Значительный резерв улучшения качества ячеистых минеральных материалов связан с решением рецептурно-технологической задачи по снижению усадки изделий на этапах гидратационного твердения и обжига. Один из возможных вариантов решения поставленной задачи заключается в применении добавок пластифицирующего действия с целью уменьшения водо-твёрдого отношения ячеистой смеси.
В настоящее время модифицирование составов пенобетона путём использования различных пластификаторов получило широкое распространение [7]. В этой связи можно отметить положительный опыт применения ВНВ для производства пенобетона, получаемого путём совместного помола (механохимической активации) клинкера портландцемента, суперпластификатора С-3 с возможным добавлением от 50 до 70% активной минеральной добавки [5].
Особенность химического строения пластифицирующих веществ способствует их высокой активности на поверхности раздела фаз «поверхность твёрдой фазы – раствор», тогда как пенообразующие ПАВ в основном концентрируются на поверхности раствора, соприкасающейся с воздухом. В технологическом аспекте эти особенности процесса адсорбции, при условии правильного выбора вида и количества добавки пластификатора, можно использовать для увеличения устойчивости пенобетонной смеси и формирования более качественной пористой структуры. Позитивный эффект от использования пластифицирующей добавки заключается в снижении адсорбции пенообразователя на поверхности частиц твёрдой фазы и повышении за счёт этого концентрации пенообразователя в растворе, что даёт возможность снизить его расход, а значит улучшить прочностные свойства материала на этапе гидравлического твердения (до обжига). На наличие однозначной зависимости между падением прочности цементного камня и расходом пенообразователя указывалось в работах, посвящённых исследованию свойств ячеистых материалов на основе портландцемента [9], ГЦПВ [6] и алюминатных цементов [2; 10].
Для экспериментального обоснования предлагаемого способа модификации составов и улучшения свойств ПКБ нами были проведены исследования, направленные на установление основных закономерностей изменения свойств пены в зависимости от вида и количества вводимого пластификатора. Предполагалось, что анализ полученных экспериментальных данных позволит провести дополнительную оптимизацию составов порообразующих добавок, предназначенных для получения ПКБ. В качестве пластифицирующих добавок в данной работе опробовались С-3, ЩСПК и ЛСТ. Результаты исследований приведены на рис. 1, 2 и в табл. 1.
Рис. 1. Влияние вида и количества пластифицирующей добавки на кратность пены (0,5% раствор ПБ-2000): 1 – ЩСПК; 2 – С-3; 3 – ЛСТ.
Анализ зависимостей, представленных на рис. 1, 2 и табл. 1, показал, что все использованные добавки пластифицирующего действия несколько улучшают характеристики пены по показателям кратности и устойчивости. Зависимость кратности пены от количества введённой добавки пластификатора линейно увеличивается до концентрации 0,8%. Водоотделение пены снижается при повышении концентрации пластификаторов до 0,5%, но дальнейшее повышение концентрации пластификаторов мало изменяет величину этого показателя.
Анализ экспериментальных зависимостей, представленных на рис. 2, показывает, что по степени влияния на устойчивость пены пластифицирующие добавки можно расположить в ряд (в порядке снижения устойчивости пены): С-3; ЛСТ и ЩСПК. Таким образом, наибольший эффект достигается при использовании добавки суперпластификатора С-3.
