Основы формирования оптимальной структуры теплоизоляционных неавтоклавных пенобетонов

Рассматривается проблемаоптимизации структуры теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения.

Теплоизоляционныенеавтоклавные пенобетоны являются востребованными строительными материалами вусловиях современного строительства, однако малая устойчивость структурыограничивает их эффективное и широкое применение на практике. Вопросыоптимизации структуры теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного тверденияпри их несомненной теоретической и практической важности относятся к наименееразработанному направлению современного строительного материаловедения.

Вданной работе предложено авторское представление о процессе расслоения фазлёгкой пенобетонной смеси в процессе индукционного периода.

В настоящее время к числу наиболее перспективных утеплителейотносится неавтоклавный теплоизоляционный пенобетон, отличающийся простойтехнологией производства и распространённостью применяемого сырья,экологической и пожарной безопасностью, долговечностью, эксплуатационнойсовместимостью с конструкционными материалами и другими ценными качествами.Сейчас он особенно востребован в малоэтажном и сельском строительстве. Однакопроизводимый лёгкий теплоизоляционный пенобетон марок D 400 и ниже часто характеризуетсянизким уровнем стабильности основных характеристик.

лёгкий теплоизоляционный пенобетон марок D 400 и ниже часто характеризуется низким уровнемстабильности основных характеристик

Воднаясоставляющая существенно влияет на формирование структуры пенобетона низкойплотности уже на стадии заливки пенобетонной смеси в форму (индукционныйпериод). Именно для лёгкихпенобетонных смесей актуальны проблемынестабильности, потери устойчивости при укладке их в формы, расслоения фаз идр. Очевидно, что совершенствованием одного технологического процесса не решитьпроблему стабильности параметров качества пенобетона. В частности, в научныхразработках специалистов все ещё остаются открытыми вопросы, затрагивающиетеоретическое обоснование механизма потери устойчивости лёгких пенобетонныхсмесей с учётом гидродинамических факторов. Трудность решения подобной задачисвязана с многофазностью рассматриваемой пенобетонной системы, высокой степеньюнестабильности пенной структуры, полидисперсностью твёрдой и газовой фаз,коллективными явлениями, происходящими в системе, её стохастичностью и другимифакторами. Таким образом, разработка предложений по решению проблемынестабильности лёгкой пенобетонной смеси, а, следовательно, и мероприятий пооптимизации неавтоклавной технологии производства теплоизоляционного пенобетонаприобретают в настоящее время особую актуальность и востребованность.

Процессформирования структуры пенобетонной смеси является нестационарным и связан сявлениями перераспределения фаз, их агрегацией, дроблением, межфазнымвзаимодействием, отдельные фазы имеют сильно развитую поверхность [1-9, 12–14,16–22].

Поступлениевоздуха в процессе смешивания компонентов чаще всего осуществляется за счётбарботажа пенобетонной смеси перемешивающим устройством и вдуванием пеннойструи в смеситель. В первом случае вовлечение воздуха происходит за счётвихрей, образующихся в процессе перемешивания. В результате падения давления кцентру вихря и замыкания его на свободных поверхностях происходит подсосвоздушной массы и вовлечение её в толщу среды. Вторым фактором при этом служаткавитационные процессы, происходящие на лопастях при больших угловых скоростяхдвижения мешалки. Во втором случае, при пневматической подаче воздушной струи,под воздействием сильных градиентов полей скоростей фаз происходит дроблениевоздушных объёмов на более мелкие.

Косновным факторам процесса смешения компонентов можно отнести:

пространственнуюнеоднородность полей скоростей и концентраций всех фаз;

неоднородностьтвёрдой фазы по скорости осаждения и смачиваемости;

интенсивныепереходы твёрдых частиц из состояния «в потоке» в состояние «на пузыри» иобратно;

интенсивныйобмен между газовой и жидкой фазами (межфазное трение);

стеснённостьгидродинамических процессов и, прежде всего, по газовой фазе (в условияхвысокой кратности пены).

