ВСЕ О ПЕНОБЕТОНЕ

Сравнительно-оценочная характеристика пенообразователей

Логическим завершением темы о пенообразователях может послужить их сравнительно-оценочная характеристика. Причем она обязательно должна от­вечать определенным критериям, а именно:

1. Для снижения тенденциозности в оценках, обусловленной рекламными соображениями, исследования должны быть комплексными, проведен­ными солидными государственными научными учреждениями и в рамках целевых государственных научно-исследовательских программ, финан­сируемых исключительно государством.

2. Руководить подобными работами (и подписываться под полученными результатами) должны ученые, обладающие непререкаемым авторите­том в этой области.

3. Исследования должны быть не слишком старыми, чтобы современные ве­щества в них были отражены достаточно полно, но и не ультрасовремен­ными. В последнее время уж слишком активно стал внедряться в нашу повседневность лозунг «все покупается и продается».

4. Результаты исследований должны быть сопоставимы. Для этого они должны проводиться по единым правилам, в одинаковых условиях и на строго обоснованных методиках проведения экспериментов.

5. Исследования обязательно должны быть легко проверяемы в условиях строительной лаборатории, понятны для строителей-практиков с инже­нерно-строительным образованием и носить ярко выраженную прак­тическую ориентацию. А разные термокинетики гидратации, спектро­скопии и прочие «хроматографии» следует оставить «на растерзание» узким специалистам.

Установив для себя приведенные выше ограничения, автор перерыл горы литературы - все не то. Тут явно торчат «рекламные уши»; это не внушает дове­рия, - явно не специалист работал; здесь сенсационные исследования, претенду­ющие на серьезные научные дивиденды в будущем, а реальных результатов нет.

Одного за другим вычеркивая претендентов, я остановился на книге Р. А. Гаджилы и А. П. Меркина «Поверхностно активные вещества в строитель­стве» (1981 г.). Первый - представитель азербайджанской нефтехимической школы. Его имя мало кому знакомо в научных строительных кругах. Зато, за­слышав имя второго, любой уважающий свой бизнес пенобетонщик должен стать по стойке «смирно» и внимать словам мэтра.

Адольф Петрович Меркин, основатель метода сухой минерализации в пено - бетонах - безусловный авторитет. Его совместные труды с Хигеровичем и Таубе также свидетельствуют о его научной значимости.

Приводимые ниже небольшие выдержки - обобщенный результат ком­плексной научно-исследовательской программы азербайджанской нефтехими­ческой промышленности по поиску, разработке и продвижению на рынок про­дуктов нефтехимии. Чтобы не утомлять читателя ненужными подробностями, я умышленно ограничил список исследованных пенообразователей 9-ю наиме­нованиями (в первоисточнике их 26) - либо типичными представителями сво­его класса, либо массово применяемыми в пенобетонном производстве.

Учитывая предполагаемую читательскую аудиторию, весьма далекую и от проблем нефтехимии, и от научно-методологического обоснования технологии производства пенобетона, я счел уместным сопроводить своими комментария­ми приводимые ниже результаты исследований.

Эффективность поверхностно-активных веществ, применяемых в техно­логии строительных материалов, определяется комплексом факторов. Наряду с основополагающим - снижением поверхностного натяжения, немаловажны и такие, как пенообразующая способность водных растворов ПАВ, их агрегат­ная устойчивость в зависимости от концентрации пенообразователя и добавок загустителей и электролитов (стойкость «пустых пен»). Влияние ПАВ на ки­нетику гидратации вяжущего, гидрофолизирующее либо гидрофобизирующее воздействие на вяжущие и цементный камень, растворимость в воде, способ­ность эмульгироваться и эмульгировать и т. д. непосредственно отражаются на последующих строительно-эксплуатационных свойствах готовой продукции. Именно по этим основным критериям и проводились комплексные исследова­ния различных пенообразователей.

Учитывая щелочной характер среды при поризации воздухововлечением цементно-песчаных и известково-песчаных (в данном обзоре из-за недостатка места поризация известково-песчаных смесей не отражена), основные характе­ристики ПАВ были изучены как в чистой воде, так и в насыщенном растворе гидроокиси кальция, что отражает реалии производственного процесса. Анализ нижеприведенной таблицы показывает, что умышленное или неумышленное пренебрежение такой, казалось бы, мелочью, как щелочность среды пенообра - зования, весьма существенно отражается на кратности и стойкости получаемой пены, позволяя в рекламных целях манипулировать степенью эффективности тех или иных пенообразователей.

При анализе нижеприведенных таблиц следует также учитывать, что ПО - 1, за исключением всех остальных, это не индивидуальное ПАВ, а готовый то­варный пенообразователь, в состав которого уже введен стабилизатор. Следует ожидать, что СНВ (смола нейтрализованная воздухововлекающая) после до­бавки соответствующего стабилизатора превратится в клее-канифольный пе­нообразователь, кратность и особенно стойкость пены которого значительно улучшатся. Эти рассуждения справедливы также для Некаля и клее-некалево - го пенообразователя.

