Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 35 Химическая технология. Химические производства
The paper considers the influence of the nature of foaming agent on the properties of foams. Based on the analysis of the market of modern pore-forming additives, from the number of foaming agents the most widely used components, as well as novelties of the market, have been chosen. The technical characteristics of the foaming agents provided on the market are reviewed. The influence of foaming agent concentration, composition and base on the foam expansion, stability and density of foams is studied in the paper. The optimum ("working") concentrations of foaming additives are determined taking into account their stability. The stability of foams formed on the basis of working solutions in porous systems of various compositions is studied. Based on the complex of studies, the protein foaming agents are ranked according to the degree of their effectiveness, according to the data on the physical and technical properties of foams obtained on their basis.
foaming agent, foam, cellular concrete, stability, foam expansion, density
Введение. Не вызывает сомнения актуальность получения материалов, отличающихся пониженным коэффициентом теплопроводности и относительно высокими физико-механическими свойствами. Ячеистые материалы на минеральном сырье наиболее полно соответствуют данным критериям по своим эксплуатационным характеристикам. Анализ работ в области получения ячеистых бетонов, позволяет сделать вывод, что одним из основных факторов качества пенобетонов в числе прочих является пена [1–15]. Пена для пенобетонов – это высококонцентрированная дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Её формирование возможно лишь в присутствии пенообразователя.
На сегодня существует множество разновидностей и марок пенообразователей имеющих свои достоинства и недостатки [6–9]. Выбор пенообразователя для приготовления пенобетона должен исходить из множества технологических признаков, которые способны влиять на получаемую пену и композит: плотность, кратность, стойкость, стойкость в поризуемом растворе. В свою очередь данные признаки зависят от природы пенообразователей и их свойств. В работе предлагается рассмотрение влияния природы и свойств пенообразователей на свойства пен и их устойчивость в растворах вяжущих минеральных систем.
Методология. Основными характеристиками пенообразователей являются кратность, стойкость во времени и стойкость в поризуемом растворе.
Кратность пены определяется значением отношения объема полученной пены к объему использованного для её формирования раствора пенообразователя:
|
|
(1) |
где Vп – объем полученной пены, л; Vпо – объем раствора пенообразователя из которого была получена пена, л.
Стойкость пены определяется временем, в течение которого не происходит осаждения столба пены. Однако, с учетом различной природы пенообразователей, для чистоты эксперимента, стойкость пены оценивалась временем выделения из пены жидкости в количестве 50 % от использованного для её формирования раствора пенообразователя.
Кроме выше обозначенных показателей, стойкость пены определяется коэффициентами стойкости по синерезису (
) и объему (
), характеризующие процессы водоотделения:
|
|
(2) |
|
|
(3) |
где 
– масса синерезиса 1 л пены (количество выделившейся воды), г; 
– плотность пены, г/л; 
– изменяемый во времени объем пены, л; 
– начальный объем пены, л.
Физический смысл явления синерезиса состоит в стекании избыточной жидкости из плёнок пены в места их стыков и последующем вытекании под действием гравитации в нижние слои пены. Таким образом, утончение плёнок приводит к коалесценции пузырьков пены. Итогом указанного процесса становится снижение устойчивости пены и сокращение времени ее «жизни».
Стойкость пены в поризованном растворе рассчитывается отношением объема полученной пеносмеси к сумме исходных объемов пены и цементного раствора в раздельности:
|
|
(4) |
где 
– объем полученного поризованного теста, л; 
– объем цементного теста, л; 
– объем пены, л.
Определение данного показателя осуществляется по следующей методике. Для формирования 1 л поризованной смеси в равных количествах смешивается цементное тесто с В/Ц=0,4 и пена. Далее производится перемешивание смеси в течение 1 минуты и замер высоты ее столба. После по формуле 1 рассчитывается значение стойкости пены в поризованном растворе. Пену следует считать удовлетворительной, если значение 
=0,8–0,85, качественной – если >0,95.