Вцелом пенобетонная смесь представляет собой 3-фазную структурувзаимопроникающих континуумов — жидкого, твёрдого и газообразного. В процессеформирования пенобетонной структуры можно выделить следующие процессы:

образованиеагрегатов из частиц твёрдой фазы, если кинетической энергии достаточно дляпреодоления частицами энергетического барьера (рис.1) и перехода в область дальней или ближней потенциальной ямы (h1 и h3).Следует отметить, что эффективность агрегации здесь будет зависеть не только отвероятностного фактора столкновения, но и от состояния поверхности (наличиеадсорбционных слоёв ПАВ, степень гидратации частиц цемента и др.). В дальнейшем(поскольку размеры частиц фаз чрезвычайно малы) непосредственнымвзаимодействием между частицами твёрдой фазы можно пренебречь;

образованиеагрегатов из пузырьков газовой фазы и твёрдых частиц, т. е. минерализациягазового пузырька. В зависимости от состояния поверхности пузыря возможны:отскок частицы от поверхности; прилипание частицы к поверхности, что означаетобразование единой газо-твёрдой фазы; пробой частицей пузырька и дроблениепоследнего на ещё более мелкие объёмы. Считаем, что присоединение твёрдыхчастиц к пузырьку образует газо-твёрдый кластер, и последующие частицы ужеприлипают не к соседнему газовому пузырьку, а к окружающим его частицам. Приэтом под «пробоем» такого кластера мы понимаем возникновение напряжений,превышающих критические, или возникновение критических деформаций вформирующейся перемычке;

образованиеагрегатов из двух газовых фаз за счёт: объединения двух пузырьков при потереустойчивости цементной перемычки; диффузии газовой фазы при её перетекании изодного объёма в другой.

Частицытвёрдой фазы и газовых пузырьков можно разделить на классы. Каждый класствёрдых частиц характеризуется диаметром, плотностью, вероятностью закреплениячастицы на пузыре. Аналогично для газовых пузырьков — диаметр пузыря, егоплотность, вероятность отрыва (отлипания) частицы от поверхности пузыря.

Совокупностьклассов позволяет построить гистограмму распределения фаз. Каждое сочетаниеклассов частиц и пузырьков позволяет определить интенсивность переходов иудельные потоки. Очевидно, что в таком массообмене основную роль будут игратьчастицы с более развитой поверхностью. В этом случае основным механизмомминерализации (коагуляции) частицы на пузырьке будет не инерционный, абезынерционный. Согласно теории ДЛФО, основную роль здесь будут выполнятьэлектрокинетические потенциалы, адсорбционные слои ПАВ. Анализ работ,рассматривающих роль наполнителей в многофазных системах, подтверждает даннуюгипотезу. Частицы такого класса связывают большое количество жидкой фазы.

Помере формирования газо-твёрдого минерализованного кластера образуется егоравновесный диаметр. Частицы, находящиеся на его периферии, будут притягиватьсядруг к другу и участвуют в создании кластера или уносятся в поток свободнойжидкости.

Увеличениедоли сверхтонкой твёрдой фазы приводит к резкому возрастанию вязкости. Поэтомуна переделах предшествующих смешиванию компонентов пенобетонной смесивозрастают технологические трудности, и для повышения «объёмной» текучестисмеси необходимо либо применение пластификаторов (которое, однако, можетзамедлить гидратацию цемента), либо введение избыточного количества жидкойфазы.

Анализряда работ по потере устойчивости пенной структуры показывает, что главнаяпричина неустойчивости лёгких пенобетонных смесей заключается в синерезисе свободнойжидкости, происходящем под действием массовых сил.

главная причина неустойчивости лёгких пенобетонных смесейзаключается в синерезисе свободной жидкости, происходящем под действиеммассовых сил

Потерюустойчивости лёгкого пенобетона можно рассматривать как на микро-, так и намакроуровне. Второе, на наш взгляд, позволило бы определить количественнуюскорость расслоения пенобетонной смеси и выявить влияние на неё различныхфакторов.

Трудность моделирования 3-фазных систем связана с оценкоймежфазных взаимодействий по границам фаз. Поэтому, как уже было отмечено выше,мы предлагаем рассматривать 2-фазную модель, состоящую из пульпы (смесь изжидкой и твёрдой фаз) и газо-твёрдой фазы (пузырьковая минерализованная фаза). Так образуется комбинированный кластер из газовогопузыря, твёрдых частиц и связанной воды. Подобные кластеры образуют пористуюсистему, по каналам Плато которой стекает свободная вода. Кстати,правомерность гипотезы о переходе к 2-фазной системе находит подтверждение,например, в исследованиях В. Н. Феклистова по оценке формирования пенобетоннойструктуры различной плотности [19].