Кратность и стойкость пены из нафтеновых кислот (мылонафт и асидол - мылонафт) в щелочной среде, насыщенной гидроокисями кальция, рассматри­вать бессмысленно - в результате обменно-замещающих реакций по кальцию эти ПАВ из водорастворимых натриевых солей нафтеновых кислот переходят в кальциевые соли. А они уже водонерастворимы, выпадают из раствора в форме осадка и быстро теряют свою пенообразующую способность. Это также спра­ведливо и для пенообразователей на основе жирных кислот, и для таких, в чьем составе они превалируют в качестве ПАВ (СДО).

ЦНИИПС-1 - омыленные древесные пеки от переработки хвойной древе­сины на уксусную кислоту - по-нынешнему СДО (смола древесная омыленная). Их химический состав весьма разнится от партии к партии, но смоляных кислот всегда намного больше, чем жирных. А общеизвестно, что смоляные кислоты в щелочной среде свою пенообразующую способность увеличивают, а жирные сни­жают (химизм процесса, как и для нафтеновых кислот - см. выше).

В омыленных древесных пеках из лиственных пород древесины жирных кислот, наоборот, больше, чем смоляных. И их по праву можно отнести к ПАВ, не обеспечивающих нужного для производства пенобетона пенообразования в щелочной среде. Этот факт, тем не менее, играет положительную роль в тяжелых бетонах, где излишнее воздухововлечение вредно. Стремясь дистанцироваться от традиционного СДО, обозначить свою «тяжелобетонную» ориентацию, но остаться в зоне действия отечественных разрешительно-рекомендующих нор­мативных документов, некоторые производители стали именовать свою про­дукцию на манер SDO или SDO-L.

(Следует признать, весьма красивое и оригинальное решение, ловко обы­грывающее идентичность русской и английской транскрипции. Оно наверняка не останется без последователей, и в ближайшем будущем следует ожидать на­шествие клонов типа S-3 (C-3), SNV (СНВ), GKJ-11N (ГКЖ-11Н), LST (ЛСТ), DOFEN (Дофен) и т. п.).

Действие воздухововлекающих добавок связано с поверхностными яв­лениями на границе раздела жидкой и газообразной фаз и на границе разде­ла твердой и жидкой фаз. Со снижением поверхностного натяжения водных растворов ПАВ увеличивается их пенообразующая, а в цементно-песчаных смесях - воздухововлекающая способность. Однако при определенных кон­центрациях поверхностное натяжение водных растворов ПАВ достигает своего предельного значения, и дальнейшее увеличение концентрации не вызывает значимого изменения поверхностного натяжения. Проведенные эксперимен­ты показали, что для всех добавок, повышение концентрации от 0,05 до 0,1 % вызывает постепенно возрастающее воздухововлечение. В интервале 0,10-0,15 оно достигает максимума. Повышение концентрации сверх 0,15 % не приводит к увеличению пенообразования. Это явление объясняется насыщенностью по­верхностного слоя и затрудненностью дальнейшей адсорбции молекул ПАВ к границе раздела вода/воздух. В результате замедляется снижение поверх­ностного натяжения, что и приводит к стабилизации пенообразования, а, сле­довательно, и воздухововлечения.

Влияние температуры раствора на объем вовлеченного воздуха - один из решающих факторов в механизме воздухововлечения. Увеличение температу­ры массы от +17 до 70°С приводит к неуклонному уменьшению объема возду - хововлечения. При этом суммируются два явления: уменьшение поверхност­ного натяжения растворителя и изменение адсорбции ПАВ в поверхностном слое. Повышение температуры оказывает большое влияние на адсорбцию ПАВ, сильно ее уменьшая. В этом главная причина резкого снижения воздухововле - чения при повышении температуры. С другой стороны, увеличение темпера­туры массы, хотя и сильно уменьшает объем вовлеченного воздуха, зато резко увеличивает скорость воздухововлечения.

С точки зрения практической применимости, зависимость скорости и объ­ема воздухововлечения от температуры можно эффективно использовать: в на­чале цикла перемешивания температура смеси должна быть как можно выше,

Комментарии к Таблице 4.

Воздухововлекающая способность ПАВ изучалась на цементно - и известково-песчаных раство­рах (соответственно, Ц/П=1 : 1.5 и И/П = 1 : 3 - в данном обзоре все данные приведены частично, только для цементно-песчаных растворов).

В таблице 4 приведены данные для В/Ц = 0.5, концентрации добавки (пенообразователя) по от­ношению к вяжущему - 0,05 % и 0,15 % (по сухому веществу). Растворы перемешивались в ме­шалке с сетчатыми лопастями при скорости вращения вала n = 250 об/мин. Внимание!!! Налицо серьезное упущение авторов - некорректно ссылаться только на скорость вращенияваласмесителя, неуказываяприэтомегогеометрическиеразмеры(авторыссылаются на «стандартный смеситель»). Правильней было бы указать окружную или угловую скорость.

А в конце - как можно ниже. Например, использовать подогретый раствор пе­нообразователя или воды и охлажденные заполнители.

