Природа пены в технологиях пенобетонов

А. В. Хитров, к. т. н.

ПРИРОДА ПЕНЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕНОБЕТОНОВ

Одна из основных особенностей пенобетонов как ячеистых материалов состоит в том, что в их состав входит именно пена, поэтому нами высказано предположение, что должна быть взаимосвязь между природой строительной пены и технологическими особенностями получения материалов на ее основе. При такой постановке первым возникает вопрос о классификационных признаках пены. В качестве основы классификации были выбраны природа пенообразующих ПАВ, величина молярной массы М, г/моль, число атомов углерода в цепи n, а также поверхностное натяжение и концентрация ионов водорода растворов в единицах рН [1]. Все известные пенообразующие добавки, представленные ионными растворами ПАВ, условно были разделены на пять групп (табл. 1).

Анализируя таблицу 1 можно увидеть, что молярная масса является важнейшей характеристикой, определяющей такие свойства пенообразователей (ПО), как поверхностная активность и пенообразующая способность. Как следует из таблицы 1, тенденцией к большим молекулярным массам обладают синтетические ПО, представляющие I и II группы, меньшим — на основе гидролизатов белка, относящиеся к V группе. Были определены рациональные концентрации наиболее применяемых в производстве пенобетона пенообразователей с целью изучения их технологических свойств: плотности пены, интервала рН пенообразования и коэффициента использования пены в растворе (табл. 2). Анализ полученных данных показал, что факторы, обуславливающие поведение строительной пены на различных стадиях технологического процесса, можно разделить по трем основным признакам: механическому, определяющему устойчивость пены в пенобетонной смеси и способность смешиваться с растворной частью; химическому, характеризующемуся возможным взаимодействием пены с цементом и совместимостью её с различными добавками; температурному, связанному с поведением пены в зависимости от изменения температуры.

Эти положения были использованы в прогнозировании и разработке технологий производства пенобетонов, при этом исходным положением была взаимосвязь влияния природы ПАВ и молярных масс на режим получения пеноматериала.

Выбор пенообразователя при разработке автоклавной резательной технологии проводился в соответствии с рассмотренной взаимосвязью влияния технологических признаков на температурные режимы получения пенобетона с учетом предложенной классификации строительной пены (таблица 1). Автоклавная технология отличается от технологии твердения при атмосферном давлении тем, что предполагает тонкое измельчение сырьевых компонентов, обеспечивающее большую суммарную поверхность зерен.

Было высказано предположение, что пены, имеющие более высокую молярную массу и, соответственно, структурную вязкость, труднее смешиваются с растворной частью, содержащей тонкомолотые компоненты. Это объясняется тем, что процесс образования пенобетонной структуры идет через стадию разрушения старых связей, и при этом затрачивается определенная энергия. Поскольку более высокая молярная масса повышает вязкость системы, то в случае повышения удельной поверхности песка, необходимых для автоклавных процессов, повышается энергия активации ?G, вследствие чего не достигается образования новой однородной системы, т. е. группы пенообразователей I и II могут оказаться непригодными для автоклавной резательной технологии получения пенобетона.

Проведенные опыты показали, что пены с большими молекулярными массами нецелесообразно использовать для автоклавной резательной технологии из-за плохой смешиваемости с тонкомолотыми компонентами и ограничениями по срокам созревания. Лучшими же в этой связи являются пенообразователи на основе белка.

Таблица 1

Классификация строительных пен

   

Группа по классификации	Название группы	Основной химический компонент	Химическая формула	Число атомов углерода в углеводородном радикале n	Молекулярная масса М, г/моль	рН раствор	Поверхностное натяжение ? 103, Дж/м2	Относительная пенообразующая способность
I	Алтисульфаты	Первичный алкилсульфат натрия Вторичный алкилсульфат натрия	CnH2n+1OSONa CnH2n+1CH(CH3)OSO3Na	10—18 6—16	387—499 232—373	7	26—32	2,3  2,1
II	Сульфонаты	Алкилбензосуьфонат натрия Алкилбензосульфонат триэтаноламината	CnH2n+1- CnH2n+1-	10—14 10—14	320—376 447—503	7	28—35	2,1 1,7
III	Производные карбоновых кислот	Стеарат калия Стеарат натрия Пальминат натрия	CnH2n+1COOK CnH2n+1COONa CnH2n+1COONa	17 17 15	323 306 278	7	42—51	1,4 1,2 1.1
IV	Производные смоляных кислот	Абиетатнатрия		19	300—304	7	42—45	1,2
V	Гидролизаты белков	Киратиновый гидролизат Гидролизат крови	HSCH2CN(NH2)COOH	2	121	7	52—54	1,0

