Способ изготовления пенобетона и пенобетон, полученный этим способом

Способ изготовления пенобетона и пенобетон, полученный этим способом

Реферат

 

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, может быть использовано в производствах пенобетона, сборных, архитектурно-строительных, декоративных изделий, деталей и монолитных конструкций на его основе. Способ изготовления пенобетона из дисперсии гидравлического вяжущего в жидкости и пены путем введения второй дисперсии в первую, их перемешивания с одновременной поризацией до получения пенобетонной смеси заданной плотности с последующим твердением, причем предварительно в одну из дисперсий вводят нуклеатор, совмещение дисперсий ведут в их метастабильных состояниях, достижение которых определяют по следующим критериям: для первой дисперсии - присутствием гелей гидросульфоалюмината кальция и трехкальциевого гидросиликата, для второй дисперсии - присутствием водородных связей с определенной суммарной энергией, консистенцию первой дисперсии и состав второй дисперсии выбирают по критериям достижения метастабильности в полных объемах обеих дисперсий непосредственно после их раздельной гомогенизации. В этот момент начинают совмещение дисперсий. Перемешивание прекращают не позднее чем за 5-10 мин до окончания периодов метастабильности или при приближении к нулю значения производной по времени электрического сопротивления смеси. Могут использоваться различные гидравлические вяжущие, в том числе с добавкой глиноземистого или гипсоглиноземистого цемента. В качестве нуклеатора используют соли минеральных кислот, смеси вяжущих на основе сульфата кальция и вяжущих, содержащих оксид кальция. Нуклеатор дополнительно содержит второй пенообразователь. Второй пенообразователь на углеводно-фенольной основе вводят в первый на белковой основе, при этом нуклеатор вводят по крайней мере в один из пенообразователей. В первую дисперсию могут вводить гидрофобизирующую и воздухововлекающую добавки. Предварительно в вяжущее вводят различные виды активных минеральных добавок. Удельная поверхность вяжущего - 250-2000 м²/кг. В состав пенобетонной смеси дополнительно вводят наполнитель, а также волокнистые и/или пластинчатые материалы. Пенобетон изготавливают из дисперсии гидравлического вяжущего в жидкости и пены путем введения второй дисперсии в первую, их перемешивания с одновременной поризацией, причем в одну из дисперсий предварительно вводят нуклеатор, с формированием при твердении пористой матрицы, содержащей защитный материал - органические производные гидроалюминатов кальция, твердых растворов гидросульфоалюмината кальция и таумасита, и/или металлоорганические конъюгаты пенообразователя и нуклеатора, а также нуклеатор - соли минеральных кислот и/или реликты вяжущих, включающие сульфат кальция, при объемной доле защитного материала в гидратных новообразованиях не менее 0,2, при совмещении и перемешивании обеих дисперсий в их метастабильных состояниях, с выбором консистенции первой дисперсии и состава второй по критериям достижения метастабильных состояний в полных объемах обеих дисперсий непосредственно после их раздельной гомогенизации. Объем пор унимодально распределен по их эффективным диаметрам. Технический результат - снижение энергозатрат на отопление зданий, стоимости жилья и расхода материалов. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к способам изготовления и характеристикам бетона, конкретно пенобетона, а также изделий, деталей, сборных и монолитных конструкций на основе пенобетона.

Из уровня техники известен способ изготовления пенобетона на основе одной дисперсии: вяжущего, воды, наполнителя, поверхностно-активного вещества для пенообразования и стабилизатора пены [1]. Преимущество этого способа - одноприемность и соответственно один технологический агрегат, недостатки - высокая плотность пенобетона (не менее 700 кг/м³), неоднородность продукта, сравнительно невысокая прочность при данной плотности и невысокая стойкость против действия коррозионных агентов внешней среды.

