Сапониновый и клее-некалевый пенообразователи

Сапониновый пенообразователь

На заре становления пенобетонных технологий, - 60 лет назад, еще не существовало высокоэффективных синтетических пенообразователей, применяемых сейчас. И, тем не менее, пенобетон, изготовленный нашими дедами, по многим параметрам не уступает, а то и превосходит продукцию внуков. Главный секрет, конечно же, в высоком профессионализме предков. Немаловажен и правильный подбор рецептуры пенобетонной массы. И в первую очередь, конечно, природа и состав пенообразователя. Еще совсем недавно в качестве пенообразователей применялось всего два состава – клееканифольный (мы его рассмотрели ранее) и сапониновый.

Главная прелесть сапониновых пенообразователей, особенно для сельской глубинки – дешевизна и доступность. Килограмм обыкновенных каштанов, после простейшей обработки, даст полтора куба высококачественной мелкоячеистой пены. А пара-тройка каштановых деревьев решит проблему местных пенообразователей и для колхозного минизаводика.

 Сапонинами называются вещества растительного происхождения, обладающие ярко выраженной способностью к пенообразованию в водных растворах подобно мылу (Sapo – по латыни мыло). Сапонины известны давно – первые упоминания о них, как о мыльных веществах относятся к 1575 г. Из-за способности к обильному пенообразованию сапонины, с незапамятных времен, применяются как моющие средства. В особенности они хороши для стирки нежных и окрашенных тканей, которые не могут стираться мылом. Многие средства для чистки одежды и выведения пятен содержат сапонины. Их также употребляют для производства эмульсий, паст для бритья, средств для мытья волос и т.д. Большое значение сапонины имеют в медицине. Вследствие этого сведения о сапонинах чаще встречаются в медицинской и фармацевтической литературе, чем в технической.

Для получения чистых сапонинов из растительных веществ предложено множество способов. Но все они основаны на обработке различными реагентами водных или спиртовых вытяжек, полученных путем кипячения растительного сырья. Ввиду того, что для получения пены при производстве пенобетонов чистые сапонины не нужны – процесс их получения значительно упрощается.

Получение сапониновых пенообразователей очень просто – следует извлечь природный сапонин их растений его содержащих. Делается это путем длительного вымачивания растительного сырья в воде. При повышении температуры, а тем более в случае кипячения, процесс значительно ускоряется.

Всякий раз, равновесная концентрация сапонина в исходном сырье и в воде выравнивается. Иными словами за один раз извлечь весь сапонин не получится. Нужно слить воду с перешедшим в ней некоторым количеством сапонина в отдельную ёмкость, а сырье вновь залить чистой водой. И так несколько раз.

Полученные водные растворы, со всё уменьшающимся количеством растворенного в ней сапонина нужно смешать вместе. Полученный раствор будет иметь некую усредненную концентрацию и готов к непосредственному применению.

 Вопрос: Какие растения содержат сапонины?

Сапонины довольно распространены в растительном мире. Они обнаружены в растениях, относящихся приблизительно к 70 семействам и 400 видам, произрастающих в самых разнообразных климатических условиях – от тропиков до умеренного пояса. Но практическое значение имеют только растения со значительным содержанием сапонина, а именно:

1. Lychnis Chalcedonica – мыльная трава (татарская мыльная трава). Произрастает в степной полосе европейской части России, на Украине, Кавказе, Западной и Восточной Сибири. Встречается по сырым лугам возле воды. Наибольшее количество сапонинов содержат листья – до 23%

2. Sapindus Saponaria – мыльное дерево. Произрастает в тропических странах. У нас растет в Закавказье. Для извлечения сапонинов наиболее пригодны плоды – до 38% сапонинов.

3.Aesculus Hippocastanum – конский каштан. Разводится в декоративных целях и хорошо растет в умеренном климате России и Украины. Наиболее богаты сапонином плоды. В скорлупе – до 11%, а в мякоти плодов до 6 % сапонинов.

4. Acantophyllum Glandulosum – мыльный корень. Дикорастущее многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии и Закавказье. В корнях этого растения содержится до 32% сапонина.

5. Cyclamen Lbericum – альпийская фиалка. Произрастает в предгорьях Кавказа и Закавказья. Сапонин, до 25% содержится в корнях растений, имеющих форму клубней.

6. Saponaria Officinalis – мыльнянка, многолетнее дикорастущее растение, произрастающее в южной и средней части России и Украины. Корни мыльнянки, толщиной 2 – 3 см содержат до 36% сапонина.

7. Melandrium Album – горицвет. Дикорастущее растение широко распространено в Украине, на Кавказе, Сибири и европейской части России вплоть до Московской обл. Корни горицвета содержат до 28% сапонина очень хорошего качества. Поэтому данное растение искусственно культивируется как сырье для фармацевтической промышленности.

 Вопрос: Как воздействуют сапонины на человека и окружающую среду?

Ядовитость действия сапонинов на человеческий организм зависит от их природы. Наиболее активные (и вместе с тем наиболее ядовитые) сапонины называются сапотоксинами. Они содержатся в змеином яде.

Сапонины, содержащиеся в растениях, для человека практически безопасны – только их внутривенное введение способно отразиться на здоровье. В виде пыли сапонины действуют раздражающим образом на слизистые оболочки дыхательных органов, вызывая сильное чихание и ощущение царапания в горле. Сапонины имеют острый, часто жгуче горький, долго остающийся вкус.

На всех рыб сапонины действуют ядовитым образом даже в ничтожнейших дозах. Этот фактор является одним из методов качественного определения наличия сапонинов.

Вопрос: Каков срок пригодности пенообразователя на основе водной вытяжки из сапонинсодержащих растений?

Водные экстракты из сапонинсодержащих растений представляют собой хорошую питательную среду для различных бактерий. Кроме того, в раствор переходят особые ферменты, расщепляющие сапонины. Если не применять специальных мер, то даже при непродолжительном хранении, под воздействием бактерий и ферментов, сапонины разлагаются. При этом наблюдается помутнение раствора и образование осадка. Пенообразующая способность очень сильно падает, что является первопричиной некачественного пенобетона.

