CC BY
53
Список литературы
1. Атакузиев, Т.А. Физико-химическое исследование сульфатсодержащих цементов и разработка низкотемпературной технологии их получения/ Т.А.Атакузиев.- Ташкент, ФАН, 1975.- 210 с.
2. Кузнецова, Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы/Т.В.Кузнецова.-М: Стройиздат,1986
3. Добавки в бетон. Справочное пособие. Под редакцией В.С. Рамачадряна - М: Строй-издат,1988.- 565 с.
УДК 666.9.017 А.Е. Зайцев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСНОСТИ ПОЛИМЕРА НА СВОЙСТВА МАТРИЦ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ
Dispersion polymer questions in an inorganic matrix are considered. It is established, that the greatest influence on dispersion polymer renders pH and input silicone surface - active substance. Silicone increase adsorption of polymer on a surface of particles astringent and improves structural and strength properties of gypsum.
Рассматриваются вопросы диспергации полимера в неорганической матрице. Установлено, что наибольшее влияние на диспергацию полимера оказывает рН среды и ввод кремнийорганического ПАВ. Кремнийорганика повышает адсорбцию полимера на поверхности частиц вяжущего; улучшает структурные и прочностные свойства гипса.
Твердеющий цементный камень с добавкой полимера представляет собой типичный композиционный материал, где роль матрицы играет минеральное вяжущее, в котором в той или иной форме распределен полимер. Свойства такого материала во многом определяются не только параметрами исходных материалов, но и характером взаимодействия между армирующим компонентом и матрицей, а также равномерностью распределения полимера в системе.
Для получения высококачественного композиционного материала необходимо обеспечить формирование тонкой протяженной армирующей пленки, заполняющей поры и уплотняющей структуру цементного камня. В этой связи большую роль приобретает дисперсность исходных частиц полимеров, определяющая конечные размеры и геометрию армирующего компонента.
Согласно представлениям, развиваемым в теории протекания, между размером кластеров и их геометрией существует связь [1]:
(Rg)2 ~ L2-(E-D)
где Rg - средний радиус гирации конечных кластеров на пороге протекания; L - размер решетки; E - евклидова размерность решетки; D - фрактальная размерность кластера.
В свою очередь размерность кластеров зависит от размера исходных частиц его составляющих. Большим количеством численных экспериментов установлено, что размерность кластера, составленного из малых частиц (Dm), меньше таковой для случая больших частиц (D6): Dm < D6. Следовательно, в силу вышеуказанного выражения, можно предположить, что при прочих равных протяженность кластеров построенных из малых частиц будет выше, а порог протекания ниже, чем для крупных частиц.
С целью проверить данное положение была реализована компьютерная программа и выполнен ряд численных экспериментов. В основе программы лежит алго-
ритм сходный с алгоритмом Хошена - Копельмана для поиска порога протекания и подсчета размера кластеров [2]. Моделирование распределения фазы полимера в цементном камне (фаза цемента и фаза пор) проводилось на квадратных решетках (матрицах) с числом узлов ~ 10А6. Использование таких больших решеток позволяет снизить влияние граничных эффектов. В качестве основных входных параметров системы выступают: доли фаз цемента и полимера, распределение частиц цемента и полимера по размерам. К выходным параметрам относятся: доля полимера на пороге протекания, распределение полимерных кластеров по массе и размеру, фрактальные размерности кластеров полимеров.
Результаты моделирования показывают, что уменьшение исходного размера частиц полимера приводит к снижению порога его протекания на 4-8%, уменьшению размерности полимерных кластеров (за исключением относительно малых кластеров) в среднем до 1,4. Также это приводит к смещению максимума дискретной функции распределения кластеров по размерам в область больших значений размеров, масса кластеров при этом изменяется незначительно.
Полученные результаты вкупе с общими требованиями, предъявляемыми к композиционным материалам, диктуют необходимость повысить дисперсность полимера для улучшения свойств конечного материала.
