CC BY
929
ЯЧЕИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА
Мирюк Ольга Александровна
д-р техн. наук, Рудненский индустриальный институт,
Республика Казахстан, г. Рудный, E-mail: _ [email protected]
CELLULAR MATERIALS BASED ON LIQUID GLASS
Olga Miryuk
Doctor of Technical Sciences, Rudny Industrial Institute,
Kazakhstan, Rudny
АННОТАЦИЯ
Исследована возможность комплексной поризации композиций из жидкого стекла. Изучена структура поризованных материалов. Выявлена предпочтительность синтетических пенообразователей, концентрация которых 3—4 %. Определены рациональные соотношения между твердым и жидким компонентами формовочной смеси. Показана возможность дополнительной поризации ячеистой структуры за счет газообразователя перекиси водорода.
ABSTRACT
The possibility of a comprehensive porization of compositions from liquid glass is investigated. The structure of porous materials is under study. Preference of synthetic foam agents is identified, concentration of which is 3—4 %. The rational relations between solid and liquid components of the moldable mixture are determined. The possibility of additional porization of cell structure by blowing hydrogen peroxide is shown.
Мирюк О.А. Ячеистые материалы на основе жидкого стекла //
Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 4-5 (17) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2162
Ключевые слова: жидкое стекло, структура, пенобетон.
Keywords: liquid glass; structure; cellular concrete.
Ячеистый бетон выгодно отличается многообразием номенклатуры изделий, доступностью сырьевой базы, сравнительной простотой технологии. В качестве вяжущего вещества для ячеистых бетонов в основном используют портландцемент и известково-кремнеземистые материалы (автоклавная технология). Дороговизна портландцемента, технические сложности автоклавной обработки обусловливают необходимость использования альтернативных бесцементных вяжущих. При этом необходимо создать благоприятные условия для поризации, обеспечить повышенную прочность межпоровых перегородок.
Анализ технической литературы свидетельствует о перспективности щелочесиликатных вяжущих, которые затворяют раствором щелочного компонента, активизирующим твердение порошкообразной части композиции [1, с. 5]. Жидкое стекло, как основа таких композиций с многолетней практикой применения, соответствует требованиям сырьевой обеспеченности и возможности применения малоэнергоемких технологий. В качестве порошкообразного наполнителя щелочесиликатных вяжущих используют металлургические шлаки, бой стекла и другие силикатные и алюмосиликатные материалы различного происхождения [2, с. 34].
Поризация — определяющая стадия технологического процесса получения ячеистых материалов, которую для жидкостекольных масс осуществляют термическим, химическим, механическим способами.
Существенными факторами влияния на структуру ячеистых материалов служат технологические приемы приготовления бетонных смесей. В технологии ячеистых бетонов наиболее распространены щелочесиликатные пенобетоны. Технология пенобетона отличается многовариантностью методов получения формовочной массы: раздельное приготовление растворной смеси и пены; сухая минерализация пены; вспенивание всех компонентов
в скоростном смесителе. Щелочесиликатные пенобетоны получают, как правило, методом сухой минерализации пены. Другие методы разработаны в основном для цементных бетонных смесей и не учитывают многокомпонентных составов формовочных композиций из бесцементных вяжущих.
Улучшение прочностных и теплофизических свойств ячеистых бетонов основано на оптимизации структуры. Перспективным направлением в технологии ячеистых бетонов является получение пеногазобетона за счет совмещения приемов приготовления пенобетонной и газобетонной смеси. Это позволяет четче регулировать структуру и свойства бетона. Сведения о технологии пеногазобетона сравнительно немногочисленны и посвящены в основном цементным материалам.
Дальнейшее развитие технологии щелочесиликатных ячеистых бетонов связано с совершенствованием приемов поризации структуры.
Цель работы — исследование влияния технологических факторов на поризацию материалов из жидкого стекла и техногенного наполнителя.
Объектом исследования послужили жидкостекольные композиции, наполненные металлургическим шлаком и стеклобоем. Для поризации масс использовали поверхностно активные вещества различного происхождения: протеиновый пеноконцентрат «Унипор», пенообразователи на синтетической основе “Fairy” и “Zelle-1”.
