Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера настоящее время широко распространено производство неавтоклавного пенобетона, так как он не требует энергоемкой обработки в автоклаве, формирует замкнутую пористую структуру с преобладанием пор сферической формы, позволяет приготавливать пенобетонную смесь непосредственно на строительной площадке, а также делает возможным монолитную заливку кровель, полов, подвальных и чердачных перекрытий. Но, в то же время, при производстве неавтоклавного пенобетона особенно низких плотностей возникает ряд сложностей, связанных с получением устойчивой пены и пенобетонной смеси на ее основе. Например, производство качественного неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона затруднено в связи с возникающей в процессе твердения осадкой пенобетонной смеси. Кроме того, одной из существенных задач является увеличение производства неавтоклавных пенобетонных изделий первой категории качества.

В работе предложено повышать качество пенобетонов стабилизацией пены добавками наноразмера, в качестве которых были выбраны золи кремниевой кислоты и гидроксида железа. Данный выбор обуславливается следующим. Пена, являющаяся важной составляющей пенобетона, обладает гораздо большей поверхностью по сравнению со своим объемом. В связи с этим, очевидна возможность применения в качестве стабилизирующих добавок систем с высокой удельной поверхностью. Также известно, что толщина пенных пленок может составлять десятки и сотни нм [1]. Поэтому для укрепления пленок в пене от разрушения возможно использовать вещества с сопоставимыми размерами частиц. Коллоидные растворы в виде золей являются высокодисперсными системами с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой, размеры частиц которой находятся в интервале 1–100 нм и имеют большую площадь поверхности. В качестве пенообразующей добавки в работе был выбран пенообразователь на протеиновой основе, как один из наилучших.

Согласно литературным данным, изучено влияние поликремниевой кислоты на протеин. Р. Айлер в [2] приводит данные о том, что соединение молекул протеина и поликремниевой кислоты происходит при обра-

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера зовании водородных связей между ионом азота протеина и ионом водорода поликремниевой кислоты. При этом образуется смешанная сетка этих частиц, ведущая к появлению кремнепротеинового комплекса.

Из фундаментальных знаний известно о сильной склонности катионов железа (III) к комплексообразованию и способности белков, содержащих группы –SH, –NH2, –COO–, образовывать прочные комплексы с легкополяризуемыми катионами, к которым относится ион железа (III). Известно, что комплексообразователем в комплексном соединении является ион железа (III), который, имея шесть свободных атомных орбиталей, может образовывать шесть химических связей по донорноакцепторному механизму.

В соответствии с этим, в работе высказывается предположение о возможности образования сложных комплексов между протеингидро-лизатом, входящим в состав протеинового пенообразователя, и частицами золей кремниевой кислоты и гидроксида железа (рис.1, 2). Такие комплексы могут препятствовать вытеканию жидкой фазы из межпленочного слоя, повышая ее устойчивость за счет своей пространственной разветвленности, и увеличивать толщину пенной пленки, которая и остается в структуре затвердевшего материала. В таком случае она может играть роль «арматуры» пенобетона.

Учитывая, что весь объем пенобетона будет «проармирован» такой утолщенной пленкой, это может улучшить эксплуатационные свойства пенобетона. Предлагаемая стабилизация пены также может позволить получить неавтоклавный теплоизоляционный пенобетон низких плотностей без осадки. Кроме того, повышение устойчивости пены с помощью таких стабилизаторов может позволить применять традиционные

Рис. 1. Фрагмент стабилизационного кремнепротеинового комплекса

Фрагмент раствора ПО

Фрагмент золя Fe(OH)3

Фрагмент раствора ПО

Рис. 2. Фрагмент стабилизационного железопротеинового комплекса

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера ускорители твердения цемента – электролиты без разрушения пены. Это должно повысить качество получаемых изделий – прочность и морозостойкость.

Для подтверждения возможности образования кремне- и железопротеиновых комплексов было проведено исследование спектров поглощения методом инфракрасной Фурье-спектроскопии для 3-процентных растворов пенообразователя, стабилизированных золями кремниевой кислоты и гидроксида железа, рис. 3, 4.

