О некоторых физико-химических методах воздействия на формирование структуры пенобетонов и их свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

О некоторых физикохимических методах воздействия на формирование структуры пенобетонов и их свойства

В.Т.Мальцев

Г.А.Ткаченко

Н.В. Мальцев

Пенобетонные смеси на стадии формования -- сложные многофазные системы, состоящие из жидкой, газообразной и твердой фаз, значительно отличающихся по своим объемным характеристикам: минералы цементного клинкера, продукты их гидратации и наполнители.

Основной задачей исследований по получению достаточно пористого и прочного материала является предотвращение, а точнее торможение, процесса гравитационного фазового разделения пенобетонной смеси до момента начала твердения, с одной стороны, и получение сотовых перегородок в материале с высокими физикомеханическими характеристиками -- с другой. Решение поставленной задачи может быть в основном сведено к следующему;

1) использование в качестве наполнителя силикатного или другого материала малой плотности;

2) повышение степени дисперсности газообразной и твердой фаз;

3) повышение вязкости жидкой фазы, через которую протекает процесс фазовой дифференсации смеси;

4) применение физических методов воздействия на пенобетонную смесь в процессе ее формования, ускоряющих химическое взаимодействие между ее компонентами и вяжущим, в конечном итоге, ведущие к повышению вязкости среды и ускоренному формированию твердого жесткого скелета пористого материала;

5) применение таких ПАВ и присадок к смеси, которые обеспечивали образование прочного слоя на поверхности пузырьков газа, предотвращающего или тормозящего их коалесценцию с последующим ускорением фазового разделения.

Если разработке первых пунктов уделялось большое внимание исследователей, о чем говорят многочисленные публикации, то в некоторой тени остаются последующие. В связи с этим сделана попытка провести теоретический анализ, получивший экспериментальное подтверждение, по влиянию электрического поля на процесс формирования структуры пенобетона [1,2] и присадок к смеси реагентов, способных при возрастании их концентрапии к гелеобразованию [2,3]. Образование геля повышает вязкость раствора, в связи с чем уменьшает скорость фазового разделения и агрегатации пузырьков газа, демпфирует внутренние напряжения, проявляющиеся в результате контракции, в формирующемся твердом каркасе пенобетона. пенобетонный смесь перегородка прочность

Влияние электрического поля на формирование структуры и свойств пенобетоиов. Сырьевая шликерная смесь бетонов представляет собой систему, состоящую из частиц клинкерных минералов, продуктов их гидролиза и гндратации, тонкого наполнителя, газообразной и жидкой составляющей. Последняя, как известно, является сложным по составу щелочным электролитом. Наличие в растворе ионов, полярных молекул воды, отрицательно заряженных твердых частиц, прежде всего клннкерных минералов, не оставят индеферентнымн процессы, протекающие в этой многофазной системе, к приложенному электрическому полю. Характер протекающих процессов, очевидно, будет связан с его частотой.

Постоянное электрическое поле может приводить не только к сквозному транспорту носителей зарядовионов, но и к поляризации дисперсной среды, в частности молекул воды, и компонентов дисперсной фазы -- частиц вяжущего и наполнителя.

С одной стороны, щелочная среда при достаточной ионной проводимости бетонных смесей при определенных условиях позволяет реализовать электролитическое разложение воды на водород и кислород с непосредственным получением газообразных смесей. С другой стороны, молекулы воды полярны, а твердые частицы вяжущего и силикатного наполнителя относятся к ионопроводящим диэлектрикам. Поляризация дисперсной фазы и дисперсной среды в постоянном электрическом поле может приводить наряду с их химическим сродством к дополнительному дипольдипольному взаимодействию, способствуя ускорению реакции гидролиза и гидратации клинкерных минералов и упрочнению поверхностньх связей между образующимися кристаллогидратами, тем самым способствуя стабилизации пенобетонных смесей и повышению механических характеристик конечного продукта.

Несколько иной характер будет носить влияние переменного электрического поля на формирование структуры бетона вообще, а пенобетона в частности.

Электрокинетическая устойчивость тонкодисперсных систем обусловлена размерами частиц дисперсной фазы и наличием одноименных поверхностных зарядов, а в случае гидрофильных систем -- дополнительным наличием гидратных оболочек. Эти факторы препятствуют в конечном итоге их агрегатации. Увеличение скорости агрегатацин продуктов гидратации минералов цементного клинкера может способствовать увеличению скорости набора прочности строительных растворов и бетонов, особенно в первоначальный период. Последнее обстоятельство представляется важным при формировании изделий из пенобетона, так как приведет к уменьшению скорости их фазовой дифференциации.

Известно, что при взаимном контакте частиц дисперсной фазы на них действуют два вида сил противоположных по знаку: F_E-- кулоновские (дальнодействующие), F_Д-- дисперсионные (близкодействующие), по своей природе приближающиеся к химическим. Они определяют соответственно два вида энергии взаимодействия: Е_К, Е_Д.