Пеномассы готовили по одностадийному методу: суспензию, полученную перемешиванием всех компонентов, вспенивали в смесителе миксерного типа в течение 2 мин. Скорость вращения перемешивающего механизма 600—1000 об/мин. Свойства пеномассы оценивали по кратности и плотности. Образцы пенобетона размером 40х40х40 мм твердели в нормальных условиях.
Для сравнения полученных пен использована визуальная оценка крупности, однородности и устойчивости во времени. Мелкими обозначены пены с размером ячеек 0,5 мм; крупными — более 1 мм. Однородная пористая структура — равномерное распределение пор в массе, отсутствие крупных
воздушных полостей. Устойчивость пеномассы оценена по продолжительности сохранения первоначального объема: высокая устойчивость — не менее 30 мин; низкая — разрушается после извлечения из смесителя.
Особенность исследуемых композиций — использование для затворения жидкости с регулируемым составом и плотностью. Жидкое стекло выполняет две функции: в сочетании с пенообразователем является компонентом технической пены и одновременно — компонентом щелочесиликатного вяжущего.
Исследование пены из жидкого стекла свидетельствует о предпочтительности раствора Na2O(SiO2)n плотностью 1250—1300 кг/м3, при которой образуется пена необходимого качества и достигается технологически обоснованная скорость твердения материала. Повышенные значения плотности жидкого стекла снижают выход пеномассы, при низких значениях плотности — медленное упрочнение структуры бетона.
Структура ячеистых материалов существенно зависит от природы порообразующего компонента. Исследованы пены, полученные из пенообразователей различного происхождения, которые добавляли к жидкому стеклу в количестве 3 %. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Влияние пенообразователя на свойства пены из жидкого стекла
Вид пенообразователя Кратность пены Плотность пены, кг/м3 Качественная характеристика пены
размер однородность пористости стойкость
“Fairy” 7,0 180 очень мелкие однородная высокая
“Zelle—1” 6,5 190 мелкие однородная высокая
«Унипор» 4,0 210 средние неоднородная низкая
Использование протеинового пенообразователя «Унипор» сопровождается коагуляционными процессами и образованием сгустков в жидком стекле. Пена, образованная с применением «Унипора», неоднородна по структуре и весьма неустойчива. Протеиновые поверхностно-активные вещества катионного или амфотерного типа, как правило, эффективны только в слабокислой среде.
Пена на основе синтетического пенообразователя “Fairy” выгодно отличается мелкопористым строением, низкой плотностью и устойчивостью. Предпочтительность синтетических пенообразователей для жидкого стекла обусловлена их анионным или неионогенным типом. Такие пенообразователи содержат натриевые соли алкилсульфонатов и алкилбензосульфокислот и наиболее эффективны в области рН = 7,0—10,5.
Щелочесиликатные композиции состоят из жидкого стекла и порошкообразного наполнителя (металлургического шлака или боя стекла), который влияет на реологические свойства и вспениваемость массы. Для поризации щелочесиликатной композиции использован пенообразователь «Fairy». Увеличение доли наполнителя закономерно повышает плотность массы за счет уменьшения поризуемости материала (таблицы 2 и 3). Для получения стойкой к седиментации пеномассы с низкими значениями плотности соотношение «жидкое стекло : наполнитель» целесообразно принять равным «1: 1,85 — 1 : 2,00». Композиции на основе стеклобоя устойчивы к изменению доли наполнителя и сохраняют кратность пеномассы.
Структура пенобетона чувствительна к изменению вещественного состава формовочной массы. Сопоставление показателей шлакощелочных композиций на синтетических пенообразователях различного типа выявило, что использование “Zelle-1” обеспечивает формирование укрупненных ячеек со средним размером 0,8—1,0 мм (рисунок 1) и пониженную плотность материала (таблица 3). Пенобетон на основе металлургического шлака характеризуется меньшими по размеру ячейками.
Для повышения теплозащитных свойств материала исследована возможность дополнительной поризации с помощью газообразующего компонента. Традиционный газообразователь ячеистых бетонов — алюминиевая пудра — способен одновременно играть роль водоупрочняющего отвердителя, так как продукты его взаимодействия с жидким стеклом дополнительно модифицируют щелочно-силикатную матрицу, повышая ее водостойкость.
