Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 4 )

Традиционный способ пенообразования в производстве высокопористых материалов включает три стадии: 1) приготовление из водных растворов ПАВ устойчивых пен («чистых» пен); 2) приготовление жидкотекучих минеральных или полимерных композиций образующих твёрдую фазу (остов) пористого материала; 3) смешивание пены и композиции до получения пеномассы заданной пористости, с последующей формовкой изделий методом разлива в формы.

Важным фактором, влияющим на стойкость пены при её смешении с минеральными или полимерными композициями является подвижность последних, зависящая от их концентрации, характеризующейся реологическими показателями. При этом высококонцентрированные композиции (малоподвижные) разрушают пену полностью или частично, а в то же время, сильно разбавленные композиции твердеют существенно медленнее, так как возникает опасность осадки пеномассы за счёт частичного разрушения структуры. Следовательно, при применении способа пенообразования оптимизация реологических свойств поризуемых композиций имеет важное значение для получения бездефектных структур.

Способ сухой минерализации пены является разновидностью способа пенообразования и включает следующие основные операции: приготовление «чистой пены»; сухую подготовку твёрдой сырьевой композиции (помол и смешивание минерального вяжущего и кремнеземистого компонента, помол стекла, шамота и других); смешивание пены и минерального порошка, т. е. бронирование пены. Перемешивание пены с тонкодисперсным минерализатором является наиболее ответственной операцией, при проведении которой необходимо учитывать ряд важных факторов. Во-первых, минерализация пены основана на прилипании тонкодисперсных твёрдых частиц к пузырькам пены, вследствие чего образуется сплошная ячеисто-минеральная система. Каждая ячейка в такой системе бронирована большим числом твёрдых частиц. Прилипание твёрдых частиц к пузырькам пены обусловлено силами взаимодействия поверхности твёрдой фазы и полярных групп пенообразователя. На поверхности раздела фаз газ - жидкость и жидкость - твёрдое вещество наблюдается молекулярное взаимодействие пенообразователей с образованием особых комплексов, которые способствуют прилипанию минеральных частиц к воздушным пузырькам. Степень комплексообразования, устойчивость комплексов, их химические и физико-химические свойства зависят от различных факторов: дипольных моментов полярных групп молекул и их размеров, концентрации реагентов, pH и температуры среды. Стабилизаторами пены могут являться твёрдые частицы с малым углом смачивания, медленно отсасывающие воду из пены. Разные группы ПАВ могут гидрофобизировать или гидрофилизировать твёрдые частицы. При этом гидрофобилизирующие ПАВ создают адсорбционные оболочки на поверхности твёрдых зёрен. В этих оболочках молекулы мыла или соответствующих жирных кислот ориентируются своими полярными карбоксильными группами к поверхности зерна, а углеводородными цепями – в окружающую водную среду. Таким образом, твёрдые частицы делаются с поверхности гидрофобными, плохо смачиваются водой, но легко смачиваются пузырьками воздуха, за счёт чего и удерживаются на воздушных пузырьках. Адсорбционные плёнки, образованные гидрофильными коллоидами (сапонин, клей, желатин), наоборот, повышают смачиваемость минерализатора. При этом существенно снижается устойчивость системы, пена разрушается твёрдыми частицами и минерализующий эффект не достигается. Следовательно, стабилизация пены при её сухой минерализации прямым образом зависит от природы ПАВ, что снижает круг пенообразователей, пригодных для получения высокопористых материалов данным способом. Устойчивость минерализованной пены зависит также от вида, количества и дисперсности твёрдых частиц, введённых в пену. Чем большая поверхность пены покрыта твёрдыми частицами и чем более они дисперсны, тем устойчевее пена, так как высокодисперсные твёрдые частицы устойчиво располагаются на поверхности плёнки пузырька, в то время как крупные, обладающие большей массой, предрасположены к сдвигу.

Технология сухой минерализации пены предусматривает: поризацию смесей методом сухой минерализации пены; использование пен различной кратности; направленное регулирование структуры пеноматериалов путём подбора кратности и степени минерализации пены; введение в состав формовочных смесей волокнистых армирующих и полимерных добавок; применение вибрации на стадиях приготовления пеномассы и формирования из неё изделий; короткий цикл приготовления пеномасс. Варьирование кратностью пены и водотвёрдого отношения, направленный выбор вида пенообразователя и минеральных компонентов, изменение конструкции пеносмесителя (пеногенератора) и параметров его работы позволяют с высокой степенью надёжности получать заданные характеристики технической пены с содержанием в ней диспергированного воздуха до 92 % объёма и, как следствие, изготовлять пеноматериалы из различного сырья в широком диапазоне средней плотности (от 200 до 1000 кг/м3). Введение в смеси волокнистых армирующих и полимерных упрочняющих добавок является дополнительным мероприятием, обеспечивающим повышение физико-механических характеристик получаемых материалов, а применение вибрации облегчает минерализацию пены и гарантирует надёжность бездефектного заполнения форм (опалубки) пеномассой. Применении такой технологии высокопористых материалов не требует значительных капиталовложений, так как касается в основном модернизации смесительного и дозирующего оборудования, но при этом позволяет резко повысить эффективность получаемых материалов и рентабельность производства. Способ сухой минерализации пены предпочтителен в технологии монолитного пенобетона.

