Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы

Введение

теплоизоляционный органический пенобетон

Являясь одной из ведущих держав мира по производству энергии, Россия значительно уступает экономически развитым странам в вопросах рационального использования энергоресурсов. Так, сегодня на выпуск товарной продукции в Западной Европе в среднем расходуется 0,5 кг условного топлива на 1 долл. продукции, в США - 0,8 кг, в России - 1,4 кг.

Эффективность использования топливно-энергетических ресурсов в России остается крайне низкой. Если в 1971 году страны Восточной Европы (СССР и его союзники) и Западной Европы (все остальные страны Европы плюс Турция) характеризовались одинаковым количеством энергии, потребляемой на душу населения, то к 90-тым годам этот показатель в странах Восточной Европы был уже на 37% выше. Сложившийся не в пользу России баланс энергопотребления еще более усугубился в 90-тые годы. Энергоемкость продукции в связи с переживаемым в стране экономическим кризисом выросла более чем на 40%.

Велико отставание России по энергосбережению и в коммунальном хозяйстве, где расходуется до 20% всех энергоресурсов страны, т.е. на единицу жилой площади расходуется в 2 - 3 раза больше энергии, чем в странах Европы. Так, жилые многоэтажные здания потребляют в России от 350 до 550 кВт*ч/(м²*год), индивидуальные дома коттеджного типа - от 600 до 800 кВт*ч/(м²*год). Вместе с тем за рубежом, например в Германии, дома усадебного типа потребляют в среднем по стране около 250 кВт*ч/(м²*год), в Швеции - 135 кВт*ч/(м²*год). Лучшие же зарубежные образцы жилых зданий потребляют от 90 до 120 кВт * ч/(м² * год).

Анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения показывает [1-2], что одним из наиболее эффективных путей ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудования и тепловых сетей. В этой связи обращает на себя внимание интенсивное развитие в рассматриваемых странах промышленности теплоизоляционных материалов. В некоторых странах, таких, например, как Швеция, Финляндия, Германия, США и др., объем выпуска теплоизоляционных материалов на душу населения в 5-7 раз превышает выпуск утеплителей на одного жителя в России. Расчеты показывают, что потребность только жилищного сектора строительства в эффективных утеплителях в 2010 году может составить 25-30 млн. м³ и должна быть удовлетворена в основном за счет отечественных материалов.

Необходимость энергосбережения во всех областях техники потребовала создания и внедрения новых технологий в промышленности теплоизоляционных (ТИ) материалов. Резкое удорожание энерго- и теплоносителей вызвало кризис в производстве ТИ материалов. Одним из путей выхода из него является разработка более эффективных технологий ТИ материалов, изделий и конструкций из них, отличающихся простотой, мобильностью, экономичностью и конкурентоспособностью изготовляемой продукции, отвечающей требованиям рынка.

Одним из направлений расширения номенклатуры и повышения качества многих видов огнеупорных, теплоизоляционных и строительных материалов является их поризация за счет введения в сырьевую смесь пенообразователей и ее поризации за счет вовлечения диспергированных пузырьков воздуха при интенсивном перемешивании.

Данная электронная версия учебных пособий [1,2] написана доцентом кафедры «Теплотехнических и энергетических систем» Магнитогорского государственного технического университета к. т. н. Морозовым А.П.

1. Общие сведения о теплоизоляционных материалах и конструкциях

1.1 Классификация теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы в зависимости от назначения подразделяют на изоляционно-строительные, которые применяют для утепления строительных ограждений, и изоляционно-монтажные - для утепления трубопроводов и промышленного оборудования. Деление это условно, так как некоторые материалы используют как для изоляции строительных конструкций, так для изоляции промышленных объектов.

Теплоизоляционные материалы классифицируют (ГОСТ 16381-77) по следующим признакам [3]:

1. Форме и внешнему виду: штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры, сегменты); рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты); рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок и др.).

2. Структуре: волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.); зернистые (перлитовые, вермикулитовые); ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло, пенопласты, совелитовые и др.).

3. Виду исходного сырья: неорганические; органические; композиционные.

4. Средней плотности: на группы и марки, указанные в табл. 1; материалы, которые имеют промежуточные значения плотности, не совпадающие с указанными выше, относятся к ближайшей большей марке.

5. Жесткости: мягкие (М) - сжимаемость свыше 30% при удельной нагрузке 0,002 МПа (минеральная и стеклянная вата, вата из каолинового и базальтового волокна, вата из супертонкого стекловолокна, маты и плиты из штапельного стекловолокна); полужесткие (П) - сжимаемость от 6 до 30% при удельной нагрузке 0,002 МПа (плиты минераловатные и из штапельного стекловолокна на синтетическом связующем); жесткие (Ж) - сжимаемость до 6% при удельной нагрузке 0,002 МПа (плиты из минеральной ваты на синтетическом или битумном связующем); повышенной жесткости (ПЖ) - сжимаемость до 10% при удельной нагрузке 0,04 МПа (плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем); твердые (Т) - сжимаемость до 10% при удельной нагрузке 0,1 МПа.

Таблица 1. Классификация теплоизоляционных материалов по средней плотности

6. Теплопроводности: класс А-низкой теплопроводности - теплопроводность при средней температуре 298 К (25°С) до 0,06 Вт/(мК); класс Б - средней теплопроводности - теплопроводность при средней температуре 298 К от 0,06 до 0,115 Вт/(мК); класс В-повышенной теплопроводности - теплопроводность от 0,115 до 0,175 Вт/(мК);

7. Горючести (СНиП 21-01-97): негорючие (НГ); слабогорючие (П); умеренногорючие(Г2); нормальногорючие (ГЗ); сильногорючие (Г4).

1.2 Теплоизоляционная конструкция и ее основные элементы

Теплоизоляционная конструкция представляет собой комплекс, отвечающий совокупности требований, определяемых внутренними условиями работы изолируемого объекта и внешними условиями эксплуатации конструкции.

