Необходимые свойства пенообразователей для производства пенобетона

 

Большаков В.И., Мартыненко В.А. // Вопросы химии и химической технологии. — 2001. —

В настоящее время значительно расширяется объем производства и использования ячеистого бетона неавтоклавного твердения и в том числе пенобетона [1-3]. Это связано не только с энергосбережением в строительстве, но и с технологическими возможностями этого материала, простой и доступной технологией изготовления изделий конструктивного и теплоизоляционного назначения. При организации производства пенобетона важным технологическим и экономическим решением является выбор качественного пенообразователя (ПО), который должен по свойствам соответствовать выбранному способу поризации бетона. При традиционном, раздельном способе приготовления пенобетонной смеси необходимо также учитывать влияние на свойства технических пен устройства для их приготовления.

В лаборатории поризованных бетонов ПГАСА, на протяжении ряда лет, проводятся исследования пенообразователей и технических пен [4]. Целью этих работ является: исследование существующей номенклатуры и разработка новых составов ПО, а также исследование новых технологических приемов производства пенобетона. Опыт исследовательской работы с ПО позволил сформулировать основные требования к пенообразователям и технической пене, используемой для изготовления пенобетона или поризованных легких бетонов. Эти требования необходимо рассматривать во взаимосвязи структурообразования и технологических приемов производства пенобетона. Основными критериями, определяющими необходимые свойства пенообразователей и технических пен, являются следующие (схема 1):

А. Технико-экономические;

Б. Санитарно-гигиенические и экологические;

В. Производственные;

Г. Технологические.

ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ
И ТЕХНИЧЕСКИХ ПЕН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОБЕТОНА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема 1. Зависимость физико-механических свойств пенобетонной смеси и пенобетона от основных свойств пенообразователей и технических пен

А. Технико-экономические

  1. Стоимость ПО, с учетом удельного расхода на 1 м³, не должна быть более 10-20% удельной стоимости сырьевых материалов пенобетона. Дальнейшее увеличение стоимости ПО в себестоимости пенобетона должно быть экономически обосновано и целесообразно при значительном улучшении физико-механических свойств пенобетона. Так, стоимость зарубежных ПО (табл. 1) находится на уровне от 5-9 $/кг, что в наших условиях составляет примерно 50% стоимости материалов на 1 м³. Для зарубежных производителей такая цена ПО может быть и приемлема, так как рыночная стоимость ячеистого бетона находится на уровне 50-80 $/м³.
  2. Поставка ПО в жидком виде, в недорогой и в среднеобъемной таре. Такой вид поставки ПО более эффективен и подтвержден многолетней работой зарубежных фирм в области производства пенобетона. Так, опыт поставки Переченским лесохимическим комбинатом смолы древесной омыленной (СДО) в металлических бочках и в пастообразном виде создавало определенные трудности по его выгрузке и растворению. Стоимость такой тары повышала общую стоимость пенообразователей, приготовленных на основе СДО.
  3. Постоянство свойств товарного ПО предусматривает стабильность характеристик, получаемой технической пены (кратность и стойкость пены и т.п.) и независимость их от внешних факторов.

Таблица 1

Стоимость пенообразователей и средний расход на 1 м³ пенобетона

Наименование пенообразователей Расход, кг/м³ Стоимость 1-го кг Источники
СДО, Украина 2-4 0,8-1 грн. Завод потребитель
Пеностром, Россия 1-1,5 5-6 грн. Информационный лист
«NEOPOR» Германия 1-1,5 27 грн. По интернету
«УНИПОР» Казахстан 1-1,5 $6 Информационный лист
«LITEBUILT» Австралия 0,5-0,8 $6-9 По интернету
  1. Гарантийный срок хранения ПО должен быть не менее 6 месяцев. Например, ограниченные сроки хранения и сложность приготовления пенообразователей клееканифольного и из гидролизованной крови не позволили широко использовать их в производстве пенобетона.

Б. Производственные

  1. Удельный расход ПО на 1 м³ пенобетона не должен быть более 1,5-2 кг. Это связано не только с экономическими требованиями, количеством вводимого ПО в бетонную смесь, но с ограниченным объемом емкостей для рабочих растворов ПО в технологии пенобетона.
  2. Однокомпонентность и простота приготовления раствора ПО. Используемый раствор ПО для приготовления пены не должен быть многокомпонентным. Увеличение количества составляющих усложняет процесс приготовления рабочего раствора ПО и снижает точность дозирования составляющих. Однокомпонентные ПО имеют преимущества, особенно при использовании в строительных условиях. А во избежание засорения трубопроводов и накопления осадка в рабочих емкостях, необходимо, чтобы пенообразователь был хорошо растворим в воде.
  3. ПО и пеногенератор должны обеспечивать получение технической пены требуемого качества при необходимой производительности. Так, минутная производительность пеногенератора, которая зависит и от вида ПО, должна составлять 100-400 л, а удельные энергозатраты минимальны. Сравнительный анализ энергозатрат в приготовлении пены показал, что механические пеногенераторы более энергоемки (в 2-4 раза), чем аэродинамические. Однако некоторые вязкие пены, малой плотности не представляется возможным приготовить на аэродинамическом пеногенераторе [5].
  4. Кратность и стойкость пены — это основные физические свойства технической пены, которые характеризуют ее качество [6]. Они зависят от вида ПО, устройства приготовления пены, которые в значительной мере влияют на физико-механические свойства поризованного бетона. Так, кратность пены (Кп), определяемая по формуле (1), должна быть не менее 6-10 для легких поризованных бетонов, теплоизоляционно-конструкционных 8-20 и теплоизоляционных пенобетонов: 15-40. Это необходимо для уменьшения отрицательного действия пенообразователей на гидратацию вяжущего.

