Классификация и основы технологии ячеистых бетонов

Отличительным свойством ТИ материалов и изделий является высокая пористость, существенно снижающая их теплопроводность, на которую оказывает влияние вид пористой структуры, размер и форма пор. Известно [32], что лучшую теплоизоляционную способность имеют материалы с замкнутыми порами. Для получения ТИ материалов используют способы пено- и газообразования, а также способ выгорающих добавок [33].

В зависимости от соотношения составляющих компонентов, ячеистые и, в том числе, пенобетоны могут быть теплоизоляционными (плотность r = 200-600 кг/м³, прочность s = 0,5-2,0 МПа) и конструкционными (r = 800-1300 кг/м³, s = 3,0-15 МПа). В данном разделе книги рассматриваются, в основном неавтоклавные пенобетоны.

Существует несколько направлений классификации ячеистых бетонов [34-55]:

а) по способу ячейкообразования (газобетоны – при использовании газообразующих веществ, например алюминиевого порошка; пенобетоны – при использовании воздухововлекающих добавок и пенообразователей);

б) по виду применяемого вяжущего вещества (пенобетон – на цементах; пеносиликат – на воздушной извести; пеношлак, пеногипс, пенополимербетон и другие);

в) по виду применяемого режима твердения (автоклавные, пропаренные, естественного твердения);

г) по назначению (конструктивные, теплоизоляционные).

По современным представлениям [56] ячеистые бетоны делят на два класса: воздушного и автоклавного твердения, с включением пенобетонов и газобетонов; а также на три группы: пенобетоны, газобетоны и легкие известковые. Можно делить ячеистые бетоны на конструкционные и теплоизоляционные по их объёмной массе, по способам твердения и образования пористой структуры, по виду применяемых вяжущих и заполнителей. По способу твердения различают естественное (пропаривание без давления) и запаривание (обработка при повышенном давлении), а кроме разделения на пено- и газобетон, вводят ещё группу ячеистых бетонов, пористость которых образуется при испарении специально вводимой избыточной воды затворения. Ячеистые бетоны можно изготавливать при вибрировании в процессе вспучивания, на активизированных вяжущих, при порообразовании вследствии введения сильнообводненных гелеобразных продуктов или при закипании перегретой воды в порах свежеизготовленного материала.

По способу порообразования ячеистые бетоны делятся в зависимости от способа создания пористой структуры: газообразованием (газобетоны, газосиликаты); пенообразованием (пенобетоны, пеносиликаты); аэрированием (аэрированный ячеистый бетон или силикат). Возможны совокупные комбинации данных способов: вспучивание газообразованием в вакууме (небольшое разряжение); аэрирование массы под давлением (барботирование её сжатым воздухом) с последующим снижением давления до атмосферного (баротермальный способ).

Ячеистые бетоны представляют собой искусственные каменные материалы, имеющие наряду с обычными порами (поры геля, контракционные, капиллярные, условно-замкнутые) цементного камня, микропоры ячейкового вида. Последние получаются в результате затвердевания поризованной после затворения водой смеси цемента, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя, иногда с добавлением извести и гипса.

Основа производства любых ячеистых бетонов – это получение ячеистой структуры, которая после твердения даёт систему с твёрдой средой и газовой дисперсной фазой – твёрдую пену. До твердения прочность и устойчивость ячеистой структуры определяется свойствами плёночного каркаса. Со временем, плёнки между пузырьками утончаются вследствие стекания жидкости и, если не происходит твердение каркаса, пузырьки лопаются, а ячеистая структура разрушается. Устойчивость ячеистой структуры зависит от вязкости и температуры раствора, pH жидкой фазы и присутствия в ней электролита, причём повышение вязкости раствора улучшает устойчивость ячеистой структуры, а повышение дисперсности пузырьков газа улучшает ячеистую структуру.

Для достижения более высокой пористости (для газобетонов – предельная пористость 74 %, обеспечивающая объёмную массу 690-720 кг/м³) ячеистых бетонов, целесообразно создавать поры в них одновременно тремя способами: испарением воды затворения – образованием микропор; с помощью газообразователей; введением ПАВ, вызывающих в определённых условиях эффект воздухововлечения, или путём введения пены (как в пенобетонах). При этом могут быть получены бетоны с объёмной массой ниже 300 кг/м³.