Для повышения сохранности водных растворов сапонинов их подвергают кипячению в течении 1 – 2 часов. В процессе кипячения, или непосредственно после него, к раствору следует добавить консервант. Экспериментально установлено, что наилучшими консервантами для водных вытяжек сапонинов являются фенол или формалин в дозировке 0.2 – 0.3% от массы сапонина (по сухому веществу).

Вопрос: Какова оптимальная концентрация сапонина в пенообразователе для изготовления пенобетона?

Зависимость выхода пены от концентрации сапонина в растворе проверялась по методу Штипеля, принятому в Московском филиале ВНИИЖ-а, механическим взбалтыванием 10 мл раствора в градуированной делительной воронке и отражена в нижеследующей таблице:

Таблица 1

 

Раствор	Объем пены (в см3)
	через 1 мин.	через 3 мин.
Вода чистая	0	0
Водный раствор сапонина 0.01% концентрации	150	150
-- // -- -- // -- 0.05% концентрации	250	225
-- // -- -- // -- 0.10% концентрации	256	225
-- // -- -- // -- 0.50% концентрации	275	250
-- // -- -- // -- 1.00% концентрации	375	375
-- // -- -- // -- 2.00% концентрации	300	300
Мыло ядровое 0.125% концентрации (для сравнения)	275	250

Из приведенной таблицы следует, что выход пены из растворов сапонинов не линейно повышается с увеличением их концентрации до 1%. При дальнейшем увеличении концентрации выход пены уменьшается.

Для технических целей следует признать оптимальной концентрацию 0.05% - дальнейшее её повышение, объем пены увеличивает незначительно.

Вопрос: Какие существуют способы улучшения пенообразователя на основе природных сапонинов?

Для изучения влияния отдельных модификаторов на свойство пениться сапониновых растворов были исследованы некоторые вещества – типичные представители своих групп: контакт Петрова (нефтяные сульфокислоты), ализариновое масло (жирные кислоты), сода (минеральные соли). Установлено, что минеральные соли несколько увеличивают пенистость сапонинов - на 10 – 15%, жирные кислоты примерно на столько-же её снижают, а нефтяные – оставляют неизменной.

При вымачивании растительного сырья, в раствор кроме сапонинов переходит и достаточно много красящих и дубильных веществ, способных даже в малых концентрациях очень сильно снижать скорость набора прочности пенобетоном. С целью их удаления, в водные вытяжки сапонинов следует добавлять известь - помимо окиси кальция в ней обязательно присутствует и небольшое количество окиси магния, которая хорошо связывает и осаждает красящие и дубильные вещества. После отстаивания осадок легко отфильтровывается от основной массы раствора.

Клее-некалевый пенообразователь.

В качестве вступления…..

Ко мне во множестве приходят письма типа: “ ….. мы изобрели новый революционный пенообразователь….”, “…мы делаем моющие составы для бытовых нужд, хотим их предложить в качестве пенообразователей….”, “…. мы получаем хорошие результаты на таком-то составе и хотим его предложить на рынок …” и т.д. и т.п. Завершает подобные письма стандартная просьба – испытать пенообразователь.

Хочу предвосхитить подобные просьбы на будущее и ответить сразу всем – прежде чем высылать пробные образцы, будьте готовы к тому, что подобного рода исследования очень длительны, ресурсоемки и дороги. И никто в трезвом уме и здравой памяти не возьмется проводить любые, даже самые элементарные, исследования без должного финансового обеспечения работ со стороны заказчика.

И пока у Вас не будет на руках результатов комплексных испытаний – Ваш состав, с коммерческой точки зрения, представляет интерес только для Вас самих.

Приводимые ниже выдержки из комплексного исследования клее-некалевого пенообразователя (а это всего примерно треть первоисточника) помогут определиться Вам с примерным объемом и перечнем необходимых исследований. И отрезвят горячие головы – ориентировочная стоимость выполненных подобных работ, в нынешних условиях – больше 35 тыс. дол. И, слава Богу, что еще 40 лет назад они были проведены в рамках целевой научно-исследовательской программы и за счет государства.

Эти материалы, я надеюсь, также убедят сомневающихся – можно всячески критиковать социализм, но отказываться от его научного наследия просто глупо.

Некаль представляет собой комплексное соединение, полное химическое название которого – дибутилнафталинмоносульфокислый натрий. Его получают нейтрализацией едким натром продукта взаимодействия нафталина, серной кислоты и бутилового спирта.

В промышленности Некаль обычно получают и используют в форме темно-коричневого водного раствора 16 – 20% концентрации. В процессе синтеза Некаля часть серной кислоты остается в нем и, при нейтрализации едким натром, дает сернокислый натрий, содержание которого в товарном Некале достигает 10%. Кроме того, в растворе находится некоторое количество хлорида натрия. Удельный вес 18%-ного раствора Некаля при температуре 20^оС равен 1.110 – 1.113.

Наличие в Некале тяжелого органического радикала и сильного электролита делает его поверхностно-активным веществом, что обуславливает эмульгирующие, пенообразующие и моющие свойства. Это позволяет широко применять Некаль как заменитель мыла в текстильной промышленности.

При комнатной температуре из 17 – 20%-ного водного раствора Некаля выпадает осадок, который при нагревании вновь переходит в раствор. Водный раствор Некаля может храниться длительное время, он огне- и взрыво- безопасен. В зависимости от производителя и особенностей конкретного производства в товарном Некале может присутствовать значительное количество сопутствующих солей, значительно снижающих его пенообразующую способность.

Ход и некоторые результаты комплексного испытания клее-некалевого пенообразователя для производства пенобетонов.

1. Добавка Некаля влияет на кинетику гидратации цемента. Это влияние отражено в нижеследующей таблице построенной на результатах испытания цементного раствора:

Таблица 2

 

Водного раствора Некаля от веса цемента	Сухого Некаля от веса цемента	Удлинение сроков схватывания   (в мин.)		Сопротивление сжатию
		начало	конец	в кг/см2	в % от цемента без добавки
0.000	0.000	-	-	419	100
0.010	0.0025	15	25	390	93
0.025	0.006	20	45	367	87.6
0.050	0.012	10	25	360	85.9
0.075	0.018	15	60	350	83.5
0.100	0.025	20	30	337	80.4
0.250	0.061	25	50	329	76.1

Примечание:

- водный раствор некаля применялся с плотностью 1.115 (содержание некаля по сухому веществу – 24.52%);

- В/Ц цементного раствора во всех случаях – 0.27, что соответствовало нормальной густоте для данного цемента;

- испытания на сжатие велись на кубиках 2х2х2 см (в соответствии со стандартами на момент проведения исследований);

- метод испытания образцов на прочность – “ускоренный”.