Переменное электрическое поле вызовет вынужденные колебания рост их кинетической энергии. В связи с этим особый интерес представляют электрические поля такой частоты, которые вызвали бы колебания наибольшего числа частиц с наибольшей амплитудой. При этом следует отметить, что вынужденные колебания частиц всех трех видов контактов между ними в высококонцентрированных дисперсных системах, по классификации П.А. Ребиндера, приведут к наиболее прочным -- «фазовым», т.е. по площадям их граней и соответственно к росту взаимной адгезии. Движение заряженной частицы дисперсной фазы в периодическом поле можно описать известным дифференциальным уравнением вынужденных колебаний:

m(d²dx/dt²)= сх -- µ(dx/dt)+Q_oSin f t, (1)

где m -- масса частицы; с -- коэффициент, характеризующий жесткость среды, в данном случае сжимаемость жидкой фазы; µ -- коэффициент, учитывающий ее вязкость; Q, f -- амплитуда и частота возмущающей силы, в данном случае периодического электрического поля.

Решение (1) в приложении к поставленной задаче дано в [1]. Отметим, что максимальные значения амплитуды вынужденных колебаний частиц будут наблюдаться на частотах, удовлетворяющих равенству: f² = 3/(4врr), где в -- коэффициент сжимаемости жидкой фазы, равный для воды 4,91·10¹⁰ Н¹·м²; с-- плотность твердой фазы, принимаемая для цемента равной 3·10³ кг/м³; r -- размер частиц твердой фазы, для цемента лежащие в интервале 5 10⁶ч2 10⁴ м.

Расчет показывает, что наиболее эффективное воздействие на физикохимические процессы, протекающие в строительном растворе можно ожидать на частотах электрического поля, лежащих в интервале 50 ч320 кГц. С учетом гидратации частичек вяжущего и их возможностей агрегатации, связанных с увеличением размеров и массы, а также значительной вязкости растворов высококонцентрированных дисперсных систем, эффективные частоты могут оказаться значительно меньшими рассчитанных теоретически.

Проверку принципиальной возможности реализации электрохимического способа получения газобетона проводили с использованием 3позиционного газогенератора (электролизера), выполненного из полимерного диэлектрика с электродами из нержавеющей стали, песчаноцементного раствора, содержащего 1% твердой фазы пенообразователя «Пеностром».

Для приготовления раствора с В/Т = 0,32 использовали цемент марки 400 и кварцевый песок с М_кр=1,1.

В целом проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность электрохимического получения газобетона при плотности тока j ? 4,5 mA/см² и времени его пропускания до 30 мин. При этом были получены образцы со средней плотностью до 1290 кг/м³, пористостью до 50 %, характеризующиеся пределом прочности при сжатии до 5 МПа.

Существенным недостатком метода, исключающим его перспективность, является необходимость в дополнительном механическом перемешивании смеси, так как газовыделение происходит только лишь на электродах.

Для исключения процесса перемешивания растворов пенобетонов и изучения влияния постоянного электрического поля на протекающие процессы при формировании их структуры проведены исследования при замене 10% кварцевого песка углистой фазой (тонко молотый уголь, сажа). Эти. материалы характеризуются электронной проводимостью и соответственно их частицы, находящиеся в смеси, могут играть за счет поляризации одновременно роль обоих электродов, обеспечивая частичное объемное газовыделение. В качестве пенообразователя использовали ПОЗНП. Пенобетонную массу с исходной вязкостью 260 -- 235 мм выдерживали под полем при начальной плотности тока j = (3ч4,5) 10³ А/см² в течение 30 мин с последующим пропариванием и 7суточном твердении при атмосферных условиях.

Поляризация внешних металлических электородов за счет выделявшейся на них и защемленной раствором газовой фазы приводили в конечном итоге только лишь к небольшому росту (до 1 %) пористости пенобетона.

Исследования применимости рабочей гепотезы по влиянию высокочастотного электрического поля на процессы формирования структуры и физикомеханические свойства пенобетонов проводили на основе предварительно вспененных цементнопесчаных растворов с использованием тех же материалов и в таком же соотношении, что и в последнем случае на постоянном. Отформованные образцы выдерживали под 1 полем при начальной плотности тока j?7•10⁴ А/см² в течение 2 часов, т.е. до начала схватывания смесей.

Полученные объемные и прочностные характеристики пенобетонов, прошедших после обработки высокочастотным полем стадии пропаривания в течение 12 часов и 7суточного атмосферного твердения.

Учитывая, что исследования проводили с использованием цемента и тонкого наполнителя, принадлежащим разным партиям, изменения указанных свойств приведены в относительных единицах по отношению к контрольным образцам, не подвергавшимся воздействию электрического тока.

Анализ представленных графических зависимостей (ДR/R_O )·100% и (ДV/V_O )·100% от частоты электрического поля показывает, что в интервале частот 10³ч10⁴ Гц наблюдается максимальное возрастание прочности образцов на сжатие (до 150%) при относительно малом (до 2,5 %) уменьшении пористости. На этих частотах максимальное число частиц участвует в колебательном движении.

Таким образом, приведенные экспериментальные данные в принципе согласуются с основными положениями рабочей гипотезы.

