Адсорбция пенообразователей, пластификаторов, стабилизаторов на поверхности твёрдых адсорбентов при изготовлении материалов ячеистой структуры

Ключевые слова:адсорбция, пенообразователь, пластификатор, стабилизатор, пенокерамобетон.

Способ поризации раствора является одним из ключевых факторов получения однородной структуры при изготовлении ячеистых материалов. Проведённый анализ на основе литературного обзора [3,4,5,7], показал, что наиболее эффективным при изготовлении пенокерамобетона является метод сухой минерализации пены. При использовании этого метода за счет снижения водо-твердого отношения получаются более плотные межпоровые перегородки. Таким образом предварительное приготовление пены при ее постепенном насыщении сухими минеральными компонентами и одновременным перемешивание в высокоскоростном смесителе позволяют получить заявленные результаты.

В связи с особенностью выбранного нами способа формирования ячеистой структуры материала принципиально важно исследовать процессы, происходящие в пене при её наполнении минеральными частицами твёрдой фазы.

Нами было исследовано влияние вида минеральной составляющей ячеистого материала на процессы адсорбции, сопровождающие минерализацию пены при её наполнении твёрдыми компонентами. Адсорбцию пенообразователей ПБ-2000, ПО-6ТС и, для сравнения, воздухововлекающей добавки СДО на поверхности твёрдых адсорбентов определяли на модельных системах по изменению поверхностного натяжения водных растворов.

Принимая во внимание, что используемые пенообразователи кроме основного пенообразующего вещества содержат определённое количество различных функциональных добавок, для практической оценки адсорбционной способности мы использовали величину «кажущейся» адсорбции [6].

Данные табл. 1 и рис. 1 характеризуют адсорбцию пенообразователей из 0,5 % водного раствора на поверхности минеральных частиц твёрдой фазы при В/Т=25:1.

Таблица 1

Адсорбция пенообразователей на поверхности минеральных частиц

Как следует из данных табл. 1, диатомит и опока характеризуются относительно невысокой сорбирующей способностью исследуемых пенообразователей в сравнении с глиной и ШПЦ. Величина адсорбции на поверхности опоки и диатомита приблизительно равна при использовании пенообразователей ПБ-2000 и ПО-6ТС и увеличивается при использовании воздухововлекающей добавки СДО. Так, например, адсорбция ПБ-2000 на поверхности опоки составляет 2,99×10–⁴ мг/см², на поверхности диатомита — 2,41×10–⁴ мг/см², на поверхности ШПЦ — 30,45×10–⁴ мг/см². В случае использования СДО адсорбция на опоке составляет 4,00×10–⁴ мг/см², на диатомите — 4,6×10–⁴ мг/см², на ШПЦ — 26,05×10–⁴ мг/см². При использовании глины наименьшая величина адсорбции наблюдается из раствора ПО-6ТС, а наибольшая — из раствора СДО.

Различие в значениях адсорбции пенообразователей на поверхности твёрдых адсорбентов, объясняется, по-видимому, различной гидравлической активностью минеральных наполнителей. По данным В. Г. Батракова, который исследовал адсорбцию пластифицирующих ПАВ, увеличение гидравлической активности минеральных добавок приводит к снижению их адсорбционной способности [1].

Рис. 1. Адсорбция пенообразователей на поверхности минеральных частиц

Исследования гидравлической активности используемых минеральных наполнителей подтвердили правильность данных выводов. Гидравлическую активность опоки, диатомита и глины определяли по методике, описанной в работе [2]. Результаты экспериментов показали, что гидравлическая активность опоки составляет 320 мг/г, диатомита — 355 мг/г и глины лягушёвской — 175 мг/г.

Кроме того, различие в величинах адсорбции на исследованных наполнителях во многом определяется знаком электрического заряда поверхности наполнителя (табл. 2). Экспериментальное определение знака электрического заряда поверхности минеральных частиц было проведено по методике Рейсса [8].

Таблица 2

Знак заряда поверхности частиц

При взаимодействии молекул пенообразователя с поверхностью частиц ШПЦ возможно также протекание процесса хемосорбции, который увеличивает величину кажущейся адсорбции. Из исследованных в работе пенообразователей наибольшее значение адсорбции на частицах ШПЦ получено для растворов, содержащих ПБ-2000.

Расчёты показали, что если адсорбентом является опока или диатомит, то образуется мономолекулярный адсорбционный слой пенообразователя, если адсорбентом является глина или ШПЦ — полимолекулярный. Число адсорбционных слоёв пенообразователя на поверхности адсорбента определяли по формуле [8]:

1000,                                                                                                        (1)

где  — число Авогадро; А– адсорбция, мг/г; М — молекулярная масса поверхностно-активного вещества, г/моль;  — удельная поверхность адсорбента, см²/г;  — площадь поверхности адсорбента, занимаемая одной молекулой ПАВ при адсорбции, см².

