сотрудник
Белгородская область, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова
США
Белгородская область, Россия
студент
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.29 Химическое сырье
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Одним из основных этапов производства пенобетонных композитов, непосредственно оказывающих влияние на качество конечного ячеистого продукта, является формирование по-ровой структуры. В свою очередь, структура пены и ее устойчивость к воздействию внешних факторов, за частую, определяет поровый каркас композита. В данной работе изучено влияние рН-показателя реакционной среды на формирование пе-ны с использованием пенообразователей различной природы. Изучены особенности вариации параметров пены: стойкости и кратности, в зависимости от природы и концентрации пено-образователя в составе пеномассы. Установлено, что синтетический пенообразователь в вы-сокощелочной среде, моделирующей рабочую реакционную среду геополимерного вяжущего, не образует пеномассу (кратность равна 1) в сравнении с пеномассой, формируемой в нейтральной среде (кратность достигает 47). Выявлено, что при использовании белкового пенообразо-вателя, пеномасса в обоих рабочих средах характеризуется одинаковой кратностью (крат-ность достигает 10). Установлена зависимость критической концентрации мицеллообразования, как основного показателя максимально возможной кратности пены, зависящего от типа пенообразователя и вида рабочей среды путем измерения поверхностного натяжения растворов. Для пенообразователя белкового типа выявлено, что критическая концентрация мецеллообразования в высокощелочной среде наступает при более низких концентрациях (3 %) по сравнению с нейтральной средой (4,5 %). Для синтетического пенообразователя Морпен критическая концентрация мицеллообразования достигает при концентрации пенообразова-теля от 6 и выше %.
высокощелочная среда, ПАВ различной природы, поверхностные явления пенообразования
Введение. Ячеистые бетоны являются широко распространенным видом строительных материалов для ограждающих конструкций зданий благодаря своим выгодным теплофизическим характеристикам. Одними из наиболее востребованных на рынке потребителя являются газо- и пенобетонные композиты на основе портландцемента [1–4], что обусловлено их довольно высокими прочностными показателями в сочетании с низкой плотностью. На ряду с цементными системами активно ведутся исследования по разработке альтернативных видов бесцементных вяжущих, а также легковесных композитов на их основе [5–8].
Опираясь на имеющийся отечественный и зарубежный опыт, наиболее важным технологическим этапом, ответственным за качество конечного легковесного композита, является формирование ячеистого каркаса. Ранее проводились исследования, посвященные оптимизации поровой структуры в цементобетонных композитах автоклавного [3, 7] и неавтоклавного [9–12] твердения, а также в бесцементных композитах [13].
На сегодняшний день одним из перспективных видов вяжущих, способных по эксплуатационным характеристикам конкурировать с цементными аналогами, являются геополимеры. Поэтому, получение ячеистых бетонов на их основе является перспективным. В тоже время, особенности эффективной поризации геополимерных вяжущих практически не изучены.
Одной из отличительных особенностей твердения геополимерных систем является высокощелочная среда, которая сохраняется длительное время в процессе всего периода твердения вяжущего. В связи с этим в рамках работы было изучено влияние щелочности реакционной среды на формирование пены для геополимерных вяжущих систем.
Материалы и методы.
Материалы. В качестве порообразующего агента было использовано два типа пенообразователей: синтетический (Морпен) и белковый (Biofoam).
В рамках исследования в качестве рабочих сред для приготовления пен были использованы: водопроводная вода и водный раствор щелочи. В качестве щелочного компонента был взят натр едкий NaOH, проявляющий наиболее высокую активирующую способность по отношению к кислым алюмосиликатам как основному сырью в геополимерных системах [14].
Методы. Основные характеристики пены: кратность и стойкость в различных реакционных средах определялись с использованием стандартных методик согласно ГОСТР 50588-93 [15].
В качестве индикатора устойчивости пены была принята длительность выделения 50 % жидкой фазы из пены. рН-значения пенообразователей и рабочих сред определяли с помощью рН-метра OYSTER-16 (Extech Instruments, США).
