Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии строительных пенобетонов
1.1 История развития ячеистого бетона 10
1.2 История развития пенообразователей для производства пенобетона, обзор некоторых современных пенообразователей 13
1.3. Технология производства пенобетона 18
1.4 Свойства пенообразователей 20
1.5 Обзор работ, посвященных технологии получения пеногипса и пеномагнези та 26
І.бОбзор работ посвященных оценке свойств пенообразователей 29
1.7Рабочая гипотеза 37
Выводы по 1 главе 37
Глава 2. Методики исследований и характеристики материалов
2.1. Методические предпосылки исследования 38
2.2. Модельные системы 39
2.3. Методы исследований
2.3.1. Водородный показатель 40
2.3.2. Поверхностное натяжение 40
2.3.3. Определение содержания активных оксидов кальция и магния в растворах вяжущих 40
2.3.4. Кратность и устойчивость пен 41
2.3.5. Приготовление пенобетонных смесей 42
2.3.6. Прочность и плотность ячеистых бетонов 42
2.3.7. Пористость пенобетонов 44
2.3.6. Структура пенобетонов 45
2.4. Основные характеристики вяжущих веществ 45
2.5. Характеристика использованных пенообразователей 48
2.6. Влияние природы пенообразователей на свойства «чистых» пен 51
Глава 3. Эффективность пенообразователей различной природы в пено бетонах на основе портландцемента 58
3.1. Влияние пенообразователей на поверхностное натяжение насыщенного раствора гидроксида кальция 58
3.2. Влияние пенообразователей на рН насыщенного раствора гидроксида кальция 61
3.3. Пенообразующая способность пенообразователей в насыщенном растворе гидроксида кальция
3.3.1 Кратность пен 66
3.3.2 Устойчивость пен 69
3.4. Эффективность пенообразователей в цементных системах 71
3.4.1 Пенообразующая способность пенообразователей в смесях на цементах с разным минералогическим составом клинкера 72
3.4.2 Структура и свойства пенобетонов, полученных с использованием пенообразователей, отличающихся химической природой 74
Выводы по 3 главе 84
Глава 4. Эффективность пенообразователей различной химической при роды в пеномагнезите 86
4.1. Поверхностное натяжение раствора гидроксида магния в присутствии пенообразователей 86
4.2. Влияние пенообразователей на рН растворов гидроксида магния 87
4.3. Влияние пенообразователей на свойства пен, получаемых из раствора гидроксида магния 89
4.4. Влияние хлорида магния на пенообразующую способность пенообразователей
4.4.1. Поверхностное натяжение раствора хлорида магния в присутствии пенообразователей 92
4.4.2. Влияние пенообразователей на рН раствора хлорида магния 94
4.4.3. Пенообразующая способность пенообразователей в растворе хлорида магния 95
4.5. Влияние пенообразователей на схватывание магнезиального теста 100
4.6. Пенообразующая способность пенообразователей в пеномагнезитовых смесях 102
Выводы по 4 главе 113
Глава 5. Эффективность пенообразователей различной химической при роды в пеногипсе 114
5.1. Поверхностное натяжение насыщенного раствора гипса в присутствии пенообразователей 114
5.2. Влияние пенообразователей на рН раствора гипса 115
5.3. Пенообразующая способность пенообразователей в насыщенном растворе гипса 117
5.4. Влияние пенообразователей на сроки схватывания гипсового теста 120
5.5. Пенообразующая способность пенообразователей в пеногипсовых смесях 122
5.6. Структура и свойства пеногипса, полученного с использованием пенообразователей, отличающихся химической природой 123
Выводы по 5 главе 132
Глава 6. Основные рекомендации по выбору пенообразователя с учетом их химической природы и вида вяжущего 133
6.1. Оценка эффективности пенообразователей для получения пенобетона на основе портландцемента Цемі 52,5Н «Старый Оскол» 135
6.2. Оценка эффективности пенообразователей для получения пеномагнези-та на основе порошка магнезитового ПМК-75 и хлорида магния 136
6.3. Оценка эффективности пенообразователей для получения пеногипса на основе гипса строительного марки ПО производства ООО «Черкескст ройпродукт» 140
Заключение 144
Список использованных литературных источников
- Технология производства пенобетона
- Определение содержания активных оксидов кальция и магния в растворах вяжущих
- Пенообразующая способность пенообразователей в насыщенном растворе гидроксида кальция
- Влияние пенообразователей на рН растворов гидроксида магния
Введение к работе
Актуальность избранной темы. В последние десятилетия получила развитие одностадийная технологии приготовления пенобетонных смесей. Главной особенностью этой технологии является то, что в отличие от двухстадиинои технологии формирование ячеистой структуры происходит не в воде, а в насыщенном растворе вяжущего. Это обстоятельство коренным образом влияет как на процессы пенообразования, так и на технологические свойства (кратность, устойчивость,) пеномасс и, как следствие - на плотности и прочности получаемых из них пенобетонов. Анализ литературных источников показал, что в большинстве из них вопросы взаимодействия пенообразователей с вяжущим, главным образом портландцементами, рассматриваются применительно к двухстадиинои технологии приготовления пенобетонных смесей. Вопросы взаимодействия пенообразователей разной химической природы с вяжущими при приготовлении пеномагнезитовых и пеногипсовых смесей по одностадийной технологии в анализируемых источниках практически не рассматриваются. В связи с изложенным исследования совместимости пенообразователей разной химической природы (на синтетической и биологической основе) в пенобетонах, получаемых по одностадийной технологии с использованием клинкерных цементов, каустического магнезита и строительного гипса, являются актуальными.
