УДК 666.973.6.
Хитров А.В., Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Овчинникова В.П., Чернаков В.А., Масленникова Л.Л., Бабак Н.А.
Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщений
Одним из наиболее перспективных направлений строительного материаловедения является конструирование пеноматериалов, при котором объем воздуха вносится в материал изначально приготовленной пеной.
Пеноматериалы в дальнейшем формируются или за счет твердения (бетоны автоклавные и неавтоклавные), или за счет обжига (пенокерамика строительного и нестроительного назначения). В зависимости от природы пенообразователя и способа приготовления, конструкционные свойства пен разные, и эта разница в дальнейшем во многом определяет теплофизические свойства пеноматериалов. Под конструкционным свойствами пен мы понимаем размер и морфологию воздушной фазы жидкой, а затем и твердой пены, с которыми связаны в дальнейшем теплофизические свойства материала, а также физико-механические свойства жидкой среды пены, которая при отверждении пеноматериала вносит вклад в физико-механические свойства твердой прослойки.
Представленная работа является частью классификации строительных пен — жидких и твердых и затрагивает особенности химической природы строительных пен, к которым, как правило, относятся поверхностно активные вещества, при этом химическая природа рассмотрена во взаимосвязи с этими параметрами.
Термодинамическая устойчивость в цементной системе подразделяет строительные пены на два класса — реакционные и устойчивые, соответственно lдельтаG < 0 и дельтаG > 0 в реакциях в цементной системе. Пены дельтаG < 0 служат одновременно и активаторами при определенных условиях, и основная технологическая задача при их использовании — кинетическая, т.е. растянуть реакционный процесс в таком времени, чтобы сохранить систему с воздушным заполнителем, а потом укрепить ее реакциями по границам разделов фаз. Пены с дельтаG > 0 «работают», т.е. отверждаются отдельно от отверждения цементной системы, т.к. реакции между ними нет. Каждая из пен в такой классификации имеет свои технологические границы применения.
Известно, что поверхностно активные вещества по способности к диссоциации в растворе делятся на ионогенные и неионогенные. Ионогенные ПАВ делятся на анионактивные, катионактивные и амфолитные (амфотерные).
Установлено, что среди имеющихся ПАВ лучшими пенообразующими свойствами обладают анионактивные и амфотерные вещества. Для катионактивных и неионогенных ПАВ характерна меньшая поверхностная активность и малое пенообразование в водном растворе. В данной работе свойства этих веществ не рассматриваются.
В табл. 1 представлены анионактивные и амфотерные ПАВ, которые могут быть использованы в качестве пенообразователей строительных пен. По химической природе их можно разделить на пять групп: алкилсульфаты, алкилбензосульфаты, соли карбоновых и смоляных кислот (анионактивные ПАВ), олигопептиды и другие гидролизаты белков (амфотерные ПАВ). В таблице указаны относительные значения кратности и устойчивости пен, вычисленные в соответствии с показателями пенообразующей способности и устойчивости раствора пеноконцентрата «НЕОПОР», которые условно приняты нами за единицу.
Пенообразующая способность и устойчивость анионактивных ПАВ связана со структурой молекулы, природой гидрофильной группы и длиной гидрофобного радикала.
Из приведенных данных видно, что природа гидрофильной группы влияет на интервал рН, в котором ПАВ проявляет способность к пенообразованию. Алкилсульфаты имеют хорошую пенообразующую способность и в щелочной, и в кислотной среде (РН=2-12). Это объясняется свойствами ПАВ, образованного сильной кислотой и сильным основанием. При переходе к солям высших карбоновых кислот интервал значений РН, при котором образуется пена, резко сокращается до РН=8-9, т.е. пенообразование фактически происходит только в щелочной среде.
Такое поведение пенообразователей обусловлено, «по-видимому, влиянием ионов водорода и гидроксида на взаимодействие гидрофильных и гидрофобных частей молекул сдвигающим равновесие между адсорбацией ПАВ и пенообразованием в ту или иную сторону»[1].
Из литературных данных [2-3] известно, что поверхностно-активные свойства веществ зависят от длины углеводородного радикала. Из табл. 1 видно, что для каждой группы пенообразователей максимальному пенообразованию и устойчивости пены соответствует вполне определенное число атомов углерода составляющий молекулу. В группе алкилсульфатов лучшей пенообразующей способностью и устойчивостью обладает «пенообразователь № 1» с числом атомов углерода равным 10-12. В группе сульфанатов лучшие поверхностно-активные свойства проявляет пенообразователь при п=14-18 (пенстром).
Наибольшую пенообразующую способность в ряду солей насыщенных жирных кислот имеют соли пальмитата натрия.
По имеющимся в литературе данным [1-2] положительным фактором в пенообразующих свойствах ПАВ является разветвленность цепи и наличие ненасыщенных связей. Это видно из таблицы, например, для стеарата и олеата натрия. В данном случае в олеате натрия имеется ненасыщенная двойная связь, что и обуславливает лучшее пенообразование.
Четвертая группа ПО — соли смоляных кислот. Наибольшее применение находит клейканифольный пенообразователь, представляющий собой смесь канифольного мыла (пенообразователь) и клея природного происхождения (стабилизатор). Канифольное мыло содержит от 70 до 90 % абиетата натрия, имеющего сложную структуру, состоящую из замкнутых колец. Как и для других пенообразователей свойства пены на основе ККПО связаны с химической природой молекулы вещества и РН-среды.
