Поверхностное натяжение насыщенных растворов неорганических вяжущих веществ в присутствии современных пенообразователей и его влияние на кратность и стойкость получаемых пен

В состав всех используемых пенообразователей входят поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые при растворении в жидкостях существенно понижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз «жидкость-газ». Причиной понижения поверхностного натяжения является строение молекул ПАВ, которые состоят из полярных групп и неполярного углеводородного радикала. Полярная часть молекулы ПАВ гидрофильна, а неполярная гидрофобна. Вследствие этого, при введении в раствор пенообразователей молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз «жидкость - газ», что приводит к понижению свободной поверхностной энергии за счет замещения на поверхности молекул воды менее полярными молекулами и за счет увеличения в поверхностном слое межмолекулярного расстояния.

С понижением поверхностного натяжения раствора повышается кратность получаемых из него пен. Это связано с тем, что чем меньше поверхностное натяжение раствора, тем меньше работы нужно затратить на создание новых поверхностей раздела фаз «жидкость-газ», и, как следствие, получить больший объем пены [1].

Поверхностное натяжение также оказывает влияние на лапласовское давление воздуха в порах, которое оказывает противодействие давлению вяжущего теста и уплотняющее давление на него в межпоровых перегородках:

Р = 2а/г.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что поверхностное натяжение является одним из важнейших показателей качества пенообразователей. Оценке поверхностного натяжения растворов различных пенообразователей посвящено много работ, однако при этом исследуются, как правило, лишь их водные растворы. В данной работе приведены результаты исследования поверхностного натяжения пенообразователей в насыщенных растворах вяжущих веществ.

В качестве модельных в экспериментах использовали насыщенные растворы Са(ОН)2, Mg(OH)2, CaSO4, раствор MgCl2 25 %-ной концентрации, дистиллированную воду, а также пенообразователи ПБ-2000 (синтетический) и Addiment SB3 (биологический). Поверхностное натяжение определяли сталагмометрическим методом. Изотермы поверхностного натяжения пенообразова- теля ПБ-2000 в растворах электролитов представлены на рис. 1.

Значительное понижение поверхностного натяжения фиксируется уже при концентрации пенообразователя 0,23 %. Фактически при этой концентрации для всех исследуемых сред (за исключением MgCl2) достигается критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). С повышением концентрации пенообразователя более 0,23 % поверхностное натяжение продолжает незначительно снижаться и достигает минимума при концентрации примерно 1,87 %. Минимальное значение поверхностного натяжения для всех исследуемых сред, кроме MgCl2, составляет примерно 25 мН/м. Снижение поверхностного натяжения 25%-ного раствора MgCl2 идет более медленными темпами и достигает примерно 40 мН/м.

Иной характер имеют изолинии поверхностного натяжения растворов электролитов и биологического пенообразователя Addiment SB3 (рис. 2).

Обращает на себя внимание монотонное снижение поверхностного натяжения с повышением концентрации пенообразователя, что затрудняет определение ККМ. Минимальное значение поверхностного натяжения достигается при концентрации ПО 3,16% и составляет 48-53 мН/м. Поверхностное натяжение практически не меняется в зависимости от вида электролита.

Исходя из полученных результатов, можно предположить, что пены, полученные на основе синтетического пенообразователя, будут характеризоваться большей кратностью, чем пены на основе биологического Addiment SB3. С другой стороны, лапласовское давление воздуха в порах пены,

Концентрация ПО, % по сухому веществу

Рис. 1. Влияние концентрации пенообразователя ПБ-2000 на поверхностное натяжение растворов электролитов и дистиллированной воды

Рис. 2. Влияние концентрации пенообразователя Addiment SB3 на поверхностное натяжение растворов электролитов и дистиллированной воды

полученной на основе синтетического ПБ-2000, будет меньше, чем в пенах на основе Addiment SB3. Понижение лапласовского давления приведет к меньшему противодействию давлению вяжущего теста на воздушную пору и, как следствие, меньшему уплотняющему давлению на него в межпоровых перегородках, что может стать причиной снижения устойчивости пенобетонных смесей [2]. При этом стоит отметить, что поверхностное натяжение насыщенных растворов гидроксида кальция, гидроксида магния и сульфата кальция практически не отличается от поверхностного натяжения растворов пенообразователей в дистиллированной воде. Это дает основание полагать, что кратность пен, полученных из насыщенных растворов исследуемых вяжущих веществ, за исключением 25 %-ного раствора хлорида магния, не будет отличаться от кратности пен, полученных из дистиллированной воды.