Таблица 2

Основные свойства исследуемых пенообразователей

Группа по классифи- кации	Название группы	Наименование	Предельная концентрация Спр., мак. %	Рациональная концентрация Ср мак. %	Поверхно- стное на- тяжение ??103 Дж/м2	Интервал рН пенообразования	Плотность пены d, г/л	Коэффициент использования пены К
I	Алкильсульфаты	ПО № 1	2.6	3.0	26.0	2—9	35.0	0.95
		Прогресс	1.7	2.0	28.0		35.0	0.95
		ОП-6К	2.2	2.5	32.0		45.0	0.95
II	Сульфонаты	Сульфанол-40	2.2	2.5	30.5	2—10	40.0	0.9
		Пеностром	2.6	3.0	35.0		50.0	0.95
		ОС	2.2	2.5	37.0		50.0	1.0
III	Производные карбоновых кислот	Квин	6.5	7.0	49.0	6—12	100.0	0.55
IV	Производные смоляных кислот	СДО	9.0	10.0	43.0	6—12	80.0	0.8
		Клеекани- фольный ПО	5.5	6.0	45.0		65.0	0.9
V	Гидролизаты кислот	Неопор	2.4	2.5	54.0	6—12	75.0	0.9
		Унипор	2.8	3.0	54.0		75.0	0.9
		SB 31	2.9	3.0	53.0		80.0	0.9
		ГК	2.5	3.0	53.0		80.0	0.9

Выбор пенообразователей при твердении пенобетона в условиях пониженных и отрицательных температур производился в соответствии с предложенной классификацией и на основании температурного и химического технологических признаков, исходя из чего было сделано предложение о том, что при ведении пенобетонных работ при пониженных и отрицательных температурах устойчивость пены к температурному воздействию может быть связана с молярной массой пенообразователя и величиной n, которая по классификации определяет число атомов углерода в гидрофобной части молекул. При этом наибольшая устойчивость должна быть у ПАВ с большими молярными массами и максимальным числом n.

Также было сделано предположение, что устойчивость пены может быть связана с природой ПАВ и интервалом рН пенообразования, определяющим ее совместимость с солями противоморозных добавок. Общая рекомендация в этом случае связана с уровнем рН раствора вводимой добавки — он должен быть как можно ближе к уровню рН пенообразователя и не содержать агрессивных для пены ионов. Нами, совместно с Петровым С. Д. [2] разрабатывались три способа ускоренного твердения монолитного пенобетона при пониженных и отрицательных температурах с использованием известных пенообразователей: — метод «термоса» с предварительным подогревом пенобетонной смеси, электропрогрев греющими проводами и с применением противоморозных добавок. При укладке пенобетона методом «термоса» особого внимания требует вопрос сохранения пены при подогреве смеси. Температурные ограничения подогрева связаны с природой пенообразователей, используемых для приготовления пенобетона. В соответствии с предложенной автором классификацией был введен дополнительный критерий, названный Тпр — предельная температура под которой понимается предельная температура существования пены, и совместно с Петровым С. Д. [2] было установлено, что на разрушение пены на основе гидролизата белков происходит при температурах выше +30°C, пены на синтетических и на клееканифольных пенообразователях, имеющих высокое число n, разрушаются при температуре нагрева более высокой, до 80°C, что позволяет рекомендовать клееканифольный и синтетические пенообразователи как наилучшие при твердении при пониженных и отрицательных температурах.

Результаты исследования некоторых противоморозных добавок на совместимость с пенообразователями (таблица 4) показали избирательность взаимодействия пенообразователей и солей противоморозных добавок; видно, что наиболее универсальным является нитрит натрия NaNO2, который может быть рекомендован для всех используемых в данной работе пенообразователей.