ВНУТРЕННИЙ МАССОПЕРЕНОС – ДОСТОИНСТВО ИЛИ НЕДОСТАТОК?

Известно, что сразу после приготовления и заливки в форму газобетонной смеси, вода затворения равномерно распределена по объему замеса, но далее начинается внутренний отсос воды, часть ее расходуется на гидратацию вяжущего, часть адсорбируется на поверхности гидрофильной дисперсной фазы, а часть мигрирует (стекает) в сторону дна формы, образуя так называемую зону максимального градиента влажности (зону МГВ), аналогичную зеркалу грунтовых вод в земной коре.

Но обнаружено еще одно интересное явление – тайная миграция воды, не связанная с силами гравитации, которая получила название внутренний массоперенос.

Известно, что в поверхностных слоях вода имеет повышенную плотность. Толщина более плотного слоя незначительна, всего несколько молекул, поэтому наличие его практически не отражается на свойствах воды и представляет только научный интерес. Но это – в обычных условиях, а в необычных?

При повышении плотности воды уменьшается ее объем, и это тем заметнее, чем больше удельная поверхность порции воды. Например, если водой заполнить метровую кубическую емкость, то ее удельная поверхность (включая и поверхности, соприкасающиеся со стенками емкости) будет равна 6 м²/м³.

Суммарный объем ячеек обычного газобетона – около 80 % его объема, т.е. 0,8 м³/м³, диаметр ячейки – около 1 мм (D = 0,001 м), а ее объем 2,6 х 10^-10 м ³, и общее количество ячеек в кубометре газобетона – около 3 х 10⁹ шт.; поверхность одной ячейки S₁ = 3,14 х 10^-6 м², а суммарная поверхность всех ячеек – около 10 тыс.м². Здесь уже могут проявиться особые свойства воды.

Сразу после начала вспучивания газобетона, еще до образования зоны МГВ, растущие газовые ячейки начинают интенсивно отсасывать воду из окружающего пространства для смачивания собственной внутренней поверхности. При этом частично обезвоженные перегородки между ячейками быстро схватываются. Обычно газобетонная смесь вспучивается и схватывается (становится сухой на ощупь) через 10–20 минут после заливки, но если каким-либо способом (например, помешиванием) уменьшить пористость смеси, то ее схватывание может затянуться на несколько часов.

В процессе вспучивания газовые ячейки вступают в конкурентную борьбу за право выживания, “тянут на себя одеяло”, а те которые не успели – сдаются на милость победителя и прекращают собственный рост; вода же индифферентно мигрирует от слабых к сильным.

Этот прискорбный (антидемократичный) факт подтвержден прямым экспериментом. В три химических стакана 1, 2 и 3 (рис.), расположенных в термостате 4, помещены равные порции одинакового цементного теста 5, с погруженными в них датчиками потенциала массопереноса 6 (А.с. 174004), фиксирующими момент схватывания теста. Порции теста покрыты фильтровальной бумагой 7. В стаканы 2 и 3 доливали равные количества одинаковой газобетонной смеси 8, которую в стакане 3 во время вспучивания помешивали стеклянной палочкой 9.

Результаты эксперимента: тесто в стакане 1, не содержавшем газобетона, схватилось через 60 минут; в стакане 2 – через 10 минут; в стакане 3 – через 25 минут. Вывод: вспучивающаяся газобетонная смесь отсасывает воду из нижележащего цементного теста и делает это тем интенсивнее, чем больше ее пористость.

Особое внимание следует обратить на энергетические возможности внутреннего массопереноса: он способен преодолевать и силы гравитации, и сорбции (отсасывается вода из нижележащего слоя теста нормальной густоты, т.е. из дисперсии, содержащей очень мало свободной воды) и делает это, преодолевая дополнительное гидравлическое сопротивление, создаваемое листом фильтровальной бумаги.

Необходимо добавить, что средняя удельная поверхность дисперсной фазы газобетонной смеси (а следовательно, и ее водоудерживающая способность) в полтора раза меньше, чем у цемента, а удельное содержание воды – в 2 раза больше. Понятнее был бы обратный эффект: если бы газобетон отдавал тесту часть своей воды и тем самым замедлял бы схватывание теста; однако все наоборот.

