О влиянии температуры на особенности формирования структуры пенобетонных смесей

Аннотация

Л.В. Моргун, П.В. Смирнова, К.И. Костыленко, О.В. Пушенко

Выполнен комплексный анализ факторов, управляющих прочностью и жизнестойкостью пен, предназначенных для изготовления пенобетонных смесей. Установлено, что понижение температуры воды затворения способствует улучшению конструкционных свойств пен.
Ключевые слова: поверхностно активные вещества, пены, лиотропные жидкие кристаллы.

Ключевые слова:

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Теоретический анализ причин изменчивости эксплуатационных свойств пенобетонов, изготовленных по одной и той же технологии [1], показывает, что важнейшим фактором, обуславливающим высокую дефектность их твердой фазы, является недостаточная устойчивость пенных пленок в период перехода  «от вязкого к твердому». О мере устойчивости пленок судят по количеству дефектов в межпоровых перегородках, величина которых управляет прочностью и долговечностью бетонов. Продолжительность периода перехода смесей «от вязкого к твердому» зависит от многих факторов. К числу важнейших из них относятся:
- вид и качество сырьевых компонентов;
- рецептура;
- параметры тепло - и массопереноса в период начального структурообразования уложенных в опалубку смесей.
В процессе изготовления пенобетонных смесей чрезвычайно важно достигать:
- требуемого воздухововлечения с целью получения заданной плотности;
- в период фазового перехода «от вязкого к твердому» сохранять структуру, полученную при перемешивании.
Только при достижении таких условий, отвердевшие бетоны способны обладать совершенными эксплуатационными свойствами.
Требуемое воздухововлечение может быть достигнуто только в том случае, если поверхностно активные вещества (ПАВ) обладают энергетическим потенциалом, достаточным для удержания воды в физически связанном состоянии. После укладки смесей в формы ПАВ должны сохранять структуру, полученную при перемешивании в течение такого промежутка времени, который необходим для обеспечения схватывания клинкерных минералов цемента. 
Анализ  адсорбционных свойств ПАВ показывает, что их способность формировать пену и удерживать внутри себя газовую фазу регулируется упругостью пленок на границе раздела «газ-жидкость» [2]. Известно [2,7,8], что при перемешивании компонентов пенобетонных смесей наблюдается первичность адсорбции воды на поверхности твердой фазы по сравнению с ПАВ. То есть, ПАВ, растворенные в воде затворения, при перемешивании сырьевых компонентов пенобетонной смеси способны перемещаться только в направлении поверхности раздела  "газ – жидкость".
Перемешивание дисперсного сырья в бетоносмесителе является процессом кратковременного дефомирования отдельных фрагментов дисперсионной среды, при растяжении которой наблюдается понижение концентрации ПАВ в её объёме [2]. Повышенный энергетический потенциал растягиваемой поверхности, с одной стороны, способствует адсорбции газа на ней. А с другой стороны, создает предпосылки для перемещения молекул ПАВ из объема воды затворения на границу раздела «газ-жидкость». Количество газа,  адсорбируемого поверхностью раздела фаз, зависит от размеров этой плоскости, концентрации ПАВ и его поверхностной активности [2].
При турбулентном перемешивании все компоненты пенобетонной смеси движутся с разной скоростью. Разница в скоростях движения частиц потока  управляет напряжениями растяжения в жидкой фазе и равновесной концентрацией ПАВ в соответствующем элементарном объёме смеси. То есть, при перемешивании компонентов пенобетонных смесей в жидкой фазе всегда будет иметь место градиент концентрации ПАВ в направлении газовой составляющей. Вектор  движения компонентов дисперсных фаз в смесительном агрегате постоянно меняется. Изменение направления движения обуславливает появление в жидкой фазе дисперсионной среды изгибающих, сдвиговых и крутящих напряжений. Результатом проявления таких напряжений является искривление поверхности раздела фаз "газ-жидкость". Искривленной поверхности энергетически выгодно  замкнуть газовую фазу внутри жидкой.
Сохранение газовой фазы внутри жидких пленок ПАВ возможно только в том случае, если пленки обладают свойством упругости. Под упругостью пленок понимают их способность увеличивать натяжение при растяжении. Это свойство характеризуется модулем упругости пленки (Е), определяемым тождеством [2]:

где А – площадь пленки;       γ – натяжение пленки.