Степень разработанности избранной темы. Значительный вклад в развитие технологии получения пенобетонов внесиен как зарубежными, так и отечественными учеными: Ю.М. Баженовым, А.П. Меркиным, Л.В. Моргун, В.Т. Перце-вым, Ш.М. Рахимбаевым, Г.П. Сахаровым, И.Б. Удачкины, Л.Д. Шаховой, В.Г. Хозиным, В.Ф. Черных, Е.И. Шмитько и другими. В ряде работ этих авторов отмечается значительное влияние химического состава пенообразователей на их пено-образующую способность и свойства пенобетонов. Тем не ме-
нее, анализ литературных источников показывает, что, не смотря на большой объем исследований, вопрос структурооб-разования пенобетонов, полученных по одностадийному способу приготовления пенобетонных смесей с использованием пенообразователей разной химической природы, изучен не достаточно.
Требует дальнейших исследований вопрос, связанный с химическим взаимодействием основного вещества пенообразователей с ионами вяжущих, растворенных в воде. Мнения исследователей на этот счет расходятся.
Знакомство с литературными источниками показало, что в них отсутствуют сведения о процессах пенообразования смесей на основе гипсовых и магнезиальных вяжущих, получаемых по одностадийной технологии. К сожалению, нет также и сведений о сравнительной эффективности пенообразователей с синтетической и биологической основой с учетом вида вяжущего вещества.
Цели и задачи диссертационного исследования
Целью исследования является выявление основных закономерностей влияния природы пенообразователя на структурообразование пенобетонов на основе клинкерных цементов, каустического магнезита и строительного гипса при одностадийной технологии производства и формулирование основных принципов выбора пенообразователя для получения пенобетонов на основе этих вяжущих веществ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
- изучить влияние вяжущих (портландцемента, каустического магнезита и гипса ) на поверхностное натяжение и рН их растворов в присутствии пенообразователей разной химической природы;
изучить влияние растворенных ионов вяжущих на пе-нообразующую способность и устойчивость пен, полученных из водных растворов пенообразователей разной химической природы;
экспериментально подтвердить наличие химического взаимодействия основных веществ пенообразователей разной химической природы с ионами растворенных в воде вяжущих;
исследовать свойства пеносмесей на основе портландцемента, каустического магнезита и гипса, полученных с использованием пенообразователей различной химической природы;
оценить влияние пенообразователей разной химической природы на качественный и количественный состав новообразований цементного, гипсового магнезиального и гипсового камня, а также на макроструктуру и прочность пенобе-тонов;
сформулировать рекомендации по оценке пригодности пенообразователей с учетом их природы и вида вяжущего вещества.
Научная новизна работы:
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено химическое взаимодействие пенообразователей с ионами минеральных вяжущих веществ. Установлены зависимости влияния этого взаимодействия на свойства пен из ПАВ разной химической природы.
-
Установлены основные закономерности формирования ячеистой структуры пенобетонов на основе клинкерных цементов, каустического магнезита и строительного гипса в зависимости от природы пенообразователей.
-
Предложено оценивать эффективность пенообразователей для производства пенобетонов на основе клинкерных цементов, каустического магнезита и строительного гипса с учетом
свойств пен, полученных из насыщенных растворов этих вяжущих и пенообразователей.