Условия работы тепловой изоляции, а, следовательно, и выбор той или иной теплоизоляционной конструкции во многом зависят от типа изолируемого объекта.

К основным типам изолируемых объектов следует отнести:

* оборудование и трубопроводы технологических установок, энергетических систем [4-12] и холодильных установок [13-15]; теплофикационные сети [16];

* промышленные печи и дымовые трубы [17,18];

* жилые и промышленные здания и сооружения [19-22];

* тепловые двигатели и транспортные средства [12,23].

Объектами тепловой изоляции в нефтяной и химической промышленности являются - ректификационные колонны, регенераторы, скрубберы, реакторы, калориферы, теплообменники, емкости для хранения нефтепродуктов, конденсатные сборники и др.

В энергетических системах тепловая изоляция выполняется на оборудовании и трубопроводах теплоэлектростанций [4-6] и производственно-отопительных котельных местного значения. Тепловой изоляции подлежат: паровые котлы [7-11], паровые и газовые турбины [12], подогреватели, испарители, деаэраторы, баки, бойлеры, насосы, дымососы, газоходы, вентиляторы, сепараторы, циклоны и другое оборудование.

В промышленных тепловых агрегатах изолируются [17] доменные, нагревательные, термические, стекловаренные и вращающиеся печи, электропечи, промышленные сушила, тоннельные и нагревательные печи, котлы-утилизаторы, подогреватели, воздухонагреватели, металлические, кирпичные и железобетонные дымовые трубы.

В жилых и промышленных зданиях и сооружениях изолируют фундаменты, стеновые ограждения, междуэтажные и чердачные перекрытия, бесчердачные покрытия, системы горячего и холодного водоснабжения.

На транспорте изолируют пассажирские и изотермические вагоны, авторефрижераторы, суда всех типов, подвижной состав городского транспорта, самолеты.

В зависимости от назначения изолируемого объекта различают следующие виды тепловой изоляции: промышленная - изоляция промышленного оборудования и трубопроводов; строительная - изоляция строительных конструкций зданий и сооружений.

В зависимости от температуры изолируемых объектов они подразделяются на объекты с положительной и отрицательной температурой поверхности.

По форме и размерам объектов тепловой изоляции конструкции бывают:

* плоские (стены, перекрытия промышленных и жилых зданий, холодильников; стены, полы, своды теплотехнических установок, поверхности технологических аппаратов);

* поверхности большого радиуса кривизны (вертикальные и горизонтальные технологические аппараты, колонны, емкости диаметром более 1600 мм);

* поверхности оборудования и трубопроводов диаметром 500-1600 мм; трубопроводы диаметром до 500 мм;

* поверхности сложной конфигурации (фланцевые соединения трубопроводов и аппаратов, запорная арматура, компенсаторы, отводы, повороты, тройники).

В зависимости от местоположения объектов тепловой изоляции конструкции могут находиться внутри зданий, на открытом воздухе и под землей. Трубопроводы под землей могут быть проложены бесканально, либо в непроходных каналах и тоннелях.

Существует еще целый ряд признаков, характеризующих теплоизоляционные конструкции: высота и длина, вертикальное или горизонтальное расположение.

Теплоизоляционные конструкции состоят из следующих основных элементов:

* теплоизоляционного слоя;

* покровного слоя, предохраняющего основной слой от атмосферных осадков, механических повреждений и воздействия агрессивных сред;

* пароизоляционного слоя, защищающего изоляцию от атмосферной влаги;

* крепежных деталей, которыми крепят теплоизоляционный и покровный слои между собой и к изолируемой поверхности, а также обеспечивают жесткость конструкции.

В зависимости от назначения конструкции, условий ее работы, материала теплоизоляционного и покровного слоев конструкцию дополняют антикоррозионным или отделочным слоем.

Теплоизоляционный слой, как правило, непосредственно примыкает к изолируемой поверхности и выполняет теплозащитную функцию. В ряде случаев производят антикоррозийную обработку объекта, если выбранный тип изоляции сам не несет функций защиты от коррозии.

В зависимости от материала теплоизоляционного слоя теплоизоляционные конструкции подразделяются на следующие виды:

* Рулонные и шнуровые конструкции выполняют из волокнистых изделий в обкладках и без обкладок. К таким конструкциям относятся плиты из минеральной ваты на синтетических связующих, маты минераловатные прошивные, маты и плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем, шнуры, жгуты, холсты, полосы. Рулонные и шнуровые конструкции удобны для изоляции криволинейных участков трубопроводов, фасонных частей, компенсаторов и других сложных по форме элементов.

* Конструкции из штучных изделий (цилиндров, сегментов, скорлуп, плит, блоков и кирпичей), изготовленных из зернистых, волокнистых и ячеистых материалов, применяют для изоляции холодных и горячих трубопроводов, плоских и криволинейных поверхностей. Изделия устанавливают на мастиках или насухо. Такие конструкции требуют тщательной подгонки друг к другу в процессе монтажа.

* Конструкции, выполняемые напылением теплоизоляционных масс, составляют единое целое с изолируемой поверхностью и отличаются монолитностью, отсутствием швов и тепловых мостиков. Конструкции отличаются простотой производства теплоизоляционных работ. Для изоляции горячих поверхностей используют зернистые (перлит, вермикулит) и волокнистые (асбест, минеральное волокно) материалы. Для изоляции холодных поверхностей используют композиции пенополиуретана.

* Засыпные (набивные) конструкции изготовляют из сыпучих волокнистых или порошкообразных материалов.

* Мастичные конструкции - из мастик, приготовленных из порошкообразных или волокнистых материалов.

* Литые конструкции изготавливают путем заливки жидких компонентов в пространство между изолируемой поверхностью и ограждением (опалубкой), например кожухом покрытия, которые затем вспучиваются.

