Техника - молодёжи 1964-06, страница 10

Простой пример. Чтобы сделать молоток, нужен материал — твердое тело. Если прокалить красный порошок киновари, легко получить блестящие капельки тяжелой жидкости. Это металл ртуть. Но нам нужен материал — твердое тело ив вещества ртути. Нальем ртуть в формочку, опустим туда деревянную ручку и быстро охладим форму жидким воздухом или смесью твердой углекислоты с эфиром. Получим самый настоящий молоток, которым можно забивать гвоздиI

Или, скажем, вода. В районах вечной мерзлоты из этого самого распространенного вещества легко получить прекрасный строительный материал: из льда сооружают фундаменты, дома, подземные хранилища.

К 1970 году намечено произвести 3,5—4 млн. т синтетических смол и пластмасс. Горы химической продукции/ Но чтобы. превратить эти вещества, то есть сырье, в материалы, требуется целый арсенал приемов. Как усовершенствовать эти методы? Ведь нередко бывает и гак: даже из хороших полуфабрикатов неопытная хозяйка готовит скверный обед. Как изготовить из уже известных веществ материалы с новыми, невиданными свойствами и прежде всего с высокой прочностью?

РЕШЕНИЕ ПОДОБНЫХ ПРОБЛЕМ имеет огромное народнохозяйственное значение. А кто их будет решать? Химики? Нет, они заняты главным образом изучением строения молекул, скоростей их образования, а также синтезом новых соединений — новых веществ, то есть только сырья для изготовления материалов. Тогда, быть может, физики? Тоже нет: они испытывают готовые материалы, но ие создают их. Конструкторы? Рассчитывая прочность сооружений и машин, они не могут управлять ни процессами образования материала, ни тем более его механическими свойствами.

Технологи — казалось бы, именно они должны изучать и применять закономерности переработки веществ в твердые тела. Но, увы, эмпирически подходя к составлению новых рецептур, они оторваны от современных физико-химических представлений. Они почему-то даже и ие пытаются научно управлять процессами образования материала, чтобы придать ему заданные свойства и структуру. Особенно плохо обстоит дело с производством строительных материалов. Такое, например, ценнейшее промышленное сырье, как цемент, не домалывается. Не мудрено, что вяжущие свойства цемента используются в бетоне лишь наполовину. Тут-то и приходит на помощь удивительная наука — физико-химическая механика.

Да, удивительная, хотя и занимается довольно обыденными вещами. Вскрывая тончайшие, я бы сказал, интимнейшие механизмы самых примелькавшихся явлений, она дает людям * ключ к революционным сдвигам в технологии материалов.

Представьте себе цепь, только не совсем обычную. В ней примерно на каждые 100 стальных звеньев приходится одно бумажное. Прочность такой цепи определяется свойствами самых слабых звеньев. Нечто подобное наблюдается и в структуре всех твердых тел.

У твердых металлов и неметаллических твердых тел, у стекол и твердых полимеров, всегда имеются изъяны — дефекты структуры. В них нарушена геометрическая правильность «упаковки» атомов или молекул. Примерно каждое сотое расстояние между соседями по кристаллической решетке больше остальных одинаковых. Это и есть те слабые звенья, из-за которых реальная прочность материалов в сотни раз ни чем у «идеальных» бездефектных твердых тел.

НА КОВЫ ЖЕ ПУТИ повышения прочности материалов? Самый обнадеживающий из них — разрушить твердое тело, например кристалл, по всем дефектам. Тело распадается на отдельные блоки, словно стальная цепь с разорванными бумажными звеньями. Теперь эти блоки надо сцементировать тончайшими прослойками высокопрочного «клея».

Известно из опыта и вполне понятно теоретически, что тонкие нити, пленки или мелкие частицы, размеры которых того же порядка, что и расстояния между дефектами, всегда гораздо прочнее, чем массивные куски из того же материала, у которых намного больше слабых звеньев. Вот почему будущее принадлежит мелкозернистым (высокодисперсным) материалам, а также материалам, составленным из множества тончайших волокон, пленок или зерен. Подобные структуры демонстрирует нам в своем гигантском политехническом музее природа: вспомните костный и мышечный скелеты животных, стволы и стебли растений.