Известен также способ изготовления пенобетона на основе двух дисперсий: первой - дисперсии гидравлического вяжущего, а именно портландцемента и/или его разновидностей, и наполнителя в водном ингредиенте, в качестве которого используют воду или водный раствор электролитов, второй - пены, а именно дисперсии газа в водном растворе пенообразователя, посредством предварительной раздельной гомогенизации указанных дисперсий, причем второй - в пеногенераторе, совмещения указанных дисперсий, а именно введения второй из указанных дисперсий в первую и их перемешивания в пенобетоносмесителе до получения пенобетонной смеси с последующим ее твердением [2]. Однако достигаемый прирост однородности и снижение минимальной плотности пенобетона (до 500-600 кг/м³) не компенсирует его недостатков - все же слишком высокого уровня указанной минимальной плотности - не ниже 500 кг/м³, а также низкой в указанных условиях прочности пенобетона в производственных условиях - не выше 1 МПа для указанной плотности после первого месяца нормального твердения и не более 1,5-2 МПа - после автоклавной обработки пенобетона указанной плотности. Прибавление избытка воды в пенобетонную смесь иногда позволяет изменить форму пор - концентраторов напряжений в пенобетоне, заменяя остроугольную форму пор округлой и способствуя, в отличие от обычного тяжелого бетона, приросту прочности ячеистого бетона [3]. Однако для получения этого эффекта требуются высокоактивные ускорители твердения пенобетона, вводимые в воду затворения, в сочетании с высокоактивным цементом и весьма эффективными стабильными и долговечными пенами, а для технологического контроля одновременного соблюдения этих мероприятий в производственных условиях необходимо значительное повышение затрат инженерного труда при высокой квалификации специалистов. Все это обусловило отсутствие широкого промышленного внедрения данного способа.

Аналогом настоящего изобретения является способ изготовления пенобетона на основе двух дисперсий: первой - дисперсии гидравлического вяжущего, а именно портландцемента и/или его разновидностей, и наполнителя в водном ингредиенте, в качестве которого используют воду или водный раствор электролитов, второй - пены, а именно дисперсии газа, конкретно - воздуха, в водном растворе пенообразователя посредством предварительной раздельной гомогенизации указанных дисперсий, причем второй - в пеногенераторе, совмещения указанных дисперсий, а именно введения второй из указанных дисперсий в первую и их перемешивания в пенобетоносмесителе до получения пенобетонной смеси с последующим ее твердением, характеризующийся тем, что совмещение двух дисперсий ведут при температуре пены 15-50° С, предпочтительно при 20-40° С [4]. Достоинство способа в том, что он показывает преимущества работы с применением более устойчивой пены по сравнению с предыдущими. Недостатки способа состоят в невозможности с его помощью получить действительно стабильную пенобетонную смесь, сохраняющую все свои свойства в течение хотя бы одного часа, не говоря уже о более длительном времени, а также в неприменимости данного способа в отечественных условиях, поскольку указанную температуру пены сложно гарантировать в нелетний период, тем более что при вспенивании раствора пенообразователя температура пены всегда снижается по сравнению с температурой указанного раствора (эффект Баруса [5]).

Аналогом изобретения является способ изготовления пенобетона на основе двух дисперсий: первой - дисперсии гидравлического вяжущего, а именно портландцемента и/или его разновидностей, и наполнителя в водном ингредиенте, в качестве которого используют воду или водный раствор электролитов, второй - пены, а именно дисперсии воздуха в водном растворе пенообразователя, посредством предварительной раздельной гомогенизации указанных дисперсий, причем второй - в пеногенераторе, совмещения указанных дисперсий, а именно введения второй из указанных дисперсий в первую и их перемешивания в пенобетоносмесителе до получения пенобетонной смеси с последующим ее твердением при предварительном введении в одну из упомянутых дисперсий нуклеатора, модифицирующего свойства пены в процессе приготовления пенобетонной смеси, характеризующийся тем, что нуклеатор в форме водного раствора аммиака в количестве 0,05-2% массы цемента вводят в первую дисперсию, которую перед введением в нее второй дисперсии выдерживают от 20 мин до времени, соответствующего сроку начала схватывания цементного теста нормальной густоты [6].

Наиболее близким к настоящему изобретению (прототипом) является способ изготовления пенобетона из двух раздельно гомогенизируемых дисперсий: первой - дисперсии гидравлического вяжущего в жидкости - воде или водном растворе электролита, второй - дисперсии газа в водном растворе пенообразователя - пены, путем совмещения указанных дисперсий введением второй дисперсии в первую, их перемешивания с одновременной поризацией до получения пенобетонной смеси заданной плотности с последующим ее твердением, причем предварительно в одну из указанных дисперсий вводят нуклеатор [33].