Положительное влияние высокочастотного механического вибрирования на свойства бетонов без детального рассмотрения протекающих при этом процессов отмечалось ранее многими исследователями. Так, например, в работах И.П. Артемова, В.А. Китайцева и др. впервые апробировано воздействие механических колебаний звуковой частоты (200 -- 800 Гц) на физикомеханические характеристики ячеистых бетонов, позволяющее увеличить прочность цементного камня на 40 -- 50%. Причем, как отмечается ими, эффект активации возрастает с увеличением интенсивности и частоты колебаний.

Анализируя сущность двух видов высокочастотного вибрирования бетонной массы, следует отметить их одновекторный характер, связанный с вынужденными колебаниями, с максимальной амплитудой частиц определенной массы и размеров. Однако применение высокочастотного электрического поля исключает из технологической цепочки сложные по конструкции механические вибраторы звуковой частоты или другие преобразователи электрических колебаний в механические.

Влияние органических гелеобразующих компонентов па формирование и свойства пенобетонов. Повышения качества смесей и физикомеханических свойств пенобетонов можно ожидать при добавлении в сырьевую смесь присадок, уменьшающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость -- газ, с одной стороны, и повышающих устойчивость пенообразования во времени -- с другой. Такими компонентами могут быть вещества органической природы с достаточно большой молекулярной массой и способные при малых концентрациях образовывать гели. При этом следует отметить, что увеличение концентрации пенообразователя (ПО) на основе их пены и устойчивости не всегда приводит к ожидаемому результату. Исследования по влиянию концентрации пенообразователей: ПО -- ЗНП, ПО -- 6НП, Мериен на поверхностное натяжение (у) водных растворов и цементной вытяжки показали, что уменьшение о и его стабилизация наблюдаются при концентрациях 0,5 -- 2 (масс %) ПО. Увеличение концентрации ПО сверх 2% приводит к обвальному разрушению пе ны при начальной высокой ее кратности. Это связывается нами с процессом солюбизации, обусловленным образованием замкнутых гидрофобных мицеллообразованных структур с расположением молекул воды в их центральной части, что приводит к истончению межфазных перегородок.

В качестве органических добавок к растворам ПО, способных влиять на их свойства, использовали мочевину (NH₂)СО, тиомочевину (NН₂)С=S, казеин и желатин. Последние, близкие по природе, относятся к высокотемпературным соединениям -- белкам -- и способны уже при малых концентрациях образовывать гели.

Проведенные исследования показывают, что первые проявляют поверхностную активность, понижая при концентрациях 1 -- 2 % поверхностное натяжение на 2; 0,5 Н/м соответственно. Однако пены при их присутствии во всем интервале концентраций от 0,25 до 4% характеризуются малой устойчивостью, разрушаясь в течение 3 -- 5 мин.

Иной характер носит влияние казеина и желатина на свойства раствора. При их 1-- 2 % содержании наблюдается повышение о на 4 -- 8 %, и практически 2кратное -- вязкости растворов, но при этом значительно возрастает устойчивость пены. При экспозиции 12 мин при 1 % их содержании объем связанной в пену жидкой фазы составлял примерно 50 %, оставаясь в дальнейшем неизменным. В случае с желатином при концентрациях свыше 2 % генерировать пену путем прохождения растворов под вакуумом через фильтр Шотга уже не представлялось возможным.

Таким образом, несмотря на некоторую отрицательную поверхностную активность, введение в состав сырьевой смеси пенобетонов казеина и желатина может играть роль стабилизирующего фактора пены, как на начальной стадии формирования изделий, так и свойствах конечного продукта. Химическое связывание воды в кристаллогидраты минералами цементного клинкера автоматически ведет к росту их концентрации в растворе и гелеобразованию. Дополнительное образование последних может демпфировать механические напряжения в пенобетоне, связанные с контракцией и разрывом оплошности межпузырьковых перегородок, коалесценции пор и последующей фазовой дифференциации пенобетонной смеси.

Проведенные исследования показали, что уже при концентрациях до 0,15 % от твердой фазы прочность образцов пенобетонов возрастает более чем на 40 % при несущественном 2 % росте плотности.

Таким образом, на основании вышеизложенного материала обработку растворов пенобетонных смесей электрическим полем определенной частоты и введение в шликерную массу гелеобразующих компонентов можно отнести к методам, ведущим в значительному повышению физикомеханических характеристик пенобетонов.

Литература

1. Мальцев В.Т., Невскии В.А., Мальцев Н.В. О потенциальном влиянии тока высокой частоты на устойчивость тонкодисперсных систем,Ч Известия РГСУ. -- 2001.-- № 6. -- С. 207 -- 209.

2. Мальцев НВ. и др. Элекгролитическое разложение водной составляющей высококонцентрированных дисперсных систем // Материалы Междунар. науч.практ. конф. «Строительство2002». -- Ростов н/Д, 2002. -- С. 123 -- 124.

3. Мальцев Н В., Измалкова Е.В., Ткаченко ГА. О влиянии добавок коллондных веществ на повышение стабильности пеномасс // Там же. -- С. 62 -- 63.

Размещено на Allbest.ru