2. Эксперименты показали, что пена из Некаля легко поддается стабилизации различными коллагенами. Из всех исследованных веществ по соотношению цена/эффективность наилучшие показатели у клея столярного. Результаты отражены в таблице:

Таблица 3

 

Состав пенообразователя		Выход пены (в литрах) из соответствующего количества водного раствора пенообразователя (в литрах)
Некаль (в частях по весу)	Клей (в частях по весу)	0.1 л	0.2 л	0.3 л	0.4 л	0.5 л	0.6 л	0.7 л	0.8 л	0.9 л	1.0 л
1	0	4.0	4.3	5.2	5.4	5.5	5.8	5.1	3.0	-	-
1	0.25	3.5	5.5	7.0	8.4	10.1	10.0	9.0	7.3	-	-
1	0.50	4.3	7.2	10.2	12.4	12.5	12.5	12.3	12.1	11.2	10.0
1	1	5.9	8.0	9.8	11.3	12.5	14.3	15.8	16.0	15.9	15.7

Примечание:

- Клей и некаль смешивались в указанных весовых соотношениях. Затем отмерялся 1 гр. полученной смеси и растворялся в соответствующем количестве воды. Приготовление пены осуществлялось в цилиндрическом металлическом сосуде объемом 18 литров по стандартной методике.

- Осадка пены определялась на приборе ЦНИИПС (результаты в данном обзоре не отражены);

 

3. По результатам предыдущих исследований возникла потребность определить влияние на кинетику гидратации цемента добавки к некалю клея.

Таблица 4

 

Процент добавки к цементу   (по сухому веществу)		Соотношение некаль/клей   (по весу)	Сроки схватывания   (в час.-мин)		Сопротивление сжатию (28 суточное)   (в кг/см2)	Прочность   (в %)
некаль	клей		начало	конец
0.02452	0.0000	1 : 0.00	3 – 50	5 - 05	334	100.0
0.02452	0.0125	1 : 0.51	2 – 25	4 - 05	350	104.7
0.02452	0.0250	1 : 1.00	3 – 08	5 - 15	321	96.7
0.02452	0.0500	1 : 2.04	3 – 05	5 - 15	263	78.7

Примечание:

- за 100% принята прочность, полученная с учетом снижения прочности без добавок.

 

4. В качестве сравнении, в абсолютно идентичных условиях были проведены исследования сапонинового,

клееканифольного, алюмосульфонефтяного, и ГК пенообразователей. Пример по сапониновому приводится ниже, остальные в данном обзоре не отражены.

Таблица 5

 

Процент добавки сапонина от массы цемента   (по водному раствору плотн. 1.02)	Процент добавки сапонина от массы цемента   (по сухому веществу)	Сроки схватывания   (в час. – мин)		Сопротивление сжатию (28 суточное)   (в кг/см2)	Прочность   (в %)
		начало	конец
0.00	0.000	3 – 15	5 – 15	300	100
0.25	0.014	3 – 45	5 – 05	278	93
0.50	0.028	3 – 45	5 – 05	248	83
0.75	0.032	3 – 30	6 – 10	235	78
1.00	0.046	4 – 45	6 – 45	225	75
1.50	0.074	6 – 02	10 – 55	218	73
2.00	0.102	6 – 05	10 – 55	201	67
2.50	0.130	5 – 35	14 – 20	201	67
3.00	0.158	5 - 10	13 - 37	170	56

5. На основании проведенных исследований выстроена градация расхода различных пенообразователей.

Таблица 6

 

Название пенообразователя	Расход пенообразователя (в весовых частях по сухому веществу) на 1 кг. цемента
Сапониновый	0.00500 – 0.0100
Клее-канифольный	0.00150 – 0.0020
Алюмосульфонефтяной	0.00800 – 0.0200
ГК	0.00025 – 0.0004
Клее-некалевый	0.00020 – 0.0005

В соответствии с полученными результатами и стоимостью отдельных пенообразователей выстраивается обоснование их применимости в тех или иных условиях с экономической точки зрения (в данном обзоре не отражено).

 

6. После изучения кинетики гидратации на период схватывания и твердения, исследователи перешли к проверке как влияет клеенекалевый пенообразователь на прочностные показатели пенобетона в период набора прочности.

Таблица 7

 

Дозировка некалевого пенообразователя от массы цемента   (в % по сухому веществу)	Прочность на сжатие в возрасте (в кг/см2)				Снижение прочности в возрасте (в %)
	3 суток	7 суток	28 суток	3 месяца	3 суток	7 суток	28 суток	3 месяца
0.00	82	120	230	330	0	0	0	0
0.01	45	72	180	165	45	40	22	50
0.03	56	89	205	339	32	26	11	0
0.05	44	83	205	289	46	31	11	13
0.07	15	83	225	278	82	31	2	16

Эксперименты показали, что наиболее сильно, некаль оказывает воздействие на кинетику набора прочности на отрезке 3 – 7 суток. В дальнейшем его тормозящий эффект значительно нивелируется, и к, примерно, 3-х месячному возрасту исчезает полностью для дозировок 0.03 % (ранее установлено, что 0.03 – 0.05 % как раз и есть оптимальные дозировки).

 

7. Дальнейшие исследования были посвящены изучению поведения клеенекалевого пенообразователя на различных вяжущих и заполнителях. Для начала определились с номенклатурой вяжущих (взяли три типовых) и определили их характеристики – чтобы была возможность сравнения с ранее проведенными или последующими исследованиями.

Таблица 8

 

Вид вяжущего	Нормальная густота вяжущего   (в %)	Сроки схватывания вяжущего в час. - мин		Фактическая активность вяжущего   (в кг\см2 )
		начало	конец
Портландцемент М400	27.0	3 – 15	5 – 15	432
Шлакопортландцемент М250	27.0	3 – 15	6 – 00	280
Местное вяжущее	27.5	0 – 45	1 – 45	234

Примечание:

- Местное вяжущее – продукт совместного помола в вибромельнице М200 извести комовой негашеной – 20%, боя красного керамического кирпича (цемянка) – 70%, гипса строительного – 5%, портландцемента М400 – 5%;

- химико-минералогический, гранулометрический и петрографический состав используемых вяжущих в данном обзоре не отражен

 

8. Испытание пенобетона на вяжущих без инертных заполнителей проводилось по стандартной методике. Результаты для портландцемента М400 отражены в таблице.