Термин “нуклеатор” наиболее подробно охарактеризован в работе [5] и служит для обозначения жидких или твердых, органических или неорганических веществ, служащих зародышами воздушных пузырьков (везикул - от латинск. vesicula - пузырек) или стабилизирующих эти зародыши в водном растворе пенообразователя и повышающих тем самым стабильность пен. Недостатки известного способа заключаются в том, что указанный нуклеатор при вводе в первую дисперсию, взаимодействуя с компонентами последней, стабилизирует пену не в процессе ее изготовления, а только после смешения с первой дисперсией. В то же время длительное выдерживание первой дисперсии, хотя об этом не упоминается, требуется для получения “цементного геля”, служащего дополнительным стабилизатором пены. Однако известные из данной работы критерии окончания выдерживания первой дисперсии - не менее 20 мин (срок, рассматриваемый как достаточный для образования “цементного геля”, способного помочь стабилизировать пену) и не позднее начала схватывания, то есть не позднее момента коагуляции упомянутого геля - не гарантируют постоянства характеристик цементоводной системы. Более того - к моменту начала схватывания - не ранее 45 мин после затворения цемента водой - характеристики первой дисперсии существенно изменяются по сравнению с таковыми через 20 мин после затворения цемента водой. Кроме того, постоянство характеристик пены при этом не гарантируется. По этим причинам однородность и постоянная прочность пенобетона, получаемого известным способом, также не могут быть гарантированы.

Задачей настоящего изобретения в части способа изготовления пенобетона является получение пенобетона высокой однородности на основе цементоводной суспензии (первой дисперсии) и высококачественной пены (второй дисперсии), состояние которых в момент начала их совмещения для изготовления пенобетонной смеси и при гомогенизации последней до полной однородности является метастабильным, причем обеспечивающим практически полное отсутствие взаимного отравляющего влияния обеих дисперсий в процессе их совмещения и гомогенизации.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления пенобетона из двух раздельно гомогенизируемых дисперсий: первой - дисперсии гидравлического вяжущего в жидкости - воде или водном растворе электролита, второй - дисперсии газа в водном растворе пенообразователя - пены, путем совмещения указанных дисперсий введением второй дисперсии в первую, их перемешивания с одновременной поризацией до получения пенобетонной смеси заданной плотности с последующим ее твердением, предварительно в одну из указанных дисперсий вводят нуклеатор, модифицирующий свойства пены в процессе приготовления пенобетонной смеси, совмещение обеих дисперсий ведут в их метастабильных состояниях, достижение которых определяют по следующим критериям: для первой дисперсии - присутствием гелей новообразований двух типов: гидросульфоалюмината кальция в трехсульфатной и/или моносульфатной формах и трехкальциевого гидросиликата, для второй дисперсии - присутствием в жидкой фазе пены водородных связей с суммарной средней энергией из пределов 50-91 кДж/моль, консистенцию первой дисперсии, оцениваемую по величине вибровязкости в пределах от 15 до 400 Па· с, и состав второй дисперсии - массовые соотношения в водном растворе активных веществ пенообразователя и нуклеатора в пересчете на сухие вещества из пределов от 1:0,05 до 1:30 и их концентрации выбирают по указанным критериям достижения метастабильных состояний в полных объемах обеих дисперсий непосредственно после раздельной гомогенизации последних.

В варианте изобретения совмещение указанных дисперсий начинают непосредственно после достижения метастабильных состояний в их полных объемах.

В другом варианте изобретения указанное перемешивание с одновременной поризацией прекращают не позднее чем за 5-10 мин до окончания периодов метастабильности указанных дисперсий.

В следующем варианте изобретения в качестве показателя окончания периода метастабильности используют: для первой дисперсии - появление гидрогеля кремнезема примерного состава SiO(OH)₂, для второй - массовое формирование слабых водородных связей с указанной энергией менее 23 кДж/моль.

В другом варианте изобретения длительность указанного перемешивания пенобетонной смеси выбирают по величине значения производной по времени ее электрического сопротивления, измеряемого на переменном электрическом токе с частотой от 50 до 200 Гц, заканчивая его при приближении к нулю значения указанной производной и параллельной минимизации дисперсии указанного сопротивления по объему пенобетонной смеси.