Значения поверхностного натяжения для растворов пенобразователей были измерены на приборе KRUSSDSA30.
Экспериментальная часть. В рамках исследования были подготовлены растворы с различной концентрацией пенообразователей с использованием пенообразующих агентов различной природы: синтетический – Морпен и белковый – Biofoam. В качестве щелочного растворадля приготовления пены использовался 9 %-водный раствор NaOH, что соответствует концентрации щелочного компонента в ранее разработанных оптимальных составах геополимерного вяжущего [14, 16], а также водопроводная вода. В качестве контрольной среды была принята дистиллированная вода.
Экспериментальные растворы были взбиты в пены с последующим определением значений кратности и стойкости как основных параметров (рис. 1).
|
а |
|
б |
|
Рис. 1. Зависимость стойкости и кратности пены от типа и концентрации пенообразователя, а также щелочности рабочей среды: а) Морпен; б) Biofoam |
Результаты эксперимента показали, что получение пены на основе пенообразователя Морпен кардинально зависят от особенностей рабочей среды, в которой она формируется. Так, пена, образующаяся в среде, близкой к нейтральной, которая типична для водопроводной воды, обладает средними показателями кратности и стойкости (рис. 1, а). В то же время, в высокощелочной среде (щелочной раствор NaOH), пена обеспечивает нулевые показатели по стойкости и кратности, т.е. она не взбивается не зависимо от концентрации пенообразователя (рис. 1, а, рис. 2, а).
Несколько иные результаты наблюдаются для пенообразователя Biofoam, который относится к белковым (рис. 1, б, рис. 2, б). Для данного типа пенообразователя, пена с высокими показателями по кратности и стойкости формируется в обоих рабочих средах. Показатели кратности, при этом идентичны. Однако, следует отметить более высокую стойкость пен (до 29 %) на основе Biofoam, получаемых в нейтральной среде по сравнению аналогичными пенами в высокощелочной среде.
|
Н2О |
раствор NaOH |
|
а |
|
|
Н2О |
раствор NaOH
|
|
б |
|
|
Рис. 2. Внешний вид пен в зависимости от природы пенообразователя и вида рабочей среды: а) Морпен; б) Biofoam |
|
Согласно ранее проведенным исследованиям [9–11], подтверждена гипотеза о том, что одним из критических факторов формирования пены в той или иной рабочей среде является стерический эффект[1], который является следствием разницы рН-характеристик между пенообразующим агентом и рабочей средой. Поэтому основным условием получения эффективной пены является обеспечение минимальной разницы рН-показателей.
В связи с этим, опираясь на литературные данные в рамках исследования были измерены значения рН-характеристик экспериментальных растворов пенообразователей (табл. 1).
Таблица 1
Значения рН-показателя растворов пенообразователей
|
Наименование пенообразователя |
Концентрация, % |
||||||
|
0 |
1,5 |
3 |
4,5 |
6 |
7,5 |
100 % |
|
|
Рабочая среда: водопроводная вода |
|||||||
|
Морпен |
7,34 |
7,47 |
7,48 |
7,48 |
7,47 |
7,63 |
6,63 |
|
Biofoam |
7,34 |
7,23 |
7,20 |
7,23 |
7,23 |
7,21 |
6,78 |
|
Рабочая среда: 9-% р-р NaOH |
|||||||
|
Морпен |
12,56 |
|
|
|
|
|
6,63 |
|
Biofoam |
12,56 |
9,72 |
9,72 |
9,73 |
9,72 |
9,71 |
6,78 |
|
Рабочая среда: дистиллированная вода |
|||||||
|
Морпен |
7,97 |
7,93 |
7,91 |
7,86 |
7,84 |
7,84 |
6,63 |
|
Biofoam |
7,97 |
7,24 |
7,26 |
7,24 |
7,22 |
7,23 |
6,78 |
Результаты проведенного эксперимента показали, что значения рН-характеристик дистиллированной и водопроводной воды сопоставимы и близки к нейтральным (рН=7,97 и 7,34, соответственно). Однако, дистиллированная вода характеризуется более высокой щелочностью. В свою очередь, рН-значения используемых пенообразователей незначительно смещены в кислотную область. В результате, небольшая разница между рН-показателями пенообразователей и этими рабочими средами объясняет отсутствие проявления стерического эффекта и, как следствие, формирование пены.