Таблица 9

 

Расход материалов на 1 м3 пенобетона			В/Ц	Объемный вес   (в кг/м3)	Сопротивление сжатию в возрасте 28 суток   (в кг/см2)
Портландцемент   (в кг)	Некаль   (в гр.)	Клей   (в гр.)
219	97	52	0.38	263	5.6
330	236	120	0.40	396	14.6
496	182	99	0.34	597	25.3
504	253	129	0.40	605	30.9
683	95	50	0.40	820	34.6

То же самое для шлакопортландцемента:

Таблица 10

 

Расход материалов на 1 м3 пенобетона			В/Ц	Объемный вес   (в кг/м3)	Сопротивление сжатию в возрасте 28 суток   (в кг/см2)
Шлакопортландцемент   (в кг)	Некаль   (в гр.)	Клей   (в гр.)
174	122	65	0.40	209	1.9
211	93	49	0.38	253	5.3
247	147	78	0.40	296	5.0
367	114	60	0.40	440	10.8
428	112	59	0.34	514	18.0

 

9. Теперь наступил черед испытать пенообразователь добавив к вяжущему инертный заполнитель. Для сопоставимос

 

ти полученных результатов, заполнители также подвергли предварительному исследованию.

Таблица 11

 

Наименование материала	Гранулометрический состав материала по фракциям (в %)							Удельный вес	Объемный вес (в кг/м3)
	1 мм	1 – 0.6 мм	0.6 – 0.3 мм	0.3 – 0.15 мм	0.15 – 0.05 мм	0.05 – 0.005 мм	менее 0.005 мм		в рыхлом состоянии	в плотном состоянии
Тонкозернистый песок “А”	-	0.05	0.30	25.70	63.20	8.20	2.55	2.70	1320	1660
Пылеватый грунт “Г”	-	-	0.80	13.30	44.20	39.30	2.40	2.65	1320	1660
Мелкозернистый песок “Т”	0.06	6.30	19.68	60.68	10.75	2.53	-	-	1380	1670
Тонкозернистый пылеватый песок “С”	-	0.08	0.70	21.42	58.30	-	-	-	-	-
Тонкозернистый пылеватый песок “М”	-	0.08	0.50	8.65	41.53	43.20	6.20	2.7	1270	1590

Примечание:

- выбор конкретных заполнителей отражает реалии типичных местных условий

 

10. Испытание пенобетона на вяжущих с инертными заполнителями проводилось по стандартной методике.

Таблица 12

 

Расход материалов на 1 м3 пенобетона					Состав пенобетона (по весу)	Водa   Цем. + Заполн.	Объемный вес пенобетона   (в кг/м3)	Сопротив ление сжатию   (в кг/см2)
Портланд цемент М400	Заполнители		Некаль   (в гр.)	Клей   (в гр.)
	Наименов.	Количество   (в кг.)
242	Грунт “А”	97	113	60	1 : 0.4	0.56	372	7.5
260	-- // --	104	118	29	1 : 0.4	0.39	399	8.0
285	-- // --	114	104	26	1 : 0.4	0.40	532	9.4
297	-- // --	297	80	42	1 : 1	0.60	652	15.5
250	Грунт “К”	107	102	54	1 : 0.43	0.50	393	2.7
199	Песок “Т”	199	166	83	1 : 1	0.50	438	3.1
244	-- // --	244	94	50	1 : 1	0.50	538	4.1
248	-- // --	248	70	37	1 : 1	0.38	546	5.5
252	-- // --	252	70	37	1 : 1	0.46	555	6.7
246	-- // --	492	78	41	1 : 2	0.60	816	12.2

 

11. А если пропарить …..

Таблица 13

 

Расход материалов на 1 м3 пенобетона					Условия твердения				Объемный вес пено бетона(в кг/м3)	Сопро тивление сжатию   (в кг/см2)
Портланд цемент   (в кг)	Молотый песчаный грунт   (в кг)	Некаль   (в гр.)	Клей   (в гр.)	В/Ц	Предвари тельное нормальное хранение   (в сутках)	Пропарка		Последующее нормальное хранение   (в сутках)
						№ режима пропарки	Продолжи тельность пропарки   (в час.)
282	121	101	101	0.34	1	1	26	8	442	4.4
397	170	90	50	0.34	1	1	26	8	624	11.3
414	178	79	42	0.34	1	1	26	8	650	12.8
462	199	81	43	0.34	1	1	26	8	728	17.2
497	216	65	34	0.34	1	1	26	8	781	18.2
620	266	102	54	0.34	5	2	26	1	975	54.7

 

12. А если применить местное вяжущее, а потом пропарить ….

Таблица 14

 

№ п/п	Расход материалов на 1 м3 пенобетона						В/Ц	Условия твердения			Объемный вес пенобетона   ( в кг/м3)	Сопро тивление сжатию   (в кг/см2
								Предвари тельное нормальное хранение   ( в сутках)	Продолжи тельность пропарки   ( в часах)	Последующее нормальное хранение   (в сутках)
	Известь   (в кг)	Цемянка   (в кг)	Гипс   (в кг)	Портланд цемент   (в кг)	Некаль   (в гр)	Клей   (в гр)
1	67	253	17	17	118	30	0.55	1	21	4	388	3.5
2	69	260	18	17	114	28	0.55	2	20	4	400	4.0
3	63	254	17	17	118	30	0.55	3	21	4	392	4.3
4	63	258	17	17	118	30	0.55	5	21	1	392	4.7
5	69	260	17	17	114	29	0.55	7	26	4	399	3.4
6	69	258	17	17	115	28	0.55	1	21	5	397	4.9
7	69	257	17	17	117	30	0.55	2	20	4	395	5.2
8	69	258	17	17	115	26	0.55	3	21	6	397	5.2
9	68	257	17	17	117	30	0.55	5	21	4	395	5.2
10	70	261	17	17	114	28	0.55	7	26	4	401	5.0
11	80	257	18	18	112	28	0.55	28	0	0	410	4.1

 

13. А что будет через сутки, через месяц, через год?