В варианте изобретения в качестве гидравлического вяжущего используют портландцемент или его разновидности - быстротвердеющий или известковый, или известково-белитовый портландцемент, или сульфатостойкий цемент - клинкерный сульфатостойкий или сульфатостойкий портландцемент с минеральной добавкой до 10% массы клинкерного ингредиента, или пуццолановый или безусадочный сульфатостойкий пуццолановый портландцемент, или безусадочный портландцемент, или расширяющийся цемент, или вяжущее низкой водопотребности, включающее органический водопонижающий компонент, или гипсоцементнопуццолановое вяжущее, или парные смеси указанных вяжущих.

В другом варианте изобретения гидравлическое вяжущее дополнительно содержит глиноземистый цемент, или его разновидности, или гипсоглиноземистый цемент, или его разновидности при их массовом соотношении от 1:0,02 до 1:0,1 соответственно.

В следующем варианте изобретения в качестве нуклеатора используют вещества или материалы из следующих групп: соли минеральных кислот - хлориды двух- или трехвалентных металлов, сульфаты двух- или трехвалентных металлов, квасцы, нитраты двух- или трехвалентных металлов, формиаты двухвалентных металлов, оксалаты двухвалентных металлов, парные смеси вяжущих веществ на основе сульфата кальция - гипса полуводного и/или двуводного, сульфата кальция безводного, и вяжущих веществ, содержащих оксид кальция, разновидностей указанных вяжущих веществ, смеси веществ и материалов из указанных групп, вводимые в твердом состоянии или в виде водного раствора, или в виде водной суспензии, при массовом соотношении пенообразователя и нуклеатора в пересчете на активные вещества от 1:0,05 до 1:10.

В варианте изобретения указанный нуклеатор дополнительно содержит второй пенообразователь при массовом соотношении первого и второго пенообразователей в расчете на сухие активные вещества от 1:0,05 до 1:10.

В другом варианте изобретения второй пенообразователь вводят в первый пенообразователь, при этом нуклеатор вводят по крайней мере в один из указанных пенообразователей в твердом или жидком состояниях, или в виде водного раствора или раствора электролита, или в смесь указанных пенообразователей при массовом соотношении первого и второго пенообразователей и нуклеатора от 1:0,05:0,05 до 1:10:10, а указанные пенообразователи находятся в твердом состоянии или в виде жидкого концентрата, или в виде раствора в воде или в водном растворе электролита.

В следующем варианте изобретения в качестве первого пенообразователя используют материал на углеводно-фенольной основе, а в качестве второго - материал на белковой основе.

В варианте изобретения в качестве материала на углеводно-фенольной основе используют продукты переработки древесной смолы - омыленный древесный пек или смолу древесную омыленную.

В другом варианте изобретения в качестве указанного материала на белковой основе используют продукт сольволитической переработки - экстракционной и/или гидролизной переработки белков - коллагена и/или его аналогов.

В следующем варианте изобретения в качестве указанного продукта переработки коллагена используют желатин или продукт его фракционирования с молекулярной массой не более 20000 Д, или костный клей.

В варианте изобретения в первую дисперсию предварительно вводят гидрофобизирующую добавку при совместном помоле с гидравлическим вяжущим или посредством перемешивания с ингредиентами указанной дисперсии в количестве от 0,05 до 0,3% массы клинкерного ингредиента указанного вяжущего.

В другом варианте изобретения в первую дисперсию предварительно вводят воздухововлекающую добавку в количестве 0,005-0,5% массы клинкерного ингредиента указанного вяжущего.

В следующем варианте изобретения активную минеральную добавку вводят в состав указанного гидравлического вяжущего предварительно путем совместного помола или сухого смешения после раздельного помола или путем мокрого смешения с ингредиентами первой и/или второй дисперсий.

В варианте изобретения в качестве активной минеральной добавки используют активный кремнезем в виде материала из групп: дробленая, или гранулированная, или молотая силикат-глыба в количестве 0,2-20% массы указанного вяжущего, микрокремнезем порошкообразный или гранулированный в количестве 0,2-10% массы указанного вяжущего, причем гранулированный микрокремнезем используют с добавкой пластифицирующего компонента, предварительно введенного при грануляции в количестве 0,01-0,2% от массы клинкерного ингредиента указанного вяжущего.