По степени монтажной готовности теплоизоляционные конструкции делят на полносборные заводской готовности, комплектные и сборные:

* конструкция теплоизоляционная полносборная (КТП) представляет собой теплоизоляционное изделие, в котором теплоизоляционный слой скреплен с защитным покрытием клеями или шплинтами и оснащен деталями для крепления конструкции на изолируемом объекте;

* конструкция теплоизоляционная комплектная (КТК) - набор предварительно подготовленных по типоразмерам теплоизоляционных изделий, элементов защитного покрытия и деталей крепления, собираемых поэлементно на месте монтажа;

* сборная (поэлементная) - конструкция, которую собирают в проектном положении на месте монтажа из теплоизоляционных и защитно-покровных материалов с доводкой и фиксацией крепежными деталями по месту.

Конструкции, теплоизоляционный и покровный слои которых выполнены из штучных изделий, а также засыпные, набивные, мастичные и литые относятся к неиндустриальным; индустриальные конструкции - полносборные и комплектные.

В зависимости от температуры изолируемых поверхностей конструкции изоляции делятся на группы: для горячих и для холодных поверхностей (с положительными и отрицательными температурами).

По количеству основных теплоизоляционных слоев конструкции бывают одно- и многослойные (двух- и трехслойные). Многослойная изоляция бывает однородная или неоднородная, т.е. выполненная из двух теплоизоляционных материалов или изделий и более.

Теплоизоляционные конструкции подвергаются оптимизационным расчетам [3, 6, 9-11, 16, 24] с целью экономии тепловой энергии, теплоизоляционных материалов и сокращения массогабаритных показателей ограждений.

1.3 Состояние производства теплоизоляционных материалов и конструкций в России и за рубежом

Основным видом применяемых в России утеплителей являются минераловатные изделия, доля которых в общем объеме производства и потребления составляет более 65%. Около 8% приходится на стекловатные материалы, 20% - на пенополистирол и другие пенопласты. Доля теплоизоляционных ячеистых бетонов в общем объеме производимых утеплителей не превышает 3%; вспученного перлита, вермикулита и изделий на их основе - 2-3% (по вспученному продукту).

Структура объемов выпуска утеплителей в России близка к структуре, сложившейся в передовых странах мира, где волокнистые утеплители также занимают 60-80% от общего выпуска теплоизоляционных материалов.

До периода рыночных реформ большая часть объема выпускаемых минераловатных изделий была ориентирована на промышленную теплоизоляцию, а интересы жилищного строительства, особенно индивидуального, оставались на втором плане. В настоящее время номенклатура выпускаемой продукции все больше отвечает условиям жилищного строительства, где наряду с традиционными требованиями появляются требования по прочности, долговечности, водо- и атмосфероустойчивости.

Следует признать, что качество и ограниченная номенклатура отечественных утеплителей, выпускаемых многими предприятиями Российской Федерации, не в полной мере отвечает нуждам жилищного строительства. Это позволяет ведущим фирмам западных стран успешно осваивать рынки России и продавать свою продукцию. Например, объем продаж на российском рынке только фирмы «Роквул» (Дания) достиг в 1990-х годах около 10 млн. долларов США в год, а поставки фирмы «Партек» (Финляндия) распространились в этот период до Иркутска.

Часто считают, что импортные утеплители при той же плотности, что и российские, обладают более низким коэффициентом теплопроводности. Об этом говорит простое сравнение показателей теплопроводности утеплителей по отечественным ГОСТ и ТУ и показателей данных фирм-импортеров. Между тем разницу в большинстве случаев можно объяснить отличиями в методике определения теплопроводности. Так, например, в России замер производят при 25°С, а за рубежом - при 10°С. Такая разница в граничных условиях может дать отличие в результатах до 15% не в пользу отечественных утеплителей.

Предусмотренное федеральными целевыми программами «Жилище» и «Свой дом» массовое жилищное строительство не может ориентироваться на зарубежные поставки. Потребность этого сектора в эффективных утеплителях ежегодно возрастает и должна быть удовлетворена в основном за счет отечественных производителей. Расчетами Госстроя РФ, выполненными в рамках федеральных целевых программ «Жилище» и «Свой дом», определена потребность в эффективных теплоизоляционных материалах для строительства. Так, при объеме нового строительства 80 млн. м² жилой площади в год и объеме реконструкции 20 млн. м² понадобится около 18 млн. м³ утеплителя.

Следует заметить, что потребность в утеплителях резко возросла после ужесточения нормируемых теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, принятых Госстроем РФ в 1995-1996 годах. Вследствие принятых решений требуемая толщина теплоизоляционного слоя должна увеличиться в 1,5-2 раза на первом этапе и в 3 и более раза - на втором. Общая потребность в утеплителях для всех отраслей хозяйства страны по расчетам Теплопроекта составит к 2010 году до 50-55 млн. м³.

2. Пористые или ячеистые теплоизоляционные бетоны

Наибольшее распространение в строительстве получили теплоизоляционные бетоны - как газонаполненные (пенобетон, ячеистый бетон, газобетон), так и на основе легких заполнителей (керамзитобетон, перлитобетон, полистиролбетон и т.п.).

Наиболее активно в настоящее время развиваются газонаполненные бетоны. Производство ячеистых бетонов организовано практически во всех регионах России. Этому способствуют простота технологии, доступность сырьевых материалов, относительно невысокая стоимость и хорошие теплоизоляционные свойства. В России действуют более 40 заводов, цехов и установок, более 20 строятся или расширяются.

В последние годы нашло применение строительство малоэтажного жилья из монолитного пенобетона или из крупных элементов, изготавливаемых на месте строительства [25-31]. В связи с ростом в последние годы стоимости энергии увеличивается удельный вес безавтоклавных ячеистых бетонов - пенобетонов [1].

2.1 Классификация и основы технологии ячеистых бетонов

Отличительным свойством ТИ материалов и изделий является высокая пористость, существенно снижающая их теплопроводность, на которую оказывает влияние вид пористой структуры, размер и форма пор. Известно [32], что лучшую теплоизоляционную способность имеют материалы с замкнутыми порами. Для получения ТИ материалов используют способы пено- и газообразования, а также способ выгорающих добавок [33].