(1)

где Vп; Vпо; ρпо; ρп — объем, плотность пены и пенообразователя.

В технологии поризованного бетона для оценки качества технической пены используют коэффициенты стойкости пены по синерезису пс) и по объему пv), которые характеризуют устойчивость пены до использования в поризованном бетоне. Необходимая продолжительность стойкости пены должна быть не менее 15 минут, но с учетом возможного технологического сбоя — до 30 минут. Так, коэффициенты стойкости пены по синерезису (2) и по объему (3), характеризующие свойства ее во времени, должны равняться единице.

где Мс — масса синерезиса 1 л пены, г; ρп — плотность пены, г/л; Vτ — изменяемый объем пены во времени, л; Vн — начальный объем пены, л.

Определение этих коэффициентов производится при испытании технических пен в литровом сосуде с донными отверстиями [7] или в специальном приборе ЦНИПС-1 [8].

В. Санитарно-гигиенические и экологические

  1. ПО должны быть нетоксичны, невзрывоопасны и согласно классификации по ГОСТ 12.1.007-76 относятся к 3, 4-ому классу малоопасных веществ и отвечать санитарно- и радиационно-гигиеническим требованиям РСН Украины 356-91, НРБ-76/87, ОСП-72/80 [9].
  2. Биоразлагаемость разрабатываемых ПО должна удовлетворять требованиям предъявляемых при использовании ПАВ в производстве строительных материалов.

Г. Технологические

  1. Стойкость пены в поризуемом растворе — это один из важнейших показателей качества технической пены. Этот технологический параметр характеризуется коэффициентом стойкости пены в цементном тесте (Спцт) при лабораторных исследованиях, а в производственных условиях коэффициентом использования пены (?). Значение этих коэффициентов отображает не только совместимость технической пены со средой твердеющего раствора, но и показывает объемную долю использования пены в приготовлении поризованного раствора. В лабораторных исследованиях определение коэффициента стойкости пены производится вручную при смешивании в течение 1 минуты в равных объемах (1 л) цементного теста (В/Ц=0,4) и пены, с последующим измерением полученного объема поризованного теста. Коэффициент стойкости пены в цементном тесте (Спцт) рассчитывают по формуле (4) как результат среднего арифметического трех замеров.

Получаемую техническую пену можно считать удовлетворительной, если значение Спцт=0,8-0,85, а качественной: Спцт=0,95. Например, на основе СДО можно приготовить пену с Спцт=0,98. Этот показатель стойкости пены связан с плотностью и прочностью получаемого пенобетона. Чем выше коэффициент стойкости пены, тем меньший объем пены необходим для получения пенобетона требуемой плотности и, соответственно, необходим меньший расход пенообразователя. ПО, как и любая добавка, в запредельном количестве на начальной стадии замедляет и может совсем приостановить твердение вяжущего [10]. Количество ПО, перешедшего в жидкую систему твердеющего вяжущего, зависит от Спцт. Количество ПО в жидкой фазе вяжущего можно определить через Спцт. Поэтому необходимо использовать пены более высокой кратности, уменьшая объем ПО, вводимого в бетонную смесь, но сохраняя высокое значение Спцт. Эти технологические параметры пены находятся во взаимосвязи и в противоречии. Поэтому, для каждого состава ПО и технической пены необходимо определять приоритетное их влияние на технологические и физико-механические свойства пенобетона.