В случае использования щелочного раствора (рН=12,56) в качестве рабочей среды, разница рН-показателей с пенообразователем значительно больше. В данном случае в значительной степени проявляется стерический эффект. Однако, пенообразователи различной природы ведут себя по-разному. При использовании белкового пенообразователя образуется стойкая пена, что связано с эффектом омыления. По своему определению, омыление представляет собой гидролиз сложного эфира с образованием спирта и кислоты или её соли в растворе щелочи. Образующаяся кислота/соль, в свою очередь, характеризуется пенообразующими свойствами.
При взбивании синтетического пенообразователя в щелочном растворе пена не образуется (рис. 2, а). Вероятно, это вызвано тем, что в составе синтетического пенообразователя присутствуют электролиты, которые в процессе химической реакции основного компонента и щелочного раствора замещаются ионами Na+ и высвобождаются в рабочую среду, резко снижая поверхностное натяжение ПАВ, что препятствует образованию пены.
Оценивая влияние щелочности рабочей среды на дозировку ПАВ в случае с белковым пенообразователем Biofoam, следует отметить, что повышение рН-показателя среды способствует смещению оптимальной концентрации пенообразователя в сторону больших значений с точки зрения кратности пены независимо от типа рабочей среды (рис. 1).
В тоже время, для пен на основе белкового ПАВ увеличение концентрации пенообразователя выше 4,5 % не приводит к дальнейшему повышению кратности пены, что может быть объяснено достижением системы критической концентрации мицеллообразования (ККМ).
ККМ следует понимать как минимальную концентрацию ПАВ в растворе, обеспечивающую полное насыщение данным веществом области на границе раздела фаз. В результате ПАВ переходит из молекулярного состояния в мицеллярное. Если концентрация ПАВ меньше ККМ, в растворах молекулы ПАВ существуют в состоянии отдельных молекул. В этом случае зависимость любого свойства раствора определяется в большей степени концентрацией молекул. При образовании мицелл в растворе его свойства будет претерпевать существенное изменение в связи с резким увеличением размера растворенных частиц.
В рамках данного исследования ККМ было определено на основании данных поверхностного натяжения растворов белкового пенообразователя Biofoam с различной его концентрацией в рабочей среде (рис. 3).
Результаты измерения поверхностного натяжения (рис. 3) показали, что ККМ для обоих рабочих сред наблюдаются при концентрации пенообразования от 4–4,5 % (участки выполаживания кривых), что подтверждает данные о кратности этих составов (рис. 1, б).
|
|
|
Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации пенообразователя |
Выводы. В рамках исследования установлена неэффективность использования синтетического пенообразователя Морпен в высокощелочной среде за счет наличия в его составе электролитов, которые в процессе химического взаимодействия компонентов раствора приводят к резкому снижению поверхностного натяжения ПАВ в рабочей среде.
Белковый пенообразователь Biofoam проявляет пенообразующие характеристики в нейтральной и высокощелочной среде с одинаковой степенью эффективности. Формирование пены белковым пенообразованием в высокощелочной среде связано с омылением белкового ПАВ.
Формирование пены средней и высокой кратности в нейтральной среде с использованием обоих типов пенообразователей связано с отсутствием значительной разницы между рН-показателями пенообразователя и рабочей среды, что обеспечивает отсутствие стерического эффекта.
