Некоторые аспекты исследований структурообразования ячеистых бетонов неавтоклавного твердения

Шахова Л. Некоторые аспекты исследований структурообразования ячеистых бетонов неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2003 . №2 [приложение]. C. 4-7

Появление пенобетонов связано с развитием органической химии. Принцип их получения основан на введении в цементное тесто пенообразователей, являющихся в основном продуктами органического происхождения. Первый патент на получение пенобетона относится к 1925 г. и принадлежит Байеру [1]. В настоящее время пенобетоны переживают третье возрождение. Новое поколение исследований по пенобетону принадлежит школам под руководством профессоров Г.П. Сахарова (Москва), У.М. Махамбетовой (Казахстан), Л.Б. Сватовской (Санкт-Петербург), М.С. Гаркави (Магнитогорск), А.С. Коломацкого (Белгород) и др. Неавтоклавный бетон активно внедряется как кон-струкционно-теплоизоляционный и теплоизоляционный материал, имеющий ряд достоинств. За счет простой технологии его производство осуществляется как в стационарных условиях, так и на мобильных мини-заводах. Но при видимой простоте технологии процесс формирования макроструктуры ячеистого бетона трудно поддается управлению и регулированию. Это связано с необходимостью контролирования большого числа технологических параметров: качества и количества сырьевых компонентов, водотвердого отношения, температуры и рН среды, изменяющихся в процессе изготовления и твердения изделий. Поэтому реальные условия структурообразования пенобетонов часто отклоняются от оптимальных, что приводит к возникновению дефектов в структуре.

Главный недостаток публикаций, посвященных изучению свойств пенобетонов, а также описанию разработанных технологий, состоит, по нашему мнению, в том, что они базируются на представлении о ячеистой структуре пеномассы как механической смеси пены со строительным раствором без учета минералогического и вещественного состава цемента, взаимодействия компонентов раствора с пузырьками воздуха и молекулами пенообразователя.

Считается, что пена должна выполнять роль несущего каркаса, в котором твердые частицы раствора удерживаются во взвешенном со-стоянии силами вязкого трения. По нашим наблюдениям при неправильном выборе пенообразователя и типа вяжущего, а также способов получения пены и ее смешивания с твердыми компонентами пена часто разрушается до момента схватывания вяжущего, пеноцементная масса дает усадку, по высоте свеже-уложенного массива образуются сплошные каналы слияния пузырьков. В результате нарушается структура пенобетона, возрастает плотность и неравномерность теплофизических свойств по высоте изделия. Таким образом, технологию изготовления пенобетона можно отнести к тонким критическим технологиям, закономерности которых резко отличаются от закономерностей технологии тяжелых бетонов.

Усовершенствование технологии пенобетона и оптимизация его строительно-технических свойств возможны только при глубоком понимании физико-химических процессов, протекающих в объеме пеноцементной системы на границах раздела фаз как на макро- так и на микроуровне, с первых минут ее получения. Поэтому вначале необходимо правильно идентифицировать пеноцементную массу и пенобетон как объект для исследований. В данной статье приводится попытка изложения теоретических представлений о природе, закономерностях и механизме основных процессов, происходящих в трехфазной полиминеральной полидисперсной пеноцементной системе, и общих факторах, определяющих скорость этих процессов, а следовательно устойчивость системы.

Пеноцементную массу в первом приближении можно отнести к лиофобным грубодисперсным высоко-концентрированным системам, по-этому процессы, протекающие в ней, описываются законами коллоидной химии [2]. Центральной проблемой таких систем является агрегативно неустойчивость. Коллоидная химия объясняет агрегативную неустойчивость дисперсных систем достаточно большой и всегда положительной свободной поверхностной энергией, сосредоточенной на межфазных поверхностях системы. Этот избыток поверхностной энергии обусловливает протекание в системе различных процессов, ведущих к уменьшению дисперсности и в конечном итоге к разрушению дисперсной системы. Скорость протекания этих процессов и устойчивость определяются природой, фазовым состоянием и составом дисперсионной среды, а также дисперсностью и концентрацией дисперсной фазы. Устойчивость лиофобных дисперсных систем может меняться в широких пределах от практически полной неустойчивости до практически полной устойчивости.

До момента затвердевания пеноцементная смесь является гетерогенной свободнодисперсной системой, включающей твердую, жидкую и газообразную фазы, в которых дисперсная фаза подвижна. Причем можно выделить две дисперсные подвижные фазы: дисперсную газовую фазу в дисперсионной среде в виде высококонцентрированного минерального раствора и дисперсную твердую фазу в водном растворе в виде дисперсионной среды. Частицы в данной системе сближены принудительно, поэтому данную систему можно условно отнести к свободнодисперсной концентрированной системе. Со временем она переходит в связнодисперсную систему с твердой дисперсной средой ? цементным камнем.

Управление агрегативной устойчивостью пеноцементных систем необходимо для оптимизации строительно-технических свойств пенобетонов. Эффективность технологических процессов получения, переработки и применения любых дисперсных систем в значительной степени определяется поверхностными явлениями. В связи с бурным развитием производства ячеистых бетонов неавтоклавного твердения все более важное и самостоятельное значение, как в научном, так и в прикладном отношении приобретают трехфазные высоконцентрированные пеноцементные системы, которые имеют свои особенности.