Однако повышенная зависимость кинетики газовыделения от состояния сырьевой смеси и поверхности порообразователя, дороговизна порошка обусловили поиск другого газообразующего компонента.
Таблица 2.
Влияние доли шлака на свойства поризованного материала
Жидкое стекло : шлак Кратность пеномассы Плотность пенобетона, кг/м3 Прочность при сжатии пенобетона, МПа
1: 1,45 6,4 260 0,3
1: 1,65 6,3 320 0,4
1: 1,85 6,1 350 0,5
1: 2,00 5,8 460 0,7
Таблица 3.
Влияние доли стеклобоя на свойства поризованного материала
Жидкое стекло : стеклобой Кратность пеномассы Плотность пенобетона, кг/м3 Прочность при сжатии пенобетона, МПа
1: 1,45 5,1 400 0,8
1: 1,65 5,2 420 1,0
1: 1,85 5,1 430 1,1
1: 2,00 5,0 480 1,2
Таблица 4.
Влияние состава смеси на свойства шлакощелочного пенобетона
Пенообразователь Жидкое стекло : шлак
1 : 1,85 1 : 2,00
кратность пены плотность пенобетона, кг/м3 прочность при сжатии, МПа ратность пены плотность пенобетона, кг/м3 [рочность при сжатии, МПа
вид содержание в смеси,%
Fairy 3 5,4 393 0,68 5,2 402 0,73
4 5,8 296 0,63 5,8 369 0,72
5 6,2 255 0,62 6,2 322 0,61
Zelle-1 3 5,6 309 0,59 5,8 369 0,68
4 5,9 237 0,53 6,2 336 0,63
5 6,3 205 0,50 6,7 276 0,60
В качестве порообразователя использован концентрированный водный раствор перекиси водорода H2O2. Газообразование с участием перекиси водорода независимо от значения pH среды, при разложении поризатора выделяется нетоксичный и негорючий кислород.
Рисунок 1. Структура шлакощелочных композиций с использованием
различных пенообразователей
Газообразователь вливали в сырьевую массу перед вспениванием. Состав композиции — «жидкое стекло : стеклобой — 1 : 2». Газовыделение происходило в течение 30—40 мин после заполнения формы вспененной массой, ускорялось при тепловом воздействии (температура 30 0С). Вспучивание массы, возрастающее при увеличении доли перекиси водорода, зависит от вида пенообразователя (таблица 5). Соотношение уровней массы до и после насыщения газом характеризовали коэффициентом вспучивания. Пониженные значения коэффициента вспучивания смеси на основе “Zelle-1” обусловлены меньшей газоудерживающей способностью пеномассы. Это подтверждает «перфорация» межпоровых перегородок (рисунок 2).
Рисунок 2. Структура пеногазобетона на основе стеклобоя с использованием пенообразователей различного вида и перекиси водорода (1,75 %)
Таблица 5.
Влияние перекиси водорода на свойства композиций из стеклобоя
Вид пенообразователя Концентрация перекиси водорода в смеси, % Кратность пеномассы Коэффициент вспучивания, % Средняя плотность пеногазобетона, кг/м3
“Fairy” 0 5,4 — 500
0,75 14 440
1,25 20 400
1,75 28 340
2,25 42 280
2,75 57 230
“Zelle-1” 0 5,6 — 480
0,75 10 420
1,25 18 380
1,75 22 340
2,25 31 270
2,75 37 210
Выводы. Использование в качестве основы композиции жидкости с выраженной химической активностью и регулируемой плотностью предопределяет выбор порообразователей с высокой вспенивающей способностью и устойчивостью в среде затворителя.
Показана возможность снижения плотности жидкостекольных материалов за счет комплексной поризации: вспенивания суспензии и последующего газонасыщения с помощью перекиси водорода.
Список литературы:
1. Кривенко П.В. Скурчинская Ж.В., Сидоренко Ю.А. Шлакощелочные вяжущие нового поколения // Цемент. — 1991. — № 11—12. — С. 4—8.
2. Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З., Кузнецов Д.П. Газобетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Технологии бетонов. — 2009. — № 7—8. С. 34—35.
