как добавок при помоле клинкера. Например, эффективный заряд серы 5,2, хрома 5,8, брома 8,0 – сравнительно с кальцием с зарядом 2,8, которого в цементе более 60%.

Взаимодействие зарядов разного знака создает новое вещество с особыми термодинамическими характеристиками. Так, при обжиге около 1450°С огненножидкая фаза (цемент высоких температур), при охлаждении превращаясь в стеклообразную фазу, цементирует тугоплавкие компоненты (наполнители), образуя клинкер, т.е. микроцемент в виде крупных гранул. Удельная поверхность их низка. Поэтому он представляет электронейтральный, практически неактивный полуфабрикат.

Помол клинкера – это разрыв химических связей атомов, образование поверхностей разрыва, когда на одной половине поверхности остается заряд положительный, а на другой – отрицательный. Представляется ошибочным считать, что химическая связь с плюсом и минусом рвется на две половинки, одна из которых положительна, а вторая химическая связь отрицательна. Наш опыт работы с магнитами свидетельствует о том, что сколь бы мелко мы его ни дробили, уничтожить + или – у частиц магнита невозможно. Очевидно, природа определила так, что при разрыве одной химической связи возникают две новые химические связи, каждая из которых всегда полноценна: имеет + и –. И все же две новые химические связи качественно отличны от одной разорванной. У новых химических связей на обнаженной помолом поверхности зерна цемента один полюс заряда защемлен, стеснен, валентно соединен в плотном теле зерна, а другой, противоположный полюс свободен, спокоен, расположен в окружающей воздушной среде. Из-за этого на поверхности разрыва эффективный заряд новой химической связи находится в стесненном, валентном состоянии, а противоположный ему, в окружающей среде воздуха – в свободном состоянии. Между полюсами одной и той же химической связи возникает разность потенциалов. Так, например, у СаО эффективный заряд атома кислорода в стесненном состоянии равен g=-1,22 (у SiО₂ для Si g1=+1,97), а в свободном состоянии у О g=-4,3, а у Si g1=+4,0 [1, 2]. Таким образом, у разорванной химической связи при помоле возникают две новые с эффективным зарядом после нейтрализации у кислорода gэф=-2,08 (4,3-1,22), у Si gэф=+2,03 (4,0-1,97).

Количественно и качественно помол клинкера ведет к повышению активности именно поверхности зерен цемента, где находится множество эффективных зарядов разного знака, которые должны сблизиться друг с другом примерно на расстояние менее 0,5 нм и вступить во взаимодействие. Процессу сближения способствуют проводники [5], но есть мнение [6], что «вся неорганическая часть окружающей нас природы и все минералы – это полупроводники». Однако механизм их действия применительно к строительному материаловедению не изучен.

При этом известно, что весь процесс создания бетона – химико-физический. Химический (синтез) – мгновенный, со скоростью 10-8–10-10 секунд [7], остальные 28 суток (согласно нормативным документам), за которые достигается марка бетона, отводим на процессы физические, т.е. сближение положительных и отрицательных зарядов до момента их синтеза и возникновение достаточного количества новообразований для получения требуемой марки бетона. Именно с процессом сближения + и – должен работать технолог, сокращая его длительность, скорее всего, за счет облегчения (повышения скорости) прохождения электронов в среде свежеотформованного бетона. Но для этого надо изучить термодинамические характеристики исходного сырья, в основном вяжущего, а в последующем и разного рода добавок как в цементе, так и в воде затворения смеси.

Однако технологи оценивают качество вяжущего не по энергетическим характеристикам его составляющих (проводники, полупроводники или диэлектрики), а по их минералогическому или химическому составу. С учетом этого рассчитываем величины (gэф) и количество (%) эффективных зарядов, а также массу (m∙10–24) основных минералов, окислов и атомов портландцемента марки 400 (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики минералогического и химического состава портландцемента марки 400

минерала				окисла				атома
вид	%	m∙10^–24	gэф	вид	m∙10^–24	%	gэф	вид	gэф
вид	%	m∙10^–24	gэф	вид	m∙10^–24	%	gэф	вид	одного	всех
3CaO∙SiO₂	52,1	378	-8,2	CaO	56,1	64,9	-8,2	Са	+2,8	+36,4
2CaO∙SiO₂	23,1	285	-7,6	SiO₂	99,6	21,6	-7,6	Si	+4,0	+8
3CaO∙Al₂O₃	7,5	448	-9,7	Al₂O₃	169	5,7	-9,7	Al	+5,4	+13,6
4CaO∙Al₂O₃∙Ft₂O₃	13,3	806	-16	Ft₂O₃	265	4,3	-16,1	Fe	+4,3	+8,6
CaSO₄∙2Н₂О	3,2	285	-7,7	SО₃ Н₂О	133 29,9	3,2	-9,2 -2,3	S О	+5,2 -4,3	+5,2 -124,7