С целью проверки сделанного предположения нами также были изучены кратность и стойкость пен, полученных из приведенных пенообразователей в модельных растворах.

Из данных, приведенных на рис. 3, следует, что среда вспенивания оказывает существенное влияние на кратность получаемых пен. Кратность пен, полученных из насыщенных растворов CaSO4, Mg(OH)2 и дистиллированной воды выше, чем кратность пен из насыщенных растворов Са(ОН)2 и MgCl2.

ККМ исследуемых растворов достигалась при концентрации пенообразователя 0,23 % в пересчете на сухое вещество. При этом, согласно Тихомирову, должна достигаться максимальная кратность получаемых пен. Кратность модельных растворов повышалась с увеличением концентрации пенообразователя выше ККМ. Кратность пен из всех исследуемых растворов в присутствии пенообразователя Addiment SB3 повышается при увеличении концентрации пенообразователя, достигая максимума при концентрации 2 %. Кратность полученных пен различается незначительно и находится в пределах 4,6-5,5. Стабильность получаемых пен оценивалась степенью сохранности пен по истечении определенного промежутка времени (4 мин). Результаты испытаний приведены в таблице.

Максимальная стабильность пен, получаемых из исследуемых растворов в присутствии Addiment SB3, достигается при концентрации пенообразователя 2 %. Для пен из ПБ-2000 оптимальной в ряде случаев (растворы CaSO4, Mg(OH)2) является концентрация 1,5 %. Стабильность пен из дистиллированной воды возрастает до концентрации 1,25 %, при дальнейшем повышении концентрации стабильность пен начинает уменьшаться. Пены из биологического пенообразователя характеризуют-

—Са(ОН)2

—■— CaSO4

—*—МдС12

-Ж-Мд(ОН)2

—Ж—Н2О

Рис. 3. Влияние концентрации пенообразователя ПБ-2000 на кратность пен

Влияние концентрации пенообразователей на сохранность пен

Конц. ПО, %	Сохранность пен из ПБ-2000, %					Сохранность пен из Addiment SB3, %
	Са(ОН)2	CaSO4	MgCl2	Mg(OH)2	Н2О	Са(ОН)2	CaSO4	MgCl2	Mg(OH)2	Н2О
0,25	16	17,5	17	21	19,5	22,5	31	39	26	24,5
0,5	19	23	22,5	35	32	27	38	48,5	26,5	27,5
0,75	31	45	27,5	50	51,5	36	40	56	31	30,5
1	32,4	49	29,5	52	80,5	49	65,5	75,5	41,5	36,5
1,25	37,5	52,5	31,5	64,5	91	64	81	93	57	66
1,5	37	66	38	67,5	86,5	80	97	94	64,5	69
2	44,2	59	70	60	65	95	97	96	90	77

Рис. 4. Влияние концентрации пенообразователя Addiment SB3 на кратность пен

ся более высокой стойкостью, чем пены из синтетического ПБ-2000.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что для синтетических пенообразователей низкое значение поверхностного натяжения насыщенного раствора используемого вяжущего не всегда является достаточным условием получения пен высокой стабильности и кратности. Кратность и стойкость пен, полученных из насыщенного раствора гидроксида кальция, меньше, чем у пен, полученных из дистиллированной воды, при практически одинаковых значениях поверхностного натяжения. Причиной понижения кратности пен из насыщенных растворов гидроксида кальция и хлорида магния может быть уровень pH, отличный от уровня pH пенообразователя, а также взаимодействие ПАВ с растворенными ионами, что может привести к связыванию поверхностноактивного иона пенообразователя и образованию труднорастворимых солей. Кратность пен, полученных из пенообразователя Addiment SB3, а также поверхностное натяжение исследуемых растворов, практически не зависят от среды вспенивания (рис. 4).