Таблица 15

 

№ п/п	Расход материалов на 1 м3 пенобетона					___В___   Ц + П	Объемный вес пенобетона   ( в кг/м3	Прочность на сжатие в возрасте   (в кг/см2)
	Портланд цемент   (в кг)	Песок   (в кг)	Некаль   (в гр)	Клей   (в гр)	Вода   (в литрах)			7 сут.	14 сут.	28 сут.	60 сут.	90 сут.	120 сут.	150 сут.	210 сут.
1	240	144	130	32	142	0.37	426	5.00	6.00	7.45	9.30	10.70	11.90	11.70	11.40
2	240	144	130	32	134	0.35	419	3.87	4.98	5.30	5.70	-	7.70	7.83	-

 

14. А если не пропаривать, а в автоклав запихнуть?

 

Таблица 16

№   Сос тава	Вид вяжущего	Расход материалов на 1 м3 пенобетона					___В___   Ц + П	Номи нальный состав   (Вяжущее : Песок)	Выде ржка до запа рки   (в час.)	Время запарки при 8 атм   (в час.)	Выдержка после запарки   (в час.)	После дующее нормальное твердение   (в сут.)	Объе мный вес пено бетона   ( в кг/м3)	Сопро тивление сжатию   (в кг/см2
		Известь   (в кг)	Вяжу щее   (в кг)	Песок   (в кг)	Пенообразователь
					Некаль   (в гр)	Клей   (в гр)
1	Местное	-	457	-	80	40	0.45	1 : 0	120	10	24	7	475	15.1
7	-- // --	-	364	-	80	40	0.45	1 : 0	40	10	10	3	440	17.1
8	-- // --	-	636	-	80	40	0.45	1 : 0	40	10	10	3	706	24.9
8	-- // --	-	636	-	80	40	0.45	1 : 0	40	10	10	3	726	25.8
12	-- // --	-	636	-	80	40	0.45	1 : 0	18	10	54	4	747	37.1
12	-- // --	-	636	-	80	40	0.45	1 : 0	18	10	78	5	769	40.2
2	Шлако портланд цемент	-	242	484	80	40	0.32	1 : 2	120	10	24	7	711	17.5
2	Портланд цемент	-	363	363	80	40	0.32	1 : 1	40	10	10	3	700	22.5
5	Известь	132	-	594	80	40	0.35	1 : 4.5	40	10	10	3	800	20.3
3	-- // --	97	-	582	80	40	0.37	1 : 6	18	10	32	3	790	12.1

Логическим завершением темы о пенообразователях может послужить их сравнительно-оценочная характеристика. Причем она обязательно должна отвечать определенным критериям, а именно:

1. Для минимизации тенденциозности в оценках, обусловленной рекламистскими соображениями, исследования должны быть комплексными, проведенными солидными государственными научными учреждениями и в рамках целевых государственных научно-исследовательских программ, финансируемых исключительно государством.

2. Руководить подобными работами (и “подписываться” под полученными результатами) должны ученые, авторитет которых в данной области непререкаем. А “громкость имени” среди специалистов настолько высока, что не позволит пойти на поводу у коньюктурщины.

3. Исследования должны быть не слишком древними – чтобы современные вещества в них были отражены достаточно полно, но и не ультрасовременными, – уж слишком активно в нашу повседневность стал последнее время внедряться лозунг – “все покупается и продается”.

4. Результаты исследований должны быть сопоставимы. Для этого они должны быть проведены по единым правилам, в одинаковых условиях и на строго научно обоснованных методиках проведения экспериментов.

5. Исследования обязательно должны быть легко проверяемы в условиях типичной строительной лаборатории, понятны для строителей-практиков с “серийным” инженерно-строительным образованием и носить ярко выраженную практическую ориентацию. А разные термокинетики гидратации, спектроскопии и прочие “хроматографии” следовало оставить на растерзание узким специалистам – поверьте, съезжаясь на свои сходки-конференции, они не только водку пьют.

 

Задавшись приведенными выше ограничениями я перерыл горы литературы – все не то. Тут явно торчат “рекламные” уши; это не внушает доверия самим стилем написания – явно не специалист работал; здесь сенсационные исследования, претендующие на серьезные научные дивиденды в будущем, а “продолжения” нет – или коммерция перевесила и тему “закрыли”, или всё фикция, - в любом случае не подходит.

Много “молодых да ранних”. Блеснул яркой звездочкой на научном небосклоне и пропал – ни слуху, ни духу. Толи плюнул на аспирантуру и ушел на рынок торговать, толи не блеснул, а просто звонко тявкнул из-под забора на старого матерого кобеля, поди разберись, - “на карандаш” конечно, возьму, но популяризировать то, в чем и сам сомневаюсь, не рискну.

Вот примерно так рассуждая и “вычеркивая” претендентов, я остановился на книге Гаджилы Р.А. и Меркина А.П. [2]. Первый – представитель Азербайджанской нефтехимической школы. Его имя мало знакомо в научных строительных кругах. Зато, заслышав имя второго, любой уважающий свой бизнес пенобетонщик должен стать по стойке смирно и внимать словам МЭТРА.

Адольф Петрович Меркин, основатель “сухой минерализации” в пенобетонах, и предводитель московского легкобетонного дворянства – безусловный авторитет. Его совместные труды с Хигеровичем [3] и Таубе [4] (сталинская академическая профессура знатных кровей, заложившая основы современного бетоноведения для всего мира, с кем зря водиться, не станет) также свидетельствуют о его научной значимости.

Приводимые ниже незначительные выдержки – обобщенный результат комплексной научно-исследовательской программы Азербайджанской нефтехимической промышленности по поиску, разработке и продвижению на социалистический рынок продуктов нефтехимии. Чтобы не утомлять читателя ненужными подробностями я умышленно ограничил список исследованных пенообразователей 9 наименованиями (в первоисточнике их 26) – либо типичными представителями своего класса либо массово применяемые в пенобетонном производстве.

Учитывая предполагаемую читательскую аудиторию, весьма далекую как от проблем нефтехимии, так и, порой (чего греха таить), от научно-методологического обоснования технологии производства пенобетона, я счел уместным приводимые ниже результаты исследований сопроводить своими комментариями, обозначив их курсивом.

