Г Л А В А 2. ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНОВ

2.1. Теоретические основы поризации кремнеземвяжущей массы механическим способом

СибАДИПо теории П.А. Ребиндера и согласно положениям коллоидной химии,

пена представляет собой структурную систему, обладающую определенной жесткостью (упругостью) формы. Ячейки пены не являются строго сферическ ми ли сферо дальными, они более или менее деформированы под действ ем кап ллярных сил и имеют форму многогранников. Пену следует рассматр вать как концентрированную эмульсию независимо от агрегатного состоян я фаз, о разующих дисперсную систему.

Ф з ческая сущность явления пенообразования заключается в

следующем: молекулы ж дкости связаны друг с другом силами взаимного притяжен я. Каждая молекула внутри жидкости находится как бы в состоян равновес я, так как силы притяжения молекул со всех сторон, окружающ х ее, уравновешиваются противоположно направленными силами пр тяжен я данной молекулы. На поверхности жидкости, т.е. на границе раздела фаз жидкости воздуха, это равновесие сил нарушается, так как молекулы тонкого поверхностного слоя не испытывают воздействия сил межмолекулярного притяжения со стороны воздуха. Молекулы поверхностного слоя жидкости под влиянием этих сил, стремясь погрузиться внутрь ее, образуют на поверхности уплотненный слой жидкости, обладающий свободной поверхностной энергией. При добавлении к жидкости пенообразователя поверхностное натяжение ее уменьшается, поэтому при вдувании в жидкость воздуха или при интенсивном перемешивании жидкости на ее поверхности образуется пена, т.е. пузырьки воздуха, заключенные в жидкие оболочки с меньшим, чем у чистой жидкости, поверхностным натяжением. Величина поверхностного натяжения воды равна 73,9·10–3 ж/м2. авление воздуха в пузырьках пены больше давления наружного атмосферного воздуха, поэтому пленки жидкости, образующие оболочки воздушных пузырьков, всегда находятся в растянутом состоянии [44, 45].

Основные недостатки пенобетона: значительная осадка пенобетонной смеси в форме, возможность расслоения пенобетонной смеси при транспортировке. Это связано, прежде всего, с размером образующихся воздушно-пенных пузырьков в пенобетонной смеси. Чем больше размер пузырьков, тем больше их удельная поверхность при равном воздухововлечении, тем большим количеством зерен цемента и мелкого песка армируются пузырьки пены, тем устойчивее пенобетонная смесь.

39

Критический размер пузырька, находящегося в неустойчивом равновесии, находится в пределах 0,6 – 1 мм и зависит от уровня минерализации пены. Еще один фактор устойчивости смеси – величина давления внутри пузырька, но в отличие от газобетона, где избыточное давление газа в порах является причиной их прорыва и дальнейшего трещинообразования в межпоровых перегородках, в пенобетонах этого не происходит,

СибАДИпоскольку появление избыточного давления в пузырьках пены компенсируется увеличением сил поверхностного натяжения жидкости, которое является пр ч ной возникновения этого давления.

В пенных д сперсных системах стабилизирующее межфазовое взаимодейств е проявляется в прослойках жидкости, заполненных твердыми част цами смеси. Водная оболочка вокруг частиц и их электр ческ й заряд препятствуют сближению частиц и объединению их в агрегаты, то есть процессу коагуляции.

Эффект вный путь получения устойчивых минерализованных пен – это создан е услов й для прочного сцепления частиц с пузырьками воздуха. Пены, в которых поверхность пузырьков покрыта частицами минерала, представляют со ой структурированные системы. Силы сцеплен я онов, молекул и коллоидных частиц создают внутри системы пространственную сетку, устойчивость которой определяется применяемыми химическими реагентами и свойствами поверхности частиц. С точки зрения прочности структурных связей в системе наиболее перспективным является способ создания минерализованной пены с применением двух видов П В: пенообразователей и собирателей – химических реагентов, гидрофобизирующих поверхность минеральных частиц.

Гидрофобизация поверхности минерала происходит в результате физико-химических процессов образования пленки гидрофобных соединений на частицах. Для кварца и других минералов кислотного характера гидрофобизаторами, играющими в пенных системах роль собирателей частиц, являются катионоактивные химические реагенты. Наиболее распространенными ПАВ этого вида являются соли алифатических аминов (первичных – RNH2H+Cl-, вторичных – RR1HH+Cl- и третичных – RR1R2NH+Cl-), четвертичные аммониевые основания типа RR1R2R3NH+Cl- другие сложные органические соединения, содержащие азот или фосфор. Здесь R – углеводородный радикал, содержащий в молекулах 12 – 18 атомов углерода. При диссоциации в водных растворах аминов образуется катион, содержащий углеводородные радикалы [RNH3]+. Аммонийная положительно заряженная группа представляет активную полярную часть сложного иона, а полярная часть молекулы – углеводородный радикал, обуславливает гидрофобные свойства молекулы собирателя.

40

В водных суспензиях, содержащих амины, адсорбция катионов гидрофильной поверхностью минерала сопровождается образованием насыщенного, плотно упакованного слоя, в котором активная атомная группа обращена к частице, а углеводородная цепь входит в дисперсионную среду. В результате создается вокруг частицы слой, аналогичный поверхности углеводородов. Для того чтобы молекула собирателя могла присоединиться к дегидратированным кислородным участкам минерала, ей необходимо пройти адсорбционный слой противо онов, то есть проникнуть во внутреннюю часть двойного

СибАДИТ – температура.

электр ческого слоя. Способствовать процессу адсорбции может введение в суспенз ю регуляторов-электролитов, корректирующих рН среды. Закреплен е молекул на границе минерал–вода обеспечивает гидрофоб зующ й эффект. Степень гидрофобизации растет с длиной углеводородной цепи, но пределом в выборе соединения является его раствор мость в воде, которая уменьшается с увеличением длины цепи.

Получен е устойч вых высокодисперсных и многократных пен возможно в водных растворах поверхностно-активных веществ – пенообразователей (ПО). Из ыток свободной поверхностной энергии

делает пены термод намически неустойчивыми образованиями. Неустойчивость пен проявляется в самопроизвольном их разрушении (отток жидкости из пленок, утоньшение пленок и слияние пузырьков).

Способность водных растворов ПО образовывать пену основана на резком снижении свободного поверхностного натяжения жидкости, вызванного ориентационной адсорбцией молекул П В. Величина снижения энергии в результате адсорбции определяется по уравнению Гиббса:

Пенообразователи – это в основном органические соединения с дифильным строением молекул, содержащие гидрофильные или полярные группы углеводородные радикалы. В структурах молекул эффективных ПО обеспечивается олеогидрофильный баланс, то есть равное соотношение гидрофильных и гидрофобных свойств. Сильные адсорбционные свойства проявляют ПО с полярными сульфогруппами –

SO2OH и O-SO2OH.

Носителем поверхностной активности является ион, содержащий углеводородный радикал с числом углеводородных атомов от 12 до 18. При адсорбции на межфазовой поверхности гидрофильная часть молекул ПО, обращенная в раствор, гидратируется поляризованными молекулами воды, а гидрофобная часть (углеводородный радикал) вытесняется из раствора когезионными силами молекул воды. В результате структурной

41