4. Выявлено избирательное влияние пенообразователей на биологической и синтетической основе на процессы гидратации вяжущих разного вида.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработаны предложения по оценке эффективности и выбору пенообразователей разной химической природы в пе-нобетонах на основе портландцемента, каустического магнезита и строительного гипса.
Методология и методы диссертационного исследования
Одностадийная технология получения пенобетона предполагает введение пенообразователя в шликер, в котором на момент введения пенообразователя уже активно протекают процессы гидролиза вяжущего. Таким образом, пенообразова-ние происходит не в водной среде (как при двухстадийной технологии), а в среде насыщенного раствора используемого вяжущего.
Эта особенность принята за основу методологических подходов в данной диссертационной работе. Исследования свойств пенообразователей проводилось в водной среде (они принимались как «эталонные»), а также в «модельных» растворах (т.е. насыщенных ионами используемого вяжущего).
Для решения поставленных задач и достижения сформулированных целей необходимо было выполнить комплекс экспериментов, которые были по их целям объединены в следующие группы:
В первую группу вошли эксперименты, включающие определение основных характеристик выбранных пенообразователей: фактические значения критической концентрации мицеллобразования, водородного показателя растворов пено-
образователей разной концентрации в дистиллированной воде, поверхностное натяжение этих растворов, а также кратность и устойчивость получаемых из них пен.
Во вторую группу вошли эксперименты, целью которых являлась оценка влияния ионов растворенного в воде вяжущего на показатели, определенные в экспериментах первой группы.
В третьей группе экспериментов выполнена проверка результатов, полученных в экспериментах первой и второй группы, в пенобетоне, пеномагнезите и пеногипсе.
К четвертой группе отнесены исследования структуры и физико-механических свойств пенобетонов: пористость, количественный и качественный состав новообразований, физико-механические свойства, оценена макроструктура полученных пенобетонов.
Положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение влияния химической природы пенообразователей на формирование пеномасс в средах, насыщенных ионами вяжущих, в условиях одностадийной технологии их приготовления;
экспериментальные данные о химических взаимодействиях пенообразователей с минеральными вяжущими на основе портландцементного клинкера, каустического магнезита и гипса;
особенности гидратации использованных в работе вяжущих в присутствии пенообразователей на синтетической и биологической основе;
- методологические основы выбора пенообразователей для
получения пенобетонов на основе портландцемента, каусти
ческого магнезита и строительного гипса.
- физико-механические свойства пенобетонов, полученных на основе вяжущих разных видов с использованием пенообразователей разной химической природы;
Степень достоверности результатов работы подтверждена сходимостью экспериментальных данных, полученных с применением комплекса не только стандартных, но и оригинальных методов исследования, их непротиворечивостью известным положениям.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных научно-практических конференциях «Строительство», (Ростов-на-Дону, 2008, 2009, 2010 и 2011 г.г.), на всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (Челябинск, 20 Юг).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 11 публикациях, включая 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы: диссертация включает в себя введение, шесть глав, общие выводы, список использованных источников из 95 наименований. Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 16 таблиц, 45 рисунков.
Технология производства пенобетона
Классической технологией производства пенобетона является двух-стадийная технология, сущность которой заключается в том, что отдельно приготовленную пену смешивают с предварительно приготовленным раствором, состоящим из вяжущего, заполнителей и воды и перемешивают в течение 3—5 минут [1, 2, 5, 9, 22, 23, 25, 43, 44, 84].
Основными недостатками пенобетонных смесей, получаемых по традиционной технологии, являются их повышенное водосодержание, обуславливающее значительную усадку и расслоение. Процесс смешивания пены с растворной смесью является трудноуправляемым, так как при перемешивании происходит разрушение пены с потерей 10-30 % объема, что отрицательно сказывается на однородности пенобетона по плотности, и, как следствие, по прочности [24].
Получение пенобетона низкой плотности возможно по технологии «сухой минерализации» (являющейся своеобразной разновидностью двухста-дийной технологии получения пенобетона), разработанной и запатентовоной А.П. Меркиным в 1982 году. [26, 59]
Способ «сухой минерализации» применяется также при производстве пеногипса. Значительный вклад в развитие технологии приготовления этого материала внес Б.М. Румянцев [27,28]. В работе [29] предложено использовать технологию «сухой минерализации» для получения пенобетона на основе перлитоизвестково-гипсового вяжущего. Авторами получен пенобетон в диапазоне плотностей от 300 до 1600 кг/мЗ, соответствующий ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».