Эффективность поверхностно-активных веществ, применяемых в технологии строительных материалов, определяется комплексом факторов. Наряду с основополагающим – снижением поверхностного натяжения, немаловажны и такие, как пенообразующая способность водных растворов ПАВ, их агрегативная устойчивость в зависимости от концентрации пенообразователя и добавок загустителей и электролитов (стойкость “пустых пен”). Влияние ПАВ на кинетику гидратации вяжущего, гидрофолизирующее либо гидрофобизирующее воздействие на вяжущие и цементный камень, растворимость в воде, способность эмульгироваться и эмульгировать и т.д. непосредственно отражаются на последующих строительно-эксплуатационные свойства готовой продукции. Именно по эти основным критериям и проводились комплексные исследования различных пенообразователей.

Учитывая щелочной характер среды при поризации воздухововлечением цементно-песчаных и известково-песчаных (в данном обзоре из-за недостатка места поризация известково-песчаных смесей не отражена), основные характеристики ПАВ были изучены как в чистой воде, так и в насыщенном растворе гидроокиси кальция, что отражает реалии производственного процесса. Анализ нижеприведенной таблицы показывает, что умышленное либо неумышленное пренебрежение такой вроде бы не существенной “мелочью” как щелочность среды пенообразования, весьма существенно отражается на кратности и стойкости получаемой пены и позволяет направленно манипулировать степенью эффективности тех или иных пенообразователей в рекламных целях.

При анализе нижеприведенных таблиц следует также учитывать, что ПО-1, за исключением всех остальных, это не индивидуальное ПАВ, а готовый товарный пенообразователь, в состав которого уже введён стабилизатор. Следует ожидать, что СНВ (смола нейтрализованная воздухововлекающая) после добавки соответствующего стабилизатора превратится в клее-канифольный пенообразователь, кратность и, особенно, стойкость пены которого значительно улучшатся. Эти рассуждения справедливы также и для Некаля и клее-некалевого пенообразователя.

Кратность и стойкость пены из нафтеновых кислот (мылонафт и асидол-мылонафт) в щелочной среде насыщенной гидроокисями кальция рассматривать бессмысленно – в результате обменно-замещающих реакций по кальцию, эти ПАВ из водорастворимых натриевых солей нафтеновых кислот переходят в кальциевые соли. А они уже водонерастворимы, выпадают из раствора в форме осадка и быстро теряют свою пенообразующую способность. Это также вполне справедливо и для пенообразователей на основе жирных кислот, либо таких, в чьем составе они превалируют в качестве ПАВ ( SDO-L).

ЦНИИПС-1 – омыленные древесные пеки переработки хвойной древесины на уксусную кислоту – по-нынешнему СДО (смола древесная омыленная). Их вещественный состав весьма разнится от партии к партии, но всегда справедливо одно – смоляных кислот всегда намного больше чем жирных. А общеизвестно, что смоляные кислоты в щелочной среде свою пенообразующую способность увеличивают, а жирные, наоборот, снижают (химизм процесса, как и для нафтеновых кислот – см. выше).

В омыленных древесных пеках из лиственных пород древесины, жирных кислот, наоборот, больше чем смоляных. И их, по праву, можно отнести к ПАВ, не обеспечивающих нужного для производства пенобетона пенообразования в щелочной среде. Этот факт, тем не менее, играет весьма положительную роль в тяжелых бетонах, где излишнее воздухововлечение наоборот вредно. Стремясь дистанцироваться от традиционного СДО, обозначить свою “тяжелобетонную” ориентацию, но остаться в разрешительно-рекомендующем лоне отечественных нормативных документов, некоторые производители стали именовать свою продукцию на манер SDO или SDO-L. (Весьма красивое и оригинальное решение, следует признать, ловко обыгрывающее идентичность фонетики русской и английской транскрипции. Оно наверняка не останется без последователей, и в ближайшем будущем следует ожидать нашествие клонов типа – S-3 (C-3), SNV (СНВ), GKJ-11N (ГКЖ-11Н), LST (ЛСТ), DOFEN (Дофен) и т.д. и т.п.).

 

Кратность пены в зависимости от концентрации пенообразователя, и щелочности среды пенообразования

Таблица 17

 

Наименование ПАВ	Кратность пены для концентрации пенообразователя (%)
	0.25%		0.50%		1.00%		1.50%		2.00%		2.50%
	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	Вода	Ca(OH)2
Азолят А	15.0	7.2	22.0	8.5	22.0	21.4	24.0	23.0	24.0	24.0	24.0	24.2
ПО-1	7.8	7.45	14.5	20.0	20.4	22.5	22.7	23.5	23.3	24.0	24.7	24.2
Некаль	7.0	1.5	11.5	2.5	16.4	4.75	24.3	5.9	24.5	10.2	24.6	12.9
НЧК	2.2	1.2	5.5	2.5	9.1	4.15	10.0	8.2	11.5	12.3	12.3	16.8
Сульфонол хлорный	8.0	1.6	8.6	1.6	10.0	3.4	11.6	4.0	12.4	5.0	16.0	6.4
СНВ	3.0	3.6	3.0	4.6	7.0	6.0	8.4	6.0	8.6	6.4	10.0	7.4
ЦНИИПС-1	2.4	2.8	2.8	3.0	3.0	4.2	3.5	5.6	5.0	6.0	5.2	6.2
Мылонафт	1.5	0	2.5	0	3.7	0	7.6	0	10.1	0	12.4	0
Асидол-мылонафт	1.2	0	3.0	0	4.35	0	7.25	0	9.3	0	11.8	0

 

Стойкость пены в зависимости от концентрации пенообразователя, и щелочности среды пенообразования

Таблица 18

 

Наименование ПАВ	Объем пены, см3, по времени (минут)
	0		10		20		30		40		50
	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	вода	Ca(OH)2	Вода	Ca(OH)2
Азолят А	2400	2300	2250	2200	1400	1500	530	600	300	200	190	180
ПО-1	2265	2350	2265	2200	2255	2140	2200	2080	1950	1900	1710	1750
Некаль	2430	590	2395	195	1500	100	400	0	200	0	180	0
НЧК	1000	820	800	690	580	520	300	300	150	140	120	100
Сульфонол хлорный	1160	400	840	200	300	120	200	105	180	100	140	0
СНВ	840	600	780	600	460	600	260	600	200	600	180	600
ЦНИИПС-1	350	560	250	560	230	560	210	560	190	560	170	560
Мылонафт	760	0	270	0	110	0	100	0	0	0	0	0
Асидол-мылонафт	725	0	400	0	130	0	100	0	0	0	0	0

Способность к воздухововлечению различных пенообразователей в зависимости от концентрации пенообразователя, и длительности перемешивания.

