CC BY
31
УДК 666.974
Н. I. Б1ЛОШИЦЬКА (Схщноукра'шський нацюнальний унiверситет iM. Володимира Даля, Луганськ)
ВПЛИВ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ФАКТОР1В НА СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ НАПОВНЕНО1 ПОЛ1МЕРНО1 МАТРИЦ1 ПЛАСТБЕТОНУ
У статт викладено результаты дослвджень впливу технолопчних фактор1в на властивосп та експлуата-цшш характеристики розроблюваних пластбетошв для ремонтно-вщбудовних робгг.
В статье изложены результаты исследований влияния технологических факторов на свойства и эксплуатационные характеристики разрабатываемых пластбетонов для ремонтно-восстановительных работ.
In the article the research results of influence of technological factors on properties and characteristics of the plastoconcretes under development for repair-reconstruction work are presented.
Проблема забезпечення довговiчностi мате-рiалiв i конструкцш на сучасному еташ розвит-ку технологii бетону розглядасться з техшко-економiчних позицш. Ефективнiсть матерiалiв i конструкцiй, що експлуатуються в агресивних середовищах, визначасться приведеними ви-тратами на виготовлення конструкцiй, зведення будiвель i споруд, витратами на захист вщ ко-розii, ремонт, а також втратами в народному господарствi вiд простгав виробництва пiд час ремонту конструкцш. Висока техшко-еконо-мiчна ефективнiсть бетонних i залiзобетонних конструкцiй значною мiрою визначаеться 1'х-ньою довговiчнiстю при мшмальних витратах на iхне утримування у процес експлуатацii.
Пiд назвою «пластбетон» розумiеться бетон, у якому в якост сполучних застосовують пол> мери - малов'язкi термореактивнi смоли, здатш при додаваннi отверджуючих компонент пе-реходити у твердий неплавкий стан [1, 2]. По-рiвняно зi звичайними цементними бетонами, пластбетони i полiмербетони вiдрiзняються ю-тотним збшьшенням мiцностi на розтяг при згиш (вiдношення мiцностi на розтяг при згиш до мiцностi при стиску iнодi досягае 1 : 2) i шд-вищеним зчепленням майже з усiма будiвель-ними матерiалами. При цьому найчастiше мщшсть при стиску стику зi старим бетоном вище мiцностi старого бетону. Полiмербетони i пластбетони також характеризуются шдвище-ною стiйкiстю до стирання i впливу агресивних середовищ. Поверхня таких бетонiв не запилю-еться. Однак недолiк полiмербетонiв полягае у вимиванш емульгатора при тривалому впливi води, у зв'язку з чим обмежуеться галузь засто-сування матерiалу. Основною перешкодою широкого застосування пластбетошв е набрякання й усадка полiмерiв при позмiнному зволоженнi
i висиханнi, викликаючи розвиток внутрiшнiх напружень, тим самим знижуючи довговiчнiсть конструкцш з такого бетону.
Пластбетони за своею природою е високо-мщними i стiйкими матерiалами, властивостi яких шддаються направленiй змiнi в широких межах. Висок показники статичноi i динамiч-ноi мiцностi, зносостiйкостi i хiмiчного опору пластбетонiв дозволяють широко використову-вати 1'х при зведеннi споруд, як експлуатуються в умовах ди рiзноманiтних агресивних сере-довищ.
Метою роботи е дослщження початково1' стади формування просторово1' структури пол> мерно1' матрицi, що е вiдповiдальною за станов-лення експлуатацiйних властивостей пластбе-тону та встановити особливостi формування структури наповнено1' полiмерноi матрицi.
На властивосп пластбетону на фурановiй зв'язуючш речовинi впливае цiлий ряд техно-логiчних факторiв, у тому чи^ вибiр вихiдних матерiалiв.
В якосп полiмерноi зв'язуючо1' речовини використаний фурфурольно-ацетоновий мономер ФА, що випускаеться на Микола1'вському гiдролiзно-дрiжджовому заводi, хiмiчний склад якого наступний: монофурфурилщенацетон -66...69 %; дифурфурилщенацетон - 23...25 %; полiмернi продукти - 3...5 %; вода - 0,7...1,3 %; ацетон - до 1 %; фурфурол - до 1,3 %; золь-тсть 0,1...0,3 %.
Щiльнiсть мономера ФА при 20 оС складае 1,11...1,16 кг/дм3, рН знаходиться в межах 4,0; швидюсть полiмеризацii з бензолсульфокисло-тою при 170 оС - не бiльш 90 с; вмiст вологи -не бшьш як 2 %; розчиннють в ацетонi повна.
Для модифшацп полiмерноi зв'язуючо1' ре-човини використана кисла смолка - техноген-
ний продукт Дшпропетровського коксохiмiчно-го заводу, а також фуриловий спирт - побiчний продукт виробництва фурфуролу.