В другом варианте изобретения в качестве активной минеральной добавки используют побочные и/или вторичные продукты из группы: шлаки и/или шламы черной и цветной металлургии, золошлаки энергетических углей, хвосты обогатительных фабрик, горелые породы, отработанные формовочные массы в количестве от 5 до 50% массы клинкерного ингредиента указанного вяжущего.

В следующем варианте в качестве указанного вяжущего используют материал с удельной поверхностью 250-2000 м²/кг.

В варианте изобретения в состав пенобетонной смеси дополнительно вводят наполнитель естественной влажности или предварительно высушенный материал из групп: пески естественного происхождения или фракционированные - песок кварцевый, полевошпатовый или известняковый, указанные пески, размолотые до удельной поверхности не менее 300 м²/кг, золы-унос тепловых электростанций, золошлаки тепловых электростанций, легкие наполнители - перлит, вермикулит, керамзит, аглопорит, кирпичный, стеклянный или керамический бой, пенопласт в форме гранул или кусков - карбамидный, пенополистирольный или пенополиуретановый, целлюлозосодержащие материалы - опилки, стружки, отходы бумажного производства, смеси целлюлозосодержащих материалов, парные смеси материалов указанных групп в массовом соотношении от 1:15 до 15:1 при содержании наполнителя 2-70% массы указанного вяжущего.

В другом варианте изобретения в состав пенобетонной смеси или любого из ее ингредиентов дополнительно вводят волокнистые и/или пластинчатые материалы - волокнистые из групп: неорганическое волокно - стеклянное, каменное, асбестовое, органическое волокно на основе природного сырья - вискозное, лубяное, древесное, органическое искусственное волокно - полиамидное, полиэфирное, полиоксиметиленовое, побочные продукты производства и смеси указанных волокон, пластинчатые из группы: слюда или продукты ее переработки, отсев лома или отходы асбестоцементного производства, дробленые отходы целлулоидной продукции, а также парные смеси указанных материалов в массовом соотношении от 1:50 до 50:1 при содержании волокнистых и/или пластинчатых материалов 2-15% массы указанного вяжущего.

Перед изложением сущности изобретения поясним термин “метастабильное состояние”, имеющий большое значение для понимания изобретения. Метастабильным называется относительно устойчивое состояние физико-химической системы, из которого она может перейти в более устойчивое состояние самопроизвольно и/или под влиянием внешних факторов [7]. Этот термин с начала 30-х годов применяется для характеристики цементоводных систем и пен [8], то есть первой и второй указанных дисперсий, находящихся в относительно устойчивом состоянии в течение некоторого времени после соответственно затворения цемента водой и приготовления пены. Метастабильность обеих указанных дисперсий обусловлена одной причиной - формированием вокруг частиц цемента с их начальными гидратными новообразованиями и вокруг пузырьков пены адсорбционных слоев, состоящих из ориентированных молекул, образующих вблизи насыщения в каждом молекулярном слое двумерные кристаллоподобные структуры, обладающие упругостью и механической прочностью на сдвиг. Это обусловливает длительную относительную устойчивость частиц этих дисперсий к слипанию (коагуляции) частиц твердой фазы (цемента) и к слиянию (коалесценции) пузырьков пены.

