ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПОРИЗАЦИИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
FOAM FORMER FOR CONCRETE MIX AERATION

Настоящее изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве конструкционных и теплоизоляционных ячеистых бетонов (пенобетонов).
Известны пенообразователи для получения ячеистых бетонов на основе синтетических поверхностно-активных веществ, например пенообразователь ПБ-2000 следующего состава:
натрий алкилсульфаты первичных высших жирных спиртов
фракции C<sub>8</sub>-C<sub>10</sub> или спиртов фракции С<sub>9</sub>-С<sub>11</sub>
10,0-18,0
натрий алкилсульфаты первичных высших жирных спиртов
фракции С<sub>12</sub>-С<sub>14</sub> или спиртов фракции С<sub>11</sub>-С<sub>13</sub>
3,0-7,0
натрий алкилэтоксисульфаты первичных высших жирных спиртов
фракции C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub>-co степенью этоксилирования 2 или 3
3,0-7,0
спирт бутиловый нормальный
5,0-9,0
первичные высшие жирные спирты фракции С<sub>12</sub>-С<sub>14</sub> или
спирты фракции C<sub>11</sub>-C<sub>13</sub>
1,5-3,5
карбамид
5,0-13,0
вода
до 100
[Заявка RU 2003126099, опубл. 20.02.2005. Бюл.№5]
Недостатком этого пенообразователя является невысокая прочность получаемого с его использованием пенобетона [1].
Известен пенообразователь, который в качестве поверхностно-активного вещества содержит канифоль, омыленную щелочью (клееканифольный пенообразователь). Этот пенообразователь имеет следующий состав:
канифоль
0.060 кг
гидроксид натрия
0.016 кг
клей костный
0.063 кг
вода
Остальное
[Инструкция И-194-54 МПСМХП от 1954 г.]
Пенообразователь обеспечивает высокую прочность пенобетона, но его недостатком является то, что для получения пены, пригодной по своим свойствам для производства пенобетона, требуются водный раствор пенообразователя высокой концентрации (8-12%). И даже при такой концентрации пены получаются невысокой кратности (менее 10). Все это делает пенообразователь неэкономичным. Другим недостатком пенообразователя является то, что присутствующий в его составе костный клей сильно замедляет гидратацию цемента на ранних этапах созревания бетона.
Наиболее близким к настоящему изобретению является пенообразователь следующего состава, мас.%:
поверхностно-активное вещество
1-5
смола древесная смыленная (СДО)
1-10
вода
85-98
[патент RU 2170718, опубл. 20.07.2001 г.]
Недостатком пенообразователя является низкий коэффициент использования пены при смешении ее с цементным тестом (0,65-0,86), а также большой расход пенообразователя (как следует из описания к патенту, данный пенообразователь используется для получения пены как есть, в то время как все промышленно изготавливаемые пенообразователи предварительно разводятся водой в 20-50 раз).
Задачей настоящего технического решения является разработка экономичного пенообразователя на основе смолы природного происхождения, который позволял бы получать устойчивые в цементном тесте пены кратностью не менее 15 из разбавленных водных растворов концентрацией порядка 3%.
