Рассмотрим, как протекает процесс вспучивания раствора при введении в его состав алюминиевой пудры и какие факторы влияют на устойчивость вспученной газобетонной смеси. При смешивании раствора с алюминиевой пудрой в результате взаимодействия алюминия с гидратом окиси кальция выделяется водород. Известно, что растворимость водорода в воде незначительна. В 1 л воды при температуре 20°С растворяется 18,19 см3 водорода, раствор быстро пересыщается и в результате частички алюминиевой пудры становятся центрами образования пузырьков. Эти мельчайшие пузырьки водорода при дальнейшем газовыделении увеличиваются в размере. Таким образом, вспучивание смеси следует рассматривать как процесс возникновения и роста газообразных сфероидальных ячеек, рассредоточенных по всему объему раствора.
На газообразующую способность смеси влияет ряд факторов. Основные из них — начальная вязкость, текучесть смеси, ее температура, скорость образования структуры с определенными механическими свойствами, дисперсность алюминиевой пудры и ее количество, химический состав среды.
Объемный вес газобетона зависит от несущей способности смеси, которая определяется ее структурно-механическими свойствами. Если после окончания вспучивания смесь не будет обладать определенной несущей способностью, произойдет ее осадка. В случае, если смесь затвердеет до того, как завершился процесс газообразования, не будет достигнут заданный объемный пес газобетона.
Известны различные методы определения структурно-механических свойств дисперсных систем. Газобетонную смесь можно отнести к пластично-вязким системам; ее структурно-механические свойства целесообразно оценивать, используя метод конического пластометра, предложенный акад. П Д. Ребиндером [66]. Этот метод позволяет определять степень нарастания пластической прочности газобетонной смеси в процессе вспучивания, а также прочность структуры после того, как процесс закончился и, следовательно, устанавливать несущую способность вспученной газобетонной смеси. Пластическая прочность характеризуется сопротивлением, которое смесь оказывает прониканию конуса (пластометра) при постоянной нагрузке.
Результаты измерения пластической прочности газобетонных смесей объемным весом 700 кг/м3 и газовыделения с течением времени приведены на рис. 1.
Наиболее интенсивное газовыделение и нарастание пластической прочности наблюдается в смесях, состоящих из извести, а также известково-цементного вяжущего. Через 90 мин после затворения пластическая прочность этих смесей составляет соответственно 700 и 750 гс/см2. За это время пластическая прочность газобетонной смеси на цементе не превышает 50 гс/см2.
Высокая пластическая прочность газобетонной смеси и се интенсивное нарастание благоприятно сказываются на устойчивости смеси и сроках выдержки отформованных изделий до автоклавной обработки.
Помимо установления параметров текучести и температуры смеси для получения заданного объемного веса необходимо также определить ее несущую способность с учетом высоты формы, в которой формуется изделие.
Если из вспученной смеси вырезать призму высотой Н, то слой газобетонной смеси у основания призмы будет испытывать давление
где Р — давление у основания призмы в гс/гм2; γсм — объемный вес газобетонной смеси в г/см3; Н — высота призмы в см.
Чтобы не произошло разрушения структуры (осадки) газобетонной смеси у основания призмы, пластическая прочность τ должна отвечать следующему условию:
где а — коэффициент, учитывающий давление от образовавшейся при вспучивании «горбушки» и допустимые отклонения в объемном весе газобетона в пределах до +5%.
Для определения пластической прочности используется пластометр П. А. Ребиндера.
Схема пластомстра приведена на рис. 2. Рычаг с конусом пластометра устанавливают в строго горизонтальное положение, перемещая подвижные грузы в правой части рычага, до тех пор, пока указательная стрелка не совместится с нулевым давлением шкалы отсчета. После этого стакан, заполненный газобетонной смесью и помещенный в теплоизолирующий сосуд, ставят на подъемный столик и, медленно вращая, устанавливают его таким образом, чтобы «зеркало» газобетонной смеси коснулось вершины конуса. Для измерения температуры в исследуемую газобетонную смесь погружают термобалон манометрического термометра, который установлен на пластометре. На подвешенную справа от конуса тарель в определенной последовательности ставят гирьки весов с таким расчетом, чтобы обеспечить плавное погружение конуса на глубину 15 мм. Глубину погружения конуса определяют индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. При принятых в приборе соотношениях плеч (10:1) между конусом и индикатором погружение конуса определяют с точностью до 0,1 мм.
Величину пластической прочности определяют но формуле
где Р — вес гирь в г; h — глубина а погружения конуса в см; k1 — коэффициент, зависящий от угла раствора конуса (при α 60° k1=0,956).
Определять величину пластической прочности для каждого состава необходимо три раза и по полученным данным вычислять средние значения.
Если значение пластической прочности, устанавливаемое пластометром, ниже требуемого, то вводят ускорители схватывании, повышают температуру воды затворения, изменяют текучесть или используют другие возможные способы и, таким образом, подбирают необходимые параметры для получения газобетонной смеси, обладающей нужной иссушен способностью.
При вспучивании газобетонной смеси иногда наблюдается явление, напоминающее «кипение»; крупные пузырьки водорода поднимаются к поверхности вначале в отдельных местах, затем скапливаются по всей площади, и смесь начинает «кипеть». Это приводит к разрушению образовавшейся ячеистой структуры и полной или частичной осадке вспученной смеси. В заводских условиях кипение чаще всего наблюдается при применении некоторых цементов, характеризующихся длительными сроками схватывания.
При малых значениях вязкости и пластической прочности смеси в процессе вспучивания газовые пузырьки вначале сливаются, а затем, достигнув определенной величины, всплывают и вызывают кипение. Эти явления сравнительно мало изучены и требуют специальных исследований.
Можно доказать, что всплывание пузырька водорода зависит не только от его размера, но и от пластической прочности смеси. Для этого определим подъемную силу пузырька и сопротивление среды при его всплывании.
Величину подъемной силы пузырька определяют по формуле
где Р — подъемная сила; r — радиус пузырька, γсм — объемный пес газобетомпом смеси, α — переходной коэффициент от объемного веса идеальной жидкости к газобетонной смеси.
Всплыванию пузырька будет препятствовать сопротивление среды, характеризуемое величиной пластической прочности газобетонной смеси.
Для вычисления силы F необходимо суммировать действие элементарных сил сопротивления по половине шаровой поверхности пузырьков (рис. 3), т. е.
Чтобы создать условие, при котором пузырек не будет всплывать, величина подъемной силы должна быть уравновешена силой сопротивления среды, т. е.
Из последнего выражения следует, что для предотвращения всплывания пузырьков водорода нужно повысить пластическую прочность газобетонной смеси.
По данным П. Р. Таубе, одним из факторов, препятствующих слиянию пузырьков, а следовательно, увеличению их размеров, является создание упругих пленок на поверхности воздушных пузырьков путем введения в раствор поверхностно-активных веществ.