Роль пенообразователей в технологии пенобетонов
Производство эффективного по теплофизическим параметрам пенобетона является проблемным ввиду сложности обеспечения стабильности ячеистой структуры при высокой пористости. Увеличение прочности при постоянной плотности может быть обеспечено только за счет повышения прочности матрицы поризо- ванного материала и создания оптимальной пористой структуры материала. Обеспечение прочности неорганической матрицы возможно путем повышения химической активности вяжущего, снижения В/Ц, использования механохимической активации вяжущего. Создание оптимальной пористой структуры зависит от кратности и устойчивости пены в высокоминерализованных цементных пастах.
В пенобетонах количество газовой фазы, размер и дисперсность воздушных пузырьков зависят не только от вида выбранных исходных компонентов, но и от поведения компонентов на границе раздела фаз, т.е. от поверхностных явлений, и от способа воздухововлечения. Важную роль при этом играет вид и концентрация пенообразователя, имеющего в своем составе различные ПАВ.
В настоящее время каждый производитель практически экспериментальным путем подбирает вид пенообразователя, который обеспечивает получение пенобетона с оптимальными свойствами. Поэтому в технической литературе можно встретить различные сведения и рекомендации по применению того или иного вида пенообразователя. При этом сведения о действии пенообразователей не связываются с минералогическим составом цементов и технологическими особенностями производства пенобетонной смеси.
Длительный производственный и экспериментальный опыт наших исследований показал взаимосвязь между физико-химическими свойствами пенообразователя и физико-механическими характеристиками пенобетона.
Для четкого понимания роли пенообразователей в технологии пенобетонов рассмотрим структуру пены и особенности поведения молекул ПАВ на границе раздела фаз газ — жидкость и жидкость — твердые частицы. Основные стадии образования и стабилизации пены молекулами ПАВ представлены на рис. 1 [1].
Пенные пленки образуются в присутствии ПАВ, которые представлены заряженными и незаряженными ионами, имеющими две различные по химической активности части — гидрофильную и гидрофобную. Структура пленки в пенах похожа на сэндвич, в котором внутренний слой обладает свойствами жидкости в объеме, а слои, направленные к газовой фазе, обладают большой вязкостью. Молекулы ПАВ за счет активной адсорбции на поверхности границы раздела фаз газ — жидкость концентрируются у поверхностей ламеллы таким
образом, чтобы активные гидрофильные радикалы молекул, имеющих определенный заряд, были расположены в полярной среде (жидкости), а гидрофобная неполярная часть длинного углеводородного радикала - в неполярной среде (воздухе). Такое расположение молекул ПАВ на границе газ - жидкость обусловливает заряд поверхности воздушного пузырька, обращенного в жидкость. Анионактивные ПАВ придают отрицательный заряд воздушным пузырькам, катионактивные - положительный. Знак заряда поверхности пузырьков, образованных амфотерными (амфолитными) ПАВ, зависит от рН среды: в щелочной среде заряд пузырька отрицательный, в кислой - положительный.
Вместе с каналами Плато-Гиббса и узлами (пересечениями каналов) пленки представляют собой единую капиллярную систему. Все важнейшие процессы в пене, в том числе обусловливающие укрупнение воздушных пузырьков и время их жизни, зависят от толщины, строения и физико-химических свойств пенных пленок.
Все пенообразователи, используемые в технологии пенобетона в соответствии с классификацией ПАВ, по характеру адсорбции на границе и механизму стабилизации дисперсных систем делятся на два класса — низкомолекулярные и высокомолекулярные.
Отличительными свойствами низкомолекулярных и высокомолекулярных ПАВ являются следующие:
· низкомолекулярные соединения дифильного характера имеют одну или несколько гидрофильных полярных групп: -ОН, -COO¯, -S03¯, -0S0¯3, -NH2+ и гидрофобную алифатическую цепь;
· в высокомолекулярных соединениях (ВПАВ) чередуются гидрофобные и гидрофильные группы, равномерно распределенные по всей длине полимерной цепи, причем в денатурированных белках заряженные группы сконцентрированы на концах полипептидных цепей, а отрицательно заряженные распределены вдоль этих цепей сравнительно равномерно;
· пенообразующая способность низкомолекулярных ПАВ выше за счет более низких значений поверхностного натяжения, причем стабилизация межфазной поверхности для низкомолекулярных ПАВ происходит при более низкой концентрации и за более короткий срок;