В зависимости от соотношения составляющих компонентов, ячеистые и, в том числе, пенобетоны могут быть теплоизоляционными (плотность = 200-600 кг/м³, прочность = 0,5-2,0 МПа) и конструкционными ( = 800-1300 кг/м³, = 3,0-15 МПа). В данном разделе книги рассматриваются, в основном неавтоклавные пенобетоны.

Существует несколько направлений классификации ячеистых бетонов [34-55]:

а) по способу ячейкообразования (газобетоны - при использовании газообразующих веществ, например алюминиевого порошка; пенобетоны - при использовании воздухововлекающих добавок и пенообразователей);

б) по виду применяемого вяжущего вещества (пенобетон - на цементах; пеносиликат - на воздушной извести; пеношлак, пеногипс, пенополимербетон и другие);

в) по виду применяемого режима твердения (автоклавные, пропаренные, естественного твердения);

г) по назначению (конструктивные, теплоизоляционные).

По современным представлениям [56] ячеистые бетоны делят на два класса: воздушного и автоклавного твердения, с включением пенобетонов и газобетонов; а также на три группы: пенобетоны, газобетоны и легкие известковые. Можно делить ячеистые бетоны на конструкционные и теплоизоляционные по их объёмной массе, по способам твердения и образования пористой структуры, по виду применяемых вяжущих и заполнителей. По способу твердения различают естественное (пропаривание без давления) и запаривание (обработка при повышенном давлении), а кроме разделения на пено- и газобетон, вводят ещё группу ячеистых бетонов, пористость которых образуется при испарении специально вводимой избыточной воды затворения. Ячеистые бетоны можно изготавливать при вибрировании в процессе вспучивания, на активизированных вяжущих, при порообразовании вследствии введения сильнообводненных гелеобразных продуктов или при закипании перегретой воды в порах свежеизготовленного материала.

По способу порообразования ячеистые бетоны делятся в зависимости от способа создания пористой структуры: газообразованием (газобетоны, газосиликаты); пенообразованием (пенобетоны, пеносиликаты); аэрированием (аэрированный ячеистый бетон или силикат). Возможны совокупные комбинации данных способов: вспучивание газообразованием в вакууме (небольшое разряжение); аэрирование массы под давлением (барботирование её сжатым воздухом) с последующим снижением давления до атмосферного (баротермальный способ).

Ячеистые бетоны представляют собой искусственные каменные материалы, имеющие наряду с обычными порами (поры геля, контракционные, капиллярные, условно-замкнутые) цементного камня, микропоры ячейкового вида. Последние получаются в результате затвердевания поризованной после затворения водой смеси цемента, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя, иногда с добавлением извести и гипса.

Основа производства любых ячеистых бетонов - это получение ячеистой структуры, которая после твердения даёт систему с твёрдой средой и газовой дисперсной фазой - твёрдую пену. До твердения прочность и устойчивость ячеистой структуры определяется свойствами плёночного каркаса. Со временем, плёнки между пузырьками утончаются вследствие стекания жидкости и, если не происходит твердение каркаса, пузырьки лопаются, а ячеистая структура разрушается. Устойчивость ячеистой структуры зависит от вязкости и температуры раствора, pH жидкой фазы и присутствия в ней электролита, причём повышение вязкости раствора улучшает устойчивость ячеистой структуры, а повышение дисперсности пузырьков газа улучшает ячеистую структуру.

Для достижения более высокой пористости (для газобетонов - предельная пористость 74%, обеспечивающая объёмную массу 690-720 кг/м³) ячеистых бетонов, целесообразно создавать поры в них одновременно тремя способами: испарением воды затворения - образованием микропор; с помощью газообразователей; введением ПАВ, вызывающих в определённых условиях эффект воздухововлечения, или путём введения пены (как в пенобетонах). При этом могут быть получены бетоны с объёмной массой ниже 300 кг/м³.

Причиной разрушения структуры ячеистого бетона может быть расслоение раствора между пузырьками газа. Это проявляется, например, на первых этапах вспучивания газобетона, когда объёмная масса ячеистого раствора ещё велика. Если при производстве газобетона применяются такие водотвёрдые отношения, при которых масса через короткое время начинает расслаиваться за счёт седиментации твердых частиц, то пузырьки газа при вспучивании играют роль стабилизатора. Седиментирующиеся частицы, попадая на верхнюю поверхность свода пузырька, удерживаются на границе раздела фаз и вместе с ним медленно всплывают, что служит причиной укрупнения пузырьков и снижения прочности ячеистого бетона. Для устранения этого явления целесообразно применять как можно более жёсткие смеси с небольшим содержанием воды, а также ускорять процессы газовыделения и схватывания.

В качестве газообразователей при изготовлении ячеистых бетонов можно применять алюминиевую пудру с диаметром частиц менее 50 мкм и с удельной поверхностью более 2000 см²/г [57]. Например, газообразователь для поризации бетонной смеси (а. с. 1588733 СССР, СО4В 38/02, опубл. 30.08.1990) содержит (в%): алюминиевую пудру - 8,97-13,9; чёрный сульфатный щелок - 12,9-13,7; воду - остальное. Причём достаточно высокое газообразование при автоклавном процессе происходит в течение 30-60 мин после затворения.