Утворення кисло! смолки при ректифшацп сирого бензолу вщбуваеться пiд каталiтичним впливом концентровано! шрчано! кислоти на реакщю полiмеризаци, що протiкаe мiж негра-ничними i сiрчистими сполуками. Кисла смолка робить на фурановi композици пластифiкуючу дiю i знижуе витрату мономера ФА.
Хiмiчний склад кисло! смолки наступний, мас. ч.: бензольш вуглеводнi - 10... 17,4; кислотна частина - 20,4; вода тсля вщстою -1,0.1,5; шше - полiмери. Щiльнiсть кисло! смолки 1,175 кг/дм3.
В якост отверджувача фураново! зв'язуючо! речовини використана бензолсульфокислота (БСК) С6Н58О3Н, що представляе собою крис-талiчний продукт iз вiдносною молекулярною масою 158,8. Хiмiчний склад БСК наступний, мас. ч.: моносульфокислота бензолу -98,4.. .98,6; вiльна сiрчана кислота - 1,2.. .1,4 %; бензол - не бшьш як 0,2 %.
В якост тонкодисперсного наповнювача полiмерно! зв'язуючо! речовини використаш мелений цегельний бiй, шлам прничо-збагачувальних комбiнатiв Криворiзького пр-ничорудного басейну з питомою поверхнею 250.400 м2/кг, що мiстить 89.94 %, а також тонкодисперсний кремнезем, що представляе собою бший порошок, одержуваний з фшьтрових осадюв Стаханiвського заводу фе-росплавiв, ТУ 14-5-157-93. 1стинна щiльнiсть кремнезему складае 2,2 кг/дм3, середня питома поверхня - 250.300 м2/кг. Для з'ясування впливу рiзних факторiв на процеси структуроу-творення наповнено! полiмерно! матриц пласт-бетону використаний портландцемент ПЦ 11/Б-Ш-400 Краматорського цементного заводу i ПЦ 1-400-Н ВАТ «Балцем».
Процеси взаемодi! в наповненiй полiмернiй композици з моменту готування розчину проть кають у такий спосiб. При введенш мономера ФА разом з кислою смолкою i фуриловим спиртом - ФАКФ - смола, що мае глобулярну структуру, утворюе локальнi просторовi струк-тури (мшрогель) у присутностi отверджувача. Внаслщок низько! концентрацi! i мало! вщнос-но! молекулярно! маси (300...500) структура полiмеру неоднорiдна: присутнi як глобули смоли й отверджувача, так i мшрогел^ причому в'язкiсть одержуваного розчину незначно вщр> зняеться вiд в'язкосп води. При взаемодi! полi-мерного розчину з поверхнею часток цементу вщбуваеться утворення рiвноважного адсорб-
цiйного шару смоли. Молекули, що знаходять-ся в адсорбцшному шарi, не беруть учасп у ре-акцi! отвердження, сприяючи посиленню галь-муючо! ролi гiдратних оболонок, що екрану-ють. Смола i продукти отвердження смоли внаслщок наявностi полярних ОН-груп з висо-кою енергiею когезi! i вивiльнення додатково! !хньо! кiлькостi при розкритп фуранового кшь-ця мають високу адгезiйну здатнiсть до рiзного роду поверхонь, у тому чи^ i до продуктiв гiдратацi! клшкерних мiнералiв [3]. Завдяки цьому отверджеш продукти смоли, що оса-джуються в капiлярно-пористiй системi розчину при вщсмоктуванш води цементом, а також смола, що адсорбувалася на поверхш продуктiв гiдратацi!, надiйно кольматують поровий прос-тiр i перешкоджають виникненню фшьтрацш-них потокiв порово! рiдини. Утворення додат-кових зв'язюв у тверднучому полiмерцемент-ному розчиш типу полiмер - цементнi частки i гiдратнi новоутворення, зв'язування розчинни-ка в сiтцi мiкрогелю, а також кольматащя поро-вого простору сприяють пiдвищенню седимен-тацiйно! стшкост розчину [4].
