Как научились закалять бетон

Знаете ли вы, что резец, которым токарь вытачивает на станке какую-нибудь деталь, хотя он и сделан из самой крепкой стали, перед употреблением обязательно закаливают?
И не только резец, — очень многие инструменты, которыми пользуются слесари, токари, фрезеровщики, револьверщики, долбежники, разметчики, лекальщики, прошли специальную закалку, прежде чем их пустили в работу.
И молоток, которым вы дома вколачиваете гвозди, и отвертка, которой завинчиваете шурупы, и плоскозубцы, и все другие инструменты, которые есть в вашей собственной домашней мастерской, тоже были закалены. Однако сделаны они все из стали. А ведь сталь — самый крепкий металл из всех существующих на свете.
И тем не менее, если бы ее не закаливали, она бы от частого употребления, от высокой температуры, трения и сильных ударов быстро изнашивалась.
Совсем иное дело, если сталь закалить на очень сильном огне. Поверхность ее как бы покрывается тонкой, но очень крепкой броней. И вот эта-то броня потом и защищает сталь от многих серьезных неприятностей, с которыми ей придется сталкиваться.
Не думайте, однако, что закаляют только стальные инструменты потому, что на их долю выпала особенно тяжелая работа.
Посмотрите на крышу дома, что находится против ваших окон. Железо, которым ее покрывали, выкрасили масляной краской. Но приходило ли вам в голову, зачем это сделали?
Для красоты? Сомнительно. Потому что от времени железо всё равно становится снова какого-то бурого цвета.
Крышу покрывают масляной краской, чтобы она лучше сохранилась. Окраска ее — это та же закалка. Весной и осенью она предохраняет кровлю от дождей, а зимой — от снега.
Однако стоило ли это делать? Ведь после дождя крыша и так бывает чисто умытой, а зимой, под снегом, ей, наверно, даже теплее.
Конечно же, после того, как дождем ее вымоет, крыша становится чище. Но эта бесспорная польза не окупает тот вред, который дождь приносит кровле. От действия воды железо всё больше и больше покрывается ржавчиной и разрушается.
И вот, чтобы избежать этого, крышу предусмотрительно покрывают масляной краской. Тогда она служит гораздо дольше.
Всё это строители знали уже давно. Однако никакие попытки закалить бетон ни к чему не приводили. Сооружения, построенные из искусственного камня, хотя и оказывались более долговечными, чем деревянные или кирпичные, но и они еще оставляли желать лучшего.
Прошли многие десятилетия, прежде чем ученые напали на верный след в своих поисках. Шаг за шагом продвигаясь по этому следу, они пришли к выводу, что сначала надо одеть в панцирь самый верхний слой бетона, так как он-то и начинает разрушаться в первую очередь.
Но как же это сделать?
Были придуманы специальные механизмы, которые назвали вакуум-насосами. Они, точно пиявки, присасывались к поверхности бетона и, не давая испаряться влаге, высасывали ее всю, а заодно с нею и воздух. Результат получался отличный, — закаленная поверхность бетона становилась непроницаемой.
Придумали и другие способы закалки бетона.
Каждый из них был по-своему хорош, так как помогал защитить бетон от грозивших ему опасностей.
Однако торжествовать полную победу было преждевременно, и строители всё еще не могли оставаться спокойными за будущую судьбу бетона. Ведь закалять научились только его поверхность. А этого было мало. В особенности, когда из бетона возводили сооружения, которые всю свою жизнь должны были проводить в воде. Искусственный камень надо было защитить не только снаружи, но и внутри.
Путь к достижению этой цели был лишь один: бетон надо было делать таким плотным, чтобы ни одна капля воды не могла просочиться в его поры. А это, в свою очередь, значило, что не должно быть и самих пор, даже невидимых простым глазом.
Задача оказалась очень трудной. Но, что поделаешь, — ведь и то, чего добились до сих пор, тоже было не легко.
И вот ученые и инженеры принялись за работу. Всё дело заключалось в том,— удастся или не удастся приготовлять бетонную массу, расходуя на это как можно меньше воды.
Но и без воды бетона не приготовить! Ведь чтобы сделать только один кубический метр камня, нужно сто восемьдесят литров воды. А из этого количества химически соединяется с цементом лишь небольшая часть — около шестидесяти литров. Столько же примерно остается на поверхности зерен песка, цемента и щебня. Остальная треть испаряется. Вместо нее в бетоне остаются те самые пустоты, проникая через которые вода может причинить столько неприятностей.
Что же делать? Уменьшить расход воды на ту самую треть, которая потом всё равно испаряется? Но тогда бетонная смесь станет такой густой, что ее никак не уложишь на место. И никакие утрамбовывания уже не помогут.
Стать на этот путь всё же побоялись. Решили попробовать ввести в жидкий бетон такие же добавки, которые в последнее время начали вводить в цемент.
И что же?
Пустот оказалось меньше. А благодаря этому и вода меньше стала проникать внутрь бетона. Зато появилась новая беда: бетон не мог уже так сопротивляться морозу, как раньше. Получалось очень похоже на известную поговорку: «Хвост вытащишь — нос увязнет».
Подумали ученые, подумали и решили, что допускать уменьшения морозостойкости бетона нельзя. Приходилось искать другой выход. И тут опять вспомнили о том, как закаливают сталь.
Когда хотят, чтобы сталь была более прочной, ее не только обжигают на сильном огне. При варке в сталь добавляют поверхностно-активные вещества. Это наши старые знакомые. С ними нам уже довелось встречаться.
Как же помогли эти вещества закалить бетон внутри?
Прежде чем ответить на этот вопрос, я расскажу вам об одном очень интересном явлении, которое называется адсорбцией. Оно бывает очень часто, но, тем не менее, я уверен, что многие из вас никогда не задумывались над его происхождением.
Каждый, конечно, знает, что стоит лишь выйти в дождь на улицу, как вскоре ваша одежда намокнет. Ну, а уж если доведется попасть под сильный ливень, то быть вам вымокшим до нитки.


Спрятавшись под зонтом, можно находиться под дождем сколько угодно и всё равно не промокнуть...

Однако пребывание под дождем вовсе не означает, что вам обязательно придется мокнуть. Изобретательная мысль человека давно уже придумала простой, но вполне надежный способ защиты от этой неприятности — самый обыкновенный зонт. Спрятавшись под ним, вы можете сколько угодно находиться под дождем, одежда ваша останется такой же сухой, какой она была. Вы можете под дождем проехать в машине даже целую сотню километров — и тоже: ни одна капля не упадет на вашу одежду, если укроетесь под брезентом.
Чем же объяснить такое странное явление? Ведь и ваша одежда, и зонт, и брезентовый тент — все они сделаны из ткани. Однако одежда почему-то сразу становится мокрой, а зонт и брезентовый тент — нет.
Думаете, они пропитаны каким-нибудь специальным водонепропускающим составом? Ничего подобного! Зонты делают из очень тонкой ткани.
Настолько тонкой, что иногда через нее даже можно видеть насквозь.
Нет, объяснение удивительных свойств зонта и брезентового тента надо искать вовсе не в особенностях материала, из которого они сделаны, а в том самом явлении, которое носит название адсорбции.
Многие думают, что поверхностные частицы одного и того же тела обязательно точно такие же, как и внутренние. Не может же быть, считают они, чтобы поверхностные частицы кристалла железа, или капли воды, или зерна нашего старого знакомого, каменного клея, имели одни свойства, а внутренние — другие?
А между тем это именно так! Больше того, — частицы вещества, находящиеся на поверхности тела, ведут себя совсем по-другому, чем те, которые расположены внутри него.
В чем же состоит различие их поведения?
Прежде всего в том, что частицы, расположенные на поверхности, могут соприкасаться с другими частицами, как бы притягивать их. В этом и заключается явление адсорбции. А частицы, находящиеся внутри тела, делать этого не могут.
Поэтому-то и зонт, и брезентовый тент не протекают. Все поры их, точно невидимыми пробками, закупорил воздух... Однако достаточно нам не только сложить зонт, но и просто прикоснуться рукой к намоченной ткани, как «броня», в которую сам же дождь одел нашего защитника, будет разрушена и зонт начнет протекать.
Вот и ответ на вопрос, который был поставлен. Добавляя поверхностно-активные вещества, ученые смело и разумно используют один из удивительных законов химии, знание которого позволяет им заставлять искусственный камень каждый раз совершать, казалось бы, самые необыкновенные превращения.
Какие же бывают эти поверхностно-активные вещества? Одним из наиболее известных представителей их является самое обыкновенное мыло. Попробуйте растворить его в воде и посмотрите, что из этого выйдет.
Для этого вовсе не нужно разрезать мыло на мелкие кусочки. Достаточно намылить им руки, а потом смыть их водой. Пузырьки воздуха, попавшие в воду в то время, как вы ее взбалтывали руками в тазу, всплывут на поверхность. Получится мыльная пена.
Почему же это произошло? Сколько раз до этого вы мылись, но никогда вам не приходилось задумываться над таким вопросом. А вот сейчас попытайтесь ответить на него. А тем, кто затрудняется, придется прийти на помощь.