Газобетонной технологии присущи существенные недостатки, устранение которых весьма проблематично, например: низкая устойчивость поризованной массы на стадии вспучивания и вызревания, а также большая зависимость технологических операций поризации смесей и закрепления пористой структуры от теплового режима процессов; большая дефектность пористой структуры, выражающиеся в наличии контактных дырок в стенках пор и разрыхлении поверхности стенок пор в результате прорыва газа через перегородки, что является следствием разности давления газов в порах различного диаметра; сложность стабильного поддержания на заданном уровне плотности изделий в силу высокой чувствительности газовыделения и газоудержания от многих факторов технологического процесса, особенно при получении лёгких изделий [58, 59]. Применение вибрационной и ударной технологии, а также газопенного способа поризации масс, основанного на трёхстадийном насыщении сырьевой смеси газовой фазой, и использование песка с прерывистой гранулометрией в определённой мере могут ослабить негативные способы традиционной технологии газобетонов, но не устраняют их совсем. Необходимо добавить, что для газобетонной технологии свойственна ограниченность сырьевой базы из-за трудностей использования вяжущих и смесей, отличающихся кислой средой или высокой скоростью твердения (гипсовые вяжущие, гипсо-цементно-полимерные вяжущие и другие). Кроме того, в газобетонные смеси невозможно вводить подавляющее большинство неметаллических волокнистых армирующих материалов, так как они разлагаются в щелочной среде.

В пенном способе поризации строительных материалов формирование ячеистой структуры происходит в условиях пониженного поверхностного натяжения растворов, обусловленных наличием в смесях ПАВ. Пониженное поверхностное натяжение, повышенная вязкость и механическая прочность этого слоя, отсутствие заметной разности давления в порах, динамические воздействия в процессе поризации смеси (перемешивание) обеспечивают выполнение одного из главных принципов термодинамической устойчивости системы - создание наименьших поверхностей на границе раздела: газ - дисперсионная среда. Поэтому в материалах, полученных способом пенообразования, пористая структура лучше, чем в материалах, полученных газовым вспучиванием: поры имеют меньший размер и однородно распределены в объёме изделия, отсутствуют контактные дырки и трещины на межпоровых перегородках, а внутренняя поверхность пор гладкая и плотная. Последнее обстоятельство существенно снижает концентрацию напряжений в материале при его нагружении, что обеспечивает получение изделий с повышенной прочностью. Пенный способ поризации имеет возможность направленного регулирования объёма пористости и характеристик пористой структуры материала, в частности, создания полифракционных пор. Достигается это регулированием содержания ПАВ в растворе и гидродинамических условий перемешивания (например, изменением скорости вращения смесительного вала, площади поверхностей лопастей смесителя и её формы, применением мешалок с несколькими смесительными валами, вращающимися с различной скоростью, и другие).

Традиционный способ пенообразования в производстве высокопористых материалов включает три стадии: 1) приготовление из водных растворов ПАВ устойчивых пен («чистых» пен); 2) приготовление жидкотекучих минеральных или полимерных композиций образующих твёрдую фазу (остов) пористого материала; 3) смешивание пены и композиции до получения пеномассы заданной пористости, с последующей формовкой изделий методом разлива в формы.

Важным фактором, влияющим на стойкость пены при её смешении с минеральными или полимерными композициями является подвижность последних, зависящая от их концентрации, характеризующейся реологическими показателями. При этом высококонцентрированные композиции (малоподвижные) разрушают пену полностью или частично, а в то же время, сильно разбавленные композиции твердеют существенно медленнее, так как возникает опасность осадки пеномассы за счёт частичного разрушения структуры. Следовательно, при применении способа пенообразования оптимизация реологических свойств поризуемых композиций имеет важное значение для получения бездефектных структур.

Способ сухой минерализации пены является разновидностью способа пенообразования и включает следующие основные операции: приготовление «чистой пены»; сухую подготовку твёрдой сырьевой композиции (помол и смешивание минерального вяжущего и кремнеземистого компонента, помол стекла, шамота и других); смешивание пены и минерального порошка, т.е. бронирование пены. Перемешивание пены с тонкодисперсным минерализатором является наиболее ответственной операцией, при проведении которой необходимо учитывать ряд важных факторов. Во-первых, минерализация пены основана на прилипании тонкодисперсных твёрдых частиц к пузырькам пены, вследствие чего образуется сплошная ячеисто-минеральная система. Каждая ячейка в такой системе бронирована большим числом твёрдых частиц. Прилипание твёрдых частиц к пузырькам пены обусловлено силами взаимодействия поверхности твёрдой фазы и полярных групп пенообразователя. На поверхности раздела фаз газ - жидкость и жидкость - твёрдое вещество наблюдается молекулярное взаимодействие пенообразователей с образованием особых комплексов, которые способствуют прилипанию минеральных частиц к воздушным пузырькам. Степень комплексообразования, устойчивость комплексов, их химические и физико-химические свойства зависят от различных факторов: дипольных моментов полярных групп молекул и их размеров, концентрации реагентов, pH и температуры среды. Стабилизаторами пены могут являться твёрдые частицы с малым углом смачивания, медленно отсасывающие воду из пены. Разные группы ПАВ могут гидрофобизировать или гидрофилизировать твёрдые частицы. При этом гидрофобилизирующие ПАВ создают адсорбционные оболочки на поверхности твёрдых зёрен. В этих оболочках молекулы мыла или соответствующих жирных кислот ориентируются своими полярными карбоксильными группами к поверхности зерна, а углеводородными цепями - в окружающую водную среду. Таким образом, твёрдые частицы делаются с поверхности гидрофобными, плохо смачиваются водой, но легко смачиваются пузырьками воздуха, за счёт чего и удерживаются на воздушных пузырьках. Адсорбционные плёнки, образованные гидрофильными коллоидами (сапонин, клей, желатин), наоборот, повышают смачиваемость минерализатора. При этом существенно снижается устойчивость системы, пена разрушается твёрдыми частицами и минерализующий эффект не достигается. Следовательно, стабилизация пены при её сухой минерализации прямым образом зависит от природы ПАВ, что снижает круг пенообразователей, пригодных для получения высокопористых материалов данным способом. Устойчивость минерализованной пены зависит также от вида, количества и дисперсности твёрдых частиц, введённых в пену. Чем большая поверхность пены покрыта твёрдыми частицами и чем более они дисперсны, тем устойчевее пена, так как высокодисперсные твёрдые частицы устойчиво располагаются на поверхности плёнки пузырька, в то время как крупные, обладающие большей массой, предрасположены к сдвигу.