Из уравнения следует, что упругость пенных пленок растет пропорционально их натяжению. Анализ взаимосвязи между силами поверхностного натяжения в рассматриваемых смесях и растворимостью ПАВ показывает, что чем ниже растворимость ПАВ в воде, тем выше натяжение пленок. В свою очередь, растворимость ПАВ управляется  температурой растворителя [3]. То есть, понижая температуру воды затворения можно создавать энергетически благоприятные условия для получения пенных пленок повышенной прочности.
Из работ содержащих сведения об особенностях  структурообразования цементных бетонов следует, что процесс гидратации клинкерных минералов, управляющий переходом вязкой смеси в твердый камень, всегда сопровождается выделением тепла.  Причем наиболее интенсивное тепловыделение имеет место в период преобладания вязких связей между компонентами дисперсной фазы [4].
Перечисленное предопределяет важнейшее условие достижения высоких эксплуатационных свойств пенобетонов. Необходимо согласовывать скорости протекания процессов, управляющих тепло- и массопереносом в пенобетонных смесях для того, чтобы  процесс формирования структуры твердой фазы содержал минимальное количество факторов, способствующих образованию микродефектов в межпоровых перегородках. Не учет особенностей массопереноса, возникающих в результате изменения температуры в период начального структурообразования, приводит к агрегативной неустойчивости пенобетонных смесей и появлению дефектов в затвердевших бетонах [5].
С целью накопления знаний об этом важном для развития прочности пенобетонов, этапе структурообразования, в данной работе выполнен экспериментально-теоретический анализ влияния температуры воды затворения на воздухововлекающие свойства ПАВ и продолжительность «жизни», получаемых пен.
В ходе экспериментальных исследований использовались пенобразователи: «Пионер», «Пионер-турбо», «Ареком-4». Изготовление смесей осуществлялось в турбулентном смесителе со скоростью движения рабочего органа 750 об/мин.  Оценка плотности получаемых пен осуществлялась путем взвешивания на весах с точностью до 0,01 г наполненных сосудов объемом 5 литров. Расчет толщины пенных пленок осуществлялся из условия того, что средний размер газовых включений составлял 1 мм, а количество влаги в межузельном пространстве составляло половину её объёма, пошедшего на образование пленок.
Из данных, приведенных в таблице, следует, что  применение воды с температурой 4+1⁰С позволяет получать пены максимальной плотности и жизнестойкости.
Считаем важным отметить значимость связи «плотность-жизнестойкость» потому, что пены представляют собой раствор анизотропных веществ в воде [6] обладающих такими важными свойствами жидких кристаллов как механическая прочность [7,8] и агрегативная устойчивость (табл.), весьма важных для технологии пенобетонов.