В 1997 году фирма «Фибробетон» (Москва) разработала и внедрила технологию производства пенобетонов, используя способ одностадийного турбу-лентно-кавитационного перемешивания компонентов пенобетонной смеси [30]. При такой технологии процессы приготовления пены и бетонной смеси совмещены в турбулентно-кавитационном смесителе, снабженном специальными лопастями, на концах которых расположены кавитационные насадки. Процесс приготовления смеси при этом включает в себя два этапа. На первом, при малых скоростях вращения вала, происходит перемешивание и гомогенизация компонентов (всех, за исключением пенообразователя). На втором, после добавления пенообразователя, при больших скоростях вращения вала, происходит поризация смеси. Во время поризации за движущимися лопастями образуются области пониженного давления - кавитационные каверны. Разность давлений обеспечивает активное воздухововлечение с одновременным равномерным распределением воздушных пузырьков по объему смеси. [31]
При одностадийной технологии поризации адсорбция пенообразователя происходит одновременно не только на границе раздела фаз «жидкость-газ», но и на поверхности минеральных частиц (в большей мере - вяжущего). При этом удается избежать характерного для двухстаийной технологии неуправляемого распада пены в процессе приготовления пенобетон-ных смесей. Немаловажным является и то, что за счет совмещения процессов перемешивания и поризации сокращается продолжительность приготовления пенобетонной смеси. При этом процесс поризации легко контролируется и управляется за счет регулирования вязкости растворной смеси, скорости вращения активатора, дозировки пенообразователя и продолжительности цикла вспенивания [45].
Развитие одностадийной технологии производства пенобетона выявило необходимость в дешевых синтетических пенообразователях, способных образовывать высокократную и стабильную пену за короткий промежуток времени. Наиболее популярными пенообразователями, используемыми для производства пенобетона, являются ПБ-2000, Ареком-4, Пеностром, ПО-3, ПО-6, ПО-ЗНП, ПО-6НП, Морпен, Унипор, Уфапор СС, Неопор, Foamcem и др..
Модифицированным способом приготовления пенобетонных смесей является баротехнология (называемая также технологией «обжатие релаксация»). Процесс перемешивания пены с раствором осуществляется в герметично закрытом смесителе, а после перемешивания пенобетонная смесь подвергается воздействию повышенного давления воздуха подаваемого в смеситель. В процессе обжатия кратность пены искусственно уменьшается в результате сжатия воздушных пор. При выходе пеномассы из поризатора сжатый воздух в ячейках расширяется, что приводит к уплотнению межпоровых перегородок. Эффект уплотнения усиливается при прохождении массы по трубопроводу. [31,32,33].
Описанный способ позволяет увеличить коэффициент использования пены, минимизировать время приготовления пенобетонной смеси, снизить В/Т, а также получать высокопористый пенобетон с минимальной дефектно-стью структуры плотностью от 200 кг/м . [34]
Таким образом, каждый из описанных способов получения пенобе-тонных смесей имеет свои особенности: при производстве пенобетона по классической технологии процесс получения пены происходит в водной среде, в то время как при производстве пенобетона по одностадийной технологии пенообразование идет в водном растворе используемого вяжущего вещества. Очевидно, что насыщение воды ионами вяжущего может повлиять как на ее поверхностное натяжение и рН, так и на свойства пенообразователей (кратность и устойчивость пен). Поэтому для анализа эффективности пенообразователей важно понимать, для какой технологии производства он будет использован.
Определение содержания активных оксидов кальция и магния в растворах вяжущих
В отличие от классической (двухстадийной) технологии получения пенобетона одностадийная технология предполагает введение пенообразователя в шликер (т.е. в смесь вяжущего, заполнителя и воды) для его поризации. Очевидно, что в шликере на момент введения пенообразователя уже активно протекают процессы гидролиза вяжущего и таким образом пенообразование происходит не в водной среде (как при двухстадийной технологии), а в среде насыщенного раствора используемого вяжущего.
Эта особенность принята за основу методологических подходов в данной диссертационной работе. Исследования свойств пенообразователей проводилось в водной среде (в работе они принимались как «эталонные»), а также в «модельных» растворах (т.е. насыщенных ионами используемого вяжущего).
