Строительство и архитектура /4

Строительство и архитектура /4. Современные строительные материалы

Мирюк О.А. , д.т.н.

Рудненский индустриальный институт, Казахстан

Формирование ячеистой структуры бесцементных бетонов

В современной технологии теплоизоляционных материалов получают развитие цементные пеногазобетоны, изготавливаемые путем комплексной поризации формовочной массы [1, 2]. Сведения о пеногазобетонах на основе бесцементных материалов ограничены.

Цель работы: исследование возможности повышения пористости бесцеменых композиций путем дополнительной поризации перекисью водорода.

Объектом исследования послужили композиции на основе жидкого стекла и техногенного наполнителя (стеклобой и отходы обогащения руд).

Выбор перекиси водорода в качестве газообразователя обусловлен простотой технологических приемов использования, доступностью и высоким эффектом поризации.

Для получения пеномасс использованы пенообразователи (ПО) Fairy и Zelle – 1 (3% от объема вяжущего). Формовочные массы характеризовались значением «жидкое: твердое», равном 1:2 ( Ж:Т=1:2). Формовочную массу готовили в следующем порядке: в жидкое стекло добавляли кремнефторид натрия; смесь перемешивали. Затем вводили пеноконцентрат и кремнеземсодержащий наполнитель. Смесь перемешивали, затем добавляли перекись водорода. Массу вспенивали с помощью миксера в течение 2 мин. Результаты исследования представлены в таблице 1. Структура композиций с различной концентрацией перекиси водорода на рисунке 1. Микроструктура композиции приобретает дополнительное количество пустот.

Исследования показали, что при увеличении концентрации перекиси водорода уменьшается средняя плотность образцов, увеличивается коэффициент вспучивания. При использовании пенообразователя Zelle – 1 наблюдается равномерное вспучивание массы, более крупная пористость из сообщающихся ячеек, по сравнению с составами с пенообразователем Fairy. Сравнение вариантов введения перекиси в формовочную массу показало, что наибольшее увеличение пористости материала наблюдается при введении перекиси водорода в суспензию совместно с другими компонентами.

Таблица 1 – Влияние перекиси водорода на свойства жидкостекольных масс

Вид ПО	Перекись водорода, %	Средняя плотность пеномассы, кг/м³	Кратность пеномассы	Средняя плотность образцов, кг/м³	Коэффициент вспучивания, %
Fairy	0,75	662	4,38	510	14,3
	1,25	771	3,75	533	20,0
	1,75	718	4,06	459	28,6
	2,25	682	4,25	393	42,8
	2,75	721	4,06	391	57,1
Zelle–1	0,75	662	4,38	464	2,90
	1,25	716	4,06	542	8,6
	1,75	668	4,38	428	22,9
	2,25	664	4,38	452	31,4
	2,75	666	4,38	367	37,1

Рисунок 1 – Структура жидкостекольных композиций с различной концентрацией перекиси водорода

Использование перекиси водорода предусмотрено в композициях различного состава, поэтому представляется необходимым теоретическое обоснование использования этого вида порообразователя.

Жидкое стекло представляет собой истинный раствор неорганического полимера, который содержит гидратированные катионы щелочных металлов и полимерные кремнекислородные анионы невысокой степени полимеризации. Наличие полярных групп обеспечивает высокую вязкость этих растворов за счет образования водородных связей, а при отвердении – возможность конденсации с получением в итоге геля кремниевой кислоты.

Процесс гидролиза жидкого стекла зависит от рН раствора. В результате гидролиза силиката натрия образуется гидросиликат натрия, среда становится сильнощелочной (рН более10) и полимеризации не происходит:

Na₂SiO₃ + Н₂O ↔ NaНSiO₃ + 2NaOH, (1)

2Na⁺ + SiO₃²^– + Н₂O ↔ Na⁺ + НSiO₃^– + 2Na⁺ + 2OH^–, (2)

SiO₃²^– + Н₂O ↔ НSiO₃^– + OH^– . (3)

При рН ниже 6 в воде жидкое стекло подвергается гидролизу с образованием ортокремниевой кислоты:

Na₂SiO₃ + 3Н₂O = 2NaOH + Si(OH)₄, (4)

2Na⁺ + SiO₃²^– + 3Н₂O = 2Na⁺ + 2OH^– + Si(OH)₄, (5)

SiO₃²^– + 3Н₂O = 2OH^– + Si(OH)₄. (6)

При рН 5 – 6 наиболее энергично происходят полимеризация и твердение жидкого стекла в присутствии электролитов, увеличивающих кислотность среды. Величина рН в растворах жидкого стекла определяют экспериментально. Рассчитать рН проблематично, так как жидкое стекло содержит примеси оксидов Al₂O₃ , Fe₂O₃, CaO , MgO, SO₃ , а также разное соотношение диоксида кремния и оксида натрия, т.е. отличаются по силикатному модулю.

Изменение pH среды существенно влияет на гелеобразование кремниевой кислоты. Понижение щелочности раствора приводит к смещению равновесия гидролиза силиката натрия в сторону гидролизованной формы, в этом случае выделяется гель кремневой кислоты. Снижение pH достигается путем введения кремнефторида натрия, воздействия углекислого газа, введением наполнителей, таких как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Твердые оксиды изменяют pH локально на контакте «раствор – зерно», в результате происходит образование поверхностных соединений.

При образовании пены в растворах жидкого стекла целесообразно использовать анионные или неионогенные пенообразователи, такие как натриевые соли алкилсульфонатов и алкилбензосульфокислот. Использование перекиси водорода для поризации строительных материалов наиболее эффективно в области рН 5 – 9. Присутствие в растворе солей магния и кальция уменьшают скорость разложения перекиси водорода, а наличие ионов железа как двух-, так и трёхвалентного увеличивают скорость реакции. Механизм разложения перекиси водорода можно выразить при помощи следующих реакций:

Н₂О₂+ Fe²⁺ →Fe³⁺+ OH∙ + OH^– , (7)

OH∙ + H₂O₂ → H₂O + HO₂∙, (8)

HO₂∙ + Fe³⁺ → Fe²⁺ + O₂ + H⁺ , (9)

H⁺ + OH^– → H₂O . (10)

Скорость реакции разложения в присутствии ионов железа (2⁺) выше, чем в присутствии ионов железа (3⁺).

Вывод. Повышение пористости жидкостекольных пеномасс возможно путем дополнительного формирования ячеек за счет перекиси водорода. Направленное изменение вещественного состава жидкостекольных композиций позволяет создать благоприятные условия для комплексной поризации масс.

Литература:

1. Дерябин, П.Е., Дерябин П.П. Влияние рецептурно-технологических факторов на реологические свойства пеногазобетонной смеси // Известия вузов. Строительство. – 2006. – № 1. – С. 32 – 35.

2. Завадский В. Ф., Косач А. Ф., Дерябин П.П. Влияние технологии приготовления смеси на свойства пеногазобетона //Известия вузов. Строительство. – 2001. – № 1. – С. 31–33.