Исследование стойкости наполненных эпоксидных матричных композитов в воде и водных растворах серной кислоты и едкого натра, предназначенных для каркасных бетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



Леснов

Виталий

Викторович

кандидат технических наук, доцент кафедры строительных материалов и технологий архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail:

[email protected]

ШтМ

Ерофеев

Владимир

Трофимович

доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РААСН, зав. кафедрой строительных материалов и технологий, декан архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail:

[email protected]

Салимов

Руслан

Наилевич

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры строительных материалов и технологий архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

e-mail:

[email protected]

УДК 691

ЛЕСНОВ В. В. ЕРОФЕЕВ В. Т САЛИМОВ Р. Н.

Исследование стойкости наполненных эпоксидных матричных композитов в воде и водных растворах серной кислоты и едкого натра, предназначенных для каркасных бетонов

Приведены исследования химической стойкости эпоксидных матричных композиций, модифицированных наполнителями (шлак и мел) и разжижающей добавкой (бензин Аи-92), экспонированных в воде и водных растворах серной кислоты и едкого натра. Получены оптимальные матричные составы, имеющие улучшенные характеристики химической стойкости, предназначенные для использования в каркасных бетонах повышенной долговечности.

Ключевые слова: эпоксидные матричные композиты, каркасный бетон, наполнитель, агрессивная среда, коэффициент химической стойкости.

LESNOV V. V., EROFEEV V. T, SALIMOV R. N.

THE RESEARCH OF RESISTANCE OF FILLED EPOXY MATRIX COMPOSITES IN WATER AND WATER SOLUTIONS OF SULFURIC ACID AND SODIUM HYDROXIDE, DESIGNED FOR CARCASS CONCRETE

This article studies the chemical resistance of epoxy matrix compositions modified with fillers (slag and chalk) and thinning additive (gasoline Ai-92), exposed in water and water solutions of sulfuric acid and sodium hydroxide. The obtained optimal matrix composition having improved chemical resistance, designed for use in carcass concrete increased durability.

Keywords: epoxy matrix composites, carcass concrete, filler, aggressive environment, the factor of chemical resistance.

Важнейшими задачами в области строительного материаловедения являются снижение материалоемкости, стоимости и трудоемкости изготовления строительных материалов и изделий, а также создание новых и совершенствование известных технологий изготовления.

Этим задачам в наиболее полной мере отвечают строительные композиты, получаемые по каркасной технологии. Данная технология

заключается в предварительном изготовлении пористого каркаса и последующей пропитки его пустот матричным составом [2]. Каркас получают путем склеивания зерен крупного заполнителя друг с другом. К матричным и клеевым составам предъявляются требования по необходимой подвижности, толщине межфазного клеевого слоя, нерасслаиваемо-сти и отсутствию нежелательных химических реакций в контакте с клеевой прослойкой

82

© Леснов В. В., Ерофеев В. Т., Салимов Р. Н., 2016

АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2016

или крупным заполнителем. Каркасная технология позволяет создавать эффективные композиционные материалы на различных связующих, даже не совместимых по своей природе друг с другом [2].

Во многих технологических процессах производственных предприятий на строительные материалы негативно воздействуют агрессивные среды, приводя к потере их прочностных свойств, снижению сроков эксплуатации, внеочередным ремонтам и аварийным ситуациям. Материалы и изделия на основе полимерных связующих имеют повышенную химическую стойкость в различных химических средах. Но они являются более дорогостоящими по сравнению с бетонами и другими композиционными материалами на основе цементных связующих [1-8]. Поэтому создание эффективных долговечных матричных композиций с пониженной стоимостью, которые способны обеспечить длительную и надежную работу каркасного бетона и конструкций, полученных из него, в агрессивных технологических средах, является актуальной задачей и требует решения.

Введение наполнителя в состав полимерного связующего является одним из эффективных способов модификации и создания композитов с заданными свойствами. При этом способе модифицирования экономится дорогостоящее полимерное связующее при одновременном повышении физико-механических показателей и долговечности композиционных материалов и изделий [1; 2; 4; 5; 7].