Поставленная задача решается за счет того, что пенообразователь в своем составе содержит природную смолу - канифоль, омыленную едким натрием или едким калием (канифольное мыло), поверхностно-активное вещество - одно или несколько веществ, выбранных из ряда: первичные алкилсульфаты, алкилэтоксисульфаты, алкилдиметилкарбоксибетаин, кокамидопропилбетаин, окись алкилдиметиламина, альфаолефинсульфонаты, вторичные алкилсульфаты, и дополнительно органический растворитель в следующих массовых соотношениях:
канифольное мыло
1,0-25 мас.%
поверхностно-активное вещество
2,0-15 мас.%
органический растворитель
0-10 мас.%
вода
остальное
8
10
10
12
12
14
10
12
12
14
3
2
2
10
21
18
37
12
25
14
29
3
2
10
21
18
37
12
25
14
29
14
12
14
14
16
3
15
+
-
при минимальном суммарном содержании канифольного мыла и поверхностно-активного вещества в составе пенообразователя 4,0 мас.%, причем в качестве канифоли используют живичную сосновую, экстракционную сосновую или талдовую канифоль, в качестве алкилсульфатов используют натриевые или аммонийные соли первичных алкилсульфатов фракций C-С, C-C, С-С или же смесь указанных солей, в качестве алкилэтоксисульфатов используют натриевые, аммониевые, моноэтаноламиновые или триэтаноламиновые соли сульфатированных оксиэтилированных первичных жирных спиртов фракций C-C, C-C, со степенью этоксилирования 2 или 3 или же смеси указанных солей, в качестве алкилдиметилкарбоксибетаина используют карбоксибетаин следующей формулы: [R(CH)NCHCOO], где R - смесь прямоцепных алкильных остатков CH-CH или СН-CH, в качестве окиси алкилдиметиламина используют окись амина следующей формулы: R(СН)NO, где R - смесь прямоцепных алкильных остатков CH-CH или CH-CH, в качестве альфаолефинсульфонатов используют натриевые соли сульфокислот, получаемых сульфированием альфа-олефинов фракций С, C-C или C-C, в качестве вторичных алкилсульфатов используют смесь натриевых солей линейных алкансульфонатов общей формулой R-SONa, где R соответствует углеводородной цепи средней длины C, а в качестве органического растворителя используют одно или несколько веществ, выбранных из ряда: нормальный или изомерный первичный пропиловый, бутиловый, амиловый спирт, моноэтиловый эфир этиленгликоля, монобутиловый эфир этиленгликоля, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, монобутиловые эфиры пропиленгликоля, технические продукты сложного химического состава, преимущественно состоящие из перечисленных выше веществ, например кубовые остатки производства бутиловых спиртов или побочный продукт производства бутилцеллозольва.
Характеристика используемого сырья:
1. Канифоль сосновая живичная, ГОСТ 19113-84 «Канифоль сосновая. Технические условия».
2. Канифоль сосновая экстракционная, ТУ 13-0281078-135-90, «Канифоль сосновая экстракционная дистиллированная»
3. Канифоль таловая, ГОСТ 14201-83 «Канифоль талловая. Технические условия».
4. Гидроокись натрия, ГОСТ 2263-79 «Натр едкий технический. Технические условия».
5. Гидроокись калия, ГОСТ 9285-78 «Калия гидрат окиси технический. Технические условия».
8
10
6. Натриевые соли алкилсульфатов высших жирных спиртов фракции C-С. Продукт ОАО «Ивхимпром», ТЗ 34-98.
10
12
7. Натриевые соли алкилсульфатов высших жирных спиртов фракции С-C. Продукт ОАО «Ивхимпром», ТЗ 34-98.
12
14
8. Натриевые соли алкилсульфатов высших жирных спиртов фракции C-C (лаурилсульфат натрия). Продукт «Ufarol TCL92N» фирмы «Bang & Bonsomer».
12
14
9. Аммонийные соли алкилсульфатов высших жирных спиртов фракции C-C. Продукт «Tainolin ASA-70» фирмы «Taiwan NJC Corp.».
12
14
10. Натриевая соль сульфатированных этоксилатов жирных спиртов лауриловой фракции (C-C) со степенью оксиэтилирования 2. Продукт «Техароп-70» фирмы «Cognis».
12
14
11. Натриевая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C-C) со степенью этоксилирования 3. Продукт «Ungerol LES 3-70» фирмы «Bang & Bonsomer».
10
12
12. Аммонийная соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов фракции C-C со степенью этоксилирования 3. Продукт «Witcolate 1276» фирмы «Witco Corp.».
12
14
13. Моноэтаноламиновая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C-C) со степенью этоксилирования 3. Продукт «Zetesol LME» фирмы «Zschimmer & Schwarz».
12
14
14. Триэтаноламиновая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C-C) со степенью этоксилирования 3. Продукт «Zetesol LT» фирмы «Zschimmer & Schwarz».
15. Алкилдиметилкарбоксибетаин, ТУ 2484-042-52412574-05 «Карбоксибетаин (водный раствор алкилдиметилкарбоксибетаина)».
16. Кокамидопропилбетаин. Продукт «Empigen BS/FA» фирмы «Huntsman».
17. Окись алкилдиметиламина, ТУ 2413-008-48482528-99 «Окись алкил-диметиламина».
12
14
18. Альфаолефинсульфонаты фр. C-C. ТУ 2481-045-00336562-2001 «Альфа-олефинсульфонаты натрия».
14
16
19. Альфаолефинсульфонаты фр. C-C. Продукт «LSS-38AS» фирмы «Huntsman».
20. Вторичные алкилсульфаты. ТУ 38 10719-92 «Вещество жидкое моющее "Прогресс" (водный раствор натриевых солей вторичных алкилсульфатов)».
21. н-Пропиловый спирт, ТУ 6-09-4344-77 «Спирт пропиловый».
22. Изопропиловый спирт, ГОСТ 9805-84 «Спирт изопропиловый. Технические условия».
23. н-Бутиловый спирт, ГОСТ 5208-81 «Спирт бутиловый нормальный технический. Технические условия».
24. Изобутиловый спирт, ГОСТ 9536-79 «Спирт изобутиловый технический. Технические условия».
25. н-Амиловый спирт, ТУ 6-09-3467 «1-Пентанол»
26. изо-Амиловый спирт, ГОСТ 5830-79 «Спирт изоамиловый. Технические условия».
27. Моноэтиловый эфир этиленгликоля, ГОСТ 8313-88 «Этилцеллозольв технический. Технические условия».
28. Монобутиловый эфир этиленгликоля, ТУ 6-01-646-84 «Бутилцеллозольв технический».
29. Монобутиловый эфир диэтиленгликоля, ТУ 6-05-10-50-86 «Бутилкарбитол».
30. Монобутиловые эфиры пропиленгликоля, ТУ 6-01-26-08-83 «Флотореагент ОПСБ». Состав продукта: смесь монобутиловых эфиров пропиленгликоля.
31. Кубовые остатки ректификации бутиловых спиртов, ТУ 2421-101-05766575-2001 «Растворитель КОРБС».
32. Побочный продукт производства бутилцеллозольва, ТУ 24-34-131-00203335-2001 «Продукт «ППБ».
Пенообразователи готовили следующим образом. Сначала получали канифольное мыло, смешивая предварительно расплавленную канифоль с подогретым до 70-80°С раствором щелочи. Количество щелочи рассчитывали исходя из кислотного числа канифоли. Для омыления 1 кг канифоли с кислотным числом 168 мг КОН требуется 0,17 кг гидроокиси калия или 0,12 кг гидроокиси натрия.
Полученное канифольное мыло охлаждали до 25-30°С, после чего добавляли к нему поверхностно-активное вещество, органический растворитель и дополнительно воду до достижения заданных пропорций. Смесь перемешивали до полного растворения всех компонентов, после чего готовый пенообразователь сливали из реактора.
Пены получали с использованием промышленного пеногенератора ВП-5М производства фирмы ООО «К.В.Е. наукоемкие технологии». Для получения пен готовили 3%-ные растворы пенообразователей. Пены от всех пенообразователей получали при постоянных настройках пеногенератора.
Испытания пенообразователей на пригодность их для производства пенобетона производились следующим способом: к 200 г цемента марки ПЦ500ДО добавляли 80 г воды и тщательно перемешивали до получения однородного цементного теста. Одновременно из 3%-ного водного раствора пенообразователя получали пену кратностью 15±1. Расчетное количество пены смешивали с цементным тестом, перемешивали в течение 1-й минуты до получения однородной массы, после чего замеряли объем и плотность пенобетона. Свежеприготовленный пенобетон заливали в прямоугольные формы, имеющие линейные размеры 10×10×10 см, и выдерживали 28 дней, после чего определяли прочность образцов. Определение прочности осуществляли по ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам».
Исходя из объема приготовленного пенобетона рассчитывали коэффициент устойчивости пены в цементном тесте. Коэффициент устойчивости определяли по формуле:
пб
где: V - объем получаемого пенобетона, мл;
п
V - объем взятой для приготовления пенобетона пены, мл;
цт
V - объем цементного теста, мл.
В качестве пенообразователя-прототипа использовали состав, составленный в соответствии с примером №3 описания к патенту RU 2170718 (как состав, наиболее близкий к предлагаемому техническому решению по природе используемого поверхностно-активного вещества).
Концентрации веществ в составах пенообразователей в таблицах 1-5 даны в пересчете на безводные субстанции канифольного мыла и поверхностно-активных веществ.
Примеры 1-6 (таблица 1) определяют предельные концентрации канифольного мыла и поверхностно-активного вещества в составе пенообразователя.
Максимальная концентрация канифольного мыла в составе пенообразователя определена значением 25 мас.% (примеры 1, 2). Это значение соответствует предельной растворимости канифольного мыла в воде. При таком содержании канифольного мыла минимальная концентрация поверхностно-активного вещества (лаурилсульфата натрия), при которой пенообразователь позволяет получать пены с приемлемой кратностью и устойчивостью, составляет 2,0 мас.% (пример 1). При более низкой концентрации кратность пен резко падает (пример 2).
С другой стороны, при концентрации поверхностно-активного вещества (лаурилсульфата натрия) 2,0 мас.% пенообразователь сохраняет способность давать высокократные пены при снижении концентрации канифольного мыла в нем вплоть до 2,0 мас.% (примеры 3, 4, 5).
Концентрацию канифольного мыла можно снизить в еще большей степени (до 1,0 мас.%). Но при этом для получения высокократных пен концентрацию поверхностно-активного вещества (лаурилсульфата натрия) в составе пенообразователя необходимо увеличить до 3 мас.% (пример 6).
Таким образом, примеры 4, 5, 6 показывают, что для того, чтобы из 3%-ного раствора пенообразователя можно было бы получать пены высокой кратности и устойчивости, совокупное содержание канифольного мыла и поверхностно-активного вещества в составе пенообразователя должно быть не меньше 4,0 мас.%.
Пример 7 показывает, что очень хорошими пенообразующими свойствами обладает пенообразователь, содержащий малое количество канифольного мыла и достаточно большое количество поверхностно-активного вещества. В данном случае в пенообразователе содержится 15 мас.% лаурилсульфата натрия. Но повышать концентрацию поверхностно-активного вещества в еще в большей степени нецелесообразно. Главным образом потому, что даже при такой концентрации заметно негативное влияние лаурилсульфата натрия на прочность пенобетона.
Введение в состав пенообразователя н-бутилового спирта улучшает совместимость компонентов между собой, улучшает товарный вид продукта и повышает кратность пен (примеры 8-11, таблица 2). Примеры 12-22 (таблица 3) показывают, что повысить кратность пен можно, введя в состав пенообразователя и другие органические растворители.
Верхний диапазон концентрации органического растворителя в составе пенообразователя ограничен значением 10 мас.%, поскольку более высокое содержание в пенообразователе растворителя экономически нецелесообразно.
Примеры 23-28 (таблица 4) показывают, что пригодные для производства пенобетона пены (т.е. пены высокой кратности и с хорошей устойчивостью в цементном тесте) можно получить из пенообразователей, содержащих в качестве поверхностно-активного вещества лаурилэтоксисульфат натрия, алкилдиметил-карбоксибетаин, кокамидопропилбетаин, окись алкилдиметиламина, альфаоле-финсульфонаты и вторичные алкилсульфаты. Примеры 29-37 (таблица 5) показывают возможность применения в составе пенообразователей поверхностно-активных веществ с различными катионами, с различной длиной алкильного радикала и с различной степенью этоксилирования. А примеры 38 и 39 (таблица 5) иллюстрируют возможность использования в составе пенообразователя сосновой экстракционной и талловой канифоли.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет на основе природной смолы изготовить экономичный пенообразователь для пенобетона, дающий из разбавленных (3%-ных) водных растворов высокократные и устойчивые в цементном тесте пены.
Ссылка:
[1] Статья «Сравнительная характеристика синтетических и органических пенообразователей». Адрес статьи в Интернете:
http://subscribe.ru/archive/home.build.penobeton/200806/02220414.html
Таблица 1
1
2
3
4
5
6
7
Прототип
Состав пенообразователя
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью натрия
25,0
25,0
12,0
2,0
1,0
1,0
1,0
-
Натриевая соль первичных алкилсульфатов фракций С<sub>12</sub>-С<sub>14</sub> (лаурилсульфат натрия)
2,0
1,5
2,0
2,0
2,0
3,0
15,0
-
Вода
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
-
Свойства пены
Кратность пены из 3%-ного раствора пенообразователя
17,1
<5,0
16,5
15,1
<5,0
16,7
25,1
<5,0
Коэффициент устойчивости пены в цементном тесте
0,92
-
0,86
0,84
-
0,83
0,94
-
Прочность пенобетона плотностью 500 кг/м<sup>3</sup>, через 28 дней, кг/см<sup>2</sup>
22,7
-
22,5
20,7
-
20,5
18,7
-
Таблица 2
8
9
10
11
Состав пенообразователя
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью натрия
7,0
7,0
7,0
7,0
Натриевая соль первичных алкилсульфатов фракций C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub> (лаурилсульфат натрия)
7,0
7,0
7,0
7,0
н-Бутиловый спирт
0
2,0
5,0
10,0
Вода
до 100
до 100
до 100
до 100
Свойства пены
Кратность пены, полученной из 3%-ного раствора пенообразователя
21,3
23,6
25,3
28,3
Коэффициент устойчивости пены в цементном тесте
Таблица 3
Номер примера
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Состав пенообразователя
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью натрия
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
-7,0
7,0
Натриевая соль первичных алкилсульфатов фракции C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub> (лаурилсульфат натрия)
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
н-Пропиловый спирт
5,0
изо-Пропиловый спирт
5,0
изо-Бутиловый спирт
5,0
н-Амиловый спирт
1,0
изо-Амиловый спирт
1,0
Моноэтиловый эфир этиленгликоля
5,0
Монобутиловый эфир этиленгликоля
5,0
Монобутиловый эфир диэтиленгликоля
5,0
Монобутиловые эфиры пропиленгликоля
5,0
Кубовые остатки производства бутиловых спиртов
5,0
Побочный продукт производства бутилцеллозольва
5,0
Вода
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
Свойства пены
Кратность пены, полученной из 3%-ного раствора пенообразователя
22,7
22,7
25,0
22,9
22,4
26,1
26,4
26,4
25,7
24,2
24,9
Таблица 4
Номер примера
23
24
25
26
27
28
Состав пенообразователя
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью натрия
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
Натриевая соль сульфатированных этоксилатов жирных спиртов лауриловой фракции (С<sub>12</sub>-С<sub>14</sub>) со степенью оксиэтилирования 2
7,0
Алкилдиметилкарбоксибетаин
7,0
Кокамидопропилбетаин
7,0
Окись алкилдиметиламина
7,0
Альфаолефинсульфонаты
7,0
Вторичные алкилсульфаты, Натриевые соли
7,0
н-Бутиловый спирт
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
Вода
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
Свойства пены
Кратность пены
24,1
22,1
25,3
25,6
24,3
22,1
Коэффициент устойчивости пены в цементном тесте
0,91
0,92
0,94
0,91
0,96
0,95
Таблица 5
Номер примера
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
Состав пенообразователя
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью натрия
7,0
-
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
-
-
Канифоль сосновая живичная, омыленная гидроокисью калия
-
7,0
-
-
-
-
-
-
-
Канифоль сосновая экстракционная, омыленная гидроокисью натрия
-
-
-
-
-
-
-
-
7,0
-
Канифоль талловая, омыленная гидроокисью натрия
-
-
-
-
-
-
-
-
-
7,0
Аммонийная соль первичных алкилсульфатов фракций C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub>
7,0
7,0
3,5
3,5
3,5
3,5
-
5,0
7,0
7,0
Натриевая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub>) со степенью этоксилирования 3
-
-
3,5
-
-
-
-
-
-
-
Аммонийная соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов фракции С<sub>10</sub>-С<sub>12</sub> со степенью этоксилирования 3
-
-
-
3,5
-
-
5,0
-
-
-
Моноэтаноламиновая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub>) со степенью этоксилирования 3
-
-
-
-
3,5
-
-
-
-
-
Триэтаноламиновая соль сульфатированных оксиэтилированных жирных спиртов лауриловой фракции (C<sub>12</sub>-C<sub>14</sub>) со степенью этоксилирования 3
-
-
-
-
-
3,5
-
-
-
-
Натриевые соли первичных алкилсульфатов фракций С<sub>10</sub>-С<sub>12</sub>
-
-
-
-
-
-
2,0
1,0
-
-
Натриевые соли первичных алкилсульфатов фракций C<sub>8</sub>-C<sub>10</sub>
-
-
-
-
-
-
-
1,0
-
-
н-Бутиловый спирт
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
Вода
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
до 100
Свойства пены
Кратность пены
25,3
25,2
25,5
26,7
25,1
25,4
24,8
26,1
25,6
24,7
Коэффициент устойчивости пены в цементном тесте
0,92
0,96
0,91
0,93
0,93
0,92
0,95
0,95
0,91
0,89