Причиной разрушения структуры ячеистого бетона может быть расслоение раствора между пузырьками газа. Это проявляется, например, на первых этапах вспучивания газобетона, когда объёмная масса ячеистого раствора ещё велика. Если при производстве газобетона применяются такие водотвёрдые отношения, при которых масса через короткое время начинает расслаиваться за счёт седиментации твердых частиц, то пузырьки газа при вспучивании играют роль стабилизатора. Седиментирующиеся частицы, попадая на верхнюю поверхность свода пузырька, удерживаются на границе раздела фаз и вместе с ним медленно всплывают, что служит причиной укрупнения пузырьков и снижения прочности ячеистого бетона. Для устранения этого явления целесообразно применять как можно более жёсткие смеси с небольшим содержанием воды, а также ускорять процессы газовыделения и схватывания.

В качестве газообразователей при изготовлении ячеистых бетонов можно применять алюминиевую пудру с диаметром частиц менее 50 мкм и с удельной поверхностью более 2000 см²/г [57]. Например, газообразователь для поризации бетонной смеси (а. с. 1588733 СССР, СО4В 38/02, опубл. 30.08.1990) содержит (в %): алюминиевую пудру – 8,97-13,9; чёрный сульфатный щелок – 12,9-13,7; воду – остальное. Причём достаточно высокое газообразование при автоклавном процессе происходит в течение 30-60 мин после затворения.

Газобетонной технологии присущи существенные недостатки, устранение которых весьма проблематично, например: низкая устойчивость поризованной массы на стадии вспучивания и вызревания, а также большая зависимость технологических операций поризации смесей и закрепления пористой структуры от теплового режима процессов; большая дефектность пористой структуры, выражающиеся в наличии контактных дырок в стенках пор и разрыхлении поверхности стенок пор в результате прорыва газа через перегородки, что является следствием разности давления газов в порах различного диаметра; сложность стабильного поддержания на заданном уровне плотности изделий в силу высокой чувствительности газовыделения и газоудержания от многих факторов технологического процесса, особенно при получении лёгких изделий [58, 59]. Применение вибрационной и ударной технологии, а также газопенного способа поризации масс, основанного на трёхстадийном насыщении сырьевой смеси газовой фазой, и использование песка с прерывистой гранулометрией в определённой мере могут ослабить негативные способы традиционной технологии газобетонов, но не устраняют их совсем. Необходимо добавить, что для газобетонной технологии свойственна ограниченность сырьевой базы из-за трудностей использования вяжущих и смесей, отличающихся кислой средой или высокой скоростью твердения (гипсовые вяжущие, гипсо-цементно-полимерные вяжущие и другие). Кроме того, в газобетонные смеси невозможно вводить подавляющее большинство неметаллических волокнистых армирующих материалов, так как они разлагаются в щелочной среде.

В пенном способе поризации строительных материалов формирование ячеистой структуры происходит в условиях пониженного поверхностного натяжения растворов, обусловленных наличием в смесях ПАВ. Пониженное поверхностное натяжение, повышенная вязкость и механическая прочность этого слоя, отсутствие заметной разности давления в порах, динамические воздействия в процессе поризации смеси (перемешивание) обеспечивают выполнение одного из главных принципов термодинамической устойчивости системы – создание наименьших поверхностей на границе раздела: газ – дисперсионная среда. Поэтому в материалах, полученных способом пенообразования, пористая структура лучше, чем в материалах, полученных газовым вспучиванием: поры имеют меньший размер и однородно распределены в объёме изделия, отсутствуют контактные дырки и трещины на межпоровых перегородках, а внутренняя поверхность пор гладкая и плотная. Последнее обстоятельство существенно снижает концентрацию напряжений в материале при его нагружении, что обеспечивает получение изделий с повышенной прочностью. Пенный способ поризации имеет возможность направленного регулирования объёма пористости и характеристик пористой структуры материала, в частности, создания полифракционных пор. Достигается это регулированием содержания ПАВ в растворе и гидродинамических условий перемешивания (например, изменением скорости вращения смесительного вала, площади поверхностей лопастей смесителя и её формы, применением мешалок с несколькими смесительными валами, вращающимися с различной скоростью, и другие).

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 реологическимипоказателями. 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].

Лучше, чтобы пористый заполнитель находился в пенобетонной массе как бы во взвешенном состоянии и составлял приблизительно 20 % объёма пеношлакобетона [37], а размер зёрен заполнителя, например для доменного шлака составлял от 5 до 20 мм [62]. Однако прочность, необходимую для стеновых панелей, можно получить лишь при объёмном весе вспененного раствора порядка 1500 кг/м³. Для снижения объёмного веса лёгкого бетона предлагается [63]: 1) максимально насыщать бетон крупным пористым заполнителем, например за счёт послойной заливки пенобетонной массы в заранее уложенный в формы пористый заполнитель (так называемое раздельное бетонирование), в результате зёрна заполнителя в бетоне плотно примыкают друг к другу; 2) применять пенобетонную массу, состоящую из тонкомолотых компонентов.