Таблица 19

Наименование ПАВ	Воздухововлечение, %, в зависимости от длительности перемешивания (мин) и концентрации пенообразователя (%)
	2 мин		5 мин		10 мин		15 мин		20 мин		25 мин
	0.05%	0.15%	0.05%	0.15%	0.05%	0.15%	0.05%	0.15%	0.05%	0.15%	0.05%	0.15%
Азолят А	35.8	59.2	38.2	65.0	39.4	68.7	42.2	70.0	44.0	72.0	44.6	75.2
ПО-1	37.2	47.0	41.1	56.0	46.3	61.8	50.3	68.0	56.3	68.9	57.8	69.4
Некаль	28.1	44.7	35.5	50.7	39.2	59.0	41.5	60.0	44.7	63.0	46.4	63.5
НЧК	31.5	43.8	37.2	52.0	43.0	63.0	47.5	68.8	52.1	70.6	54.3	74.9
Сульфонол хлорный	34.2	44.9	35.0	47.2	35.4	51.0	36.4	53.4	37.0	55.7	37.6	59.2
СНВ	35.3	39.3	38.7	45.8	42.7	55.6	45.8	58.6	48.2	64.4	51.6	73.2
ЦНИИПС-1	21.2	35.3	21.8	37.0	21.8	39.9	21.8	41.3	21.8	42.3	21.8	44.1
Мылонафт	24.4	34.4	30.1	39.7	34.3	46.7	37.0	53.0	39.3	58.7	42.6	63.4
Асидол-мылонафт	24.3	31.0	29.8	34.3	36.3	41.0	37.2	45.0	40.0	47.5	42.3	50.0

Комментарии к Таблице 4.

Воздухововлекающая способность ПАВ изучалась на цементно- и известково-песчаных растворах (соответственно Ц:П = 1:1.5 и И:П = 1:3 – в данном обзоре все данные приведены частично, только для цементно-песчаных растворов). В таблице 4 приведены данные для В/Ц=0.5, концентрации добавки (пенообразователя) по отношению к вяжущему – 0.05% и 0.15% (по сухому веществу). Растворы перемешивались в мешалке с сетчатыми лопастями при скорости вращения вала n=250 об/мин

Внимание!!! Налицо серьезное упущение авторов – не корректно ссылаться только на скорость вращения вала смесителя, не указывая при этом его геометрические размеры (авторы ссылаются на “…стандартный смеситель”.) Правильней было бы указать окружную или угловую скорость.

Действие воздухововлекающих добавок связано с поверхностными явлениями на границе раздела жидкой и газообразной фаз и на границе раздела твердой и жидкой фаз. Со снижением поверхностного натяжения водных растворов ПАВ увеличивается их пенообразующая, а в цементно-песчаных смесях – воздухововлекающая способность. Однако при определенных концентрациях поверхностное натяжение водных растворов ПАВ достигает своего предельно-максимального значения, и дальнейшее увеличение концентрации не вызывает значимого изменения поверхностного натяжения. Проведенные эксперименты показали, что для всех добавок, повышение концентрации от 0.05 до 0.10% вызывает монотонно возрастающее воздухововлечение. В интервале 0.10 – 0.15 оно достигает максимума. Повышение концентрации сверх 0.15% не приводит к увеличению пенообразования. Это явление объясняется насыщенностью поверхностного слоя, и затрудненности дальнейшей адсорбции молекул ПАВ к границе раздела вода/воздух. В результате замедляется снижение поверхностного натяжения, что и приводит к стабилизации пенообразования, а, следовательно, и воздухововлечения.

Влияние температуры раствора на объем вовлеченного воздуха является одним из решающих факторов в механизме воздухововлечения. Увеличение температуры массы от +17^оС до +70^оС приводит к неуклонному уменьшению объема воздухововлечения. При этом суммируются два явления: уменьшение поверхностного натяжения растворителя и изменение адсорбции ПАВ в поверхностном слое. Повышение температуры оказывает большое влияние на адсорбцию ПАВ, сильно её уменьшая. В этом главная причина резкого снижения воздухововлечения с повышением температуры. С другой стороны увеличение температуры массы, хотя и сильно уменьшает объем вовлеченного воздуха, но зато очень резко увеличивает скорость воздухововлечения.

С точки зрения практической применимости, зависимость скорость и объема воздухововлечения от температуры можно очень эффективно использовать – в начале цикла перемешивания температура смеси должна быть как можно выше, а в конце – как можно ниже. Например, использование подогретого раствора пенообразователя или воды и охлажденных заполнителей и т.д.

Влияние водо/цементного (В/Ц) соотношения на процессы воздухововлечения при перемешивании изучалось в широком диапазоне, от В/Ц=0.3 до В/Ц=0.65. Выбор именно этого диапазона объясняется тем, что это типичные значения для различных приемов заводского производства ячеистых бетонов.

Исследованиями установлено, что увеличение В/Ц от 0.3 до В/Ц=0.65 приводит к возрастанию объема воздухововлечения. Причем “пик” воздухововлечения для различных добавок различен, но он всегда ближе к большим показателям В/Ц (для ПО-1 этот “пик” находится при В/Ц=0.55) По достижению “пика”, дальнейшее увеличение В/Ц сопровождается незначительным снижением воздухововлечения.

Особенно велико влияние В/Ц на объем воздухововлечения в начале процесса перемешивания. Так, например, за 2 и 5 минут перемешивания при В/Ц=0.4 объем вовлеченного воздуха для Азолята А в цементно-песчаной смеси составляет 7% и 13% соответственно. А при В/Ц=0.5 эти цифры возрастают уже до 36% и 40% соответственно. Такое явление объясняется существенным изменением значений вязкости и предельного напряжения сдвига растворов при переходе от В/Ц=0.4 к В/Ц=0.5.