Пятая группа включает в себя амфотерные ПАВ, полученные на основе белков. Эти соединения характеризуются хорошими пенообразующей способностью и устойчивостью.
Большими недостатками работ, посвященных пенам, являются их неодинаковые методы получения и исследования, в результате чего использование одного и того же пенообразователя и разных способов получения пены приводит к значительным отличиям показателей кратности, дисперсности и устойчивости. Немаловажное значение имеет также скорость вспенивания раствора, т.к. при увеличении времени на взбивание пены решающую роль начинают играть кинетические факторы.
Для получения сравнимых результатов в работе использовался пеногенератор ПГ-1. Пеногенератор ПГ-1 представляет собой современное оборудование, которое производится компанией «УНИПОР» (Казахстан) по лицензии немецкой фирмы. Большим достоинством пеногенератора ПГ-1 являются большая производительность и возможность получения монодисперсной пены. Вспенивание происходит в результате смешивания в специальном устройстве потоков сжатого воздуха и водного раствора пенообразователя. Регулируя давление в системе и скорость подачи раствора можно получать пену с заданными значениями кратности, плотности и дисперсности. С помощью пеногенератора ПГ-1 были получены пены из различных пенообразователей (см. табл. 2).
Представленные в таблице данные плотности и кратности пен хорошо согласуются с величинами поверхностного натяжения s ПАВ. Действительно, большему значению кратности соответствует меньшее значение s, т.е. при одинаковом давлении и скорости подачи раствора и для разных ПО образуется неодинаковый объем пены, что вполне понятно, если рассматривать s, как работу образования единицы поверхности.
Другой случай влияния ПАВ на процесс гидратации и кристаллизации в цементной системе связан с уменьшением межфазного поверхностного натяжения и образованием промежуточных продуктов, способствующих твердению цементного камня. При этом важным показателем является величина поверхностного натяжения для данного вида ПАВ и подбор оптимальной концентрации пенообразователя, при котором возможно проявление этого свойства.
И в том и в другом случае влияние ПАВ на физико-технические характеристики может быть связано с образованием кристаллогидратов и ассоциатов твердения, имеющих определенную структуру (микроуровень), а также формированием ячеистой структуры самого пенобетонного камня, т.е. составом и строением твердой фазы, степенью поризации бетона, характером и размером пор (макро уровень). Из приведенных в табл.3 данных можно видеть степень влияния химического и структурного фактора на технические свойства пенобетонов.
Так, например, пенообразователь «ПЕНСТРОМ» имеет высокую кратность и сравнительно низкий показатель устойчивости пены, поэтому для получения пенобетона той же плотности необходим объем раствора ПО «ПЕНСТРОМ», в два раза превышающий объемы растворов других ПАВ. Перемешивание пены, полученной на основе ПО «ПЕНСТРОМ» с цементно-песчаной смесью, приводит к ее частичному разрушению, вследствие чего выделившиеся из пены вещества, как сильные ПАВ, совместно с твердой и гелеобразной фазой, участвуют во вторичном пенообразовании. Как результат сильного воздухововлечения при перемешивании возникают большие ячейки, которые неравномерно распределены по объему полученной ячеистой массы и которые сохраняются в пенобетонном камне после твердения, — деструктурируют его, создавая мостики холода. Таким образом, в этом случае можно говорить о влиянии структурного фактора пены на физико-технические свойства пенобетона, что подтверждается полученными нами данными по теплопроводности и прочности.
Напротив, образцы, полученные на основе пены из клейе-канифольного ПО (ККПО), имеют хорошую ячеистую структуру с равномерно распределенными порами одинаковых размеров. При этом сравнение показателей прочности и теплопроводности с показателями прочности и теплопроводности образцов пенобетона, полученных на основе ПО «НЕОПОР» и ГК, дают худшие результаты, что, по-нашему мнению, связано с образованием новых химических структур, отрицательно влияющих на прочностные свойства пенобетона.
Химическая природа и строение ПАВ влияют на свойства пен, однако нас интересуют строительные пены в связи со свойствами образованных материалов и возможностью прогнозирования и регулирования их физико-техническими параметрами. В соответствии с этим, мы выделяем следующие основные типы влияния.
1. ПАВ и термодинамическая устойчивость пен в цементной системе.
2. Влияние химической природы на пенообразующую способность, агрегативную устойчивость пен, а также на размер и морфологию дисперсной фазы.
3. Влияние химической природы пен на физико-техническое свойства пенобетона.
Таким образом, в представленной работе произведена классификация строительных пен по химической природе и их воздействию на физико-технические свойства материалов. Предполагается, что возможно управление тепло- и механо-физическими свойствами пенобетонов с учетом природы и структуры вводимых при твердении пен.
Библиографический список
1. Тихомиров В.К. Пены: Теория и практика их получения. -М.: Химия, 1983.
2. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. — Л.: Химия, 1975.
3. Таубе П.Р. Исследования в области применения ПАВ в технологии ячеистых бетонов. – Л., 1970
4. Кудряшев И.Т., Куприянов В.П. Ячеистые бетоны. — М.: Госстройиздат, 1959.
5. Майофис А.Д. Исследование закономерностей пенообразования в водных растворах поверхностно-активных веществ А/Р. К.Х.Н., Л., 1977 г.