Для решения поставленных задач и достижения сформулированных целей необходимо было выполнить комплекс экспериментов, которые были по их целям объединены в следующие группы:
В первую группу вошли эксперименты, включающие определение основных характеристик выбранных пенообразователей: фактические значения критической концентрации мицеллобразования, водородного показателя растворов пенообразователей разной концентрации в дистиллированной воде, поверхностное натяжение этих растворов, а также кратность и устойчивость получаемых из них пен. Эксперименты этой группы освещены в данной главе, а их результаты использованы в качестве базовых при сравнении результатов, полученных во второй и третьей группах экспериментов.
Во вторую группу вошли эксперименты, целью которых являлась оценка влияния ионов растворенного в воде вяжущего на показатели, определенные в экспериментах первой группы. В третьей группе экспериментов выполнена проверка результатов, полученных в экспериментах первой и второй группы, в пенобетоне, пеномаг-незите и пеногипсе.
К четвертой группе отнесены исследования структуры и физико-механических свойств пенобетонов: пористость, количественный и качественный состав новообразований, физико-механические свойства, оценена макроструктура полученных пенобетонов.
Исследование технологических свойств пенообразователей выполнено на модельных системах, представляющих собой вытяжки из насыщенных растворов использованных вяжущих веществ (портландцемента, строительного гипса, каустического магнезита и хлорида магния), содержащих один из пенообразователей при концентрации от 0,5 до 8%. Для сравнения с такой же концентрацией приготавливали растворы пенообразователей в дистиллированной воде (первая группа экспериментов).
Насыщенные растворы гидроксида кальция, сульфата кальция и гид-роксида магния приготавливали, растворяя перечисленные вяжущие в дистиллированной воде до образования осадка и последующей фильтрацией через фильтр-бумагу. Затворитель для гидроксида магния применялся в виде рабочего раствора хлорида магния 25 %-ной концентрации. Плотность затворителя при его 25% концентрации составила 1,16 г/см . Концентрация MgCb принята с учетом известных рекомендаций [65]
В качестве модельных систем для экспериментов третьей группы использовались пенобетонные смеси на основе различных портландцементов, строительного гипса и каустического магнезита. При этом, водовяжущее отношение, время перемешивания шликера и его вязкость, время вспенивания, а также дозировка пенообразователей для каждой системы принимались индивидуально. 2.3. Методы исследований
Водородный показатель (рН) эталонных и модельных растворов определяли рН- милливольтметром рН-410 (производства НПКФ «Аквилон», г. Москва).
Для этого отмеряли 150 г эталонного или модельного раствора, заливали в коническую колбу вместимостью 250 мл. В раствор помещали стеклянный электрод и производили измерения в течение 8 минут. После этого, в новую порцию раствора, добавляли пенообразователь в количестве 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 % от массы раствора и производили измерения.
Пенобетонные смеси приготавливали в лабораторном турбулентном смесителе емкостью 50 л со скоростью вращения активатора 580 об/мин. Сначала при нерабочем активаторе в смеситель заливали воду. В опытах с пеномагнезитом в качестве затворителя использовали 25%-ный раствор хлорида магния. Затем при неработающем смесителе засыпали предварительно взвешенное вяжущее вещество. Перемешивание шликера производили в течение 2 минут. В случае необходимости вязкость шликера корректировали путем добавления воды или вяжущего. Среднюю плотность шликера определяли с помощью мерного цилиндра объемом 1 л, вязкость шликера контролировали вискозиметром Суттарда.
При остановленном активаторе в приготовленный шликер добавляли отдозированный пенообразователь. Вспенивание шликера производилось в течение 5 минут для пеносмесей на основе портландцемента и каустического магнезита и 4 минут для пеносмесей на основе строительного гипса.
Среднюю плотность пенобетона определяли по ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности», а влажность - по ГОСТ 127730.2-78 «Бетоны. Методы определения влажности».
Истинную плотность пенобетона определяли по ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико -механических испытаний»
Предел прочности при сжатии определяли по методике ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».
С целью получения достоверных результатов минимально необходимое количество образцов, подвергающихся испытаниям в одной серии, определяли по ГОСТ 10180, в соответствии с которым оно принято равным 3.
Пенообразующая способность пенообразователей в насыщенном растворе гидроксида кальция
Синтетические пенообразователи ПБ-2000, ПО-6НП и Ареком-4 понижают рН раствора с 13,8 до 12,8, 13,0 и 13,35 соответственно. Наличие в пенообразователе биологического компонента (гидролизата белков) приводит к более значительным изменениям. Повышение концентрации пенообразователей Пеностром и Addiment SB3 приводит к снижению щелочности раствора с 13,8 до 10,2 и 9,2 соответственно, т.е. при высоких концентрациях этих пенообразователей сильнощелочной раствор становится слабощелочным.