При взаемодп молекул полiмеру з твердим тшом поверхня його покриваеться тонким шаром полiмеру, що утримуеться адсорбцшними силами. Джерелом цих сил е некомпенсоваш зв'язки на поверхнi цементу або в мiжфазному шарi. Основою адсорбцшних процесiв е загаль-ний закон, що виражаеться в мимовшьному зменшеннi запасу вiльно! енергi! в система Прагнучи знизити свою поверхневу енерпю i нейтралiзувати електричний заряд, дисперсна частка цементу притягуе до себе молекули по-лiмеру, що мають дипольну структуру. Пiд впливом силового поля, що створюеться актив-ними центрами на поверхш часток цементу, до яких притягуються диполi полiмеру, знижуеть-ся кiнетична енергiя його молекул, що усклад-нюе !х вiдрив вiд мiнеральних часток. Оскшьки активнi центри вiддiленi один вщ одного енер-гетичними бар'ерами, то для перемщення молекул полiмеру в силовому полi поверхнi твер-дих часток необхiдний зовнiшнiй тепловий або мехашчний вплив. Роз'еднанi частки i флокули, знаходячись спочатку у зваженому станi, по-ступово випадають у виглядi осаду, витiсняючи полiмер, шар якого над осадом тим товще, чим бшьше полiмеру замшування понад оптималь-ну кiлькiсть утримуеться в наповненому пол> мерному тють
Оскiльки вмiст мiнерально! складово! впли-вае на властивостi полiмерно! зв'язуючо! речовини, а, отже, i на властивосп бетону, для ви-
значення оптимального наповнення в першу чергу проведет дослщження мщносп фурано-вих безцементних композицiй. Дослiди прово-дилися на зразках розмiром 50х50х50 мм. Ана-лiз отриманих результатiв показав, що кривi мiцностi фуранових композицш складаються з висхiдноi, екстремально1' i спадно1' частин. Об-грунтування ходу кривих можна представити у такий спошб. Оскiльки наповнена система складаеться з трьох структурних елементiв -наповнювача, мiжфазного шару i полiмеру, у залежностi вiд вмiсту кожного з них визнача-ються властивосп полiмерноi зв'язуючо1' речо-вини.
Мiжфазний шар е неоднорiдним i не мае чь тких границь. До його складу входять поверх-невий шар наповнювача, що змшився шд дiею полiмеру, адсорбцiйний шар полiмеру i пол> мер, який знаходиться в структурованому сташ. Як установлено дослщженнями [5], мiцнiсть мiжфазного шару вище мiцностi полiмерноi матрицi. Це дозволяе зробити висновок, що при оптимальному наповненш полiмерноi компози-цл вiдбуваеться пiдвищення значень мiцнiсних характеристик полiмерноi зв'язуючо1' речовини.
Таким чином, у висхщнш зонi полiмеру не-достатньо для повного змочування зерен напо-внювача. Друга структурна зона - дшянка екст-ремуму - вщноситься до оптимального. Для цiеi зони характерний стан, за якого найбшьша кшьюсть полiмеру переведена в мiжфазний шар. Сумiшi такого складу характеризуються високою легкоукладальнютю i при отвердженш утворюють щiльну структуру. Для третьо1' зони (спадна область) характерно зниження мщшс-них показникiв за рахунок росту частки об'емного полiмеру. Сумiшi таких складiв також мають задовшьну легкоукладальнiсть i тс-ля отвердження утворюють мщну полiмерну структуру, але вiдрiзняються пiдвищеною де-форматившстю. Кiнцевi значення мiцностi цiеi структурно!' зони близью до мщносп зв'язуючих речовин на основi ненаповнених фуранових смол, оскшьки наповнювача в сис-темi так мало, що вш не чинить впливу на властивосп полiмерноi зв'язуючо! речовини.
Дослщженнями встановлено, що найбiльш ефективно застосування кремнiйвмiщуючих вiдходiв - шламiв прничо-збагачувальних ком-бiнатiв у порiвняннi з меленим цегельним боем. Визначена оптимальна величина вщношення «полiмер - наповнювач», за яко! мiцнiсть фуранових зв'язуючих речовин мае максимальне значення, знаходиться в межах 0,6...0,7 залежно вiд питомо! поверхнi наповнювача. Ця законо-
MipHiCTb збер^аеться при використанш в якосп полiмерноï зв'язуючо1 речовини фуранових композицш ФА (з невеликим вщхиленням), ФАКС i ФАКФ.
У зв'язку з тим, що монофурфурилщенаце-тон, який мютиться у фурфуролацетоновш зв'язуючiй речовинi, впливае на мехашзм пол> мерутворення, протягом якого вщбуваеться ре-акцiя полiконденсацiï з видшенням води, що призводить до зниження показниюв фiзико-механiчних властивостей полiмербетону, вста-новлена висока ефективнiсть введення портландцементу до складу полiмерноï зв'язуючоï речовини. При цьому експериментально встановлено, що при полiмеризацiï кiлькiсть вiльноï води складае близько 6 % вщ маси мономеру. Виходячи з цього, визначено оптимальний вмют портландцементу в полiмернiй зв'язуючш речовиш, що складае 10... 12 % вщ маси мономера.