Сущность настоящего изобретения в части способа изготовления пенобетона состоит в том, что совмещение, то есть перемешивание обеих указанных дисперсий без заметного гашения пены, с протекающей во время совмещения упорядоченной аранжировкой (размещением) цементных частиц вокруг пузырьков пены без предварительной коагуляции указанных частиц и без предварительной коалесценции (слияния) указанных пузырьков между собой, осуществимо только в метастабильных состояниях, достигнутых предварительно, то есть до начала совмещения, в каждой из указанных дисперсий. При этом указанное совмещение осуществляют без нарушения критериев метастабильности. Это позволяет каждой из указанных дисперсий не проявлять разрушительного воздействия на совмещаемую с ней дисперсию, происходящего в результате взаимной дестабилизации упомянутых кристаллоподобных структур. Очевидно, что для осуществления способа согласно изобретению необходимы надежные критерии метастабильного состояния цементоводной дисперсии и пены, которые строго оценивают достижение, а затем исчезновение указанных состояний насыщения адсорбционных контактных слоев жидкой фазы на границах с частицами цемента в цементоводной системе, то есть в первой дисперсии, и на границах с пузырьками воздуха в пене, то есть во второй дисперсии. Ограничения по времени пригодности цементоводной системы и по температуре пены для их совмещения согласно известным способам [4, 6] есть не что иное, как попытки разработки таких критериев, не свободных от указанных недостатков. Кроме того, в работе [6] используют цементное тесто с введенным в его состав ускорителем начала схватывания цемента, каким является водный раствор аммиака (кстати, в работе [9] именно эту добавку, как малощелочную, считают безопасной для долговечности материала), поэтому начало схватывания цементного теста без этой добавки в данном случае не характеризует реологические свойства совмещаемой с пеной цементоводной системы. Кроме того, условия схватывания теста нормальной густоты не соответствуют специфике схватывания цементного теста, используемого для приготовления пенобетона, даже при одинаковых значениях их водо-цементных отношений (В/Ц), поскольку перемешивание цемента с водой при подборе теста нормальной густоты согласно стандартной процедуре осуществляют с растиранием, то есть в иных условиях, чем перемешивание цемента с водой для приготовления цементоводной суспензии, используемой в составе пенобетонной смеси. К тому же конечные значения В/Ц при определении нормальной густоты подбирают на основании глубины опускания (иногда происходящего в результате прогиба поверхности цементного теста без погружения) цилиндрического стержня на приборе Анри Вика (известен с 1819 г.), а значения В/Ц пенобетонной смеси подбирают по принципиально иным показателям консистенции - величине расплыва пенобетонной смеси, вытекающей из трубчатого вискозиметра Ч.Суттарда (с 1928 г.) или по глубине погружения в пенобетонную смесь конуса СтройЦНИЛ (то есть конуса Н.А.Попова - Б.Н.Кауфмана, с 1937 г.) массой 300±5 г. Эти различия приводят к непригодности критерия начала схватывания для оценки времени выдерживания цементного теста перед введением пены согласно способу по прототипу [6]. Необходимы более строгие критерии метастабильности цементного теста и пены, отражающие реальные условия приготовления и совмещения обеих указанных дисперсий непосредственно при производстве пенобетона.

Согласно изобретению критерием метастабильности первой дисперсии, то есть цементоводной суспензии, приготавливаемой в пенобетоносмесителе для использования в составе пенобетона, является одновременное присутствие гелей новообразований, появляющихся сразу после затворения цемента водой и относящихся к двум типам: 1) гидросульфоалюмината кальция в трехсульфатной и/или моносульфатной формах и 2) трехкальциевого гидросиликата. Для их подробной характеристики здесь и ниже в описании изобретения использована сокращенная нотация, принятая в химии цемента: Аl₂О₃ - А; СаО - С; Fе₂O₃ - F; H₂ O - Н; К₂O - К; MgO - M; Na₂O - N; сумма соединений щелочных металлов в пересчете на оксиды натрия и калия, а именно на молярный эквивалент оксида натрия N+0,658K=R ₂O-R; SiO₃-S; SO₃ - ; коэффициент при оксиде в обычной химической формуле становится в сокращенной подстрочным индексом. Так, Са₃SO ₅ - 3CaOSiO₂-С₃S и т.д.; тире между литерами в данной нотации означает переменное мольное отношение, то есть отсутствие стехиометрии у данного соединения; кроме того, потери при прокаливании сокращенно обозначают п.п.п., а нерастворимый остаток - н.о. Составы трехсульфатной и моносульфатной форм гидросульфоалюмината кальция, выраженные в сокращенной нотации, имеют вид соответственно С₆А· ₃Н₃₂ и С₄А· H₁₆. Благодаря большой величине молярного отношения содержания воды (Н в сокращенной нотации) к содержанию главного аниона, в данном случае глинозема (А в сокращенной нотации), равного соответственно 32 и 16, эти новообразования называют многоводными гидратами. Обе указанные фазы содержат при гидратации портландцемента примеси Fe вместо части Аl, а также Si вместо части S. Первая из этих фаз называется также эттрингитом по имени природного минерала, не содержащего ни примесей Fe, ни примесей Si. Обе указанные фазы являются первым основным продуктом гидратации С₃· А портландцементного клинкерного ингредиента в составе портландцемента, взаимодействующего с водой в присутствии гипсового ингредиента С . Раньше существовало основанное на оптико-микроскопических наблюдениях мнение, что С₆А· ₃Н₃₂ и С₄А· H₁₆ присутствуют в цементоводной суспензии после ее схватывания в виде кристаллов соответственно трубчатой и пластинчатой форм. Однако недавно было установлено, что сразу после затворения цемента водой обе упомянутые фазы сначала образуются в форме гелей - как трисульфат [10], так и моносульфат [11], причем вторая появляется только при гидратации так называемых высокощелочных цементов, изготавливаемых на основе портландцементных клинкеров, включающих R₂O в количестве 0,8-3,2 мас.%, и лишь при дальнейшем твердении эти гели постепенно кристаллизуются.

