CC BY
7УДК 666.9
В.Н. МОРГУН1, канд. техн. наук; Л.В. МОРГУН2, д-р техн. наук, К.И. КОСТЫЛЕНКО2, инженер
1 Академия архитектуры и искусств Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42)
2 Ростовский государственный строительный университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Эволюция структуры дисперсной газовой фазы при изготовлении пенобетонной смеси
Анализ динамики насыщения пенобетонных смесей дисперсной газовой фазой показал, что она включает два различных по своей физической сущности этапа, понимание содержания которых важно для получения высококачественных пенобетонов. Рассмотрен и научно обоснован механизм формирования грубодисперсной газовой фазы в структуре пенобетонных смесей. Доказана закономерность его образования. Научно обоснована неизбежность повышения дисперсности газовой фазы на втором этапе перемешивания смесей. Установлен перечень конструктивных процессов, протекающих в структуре пенобетонной смеси на втором этапе ее приготовления.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, дисперсная газовая фаза, пенобетонная смесь.
V.N. MORGUN1, Candidate of Sciences (Engineering); L.V. MORGUN2, Doctor of Sciences (Engineering), K.I. KOSTYLENKO2, Engineer
1 Academy of Architecture and Arts of the Southern Federal University (105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
2 Rostov State University of Civil Engineering (162, Sotcialisticheskaya Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation)
Structural Evolution of a Disperse Gas Phase when Producing Foam Concrete Mix
An analysis of the dynamics of saturation of foam concrete mixes with the disperse gas phase shows that it includes two, different by their physical nature, stages understanding of the content of which is very important for producing high-quality foam concretes. The mechanism of formation of a coarse disperse gas phase in the structure of foam concrete mixes is considered and scientifically substantiated. The regularity of its formation is proved. The inevitability of increasing the dispersion of the gas phase at the second stage of mixing is scientifically substantiated. There is a list of structural processes taking place in the structure of the foam concrete mix at the second stage of its preparation. Keywords: surfactants, disperse gas phase, foam concrete mix.
Важнейшей задачей современного строительства является повышение эффективности, качества, экологической безопасности, надежности и долговечности материалов, предназначенных для возведения зданий. По мнению многих специалистов [1—3], этому емкому перечню требований полностью соответствуют изделия из пенобетонов естественного твердения в тех случаях, когда структура их газовой пористости характеризуется:
• высокой дисперсностью и равномерностью распределения по объему [4];
• устойчивостью в течение всего периода перехода от вязкого к твердому состоянию.
Газовая пористость, обретаемая смесями в ходе перемешивания сырьевых компонентов, способна сохранять указанную выше структуру, только когда силы сцепления между молекулами ПАВ и воды в пенных пленках, удерживающих газовую фазу, оказываются способными противостоять действию гравитационных и растягивающих возникающих в результате интенсивного массопереноса в ходе начальной гидратации клинкерных минералов. Известно, что скорость утраты дисперсной газовой фазы любыми суспензиями обратно пропорциональна диаметру газовых пузырьков. Поэтому в цементно-песчаных суспензиях, предназначенных для изготовления пенобетонов, дисперсная газовая фаза отдельных включений должна иметь минимальные размеры, а суммарный объем — максимальный.
Наблюдение за процессом изготовления пенобетон-ных смесей в турбулентном смесителе позволило установить, что более 80% объема дисперсной газовой фазы вовлекается в цементно-песчаный шликер за 1—2 мин (см. таблицу) перемешивания компонентов.
Если ограничиться этим промежутком времени и прекратить перемешивание смесей, то в течение 10—30 с они утрачивают почти всю вовлеченную дисперсную газовую фазу. Отсюда следует, что несмотря на высокий объем воздухововлечения, сформировавшаяся в смесителе структура по каким-то причинам седимента-ционно неустойчива. Продолжение перемешивания может привести к получению устойчивой структуры
смеси. Поэтому целью настоящей работы стал анализ явлений массопереноса, обеспечивающих возможность получения структурно устойчивых пенобетонных смесей.
