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.