В расчетах используем справочные данные эффективных зарядов ядер атомов [1, 2]. В результате выясняем, что эффективные заряды в валентном состоянии равны нулю, т.е. минералы и окислы цемента электронейтральны [5], и потребуется энергия для их активизации. Если вести расчет с учетом эффективных зарядов атомов в свободном состоянии – все минералы и окислы цемента заряжены отрицательно, т.е. отталкиваются друг от друга. Это обеспечивает хорошую сохранность цемента во времени, но при отсутствии положительных зарядов это тормоз в создании бетона.

И только на атомарном уровне (табл. 2), сравнительно с минералами и окислами, общая величина эффективных зарядов максимальна – 198 шт. Из них 73 положительно и 125 отрицательно заряженных, готовых к синтезу и созданию бетона. То есть даже когда отрицательно заряженных атомов в 1,8 раза больше, чем положительных. Но реально ли сухие зерна цемента превратить в атомы? Ведь в таком случае цемент – это порошкообразные, дисперсно распределенные в сухой воздушной окружающей среде отрицательно заряженные зерна. При этом электрические заряды их отождествляются с материей. Электроны и ядро атомов материальны, и потому, чем их больше, тем больше материи накапливается в цементе.

Технологу нужно знать тот максимум зарядов и ту химическую энергию межатомных связей, которые может накопить цемент. В работе [5] приведен расчет количества минералов в 1 кг цемента М500 при 100%-ной гидратации зерен с размером до 20 мкм. Продолжая этот расчет, мы можем узнать количество атомов в этих минералах. По справочным данным [1] находим эффективные заряды атомов в свободном состоянии. Складывая все вместе, определяем электрическую мощность цемента. Ориентировочно она включает положительных эффективных зарядов 164∙1024 шт. и отрицательно заряженных 136∙1024 шт. Ценность этого – в знании соотношения между зарядами разного знака. Эффективные заряды не имеют размерности, и потому величина зарядов отвлеченна.

По суммарной величине энергии межатомных химических связей в 1 кг цемента расчеты [5, таблица] приводят к цифре n=86448-19803=65645, ориентировочно 66000. Для стандартного цемента это максимум мощности передатчика, но его можно приумножить введением веществ с более мощными зарядами в исходное сырье для производства цемента, с добавками в воде затворения бетонной смеси и использовать резерв не прореагировавших зерен цемента крупнее 20 мм.

Масса атома или минерала (табл. 2) – это мера энергии химических связей. Она колеблется в широких пределах: 2,8 раза – у минералов и 4,7 раза – у окислов. Эта разность нарушает однородность химического сродства соседних твердых тел: минералов, кристаллов, окислов. Их разная упругость приводит к разным тепловым колебаниям, а они, в свою очередь, – к дефектам в структуре и потере основных свойств конечного продукта.

Выводы:

1. Цемент – накопитель энергии (66000) и передатчик ее. Накопитель – за счет сознательного подбора атомов с повышенной величиной заряда и количества их при все более тонком помоле или внедрении энергоемких добавок. Задача технолога – повышать энергетическую мощность зерен цемента всеми доступными способами.

2. Между энергетикой цемента и свойствами бетона теоретически есть прямая атомарная связь. Величина и количество зарядов обеспечивают скорость синтеза и прочность межатомных химических связей в бетоне. Возможность определения количества сильных и слабых химических связей с заменой слабых на сильные – это скорость отвердевания бетонной смеси и заданная прочность бетона.

3. Выстраивается технология накопления зарядов, приобретения достаточной энергетической мощности цемента и передачи ее приемнику, что подлежит более детальному исследованию.

Библиографический список

1. Бацанов С.С. Структурная химия. Факты и зависимости. – М.: Диалог-МГУ, 2000, – 292 с.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов, учебник для вузов. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., изд. центр «Академия», 2001. – 743 с.

3. Кузнецова Т.В. Физическая химия вяжущих материалов / Т.В. Кузнецова, И.В. Кудряшов, В.В. Тимашов. – М.: Высш. шк., 1989, – 384 с.

4. Кучеренко А.А. Роль проводников в бетоноведении: электромагнитная версия // Технологии бетонов, №11-12, 2017, с. 49-53.

5. Кучеренко А.А. Преобразование энергии межатомных связей минеральных вяжущих веществ // Сухие строительные смеси, №4, 2011, с. 23-25.

6. Иоффе А.Ф. О физике и физиках. – Л.: Наука, 1985. – 344 с.

7. Жуков С.Т. Химия. Выпуск 1. – М., 2002.