Все пенобетонные смеси до завершения в них процессов схватывания вяжущего являются суспензиями [5, 6], в структуре которых весьма широки как диапазон размеров дисперсных частиц, так и величин их плотности. Известно, что скорость седиментации (V) в суспензиях прямо пропорциональна квадрату радиуса частиц дисперсной фазы (г) и разности плотностей между частицами (ру) и средой (р^), обратно пропорциональна вязкости среды (п). Поэтому причинами неустойчивости на данном этапе существования смеси могут быть только крупность дисперсных частиц газовой фазы и вязкость жидкой:
2-/-ЧР/-Р,) 9 • Л .
V=
(1)
Динамика изменения объемов пенобетонных смесей в зависимости от времени перемешивания их в смесителе
Продолжительность перемешивания компонентов после введения пенообразователя, с Объем, л при плотности смеси
550 кг/м3 750 кг/м3 1100 кг/м3
30 19,8 13,3 9,1
60 31,5 21,8 15,1
90 35,6 25,7 17
120 38,1 27,3 18,3
180 39,2 28 19,2
240 39,9 28,9 19,2
300 40 28,9 19,4
360 40 28,9 19,5
420 40 28,9 19,5
480 39,6 28,9 19,5
fj научно-технический и производственный журнал
® июнь 2014 15
Продолжительность перемешивания, мин
Рис. 1. Кинетика относительного воздухововлечения в зависимости от времени перемешивания пенобетонных смесей
Причиной формирования грубодисперсной структуры газовой фазы на начальном этапе перемешивания сырьевых компонентов являются следующие особенности массопереноса. В работающий смеситель дозируют воду и твердые компоненты дисперсной фазы. Пенобетонные смеси содержат более 50% воды в объеме непрерывной фазы. В результате смешивания между дисперсными частицами твердой фазы (цемента и песка) располагаются толстые водные прослойки, в объеме которых после введения пенообразователя содержатся стержнеобразные молекулы ПАВ. Именно молекулы ПАВ обеспечивают возможность вовлечения в смеси дисперсной газовой фазы.
Молекулы ПАВ, будучи полярно заряженными [7], способны под действием сдвигающих напряжений, развивающихся в дисперсионной среде в результате движения рабочего органа смесителя, своей гидрофобной частью физически связывать некоторые порции воздуха, а гидрофильной — часть воды затворения [2]. Таким образом, при перемешивании в объем шликера вовлекается дисперсная газовая фаза.
Устойчивость ее в структуре смеси будет зависеть от соотношения между вязкостью дисперсионной среды (цементно-песчаного шликера) и величиной выталкива-
Рис. 2. Структура пенобетонной смеси, полученной при перемешивании в течение I этапа
ющей силы, развиваемой газовыми пузырьками, упакованными в пенные пленки [2]. В начальный период перемешивания формируются крупные газовые пузырьки, потому что в рассматриваемой дисперсной системе содержится значительное количество свободной воды. Сопротивление жидкой фазы перемещению стрежнео-образных молекул на границу раздела фаз газ — жидкость невелико, потому что в результате слоистого их расположения в ней существует ориентационный дальний порядок. При наличии ориентационного дальнего порядка в водных растворах ПАВ вязкость жидкости понижена именно в плоскости расположения молекул [7]. Поэтому большое число молекул ПАВ практически одновременно оказывается в энергетически неоднородной области на границе раздела газ — жидкость, что позволяет им заключать внутрь пенных пленок газовые объемы крупных размеров, домены сферической формы.
Образование первичной газонаполненной структуры в перемешиваемой смеси ведет к росту вязкости [2, 6] дисперсионной среды. С одной стороны, повышение вязкости, обусловленное переводом части воды затво-рения из свободного в физически связанное состояние, способствует повышению седиментационной устойчивости пенобетонной смеси. С другой — выталкивающая сила, развивающаяся в результате образования крупных газовых пор, создает энергетические предпосылки для ее нарушения. Из теории жидких кристаллов следует, что молекулярные силы, обеспечивающие упорядоченную сферическую структуру в крупных пенных пленках, малы [8]. Поэтому жидкие кристаллы легко изменяют структуру под действием различных внешних факторов (температуры, давления, сдвиговых воздействий рабочего органа смесителя и т. д.), что приводит к изменению их размеров. Именно эта закономерность позволяет в ходе продолжающегося перемешивания обеспечивать дополнительную диспергацию газовых включений и создавать структурно устойчивые смеси, в которых сил капиллярного стяжения оказывается достаточно для сохранения вовлеченной дисперсной газовой фазы в течение времени, достаточного для ее перехода из вязкого в твердое.