На спектре образца № 2 (рис. 3) видно, что полоса (3200 см–1), соответствующая валентным колебаниям ОН-групп золя кремниевой кислоты имеет широкий пик в несколько сотен обратных сантиметров, что может характеризовать возникающие водородные связи между атомом азота в протеине и ОН-группой золя кремниевой кислоты, находящихся в одной зоне спектра, и подтверждает возможность образования кремнепротеиновой сетки, фрагмент которой представлен на рис. 1.

На рис. 4 представлены ИК-спектры 3-процентного водного раствора пенообразователя № 2 и раствора пенообразователя, стабилизированного золем гидроксида железа (III) – № 1. На спектре № 2 (рис. 4) область 1630–1510 см–1 соответствует деформационным колебаниям карбонильной группы С=O. На спектре № 1 (рис. 4) можно наблюдать

Рис. 3. ИК-спектры образцов: № 1 – водный раствор пенообразователя; № 2 – раствор пенообразователя, стабилизированный золем кремниевой кислоты

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

Рис. 4. ИК-спектры образцов:

№ 1 – раствор пенообразователя, модифицированный золем гидроксида железа (III);

№ 2 – водный раствор пенообразователя сдвиг и уширение этой линии, что может соответствовать образованию координационной связи с кислородом амидной группы иона железа в составе комплексного соединения. Область 1250 см–1 соответствует деформационным колебаниям группы C–N, область 1150 см–1 – деформационным колебаниям группы NH–C=O, сдвиг и уширение этой полосы на спектре № 1 говорит о возможно возникающей координационной связи с азотом в составе комплексного соединения.

Таким образом, можно заключить, что расшифровка оптических спектров в инфракрасной области для раствора пенообразователя, стабилизированного золем гидроксида железа (рис. 4), подтверждает высказанное предположение об образовании химических связей по донорно-акцепторному механизму в составе комплексного соединения между ионом железа и функциональными группами пептида (рис. 2).

Для подтверждения стабилизирующего эффекта золей кремниевой кислоты и гидроксида железа (III) была исследована устойчивость строительной пены в зависимости от концентрации дисперсной фазы золей (SiO2 и Fe(OH)3) в растворе протеинового пенообразователя. Экс

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера перимент состоял в том, что пена взбивалась из растворов протеинового пенообразователя с введенным в него золем при различных концентрациях дисперсной фазы золя в растворах. Устойчивость стабилизированной пены оценивалась в соответствии с методикой, принятой в данной системе знаний [1, 3], а именно: как время выделения половины жидкой фазы из пены. Результаты исследований устойчивости пены приведены на рис. 5.

Рис. 5. Устойчивость стабилизированной золями пены: а) в присутствии золя кремниевой кислоты;

б) в присутствии золя гидроксида железа

Установлено, что золи, вводимые в раствор пенообразователя, оказывают положительное влияние на устойчивость пены, повышая ее до четырех раз. Необходимо отметить периодический характер кривой устойчивости пены от концентрации дисперсной фазы золя гидроксида железа в растворе пенообразователя (рис. 5б), который связан с тем, что золь Fe(OH)3 относится к высокоорганизованным периодическим коллоидным структурам – тактоидам, представляющим собой анизотропные стержнеобразные агрегаты [4].

Устойчивость пены в цементном тесте оценивалась по коэффициенту ее стойкости, равному отношению объема поризованного теста к сумме объемов цементного теста (В/Ц = 0,4) и пены. При введении золей в раствор пенообразователя наблюдается увеличение коэффициента стойкости стабилизированной пены в цементном тесте до 0,98.

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

Полученные положительные результаты в повышении устойчивости пены и пенобетонной смеси были применены для производства неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона средней плотности D200. Состав пенобетона приведен в таблице 1. Существенной проблемой при получении теплоизоляционного пенобетона является осадка смеси в процессе твердения, которая оказывает отрицательное влияние на структуру и свойства материала.