Значительное изменение рН раствора гидроксида кальция при увеличении концентрации Addiment SB3 и Пеностром, по нашему мнению, является подтверждением химического взаимодействия этих пенообразователей с ионами Са2+.
Для оценки возможного взаимодействия пенообразователей с ионами кальция в растворе нами был поставлен эксперимент, сущность которого состоя ла в титровании насыщенного раствора гидроксида кальция соляной кислотой. При этом варьируемыми факторами были вид и концентрация пенообразователя в растворе Са(ОН)2. Подробно методика эксперимента описана в главе 2.
На рис.3.3 приведены данные о влиянии вида и концентрации растворов пенообразователей на кинетику поглощения гидроксида кальция, которые показывают, что все используемые пенообразователи понижают содержание ионов кальция в растворе. Это является подтверждением химического взаимодействия пенообразователей с гидроксидом кальция.
Установлено также, что и кинетика и количественные параметры этих взаимодействий связаны с химической природой основного вещества пенообразователя. Пенообразователь Addiment SB3 сильнее всех связывает гид-роксид кальция. В условиях щелочной среды в раствор гидроксида кальция будут направлены гидрофильные карбоксильные группы (-СОО), тогда как аминогруппы (-NH2+), как менее гидрофильные, должны быть направлены во внутреннюю сторону пузырька [52]. Реакция обмена при этом может протекать по следующей схеме: 2(HSCH2CH(NH2)COOH)+Ca+2 —(HSCH2CH(NH2)COO)2Ca + H2 (3.4)
Концентрация ионов кальция в присутствии синтетических пенообразователей также понижается, однако, в меньшей степени. При концентрациях пенообразователей до 1 % кинетика связывания ионов Са практически одинакова для всех синтетических пенообразователей. При концентрации больше 1% более активно в реакции обмена вступает Пеностром, менее - ПО-6НП, Ареком-4 и ПБ-2000. Химическая основа у ПО-6НП и ПБ-2000 - вторичные алкилсульфаты натрия. Таким образом, взаимодействие с ионами кальция у ПО-6НП и ПБ-2000 может происходить следующим образом:
Таким образом, можно сделать вывод, что все исследуемые пенообразователи вступают в химическое взаимодействие с ионами Са+2 в насыщенном растворе гидроксида кальция. Результатом этого взаимодействия может быть образование кальциевых мыл, которые плохо растворимы в воде. Это, в свою очередь приводит к понижению концентрации активной части пенообразователя в растворе. Таким образом, свойства пенообразователей в насыщенном растворе гидроксида кальция должны существенно отличаться от их свойств в воде, что необходимо учитывать при оценке пенообразователей. 3.3. Пенообразующая способность пенообразователей в насыщенном растворе гидроксида кальция
Анализируя результаты, приведенные выше, можно предположить что кратность и устойчивость пен, получаемых из насыщенного раствора гидроксида кальция, будет меньше, чем кратность пен из водных растворов пенообразователей. Данное предположение основано на выводе о понижении концентрации активной части ПАВ в растворе Са(ОН)2 вследствие обменных реакций между пенообразователями и ионами Са2+.
Пенообразующую способность пенообразователей в растворах гидроксида кальция оценивали по показателям кратности и устойчивости пен.
Кратность пен, полученных из насыщенного раствора гидроксида кальция (Рис 3.4), существенно отличается от кратности пен, полученных из водных растворов пенообразователей (Рис 2.3).
Концентрация ПО, % по сухому веществу Рис. 3.4. Зависимость кратности пен от концентрации пенообразователей в растворе Са(ОН)2 Согласно результатам, полученным в п. 3.2., все используемые в работе пенообразователи вступают в реакции взаимодействия с ионами кальция. Однако, это взаимодействие оказывает избирательное воздействие на пено-образующую способность ПАВ разной химической природы. Обращает на себя внимание существенное снижение кратности пен, полученных из синтетических пенообразователей ПБ-2000, Ареком-4 и ПО-6НП в сравнении с кратностью пен из их водных растворов. Повышение концентрации последних двух пенообразователей до 1% практически не приводит к увеличению кратности пены. Лишь при концентрации 2% удалось получить пену кратностью более 4. В то же время, такая же кратность пены из растворов комплексного пенообразователя Пеностром и биологического Addiment SB3 достигается при их концентрации около 1%. В то же время кратность пен из насыщенного раствора гидроксида кальция с Addiment SB3 была больше кратности пен из дистиллированной воды.
