CC BY
67
Спецвыпуск 2/2009
Пустовгар А.П., Соловьев В.Н., Матузов А.В. Московский государственный строительный университет
РЕМОНТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Разработка и совершенствование ремонтных составов обусловлена особенностями условий эксплуатации объектов атомной энергетики. Эксплуатация несущих и ограждающих конструкций ядерных установок, как правило, протекает в сложных условиях одновременного или последовательного воздействия множества факторов. К их числу относятся не только статические и динамические нагрузки, высокие и низкие температуры, вакуум, избыточное давление и агрессивная среда (химическая и биологическая коррозия), а также воздействие ионизирующих излучений.
Для устранения дефектов требуются материалы с хорошей адгезией к бетону и арматуре, высокими вязкоупругими свойствами в отвердевшем виде при воздействии повышенных температур (до 800С) радиационных нагрузках (мощностью дозы до 10-1 Гр/с), доступность компонент и относительно низкая стоимость.
С целью решения задач оптимизации ремонтных составов и разработки рекомендаций по их применению, нами проведены экспериментальные исследования с использованием в качестве полимерной компоненты сополимеров ви-нилацетата (VA) и этилена версатата (VeoVa), бутадиенстирола (BS), сополимеров акрилата, в том числе и на основе редиспергируемых порошков. Это позволило получить оценки физико-механических свойств и оценить зависимости показателей радиационной стойкости материалов от вида и количественного содержания компонент.
В процессе эксплуатации ядерных установок на материалы несущих, ограждающих и защитных конструкций ядерных установок воздействует множество факторов. В их числе статические и знакопеременные механические нагрузки, вибрация, высокие и низкие температуры, вакуум, избыточное давление и агрессивная среда, а также ионизирующее излучение различного вида, энергии и интенсивности. Мощности дозы излучений, воздействующих на материалы ядерных установок охватывают широкий интервал значений от фона 10-11 Гр^ до 103 Гр/с и выше. Результаты обследований зданий и сооружений ядерных установок различного назначения (исследовательские реакторы, хранилища отработанного ядерного топлива, твердых и жидких отходов, АЭС и др. [3]) свидетельствуют об образовании и развитии в строительных конструкциях дефектов типа трещин, разрушение защитного слоя арматуры и её коррозия, отслоение полимерных покрытий.
Для устранения дефектов железобетонных конструкций требуются материалы с хорошей адгезией к бетону и арматуре, высокими прочностными и вязкоуп-ругими свойствами в отвердевшем виде, стойкие к воздействию повышенных температур (до 800С) и радиационных нагрузок (до108 Гр/с). Компоненты должны иметь относительно низкую стоимость и не оказывать коррозионного воздействия на бетон и арматуру, технология изготовления материалов должна быть близкой к
ВЕСТНИК
Спецвыпуск 2/2009
традиционной. Наиболее полно данным требованиям отвечают мелкозернистые бетоны и цементно-песчанные растворы с добавлением различных полимеров.
В настоящей работе изучалось влияние вида минеральных и органических составляющих мелкозернистых бетонов и цементно-песчанных растворов на реологию, физико-механические свойства, а так же проведена оценка радиационной стойкости ремонтных составов.
В качестве вяжущего применялся портландцемент марки М400, мелкий заполнитель - кварцевый песок фр.<0,3мм. Для улучшения строительно-технологических свойств композиций вводили добавки микрокремнезема и золы унос в количестве до 10% и 15% от веса цемента соответственно. Для регулирования технологических свойств и повышения водоудерживающей способности растворов использовались водорастворимые эфиры целлюлозы и воздухововлекающие добавки в количестве 0,05-0,1% и 0,01% по общей массе соответственно (табл. 1).
Для модификации составов применялись следующие водные дисперсии полимеров:
1. Водная дисперсия стирол-акрилового сополимера (50% сухой остаток), вязкость 9000 мПа*с по Брукфильду;
2. Чисто акриловая дисперсия, свободная от алкил-фенол этоксилатов (46% сухой остаток), 4000 мПа*с по Брукфильду;
3. Анион-неионная водная дисперсия винилацетат-этилен сополимера, свободная от нонилфенол этоксилатов (50% сухой остаток), 3500 мПа*с по Брукфильду;
4. Водная дисперсия стирола и эфиров акриловой кислоты (50% сухой остаток), вязкость 500 мПа*с по Брукфильду;
5. Водная дисперсия поливинилацетата марки ДФ 48/5С, ГОСТ 18992-80;
6. Водная дисперсия бутадиен-стирольного латекса (50% сухой остаток)
Контрольные образцы изготавливались без полимерной составляющей.
Таблица 1
Количественное соотношение
Вид компонента Кол-во, в % по сухому веществу Номер состава
1 2 3 4 5 6 7
Портландцемент 20-30 + + + + + + +
Песок 50-60 + + + + + + +
Микрокремнезем 10 + + + + + + +
Зола Унос 15 + + + + + + +
Воздухововлекающая добавка 0,01 + + + + + + +
Сополимер стирол-акриловый (9000 мПа*с) 10 +
Акриловая дисперсия 10 +
Сополимер винилацетат-этилен 10 +
Сополимер стирол-акриловый (500 мПа*с) 10 +
Поливинилацетат 10 +
Бутадиен-стирольный латекс 10 +
Вода 4 - 6 ml + + + + + + +
Спецвыпуск 2/2009
ВЕСТНИК _МГСУ
В результате проведенных исследований было установлено, что введение воздухововлекающей добавки в количестве 0,01 (0,015-0,02)% по массе способствовало получению более однородной консистенции смеси и позволило уменьшить необходимое количество воды затворения по сравнению с добавкой эфиров целлюлозы. Также отмечено положительное влияние воздухововле-кающей добавки на процесс твердения образцов, в отличие от образцов с целлюлозой они не имели трещин усадки.