Таблица 1

Расход материалов на 1 м3 пенобетона средней плотности D200

Цемент, кг	Заполнитель, кг	В/Т	Пенообразователь, л	Дисперсная фаза стабилизатора, SiO2, гр
125	45	0,60	2,52	100…500

Стабилизированная золем и поэтому более устойчивая пена позволяет получить безосадочный теплоизоляционный пенобетон. Благодаря укреплению пленок пены стабилизирующими кремнепротеиновыми комплексами, оказывается возможным получить более дисперсную структуру материала, что ведет к снижению теплопроводности теплоизоляционного пенобетона. Для оценки устойчивости стабилизированной золем кремниевой кислоты пенобетонной смеси была измерена осадка смеси в начальный период твердения (рис. 6а).

Содержание дисперсной фазы золя, % от массы цемента

Рис. 6. Теплоизоляционный пенобетон средней плотности D200:

• а)    зависимость осадки пенобетонной смеси от содержания дисперсной фазы золя кремниевой кислоты;

• б)    монолитный пенобетон средней плотности D200 на основе стабилизированной пены, ООО «Пенобетонные технологии СОТИМ»

^^^^^^М 56 к содержанию

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

а)

б)

Рис. 7. Распределение макропор по размерам:

а) контрольный образец пенобетона;

б) образец пенобетона на основе стабилизированной пены

На основе полученных положительных результатов на заводе по производству пенобетона ООО «Декор-Строй» в г. Старая Русса была выпущена опытная партия неавтоклавного пенобетона средней плотности D200 на основе стабилизированной пены. Коэффициент теплопроводности полученного материала составил 0,04 Вт/(м * ° С).

Для образцов пенобетона средней плотности D600 на основе пены, стабилизированной золем кремниевой кислоты, были проведены исследования пористой структуры методом электронной микроскопии. Результаты исследований, приведенные на рис. 7, 8, показали следующее. Стабилизация пены оказывает положительное влияние на макропористость пенобетона, которое заключается в уменьшении среднего диаметра пор от 600 до 520 мкм, а также в общем увеличении числа пор среднего диаметра (рис. 7). Методами электронной микроскопии была также исследована область границы цементного камня и воздушной поры для образцов пенобетона с нестабилизированной пеной (рис.8, а) и пеной, стабилизированной золем кремниевой кислоты (рис. 8, б).

Из снимков следует, что для контрольного образца толщина пленки пены составляет ≈ 450 нм, а для образца со стабилизированной пеной ≈ 3,5 мкм, то есть возрастает на один порядок.

Наблюдаемая пленка увеличенной толщины возникает, по-видимому, в результате взаимодействия частиц золя кремниевой кислоты и пенообразователя с образованием структурного пространственного кремнепротеинового комплекса, представленного на рис. 1.

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

а)                                                       б)

Рис. 8. Данные электронной микроскопии образцов пенобетона D600: а) контрольный образец;

б) образец с пеной, стабилизированной золем кремниевой кислоты

Как было упомянуто выше, стабилизация пены золями может позволить использовать добавки – электролиты для активирования твердения цемента, что при использовании обычной пены затруднено из-за ее разрушения. В качестве активаторов твердения была использована комплексная добавка, содержащая хлорид натрия в количестве 5% от массы цемента и доломитизированный известняк.

Расход сырьевых материалов для пенобетона средней плотности D500 приведен в таблице 2.

Расход материалов на 1 м3 пенобетонной смеси

Таблица 2

Цемент, кг	Заполнитель, кг	Вода, л	Пенообразователь на протеиновой основе, л	Дисперсная фаза стабилизатора, гр.
				SiO2	Fe(OH)3
370	100	183	1,98	36	19

При оценке физико-механических характеристик полученных лабораторных образцов пенобетона средней плотности D500 на основе стабилизированной золями пены было обнаружено следующее (таблица 3):

• 1)    использование ускорителя-электролита не разрушает стабилизированную пену;

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

• 2)    прочность на сжатие образцов с комплексной добавкой в возрасте 28 суток увеличивается до 46 % по сравнению с контрольным образцом, а прочность на растяжение при изгибе – до 65 %;

• 3)    в случае применения комплексной добавки, прочность на сжатие образцов в возрасте 7 суток и прочность на растяжение при изгибе образцов в возрасте 3 суток соответствуют аналогичным прочностям контрольных образцов в возрасте 28 суток. Таким образом, применение комплексной добавки может способствовать ускорению технологического процесса;

• 4)    коэффициент теплопроводности образцов с добавками снижается и для образцов, стабилизированных золем кремниевой кислоты и активированных комплексной добавкой, соответствует классу ниже по средней плотности.