Виконано дослщження мiцнiсних характеристик наповненого полiмерцементного каме-ня; у дослiдах використаний Краматорський портландцемент М400. Хщ кривих змши мщ-ностi наповненого полiмерцементного каменя принципово не змiнився порiвняно з наповне-ною полiмерною зв'язуючою речовиною, що пiдтверджуе збереження закономiрностей формування структури полiмерцементноï зв'язую-чо1' речовини при введеннi до ïï складу наповнювача з рiзною питомою поверхнею. Разом з тим, при введенш портландцементу до складу полiмерноï зв'язуючо1' речовини спостер^аеть-ся збiльшення мiцностi наповнено1' полiмерноï матрицi в межах 16...18 %, що шдтверджуе до-цiльнiсть використання цементу при приготу-ваннi пластбетонно1' сумiшi. Крiм того, при проведенш мiкроскопiчних дослiджень встановлено утворення упорядковано1' просторово1' структури полiмерцементного каменя, що характеризуемся зменшенням пористости У проце-сi триваючо1' пдратаци зерен цементу збшьшу-еться об'ем новоутворень, у зв'язку з чим по-ступово зменшуеться об'ем катлярно-пористо-го простору. Цей показник визначаеться порис-тiстю полiмерноï матрицi. Результати визна-чення пористостi зразкiв модифшовано1' фура-ново!' зв'язуючо1' речовини з рiзними наповню-вачами методом ртутноï порометрiï представ-ленi у табл. 1. Значення iнтегральноï пористостi свщчать про зменшення об'ему пор при введенш в модифшовану полiмерну зв'язуючу ре-човину ФАКФ цементу i мшронаповнювача, причому ефект наповнення вище при введенш в якосп наповнювача шламу ГЗК.
Таблиця 1
Висновки
Структура пор наповненоТ полiмерноT матриц бетону
Вид пол1ме- рно! матрищ бетону Пи- тома по-рис-тгсть, см3/м3 Розподш пор по рад1усах, % Об'ем вщ-кри-тих пор, %
>10-6 м 10"7 м 10"8 м <10-8 м
ФАКФ 0,032 5,8 8,1 69,4 19,7 7,71
ФАКФ +ПГВФ +Ц 0,026 5,3 10,4 20,4 63,9 5,34
ФАКФ +Ц+ шлам ГЗК 0,025 5,1 9,8 17,7 67,4 5,23
Розподiл пор за розмiрами показуе, що на-повнення фураново! зв'язуючо! речовини приводить не тшьки до зменшення загального об'ему пор, але також до змши об'eмiв пор ви-значених розмiрiв. У зразках на чистш фурано-вiй зв'язуючiй речовиш ФАКФ е значний об'ем макропор радiусами 10_6...10~5 м i перехщних пор радiусами 10_8...10~7 м, що теоретично про-никнi для води, тобто служать шляхами фшьт-раци. При наповненнi полiмерно! зв'язуючо! речовини ФАКФ цементом i ПГВФ максимум пористосп приходиться на пори радiусу 7-10-8 м, а при наповненш зв'язуючо! речовини цементом i шламом ГЗК - 2-10-8 м. У вщ 28 дiб макропори заростають продуктами отверджен-ня смоли i гiдратних новоутворень клiнкерних мiнералiв.
1. Доведено доцiльнiсть застосування в яко-стi зв'язуючо! речовини сополiмерiв - фурфу-ролацетонового мономера ФА, фурилового спирту i кисло! смолки, що забезпечуе керуван-ня властивостями полiмерних композицiй з пiдвищеними експлуатацшними характеристиками, призначених для ремонтних робгг.
2. Встановлено механiзм структуроутворен-ня наповнено! полiмерно! матрицi пластбетону, який полягае у формуваннi мiжфазного шару, що характеризуеться пiдвищеною мщшстю по-рiвняно з ненаповненою полiмерною матрицею, а також у зв'язуванш конденсацiйно! вологи введеним поглиначем. При цьому оптимальним поглиначем конденсацiйно! вологи в процес полiмеризацi! композицi! на основi мономера ФА е портландцемент, кшьюсть якого визнача-еться вмютом полiмерно! зв'язуючо! речовини з урахуванням видшення 0,5 моль води на 1 моль фурфурилщенацетону.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Елшин, И. М. Пластбетон [Текст] / И. М. Ел-шин. - К.: Буд1вельник, 1967. - 128 с.
2. Армополимербетон в транспортном строительстве [Текст] / под ред. В. И. Соломатова. - М.: Транспорт, 1979. - 232 с.
3. Аскаров, М. А. Синтез ионогенных полимеров [Текст] / М. А. Аскаров, Т. А. Джалилов. - Ташкент: ФАН, 1978. - 81 с.
4. Дорофеев, В. С. Технологическая поврежден-ность строительных материалов и конструкций [Текст] / В. С. Дорофеев, В. Н. Выровой. -Одесса, 1998. - 168 с.
5. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства [Текст] / Б. В. Гусев и др. - М.: Научный мир, 2006. - 560 с.
Надшшла до редколегп 25.03.2009.