Итак, путь к прочности лежит черев разрушениеI

Именно так исстари поступали при изготовлении бетона: зернышки раздробленного твердого тела (песок, щебень)

склеивали вяжущим веществом (гипсом, известью, глиной — ближайшими родичами современного цемента).

Однако оптимальная технология изготовления подобных материалов была разработана лишь недавно.

Раньше в цементный раствор старались добавлять побольше крупной гальки, щебня и целых каменных глыб. Это экономило цемент. И... снижало прочность сооружений. Казалось бы, выход прост — брать не гравий и щебень, а более мелкий песок. Но бетонная смесь только из цемента с песком оказывалась никуда не годной. Она требовала столько воды для придания частицам подвижности при перемешивании, что в ней оставался большой излишек влаги. И вот зимой сооружения начинали трескаться. А выход из затруднения есть!

Ни вода, ни огонь, ни мороз не страшны бетону, если его приготовлять предельно плотным, возможно менее пористым. Особенно опасны крупные поры и пустоты — неоднородности в затвердевшем бетоне. Как их избежать?

Среди технологов распространено мнение, будто тонкий помол цемента снижает морозостойкость и долговечность бетона. В действительности же это свидетельствует лишь о неумении управлять тонкоизмельченными продуктами, смешивать и уплотнять их.

Бетон легче всего уплотнить, подвергнув кашицеобразную, почти сухую смесь интенсивной «встряске». Высокочастотная вибрация мешает преждевременному срастанию частиц и предотвращает образование рыхлых пространственных сеток вплоть до полного формования изделия. Этому помогают и малые добавки поверхностно-активных веществ, обволакивающих частицы цемента и песка тончайшим слоем. Частички становятся «скользкими», плотнее «упаковываются», равномернее перемешиваются и быстрее твердеют. Снижается расход воды и цемента, а качество бетона резко повышается. Научно обоснованная технология бетона разработана у нас профессором Н. В. Михайловым и его сотрудниками.

РАЗУМЕЕТСЯ, К ПРОЧНОСТИ не обязательно идти только путем разрушения, перемалывая крупные куски в муку. Крохотные крупинки, которые составят в дальнейшем мелкозернистое твердое тело, дружно рождаются в процессе кристаллизации из переохлажденного расплава или пересыщенного раствора.

Изменяя температуру среды, концентрацию веществ и прочие условия процесса, можно управлять размерами образующихся кристалликов и ходом их срастания, то есть в конечном счете прочностью готового изделия. Именно так на кафедре коллоидной химии МГУ Е. Е. Сегалова и ее сотрудники получают цементный камень, который по прочности и плотности не уступит крепчайшим горным породам.

Строительные детали из цементного бетона можно склеивать в монолитную конструкцию. Н. Б. Урьев и Н. В. Михайлов разработали технологию приготовления и применения такого клея. Это смесь тонкомолотого цемента (часть которого можно заменять тонкомолотым песком) с предельно малым количеством воды и добавкой поверхностно-активного вещества — обычного пластификатора бетонных смесей. Смесь наносят тонким слоем и одновременно разжижают вибрацией. После затвердевания шов становится самым прочным местом конструкции.

Разработанная нами оптимальная технология приготовления высокопрочного и стойкого песчаного бетона при наименьшем расходе цемента приводит к значительной экономии: снижает стоимость кубометра нового бетона более чем в два раза по сравнению с обычным, ибо теперь становятся ненужными дорогостоящие и дефицитные крупные заполнители — щебень и гравий. Кроме того, оптимальная технология позволяет изготовлять тонкостенные изделия и детали нового типа, например бетонные доски, сравнительно тонкостенные высоконапорные трубы, резервуары и плиты. Все эти строительные изделия можно армировать предварительно напряженными стальными струнами. Такое армирование совершенно невозможно в обычных бетонах с крупными ваполнителями.

Когда мы говорим о материалах будущего, вто не значит только, что мы хотим превращать в эти материалы новые вещества, которые будут синтезированы нашими химиками, например новые полимеры. Это в равной мере означает, что мы будем использовать старые, хорошо известные вещества, но перерабатывать их в материалы совершенно новыми методами. Разработка новых путей управления механическими свойствами реальных твердых тел приведет к значительному повышению их прочности и стойкости. Эту главную задачу техники и помогает решить наука удивительных возможностей — физико-химическая механика.

6