Таблица 3

Физико-механические характеристики пенобетона D500 активированного твердения на основе стабилизированной золями пены

Добавки	Прочность на сжатие, МПа			Прочность на растяжение при изгибе, МПа			Коэффициент теплопроводности, ВтДм ^ о С)
	Возраст, сутки			Возраст, сутки
	3	7	28	3	7	28
Контрольный образец	0,6	0,9	1,3	0,40	0,51	0,69	0,120
1)    Золь кремниевой кислоты в пене; 2)    Комплексная добавка	0,8	1,2	1,9	0,66	0,80	1,14	0,101
1)    Золь гидроксида железа в пене; 2)    Комплексная добавка	1,1	1,5	1,7	0,66	0,79	0,88	0,107

На основе полученных положительных результатов на производстве по выпуску неавтоклавного резательного пенобетона ООО «Пенобетонные технологии СОТИМ» в г. Старый Оскол была выпущена опытная партия пенобетона средней плотности D500 на основе пены, стабилизированной золем кремниевой кислоты. Пенобетон был произведен согласно действующего на производстве технологического регла-

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера мента. Пенобетонная смесь выдерживалась в формах до набора резательной прочности, далее производилась резка пенобетонного массива на изделия, последующая укладка блоков на поддоны и их твердение при нормальных условиях. Результаты исследований в опытном производстве в дополнение к лабораторным исследованиям показали, что стабилизация делает возможным снижение В/Т-отношения без разрушения пены. Набор резательной прочности моноблоками в присутствии комплексной добавки уменьшился на 7 часов, по сравнению с контрольным образцом, что свидетельствует об ускорении твердения. Уменьшилось также количество трещин и сколов в моноблоках до 40 %, в случае использования комплексной добавки. Усадка при высыхании образцов на основе стабилизированной пены, активированных комплексной добавкой, снизилась с 3,4 мм/м (для контрольного образца) до 2,8 мм/м.

В производственных условиях было установлено, что совместное применение стабилизатора пены и добавок – ускорителей твердения позволяет повысить количество изделий первой категории качества до 23% (рис. 9).

Немодифици- o,5 % NaF 5 % NaCI комплексная ровенные                             добавка изделия 1----------------г----------------*

Изделия со стабилизированной пеной

Рис. 9. Количество пенобетонных изделий первой категории качества

Таким образом, в работе обоснована и экспериментально доказана эффективность стабилизации пены на протеиновой основе добавками наноразмера в виде золей за счет образования пространственных комплексов, увеличивающих толщину пленки пены. Установлено, что стабилизированная золем кремниевой кислоты пена позволяет получить

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера теплоизоляционный пенобетон средней плотности D200 без осадки с пониженным коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м*°С). Также экспериментально доказано, что применение добавки-ускорителя твердения совместно со стабилизированной золями пеной позволяет значительно улучшить прочность при сжатии и растяжении при изгибе, теплопроводность, усадку при высыхании, а также категорию качества получаемых изделий из неавтоклавного пенобетона.

Сычева Анастасия Максимовна , 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9,

ПГУПС, каф. «Инженерная химия и естествознание».

Contacts:

Svatovskay Larisa Borisovna , 190031, St.-Petersburg, Moskovskiy pr.,9, Saint-

Petersburg State Transport University.

Sychova Anastasia Maksimovna , 190031, St.-Petersburg, Moskovskiy pr.,9, Saint-

Petersburg State Transport University.

Eliseeva Natalia Nikolaevna , 190031, St.-Petersburg, Moskovskiy pr.,9, Saint-

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Сватовская Л.Б., Сычева А.М., Елисеева Н.Н. Повышение качества неавтоклавного пенобетона добавками наноразмера // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2011, Том 3, № 1. C. 50–62. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Svatovskay L.B., Sychova A.M., Eliseeva N.N. Increasing of non-autoclave foam concrete quality by nanosized additives. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2011, Vol. 3, no. 1, pp. 32–42. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).