Состав геля трехкальциевого силиката в сокращенной нотации имеет вид C₃SH_1,5-6 (в данной формуле нижний индекс 1,5 относится к значениям В/Ц теста менее 0,24, а более высокие значения этого индекса - к значениям В/Ц выше 0,6); принято считать, что обычная форма этого геля при В/Ц 0,24-0,45 имеет примерный состав С₃SН₂. Вследствие сравнительно малой величины молярного отношения содержания воды (Н в сокращенной нотации) к содержанию главного аниона, в данном случае кремнезема (S в сокращенной нотации), равного 1,5-6, а в среднем 2, это новообразование и близкие к нему по составу гидросиликаты кальция называют маловодными гидратами.

Для установления наличия геля гидросульфоалюмината кальция отбирают несколько проб цементного теста из смесителя в количестве по 5-10 г (по чайной ложке), смешивают, квартуют до получения образца весом около 1 г и подвергают его в тигле дифференциальному термическому анализу (ДТА) на приборах типа Н.С.Курнакова или Пауликов-Эрдеи. О наличии гидросульфоалюминатных гелей при следующих условиях снятия термограммы: скорость подъема температуры образца 8-10° С, масса образца - не менее 0,4 г, атмосфера - воздух, эталон - корунд, судят, как известно [12], по эндотермическим эффектам на термограммах в температурных интервалах 125-135° С (трехсульфатная форма гидросульфоалюмината кальция) и 140-150° С (моносульфатная форма гидросульфоалюмината кальция). Наличие гидрогеля трехкальциевого гидросиликата состава С₃SН₂ устанавливают также с помощью ДТА по эндотермическому эффекту или перегибу в области температур 90-95° С на термограммах при указанных условиях снятия последних [11].

В обобщенном виде результаты опытов авторов настоящего изобретения состоят в том, что так называемый “цементный гель” в действительности представляет собой сумму двух гелей - геля трехкальциевого гидросиликата на поверхности самих частиц цемента и гелей гидросульфоалюмината кальция в объеме жидкой фазы, прилегающей к поверхности этих частиц, в виде “облака”.

Эти фазы и есть цементная смазка, но только одна из них - вторая, а именно гели гидросульфоалюмината кальция - может смазывать и поверхность частиц минеральных добавок, и поверхность зерен наполнителей, и поверхность пузырьков пены. Однако и первая фаза - гель трехкальциевого гидросиликата - принимает участие в формировании структуры пенобетонной смеси, облегчая скольжение частиц цемента по поверхности пузырьков пены, и тем самым, как и гидросульфоалюминатная смазка, способствуют формированию закономерного расположения частиц цемента вокруг пузырьков пены.

Гидросульфоалюминатный гель входит в состав структурно-механического барьера, помогающего стабилизировать пену в процессе совмещения с цементоводной дисперсией и в дальнейшем в составе пенобетонной смеси и пенобетона. Вблизи конца периода метастабильности упомянутые гели в цементном тесте исчезают: гидросульфоалюминатные кристаллизуются, а гидросиликатный распадается в результате гидролиза, образуя гидроксиды кальция и кремния - последний примерного состава SiO(OH)₂. Хотя эти гидроксиды в момент образования - in statu nascendi (лат.) - также являются гелеобразными, что для свежеобразованного гидроксида кальция показано С. Брунауэром [12], а для свежеобразованного гидрогеля кремнезема состава SiO(OH)₂ Ю.С.Малининым [13], смазочными и стабилизирующими свойствами эти гели не обладают. Следовательно, после окончания периода метастабильности первой дисперсии, а именно цементоводной суспензии, возможность достижения как закономерного, равновесного расположения частиц цемента вокруг пузырьков пены, так и создания структурно-механического барьера, помогающего стабилизировать пену в процессе совмещения с ней, в данном случае отсутствуют.

