Библиографическое описание:

Береговой В. А., Сорокин Д. С. Закономерности формирования структуры пеноминеральных смесей при производстве ячеистых строительных материалов // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 161-163.

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

Основные термины (генерируются автоматически): воздушных ячеек, жидкой фазы, истечения жидкой фазы, истечения раствора, скорости истечения, скорости истечения раствора, зависимость скорости истечения, воздушной фазы, истечения жидкости, поперечного сечения, Скорость истечения, материала межпоровых перегородок, стабильность пены, пеноминеральной массы, Скорость истечения раствора, вследствие истечения жидкой, Скорость истечения жидкости, интенсивность истечения жидкой, молекулы пенообразователя, параметра скорости истечения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle