СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОБЕТОНОВ
METHOD OF DETERMINING AERATIC POTENTIAL OF FOAMING AGENTS, APPLIED IN TECHNOLOGY OF FOAM CONCRETE

Изобретение относится к способам определения аэрационной способности пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, и может быть использовано для оценки эффективности использования пенообразующих добавок, корректировки рецептуры пенобетонных смесей.
Существующими критериями оценки качества пенообразователей, применяемых в различных отраслях, являются:
- кратность;
- устойчивость, стойкость;
- динамическая и кинематическая вязкость;
- водородный показатель pH;
- критическая концентрация мицеллообразования;
- поверхностное натяжение.
До настоящего времени нет единого удобного для практического применения и универсального критерия оценки свойств пенообразователей, который бы объективно оценивал их способность к созданию и сохранению поровой структуры в пенобетонных смесях. Такой критерий чрезвычайно важен для технологии пенобетонов потому, что любое изменение поровой структуры в период до наступления фазового перехода «из вязкого в твердое» не позволяет получать бетоны с заданными показателями прочности и плотности.
Известен аналог «Способ и устройство для определения структурных параметров газожидкостных пен» (патент RU 2325629, G01N 13/00, опубликован 27.05.2008 г.), в котором в качестве параметров используется кратность и дисперсионный состав газожидкостных пен.
Наиболее близким техническим решением является способ определения кратности и показателя устойчивости пены высокой кратности (ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний». Москва, Стандартинформ, 2012, стр.9 п.5.3.2), включающий приготовление рабочего раствора пенообразователя, измерение температуры рабочего раствора пенообразователя, приготовление пены, отбор проб пены, выкладывание проб пены в предварительно взвешенные емкости известного объема, определение физико-механических характеристик пены, причем в качестве физико-механической характеристики определяется кратность и устойчивость пены.
Однако ни один из показателей, приведенных в перечне, не является удобным для использования в технологии пенобетонов, так как они не содержат информации об оптимальной концентрации водных растворов пенообразователей, используемых для приготовления пенобетонных смесей, а также трудоемкость их определения существенно расширяет перечень оборудования, необходимого для комплектации лабораторий.
Задача изобретения заключается в разработке дополнительных критериев, по которым производится оценка качества пенообразователей, применяемых в технологии пенобетонов, пополнении способов контроля качества пенообразователей эффективным, но простым в определении критерием.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения аэрационного потенциала пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, включающем приготовление рабочего раствора пенообразователя, измерение температуры рабочего раствора пенообразователя, приготовление пены, отбор проб пены, выкладывание проб пены в предварительно взвешенные емкости известного объема, определение физико-механических характеристик пены, перед приготовлением рабочего раствора пенообразователя все исходные компоненты выдерживаются в испытательном помещении при стандартных условиях до выравнивания температуры, а приготовление пены осуществляют в турбулентном бетоносмесителе в течение до 5 минут начиная с малой концентрации раствора, при этом объем раствора подбирают в зависимости от конструкционных особенностей смесителя и кратности пенообразователя, а отбор проб производят из верхнего загрузочного и нижнего выгрузочного отверстий бетоносмесителя в период до 30 секунд после приготовления пены, в качестве физико-механической характеристики определяется плотность пены для каждой из проб путем взвешивания фиксированного объема пены в предварительно взвешенных емкостях и деления массы пены на ее объем
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mtext> V</mtext></mrow></mfrac></mrow>
,
где m - масса мерного цилиндра, кг;
1
m - масса мерного цилиндра с пеной, кг;
V - объем мерного цилиндра, л,
определяется среднее значение плотности пены, полученной из рабочего раствора пенообразователя с заданной концентрацией пенообразователя в воде, определяется температура пены, на основании предварительно установленного значения средней плотности пены, а также известных плотностей и дозировок исходных компонентов определяется показатель аэрационного потенциала, который вычисляется по формуле
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>р</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>р</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
где A - показатель аэрационного потенциала, л/кг;
п
ρ - плотность пены, кг/л;
р-ра
ρ - плотность рабочего раствора пенообразователя в воде, кг/л;
р-ра
m - масса рабочего раствора пенообразователя в воде, г;
по
m - масса пенообразователя, г.
Техническим результатом изобретения является расширение числа критериев оценки качества пенообразователей, что дает возможность:
1) установления количества газовой фазы, вовлекаемой единицей объема пенообразователя;
2) определения концентрации рабочего раствора пенообразователя в воде, гарантированно обеспечивающей получение пен с наибольшей устойчивостью;
3) получения водных растворов пенообразователей с наибольшей устойчивостью пены;
4) повышения точности измерений в турбулентном бетоносмесителе при отборе двух проб из разных мест и вычислении среднего значения;
5) определения однородности приготовленных пен;
6) уменьшить материалоемкость при определении устойчивости пен.
Способ поясняется графиками, где
- на фиг.1 изображены результаты определения устойчивости и показателя аэрационного потенциала трех видов пенообразователей для пенобетонов с торговыми названиями Сармат (а), Пионер-152 (б), Макспен (в), которые подтверждают достижение максимальной устойчивости при минимальном значении аэрационного потенциала оптимальных составов рабочих растворов.
- на фиг.2 изображены результаты эксперимента по определению плотности пены в зависимости от продолжительности перемешивания. Из результатов эксперимента видно, что увеличение времени перемешивания способствует более полному использованию потенциала пенообразователя, что подтверждается снижением плотности пены. По истечении 5 минут плотность пены перестает изменяться и остается на своем минимальном значении. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что для приготовления пен в турбулентном бетоносмесителе необходимо и достаточно 5 минут перемешивания.
- на фиг.3 изображен объем вытекающей жидкости за определенный промежуток времени из пен, приготовленных с использованием различных пенообразователей (υ - объем вытекшей жидкости из пены, τ - время).
Способ осуществляется следующим образом:
Проводятся повторяющиеся определения показателя аэрационного потенциала пенообразователя при изменяемом значении концентрации пенообразователя в рабочем растворе до момента устойчивого роста этого показателя (когда три последовательных значения будут больше своих предыдущих значений), а за показатель аэрационного потенциала пенообразователя принимается наименьшее значение, полученное в результате не менее 4-кратного проведения испытаний. При концентрации, характеризующей минимальный аэрационный потенциал пенообразователя, достигается оптимальная структура пены, что подтверждается результатами определения устойчивости (см. фиг.1).
Способ состоит из двух этапов: определение плотности пены и вычисление показателя аэрационного потенциала пенообразователя.
Первый этап включает:
- выдерживание всех исходных компонентов в испытательном помещении при стандартных условиях (t=20±2°C) до выравнивания их температур с температурой окружающей среды;
- определение объема рабочего раствора пенообразователя в воде по кратности пенообразователя и конструктивным особенностям смесителя (высота уровня пены в смесителе должна быть не менее диаметра смесителя);
- приготовление рабочего раствора пенообразователя в воде очень малой концентрации, соответствующей пределу адсорбции;
- измерение температуры рабочего раствора пенообразователя, которая должна быть 20±2°C;
- запуск турбулентного бетоносмесителя и выгрузку рабочего раствора пенообразователя в работающий турбулентный бетоносмеситель;
- перемешивание рабочего раствора пенообразователя в турбулентном бетоносмесителе до прекращения роста уровня пены в смесителе в зависимости от вязкости пены и свойств пенообразователя в течение до 5 минут (см. фиг.2);
- по завершении приготовления пены остановку турбулентного бетоносмесителя и отбор двух проб пены: из выгрузочного отверстия, расположенного в нижней части турбулентного бетоносмесителя, а также из загрузочного отверстия, расположенного в верхней части турбулентного бетоносмесителя;
В зависимости от стабильности пены истечение жидкости может происходить в результате выделения межпленочной жидкости и выделения жидкости стенками лопнувших пузырьков. В стабильных пенах пленки разрываются, как правило, лишь при достижении ими определенной толщины в результате предварительного истечения жидкости. Объем жидкости, заключенный в таких утонченных пленках, весьма невелик, вследствие чего доля объема жидкости, выделяющейся за счет разрушения пленок, очень мала. Поэтому время отбора проб для таких пен может варьироваться в более широком диапазоне.
В нестабильных пенах разрушение пленок имеет место еще до достижения ими критической толщины. В начальный момент происходит истечение излишнего количества жидкости, заключенной между пузырьками. Из всего объема пены раствор, содержащийся в прослойках, стекает вниз, подпитывая нижележащие слои пены. Этот процесс протекает быстротечно, поэтому, чтобы избежать стекания жидкости из верхних слоев в нижние и зафиксировать свойства свежеприготовленной пены, период отбора проб должен быть не более периода отделения из пены первой капли жидкости.
Время отделения из пены первой капли жидкости связано с устойчивостью пен и для большинства устойчивых пен превышает 30 секундный период (см. фиг.3). Поэтому необходимо производить отбор проб в зависимости от устойчивости пен в период до 30-секунд.
- выгрузку проб пены в предварительно взвешенные емкости известного объема, не менее 1 л, при этом заполнение всего объема емкости должно быть равномерным, без образования пустот;
- определение масс проб пены путем вычисления разности масс емкости заполненной пробой пены и пустой емкости;
- определение плотности пены путем деления массы пробы пены на ее объем
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>m</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac></mrow>
,
где m - масса мерного цилиндра, кг;
1
m - масса мерного цилиндра с пеной, кг;
V - объем мерного цилиндра, л;
- вычисление среднего значения плотности пены по результатам определения плотности двух проб пены;
- определение температуры проб пены при помощи термометра;
- отбраковку результата средней плотности пены при отклонении температур пен, приготовленных из рабочих растворов при различной концентрации пенообразователя в воде, от общего среднего значения на ±1°C;
Второй этап состоит из вычисления показателя аэрационного потенциала пенообразователя на основании предварительно установленных значений средней плотности пены и известных плотностей и дозировок исходных компонентов по формуле
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>р</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>р</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где А - показатель аэрационного потенциала, л/кг;
п
ρ - плотность пены, кг/л;
р-ра
ρ - плотность рабочего раствора пенообразователя в воде, кг/л;
р-ра
m - масса рабочего раствора пенообразователя в воде, г;
по
m - масса пенообразователя, г.
По завершении определения показателя аэрационного потенциала пенообразователя для одного рабочего раствора, при установленной концентрации пенообразователя в воде, готовят новые рабочие растворы, пошагово увеличивая концентрацию пенообразователя в воде
п+1
п
С=С+0,05%,
п-1
где С - концентрация следующего рабочего раствора пенообразователя в воде, %;
п
С - концентрация предыдущего рабочего раствора пенообразователя в воде, %;
п=1, 2, …, ∞.
При всех измерениях и вычислениях необходимо фиксировать значения и округлять с точностью не менее трех значащих цифр.
Пример определения показателя аэрационного потенциала пенообразователя:
- в качестве сырьевых материалов использовался пенообразователь с торговым названием «Макспен», вода водопроводная;
- исходя из технических характеристик турбулентного бетоносмесителя требуемый объем пены в смесителе должен быть 35 л;
- исходя из показателей качества производителя (кратность не менее 8) объем рабочего раствора пенообразователя: 35/8=4,375 л;
3
3
- при концентрации рабочего раствора пенообразователя 0,100% расход компонентов: пенообразователь, при плотности 1,03 г/см, 0,00437 л или 0,00450 кг, вода, при плотности 0,988 г/см, 4,371 л или 4,362 кг;
- объем емкости 1 л, масса пустой емкости 0,643 кг;
- масса приготовленных проб пены в емкостях 1,109 и 1,095 кг;
- средние плотности проб пен
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1,109</mn><mo>−</mo><mn>0,643</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>1</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>0,466</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>/</mo><mi>л</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1,095</mn><mo>−</mo><mn>0,643</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>1</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>0,452</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>/</mo><mi>л</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
;
- среднее значение плотности пены
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,466</mn><mo>+</mo><mn>0,452</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>0,459</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>/</mo><mi>л</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
;
- показатель аэрационного потенциала пенообразователя равен
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,00450</mn><mo>+</mo><mn>4,362</mn></mrow><mrow><mn>0,00450</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>0,459</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,00450</mn><mo>⋅</mo><mn>1,03</mn><mo>+</mo><mn>4,362</mn><mo>⋅</mo><mn>0,998</mn></mrow><mrow><mn>0,00450</mn><mo>+</mo><mn>4,362</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1141</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>л</mi><mo>/</mo><mi>к</mi><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- фиксируется значение и рассчитывается состав следующего рабочего раствора при концентрации
2
С=0,10+0,05=0,15 (%).