При получении изделий из керамзитогазобетона по принципу раздельного бетонирования из вяжущего, молотого песка и газообразователя готовят газобетонную массу и заливают в форму на половину высоты, а затем в форму под давлением вибрации засыпают керамзитовый гравий. Чтобы керамзит не всплыл в процессе вспучивания газобетонной массы и чтобы удобнее срезать «горбушку», формы прикрывают сеткой. Применение воздухововлекающих добавок (СНВ, ГК, ЦНИИПС-1 и других) позволяет [64] при изготовлении керамзитобетона несколько уменьшить объёмный вес керамзитобетона, увеличить подвижность керамзитобетонной смеси при уменьшенном расходе керамзитового песка. Дальнейшим развитием является технология производства термозитопенобетона на пенообразователях из древесного омыленного пека и сульфидноспиртовой барды [62]. При этом пенобетонная масса готовится без предварительного взбивания пены в растворомешалке с повышенным числом оборотов лопастей или в пенобетономешалке. Затем в другом смесителе пенобетонная масса перемешивается с термозитовым щебнем, и панели, отформованные из готовой смеси, пропариваются на стендах. Для уменьшения больших усадочных деформаций в пенобетоне воздушного твердения в пенобетонную массу добавляют пористые заполнители (природную пемзу и керамзит) в количестве 1 м³ на 1 м³ бетона. Таким образом, разновидности поризованных лёгких бетонов можно разделить в зависимости от способов поризации на три основные группы: 1) беспесчанные, поризованные пены; 2) беспесчанные (или с песком), поризованные газообразующей добавкой; 3) на песке, поризованные воздухововлекающими добавками.

При получении поризованных лёгких бетонов возможны следующие способы поризации цементного камня при помощи пенообразующих веществ, обеспечивающие наименьший объёмный вес при слитном строении бетона [62]:

1. Поризация легкобетонных смесей путём добавления пенообразующих веществ при перемешивании смесей. Добавление пенообразующей добавки ЦНИПС-1 в количестве 0,1-0,3 % от веса цемента в обычную шлакобетонную смесь при её перемешивании в растворомешалке (n = 60 об/мин) привело к уменьшению объёмного объёма шлакобетона всего на 6-8 %, но прочность снизилась ~ на 40 %. Аналогичные результаты получаются при введении пенообразующей добавки ГК (заводская марка ПО-6), а при добавлении мылонафта прочность снижается в 2-3 раза. Для того, чтобы максимально использовать пенообразующие свойства рассмотренных добавок, время перемешивания смеси необходимо увеличивать до 12-15 мин. Поэтому данный способ введения пенообразующих добавок с целью уменьшения объёмного веса можно считать неоптимальным, хотя и весьма простым.

2. Поризация легкобетонной смеси с применением пены при перемешивании смесей. При этом пену добавляют в обычную керамзитобетонную смесь, приготовленную на дробленном керамзитовом песке. При расходе пенообразователя ГК 7-9 л/м³ объёмный вес бетона снизился с 1400 до 800 кг/м³. При перемешивании керамзитобетонной смеси с пеной в течение 5-6 мин значительное её количество (40-50 %) разрушается песком. Однако сокращение времени перемешивания до 2-3 мин приводит к неравномерной минерализации пены вяжущим и к уменьшению однородности поризованной смеси. Поэтому данный способ не может быть рекомендован, хотя и позволяет получать высокопластичную удобоформуемую смесь. Для уменьшения расхода цемента и увеличения прочности керамзитобетона, получаемого этим способом с применением пропаривания, можно использовать золу в качестве добавки к цементу, и при общем их расходе 350-400 кг/м³ объёмный вес поризованного бетона составляет 750-850 кг/м³.

3. Перемешивание цементного теста с пеной, а затем – поризованного теста с пористым заполнителем. При этом, предварительно приготавливается пенобетонная масса оптимального состава, а затем она перемешивается с пористыми заполнителями. Наиболее равномерно распределяются пористые заполнители в пенобетонной массе, когда расход заполнителей на 1 м³ готового бетоны превышает 0,7 м³ и объёмный вес заполнителей в куске по своей величине близок к объёмному весу пенобетонной массы. При перемешивании пористых заполнителей с пенобетонной массой она несколько уплотняется за счёт разрушения ячеистой структуры и отсоса воды из пористого цементного теста в поры заполнителя. К более значительному разрушению пористой структуры пенобетонной массы приводит перемешивание её с пористыми заполнителями, в которых имеется пористый песок, и при этом увеличивается объёмный вес затвердевшего бетона и расходы вяжущего и пенообразователя. Следовательно, чтобы получить поризованные лёгкие бетоны путём перемешивания пористых заполнителей с пенобетонной массой, предпочтительнее применять заполнители, не содержащие песка.

