К.т.н. Шишкіна О.О., Удовицька О.М.

Криворізький національний університет, Україна

Підвищення міцності пінобетону шляхом модифікації

його структури.

Через розгалужену систему пор, капілярів та тріщин різного походження, розмірів та форми, які знаходяться у бетоні, на будівельні конструкції будівель та споруд впливає зовнішнє середовище, змінюючи їх фізико-механічні властивості, стійкість до дії агресивних середовищ та, як наслідок, зменшуючи довговічність.

Одним з ефективних матеріалів для захисту від теплових впливів навколишнього середовища, є легкі й пористі бетони, які мають низьку теплопровідність. Проте, вони не володіють достатньою міцністю при стиску. Тому одержання ніздрюватих бетонів, які мають досить високу міцність, представляє значний науковий і практичний інтерес.

Як показали результати досліджень [1], одним з ефективних способів підвищення міцності пінобетону є модифікація його структури комплексною мінерально-органічною добавкою.

Вигляд і кількість пір в цементному камені і бетоні залежать від методу їх створення. Формування порової структури в цементному камені відбувається, або мимоволі, або цілеспрямовано. У першому випадку порова структура бетону формується за рахунок видалення і зв’язування води. В результаті в об'ємі бетону утворюються пори, вигляд і кількість яких практично не піддаються прогнозуванню. У другому випадку формування порової структури цементного каменя і бетону відбувається за рахунок спрямованого управління даним процесом. Відомо декілька методів управління поровою структурою цементного каменя і бетону [2]. До першої групи цих методів відноситься управління седиментаційними процесами в цементному камені. Даний метод дозволяє змінювати, як загальну кількість пір, так і їх розміри, за рахунок введення в цементне тісто повітрявтягуючих поверхнево-активних речовин (ПАР), які впливають на формування структури і властивості цементного каменя в бетоні. До іншої групи методів формування порової структури цементного каменя і бетону відносяться методи, що дозволяють спрямовано управляти, як кількістю, так і розмірами пір. До таких методів відносяться: використання пористих заповнювачів, створення пір в цементному камені і комбінація перших двох методів. Створення порової структури бетону шляхом поризації цементного каменя в даний час здійснюється або використанням пін, або газоутворювачів [2].

Як відомо, пінобетон представляє собою дисперсну систему «частинки цементу – вода – піноутворювач – пухирці повітря». На початковій стадії свого існування така система представляє собою мінералізовану піну [3], яка з часом твердіє. При цьому отверджувачами піни є продукти гідратації цементу. Таким чином, на початкових стадіях структуроутворення пінобетон володіє властивостями піни, які впливають на формування його кінцевих властивостей.

Для оцінки властивостей піни, а значить, і можливості застосування її зокрема, для отримання пінобетону, існує безліч загальних і спеціальних характеристик, основними з яких є: кратність, стійкість в часі і в'язкість [4].

Стійкість піни характеризує час її існування до повного або часткового руйнування. Стійкість пін можна пояснити різними чинниками – кінетичним, структурно-механічним, термодинамічним. Стійкість піни збільшується за рахунок введенням в робочий розчин піноутворювачів – стабілізаторів піни: солей заліза та алюмінію, крохмалю, клею, гліцерину або добавок-мінералізаторів: тонкодисперсних ґрунтів, золи-виносу ТЕС і інших [5]. Утворення стійкої мінеральної піни відбувається за рахунок прилипання твердих мінеральних часток до бульбашок піни.

Тобто частки цементу в пінобетонній суміші виконують роль мінералізаторів, зміцнюючи стінки пір і підвищуючи тим самим стійкість піни. З іншого боку збільшується щільність дисперсійної середи піни, що приводить до зменшення її кратності і стійкості. Зниження кратності піни відбувається через адсорбцію поверхнево-активних полярних молекул піноутворювача на частинках цементу. При цьому ускладнюються процеси гідратації цементу в пінобетонних сумішах. А значить, в міжплівковій рідині пінобетонної суміші необхідно створити такі умови, в яких молекули поверхнево-активних речовин не будуть перешкоджати гідратації зерен цементу.