Из сопоставления кратностей пен из дистиллированной воды и насыщенного раствора Са(ОН)2 вытекает вывод о том, что для получения пен кратностью, равной 4 (характерной для устойчивых пен), концентрация синтетических пенообразователей в дистиллированной воде должна быть 0,5-0,6%, а в растворе Са(ОН)2 - значительно больше: для пенообразователя ПБ-2000 она составляет около 0,75%, для ПО-6НП - около 2%, Пеностром - около 1%, Ареком-4 - около 2%. Для белкового пенообразователя Addiment SB3 - около 1% (в дистиллированной воде - около 1,2%).
Объяснение избирательному воздействию ионов кальция на пенообра-зующую способность ПАВ разной химической природы мы видим в различии строения их адсорбционных слоев на границе раздела фаз газ-жидкость.
Адсорбционный слой, сформированный синтетическими пенообразователями ПБ-2000, ПО-6НП и Ареком-4, представляет собой «частокол Люн-гмюра». При этом формируется слой толщиной более 6 10-10м не обеспечивающий достаточной стабилизации пены. В поверхностном слое происходит постоянный взаимообмен молекул поверхности и объема. Химическое взаимодействие ПАВ с ионом кальция в этом случае должно приводить к выходу молекулы из адсорбционного слоя, что приводит к снижению пенообразующей способности ПАВ. Это предположение подтверждается при сравнении кратности пен из водных растворов синтетических пенообразователей с кратностью пен из насыщенных растворов гидроксида кальция. Общей особенностью для всех исследуемых ПАВ, имеющих синтетическую основу, является понижение пенообразующей способности в насыщенном растворе гидроксида кальция.
Пенообразователи, содержащие в своем составе различные низкомолекулярные ПАВ (Пеностром) при адсорбции на поверхности раздела фаз газ-жидкость формируют так называемый «переплетенный частокол Ленгмюра». При этом гидрофобные части молекул ПАВ могут переплетаться между собой, что приводит к увеличению прочности адсорбционного слоя и препятствует выводу из него молекул при из взаимодействии с ионами кальция.
Химическое строение молекул биологических пенообразователей (Addiment SB3) имеет ряд особенностей, которые предопределяют сохранение пенообразующей способности при химическом взаимодействии с ионами кальция в растворе. Биологические пенообразователи являются амфолитны-ми ПАВ, то есть имеют в составе несколько полярных групп и характеризуются большей (в сравнении с синтетическими ПАВ) длиной молекулы. Полярные группы распределены равномерно по всей длине молекулы, при этом молекула высокомолекулярного ПАВ ориентирована вдоль адсорбционного слоя. Поэтому химическое взаимодействие одной или нескольких полярных групп этой молекулы не приводит к выходу ее с поверхности раздела фаз в раствор.
Влияние пенообразователей на рН растворов гидроксида магния
Можно утверждать, что совместимость с хлоридом магния пенообразователей, имеющих синтетические компоненты, требует тщательного анализа на стадии выбора пенообразователя. Синтетический компонент, входящий в состав пенообразователя ПО-6НП, с хлоридом магния не совместим, так как вследствие химических реакций он практически полностью теряет свою поверхностную активность. В связи с этим ПО-6НП не может быть рекомендован для получения пеномагнезита. Алкилбензосульфонаты триэтаноламина и альфаолефинсульфонаты натрия, входящие в состав комплексного пенообразователя Пеностром, не образуют стабильной пены из раствора хлорида магния; поэтому применение этого пенообразователя для поризации пеномагне-зитовой смеси должно быть ограничено.
Пены из биологического пенообразователя Addiment SB3 обладают хорошей устойчивостью (95%) при дозировке 1,25%, что выше устойчивост-ми пен из его водного раствора (70%).