4. Получение поризованного цементного теста (пенобетонной массы) перемешиванием пенообразующего вещества, воды и вяжущего (без предварительного приготовления пены) с последующим добавлением пористого заполнителя. Введение минерализаторов в водный раствор пенообразователей перед приготовлением пены, например в виде небольшого количества пылевидных минерализующих добавок, увеличивает прочность, вязкость и стойкость пены [63]. Если добавкой служат вяжущее вещество и пылевидный кремнезёмистый компонент, то пенобетонную массу можно рассматривать как сильно минерализованную пену. Для ускорения вспенивания смесь необходимо перемешивать в пеновзбивателе или пенобетономешалке при скорости вращения лопастей более 240 об/мин. Если для получения пены применяют дегтеизвестковый пенообразователь следующего состава (в % по весу): смола сосновая (галипот) - 2, ССБ - 3, известь негашеная молотая - 30, вода - 65, то вместо извести в этом пенообразователе можно использовать обычный портландцемент, известково-песчанное или цементно-зольное вяжущее и при этом качество пены почти не изменится. Например, для получения пеносиликата исходную пеносиликатную массу можно готовить из смеси следующих материалов (в % по весу): смола сосновая - 1; ССБ - 1; известково-песчанное вяжущее (с соотношением известь: песок равным 1:2) - 55; вода - 43, при водовяжущем отношении - 0,78. Однако для приготовления поризованной легкобетонной смеси необходимо иметь два смесителя: один для получения пенобетонной массы, а другой – для перемешивания её с пористым заполнителем.

Пенообразователи для получения из них пены приготовляют согласно «Инструкции по технологии изготовления изделий из автоклавного ячеистого бетона» ССН 277-64. Пена считается удовлетворительного качества, если беспесчанный поризованный лёгкий бетон приобретает слитное строение при расходе концентрированного пенообразователя не более 5 л и расходе портландцемента – не более 350 кг на 1 м³ бетона.

Структура и свойства пен

Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать по крайне мере два компонента, один из которых обладает поверхностно-активными свойствами и способен адсорбироваться на межфазной поверхности. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек- пузырьков газа (или пара), разделенных пленками жидкости. Пены, в которых дисперсной средой является твердое вещество, образуются при отверждении растворов или расплавов насыщенных газом. Структура пен определяется в основном соотношением объемов газовой и жидкой фаз, поэтому ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму. Например, ячейки пены принимают форму, близкую к сферической, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз, причем пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Если соотношение объемов газовой и жидкой фаз больше 20 и они разделены тонкими жидкими пленками, то их ячейки представляют собой многогранники. Причем в процессе старения пен шарообразная форма пузырьков превращается в многогранную [65].

Плато сформулировал [65] следующие геометрические правила, определяющие структуру пены: в каждом ребре многогранника- ячейки сходятся 3 пленки, углы между которыми равны и составляют , причем места стыков пленок (ребра многогранников) характеризуются утолщениями, называемыми каналами Плато-Гиббса, образующими в поперечном сечение треугольник и представляющие собой взаимно связанную систему, пронизывающую весь каркас пены; в одной точке сходятся четыре канала Плато, образуя одинаковые углы в 109°28¢. Истечение жидкости в пузырьке пены приводит к уменьшению поперечного сечения каналов Плато, следствием чего является возникновение градиента капиллярного давления. Под действием разности давлений в пленках пены происходят капиллярные явления: всасывание междупленочной жидкости, а также диффузия газа между пузырьками. Процесс всасывания представляет собой течение жидкости по каналам Плато в сторону утолщенных участков, которые находятся под меньшим давлением.

Механизм образования пузырька пены заключается [66] в формировании адсорбционного слоя на межфазной поверхности газообразного или парообразного включения в жидкой среде, содержащей ПАВ. Скорость формирования этого слоя определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из глубины раствора к поверхности включения. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул.

Для характеристики пенных систем используют следующие параметры:

1. Пенообразующая способность раствора или вспениваемость - это количество пены, выражаемое ее объемом (в мл) или высотой столба (в мм), которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение данного времени.