Какотмечалось в [4], индукционный период играет наиболее важную роль в процессесоздания пенобетонной структуры, поскольку именно в этот промежуток временипроисходит расслоение пенобетонной смеси, находящейся в форме, по причинеоттока свободной воды по капиллярно-пористой системе (рис. 2). Однако реальная пенобетонная структура существенноотличается от классической пенной, и прежде всего наличием твёрдой фазы,которая существенно меняет картину и замедляет синерезис по каналам Плато. Понашему мнению, синерезис жидкости — это синергетический процесс, связанный с еёпереходом через систему разветвляющихся каналов. При нарушениигидростатического равновесия в отдельном канале он заполняется жидкостью исвоей гравитационной составляющей приводит к заполнению соседний канал.Постепенно формируется бесконечный кластер, и при его окончательном заполнениисвободная вода начинает стекать на дно формы. Очевидно, на время заполнениябесконечного кластера влияет высота столба пены — чем он больше, тем раньшенаступает потеря неустойчивости. Таким образом, начало стока жидкости — этоточка перколяции, спонтанный процесс. С увеличением времени мощностьперколяционного кластера становится больше, т. е. образуются новые параллельныелинии стока, и процесс синерезиса ускоряется. Зависимость времени началаистечения жидкости от высоты столба пены можно спрогнозировать по графику (рис. 3). Истечение свободной жидкости побесконечному кластеру приводит к утонению перемычек и образованию фронтаразрушения газовых пузырей.

Анализряда работ по моделированию многофазных систем [10–12, 15] показывает, чтопрослеживается некоторое сходство рассматриваемых процессов и флотации. Однакоданный подход трудно реализовать, поскольку в случае высокой кратности пен неудаётся описать взаимодействие по газовой фазе, где граничные условия в немалойстепени произвольны.

Рис. 2. Схема потери устойчивости лёгкой пенобетонной смеси

Рис.3. Перколяционные явления при синерезисе жидкой фазы в пенобетонной смеси. hc — порог перколяции; ho — высота столба пены, выше которого процесс истеченияжидкости не зависит от h.

Библиографический список

1. Большаков В. И. и др. О методах приготовления пенобетоннойсмеси для производства изделий и монолитной теплоизоляции // Строительныематериалы и изделия. — 2001. — № 5–6. — С. 35–37.

2.Гегузин Я. Е. Пузыри. —М.: Наука, 1985. — Вып. 46. — С. 177.

3.Канн К. Б. Капиллярнаягидродинамика пен. — Новосибирск: Наука, 1989.

4.Коренькова С. Ф. и др. Возможности моделирования поризованных систем //Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука.Практика: Материалы 62-й Всероссийской научно-технической конференции по итогамНИР в 2004 г.— Самара, 2005. — Ч. 1.— С. 269–270.

5. Кругляков П. М. и др. Пены и пенные плёнки. — М.: Мир,1990.

6.Меркин А. П. и др. Формирование макроструктуры ячеистых бетонов // Строительныематериалы. — 1963. — № 12. — С. 16–17.

7. Меркин А. П. Научные и практические основы улучшенияструктуры и свойств поризованных бетонов: Диссертация. — М., 1971.

8. Меркин А. П.Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития //Строительные материалы. — 1995. — № 2. — С. 11–15.

9.Моргун Л. В. Анализ влияния свойств жидкой фазы на кинетическую устойчивостьпеносмесей // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы 3-ймеждународной научно-практической конференции. — Ростов-на-Дону, 2004. — Т. 1.— С. 89–94.

10.Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. — М.: Наука, 1987.

11.Николаевский В. Н. Механика насыщенных пористых сред. — М.: Недра, 1970.

12. Островский Г. М. Прикладная механика неоднородных систем. — СПб.:Наука, 2000.

13. Портик А. А. и др. Всё опенобетоне — СПб: Наука, 2004.

14. Прошин А. П. и др. Пенобетон: состав, свойства, применение / Пенза: ПГУАС, 2003.

15. Сахаров Г. П. Физико-химические и технологические основыповышения надёжности изделий из ячеистого бетона: Диссертация. — М., 1988.

16.Современные пенобетоны / Под ред. П. Г. Комохова. — СПб: Наука, 1997.

17.Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. — М.: Химия,1983.

18. Трапезников А. А. Некоторые свойства плёнок и пен ивопросы их устойчивости // Пены, получение и применение: Материалы Всесоюзнойнаучно-технической конференции. — М., 1974. — Ч. 1. — С. 6–37.

19.Феклистов В. Н. К оценке формирования пенобетонной структуры различнойплотности // Строительные материалы. — 2002. — № 10. — С. 16.

20. Шахова Л. Д. и др. Исследования влияния пористойструктуры пенобетона на его теплопроводность // Современные технологии впромышленности строительных материалов и стройиндустрии: Материалымеждународного конгресса. — Белгород, 2003. — Ч. 1. — С. 195–198.

21.Шахова Л. Д. Физико-химические особенности технологии пенобетона насинтетических пенообразователях // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы 3-й международнойнаучно-практической конференции. — Ростов-на-Дону, 2004. — Т. 2. — С. 43–51.

22. Ячеистые бетоны. Пенобетон: Справочник / Под ред. И. Б.Удачкина. — М.: Стройиздат, 2003.