При эксплуатации наиболее часто строительные материалы подвергаются воздействию воды и водных растворов кислот и щелочей, которые являются сложными химически активными средами, состоящими из различных типов кинетических единиц: молекул воды и электролита, гидратированных молекул и ионов. Перенос такой многокомпонентной среды через полимер имеет сложный физико-химический характер и определяется соотношениями между этими параметрами, а также зависит от природы, концентрации и температуры среды [1; 2; 4; 5].

Особенности переноса многокомпонентных сред заключаются в том, что диффузионный поток зависит как от взаимодействия компонентов среды с полимерным композитом, так и от их взаимодействия между собой в среде и в композите. Поэтому теория переноса многокомпонетных агрессивных сред в полимерных материалах еще не до конца разработана [1; 2; 4; 5]. Такие агрессивные жидкости, как правило, являются полярными. Их воздействие на композит приводит к снижению свободной поверхностной энергии при разрушении сетчатых полимеров.

Целью исследования статьи является изучение закономерностей процессов, происходящих при воздействии водных растворов электролитов на изменение массосо-держания и коэффициента химстойкости эпоксидных матричных композитов с различной степенью наполнения и содержанием добавки разжижителя.

В качестве связующего использовали эпоксидную диа-новую смолу марки ЭД-20, отвердителя — полиэтиленпо-лиамин (ПЭПА), разжижающей добавки — бензин марки Аи-92, наполнителями служили шлак — отход производства Новолипецкого металлургического комбината и мел Атемарского месторождения (Республика Мордовия). Исследуемые составы приведены в Таблице 1.

Изготовленные образцы-балочки, размером 2 х 2 х 7 см, через 1 сут распалубливали и отверждали в сушильном шкафу при температуре 80 °С в течение 6 ч, после чего их экспонировали в воде, а также 10 %-х растворах серной кислоты и едкого натра. Изменение

Таблица 1. Составы эпоксидных матричных композитов

№ состава Содержание компонентов, мас. ч. на 100 мас. ч. связующего ЭД-20

Добавка разжижитель Добавка наполнитель (фр. < 0,315 мм)

1 5 0

2 7,5 0

3 10 0

4 5 65

5 7,5 65

6 10 65

7 5 130

8 7,5 130

9 10 130

Примечание. Количество ПЭПА было постоянным и равным 10 мас. ч. на 100 мас. ч. связующего.

массы образцов фиксировали через 7, 30, 90 и 180 сут, а коэффициента химстойкости — 90 и 180 сут выдерживания в среде. За контрольные были приняты составы, не подверженные воздействию агрессивной среды.

На Иллюстрациях 1-6 приведены результаты испытаний наполненных эпоксидных композитов.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

♦ увеличение массосодержания эпоксидных композитов происходит интенсивно в начальные сроки выдерживания (уже на 7-е сутки) во всех средах. Причем к сроку выдерживания в воде, равному 180 сут, мас-сосодержание композитов, наполненных как шлаком, так и мелом, стабилизировалось. При выдерживании образцов в 10 %-х растворах едкого натра и серной кислоты наблюдается похожая картина;

♦ при выдерживании образцов до 180 сут в воде прочность эпоксидных композитов не падает, а в некоторых случаях происходит повышение их прочностных показателей от 2 до 8 %% для составов № 1, 5, 6, 9, наполненных шлаком, и примерно от 1 до 7 %о для составов № 1-5, 8, наполненных мелом. Для составов № 6, 7, 9, наполненных мелом, наблюдалось незначительное, примерно на 4 %о, падение прочности;

♦ при экспозиции образцов в 10 %о-м растворе серной кислоты преимущественно наблюдается подобная картина — повышение прочностных показателей композитов, наполненных шлаком, от 2 до 4 %> для составов № 5, 6, 8, 9 и от 1,7 до 11,7 %о для составов № 5-9 при наполнении мелом;

