Изучение влияния дисперсного состояния на эффективность перемешивания

Входе изучения влияния механических факторов на приготовление пенобетонной смесибыло замечено, что принципиальное значение имеет степень дисперсности твердых компонентови плотность пены. Наблюдалось негативное влияние тонкого измельчения песка нахарактер перемешивания и равномерность образующейся поризованной структуры,выражающееся в расслоении пенобетонной смеси и значительном снижении прочностипри сжатии у образцов, полученных на синтетических пенообразователях.

Получениепенобетонного раствора происходит путем смешивания двух дисперсных систем исхематически может быть представлено в следующем виде:

Г7Ж+Т/Ж+Г-Ж-Т.

Еслиприготовленную отдельно пену и растворную часть привести в соприкосновение,пенобетонная смесь не образуется. Необходимо перемешивание, эффективностькоторого будет зависеть не только от конструкции и мощности смесительногоагрегата, но и от механических характеристик контактирующих дисперсных систем.

Рассматриваемыесистемы, по Ребиндеру, относятся к коллоидно-дисперсным, имеют неньютоновскиймеханизм поведения и обладают реологическими свойствами (скоростью сдвига,напряжением сдвига, вязкостью). Зависимость между сдвиговой скоростью dl) I at инапряжением сдвига ? для неньютоновских систем описывается уравнениемШведова — Бингама:

?=?Q–?*dvldl^, (1)

где ?— предельное динамическое напряжение сдвига,

?* — пластическая вязкость.

Это формула показывает, что по характеру теченияпены относятся к упруго-пластичным телам. Структурные изменения, происходящие втаких системах под действием механических напряжений, носят тиксотропныйхарактер.

Исходяиз активационной природы течения, зависимость вязкости ^ от температуры t можно представить в виде:

?=A0exp{?G/RT), (2)

где?G —свободная энергия активации,

А0 — предэкспоненциальный множитель, который в физическом смыслепредставляет собой значение вязкости при достаточно высокой температуре, когдаэнергетический барьер можно считать полностью проницаемым,

R — универсальная газоваяпостоянная.

Энергетическийпараметр ?G в формуле 2 показывает, что переходсистемы в новое энергетические состояние зависит от температуры и вязкости.

Неразбирая подробно происходящие реологические и структурные изменения, рассмотриммеханизм взаимодействия двух дисперсных систем с точки зрения энергетическихпараметров.

Эффективноеперемешивание достигается в том случае, когда механическая энергия ?Gмex будет больше или равна энергииобразования структуры. Для образования новой структуры необходимо, чтобы произошлоразрушение старых связей. При этом затрачивается энергия, которую обычноназывают структурной энергией активации ?G. Введем новый параметр для пенобетонных растворов — эффективная энергия активации ?Gэфф, которая для получения пенобетона соптимальными характеристиками должна быть эквивалентна приложенному приперемешивании напряжению (рис. 1) иравна сумме структурных энергий активации разрушенной и образующихся систем.

Приперемешивании механическая энергия смесительного агрегата переходит вкинетическую энергию растворной части и пены, в связи с чем в формированииячеистой структуры и свойствах пенобетона большое значение приобретают условияперемешивания и коллоидно-дисперсное состояние исходных компонентов.

На основегипотез о влиянии дисперсного состава пены и растворной части были исследованыпенобетонные растворы, в которых изменялся фракционный состав песка и плотностьпены. Эффективность перемешивания при варьировании дисперсностимногокомпонентной системы оценивалась по пластической прочности пенобетонныхмассивов, твердеющих в ТВ условиях.

Г-Ж-Т	Структ.
Пенобетонный р-р
	?Gо.с.
Г/Ж+Т/Ж	?Gисх

                                                                                                         Пена Раствор

Рис. 1. Эффективная энергия активации. ?Gо.с. —энергия активации образовавшейся структуры, ?Gисх — энергия активацииисходного состояния, ?gисх=?GГ/Ж+?GТ/Ж

Приисследовании влияния фракционного состава инертного заполнителя (кварцевогопеска) были приготовлены две серии растворов. В одной из них использовалсяобычный карьерный песок с модулем крупности 2 мм и содержанием кварца до 85 %,в другой — тот же песок, но молотый до удельной поверхности 3000 см2/кг.