Рассмотрим подробнее пеноцементную систему до затвердевания. Три основные фазы пеноцементной смеси образуют поверхности раздела: жидкость ? газ, жидкость ? твердое и твердое ? газ. Каждая из поверхностей раздела характеризуется своим значением свободной поверхностной энергии, появление которой обусловлено неодинаковым притяжением молекул поверхностного слоя со стороны соприкасающихся фаз, при этом поверхностная энергия локализована в тонком поверхностном слое, толщина которого не-намного превышает размеры двух-трех молекул. Частицы фаз разделены тонкими прослойками дисперсионной среды. Как все неравновесные системы, такая система будет стремиться к равновесному состоянию с минимальной межфазной поверхностью. Для стабилизации дисперсных трехфазных систем необходимо обязательное применение поверхностно-активных веществ, которые ад-сорбируются на поверхности воздух ? вода, изменяют поверхностную энергию и стабилизируют воздушную дисперсию (пену).

Коллоидная химия выделяет три процесса разрушения дисперсных систем, сопровождающиеся уменьшением свободной поверхностной энергии межфазных границ: изотермический перегон вещества от малых частиц к более крупным, коалесценция (слияние частиц) и коагуляция (агрегирование частиц при их слипании) [2].

Трудность определения причин неравновесного состояния пеноцементной системы состоит в том, что необходимо рассматривать процессы, одновременно протекающие на границах раздела трех фаз. Кроме того, на физические процессы между частицами накладываются процессы химического взаимодействия между водой и клинкерными мине-ралами цемента, хемосорбционные процессы взаимодействия между молекулами ПАВ и продуктами гидратации. Объяснение агрегативной устойчивости или неустойчивости можно дополнить с позиций химической кинетики, которая рассматривает взаимодействие сил отталкивания и притяжения между частицами, а также химические реакции, которые могут протекать на границе фаз. Необходимо учитывать, что получение пеноцементной массы идет в динамических условиях, т. е. необходимо достичь основной и непосредственной цели смешивания и структурообразования системы ? однородности распределения фаз и устойчивости во времени.

Для понимания сущности протекания многофакторных процессов в сложных пенных и пеноминеральных системах нами предлагается разложить функциональные зависимости на отдельные составляющие (элементарные акты). Кроме того, для разработки закономерностей управления процессами структурообразования пеноцементной системы необходимо провести анализ аналогий и различий разбавленных коллоидов и свойств высококонцентрированных трехфазных систем.

Из многих факторов, влияющих на свойства пенобетонов, особую роль играет природа вводимых пен. При производстве пенобетонных изделий производители сталкиваются с проблемой правильного выбора вида пенообразователя. Существует огромное разнообразие пенообразователей, предлагаемых для различных отраслей промышленности, но до настоящего времени остается проблема создания дешевого синтетического пенообразователя для получения пенобетонов со стабильными свойствами [3]. При этом подбираемые ПАВ в составе пенообразователей для пенобетонов должны обеспечивать оптимальные технологические параметры и строительно-технические свойства поризованных изделий. Свойства пенообразователей должны определяться, исходя из логических соображений: при минимальном расходе пенообразователи должны стабилизировать нужное количество воздушной дисперсной однородной мелкоячеистой фазы и устойчивость пены в течение длительного времени в высокоминерализованной растворной смеси, изменяющей свои физико-механические параметры в процессе приготовления, схватывания и твердения цементного раствора.

В вопросе о механизме стабилизирующего действия ПАВ на пеноцементную систему до настоящего времени нет единой точки зрения, также нет методик оценки пенообразующей способности ПАВ в пеноцементных системах, что затрудняет исследования.

Все ПАВ по характеру адсорбции на границе и механизму стабилизации дисперсных систем делятся на низко-молекулярные и высокомолекулярные, а по природе происхождения на синтетические и природные, отличи-тельные свойства этих ПАВ приведены в работе [4].

Значение поверхностного натяжения для разных пенообразователей, применяемых в технологии пенобетона, различно. Синтетические пенообразователи снижают значение поверхностного натяжения воды в два раза, тогда как пенообразователи Неопор и Унипор на основе пептизированных белков всего на 10?15%. Но при высокой пенообразующей способности синтетические пенообразователи не могут давать пены с высокой устойчивостью. Неравновесность адсорбционных слоев ПАВ на поверхности пузырька воздуха оказывает значительное влияние на процесс формирования ячеистой структуры. Поэтому в технологиях, основанных на применении синтетических пенообразователей, особое значение имеет устойчивость как пенной, так и пеноцементной массы.

Различают несколько факторов устойчивости (стабилизации) дисперсных систем [2]. Первый фактор стабилизации носит название ?эффект Марангони - Гиббса? и связан он с эффективной упругостью пленок с адсорбционными слоями ПАВ. При быстром и особенно локальном деформировании пленки нарушается и равновесное распределение вещества по поверхности пленки, что при-водит к повышению модуля эффективной упругости. В этом случае существенная роль принадлежит поверхностной миграции молекул ПАВ из области с высокой адсорбцией (не-деформированная часть пленки) в область с пониженным значением ад-сорбции (деформированная часть) или же из объемной части пленки.

Этот фактор играет большую роль в повышении устойчивости системы с низкомолекулярными ПАВ, скорость адсорбции молекул которых из внутренней (объемной) части пленки высокая за счет малого размера молекул и отсутствия в адсорбированном слое ассоциативных групп, препятствующих диффузии. В практических условиях, чтобы повысить устойчивость такой системы необходимо применить длительные динамические воздействия, при этом увеличивается однородность смеси за счет равномерного распределения молекул ПАВ как на границе раздела фаз, так и в объеме толстых пленок.

Второй фактор устойчивости систем описывается теорией ДЛФО (Б.В. Дерягана, Л.Д. Ландау, Е. Фервея и Дж. Обербека). Основная идея теории ДЛФО состоит в учете двух противоборствующих сил: электро-статического отталкивания и молекулярного притяжения. Эти силы характеризуют расклинивающее давление тонких плоских пленок. Давление определяется как разность между давлением во внешней среде и давлением, ограничивающим тонкий слой поверхност