В статье приводятся результаты исследований, направленных на выявление закономерностей формирования наполненных пен, широко используемых в производстве пористых строительных материалов — пенобетонов, ячеистой керамики, пеностекла и др. В результате проведенной работы установлены важнейшие факторы, способствующие получению стабильных пеноминеральных систем и даны рекомендации по проектированию составов.
Ключевые слова: ячеистые материалы, минерализованные пены, закономерности формирования пористой структуры, стабильность пены.
Введение. Первоочередной технической задачей, решаемой в процессе получения ячеистых материалов, является формирование качественной пеномассы за счет рационального совмещения правильно подобранных пенообразователей, корректирующих добавок и минеральных компонентов. Значительное число взаимосвязанных рецептурных и технологических факторов, а также стохастический характер их влияния существенно усложняет описание процессов, сопровождающих минерализацию ламелл пены твердыми частицами. Это обусловливает необходимость разработки методик, в основе которых лежат упрощенные модели, позволяющие оценить влияние основных рецептурных факторов на устойчивость пеноминеральной смеси.
Результаты исследований. Анализ научно-технической информации показал, что к важнейшим факторам, определяющим стабильность пены, относятся:
- кинетический, замедляющий скорость сужения межпоровых ламелл;
- структурно-механический, увеличивающий вязкость адсорбционно-сольватных слоев;
- термодинамический, препятствующий утончению пленки за счет расклинивающего действия двойных гидратных слоев.
Влияние перечисленных выше факторов на процесс формирования структуры ячеистого материала показано на рис. 1.
Рис. 1. Основные факторы, определяющие структуру и свойства ячеистого сырца
Анализ взаимосвязей на рис. 1 показывает, что стабильность наполненной пены определяется степенью ее противодействия процессам разрушения, возникающим вследствие истечения жидкой фазы из межпленочного пространства ламелл и последующего изменения агрегативного состояния всей системы.
Известно, что минералогический состав частиц во многом определяет способность поглощать органические вещества при их совмещении с водными растворами. Так, способность некоторых глин адсорбировать молекулы пенообразующих ПАВ (ПО) приводит к закономерному снижению концентрации пенообразователя в растворе, что значительно усложняет задачу получения качественной пеноминеральной смеси [1].
Степень адсорбции молекул ПАВ на частицах минерального вяжущего также влияет на процессы формирования микроструктуры:
- при слабой адсорбции (частицы заряжены отрицательно, а емкость их катионного обмена незначительна) молекулы пенообразователя концентрируются на границе раздела «поверхность раствора — воздух». Вспенивание таких смесей приводит к образованию крупных воздушных ячеек и формированию плотного материала межпоровых перегородок;
- при сильной адсорбции (частицы имеют преимущественно положительный заряд) молекулы пенообразователя сконцентрированы в зоне раздела «минеральная поверхность — раствор». При такой адсорбции молекулы традиционные ПО ориентируются гидрофобной углеводородной частью в сторону жидкой фазы. В процессе поризации мельчайшие пузырьки воздуха притягиваются к частично гидрофобизированной поверхности минеральных частиц. Это приводит к разрыхлению материала межпоровых перегородок и негативно сказывается на устойчивости пеноминеральной массы.
Проведенный анализ позволил обосновать целесообразность использования параметра скорости истечения раствора из межпленочного пространства пены (u), в качестве определяющего при оценке стабильности наполненных пен.
Для прогнозирования параметра u структуру трехфазных пен рассматривали в виде пористого тела, структура которого пронизана водопроводящими и взаимно не пересекающимися каналами. Они имеют переменное сечение с рельефом, повторяющим очертания поверхностей воздушных ячеек. С течением времени изначально устойчивое состояние пеномассы постепенно нарушается и начинается интенсивный ток жидкости по каналам, имеющим поперечное сечение в форме треугольника Плато-Гиббса. Скорость истечения жидкости из капилляров пористого материала под действием силы тяжести определяется уравнением Пуазейля:
, (1)
где R и l — радиус и длина капилляра в пене в момент времени t; DР — разница давлений на концах капилляра; h — вязкость жидкости.