Аналіз літературних даних [6, 7] виявив, що на мінеральних речовинах піноутворювачі адсорбуються вибірково. При цьому найкращими збирачами піноутворювачів є іони заліза та, як наслідок, залізовмісні речовини. Тобто вводячи в піноцементну суміш залізовмісну речовину, можна досягти того, що зерна цементу будуть максимально доступні молекулам води і, як наслідок, міра їх гідратації значно збільшиться.

В процесі гідратації цементу, пінобетонна суміш твердне і перетворюється на бетонний камінь –пінобетон. Основними властивостями пінобетону, які характеризують його якість, є міцність і деформативність при певній щільності.

Збільшення міцності пінобетону при постійній його щільності може бути забезпечене лише за рахунок підвищення міцності матриці пінобетону. Укріплення стінок пор пінобетону зсередини можна досягти введенням у систему спеціальних речовин – піногасників, які володіють високою поверхневою активністю і здатні витісняти піноутворювач з границі розділу фаз [8, 9]. До таких речовин відноситься поліспирт. При введенні в пінобетонну суміш поліспирт буде «спливати» (проникати) всередину повітряної бульбашки, витісняючи з його поверхні молекули ПАР, і закріплюватися на ній. Поліспирти здатні розчиняти в значній кількості їдкі луги, окиси кальцію і багато інших солей [10]. Це говорить про те, що оксиди кальцію, які утворюються в процесі гідратації цементу на поверхні бульбашки, утворюватимуть кальцієві солі поліспирту. Вони зсередини укріплять його стінки, оскільки поліспирт при дії лужних металів або окисів лужноземельних і важких металів дає кристалічні з'єднання. В результаті дії піногасника цементний розчин, ще більш насититься молекулами піноутворювача, що приведе до ще більшого зниження ступеню і швидкості гідратації цементу, а це, як наслідок, спричинить зниження міцності цементної матриці пінобетону і, зрештою, його міцності.

Якщо ж в таку систему додатково ввести залізовмісну речовину, яка володіє високою збірною здатністю, по відношенню до молекул поверхнево-активних речовин, останні, як витиснені з повітряної бульбашки, так і такі, що знаходяться в цементній матриці, адсорбуватимуться на нім, менше впливаючи на процеси гідратації.

Тобто модифікація структури пінобетону комплексною добавкою, яка складається із поліспирту та речовини, що містить залізо, дозволить одержати пінобетони, що володіють високою міцністю та зниженими проникністю та усадкою за рахунок утворення на поверхні їхніх пір кальцієвих солей поліспирту та вищих жирних кислот, а також зменшення ступеня адсорбції піноутворювача на поверхні частинок цементу.

Наведені теоретичні положення були підтверджені виконаними експериментами [1].

Література:

1. Шишкіна О.О Властивості і технологія пінобетону, модифікованого оксидами заліза: дис…канд. техн. наук: 05.23.05 / Шишкіна Олександра Олександрівна. – Кривий Ріг, 2010. – 180 с.

2. Симонов М. З. Основы технологии легких бетонов / Симонов М. З. – М.: Стройиздат, 1973. – 584 с.

3. Кевеш П. Д. Газобетон на пергидроле / П. Д. Кевеш, Э. Я. Эршлер. – М.: Госстройиздат, 1961. – 86 с.

4. Меркин А.П., Непрочное чудо. / А.П.Меркин, П.Р.Траубе. – М.: Химия, 1983.- 224 с., ил.

5. Касторных Л. И. Добавки в бетоны и строительные растворы : [учебно-справочное пособие] / Касторных Л. И. – Ростов н/Д.: Феникс, 2005. – 221 с. – (Строительство).

6. Вопросы теории и технологии флотации: Труды института Механобр. – вып. 124. – Л.: Отраслевое бюро технической информации института Механобр, 1959. – 392 с.

7. Липатников В.Е. Физическая и коллоидная химия. / В.Е. Липатников, К.М.Казаков. – М.: Высш. шк., 1968.-172 с.

8. Лукьянов А. Б. Физическая и коллоидная химия / Лукьянов А. Б. – М.: Химия, 1980. – 224 с.

9. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии / Воюцкий С. С.: – [учеб. для вузов] — [2-е изд., перераб. и доп.]. – М.: Химия, 1975. – 512 с.