Установлено, что присутствие указанных гелей в их метастабильных состояниях, обеспечивая необходимую смазку всех твердых поверхностей, облегчает спокойное совмещение первой дисперсии со второй, при котором создается закономерная микроструктура пенобетонной смеси с упорядоченным расположением более мелких цементных частиц вокруг более крупных пузырьков пены. Кроме того, указанные гели замедляют процесс влагообмена между пеной и цементным тестом, сохраняя стабильность пузырьков первой и возможность для частиц цемента в процессе гомогенизации с пеной окружать эти пузырьки без их раздавливания или схлопывания, скользя вдоль их поверхности по собственной двойной гелевой оболочке, и формировать вокруг пузырьков пены чехлики упорядоченной текстуры, включающие в качестве своей твердой основы исходные частицы цемента, а в качестве главной связки - продукты их гидратации, из которых первую по времени и основную составную часть формируют продукты кристаллизации указанных гелей. Из указанных чехликов при последующем твердении образуются скорлупы из продуктов гидратации, окружающие поры, возникшие на местах пузырьков пены в составе пенобетонной смеси, то есть поры везикулярного происхождения. Упомянутые скорлупы есть основной физический элемент конечной структуры пенобетона. Конечные структуры скорлуп формируются сначала из многоводных гидратов, затем обрастают маловодными гидратами - прежде всего гидросиликатами кальция С-S-Н, в том числе высокоосновными С-S-Н (II) с молярным отношением C/S более 1,7 и низкоосновными С-S-Н (I) с молярным отношением C/S менее 1,7, возникающими после разложения первичного геля трехкальциевого гидросиликата на гидроксиды кальция - Са(ОН)₂ и кремния с примерной формулой SiO(OH) ₂ и взаимодействия указанных гидроксидов между собой как по топохимическому, или контактному механизму, с образованием преимущественно С-S-Н (II), так и в жидкой фазе через растворение/кристаллизацию с образованием преимущественно С-S-Н (I) [14].

Первоначальное отсутствие или последующее снижение площади указанных выше эндотермических эффектов, относящихся к каждому из упомянутых гелей, на термограммах свежеотобранных из пенобетоносмесителя проб цементного теста означает соответственно наличие индукционного периода до начала массового гелеобразования или близость конца существования основной массы указанных гелей. Именно между этими моментами фиксируют согласно изобретению наличие метастабильного периода структурообразования в указанном цементном тесте, являющегося критерием пригодности последнего к совмещению с пеной.

Для второй дисперсии - пены - период метастабильности устанавливают, фиксируя присутствие в жидкой фазе пены водородных связей с энергией в пределах примерно 12,5-19,5 кДж/моль по полосам поглощения на инфракрасных спектрах поглощения 2 ₂=1370 см^-1, 4 ₂=2740 см^-1. Причины введения указанных пределов как фундаментальных характеристик раствора пенообразователя в составе пены и основы физико-химического механизма формирования этих характеристик поясняются ниже. Из теории структуры воды известно, что средняя энергия взаимодействия молекул свободной воды между собой, то есть средняя энергия водородных связей в свободной воде, равна примерно 11 кДж/моль [15]. Это - результат усреднения энергии водородных связей (Н-связей) двух типов: 1) слабой Н-связи через водород гидроксила; в свободной воде ее средняя энергия примерно равна 7 кДж/моль; 2) сильной донорно-акцепторной связи (ДАС) через неподеленную пару электронов кислорода; в свободной воде ее энергия находится в пределах 20-30 кДж/моль и в растворе пенообразователя зависит от значения рН. Значения сил водородных связей обоих типов в физически адсорбированных слоях воды на поверхности твердого тела и на поверхности пузырьков воды, образующихся в пене, не равны значениям, наблюдаемым в свободной воде, и, кроме того, частоты образования и разрушения, т.е. времена существования указанны