Технология сухой минерализации пены предусматривает: поризацию смесей методом сухой минерализации пены; использование пен различной кратности; направленное регулирование структуры пеноматериалов путём подбора кратности и степени минерализации пены; введение в состав формовочных смесей волокнистых армирующих и полимерных добавок; применение вибрации на стадиях приготовления пеномассы и формирования из неё изделий; короткий цикл приготовления пеномасс. Варьирование кратностью пены и водотвёрдого отношения, направленный выбор вида пенообразователя и минеральных компонентов, изменение конструкции пеносмесителя (пеногенератора) и параметров его работы позволяют с высокой степенью надёжности получать заданные характеристики технической пены с содержанием в ней диспергированного воздуха до 92% объёма и, как следствие, изготовлять пеноматериалы из различного сырья в широком диапазоне средней плотности (от 200 до 1000 кг/м³). Введение в смеси волокнистых армирующих и полимерных упрочняющих добавок является дополнительным мероприятием, обеспечивающим повышение физико-механических характеристик получаемых материалов, а применение вибрации облегчает минерализацию пены и гарантирует надёжность бездефектного заполнения форм (опалубки) пеномассой. Применении такой технологии высокопористых материалов не требует значительных капиталовложений, так как касается в основном модернизации смесительного и дозирующего оборудования, но при этом позволяет резко повысить эффективность получаемых материалов и рентабельность производства. Способ сухой минерализации пены предпочтителен в технологии монолитного пенобетона.

Получение пористых материалов методом аэрирования основано на вовлечении воздуха (газов) непосредственно в поризуемую массу в процессе её приготовления. С этой целью в воду затворения или полимерную композицию вводят воздухововлекающие добавки (ПАВ). Этот способ отличается простотой технологического процесса (одностадийная поризация), так как позволяет с высокой точностью регулировать среднюю плотность получаемого материала в широком интервале значений, а также характеризуется малой дефектностью поровой структуры и отсутствием трещин и «дырок формования» в межпоровых перегородках. Процесс насыщения концентрированных минеральных и полимерных суспензий воздухом непосредственно связан с изменениями, происходящими на границе раздела жидкой и газообразной фаз при введении в систему ПАВ, которые самопроизвольно накапливаются на границе раздела фаз, обеспечивая снижение поверхностного натяжения, т.е. в данном случае проявляется общность закономерностей, присущих процессам образования «чистых» пен и воздухововлечения. Однако, в силу того, что при воздухововлечении поризуемая масса представляет собой более сложную систему, чем при пенообразовании, между этими процессами существуют значительные различия. Так на процесс воздухововлечения оказывает влияние большее количество технологических факторов и этот процесс более чувствителен к режимам перемешивания и температуре системы, а также на него оказывают существенное влияние дисперсность и концентрация твёрдой фазы.

При аэрировании одновременно происходит два процесса: вовлечение воздуха в систему и выход его наружу, который тем больше, чем меньше газоудерживающая способность поризуемой массы. Вовлечение воздуха в смесь из пространства над её поверхностью осуществляется вследствие образования воздушных каверн лопастями смесителя. Вероятность образования каверны и её объём зависят, прежде всего от скорости вхождения лопасти в систему и размера лопасти. В ходе образования «воздушного следа» гидростатическая сила сообщает смеси ускорение, направленное внутрь каверны. Кинетика последующего разобщения каверн на множество мелких пузырьков определяется интенсивностью перемешивания и реологическими характеристиками массы. Поэтому объём воздухововлечения в сильной мере зависит от типа смесителя, режима перемешивания и реологических свойств смеси.

В вязкой жидкости воздушный пузырёк всплывает медленно и в этот период под действием перемешивания воздушные пузырьки перемещаются всё дальше в глубь массы, равномерно насыщая её диспергированным воздухом. Причём, предельное напряжение сдвига массы обеспечивает стабильное удержание воздушных пузырьков при некотором максимальном их диаметре.

Регулирование объёма вовлечённого воздуха и характеристик получаемой пористости может осуществляться за счёт следующих технологических факторов: выбора ПАВ; оптимизации его дозировки; направленной регулировки реологических свойств поризуемой массы; изменение гидродинамических условий перемешивания. При этом, выбирать ПАВ следует с учётом рН массы, её дисперсности, предельных значений поризации, кинетики набора структурной прочности массы. На размер пор при воздухововлечении и общий объём поризации большое влияние оказывают условия перемешивания массы (регулирование скорости вращения смесительного вала, площадь поверхности и форма лопастей, глубины их погружения в массу и другие). Анализ вероятности дробления воздушных пузырьков при различных гидродинамических условиях перемешивания показывает, что увеличение скорости вращения лопастей до определённого предела способствует дроблению пузырьков воздуха, а затем этот эффект исчезает и, наконец, при дальнейшем повышении скорости вращения рабочего органа смесителя в значительной степени возрастает обратный процесс - разрушение пузырьков воздуха и их коалесценция. В качестве воздухововлекающих добавок, дозируемых от 0,05 до 0,15% от массы сухих компонентов и обеспечивающих воздухововлечение в объёме 70-75%, используют синтетические ПАВ из группы нефтяных сульфокислот (пенообразователь ПО-1), вещество «Эффект» или комплексные ПАВ (смесь алкилбензосульфокислот, синтетических жирных кислот, эфиров вторичных спиртов), т.е. ПАВ анионоактивного класса.