Таблица 1
Влияние вида и количества пластификаторов на водоотделение пены
|
Наименование пластификатора |
Концентрация, % |
Водоотделение из пены (1% раствор ПБ-2000), %, через |
||||
|
2 мин |
4 мин |
6 мин |
8 мин |
10 мин |
||
|
Без добавки |
– |
4,9 |
10,1 |
15,1 |
20,7 |
26,5 |
|
С-3 |
0,5 |
2,9 |
7,0 |
11,0 |
15,7 |
20,3 |
|
1,0 |
2,4 |
5,7 |
9,0 |
12,5 |
16,5 |
|
|
ЩСПК |
0,5 |
4,0 |
8,8 |
13,5 |
18,1 |
24,1 |
|
1,0 |
3,5 |
7,9 |
11,9 |
16,7 |
21,0 |
|
|
ЛСТ |
0,2 |
4,9 |
9,8 |
13,7 |
19,6 |
25,5 |
|
0,4 |
3,8 |
8,2 |
12,3 |
17,5 |
24,5 |
|
|
0,5 |
3,5 |
7,9 |
12,0 |
16,9 |
22,0 |
|
|
0,8 |
2,9 |
7,1 |
11,8 |
15,7 |
21,6 |
|
|
1,0 |
2,9 |
6,9 |
10,8 |
15,3 |
19,5 |
|
По нашему мнению, два основных фактора могут способствовать повышению стабильности пен при использовании пластификаторов.
Первый фактор связан с увеличением общего содержания ПАВ в растворе вследствие преимущественной адсорбции пластификатора на поверхности твёрдых частиц и наличием некоторого количества «свободных» молекул ПАВ, которые способны изменять величину поверхностного натяжения межпоровой жидкости в процессе деформации структуры пеноматериала.
В основе второго стабилизирующего фактора лежит гипотеза Плато, согласно которой более устойчивой является более вязкая пена [4; 8].
Рис. 2. Влияние пластификаторов на устойчивость пены (1% раствор ПБ-2000): 1 – без добавок; 2 – 1% ЩСПК; 3 – 1% ЛСТ; 4 – 1% С-3.
Количественно оценить зависимость скорости всплытия газообразных пузырьков 
от вязкости раствора можно с помощью уравнения [3]:
, (1)
где 
, 
– плотность дисперсионной среды и воздушных включений;
– радиус воздушных включений;
=24/
;
– число Рейнольдса;
η – динамическая вязкость дисперсионной среды.
При движении сферической частицы в вязкой среде число Рейнольдса может быть определено по формуле:
, (2)
где 
– диаметр частицы.
Наличие пространственных структур в пеномассе, содержащей добавку С-3, подтверждается проведёнными нами экспериментами по определению условной вязкости пены (рис. 3). Условную вязкость характеризовали временем, за которое шарик определённой массы и определённого диаметра проходит между двумя метками вертикально установленной трубки, заполненной исследуемой пеной.
Данные рис. 3 свидетельствуют о повышении вязкости пены при добавлении пластификатора С-3. Аналогичное воздействие на пену оказывает добавка стабилизатора полиакриламида (ПАА) при той же концентрации. При совместном введении С-3 и ПАА их влияние на повышение вязкости пены усиливается.
Таким образом, согласно экспериментальным данным, введение добавок пластификатора и стабилизатора повышает вязкость пены (на 45-55%), что снижает скорость процессов вытекания жидкости из межпоровых перегородок, коалесценции и всплытия газообразных пузырьков.
Рис. 3. Влияние добавок С-3 и полиакриламида на условную вязкость пены (1%-ный раствор ПБ-2000): 1– без добавок; 2 – С-3 (0,5%); 3 – ПАА (0,5%); 4 – С-3 (0,5%)+ПАА (0,5%).
Кроме того, было высказано предположение о том, что электролиты, входящие в состав С-3, оказывают определённое влияние на свойства получаемой пены. Известно, что С-3 содержит до 8% сульфата натрия [1]. Методами качественного и количественного химических анализов нами было подтверждено присутствие Na2SO4 в использованном суперпластификаторе С-3. Затем было изучено влияние данного электролита на устойчивость пены, полученной из раствора ПБ-2000. Как показали результаты экспериментальных исследований, введение сульфата натрия в количестве, соответствующем содержанию его в С-3, заметно (на 20-22%) снижает водоотделение пены, что свидетельствует о повышении её устойчивости.
Рецензенты:
Логанина В.И., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Управление качеством и технологии строительного производства» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза;
Калашников В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.