CC BY
98
УДК 624.074
ГОРБАЧ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, gorbachps@mail.ru
ЩЕРБИН СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sshherbin@mail.ru
Ангарская государственная техническая академия, 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60
ВЛИЯНИЕ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ НА СВОЙСТВА ПЕНЫ И ПЕНОБЕТОНА
Рассмотрено влияние количества синтетического пенообразователя Пента ПАВ 430А на устойчивость, кратность, прочность и коэффициент использования пены, а также теплопроводность и прочность неавтоклавного пенобетона. Установлено, что наилучшие показатели прочности и теплопроводности пенобетона неавтоклавного твердения плотностью 400 кг/м3 получаются при концентрации ПАВ от 1 до 1,5 %масс.
Ключевые слова: пенообразователь; пена; пенобетон; устойчивость пены; кратность пены; коэффициент использования пены; прочность; теплопроводность.
PAVEL S. GORBACH, PhD, A/Professor, gorbachps@mail.ru
SERGEY A. SHCHERBIN, PhD, A/Professor,
sshherbin@mail.ru
Angarsk State Technical Academy,
60, Chaikovskii Str., 665835, Angarsk, Russia
THE EFFECT OF FROTHERS ON FOAM AND FOAM CONCRETE PROPERTIES
The paper describes the effect of synthetic frother on foam stability, ratio, strength, and utilization factor and also thermal conductivity and strength of non-autoclave foam concrete. It is stated that concentration of surface-active agent varying from 1 to 1,5 wt.% provides the best strength and thermal conductivity properties of non-autoclave foam concrete with 400 kg/m3 density.
Keywords: frother; foam; foam concrete; foam stability; foam ratio; foam utilization factor; strength; thermal conductivity.
Пенобетон - это экологически чистый, долговечный и сравнительно дешевый искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения системы, состоящей из цементно-песчаной смеси и пены. Одним из основных факторов, влияющих на свойства пенобетона, являются качество и количество используемой пены.
Пена представляет собой гетерогенную систему, структура которой определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз.
Существует ряд фундаментальных [1-4] и прикладных работ [5-10], посвященных изучению свойств пенообразователей и пен. По результатам изу-
© П.С. Горбач, С. А. Щербин, 2014
чения и сравнения свойств различных синтетических и белковых пенообразователей был выявлен наиболее перспективный для безавтоклавной технологии пенообразователь - Пента ПАВ 430А [6]. Установлено, что при малых концентрациях ПАВ объем получаемой пены недостаточен для формирования структуры будущего пенобетона и, как следствие, обеспечения требуемых свойств материала. При повышенной концентрации происходит существенное замедление процессов схватывания и твердения цементной системы, что приводит к уменьшению прочности изделий [7], а также к увеличению их себестоимости. В работе [8] выявлено три диапазона концентраций пенообразователя: малые - от 0,1 до 1 %, средние - от 1 до 3 %, большие - от 3 до 5 % и показано, что свойства пены изменяются в широком диапазоне и непосредственно связаны с типом и концентрацией ПАВ. Это необходимо учитывать при производстве пенобетона.
При этом не в полной мере изучены особенности взаимодействия пенообразователей с другими компонентами, используемыми при производстве неавтоклавного пенобетона. В большинстве работ не учитывается технология производства материала, особенностью которой является перемешивание вяжущего с пеной, что приводит к механическому разрушению последней и, как следствие, к ухудшению свойств готового материала. Поэтому при получении товарного пенобетона необходимо учитывать свойства гетерогенной системы - пена, вяжущее, затворитель, заполнитель, именуемой в дальнейшем «пе-ноцементная система».
Другой серьезной проблемой, с которой сталкиваются производители пенобетона неавтоклавного твердения, является отсутствие методики определения необходимого количества пенообразователя на стадии проектирования состава материала. В частности, ГОСТ 25485-89 частично отменен, а СН 277-80 существенно устарели и совершенно не удовлетворяют современным требованиям.
Цель настоящей работы - экспериментальное определение диапазона концентраций синтетического пенообразователя при производстве ячеистого бетона неавтоклавного твердения, при котором прочность и теплопроводность получаемого материала сопоставимы с параметрами автоклавного газобетона плотностью 400 кг/м3 и составляют согласно ГОСТ 25485-89 не менее 1 МПа и не более 0,09 Вт/(мК) соответственно.
На начальном этапе определялись основные характеристики получаемых пен [2] - кратность, устойчивость и механическая прочность. Для оценки влияния вяжущего и заполнителя на объем пены рассчитывался коэффициент использования пены. Далее изготавливались образцы пенобетона, для которых определялись прочность и теплопроводность.
Зависимость кратности пен, приготовленных на технической воде, от концентрации пенообразователя представлена на рис. 1.