Возможно сочетание лёгкого бетона с ячеистым [34, 60], когда наряду с песком в качестве заполнителей применяют пемзу и шлаки, которые уменьшают количество пенобетонной массы и повышают прочность пенобетона. На цементах сравнительно низких марок (200-300) с применением крупных заполнителей (пемзы, котельного шлака) можно получать [61] без автоклавной обработки газобетон с объёмным весом 700-1000 кг/м³. У газобетонных масс с крупными пористыми заполнителями газоудерживающая способность меньше, чем у масс без таких заполнителей, поэтому применение в газобетоне крупных заполнителей обуславливает повышенный расход газообразователя. В связи с этим для улучшения свойств лёгких бетонов необходима [62] поризация в них цементного камня, что при уменьшенном расходе цемента обеспечивает слитное строение лёгкого бетона и уменьшает его объёмный вес. Действительными заполнителями в ячеистом бетоне можно считать те, которые вводятся в ячеистую смесь в виде щебня из лёгких шлаков и других лёгких материалов. При этом лёгкий пористый заполнитель вводится в состав ячеистой смеси для того, чтобы избежать появления усадочных трещин в крупных изделиях, сэкономить вяжущее и одновременно улучшить качество изделий [34].

Лучше, чтобы пористый заполнитель находился в пенобетонной массе как бы во взвешенном состоянии и составлял приблизительно 20% объёма пеношлакобетона [37], а размер зёрен заполнителя, например для доменного шлака составлял от 5 до 20 мм [62]. Однако прочность, необходимую для стеновых панелей, можно получить лишь при объёмном весе вспененного раствора порядка 1500 кг/м³. Для снижения объёмного веса лёгкого бетона предлагается [63]: 1) максимально насыщать бетон крупным пористым заполнителем, например за счёт послойной заливки пенобетонной массы в заранее уложенный в формы пористый заполнитель (так называемое раздельное бетонирование), в результате зёрна заполнителя в бетоне плотно примыкают друг к другу; 2) применять пенобетонную массу, состоящую из тонкомолотых компонентов.

При получении изделий из керамзитогазобетона по принципу раздельного бетонирования из вяжущего, молотого песка и газообразователя готовят газобетонную массу и заливают в форму на половину высоты, а затем в форму под давлением вибрации засыпают керамзитовый гравий. Чтобы керамзит не всплыл в процессе вспучивания газобетонной массы и чтобы удобнее срезать «горбушку», формы прикрывают сеткой. Применение воздухововлекающих добавок (СНВ, ГК, ЦНИИПС-1 и других) позволяет [64] при изготовлении керамзитобетона несколько уменьшить объёмный вес керамзитобетона, увеличить подвижность керамзитобетонной смеси при уменьшенном расходе керамзитового песка. Дальнейшим развитием является технология производства термозитопенобетона на пенообразователях из древесного омыленного пека и сульфидноспиртовой барды [62]. При этом пенобетонная масса готовится без предварительного взбивания пены в растворомешалке с повышенным числом оборотов лопастей или в пенобетономешалке. Затем в другом смесителе пенобетонная масса перемешивается с термозитовым щебнем, и панели, отформованные из готовой смеси, пропариваются на стендах. Для уменьшения больших усадочных деформаций в пенобетоне воздушного твердения в пенобетонную массу добавляют пористые заполнители (природную пемзу и керамзит) в количестве 1 м³ на 1 м³ бетона. Таким образом, разновидности поризованных лёгких бетонов можно разделить в зависимости от способов поризации на три основные группы: 1) беспесчанные, поризованные пены; 2) беспесчанные (или с песком), поризованные газообразующей добавкой; 3) на песке, поризованные воздухововлекающими добавками.

При получении поризованных лёгких бетонов возможны следующие способы поризации цементного камня при помощи пенообразующих веществ, обеспечивающие наименьший объёмный вес при слитном строении бетона [62]:

1. Поризация легкобетонных смесей путём добавления пенообразующих веществ при перемешивании смесей. Добавление пенообразующей добавки ЦНИПС-1 в количестве 0,1-0,3% от веса цемента в обычную шлакобетонную смесь при её перемешивании в растворомешалке (n = 60 об/мин) привело к уменьшению объёмного объёма шлакобетона всего на 6-8%, но прочность снизилась ~ на 40%. Аналогичные результаты получаются при введении пенообразующей добавки ГК (заводская марка ПО-6), а при добавлении мылонафта прочность снижается в 2-3 раза. Для того, чтобы максимально использовать пенообразующие свойства рассмотренных добавок, время перемешивания смеси необходимо увеличивать до 12-15 мин. Поэтому данный способ введения пенообразующих добавок с целью уменьшения объёмного веса можно считать неоптимальным, хотя и весьма простым.

2. Поризация легкобетонной смеси с применением пены при перемешивании смесей. При этом пену добавляют в обычную керамзитобетонную смесь, приготовленную на дробленном керамзитовом песке. При расходе пенообразователя ГК 7-9 л/м³ объёмный вес бетона снизился с 1400 до 800 кг/м³. При перемешивании керамзитобетонной смеси с пеной в течение 5-6 мин значительное её количество (40-50%) разрушается песком. Однако сокращение времени перемешивания до 2-3 мин приводит к неравномерной минерализации пены вяжущим и к уменьшению однородности поризованной смеси. Поэтому данный способ не может быть рекомендован, хотя и позволяет получать высокопластичную удобоформуемую смесь. Для уменьшения расхода цемента и увеличения прочности керамзитобетона, получаемого этим способом с применением пропаривания, можно использовать золу в качестве добавки к цементу, и при общем их расходе 350-400 кг/м³ объёмный вес поризованного бетона составляет 750-850 кг/м³.

3. Перемешивание цементного теста с пеной, а затем - поризованного теста с пористым заполнителем. При этом, предварительно приготавливается пенобетонная масса оптимального состава, а затем она перемешивается с пористыми заполнителями. Наиболее равномерно распределяются пористые заполнители в пенобетонной массе, когда расход заполнителей на 1 м³ готового бетоны превышает 0,7 м³ и объёмный вес заполнителей в куске по своей величине близок к объёмному весу пенобетонной массы. При перемешивании пористых заполнителей с пенобетонной массой она несколько уплотняется за счёт разрушения ячеистой структуры и отсоса воды из пористого цементного теста в поры заполнителя. К более значительному разрушению пористой структуры пенобетонной массы приводит перемешивание её с пористыми заполнителями, в которых имеется пористый песок, и при этом увеличивается объёмный вес затвердевшего бетона и расходы вяжущего и пенообразователя. Следовательно, чтобы получить поризованные лёгкие бетоны путём перемешивания пористых заполнителей с пенобетонной массой, предпочтительнее применять заполнители, не содержащие песка.