♦ в отличие от рассмотренных выше сред в 10 %о-м растворе едкого натра происходит снижение прочностных показателей всех композитов от 12,9 до 26,6 % (лучшие составы № 5, 6, 8, 9), наполненных шлаком, и от 22 % (для состава № 1) до 28 % (для состава № 3), наполненных мелом;

♦ проведенные исследования показывают, что наиболее агрессивной средой, способствующей потере прочности исследуемых материалов, является водный раствор едкого натра;

♦ из полученных результатов можно предположить, что при данных сроках выдерживания агрессивные среды, наряду с процессами деструкции, выполняют роль сглаживания дефектов в образцах. Это может быть связано с протеканием окислительных процессов, которые вызывают нарушение структуры ма-

«МП » грис. с. г ш

1-3 '* 7 Ъ Л У

ч:1Ч). И1«< I I: {уте»

Иллюстрация 1. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных шлаком, при экспонировании в воде: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

Иллюстрация 2. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных шлаком, при экспонировании в 10 %-м растворе едкого натра: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

Вргчч ••< ПтврфИН н ' I ГИТ-1Г. о I кл

Иллюстрация 3. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных шлаком, при экспонировании в 10 %-м растворе серной кислоты: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

Иллюстрация 4. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных мелом, при экспонировании в воде: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

Врсин алпиннрмияиия » едок, о тки ■-2 -*-3 —-*-5 -*-6 -Ы-7 -в-8 -Й-»

Вр* чч >»:г паииро»« ни > ср м<. сутки ■#-} -ф-7 -4—8

Иллюстрация 5. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных мелом, при экспонировании в 10 %-м растворе едкого натра: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

Врош экспоннрфмши ■ сроле. еу» и

Иллюстрация 6. Изменение массосодержания и коэффициента химической стойкости при сжатии эпоксидных композитов, наполненных мелом, при экспонировании в 10 %-м растворе серной кислоты: а — массосодержание; б — коэффициент химической стойкости при сжатии

кромолекул, в частности их деструкции, присутствие агрессивной жидкости способно ускорять и процесс трещинообразования, так как ее адсорбция обусловливает снижение поверхностной энергии материала.

Заключение

Разработанные наполненные эпоксидные композиции могут быть использованы для изготовления эффективных каркасных бетонов, обладающих повышенными физико-механическими показателями и характеристиками долговечности в различных агрессивных средах.

Список использованной литературы

1 Бобрышев А. Н., Ерофеев В. Т., Козомазов В. Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем. СПб. : Наука, 2012. 476 с.

2 Ерофеев В. Т. Каркасные строительные композиты : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1993. 42 с.

3 Защита зданий и сооружений от микробиологических повреждений биоцидными препаратами на основе гуа-нидина / В. Т. Ерофеев, П. Г. Комохов, В. Ф. Смирнов [и др.] ; под общ. ред. акад. РААСН П. Г. Комохова, чл.-корр. РААСН В. Т. Ерофеева, д-ра мед. наук проф. Г. Е. Афиногенова. СПб. : Наука, 2009. 192 с.

4 Фурфуролацетоновые композиты каркасной структуры : монография/ В. Т. Ерофеев, Д. А. Тверд охлебов, К. В. Тармосин [и др.] ; под общ. ред. чл.-корр. РААСН В. Т. Ерофеева. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. 220 с.

5 Манин В. Н., Громов А. Н. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации. Л. : Химия, 1980. 248 с.

6 Микробиологическое разрушение материалов : учеб. пособие для студентов, обучающихся по направлению 270100 «Строительство» / В. Т. Ерофеев, В. Ф. Смирнов, Е. А. Морозов [и др.] ; под общ. ред. В. Т. Ерофеева и В. Ф. Смирнова. М. : АСВ, 2008. 128 с.

7 Хозин В. Г. Усиление эпоксидных полимеров. Казань : Изд-во НИК «Дом печати», 2004. 446 с.

8 Эпоксидные лакокрасочные материалы с биоцидной добавкой «Тефлекс» / М. М. Касимкина, Д. А. Светлов, С. В. Казначеев [и др.] // Лакокрасочные материалы и их применение. 2008. № 1-2, С. 77-79.