В качестве растворов применяли портландцементный раствор и наноструктурированное вяжущее (НВ) различного состава (из гранита и песка). Определение стойкости осуществлялось при естественной влажности приготовленных НВ. В работе использовались синтетические пенообразователи (ПО) – Пеностром и ПБ–Люкс, протеиновые – Reniment SB31L, Foamin, Foamcem, Эталон и GreenFroth. Последний ПО имеет разновидности:
– GreenFroth классический, получаемый из животного белка;
– GreenFroth V, производимый из растительного белка.
Основные технические характеристики пенообразователей, указанные производителями, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Технические характеристики пенообразователей
|
Название ПО |
Тип |
Плотность, кг/м3 |
Водородный показатель pH |
Вязкость при 20 °С, сСтокс |
|
Пеностром |
Анионного типа на основе сульфанатов |
1020–1090 |
8,7 ± 1,3 |
40 ± 5 |
|
ПБ Люкс |
Анионного типа на основе сульфанатов |
1040–1100 |
9,2 ± 1,3 |
25 ± 5 |
|
Reniment SB31L |
Гидролизат белков |
1100–1140 |
7 ± 0.5 |
17 ± 5 |
|
Foamin |
Гидролизат белков |
1080–1120 |
7.0 ± 1.0 |
10 ± 5 |
|
GreenFroth |
Гидролизат белков |
1130–1170 |
6.7 ± 0.3 |
10 ± 5 |
|
GreenFroth V |
Растительный белок |
1000–1040 |
6.7 ± 0.3 |
10 ± 5 |
Пены получали путем перемешивания водного раствора пенообразователя в концентрациях, рекомендованных производителями. Перемешивание проводилось с использованием лабораторной верхнеприводной мешалки RW16 в течение 5 минут, до формирования стойкой однородной пены.
Основная часть. Согласно результатам, белковые пенообразователи характеризуются повышением кратности с увеличением концентрации ПО. Синтетические ПО имеют пик мицелообразования, после которого кратность начинает снижаться (рис. 1).
Плотность пены является основной характеристикой, которая оказывает непосредственное влияние на плотность готового изделия. На основе практического опыта выяснено, что необходимо применять пену с плотностью 0,05–0,07 г/см3, хотя данный параметр выбирается с точки зрения проектируемой плотности конечного материала. Согласно полученным данным, увеличение концентрации протеиновых пенообразователей в растворе приводит к снижению плотности пены, что, очевидно, связано с увеличением объема сформированной пены (рис. 2, а). При этом оптимальной плотности соответствует максимальная кратность пен.
В случае синтетических добавок увеличение концентрации рабочего раствора практически не изменяет плотность пены по отношению к начальному значению при минимальной концентрации (рис. 2, б). Однако, при использовании Пенострома в малых концентрациях отмечается высокая плотность пены, которая снижается более чем на 30 % уже при концентрации раствора равной 1 %.
Наилучшей стойкостью характеризуются пенообразователи Reniment SB31L и GreenFroth классический. При этом растительный гидролизат GreenFroth V обладает самой низкой стойкостью среди белковых пенообразователей сопоставимой с синтетическими пенообразователями (рис. 3).
С учетом вышеописанного определены оптимальные дозировки ПО, после которых увеличение дозировки становится не эффективным с технической и экономической точки зрения: Reniment SB31L – 6 %, GreenFroth V – 5 %, GreenFroth классический – 4 %, Foamin – 2 %,
ПБ–Люкс – 2 %, Пеностром – 1 %.
Исследование эффекта синерезиса (рис. 4) разделило пены на две группы. Первая группа пен - Greenfroth, Reniment, Foamin - характеризуются стойкой пеной в первые 15-20 минут, затем начинается медленное водоотделение. Наибольшей стойкостью обладает пена на основе гидролизата животного белка марки Greenfroth.