4. Получение поризованного цементного теста (пенобетонной массы) перемешиванием пенообразующего вещества, воды и вяжущего (без предварительного приготовления пены) с последующим добавлением пористого заполнителя. Введение минерализаторов в водный раствор пенообразователей перед приготовлением пены, например в виде небольшого количества пылевидных минерализующих добавок, увеличивает прочность, вязкость и стойкость пены [63]. Если добавкой служат вяжущее вещество и пылевидный кремнезёмистый компонент, то пенобетонную массу можно рассматривать как сильно минерализованную пену. Для ускорения вспенивания смесь необходимо перемешивать в пеновзбивателе или пенобетономешалке при скорости вращения лопастей более 240 об/мин. Если для получения пены применяют дегтеизвестковый пенообразователь следующего состава (в% по весу): смола сосновая (галипот) - 2, ССБ - 3, известь негашеная молотая - 30, вода - 65, то вместо извести в этом пенообразователе можно использовать обычный портландцемент, известково-песчанное или цементно-зольное вяжущее и при этом качество пены почти не изменится. Например, для получения пеносиликата исходную пеносиликатную массу можно готовить из смеси следующих материалов (в% по весу): смола сосновая - 1; ССБ - 1; известково-песчанное вяжущее (с соотношением известь: песок равным 1:2) - 55; вода - 43, при водовяжущем отношении - 0,78. Однако для приготовления поризованной легкобетонной смеси необходимо иметь два смесителя: один для получения пенобетонной массы, а другой - для перемешивания её с пористым заполнителем.

Пенообразователи для получения из них пены приготовляют согласно «Инструкции по технологии изготовления изделий из автоклавного ячеистого бетона» ССН 277-64. Пена считается удовлетворительного качества, если беспесчанный поризованный лёгкий бетон приобретает слитное строение при расходе концентрированного пенообразователя не более 5 л и расходе портландцемента - не более 350 кг на 1 м³ бетона.

2.2 Структура и свойства пен

Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать по крайне мере два компонента, один из которых обладает поверхностно-активными свойствами и способен адсорбироваться на межфазной поверхности. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек - пузырьков газа (или пара), разделенных пленками жидкости. Пены, в которых дисперсной средой является твердое вещество, образуются при отверждении растворов или расплавов насыщенных газом. Структура пен определяется в основном соотношением объемов газовой и жидкой фаз, поэтому ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму. Например, ячейки пены принимают форму, близкую к сферической, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз, причем пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Если соотношение объемов газовой и жидкой фаз больше 20 и они разделены тонкими жидкими пленками, то их ячейки представляют собой многогранники. Причем в процессе старения пен шарообразная форма пузырьков превращается в многогранную [65].

Плато сформулировал [65] следующие геометрические правила, определяющие структуру пены: в каждом ребре многогранника - ячейки сходятся 3 пленки, углы между которыми равны и составляют , причем места стыков пленок (ребра многогранников) характеризуются утолщениями, называемыми каналами Плато-Гиббса, образующими в поперечном сечение треугольник и представляющие собой взаимно связанную систему, пронизывающую весь каркас пены; в одной точке сходятся четыре канала Плато, образуя одинаковые углы в 10928 . Истечение жидкости в пузырьке пены приводит к уменьшению поперечного сечения каналов Плато, следствием чего является возникновение градиента капиллярного давления. Под действием разности давлений в пленках пены происходят капиллярные явления: всасывание междупленочной жидкости, а также диффузия газа между пузырьками. Процесс всасывания представляет собой течение жидкости по каналам Плато в сторону утолщенных участков, которые находятся под меньшим давлением.

Механизм образования пузырька пены заключается [66] в формировании адсорбционного слоя на межфазной поверхности газообразного или парообразного включения в жидкой среде, содержащей ПАВ. Скорость формирования этого слоя определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из глубины раствора к поверхности включения. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул.

Для характеристики пенных систем используют следующие параметры:

1. Пенообразующая способность раствора или вспениваемость - это количество пены, выражаемое ее объемом (в мл) или высотой столба (в мм), которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение данного времени.

2. Кратность пены - , представляет собой отношение объема пены к объему раствора , пошедшего на ее образование, где - объем газа в пене.

3. Стабильность или устойчивость пены - ее способность сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности пены используют время существования или «жизни» элемента пены или определенного ее объема.

4. Дисперсность пены - задаваемая средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор-газ в единице объема пены.

Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать по крайне мере два компонента, один из которых обладает поверхностно - активными свойствами и способен адсорбировать на межфазной поверхности. Строение молекул ПАВ влияет на пенообразующую способность растворов, например для натриевых солей жирных кислот нормального строения она повышается с увеличением длины цепи углеводородного радикала [67]. Наибольшей пенообразующей способностью в ряду растворов солей насыщенных жирных кислот обладают водные растворы солей миристиновой кислоты с концентрацией 0,5 г/л (25-30°С). Растворы натриевой соли каприновой кислоты не пенятся при концентрации до 1,7 г/л, а растворы солей лауриновой кислоты при этой концентрации дают относительно небольшой объем пены. Растворы стеарата натрия пенятся еще хуже. Наибольшую пенообразующую способность в ряду солей ненасыщенных кислот имеют растворы олеата, для линолеата она значительно меньше, а растворы лицинолеата вспениваются очень слабо. Разветвленность молекул солей жирных кислот положительно влияет на пенообразующую способность их растворов.