Пены, полученные на исследуемом пенообразователе, следует отнести к среднекратным (с кратностью от 6 до 10) [1], они могут применяться для производства пенобетона по классической технологии. Также видно, что при концентрациях ПАВ 1 %масс. и более возрастание кратности практически прекращается.
0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5
Концентрация пенообразователя, %масс.
Рис. 1. Зависимость кратности пены от концентрации Пента ПАВ 430А
Устойчивость определялась временем существования половины объема пены, приготовленной с использованием синтетического поверхностно-активного вещества Пента ПАВ 430А и технической воды. Концентрация пенообразователя изменялась в диапазоне от 0,25 до 1,5 %масс. с шагом 0,25. Результаты измерения устойчивости приведены на рис. 2.
Концентрация пенообразователя, %масс.
Рис. 2. Зависимость устойчивости пены от концентрации Пента ПАВ 430А
При увеличении концентрации ПАВ в растворе устойчивость пен увеличивается, достигая максимального значения при критической концентрации мицеллообразования около 1 %масс. [6], далее устойчивость уменьшается. Это можно объяснить эффектом Марангони - Гиббса, заключающемся в том, что при увеличении концентрации ПАВ выше определенного барьера наблюдает-
ся истечение жидкости из «треугольника Плато», приводящее к схлопыванию пузырьков пены [1].
Далее оценивалась механическая прочность пены. Для этого был использован метод «продавливания» пенной массы [9]. Ход эксперимента заключался в следующем: в стеклянных цилиндрах емкостью 200 мл из растворов с разным содержанием пенообразователя готовились образцы пены, затем на поверхность пены помещался груз и отмечалось время, за которое он опускался на дно цилиндра. По скорости погружения можно косвенно оценить механическую прочность пены. Результаты измерений приведены на рис. 3.
4
3. 5
о 3
Л н о о а о и О 2 ,5 ->
1 5 1
0, Л
0,25 0,45 0,65 0,85 1,05 1,25 1,45 Концентрация пенообразователя, %масс.
Рис. 3. Зависимость скорости движения груза от концентрации Пента ПАВ 430А
Из графика хорошо видно, что в диапазоне от 1,2 до 1,3 % концентрации Пента ПАВ 430А скорость перемещения груза минимальна, а значит, прочность пены достигает максимального значения.
Результаты определения устойчивости, кратности и механической прочности пены позволили выделить диапазон концентраций пенообразователя Пента ПАВ 430А, при котором она обладает наилучшими технологическими свойствами.
Для оценки влияния вяжущего и заполнителя на объем пены определялся коэффициент использования пены (КИП), т. е. отношение объема пеноце-ментной массы к первоначальному объему пены. Считается [10], что хорошая пена должна обладать КИП, равным 0,8-0,85. Предварительные эксперименты показали, что при концентрациях ПАВ до 0,5 %масс. полученной пены недостаточно для создания пеноцементной массы с постоянными свойствами, а при концентрациях свыше 2,5 %масс. происходит перерасход пенообразователя и нарушается однородность структуры пены. Поэтому был выбран рабочий диапазон концентраций от 0,5 до 2,5 %.
В качестве вяжущего использовался цемент марок М 500 Д0 и М 400 Д 20 Ангарского цементного завода. Предварительные опыты показали, что на пену
оказывают влияние добавки, используемые при производстве цемента. Так, при применении цемента марки М 400 Д20 наблюдался процесс гашения пены, что не позволило получить пенобетон требуемой низкой плотности и привело к отбраковке изделий.
Ход эксперимента состоял из следующих этапов: на основе растворов с разным содержанием пенообразователя готовились образцы пены и измерялся их объем. Затем вяжущее перемешивали с получившейся пеной, повторно измеряли объем пеноцементной массы и определяли КИП. Результаты экспериментов представлены на рис. 4.
Концентрация пенообразователя, %масс.
Рис. 4. Зависимость коэффициента использования пены от концентрации Пента ПАВ 430А
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что интенсивность изменения КИП можно разбить на два этапа: при концентрациях до 1 % наблюдается значительное увеличение коэффициента; при достижении концентрации более 1 % изменение КИП замедляется. Приемлемые для производства пенобетона значения КИП получаются при концентрации ПАВ
более 1 %масс.
Результаты определения теплопроводности пенобетона марки Б 400 показали (рис. 5), что теплотехнические свойства пенобетона улучшаются с увеличением концентрации пенообразователя. При концентрациях пенообразователя 1 %масс. и более материал соответствует требованиям ГОСТ 25485-89, в соответствии с которыми теплопроводность данной марки пенобетона должна быть не менее 0,09 Вт/(мК).