  1. Кратность пены. На прочность пенобетона оказывает влияние количество вводимой в поризуемую смесь воды с пеной, которая приводит к дополнительному образованию капиллярных пор. Уменьшение В/Т в поризуемом растворе изменяет значение Спцт, что приводит к увеличению плотности получаемого пенобетона. Поэтому в технологии пенобетона некоторые производственники используют относительно высокое значение В/Т. За счет такого технологического приема, увеличивая значение Спцт, представляется возможным получить пенобетон меньшей плотности, уменьшая отрицательное воздействие ПО на гидратацию вяжущего. Использование пен высокой кратности (так называемых условно «сухих пен») приводит к перераспределению воды из твердеющего раствора в межпленочные слои пузырьков пены. Такой эффект наблюдается при использовании определенных видов ПО и пен повышенной вязкости [5].
  2. Влияние ПО на гидратацию вяжущего связано с избирательной адсорбцией и хемосорбцией ПАВ на вяжущем, кремнеземистом компоненте и продуктах гидратации вяжущего, что приводит к снижению скорости набора структурной прочности пенобетонной смесью. Для каждого вида пенообразователя и его составляющих (ПАВ, стабилизаторов) существует значение критической концентрации ПО в жидкой фазе твердеющего вяжущего (Ккрпов). Количество ПО, перешедшего в жидкую фазу твердеющего вяжущего, связано с коэффициентом стойкости пены (Спцт). Определить эту концентрацию можно экспериментально и для каждого вида ПО она будет различна. По значению Спцт можно рассчитать концентрацию ПО в жидкой фазе вяжущего (Кпов), которая должна быть меньше значения критической концентрации (Ккрпов).
  3. Стойкость поризованной смеси во времени характеризуется осадкой пенобетонной смеси и это связано с процессами коалесценции и синерезиса. Можно предположить, что влияние на процесс синерезиса оказывает изменение рН среды твердеющего бетона и перераспределение ПАВ в дисперсной системе. При недостаточной структурной прочности межпоровых перегородок (результат действия ПАВ) происходит их прорыв и слияние, т.е. коалесценция поризованной смеси. Такие изменения поризованной смеси во времени измеряют высотой осадки поризованной смеси к начальной ее высоте. Чем меньше осадка пенобетонной смеси, тем качественней ПО и приготовленная техническая пена.

Основные критерии оценки свойств пенообразователей: класс ПАВ; концентрация ПО при приготовлении стойкой пены; кратность пены и коэффициент стойкости пены в вяжущем растворе. Эти показатели необходимо использовать для первоначальной оценки качества ПО.

При некотором упрощении вопроса теории пен, их термодинамической устойчивости в технологии пенобетона, мы хотим обозначить критерии оценки качества ПО, технических пен и взаимосвязь их в технологии изготовления пенобетона. Такой технологический подход к свойствам ПО, техническим пенам необходим исследователям ПАВ и специалистам, работающим в производстве поризованных бетонов. Необходима и единая методика в оценке качества ПО для их сравнения. Так, выступление с одноименным докладом на Х конференции «ПАВ и препараты на их основе» (г. Шебекино Белгородской области НПО АО «Синтез ПАВ»), обсуждение показали, что многие специалисты по разработке новых ПАВ, их производству не знакомы с нашими технологическими требованиями к пенообразователям и техническим пенам, используемым в производстве пенобетона. В Украине нет качественных пенообразователей, какими располагают ряд зарубежных стран для производства пенобетона. Поэтому приглашаем к сотрудничеству специалистов УГХТУ по разработке и производству новых и качественных пенообразователей для пенобетонов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Программа и тезисы докладов научно-практической конференции «Пенобетон 3-го тысячелетия». — Санкт-Петербург: ПГУПС, 1999. — 32 с.
  2. 3авойський А.К., Полонська О.О. Концепцiя будiвельних систем зведення зовнiшнiх стiн житлово-цивiльних будинкiв з використанням неавтоклавних пiнобетонiв // Буд_вництво Укра?ни. — 1997.- ©1.- c. 33-35.
  3. Куличенко И.И., Мартыненко В.А., Вербицкий Ю.С., Большаков В.И. Научно-практические вопросы повышения теплозащитных свойств ограждающих стен жилых и общественных зданий // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. науч. трудов. Вып. 10. — Днепропетровск: GAUDEAMUS, 2000. — c. 312-316.
  4. Мартыненко В.А. Возрождение технологии пенобетона // Вiсник академi?: Науковий та iнформ. бюл. ПДАБА. — Днiпропетровськ.: ПДАБтаА, 1999.- ©6. — c. 13-17.
  5. Рекомендации по изготовлению изделий из керамзитобетона, поризованного вязкой пеной. — М.: НИИЖБ Госстроя СССР, ДИСИ, 1984. — 36 с.
  6. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. — М.: Химия, 1983. — 264 с.
  7. Рекомендации по изготовлению изделий из жаростойкого ячеистого бетона. — М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1984. — 26 с.
  8. Кривицкий М.Я., Волосов Н.С. Заводское изготовление изделий из пенобетона и пеносиликата. — М.: Стройиздат, 1958. — 160 с.
  9. ДБН В.2.7-64-97. Правила применения химических добавок в бетонах и строительных растворах. — К.: Госстрой Украины, 1999. — 61 с.
  10. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. -2-е изд. перераб. и доп. -М.: Батраков. — 1998. — 768 с.