Осадка конуса у большинства составов составляет 6-7см, однако при введении в смесь водной дисперсии бутадиен-стирольного латекса отмечен эффект ложного схватывания, что значительно осложняет работу с ним, и требует модификации состава. При высыхании эти образцы давали усадку в объеме и отставали от бетонного субстрата (адгезии не наблюдалось).
Изготовленные для испытаний образцы выдерживались 28 суток в условиях: 7 суток во влажных условиях, остальное время в воздушно-сухих (50-70%).
Величину адгезии составов к бетону определяли на образцах 50 x50мм. Отрыв образцов от бетонной подложки производили на установке РР-10/1 в соответствии с £N1348. При этом фиксировалась величина максимального разрывного усилия (табл. 2), и устанавливался характер разрушения. Разрушение по материалу адгезива, выявлено только у контрольных образцов (№7), что характеризует слабое взаимодействие компонент состава и низкую прочность связей. Во всех остальных случаях разрушение проходило по материалу субстрата.
Установлено, что глубина взаимодействия адгезива с субстратом и как следствие величина адгезии больше у образцов на основе стирол-акриловых сополимеров вязкостью 500мПас. По-видимому, это объясняется различием молекулярной подвижности водорастворимых полимеров. Прочность образцов на сжатие определяли на образцах 7070мм в возрасте 28 суток, в соответствии с ГОСТ 580286. Результаты испытаний (табл. 2) показали, что прочность при сжатии образцов (1-6) сопоставима с прочностью контрольных образцов, что свидетельствует об отсутствии негативного влияния полимера на гидратацию цементного камня.
Таблица 2
Номер Плотность, Прочность при Адгезионная Водопоглощение
состава кг/м3 сжатии, МПа прочность, МПа
1 1840 23,0 1,45 4,6
2 1880 17,5 1,86 5,0
3 1720 22,5 1,44 4,1
4 1900 24,0 1,93 3,2
5 1860 19,5 1,46 11,3
6 1820 20,0 Сцепление отсутствует 4,5
7 1950 24,5 0,06 14,5
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что состав№4 с добавкой стирол-акрилового полимера имеет наилучшие показатели и уступает только контрольному образцу по прочности на сжатие, что это в пределах нормы (5%).
Рис.1 Микроструктура поверхности скола образца состава №4
Введение полимера в состав цементных материалов заметно модифицирует структуру материала. В качестве примера на рис.1 показана поверхность скола одного из составов. На поверхности образца отчетливо наблюдается матрица гид-ратированного минерального вяжущего с распределенным в ней затвердевшим полимером. Полимер образует упругие прослойки между кристаллическими новообразованиями минерального вяжущего, адсорбируется на поверхности частиц заполнителя, часть полимера заполняет поры. Это способствует повышению прочности, величины адгезии и снижению водопоглощения материала.
При оценке радиационной стойкости исследуемых составов (рис.2) использовались аналитические методы из [1,2]. Наряду с исследуемыми составами дана оценка радиационной стойкости полимеров (8-10), которые использовались в качестве добавок.
Из приведенных данных следует, что характер изменения свойств всех составов одинаков. Начальные изменения проявляются в некотором повышении свойств, затем свойства проходят через максимум, а далее снижаются.
У составов 1-6 прогнозируется повышение свойств в пределах 10-15%. Это связано с интенсификацией процессов структурообразования в цементном камне, которые на начальной стадии облучения компенсируют деструктивные процессы. При более высоких дозах (более 1011 Гр/с) наблюдается снижение свойств вследствие карбонизации цементного камня, и деструкции полимера. В результате свойства снижаются с высокой скоростью.
Как следует из приведенных данных, несмотря на относительно низкую радиационную стойкость органических материалов, добавка их в цементно-песчаную смесь практически не снижает показателей радиационной стойкости. Это объясняется образованием прочного межфазного слоя цемент-полимер с более устойчивыми химическими связями.
Проведенные исследования позволили установить, что введение в смесь сополимеров стирол-акрила и этилена позволяет значительно улучшить характеристики ремонтных материалов. Полученные данные показывают, что в наибольшей степени отвечают требованиям к ремонтным материалам составы 1-4 и эти составы могут быть рекомендованы для устранения дефектов строительных конструкций.
12 13 14 15
№ Гр 102
шиш
область без изменения; повышение свойств; | - снижение свойств от 1 до ]] - снижение свойств от 0,75 до | - снижение свойств от 0,5 до ■ - менее 0,25.
Рис.2. Относительная радиационная стойкость композиций:
(1-7) - исследуемые составы; 8 - сополимер стиролакриловый; 9 - сополимер стиролакриловый + ингибитор ржавчины; 10 - акрилат.
Литература
1. Бородин В.Е., Лебедев В.Н., Покровский К.К., Соловьев В.Н. Автоматизированная система управления базой данных по радиационной стойкости материалов .//Тезисы докладов XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.//М. 1990, с.248.
2. Соловьев В.Н. Методика прогнозирования радиационной стойкости полимерных материалов//Сб. тезисов докладов VIII Российской конференции «Радиационная защита и безопасность в ядерных технологиях».//Обнинск. 2002. с.19.
3. Соловьев В.Н., Пустовгар А.П.. Оценка радиационной стойкости ремонтных составов материалов на основе цементных, полимерцементных и полимерных материалов .//Сборник тезисов докладов VIII Российской конференции «Радиационная защита и безопасность в ядерных технологиях».//Обнинск. 2002. с.192.