Установлено, что оптимальное содержание белкового пенообразователя Biofoam в разных средах обеспечивается при разных концентациях, чт о связано с проявлением эффекта ККМ. Так, ККМ в высокощелочной среде наступает при более низких концентрациях (3 %) по сравнению с нейтральной средой (4,5 %).
[1] Стерический эффект — влияние пространственного объёма молекулы на ход химической реакции.
1. Лесниченко Е.Н., Когут Е.В., Ермо-лаева А.Э., Елистраткин М.Ю. О перспекти-вах использования ячеистых бетонов в 3D ад-дитивных технологиях // Наука и инновации в строительстве (к 45-летию кафедры строи-тельства и городского хозяйства): сборник докладов Международной научно-практической конференции. Белгородский государственный технологический универси-тет им. В.Г. Шухова. 2017. С. 125-130.
2. Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Жер-новский И.В. Особенности получения геопо-лимерного газобетона на основе золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ // Строительные материа-лы. 2017. № 1-2. С. 113-117.
3. Fomina E.V., Strokova V.V., Kozu-khova N.I. Application of natural aluminosili-cates in autoclave cellular concrete // World Ap-plied Sciences Journal. 2013. № 25 (1). P. 347-354
4. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Марушко М.В. Применение композиционных вяжущих в технологии ячеистого бетона // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шу-хова. 2018. № 2. С. 10-16.
5. Череватова А.В., Алехин Д.А., Бурь-янов А.Ф., Жерновский И.В., Кожухова Н.И. Особенности комплексного механизма струк-турообразования в системе композиционного гипсокремнеземистого вяжущего // Строи-тельные материалы. 2016. № 11. С. 12-16.
6. Nelubova V., Strokova V., Cherevatova A., Altynnik N., Sobolev K. Autoclaved compo-sites with nanostructured silica additive // Journal of the Society for American Music. 2014. Т. 1611. № 2
7. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Sumin A.V., Jernovskiy I.V. The structure formation of the cellular concrete with nanostructured modifi-er // Key Engineering Materials. 2017. Т. 729. С. 99-103.
8. Кожухова Н.И., Данакин Д.Н. Осо-бенности стабилизации пеномассы в ячеистых щелочеактивированных системах // Ресурсо-энергоэффективные технологии в строитель-ном комплексе региона. 2017. № 1 (8). С. 89-93.
9. Щербин С.А., Горбач П.С., Щербина Н.А. Выбор типа и концентрации пенообразо-вателя при производстве пенобетона. Часть 3 // Вестник АГТА № 7 2013. С. 45-47.
10. Горбач П. С., Щербин С. А. Влияние пенообразователя на свойства пены и пенобе-тона // Вестник ТГАСУ № 5. 2014. С. 126-132
11. Горбач П. С., Щербин С. А. Научно обоснованный выбор пенообразователя и его концентрации // Вестник ТГАСУ. № 4. 2012. С. 191-199.
12. Кожухова Н.И., Данакин Д.Н. Стаби-лизирующая добавка как способ оптимизации поровой структуры легковесных композитов на основе геополимерного вяжущего // Стро-ительные материалы. 2017. № 5. С. 33-35.
13. Кожухова Н.И., Войтович Е.В., Чере-ватова А.В., Жерновский И.В., Алехин Д.А. Термостойкие ячеистые материалы на основе композиционных гипсо-кремнеземных вяжу-щих // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 65-69.
14. Julia Shekhovtsova, Igor Zhernovsky, Maxim, Kovtun, Natalia Kozhukhova, Irina Zhernovskaya, Elsabe P Kearsley Estimation of fly ash reactivity for use in alkali-activated ce-ments - a step towards sustainable building mate-rial and waste utilization // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 178. Pp. 22-33.
15. ГОСТР 50588-93 Пеноообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Стан-дартинформ, 2012
16. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Соболев К.Г. Влияние различий рентгено-аморфной фазы в составе низкокальциевых алюмосиликатов на прочностные характери-стики геополимерных систем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 4. С. 4-12.
