Присадка для бетона: застынет, когда надо

Уже не одно поколение строителей ведет упорную борьбу с цементом и бетоном — а все потому, что эти взвеси часто загустевают в процессе их перекачки по трубам, что приводит к постоянным поломкам насосов. Но можно ли как-нибудь справиться с этой бедой? Ученые из Швейцарии утверждают, что можно — необходимо лишь добавить во взвеси своеобразную "смазку".

Фото:

Одной из самых больших неприятностей, связанных с перекачкой таких взвесей, как цемент и бетон, является загустение смесей при уменьшении объема жидкости в перекачиваемой субстанции. И решить ее достаточно сложно — если сделать, например, цемент, совсем жидким, то его качество резко понизится. Ну, а если он будет более сухим, то его будет сложно перекачивать по трубам (что часто применяют при строительстве), поскольку в таком материале вязкость взвеси в потоке начинает резко расти.

Любопытно, что при некоторых обстоятельствах такой рост вязкости может устремляться к бесконечности, создавая тем самым большие проблемы для строителей — ведь для того, чтобы перекачать столь вязкий цемент или бетон по трубам, приходится увеличивать расход энергии на прокачку. Ну, а возрастание в связи с этим нагрузки на насосы достаточно быстро выводит их из строя. Одним словом, куда не кинь, всюду клин — и прибавлять в раствор жидкость нельзя, да и убавлять тоже нежелательно.

И вот для того, чтобы выйти из этого порочного круга, французская компания Lafarge, крупнейший производитель цемента в стране, обратилась к исследователям Швейцарской высшей технической школы Цюриха с просьбой разобраться в данной проблеме. Ученые же в первую очередь решили понять, почему при уменьшении жидкости в растворе и возрастании вязкости цемент начинает так тяжело идти по трубам. И вот, два специалиста по неньютоновским жидкостям, Николас Фернандес и Роман Мани, провели ряд лабораторных экспериментов, а после построили модель, которая показала им, почему цемент так нехорошо ведет себя при перекачке.

Итак, в результате ученые выяснили, что поток в столь плотных взвесях, как цемент и бетон, по своим параметрам скорее сводится к взаимодействию между отдельными его зернами, нежели к процессам, характерным для жидкостей. Таким образом, деформации и текучесть вещества в таких потоках тесно связаны с контактным взаимодействием твердых деформируемых тел (тех самых зерен взвеси). Исходя из этого, становится ясно, что при малых скоростях потока подобные "контакты" между частицами взвеси происходят при увлажнении сталкивающихся поверхностей жидкой пленкой.

Получается, что в такой ситуации трение между частицами взвеси весьма умеренно, поэтому насосы могут перекачивать цемент без особого напряжения. Однако редко кто ведет перекачку бетона или цемента на маленькой скорости — ведь строители стремятся завершить все работы, как можно быстрее. Но если поднять скорость перекачки, то эта защитная пленка между частицами разрывается. В результате зерна взвеси начинают тереться друг о друга так, как если бы они были совсем сухими. Именно в этот момент и начинается загустевание смеси, которое в конце концов и приводит к тому, что приходится увеличивать энергию для перекачки растворов.

Ну, а чуть позже, когда разорванная на многочисленные фрагменты жидкая пленка совсем исчезает, что происходит постоянно при высоком содержании твердых компонентов во взвеси и одновременном возрастании трения цемента (из-за роста скорости перекачки), то тогда вязкость и начинает стремиться к той самой "дурной" бесконечности. Это приводит к резкому понижению доходов строительной компании, поскольку перекачивающие насосы постоянно выходят из строя и их нужно заменять новыми. Выяснив это, ученые задали себе вопрос — нельзя ли как-то помешать этому быстрому возрастанию вязкости, не добавляя при этом в цемент избыточное количество воды?

Для того, чтобы получить ответ, исследователи провели ряд экспериментов, при которых они добавляли в раствор органические вещества, играющие роль своеобразной "смазки" между частицами взвеси. В результате выяснилось, что наибольший эффект дает использование небольшого количества полимерных добавок. При этом резко снижался коэффициент трения и загустения смеси вообще не происходило. Ну, а контрольные эксперименты показали, что снабженный такими добавками цемент не уступал по качеству своим лучшим аналогам, в которых не было избыточного содержания воды.

Как замечают авторы исследования, их открытие способно навсегда покончить с поломками перекачивающего взвеси оборудования — ведь после добавления полимерной "смазки" цемент и бетон не будут загустевать даже после обычного сдвига бетономешалки. Таким образом, строительные работы с использованием этих раствором можно будет сильно удешевить без потери качества — концентрация добавок во взвеси настолько низкая, что, как показали многочисленные тесты, они практически не влияют на свойства исходных материалов…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"