Влияние водо-цементного (В/Ц) соотношения на процессы воздуховов - лечения при перемешивании изучалось в широком диапазоне, от В/Ц = 0,3 до В/Ц = 0,65. Выбор именно этого диапазона объясняется тем, что это типичные значения для различных приемов заводского производства ячеистых бетонов.

Исследованиями установлено, что увеличение В/Ц от 0,3 до 0,65 приводит к возрастанию объема воздухововлечения. Причем пик воздухововлечения для различных добавок различен, но он всегда ближе к большим показателям В/Ц (для ПО-1 этот пик находится при В/Ц = 0,55) По достижению пика, дальнейшее увеличение В/Ц сопровождается незначительным снижением воздухововлечения.

Особенно велико влияние В/Ц на объем воздухововлечения в начале процесса перемешивания. Так, например, за 2 и 5 минут перемешивания при В/Ц = 0,4 объем вовлеченного воздуха для Азолята А в цементно-песчаной сме­си составляет 7 % и 13 % соответственно. А при В/Ц = 0,5 эти цифры возрастают уже до 36 % и 40 % соответственно. Такое явление объясняется существенным изменением значений вязкости и предельного напряжения сдвига растворов при переходе от В/Ц = 0,4 к В/Ц = 0,5.

Это же объясняет и тот факт, почему сравнительно слабые пенообразовате­ли (а в щелочной среде и вовсе никакие - мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, а также новоявленный SDO-L) при их использовании в качестве пенообразо­вателей для воздухововлечения, в процессе перемешивания водоцементных суспензий показывают довольно неплохие результаты. Все они достаточно мощные гидрофобизаторы, способные очень сильно изменять пластическую вязкость и тем самым опосредованно влиять на воздухововлечение.

Влияние скорости перемешивания на объем вовлеченного воздуха изуча­лось на мешалках как с сетчатыми, так и обычными лопастями.

Для мешалки с сетчатыми лопастями увеличение скорости перемешивания от 70 до 250 об/мин приводит к непрерывному нарастанию объема вовлеченно­го воздуха. Дальнейшее повышение оборотов до 326 об/мин не дает заметных изменений. А уже начиная с 400 об/мин наблюдается постепенное уменьшение воздухововлечения.

Для обычной лопастной мешалки оптимальной оказалась скорость 345­380 об/мин. Дальнейшее ее повышение приводит к снижению воздухововле - чения.

Вовлечение воздуха в смесь из пространства над ее поверхностью проис­ходит в результате образования каверн лопастями смесительного агрегата, что зависит от интенсивности нарушения цельной поверхности смеси. Поэтому при малых скоростях объем вовлекаемого воздуха незначителен. При увели­чении скорости перемешивания сверх оптимальной разрыв пузырьков и выход воздуха на поверхность происходят интенсивнее, нежели процесс образования и дробления новых. В результате этого чрезмерное увеличение скорости пере­мешивания приводит к уменьшению объема вовлеченного воздуха.

Влияние длительности перемешивания на объем вовлеченного воздуха из­учалось при перемешивании цементно-песчаного раствора с добавками различ­ных пенообразователей в течение 90 минут. Несомненно, увеличение продол­жительности перемешивания должно сопутствовать росту воздухововлечения. Однако установлено, что со временем скорость насыщения массы пузырьками неуклонно снижается, и дальнейшее перемешивание массы приводит к ее ста­билизации. После достижения некоторого «критического воздухововлечения» возможно даже незначительное уменьшение объема вовлеченного воздуха.

Влияние типа смесительного агрегата на объем вовлеченного воздуха из­учалось на мешалках с различным видом смесительного устройства: сетчатым, лопастным и червячным.

Опыты показали, что мешалка с сетчатым смесителем наиболее эффектив­на. Самый низкий объем вовлеченного воздуха наблюдался в мешалке с чер­вячным смесителем. Большое воздухововлечение в мешалке с сетчатыми ло­пастями объясняется тем, что в ней область перемешивания, т. е. число точек соприкосновения лопасти и раствора, увеличивается, в результате чего объем вовлеченного воздуха возрастает.

Влияние вида вяжущего на воздухововлечение в процессе перемешивания изучалось при одних и тех же условиях на цементно-песчаном и известково - песчаном растворах. Экспериментом установлено, что воздухововлекающая способность ПАВ в цементно-песчаном растворе намного больше (в 1,5-3 раза в зависимости от вида ПАВ), чем в известково-песчаном.

Известно, что в производстве ячеистобетонных изделий воздухововлекаю - щие ПАВ могут быть введены в смесь на различных стадиях технологического цикла. Поэтому наряду с введением водных растворов ПАВ непосредственно в смеситель была изучена и возможность их введения в мельницу при мокром помоле песка. В результате лабораторных опытов и их натурной апробации на Сумгаитском заводе бесцементо-вяжущих силикатных изделий и конструкций было установлено, что добавки ПАВ сильно интенсифицируют помол. Кроме того, полученный в результате помола пенно-песчаный шлам легко транспор­тируется по трубопроводам и способен сохраняться до 24 часов без признаков осадки, что свидетельствует об отсутствии седиментационных явлений в песча­ном шламе с вовлеченным воздухом.