Проведённые исследования показывают, что основные минеральные компоненты пенокерамобетона в разной степени способны адсорбировать молекулы пенообразователя. В результате на поверхности частиц формируется адсорбционный слой, препятствующий образованию прочных коагуляционных и кристаллизационных контактов при твердении материала.

По нашему мнению, уменьшить негативное воздействие пенообразователя на процессы структурообразования минеральной части пенокерамобетона можно путём дополнительного введения в состав материала пластифицирующих добавок.

Было проведено исследование адсорбции пластификатора С-3 на поверхности минеральных компонентов сырьевой смеси при В/Т=10:1. Адсорбцию С-3 на твёрдых адсорбентах определяли фотоколориметрическим методом по изменению окраски водных растворов. Начальная концентрация раствора С-3 составляла 1,2 %. Результаты экспериментов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Адсорбция пластификатора на поверхности минеральных компонентов сырьевой смеси

Как следует из табл. 3, поверхность минеральных компонентов (ШПЦ и опоки) обладает адсорбирующей способностью по отношению к пластификатору С-3. Из табл. 3. следует также, что увеличение относительного содержания опоки в смеси с 50 до 85 % приводит к значительному росту адсорбции С-3. По нашему мнению, причина такой зависимости заключается в том, что в системе, состоящей из цемента, опоки и воды, увеличение содержания активной гидравлической добавки в виде опочного наполнителя приведёт в процессе гидравлического твердения к накоплению тонкодисперсных низкоосновных гидросиликатов типа CSH (B), которые обладают повышенной адсорбционной способностью [1].

Исследование совместного влияния пенообразователя, стабилизатора и пластификатора на факторы, во многом определяющие параметры формирования начальной структуры ПКБ, было проведено путём измерения поверхностного натяжения водных растворов и вытяжек, содержащих ПБ-2000. Экспериментальные данные, характеризующие индивидуальное и совместное влияние добавок ПБ-2000, С-3 и ПАА на поверхностное натяжение растворов, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Поверхностное натяжение водных растворов

Анализ данных табл. 4 позволяет сделать выводы:

-        активность пластификатора С-3 на границе «поверхность раствора — воздух» незначительна (состав № 3);

-        добавка пластификатора приводит к некоторому снижению поверхностного натяжения водных растворов, содержащих пенообразователь и опочный наполнитель (состав № 6 по сравнению с составом № 5). Наблюдаемое снижение поверхностного натяжения растворов объясняется преимущественной адсорбцией молекул С-3 на поверхности опочного наполнителя, что способствует увеличению концентрации пенообразователя в растворе;

-        положительное влияние добавки С-3 на снижение поверхностного натяжения водного раствора, содержащего наполнитель и пенообразователь, усиливается при использовании ШПЦ вместо опоки (составы № 7 и № 8 по сравнению с составами № 5 и № 6);

-        добавка стабилизатора ПАА также снижает поверхностное натяжение водного раствора, содержащего пенообразователь и ШПЦ (состав № 9 по сравнению с составом № 7).

Полученные экспериментальные данные указывают на преимущественную адсорбцию С-3 и ПАА на поверхности минеральных частиц по сравнению с пенообразователем ПБ-2000. Это подтверждает высказанное нами ранее предположение о целесообразности введения С-3 и ПАА в состав комплексной порообразующей добавки. Применение С-3 и ПАА позволит существенно улучшить основные свойства материала как на этапе получения пенокерамобетонной смеси, так и на этапе гидратационного твердения.

Литература:

1.       Батраков В. Г. Модифицированные бетоны [Текст] / В. Г. Батраков. — М.: Стройиздат, 1990. — 400 с.

2.       Горшков В. С. Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы. Структура и свойства [Текст] / В. С. Горшков и др. — М.: Стройиздат, 1995, 584 с.

3.       Гузман И. Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур. Свойства и применение [Текст] / И. Я. Гузман // Стекло и керамика, 2003. — № 9. — С. 28–31.

4.       Дятлова Е. М. Тугоплавкие теплоизоляционные материалы, полученные способами пено- и газообразования [Текст] / Е. М. Дятлова, С. А. Гайлевич, Г. Я. Миненкова, С. Л. Радченко // Стекло и керамика, 2002. — № 2. — С. 20–23.

5.       Езерский В. А. Поризованная стеновая керамика — преимущества и недостатки технологии [Текст] / В. А. Езерский, Д. В. Кролевецкий, Г. И. Горбунов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2006. — № 4. — С. 42–44.

6.       Кравченко И. И. Труды 2-ого Всесоюзного совещания по применению поверхностно-активных веществ в нефтяной промышленности [Текст] / И. И. Кравченко и др. ГОСТО и техиздат, 1963. — С. 160.

7.       Мартыненко В. А. О взаимосвязи технологических параметров в методах приготовления пенобетонной смеси [Текст] / В. А. Мартыненко // Вестник БГТУ, 2003. — № 4. — С. 118–122.

8.       Писаренко А. П. Курс коллоидной химии [Текст] / А. П. Писаренко, К. А. Поспелова, А. Г. Яковлев. - М.: «Высшая школа», 1969. - 248 с.