Полученныеданные представлены в табл. 1 и 2. Из них следует, что наибольшаягидратационная активность проявляется у растворов обеих серий, приготовленныхна основе пен, относящихся к Ш и V классификационным группам. Однако следует отметить полноеотсутствие прочности у пенобетонных смесей, полученных на молотом песке ипенообразователях II и IV групп через 12 чтвердения, и лишь незначительный прирост прочности через сутки. Эти растворы характеризовалисьсильным водоотделением и имели зефироподобную консистенцию.

Пенобетонные растворы на основе ПО разных групп	Наименование ПАВ	Пластическая прочность, МПа
		4 ч	8 ч	12 ч	24 ч
I	Алкилсульфаты	0,02	0,05	0,08	0,10
II	Сульфонаты	0,01	0,05	0,07	0,09
III	Производные карбоновых кислот	0,04	0,08	0,14	0,25
IV	Производные смоляных кислот	0,02	0,04	0,08	0,10
V	Гидролизаты белков	0,035	0,08	0,15	0,30

Таблица1. Кинетика набора пластическойпрочности пенобетонных смесей на немолотом песке

Пенобетонные растворы на основе ПО разных групп	Наименование ПАВ	Пластическая прочность, МПа
		4 ч	8 ч	12 ч	24 ч
I	Алкилсульфаты	–	0,00	0,03	0,06
II	Сульфонаты	–	–	–	0,02
III	Производные карбоновых кислот	0,04	0,08	0,14	0,25
IV	Производные смоляных кислот	–	–	–	0,02
V	Гидролизаты белков	0,035	0,08	0,15	0,30

Таблица 2 Кинетика набора пластическойпрочности пенобетонных смесей на молотом песке

Анализполученных данных позволяет сделать вывод о том, что пены, относящиеся ко II и IV классификационным группам,характеризуются гидрофобными свойствами, усиливающимися при переходе кмелкодисперсным компонентам. Такое поведение, по всей видимости, связано сприродой пенообразователя и строением молекул, реологическими свойствами пен, атакже дисперсностью твердой фазы, влияющей на интенсивность перемешивания.

Следующимэтапом оценки влияния дисперсного состава пенобетонной смеси на эффективностьперемешивания было изучение зависимости прочностных свойств пенобетона отплотности пены.

Исследованияпроводились на пенобетоне плотностью Д500 с использованием в составетонкомолотого песка с удельной поверхностью 3000 м2/кг.

Результатыисследования показали, что эффективность перемешивания в значительной степенисвязана с плотностью пены и природой пенообразователя. Наиболее положительные результатыбыли получены на ПО, имеющем протеиновую основу. Они характеризовалисьстабильными значениями плотности пены, соответствующими наименьшему суммарномуводо-вяжущему отношению и наибольшим значениям прочности.

Каквидно из рис. 2, пенобетон, полученныйна пенообразователях I,II и IV групп, характеризуется незначительнойпрочностью при низких значениях плотности пены, что связано с недостаточнойэффективностью перемешивания, при этом ?Gмex< ?Gэфф. Прочностьвозрастает с увеличением плотности пены, достигая максимального значения при d=90г/л, являющегося оптимальным для этих пенообразователей. Однако дальнейшееувеличение плотности пены, приводящее к увеличению общего водо-вяжущегоотношения поризованной смеси, вызывало дополнительное водоотделение ирасслоение пенобетонной смеси.

Рис.2. Графическая зависимостьпрочности пенобетона от плотности пены

Литература:

1. Ребиндер П. А. Поверхностные явленияв дисперсных системах. Коллоидная химия. — М.: Наука, 1978.

2. Ребиндер П. А. Поверхностные явленияв дисперсных системах. Физическая химия. Механика. — М.: Наука, 1979.

3. Реологические и теплофизические свойствасмазок / Под ред. Г. В. Виноградова. — М.: Химия, 1980.

4. Чередниченко Г. И., Фройштетер Г. Б., СтупакП. М. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов.— Л.: Химия, 1986.