Физические свойства пен

Согласно теории растворов [6], структура воды при наличии в ней молекул анизотропной формы приобретает микроскопическую неоднородность (микрогетерогенность) и некий пространственный масштаб этой неоднородности. Микрогетерогенные растворы являются слоистыми растворами в воде амфифильных веществ, т.е. таких веществ, которые имеют полярную «головку» и гидрофобный углеводородный «хвост». Амфифильные вещества способны образовывать бимолекулярные слои, в которых углеводородные хвосты молекул ПАВ обращены друг к другу, а полярные головки к слоям воды [2,6]. При насыщении микрогетерогенных растворов газовой фазой углеводородным хвостам молекул ПАВ энергетически выгодно переместиться из воды в воздух. А их полярные головки оказываются способными физически связывать некоторый объем ранее свободной воды [8].
Взаимная растворимость воды и ПАВ регулируется температурой. При низких температурах жидкости плохо смешиваются друг с другом [2, 6], что весьма важно и может быть эффективно использовано в технологии пенобетонов. Молекулы-стержни в холодной воде образуют нематические жидкие кристаллы. В жидком кристалле (согласно теории Майера-Заупе) молекулы ПАВ ориентируются так, чтобы их энергия была минимальной [9]. Для образования жидкого кристалла необходимо соблюдение следующих условий:
- высокая концентрация ПАВ в воде;
- низкая температура жидкой фазы.
Важно отметить, что в процессе изготовления пен имеет место повышение температуры жидкой фазы потому, что любой процесс адсорбции характеризуется тепловыделением. При повышении температуры выше некоторой критической для данного ПАВ, или понижении его концентрации в водном растворе молекулы-стержни могут утрачивать способность к сохранению жидкокристаллической фазы [6,9]. Если пленки ПАВ утрачивают свойство ярко выраженной микрогетерогенности и стремятся к изотропности, то структура пены разрушается. Такие растворы ПАВ в воде перестают быть технологически эффективными для пенобетонных смесей. Следовательно, одним из важнейших условий обеспечения минимальной дефектности межпоровых перегородок в пенобетонах является обеспечение агрегативной устойчивости лиотропных жидких кристаллов пенных пленок в период, соответствующий продолжительности фазового перехода цементного теста в цементный камень.
Важно учитывать, что для качества затвердевших пенобетонов особенно критичен период жизни пенобетонных смесей в диапазоне времени между их укладкой в формы и моментом завершения процесса схватывания в цементном камне потому, что он характеризуется таким сочетанием интенсивных процессов тепло- и массообмена между всеми сырьевыми компонентами, которое может привести к нарушению однородности макроструктуры (расслоению) и, таким образом, исключить возможность получения пенобетона с заданными свойствами.
Анализ физических свойств пен, полученных в ходе эксперимента (табл.), показывает, что независимо от вещественной природы пенообразователя понижение температуры воды ведет к повышению плотности пен и удлинению промежутка времени, в течение которого они обладают свойствами твердой фазы. Корреляция значений между плотностью и жизнестойкостью пен свидетельствует о том, что снижение температуры воды затворения предопределяет повышенную способность стержнеобразных молекул ПАВ физически удерживать большее количество молекул воды.
Величина водосодержания пенных пленок чрезвычайно важна для  технологии пенобетонов потому, что в рассматриваемый период формирования структуры развиваются процессы химической и адсорбционной диспергации клинкерных минералов цементного вяжущего. Следовательно, в рассматриваемой системе будет иметь место рост энергетической активности дисперсных частиц твердой фазы, сопровождающийся повышением температуры пенобетонной смеси.
Заключая изложенное, можно утверждать, что согласованное изменение температуры смеси, растворимости ПАВ и водопотребности клинкерных минералов в период начального структурообразования позволит найти тот перечень технологических воздействий на кинетику процессов массо- и теплопереноса, который будет способен обеспечить достижение заданных эксплуатационных свойств пенобетонов.

Литература
1.Моргун Л.В. О повышении качества строительной продукции// Ж. «Вестник министерства строительства, архитектуры и  жилищно-коммунального хозяйства», Ростов-на-Дону, 2004, №3(7). – С.20,21.
2.Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ.- СПб.: Химия, 1992.- 280 с.
3. Van Kampen N.G. – Phys. Rev., 1964, v. A315, p.362.
4.Моргун Л.В.,  Смирнова П.В. и др. Зависимость скорости формирования структуры пенобетонов от температуры сырьевых компонентов// Ж. «Строительные материалы», 2008, №6. – С.50-52.
5.Моргун Л.В., Моргун В.Н., Смирнова П.В. Регулирование прочностных свойств пенобетонов с помощью температуры//Сб. тр. «Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве». Украина, Севастополь, 2007. – С.199-202.
6.Веденов А.А. Физика растворов. М.: Наука, 1984. – 112 с.
7.Шароварников А.Ф., Шароварников С.А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав. Свойства. Применение. – М.: Пожнаука, 2005. – 335 с.
8.Моргун В.Н. Влияние воздухововлечения на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей в период раннего структурообразования// Сб. тр. «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы, конструкции, расчет и проектирование». – Ростов н/Д, РГСУ, 2010. – С.35-39.
9.Ма Ш. Современная теория критических явлений. – М.: Мир, 1980. – 486 с.