Получение пористых материалов методом аэрирования основано на вовлечении воздуха (газов) непосредственно в поризуемую массу в процессе её приготовления. С этой целью в воду затворения или полимерную композицию вводят воздухововлекающие добавки (ПАВ). Этот способ отличается простотой технологического процесса (одностадийная поризация), так как позволяет с высокой точностью регулировать среднюю плотность получаемого материала в широком интервале значений, а также характеризуется малой дефектностью поровой структуры и отсутствием трещин и «дырок формования» в межпоровых перегородках. Процесс насыщения концентрированных минеральных и полимерных суспензий воздухом непосредственно связан с изменениями, происходящими на границе раздела жидкой и газообразной фаз при введении в систему ПАВ, которые самопроизвольно накапливаются на границе раздела фаз, обеспечивая снижение поверхностного натяжения, т. е. в данном случае проявляется общность закономерностей, присущих процессам образования «чистых» пен и воздухововлечения. Однако, в силу того, что при воздухововлечении поризуемая масса представляет собой более сложную систему, чем при пенообразовании, между этими процессами существуют значительные различия. Так на процесс воздухововлечения оказывает влияние большее количество технологических факторов и этот процесс более чувствителен к режимам перемешивания и температуре системы, а также на него оказывают существенное влияние дисперсность и концентрация твёрдой фазы.

При аэрировании одновременно происходит два процесса: вовлечение воздуха в систему и выход его наружу, который тем больше, чем меньше газоудерживающая способность поризуемой массы. Вовлечение воздуха в смесь из пространства над её поверхностью осуществляется вследствие образования воздушных каверн лопастями смесителя. Вероятность образования каверны и её объём зависят, прежде всего от скорости вхождения лопасти в систему и размера лопасти. В ходе образования «воздушного следа» гидростатическая сила сообщает смеси ускорение, направленное внутрь каверны. Кинетика последующего разобщения каверн на множество мелких пузырьков определяется интенсивностью перемешивания и реологическими характеристиками массы. Поэтому объём воздухововлечения в сильной мере зависит от типа смесителя, режима перемешивания и реологических свойств смеси.

В вязкой жидкости воздушный пузырёк всплывает медленно и в этот период под действием перемешивания воздушные пузырьки перемещаются всё дальше в глубь массы, равномерно насыщая её диспергированным воздухом. Причём, предельное напряжение сдвига массы обеспечивает стабильное удержание воздушных пузырьков при некотором максимальном их диаметре.

Регулирование объёма вовлечённого воздуха и характеристик получаемой пористости может осуществляться за счёт следующих технологических факторов: выбора ПАВ; оптимизации его дозировки; направленной регулировки реологических свойств поризуемой массы; изменение гидродинамических условий перемешивания. При этом, выбирать ПАВ следует с учётом рН массы, её дисперсности, предельных значений поризации, кинетики набора структурной прочности массы. На размер пор при воздухововлечении и общий объём поризации большое влияние оказывают условия перемешивания массы (регулирование скорости вращения смесительного вала, площадь поверхности и форма лопастей, глубины их погружения в массу и другие). Анализ вероятности дробления воздушных пузырьков при различных гидродинамических условиях перемешивания показывает, что увеличение скорости вращения лопастей до определённого предела способствует дроблению пузырьков воздуха, а затем этот эффект исчезает и, наконец, при дальнейшем повышении скорости вращения рабочего органа смесителя в значительной степени возрастает обратный процесс – разрушение пузырьков воздуха и их коалесценция. В качестве воздухововлекающих добавок, дозируемых от 0,05 до 0,15 % от массы сухих компонентов и обеспечивающих воздухововлечение в объёме 70-75 %, используют синтетические ПАВ из группы нефтяных сульфокислот (пенообразователь ПО-1), вещество «Эффект» или комплексные ПАВ (смесь алкилбензосульфокислот, синтетических жирных кислот, эфиров вторичных спиртов), т. е. ПАВ анионоактивного класса.

Возможно сочетание лёгкого бетона с ячеистым [34, 60], когда наряду с песком в качестве заполнителей применяют пемзу и шлаки, которые уменьшают количество пенобетонной массы и повышают прочность пенобетона. На цементах сравнительно низких марок (200-300) с применением крупных заполнителей (пемзы, котельного шлака) можно получать [61] без автоклавной обработки газобетон с объёмным весом 700-1000 кг/м3. У газобетонных масс с крупными пористыми заполнителями газоудерживающая способность меньше, чем у масс без таких заполнителей, поэтому применение в газобетоне крупных заполнителей обуславливает повышенный расход газообразователя. В связи с этим для улучшения свойств лёгких бетонов необходима [62] поризация в них цементного камня, что при уменьшенном расходе цемента обеспечивает слитное строение лёгкого бетона и уменьшает его объёмный вес. Действительными заполнителями в ячеистом бетоне можно считать те, которые вводятся в ячеистую смесь в виде щебня из лёгких шлаков и других лёгких материалов. При этом лёгкий пористый заполнитель вводится в состав ячеистой смеси для того, чтобы избежать появления усадочных трещин в крупных изделиях, сэкономить вяжущее и одновременно улучшить качество изделий [34].