Выполненные экспериментальные исследования (рис. 1) показали, что за периодом высокоскоростного насыщения смесей дисперсной газовой фазой имеет место дополнительное, сравнительно незначительное увеличение их объема.
При этом получаемые смеси обретают высокую устойчивость по отношению к действию гравитационных сил. Следовательно, эволюция структуры газовой пористости при изготовлении пенобетонных смесей в турбулентном смесителе состоит из двух этапов, физическая суть которых существенно различается.
На первом этапе приготовления ПАВ вовлекают в пенобетонную смесь не менее 80% от максимального объема газовой фазы. При этом структура пористости обладает параметрами, исключающими возможность достижения седиментационной и агрегативной устойчивости дисперсных фаз (рис. 2).
На втором этапе дополнительное воздухововлечение не превышает 20% суммарного объема газовой фазы, причем структура пористости изменяется в сторону существенного повышения ее дисперсности. Увеличение объема и повышение дисперсности газовой фазы предопределяют развитие в смеси следующих конструктивных процессов:
• более полное связывание воды затворения в пенных пленках, удерживающих газовую фазу в структуре цементно-песчаного шликера;
• повышение плотности межпоровых перегородок за счет отбора влаги электростатическим потенциалом ПАВ.
16
научно-технический и производственный журнал
июнь 2014
Следовательно, для изготовления высококачественных пенобетонов следует стремиться к тому, чтобы смеси полностью проходили оба этапа формирования структуры. Время перемешивания должно быть не менее 4—5 мин.
Список литературы
1. Шахова Л.Д. Технология пенобетона. Теория и практика. Монография. М.: Издательство АСВ, 2010. 248 с.
2. Перцев В.Т., Ткаченко Т.Ф. Пеноматериалы неавтоклавного твердения. Технология и применение // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2012. № 5. С. 57-60.
3. Баранов И.М. Практическая методика определения рациональных составов специальных бетонов // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 87-93.
4. Золотарева Н.Л., Шмитько Е.И., Пояркова Т.Н. Устойчивость газовой фазы и структура поризован-ного бетона // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 20-21.
5. Моргун В.Н. О наноразмерных особенностях эволюции ПАВ в пенобетонных смесях // Строительные материалы. № 9. Наука. 2007. С. 20-21.
6. Шахова Л.Д. Некоторые аспекты исследований структурообразования ячеистых бетонов неавтоклавного твердения // Строительные материалы. № 2. Наука. 2003. С. 4-7.
7. Моргун Л.В. Пенобетон. Монография. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. 154 с.
8. Петрова Г.П. Анизотропные жидкости. Биологические структуры. М.: Физический факультет МГУ, 2005. 112 с.
References
1. Shakhova L.D. Tekhnologiya penobetona. Teoriya i praktika. [Technology of foam concrete. Theory and practice.] Monograph. Moscow: ASV. 2010. 248 p.
2. Pertsev V.T., Tkachenko T.F. Foam materials of not autoclave concreting. Technology and application. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2012. No. 5, pp. 57—60. (In Russian).
3. Baranov I.M. Practical methods of definition of rational compositions special concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 7, pp. 87-93. (In Russian).
4. Zolotareva N.L., Shmit'ko E.I., Poyarkova T.N. Stability of the gas phase and the structure of porous concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 4, pp. 20-21. (In Russian).
5. Morgun V.N. About nanoscale features of the evolution of surfactants in foam concrete mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. Supplement Nauka. 2007. No. 9, pp. 20-21. (In Russian).
6. Shakhova L.D. Some aspects of researches of structurization of non-autoclaved cellular concrete hardening. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. Supplement Nauka. 2003. No. 2, pp. 4-7. (In Russian).
7. Morgun L.V. Penobeton. [Foam concrete.] Monograph. Rostov-on-Don: RGSU. 2012. 154 p.
8. Petrova G.P. Anizotropnye zhidkosti. Biologicheskie struktury. [Anisotropic fluid. Biological structures]. Moscow: Physical faculty of Lomonosov Moscow State University. 2005. 112 p.
Реклама
Есть Такая Система
Группа компаний «Единая Торговая Система»
20 ЛЕТ НА РЫНКЕ СПЕЦИАЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ
WWW.UTSRUS.COM
ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2014
17