Это же объясняет и то, почему сравнительно слабые пенообразователи (а в щелочной среде и вообще никакие – мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, а также новоявленный SDO-L) в случае их применимости в качестве пенообразователей для варианта воздухововлечения в процессе перемешивания водоцементных суспензий, показывают достаточно неплохие результаты. Все они достаточно мощные гидрофобизаторы, способные очень сильно изменять пластическую вязкость и тем самым, опосредованно, влиять и на воздухововлечение.

(Я сильно отвлекаюсь от темы, заинтересовавшихся данным аспектом отсылаю к [6 - 15], но торговцам SDO-L из “ВНЕШХИМчегото” рекомендую, всё же начать с [16] и не дискредитировать хороший продукт неумелой рекламой).

Влияние скорости перемешивания на объем вовлеченного воздуха изучалось на мешалках, как с сетчатыми, так и с обычными лопастями.

Для мешалки с сетчатыми лопастями увеличение скорости перемешивания от 70 до 250 об/мин приводит к непрерывному нарастанию объема вовлеченного воздуха. Дальнейшее поднятие оборотов до 326 об/мин не дает заметных изменений. А уже начиная с 400 об/мин наблюдается монотонное уменьшение воздухововлечения.

Для обычной лопастной мешалки оптимальной оказалась скорость 345 – 380 об/мин. Дальнейшее её увеличение приводит к снижению воздухововлечения.

Вовлечение воздуха в смесь из пространства над её поверхностью происходит в результате образования каверн лопастями смесительного агрегата, что зависит от интенсивности нарушения сплошности поверхности смеси. Поэтому при малых скоростях объём вовлекаемого воздуха незначителен. При увеличении скорости перемешивания сверх оптимальной разрыв пузырьков и выход воздуха на поверхность происходят интенсивнее, нежели процесс образования и дробления новых. В результате этого чрезмерное увеличение скорости перемешивания приводит к уменьшению объёма вовлеченного воздуха.

Влияние длительности перемешивания на объём вовлеченного воздуха изучалось при перемешивании цементно-песчаного раствора с добавками различных пенообразователей в течении - до 90 минут. Несомненно, увеличение продолжительности перемешивания должно сопутствовать росту воздухововлечения. Однако установлено, что со временем скорость насыщения массы пузырьками неуклонно снижается, и дальнейшее перемешивание массы приводит к её стабилизации. После достижения некоторого “критического воздухововлечения” возможно даже незначительное уменьшение объема вовлеченного воздуха.

Влияние типа смесительного агрегата на объём вовлеченного воздуха изучалось на мешалках с различным видом смесительного устройства: сетчатым, лопастным и червячным.

Опыты показали, что мешалка с сетчатым смесителем оказалась наиболее эффективной. Самый низкий объём вовлеченного воздуха наблюдался в мешалке с червячным смесителем. Большое воздухововлечение в мешалке с сетчатыми лопастями объясняется тем, что в нем область перемешивания, т.е. число точек соприкосновения лопасти и раствора, увеличивается, в результате чего объем вовлеченного воздуха возрастает.

Влияние вида вяжущего на воздухововлечение в процессе перемешивания изучалось при одних и тех же условиях на цементно-песчаном и известково-песчаном растворах. Экспериментом установлено, что воздухововлекающая способность ПАВ в цементно-песчаном растворе намного больше (в 1.5 – 3.0 раза, в зависимости от вида ПАВ), чем в известково-песчаном.

Известно, что в производстве ячеистобетонных изделий воздухововлекающие ПАВ могут быть введены в смесь на различных стадиях технологического цикла. Поэтому наряду с введением водных растворов ПАВ непосредственно в смеситель была изучена и возможность их введения в мельницу при мокром помоле песка. В результате лабораторных опытов и их натурной апробации на Сумгаитском заводе бесцементо-вяжущих силикатных изделий и конструкций было установлено, что добавки ПАВ очень сильно интенсифицируют помол. Кроме того, полученный в результате помола пенно-песчаный шлам легко транспортируется по трубопроводам и способен сохраняться до 24 часов без признаки осадки, что свидетельствует об отсутствии седиментационных явлений в песчаном шламе с вовлеченным воздухом.

 

Использованная литература:

1. Сапонины как моющие средства. Сборник работ ВНИИЖ-а. Пищепромиздат. Москва, 1936 г.

2. Гаджилы Р.А., Меркин А.П. Поверхностно активные вещества в строительстве. 1981 г.

3. Меркин А.П., Таубе П.Р. Непрочное чудо. Книга о пене. 1983 г.

4. Хигерович М.И., Меркин А.П. Физико-химические методы исследования строительных материалов. 1968 г.

5. Фролов Г.М., Шабуров М.А. Производство уксусной кислоты. 1978 г.

6. Хигерович М.И. Гидрофобный цемент и гидрофобно-пластифицирующие добавки. 1957 г.

7. Стольников В.В. Воздухововлекающие добавки в гидротехническом бетоне. 1953 г.

8. Гидрофобный цемент и гидрофобно-пластифицирующие добавки в бетонах и растворах. 1953 г.

9. Алентьев А.А., Клетчетков И.И., Пащенко А.А. Кремнийорганические гидрофобизаторы. 1962 г.

10. Андреева А.Б. Пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки в бетонах и растворах. 1988 г.

11. Афанасьев Н.Ф., Целуйко М.К. Добавки в бетоны и растворы. 1989 г.

12. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. 1990 г.

13. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. 1989 г.

14. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 1983 г.

15. Хигерович М.И., Байер В.Е. Гидрофобно-пластифицирующие добавки для цементов, растворов и бетонов. 1979 г.

16. Цветков Л.А. Эксперимент по органической химии в средней школе. 1959 г.

17. Ячеистые бетоны на клеенекалевом пенообразователе..// В сборнике материалов по обмену опытом в строительстве. Новое в производстве строительных материалов. Дориздат. 1956 г.

18. Исследование влияния некоторых добавок на свойства цемента. Сборник трудов НИИЦемента №3, 1953 г.

Сергей Ружинский, Харьков, Городок. E-mail: ryginski@aport.ru

 

Дополнительная информация:
1. Описание протеинового пенообразователя Laston
2. Описание и все характеристики белкового пенообразователя GreenFroth
3. Статья Критерии для сравнения пенообразователей
4. Статья Практика применения белкового пенообразователя