Влияние продолжительности перемешивания на параметры воздухововлечения при изготовлении бетонных смесей

Аннотация

Смирнова П.В.

Установлено, что агрегативная устойчивость пен находится в зависимости от начальной температуры воды. Анализ полученных данных показывает, что понижение температуры до +4 C увеличивает период их устойчивого существования, при этом температура воды регулирует продолжительность перемешивания пенобетонных смесей в турбулентном бетоносмесителе.
Ключевые слова: пена, фибропенобетон, температура воды, пластическая прочность, структурообразование.  

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Ростовский государственный строительный университет, Ростов-на-Дону

Управление свойствами газонаполненных бетонов является весьма сложной технологической задачей потому, что при высокой пористости (до 95%), каменному материалу достаточно непросто достигнуть высокой прочности и атмосферостойкости. Пенобетонные (газонаполненные) смеси получают в результате интенсивного перемешивания высоко обводненных цементно-песчаных суспензий с поверхностно активными веществами (ПАВ). В период раннего структурообразования (в первые 3…10 часов после укладки в формы) пенобетонные смеси обладают всеми свойствами многофазных микрогетерогенных систем [1]. Состав их дисперсной фазы представлен частицами цемента, песка и воздушными включениями, обернутыми в водные пленки. Качество структуры таких систем зависит от интенсивности межфазных и межчастичных взаимодействий, величина которых предопределяется капиллярно-пленочными явлениями, проявляющимися в период начального структурообразования [2, 3].
Способность высокомолекулярных органических веществ (ПАВ) вовлекать воздух в объем бетонной смеси в период перемешивания сырьевых компонентов связана с переходом ПАВ на границу раздела фаз «газ – жидкость», т.е. с адсорбцией. В результате адсорбции ПАВ на границе раздела «газ-жидкость» в бетонную смесь вовлекается воздух.  Для того, чтобы смесь оказалась способной удержать воздух, ПАВ физически связывают необходимое количество воды в пенных пленках, образуя при этом жидкие кристаллы  [2, 4]. Поэтому высоко обводненные дисперсные системы, к которым относятся пенобетонные смеси, по мере насыщения газовой фазой повышают свою агрегатиную устойчивость [5], и она становится достаточной для того, чтобы в результате отвердевания цемента были сформированы прочные новообразования. В данном случае важно понимать, что геометрически любые ПАВ являются крупными молекулами в десятки и сотни раз больше молекул воды. ПАВ химически не взаимодействуют с сырьевыми компонентами бетонной смеси, и полностью никогда не переходят на границу раздела «газ-жидкость» [2, 6]. Между количеством ПАВ остающемся в межзерновой жидкости и на границе раздела «газ-жидкость» существует подвижное соответствие примерно равное 1:100 [1], которое, по нашему мнению, должно быть связано с растворимостью ПАВ. Остающиеся в межчастичной воде ПАВ образуют мицеллы, которые не позволяют частицам твердой фазы  формировать плотные межпоровые перегородки. Мицеллы располагаются между частицами твердой фазы и таким  образом формируют полости, которые после отвердевания и высыхания бетона  становятся микротрещинами в структуре межпоровых перегородок. Поэтому чем меньшее количество ПАВ в ходе приготовления пенобетонных смесей остается в составе межзерновой воды,    тем меньшей будет пустотность твердой фазы межпоровых перегородок и выше прочность бетона. 
Известно [7, 8], что между адсорбцией и растворимостью существует обратно пропорциональная зависимость, то есть чем меньше растворимость ПАВ, тем лучше их адсорбционные свойства. Это весьма важно в технологии пенобетонов, поскольку от адсорбционных свойств ПАВ зависит объем вовлеченной в смесь газовой фазы.  Растворимость ПАВ понижается при понижении температуры растворителя [8, 9]. Молекулы ПАВ в растворителе ориентируются так, чтобы их внутренняя энергия была минимальной. При повышении температуры растворителя тепловое движение нарушает такую ориентацию и растворимость увеличивается. При турбулентном перемешивании ПАВ в растворителе, то есть при изготовлении пенобетонных смесей, достигает термодинамического равновесия между концентрацией ПАВ в дисперсионной среде и пленках на границах раздела «газ-жидкость». Это равновесие наиболее устойчиво при достижении минимальной плотности смеси, получаемой в данном смесительном агрегате на основе конкретной рецептуры. Однако удержать достигнутое равновесие не представляется возможным потому, что в любой пенобетонной смеси в период начального структурообразования протекают активные массообменные процессы, в результате которых растет концентрация ПАВ в жидкой фазе.
Параметры концентрации ПАВ в жидкой фазе смесей важно учитывать потому, что от их величины зависит агрегативная устойчивость, сформированной при перемешивании пенобетонной смеси. По мнению Дерягина Б.В. и Ландау Л. Д. устойчивость водных пленок ПАВ зависит от величины потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия в пленке и деформации диффузных электрических слоев [10]. Массообменные процессы, особенно интенсивно протекающие в пенобетонных смесях в период начального структурообразования,  не только изменяют водосодержание, но и повышают температуру компонентов, составляющих пенобетонные смеси. Перечисленные явления негативно влияют на устойчивость пленок ПАВ и их геометрические размеры.
Вода в пленках ПАВ является одним из важнейших компонентов свойства, которого предопределяют устойчивость газонаполненных структур в целом. Учитывая распространенность применения воды в технологических процессах весьма важно отметить, что она обладает  рядом аномальных свойств в интервале температур от +4 до +370С. Плотность воды уменьшается при повышении и понижении температуры относительно +4ºC. При нагревании веществ их теплоемкость растет пропорционально температуре [9, 11, 12]. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально. От 0ºC до +37ºC её теплоемкость падает и только после +37ºC начинает повышаться [11, 12]. При +370С в воде разрывается половина "слабых"  водородных связей [9], которые по нашему мнению, должны оказывать качественное влияние на устойчивость жидких кристаллов, из которых состоят  пленки ПАВ.
Учитывая перечисленные факторы, и установленные [2, 4, 8] взаимосвязи между температурой воды и адсорбционными свойствами ПАВ был выполнен ряд экспериментов по оценке устойчивости пен. Факторами, влияющими на исследуемые величины, были приняты следующие температуры  водной среды +4°C, +20°C, +37°C.  В качестве результатов использовали средне арифметические значения 6 экспериментов-близнецов. В работе использовали пенообразователь «Ареком». Продолжительность приготовления пен была постоянной.
Технология процесса: в работающий бетоносмеситель дозировали воду заданной температуры и вводили пенообразователь. После отключения бетоносмесителя пену укладывали в сосуды емкостью пять литров. Сосуды имели градуировочную   шкалу высотой 200 мм. В ходе эксперимента фиксировались начальная температура и устойчивость пен.
Установлено (рис. 1), что агрегативная устойчивость пенной массы находится в прямой зависимости от начальной температуры воды. Анализ полученных данных позволяет утверждать, что понижение температуры, а именно, приближение ее к +4°C увеличивает период их устойчивого существования.
Выявление закономерности утраты устойчивости пленок ПАВ, находящихся в составе пенобетонных смесей, представляет собой важную технологическую проблему. Потому, что только сохранение газовой фазы внутри них обеспечивает получение высокопрочных пенобетонов. Это возможно, если пленки в течение достаточного времени обладают свойством упругости. Под упругостью пленок понимают их способность увеличивать натяжение при растяжении. Это свойство характеризуется модулем упругости пленки (Е), определяемым тождеством [7]:

                                   (1)

где  А – площадь пленки;
 γ – натяжение пленки.

Рис. 1 – Кинетика разрушения пены в зависимости от температуры воды.

Упругость пленок падает по мере отвердевания пенобетонных смесей за счет повышения концентрации ПАВ в жидкой фазе. Поэтому так важно обеспечивать максимально возможный переход ПАВ на границу раздела фаз «газ-жидкость». Для этого требуется время. Учитывая тот факт, что температура влияет на растворимость ПАВ в воде, далее нами исследовалось влияние продолжительности перемешивания на параметры структуры пенобетонов. В наших экспериментах варьировались температура воды затворения и продолжительность перемешивания пенобетонных смесей, содержавших разное количество дисперсной арматуры. Результаты представлены в табл. 1, из которой следует, что по мере увеличения продолжительности перемешивания до 9,5 минут наблюдается падение средней плотности смесей. На величину плотности также влияет насыщение дисперсной арматурой. Чем больше фибры, тем ниже плотность. Это указывает на улучшенные газоудерживающие свойства фибропенобетонных смесей по сравнению с пенобетонными.

Табл. 1 - Зависимость плотности смесей от времени перемешивания

Рис. 2 – график зависимости средней плотности пенобетонных смесей от продолжительности перемешивания, температуры воды затворения и количества фибры (* обозначены смеси приготовленные на воде с температурой +40С)

Полученные результаты (табл. 1, рис. 2) показывают, что:
- пено- и фибропенобетонные смеси, затворенные водой с температурой +40С лучшими газоудерживающими свойствами;
-  оптимальная продолжительность перемешивания пено- и фибропенобетонных смесей должна составлять 8…9 минут для того, чтобы обеспечивался максимально возможный переход ПАВ на границу раздела фаз «газ-жидкость».
Достижение максимально возможного для данной рецептуры смесей воздухововлечения характеризуется минимальной плотностью смесей. Недостаточное перемешивание или перемешивание сверх оптимального времени ведет к росту плотности пенобетонных смесей и ухудшению их качества.

Литература

1. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов/ Под ред. Е.М.Чернышева, Е.И.Шмитько: Воронеж ГАСУ, 2002.- С 78-124.

2. Перцев В.Т., Шмитько Е.И., Головинский П.А. Роль дисперсности и влажности в процессах структурообразования дисперсно зернистых систем // Изв. ВУЗов. Строительство. - 1998, №6.- С. 45…50.

3. Физико-химическая механика природных дисперсных систем/ под ред. Е.Д.Щукина и др. М.: МГУ, 1985.- 265 с.

4. Веденов А.А. Физика растворов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 112 с.

5. Моргун Л.В., Моргун В.Н. О жидкокристаллической природе агрегативной устойчивости пенобетонных смесей//Строительные материалы, 2006, №6. – С.22, 23.

6. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. М., "Химия", 1967.-388 с

7. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно – активных веществ./ СПб: Химия, 1992. - 280 c.

8. Захариев М. Ексерова Д. Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах. М.: Наука, 1972. С. 234-239.

9. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Смирнова П.В., Бацман М.О. Зависимость скорости формирования структуры пенобетонов от температуры сырьевых компонентов// Строительные материалы, 2008, №6. – С.50-52.

10. Кругляков П.М., Ексерова Д.Р. Пена и пенные пленки. – М.: Химия, 1990. – 432 с.

11. Синюков В.В. Вода известная и неизвестная. М.: Знание. 1987. - 176 с.

12. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М.: Изд. МГУ. 1987.  171 с.