2. Кратность пены - , представляет собой отношение объема пены к объему раствора , пошедшего на ее образование, где - объем газа в пене.

3. Стабильность или устойчивость пены - ее способность сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности пены используют время существования или «жизни» элемента пены или определенного ее объема.

4. Дисперсность пены - задаваемая средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор-газ в единице объема пены.

Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать по крайне мере два компонента, один из которых обладает поверхностно- активными свойствами и способен адсорбировать на межфазной поверхности. Строение молекул ПАВ влияет на пенообразующую способность растворов, например для натриевых солей жирных кислот нормального строения она повышается с увеличением длины цепи углеводородного радикала [67]. Наибольшей пенообразующей способностью в ряду растворов солей насыщенных жирных кислот обладают водные растворы солей миристиновой кислоты с концентрацией 0,5 г/л (25-30 °С). Растворы натриевой соли каприновой кислоты не пенятся при концентрации до 1,7 г/л, а растворы солей лауриновой кислоты при этой концентрации дают относительно небольшой объем пены. Растворы стеарата натрия пенятся еще хуже. Наибольшую пенообразующую способность в ряду солей ненасыщенных кислот имеют растворы олеата, для линолеата она значительно меньше, а растворы лицинолеата вспениваются очень слабо. Разветвленность молекул солей жирных кислот положительно влияет на пенообразующую способность их растворов.

Пенообразующая способность водных растворов первичных алкилсульфонатов (20 °С) возрастает с увеличением длины углеводородного радикала, достигая максимального значения для додецилсульфата. У более высокомолекулярных гомологов пенообразующая способность при комнатной температуре ниже из-за меньшей их растворимости в воде. Вторичные алкилсульфонаты в этом отношении ведут себя подобно первичным.

Растворы алкилсульфонатов, начиная с С₁₁, обладают высокой пенообразующей способностью при концентрациях около 0,5 г/л, причем максимальное значение достигается для гомолога С₁₅, а у более высокомолекулярных алкилсульфонатов она ниже. Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит от расположения в молекуле гидрофильной группы: чем ближе она расположена к середине молекулы, тем активность растворов выше. Присутствие дисульфонатов, образующихся при производстве алкилсульфонатов, вызывает уменьшение пенообразующей способности. Увеличение рассматриваемых свойств данных соединений с ростом длины цепи углеводородного радикала обусловлено повышением их поверхностной активности вследствие усиления «выталкивания» из воды гидрофобных частей молекул. Однако с удлинением алкильной цепи свыше 14 атомов углерода возрастает роль агрегирования молекул внутри раствора, что способствует увеличению поверхностного натяжения и уменьшению пенообразующей способности. Считается, что вещества, содержащие в алкильной цепи 8-10 атомов углерода, как правило, либо обладают низкой пенообразующей способностью, либо не обладают ею вообще; это же относится к соединениям с С₁₆ – С₁₉. Максимальной вспениваемостью обладают вещества с 12-15 атомами углерода, причём различий между сульфатами и сульфонатами не обнаруживается.

Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит также от вида катиона, например высота столба пены (в мм) для различных мыл (соответственно натриевого и калиевого): лаурат – 169, 232; миристат - 489, 494; пальмитат – 54,204; стеарат – 16,73; олеат – 154, 212; линолеат- 11,62. Причем наблюдается более низкая пенообразующая способность аммонийных солей сульфонафтеновых кислот по сравнению с натриевыми солями этих же кислот, что связывают с сольватацией катиона.

Пенообразующая способность растворов неионогенных ПАВ зависит как от длины гидрофобной цепи, так и от числа групп СН₂СН₂О-. В ряду оксиэтилированных жирных спиртов пенообразующая способность увеличивается от С₄ до С₁₀ – С₁₂, а затем уменьшается. Спиртам нормального строения присуща большая пенообразующая способность, причем максимум ее приходится на высшие спирты с разветвленной цепью. Оксиэтиленовые группы влияют на пенообразующую способность неионогенных ПАВ таким образом [68], что с ростом числа этих групп данное свойство увеличивается, однако только до некоторого значения, после чего она остается практически постоянной. Число этих групп, которому соответствует максимальная пенообразующая способность при данной гидрофобной цепи, называют критическим гидрофильно–липофильным балансом (ГЛБ). Считается, что молекулы веществ, обладающие критическим значением ГЛБ, образуют пленки, сопротивление разрыву которых максимально (т.е. силы сцепления молекул максимальны).

В целом, анионоактивные ПАВ обладают большей пенообразующей способностью, чем неионогенные что связывают с различием скорост<