Вторая группа пен: Пеностром, ПБлюкс, Greenfroth V отличаются падением стойкости в первые 10 минут. Прогнозируемо в эту группу попали пены на основе синтетических пенообразователей, а также выяснилось, что пены на основе гидролизата растительного белка обладают таким же течением синерезиса, как пены на пенообразователе аннионого типа на основе сульфанатов. Анализ кинетики изменения объема пены подтверждают данные по синерезису (рис. 5).
|
а) |
|
|
б) |
|
|
|
|
Рис. 1. Зависимость кратности пены от концентрации пенообразователей:
а) протеиновые; б) синтетические
|
а) |
|
|
б) |
|
Рис. 2. Зависимость плотности пены от концентрации пенообразователей
а) органические пенообразователи; б) синтетические пенообразователи
|
а) |
|
|
б) |
|
Рис. 3. Зависимость стойкости пены от концентрации пенообразователей:
а) протеиновых; б) синтетических
Рис. 4. Кинетика устойчивости пен во времени по синерезису
Рис. 5. Кинетика устойчивости пен во времени по объему
Стойкость в поризуемом растворе определялась согласно вышеописанной методике. Исследования проводились с целью оценки сохраняемости ячеистой структуры пены при смешении со связующими. Так, пониженная стойкость (менее 0,8) говорит об увеличении плотности, обусловленной недостатками компонентов смеси. В связи с этим, была исследована поризация различных минеральных систем. Для сравнения в случае наноструктурированного бесцементного вяжущего эксперимент проводили как при начальной (исходной) влажности суспензии, так и при разбавлении системы в соответствии с методикой до В/Т=0,4.
Таблица 2
Стойкость пены в различных поризованных растворах
|
Пенообразователь |
Reniment SB31L |
Пеностром |
ПБ–Люкс |
Foamin |
GreenFroth |
GreenFroth V |
|
Концентрация ПО, % |
6 |
1 |
2 |
2 |
4 |
5 |
|
Портландцемент |
0,96 |
0,98 |
0,94 |
0,96 |
0,99 |
0,99 |
|
НВ из песка |
0,89 |
0,98 |
0,95 |
0,98 |
0,85 |
0,62 |
|
НВ из песка (В/Т = 0,4) |
0,98 |
0,99 |
0,99 |
0,98 |
0,98 |
0,74 |
|
НВ из гранита (ВАВС) |
0,55 |
0,61 |
0,55 |
0,90 |
0,82 |
0,55 |
|
НВ из гранита (В/Т = 0,4) |
0,60 |
0,76 |
0,60 |
0,99 |
0,95 |
0,60 |
Согласно полученным данным стойкости в цементном растворе (таблица 2) пенообразующие добавки обеспечивают формирование качественной пеной, так как значения больше и близки к 0,95. В наноструктурированном вяжущем пены также показывают высокую стойкость, кроме пены на органическом пенообразователе растительного происхождения GreenFroth V, где стойкость ниже удовлетворительной. Значения стойкости поризованых растворов ВАВС имеют низкие показатели для большинства пенообразователей, кроме Foamin и GreenFroth, которые имеют высокие значения стойкости пены.
Выводы. На основе полученных результатов, можно охарактеризовать использованные пенообразующие добавки с учетом их состава и природы.
Протеиновые пенообразователи по степени эффективности, оцениваемой с учетом данных о кратности пен, стойкости по синерезису и в поризуемом растворе можно ранжировать в следующей последовательности (по уменьшению качества пены): Foamin® Reniment SB31L® GreenFroth.
Reniment SB31L обеспечивает относительно низкую кратность – 7–10, но высокую стойкость пены – 80–120 мин. Пена на его основе отличается хорошей стойкостью в поризованных растворах цементного теста и наноструктурированного вяжущего. Пенообразователь Foamin: кратность пены не превышает 15, стойкость варьируется от 30 до 50 мин. Протеиновый пенообразователь Foamin обладает самыми лучшими показателями стойкости в поризованных растворах и достигает качественной отметки со всеми видами минеральных вяжущих.
GreenFroth классический и на растительных белках обладает диаметрально различными характеристиками. Кратность GreenFroth классический достигает 15–25, стойкость 50–120 мин, GreenFroth V обладает кратностью около 10, стойкость 20–25 минут. Растительный GreenFroth имеет неудовлетворительные показатели стойкости в поризованных растворах бесцементных вяжущих, когда как GreenFroth V на растительных ПАВ имеет качественные значения для растворов с В/Ц=0,4 и удовлетворительные для наноструктурированных вяжущих с естественной влажностью.