Водомерка преспокойно бегает по воде...

Встречали ли вы когда-нибудь водяное насекомое, которое имеет довольно странное название — водомерка? Водомерка эта, оказывается, может даже бегать по воде. Не думайте, что я оговорился, — именно бегать, а не плавать.
Своими лапками водомерка слегка вдавливает поверхность воды, но не прорывает ее. Однако стоит только насекомому перейти на другое место, как вода там, где она только что была, немедленно приобретает прежнее состояние. Это дало ученым основание утверждать, что всякая жидкость имеет, как они выражаются, поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение воды всегда бывает очень чувствительно ко всяким посторонним веществам, оказавшимся в ней. Мыло, которое вы растворили в воде, также понизило поверхностное натяжение воды. Поэтому и его причисляют к поверхностно-активным веществам.
Молекулы этих веществ, если их рассматривать в микроскоп, похожи на цепочку, состоящую из атомов углерода, которая, в свою очередь, как бы вся «обвешана» атомами водорода. С одной стороны, странная молекула оканчивается тремя атомами водорода. Этот конец называют неактивным потому, что он не может притягиваться к другим частицам. Зато противоположный конец совсем на него не похож. Он хорошо притягивается к другим частицам, причем даже к тем, которые расположены на поверхности твердых тел.
Что же происходит, когда поверхностно-активные вещества добавляют в воду? Неактивные концы молекулы как бы ощетиниваются и не подпускают к себе молекулы воды. Поэтому-то так трудно бывает отмыть кастрюлю, в которой находился жирный суп. Жир, благодаря «своенравности характера» его молекул, не впитывает воду, и она оказывается не в состоянии причинить ему какой-либо вред. То же самое происходит и с бетоном.
Стоит только в бетонную смесь добавить совсем незначительное количество этих удивительных веществ, как, они тотчас же притягиваются поверхностными частицами цементных зерен и вступают в соединение со щелочами, которые в них содержатся. Получается нечто, очень похожее на мыло. Когда же бетон начинают «встряхивать», образовавшееся в нем мыло вспенивается и, как во всякой мыльной пене, появляется множество мелких воздушных пузырьков. Каждый из них одет, точно в панцирь, в пленку, которая состоит из поверхностно-активных веществ.
Воздушные пузырьки делают бетон более подвижным и позволяют для его приготовления тратить меньше воды.
Ну и чудеса! Совсем недавно доказывалось, что из-за воздушных пузырьков в бетоне образуются пустоты, в которые потом проникает вода. А теперь оказывается, что эти виновники всех бед наделены самыми добродетельными качествами.
Где же все-таки правда: в том, что было сказано прежде или теперь?
Правильно и то, и другое. Пустоты, которые в бетоне получаются после испарения воды, конечно, таят в себе большую опасность для искусственного камня. И в этом смысле воздушные пузырьки очень нежелательны.
Но ведь пузырьки пузырькам рознь. Поэтому одно дело, когда речь идет о пузырьках-врагах, и совсем другое, если иметь в виду пузырьки, которые приносят пользу.
Так люди научились закалять бетон в самом раннем возрасте, не только снаружи, но и внутри.
Зато теперь они могут на него вполне положиться. Закаленный бетон не подведет и своей долговечностью вознаградит труд тех, кто его создал.


Как камень стал железным