Наибольшая прочность была получена для образцов, при изготовлении которых концентрация ПАВ составляла около 1 % (рис. 6). Уменьшение прочности материала при больших концентрациях пенообразователя можно объяснить тем, что избыточное содержание последнего приводит к замедлению сроков гидратации цемента.
0.11
0,5 1 1,5 2 2,5
Концентрация пенообразователя, %масс. Рис. 5. Зависимость теплопроводности пенобетона от концентрации Пента ПАВ 430А
Концентрация пенообразователя, %масс.
Рис. 6. Зависимость прочности пенобетона от концентрации Пента ПАВ 430А
Таким образом, экспериментально установлено, что при производстве неавтоклавного пенобетона марки по плотности Б 400 с использованием синтетического пенообразователя Пента ПАВ 430А для получения прочности материала, сопоставимой с прочностью автоклавного газобетона, без ухудшения теплоизоляционных свойств концентрация ПАВ должна изменяться в диапазоне от 1 до 1,5 %масс.
Примененный в данной работе подход может стать частью новой методики проектирования состава пенобетона неавтоклавного твердения, позволяющей получать материал с требуемой прочностью и теплопроводностью.
Библиографический список
1. Тихомиров, В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения / В.К. Тихомиров. - М. : Химия, 1975. - 265 с.
2. Русанов, А.И. Поверхностное разделение веществ (теория и методы) / А.И. Русанов, О.А. Левичев, В.Т. Жаров. - Л. : Химия, 1981. - 184 с.
3. Бикерман, Д. Пены / Д. Бикерман // Спринглер-Верлан. - Нью-Йорк, 1973. - 337 с.
4. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / К.Р. Ланге. - Хардковер, 1999. - 237 с.
5. Панесар, Д. Свойства ячеистого бетона на синтетических и белковых пенообразователях / Д. Панесар // Строительство и строительные материалы. - 2013. - Т. 44. - С. 575-584.
6. Горбач, П.С. Научно обоснованный выбор пенообразователя и его концентрации / П.С. Горбач, С.А. Щербин // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - № 4. - С. 191-199.
7. Использование вторичного сырья для производства пенобетона / Л.А. Урханова, П.С. Горбач, А.И. Савенков, С.А. Щербин // Строительные материалы. - 2008. - № 1. -С. 30-34.
8. Определение критической концентрации мицеллообразования различных пенообразователей / П.С. Горбач, С.А. Щербин, А.И. Савенков, Е.А. Чиркина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2007. - № 1. - С. 216-219.
9. Меркин, А.П. Непрочное чудо / А.П. Меркин, П.Р. Таубе. - М. : Химия, 1983. - 224 с.
10. Карибаев, К.К Поверхностно-активные вещества в производстве вяжущих материалов / К.К. Карибаев. - Алма-Ата : Наука. КазССР, 1980. - 336 с.
References
1. Tihomirov V.K. Peny. Teoriya i praktika ikh polucheniya i razrusheniya [Foams. Theory and practice of foam production and fracture]. Moscow : Khimiya Publ., 1975. 265 p. (rus)
2. Rusanov A.I., Levichev O.A., Zharov V.T. Poverkhnostnoe razdelenie veshchestv (teoriya i metody) [Surficial separation of substances (theory and methods)]. Leningrad : Khimiya Publ., 1981. 184 p. (rus)
3. Bikerman J. Foams. Springer-Verlag, New York, 1973. 337 p.
4. Lange K.R. Surfactants: A Practical Handbook, Hardcover, 1999. 237 p.
5. PanesarD.K. Properties of cellular concrete using synthetic and protein based foaming agents. Construction and Building Materials. 2013. V. 44. Pp. 575-584.
6. Gorbach P.S., Shherbin S.A. Nauchno obosnovannyj vybor penoobrazovatelja i ego koncen-tracii [Scientifically reasonable choice of frother and his concentration]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. Pp. 191-199. (rus)
7. Urkhanova L.A., Gorbach P.S., Ispol'zovanie vtorichnogo syr'ya dlya proizvodstva penobetona [Secondary raw materials in foam concrete production]. Construction materials. 2008. No. 1. Pp. 30-34. (rus)
8. Gorbach P.S., Shcherbin S.A. Savenkov A.I. , Chirkina E.A. Opredelenie kriticheskoi kontsen-tratsii mitselloobrazovaniya razlichnykh penoobrazovatelei [Determination of critical concentration of micelle formation of various frothers]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2007. No. 1. Pp. 216-219. (rus)
9. Merkin A.P. Taube P.R. Neprochnoe chudo [Fragile miracle]. Moscow : Khimiya Publ.,1983. 224 p. (rus)
10. Karibaev K.K. Poverkhnostno-aktivnye veshchestva v proizvodstve vyazhushchikh materialov [Surface-active substances in production of knitting materials]. Alma-Ata : Nauka KazSSR. 1980. 336 p. (rus)