Синтетические пенообразователи Пеностром и ПБ-Люкс имеют схожие показатели кратности и стойкости. Значение показателей: кратность 10–12 и 12–13, стойкость 8–10 и 17–20 мин. для пенообразователей Пеностром и ПБ-Люкс соответственно.
Источник финансирования. Грант Президента для молодых кандидатов МК-5980.2018.8; Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Bukhalo A.B., Strokova V.V., Nelyubova V.V. Heat-insulating non-autoclave foam gas-concrete with nanodispersed modifiers: monograph. Belgorod: publishing house of BSTU, 2015. 137 p.
2. Volodchenko A.N., Strokova V.V. Increase of efficiency of silicate honeycomb materials of autoclave hardening. // Vestnik of North-Eastern Federal University, 2017, no. 2 (58), pp. 60-69.
3. Volodchenko A.N., Strokova V.V. Peculiarities of technology for obtaining structural and heat-insulating cellular concrete on the basis of non-traditional raw materials // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhov, 2017, no. 1, pp. 138-143.
4. Kobzev V.A., Nelyubova V.V., Bezrodnykh A.A. Influence of organic modifiers on the stability of foam systems // Resource-energy-efficient technologies in the construction complex: collected scientific papers on the materials of the 5th International Scientific and Practical Conference, SSTU named after Gagarin Yu.A., Saratov, 2017, pp. 86-89.
5. Kobzev V.A., Strokova V.V., Sivalneva M.N. Cement-free binder based on granodiorite and foam concrete on its basis: monograph. Belgorod: Publishing House of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, 142 p.
6. Kobzev V.A., Netsvet D.D. Peculiarities of porous concrete mixture on the basis of various types of binder // In the collected book: High technology and innovations. Jubilee International Scientific and Practical Conference, dedicated to the 60th anniversary of the BSTU named after V.G. Shukhov (XXI scientific readings), 2014, pp. 182-186.
7. Kobzev V.A., Nelyubova V.V., Bezrodnykh A.A. Influence of organic modifiers on the stability of foam systems // Resource-efficient technologies in the construction complex of the region, 2017, no. 1 (8), pp. 86-89.
8. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Bukhalo A.B. Non-autoclaved cellular composites with nanocomponents: monograph. Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2017, 109 p.
9. Sivalneva M.N., Strokova V.V., Kapusta I.N. Microstructural features of fiber-foamedconcrete composites based on nanostructured binder // In the collected book: Scientific and practical problems in the field of chemistry and chemical technologies. Materials of the X Interregional Scientific and Technical Conference of Young Scientists, Specialists and University Students. Edited by A.I. Nikolaev, D.P. Domonov, 2016, pp. 105-108.
10. Sumin A.V, Strokova V.V, Nelyubova V.V, Eremenko S.A. Foam-gas concrete with nanostructured modifier // Stroitel’nye Materialy, 2016, no. 1-2, pp. 70-75.
11. Volodchenko A.A., Lesovik V.S., Volodchenko A.N., Zagorodnjuk L.H. Improving the efficiency of wall materials for «green» building through the use of aluminosilicate raw materials // International Journal of Applied Engineering Research, 2015, vol. 10, no. 24, pp. 45142-45149.
12. Sivalneva M.N., Pavlenko N.V., Pastushkov P.P., Strokova V.V., Netsvet D.D., Shapovalov N.A. Steam curing characteristics of cellular concrete on the base of nanostructured binder // Journal of Fundamental and Applied Sciences, 2016. vol. 8, no. 3S, pp. 1480-1485.
13. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Sumin A.V., Jernovskiy I.V. The structure formation of the cellular concrete with nanostructured modifier // Key Engineering Materials, 2017, vol. 729, pp. 99-103.
14. Pavlenko N.V., Strokova V.V., Kapusta M.N., Netsvet D.D. About application prospectivity of rocks with different geological and morphological features as basic raw component for free-cement binder production // Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 670-671, pp. 462-465.
15. Panesar D.K. Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents // Construction and Building Materials, 2013, vol. 44, pp. 575-584.