Причиной значительного влияния хлорида магния на свойства пен, получаемых из синтетических пенообразователей, на наш взгляд является снижение их полезной концентрации в растворе вследствие химических взаимодействий между ионами хлора и активным веществом пенообразователя. В результате снижения полезной концентрации ПАВ поверхностное натяжение раствора увеличивается и, как следствие, снижаются кратность и устойчивость пен. Распад пен обуславливает коалесценцию ячеек, что должно изменить макроструктуру пеномагнезита, полученного на основе синтетических ПАВ в сторону увеличения содержания крупных дефектов. Применение биологического пенообразователя Addiment SB3 в этом смысле более предпочтительно. 4.5. Влияние пенообразователей на схватывание магнезиального теста
Все пенообразователи, будучи ПАВ, при введении в раствор адсорбируются на границах раздела фаз газ - жидкость и жидкость - твердое тело. Адсорбция на поверхности зерен каустического магнезита может приводить к замедлению гидратации и, как следствие, сроков схватывания вяжущего. Данное обстоятельство является одним из главных технологических факторов, ограничивающих максимальные дозировки ПАВ.
Нами были изучено влияние дозировки пенообразователей различной химической природы на сроки схватывания теста из каустического магнезита затворенного 25-% раствором хлорида магния. Влияние пенообразователя ПО-6НП в данных экспериментах не приводится в связи с низкой эффективностью этого пенообразователя. Результаты исследований приведены в таблице 4.1.
Как следует из данных табл. 4.1, синтетические пенообразователи ПБ-2000 и Ареком-4, а также биологический Addiment SB3 практически не влияют на сроки схватывания магнезиального теста. Иным образом проявляет себя комплексный пенообразователь Пеностром, который существенно увеличивает как сроки, так и продолжительность схватывания каустического магнезита, причем данное влияние усиливается при увеличении дозировки пенообразователя. Уже при концентрации Пенострома 0,5% начало схватывания наступает на 13 минут (37%), а конец схватывания на 15 минут (22%) позже в сравнении с контрольным составом.
При дозировке пенообразователя 0,6% начало и конец схватывания магнезиального вяжущего замедляются на 24 и 34 минуты соответственно. Максимальный замедляющий эффект наблюдается при концентрации пенообразователя 0,7%: начало схватывания - на 37 минут (105%), конец схватывания - на 57 минут (83%) позже контрольного состава. Общая продолжительность схватывания магнезиального теста при этом увеличивается в 1,6 раза (с 33 до 53 минут) в сравнении с контрольным составом. Пеностром является комплексным пенообразователем, состоящим из низкомолекулярных ПАВ имеющих разную полярную группу - алкилбензосульфонат триэтано-ламина и альфаолефинсульфонат натрия. Очевидно, что синтетические ПАВ группы сульфонатов оказывают значительное замедляющее воздействие на сроки схватывания каустического магнезита. Этот факт следует учитывать при выборе пенообразователя для производства пеномагнезита, так как сильное замедляющее воздействие комплексного пенообразователя Пеностром на процесс твердения каустического магнезита в комплексе с низкой устойчивостью получаемых из него пен может негативно отразиться на стабильности пеномагнезитовых смесей.
Данные результаты согласуются с результатами о пенообразующей способности ПАВ в растворах хлорида магния, полученными в пп 4.4.3. Таким образом, предварительную оценку пенообразователей для получения пе-номагнезита следует проводить путем анализа свойств пен, получаемых из растворов затворителя заданной концентрации.
Применение синтетических пенообразователей (ПБ-2000 и Ареком-4) не позволило получить пеномагнезитовую смесь плотностью ниже 700 кг/мЗ даже при их максимально принятой в эксперименте дозировке (0,7%) . При таких же дозировках смесь, содержащая пенообразователи Пеностром и Addiment SB3, имеет плотность 550 кг/мЗ. При хорошей пенообразующей способности Пеностром, однако, не позволяет получить стабильную смесь. Через 45 минут после затворения пеномагнезитовая смесь с этим пенообразователем осаждается примерно в 2 раза по сравнению с первоначальным объемом, что, по нашему мнению, связано с сильным замедляющим влиянием этого пенообразователя на гидратацию магнезиального вяжущего, а также с низкой устойчивостью его «чистых» пен, полученных из 25% раствора хлорида магния.
Все вышеперечисленное позволяет сделать вывод, что для получения пенобетона на основе магнезиальных вяжущих веществ наиболее эффективным является применение биологических пенообразователей на основе гид-ролизатов белка. Комплексный пенообразователь Пеностром не позволяет получить стабильную пеномагнезитовую смесь вследствие низкой устойчивости пен в растворе хлорида магния и сильного замедляющего воздействия сульфонатов на твердение каустического магнезита, хотя их пенообразующая способность выше, чем у синтетических пенообразователей группы сульфатов (ПБ-2000, ПО-6НП, Ареком-4).