Обнаруженный факт заставляет задуматься, а хорошо это или не очень? А нет ли способов ослабить или усилить данное явление, получив от него какую-либо пользу?

Следует обратить внимание на заведомую провокационность поставленного эксперимента, на подчеркнутую неоднородность системы, состоящей из цементного теста и газобетонной смеси. Действительно, тесто, в отличие от газобетона, не содержит газообразователя и потому лишено возможности наращивать свою удельную поверхность и “тянуть на себя одеяло”, отсасывая чужую воду.

Представим себе, что в описанном эксперименте по обе стороны фильтровальной бумаги оказалась абсолютно одинаковая газобетонная смесь, да еще утеряна палочка для помешивания. Начнется ли внутренний массоперенос? Нет, конечно: система однородна – нет повода, нет стимула.

А что такое стимул? Древние этим словом называли заостренную палочку, которой “стимулировали” движения ленивого осла. А какой стимул нужен тут, да и нужен ли он…

То ли дело, все ячейки равны, каждая из них может считать себя главной, никакой специализации, никакой персональной ответственности. Следить за ними проще, любая неодинаковость – нарушение, граничащее с преступлением. Хорошо, конечно, да вот смущают два фактора – внутренний и внешний. Ведь чтобы все ячейки были одинаковыми, требуются: а) строгая (может быть, даже репрессивная) распределительная система, обеспечивающая все зоны одинаковыми (и по качеству, и по количеству) пайками и газообразователя и воды; б) строжайшая изоляция от всех внешних влияний и воздействий, и от местного изменения температуры, и от притока или оттока воды, и от зловредной перемешивающей палочки. Равенство можно поддерживать только силой и при этом строго следить, чтобы одна ячейка не оказалась “равнее” других.

Так что же лучше – однородность или неоднородность? Безусловно, стохастическая, неуправляемая, неоднородность опасна. Можно себе представить, что стимулом, обусловившем местное ускорение реакции газообразования, оказался крохотный комочек негашеной извести, нечаянно или умышленно брошенный в залитую газобетонную смесь. В зоне его падения резко повысится температура и щелочность среды – два фактора, ускоряющих газообразование; немедленно включится в работу механизм внутреннего массопереноса, поставляющего воду, отсасываемую из других частей формуемого изделия.

При этом в изделии образуются две не предусмотренные проектом зоны: одна – с пониженной прочностью, а другая – с повышенной теплопроводностью. Получится брак. Такая неоднородность если и может оказаться полезной, то только для человека, преследующего личные интересы, например для конкурента.

Так что, однородность лучше? Не надо забывать, что внешняя среда включает в себя множество компонентов, враждебных по отношению к любому объекту, попадающему в эту среду. Тут и механические нагрузки, и градиенты температур, и агрессивные воздействия; причем, все они стремятся в первую очередь разрушить поверхностные слои объекта, поскольку центральные его зоны экранированы собственным телом объекта и менее доступны.

Поэтому лучше заранее предусмотреть возможные влияния среды и усилить периферийные зоны элемента. А простейшим способом повышения и прочности, и термостойкости, и непроницаемости для флюидов является повышение плотности газобетона в поверхностном слое изделия.

Повысить плотность можно путем воздействия на процесс газообразования (известно, что оно чувствительно, например, к температурным воздействиям), но известно и то, что понижение температуры, в определенных пределах, способно лишь замедлить, но не остановить вспучивание газобетона. Так, например, при температуре +10 ⁰С вспучивание газобетона больше, чем при +40 ⁰С.

Но тут и проявляется в полную силу феномен внутреннего массопереноса. Достаточно кратковременного понижения температуры локального (например, прилегающего к дну формы) слоя газобетонной смеси, как вышележащие слои не преминут воспользоваться этим и отсосут у бедолаги часть воды. В результате будет получено эффективное вариатропное изделие с придонным слоем переменной плотности.

Можно идти и другим путем, реализуя известный в технологии бетонов принцип четности: дать стимулирующий тепловой, а не охлаждающий импульс поверхностным, а не придонным слоям. Результат будет тот же.

Так благо или недостаток этот самый внутренний массоперенос? Все зависит от того, у кого в руках стимул, чьи интересы преследуются.

Х.Фархад