Изменение давления в зависимости от высоты столба пены выражается:
DP =r ×g×Dh, (2)
где r — средняя плотность дисперсионной среды типа «газ-жидкость», Dh — изменение высоты столба пены по отношению к исследуемому сечению.
Эффективная пропускная способность системы водопроводящих каналов зависит также от степени их извилистости, которая учитывает удлинение пути переноса жидкости внутри каркаса ячеистой структуры и определяется как отношение общей длины канала к толщине материала (h), т. е. x = l/h.
При гексагональной упаковке воздушных ячеек значение x принимают равным 1,5. Для других типов взаимного расположения воздушных пор в пеноминеральной системе коэффициент извилистости находится по зависимости, полученной А. А. Трапезниковым:
. (3)
С учетом приведенных выше зависимостей уравнение (1) примет вид:
. (4)
Скорость истечения раствора зависит от относительной доли площади сечения материала, занятой проводящими каналами:
, (5)
где (1- eпор) — доля поперечного сечения, занятого каналами Плато.
Умножив числитель и знаменатель дроби на p, выражение (5) примет вид:
, (6)
где p×R2 –площадь поперечного сечения цилиндрического капилляра.
В реальной пене каналы истечения жидкости характеризуются более сложным поперечным сечением. Учет геометрических параметров каналов можно производить, исходя из зависимости площади поперечного сечения канала Плато-Гиббса SПл от среднего радиуса воздушного пузырька r [2]:
» 0,161× r2. (7)
С учетом (7) уравнение (6) примет вид:
. (8)
Выразив средний радиус воздушной ячейки через общую пористость материала Vпор и количество пор N, получаем зависимость вида:
. (9)
Для вычисления относительной площади, занимаемой воздушной порой eпор, выделим элементарную расчетную ячейку кубической формы с ребром, равным единице, внутреннюю часть которой занимает воздушное включение. Площадь воздушного включения равна:
. (10)
Подставляя выражения (9) и (10) в уравнение (8), получим зависимость скорости истечения раствора по каналам Плато в ячеистой структуре с учетом пористости материала, формы каналов, дисперсности воздушной фазы и вязкости дисперсионной среды [3]:
, (11)
где k — числовой коэффициент, равный 0,0166.
Выводы. Анализ уравнений показывает, что интенсивность истечения жидкой фазы зависит от пористости пеноминеральной массы, дисперсности воздушных ячеек, а также от плотности и вязкости жидкой фазы. Учитывая квадратичную зависимость скорости истечения дисперсионной среды от размера частиц воздушной фазы, для повышения стойкости вспененных сырцовых масс необходимо стремиться к формированию в структуре воздушной фазы в виде мелких воздушных ячеек, равномерно распределенных по объему, а при необходимости использовать добавки-загустители.
Очевидно, что возможность повышения стабильности пеноминеральной массы за счет увеличения вязкости раствора ограничивается снижением эффективности их вспенивания. Поэтому при определении состава сырьевой смеси в производстве ячеистых материалов используют компромиссные водо-твердые отношения, позволяющие, с одной стороны, достичь требуемой степени воздухововлечения в сырьевую смесь, а с другой — гарантировать стабильность ячеистой структуры сырца [4]. С целью уменьшения количества избыточной воды в составах вновь разрабатываемых материалов и улучшения их качества целесообразно использовать рецептуры и способы поризации, основанные на широком использовании пластификаторов, разжижителей, а также эффекта тиксотропии.
Литература:
1. Береговой В. А. Методика подбора и обоснование компонентного состава сырьевых смесей для изготовления теплоизоляционных пенокерамобетонов / Береговой В. А., Королев Е. В., Прошина Н. А., Береговой А. М.// Строительные материалы, — 2011–№ 6 — С. 66–69.
2. Тихомиров, В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения / В. К. Тихомиров. — М.: «Химия», 1975. — 264 с.
3. Береговой В. А. Эффективные пенокерамобетоны общестроительного и специального назначения: диссертация... доктора технических наук. — Пенза, 2012.
4. Береговой В. А. Разработка составов и экспериментальной технологической установки по производству пористых материалов на композиционных вяжущих /Королев Е. В., Береговой В. А., Королев Е. В., Еремкин А. И., Береговой А. М. // Строительные материалы, — 2006. — № 6 — С. 8–10
