Физико-химические процессы формирования структуры полистиролбетона

Отличительной особенностью теплоизоляционных материалов является высокопористая структура, обеспечивающая их функциональные свойства. При получении этой группы материалов стремятся увеличить объем пор и создать соответствующий характер пористости. Для полистиролбетона целесообразна ячеисто-зернистая (комбинированная)структура с равномерным распределением замкнутых пор в объеме изделия.

Различают следующие группы способов поризации материалов, позволяющие направленно регулировать объем и характер пористости:

вспучивание - способ основан на выделении в пластично-вязкой массе или введении в нее газовой фазы, которая насыщает массу, увеличивает ее объем, формирует ячеистую структуру; варианты вспучивания: низкотемпературное газообразование, высокотемпературное газообразование, пенообразование (воздухововлечение); используют в производстве ячеистых бетонов, пеностекла, пенопластов, гранул из растворимого стекла, вспученного вермикулита и перлита;

удаление порообразователя - способ основан на испарении или выжигании порообразователя, которые происходят при воздействии повышенной температуры; при этом объем поризуемой массы не изменяется; варианты способа - высокое водозатворение; введение выгорающих добавок; используют в технологии древесноволокнистых плит, акустических минераловатных плит; в производстве керамических высокопористых материалов; 

неплотная упаковка - способ основан на свойлачивании (перепутывании) волокон, механическом диспергировании и рассеве зернистых компонентов массы; реализуется в производстве минеральной ваты, древесноволокнистых плит, гранулированных теплоизоляционных засыпок;

контактное омоноличивание - способ основан на склеивании зернистых и волокнистых элементов структуры в местах контакта с помощью тонких прослоек; реализуется в производстве минераловатных изделий на связующем; бетонов на пористых заполнителях;

объемное омоноличивание - способ основан на заполнении пустот между высокопористыми зернами; реализуется в производстве композиций из вспученного перлита и вермикулита, стеклопора;

создание комбинированных структур - способ предполагает сочетание нескольких приемов поризации; например, в производстве композиции из гранулированной минеральной ваты и полимерного связующего.

Для обеспечения полистиролбетона ячеисто-зернистой структурой применяется способ создания комбинированных структур. Комбинированный способ предусматривает применение двух видов поризации: первоначальное вспучивание гранул полистирола с последующим объёмным омоноличиванием пустот между высокопористыми гранулами вспененного полистирола.

Вспучивание происходит за счёт насыщения пластично-вязкой массы размягченных гранул полистирола газовой фазой. Что влечет за собой увеличения объёма этих гранул и образования в них ячеистой структуры.

Общая пористость материала с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости) [6]. Принципиально возможно увеличение объема пористости путем изменения характера пористой ячеистой структуры и межпоровых перегородок. Для этого необходимо иметь в материале поры различных размеров. Полидисперсный характер распределения пор по размерам при определенных условиях обеспечивает высокую вероятность равномерного размещения пор меньших размеров между порами больших диаметров (рисунок 11).

Рисунок 11 - Упаковка пор сферической формы в бинарную решетку

Межпоровые перегородки в материале с ячеистой структурой должны быть не только тонкими, но и близкими между собой по толщине. Различие межпоровых перегородок по толщине существенно снижает прочность материала. Разрушение наиболее тонких (слабых) перегородок влечет за собой перераспределение нагрузок на оставшиеся более прочные перегородки.

Для теплоизоляционных материалов оптимальной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками. Реально достижимые толщины перегородок и неоднородность толщин в объеме материала составляют для полистиролбетона с ячеистой структурой соответственно 0,006…0,01 и 1…2-10~3 мм. Плотность межпоровых перегородок определяется их пористостью, которая слагается из пористости, создаваемой водой затворения, и межзерновой пористости, характерной для неорганических материалов зернистого строения. Первый из этих двух факторов зависит от количества воды затворения (В/Т) или количества разбавителя, а также от доли жидкой фазы, связываемой в процессе твердения. Второй фактор определяется гранулометрическим составом твердых компонентов, формой зерен, шероховатостью их поверхности, а также реологическими характеристиками смеси и интенсивностью уплотнения. Форма пор характеризует степень деформирования сферических пор в правильные многогранники. Повышение объема ячеистой пористости системы, снижение поверхностного натяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация пористой структуры путем отверждения приводят к увеличению объема пор - многогранников [7].

Для систем, проходящих стадию пиропластического состояния увеличить однородность распределения порообразователя в массе, оптимизировать его концентрацию в ней, а также дисперсность газообразователя; выбрать рациональные режимы тепловой обработки для достижения соответствия кинетики изменения реологических свойств массы и газовыделения в ней, а также условий для наиболее полного омоноличивания компонентов смеси и уменьшения остаточных напряжений в поризованном материале.

Вторым способом поризации, применяемым для обеспечения комбинированной структуры полистиролбетона, является объёмное омоноличивание (рисунок 12). Это осуществляется за счёт заполнения связующей массой (портландцементом) всех пространств между частицами.

Рисунок 12 - Объёмное омоноличивание

Понятие «оптимальная зернистая пористость» бывает различным в зависимости от способа ее создания и условий эксплуатации. Следует различать два вида зернистой структуры: нестационарная зернистая структура, характерная для засыпной теплоизоляции; в этом случае контакт между зернами осуществляется только за счет механического трения.

Оптимальная нестационарная зернистая структура характеризуется высокопористыми мелкими зернами монофракционного состава. Форма зерен и характер их поверхности в этом случае не имеют первостепенного значения.

Оптимальная стабильная зернистая структура формируется из высокопористых зерен увеличенного размера и монофракционного состава со сферической формой и уплотненным поверхностным слоем.

За счёт сцепления портландцемента со вспененными гранулами полистирола образуется зернистая структура полистиролбетона.