С целью изучения факторов, влияющих на диспергируемость полимера, проводился ряд экспериментов с применением метода лазерной гранулометрии. В качестве полимера использовался редиспергируемый полимерный порошок (далее РПП) фирмы Wacker типа LL 5011L на основе сополимера винилацетата и этилена. Кинетика дис-пергации полимера изучалась в различных средах: воде, насыщенном растворе гидро-ксида кальция, сульфата кальция, цементной вытяжке, в присутствии добавок: хлористый натрий, кремнийорганическое ПАВ - полиметилсиликонат калия (далее КО). Основные результаты представлены ниже.
Рис. 1. Зависимость диаметра частиц полимера от типа дисперсионной среды
Установлено, что диспергируемость полимера, оцениваемая в первом приближении величиной среднеобъемного диаметра, зависит от состава раствора, его ионной силы, рН среды. Диспергируемость РПП в растворе гипса и в присутствии добавок электролитов несколько хуже, чем в воде и значительно хуже, чем в растворе гидроксида кальция и цементной вытяжке. Такое резкое повышение дисперсности полимера в среде содержащей гидроксид кальция связано, очевидно, с его гидролизом в щелочной среде, в результате чего повышается растворимость полимера. Следует отметить хорошую диспергируемость полимера при вводе с систему добавки кремнийорганического ПАВ.
Использование КО обусловлено не только ее использованием как интенсифика-тора диспергации, но и тем, что она может применяться как добавка гидрофобизатор
улучшающая влаго и морозостойкость конечного материала. Кроме того, КО выступает в роли модифицирующей добавки (аппрета) повышающей прочность связи полимера с неорганической матрицей [3], что важно для адгезионного соединения с точки зрения способности передачи механической нагрузки от полимера к матрице.
О прочности граничных слоев можно косвенно судить по адсорбции полимера на неорганических частицах. Установлено, что адсорбция полимера на основе сополимера винилацетата и этилена, модифицированного КО, из дисперсии в области концентраций 0.1 масс% на цементных частицах возрастает в среднем на 10 % в сравнении с чистым полимером.
Таким образом, можно ожидать, что использование добавок повышающих дис-пергацию полимера приведет к улучшению свойств композиционного материала. Проверка этих результатов проводилась путем исследования влияния добавки РПП, гидро-ксида кальция, как регулятора рН, и КО на свойства строительного гипса. Результаты представлены ниже.
Таблица 1. Зависимость прочности строительного гипса от состава
Состав, масс% Прочность
№ п/п РПП Са(ОН)2 КО R, изгиб МПа R, сжатие МПа Я,удар Дж/мА2 Яизг/Ясж
1 - - - 2,41 5,12 0,66 0,470
2 - 0,5 - 2,62 5,46 0,69 0,479
3 - - 0,03 2,48 5,53 0,68 0,448
4 3 - - 2,89 6,11 0,74 0,473
5 3 0,5 0,03 3,03 5,88 0,84 0,514
6 3 0,5 - 2,91 5,71 0,77 0,509
7 3 - 0,03 2,98 6,08 0,76 0,491
Установлено, что ввод с состав гипса РПП как самого по себе, так и совместно с гидроксидом кальция и КО, приводит к росту прочности при изгибе по сравнению с чистым гипсом. Максимум прочности обеспечивается при совместном вводе добавок. Прочность при сжатии гипса при вводе добавок возрастает в меньшей степени, чем из-гибовая прочность, но она остается выше прочности чистого гипса.
Для композиционного материала большое значение имеет такой показатель как отношение прочности при изгибе к прочности на сжатие. Чем выше этот показатель, тем выше армирующая способность полимера. Комплексная добавка также обеспечивает максимум этого показателя. Особенно заметна роль добавок в испытаниях прочности при ударе: максимум ее обеспечивается при совместном вводе в гипс РПП, гидро-ксида кальция и КО.
Таким образом, теоретические посылки и результаты компьютерного моделирования говорят, что формирование протяженной армирующей пленки полимера и снижение его расхода обеспечивается уменьшением исходного размера частиц полимера. Диспергируемость полимера зависит от состава среды, ее ионной силы и в большей степени от рН и присутствия кремнийорганического ПАВ. Модифицирование полимера кремнийорганикой приводит к росту его адгезии на неорганической матрице. Совместный ввод в состав гипса РПП, гидроксида кальция как регулятора рН и кремний-органики улучшает его структурные и механические характеристики.
Список литературы
1. Федер Е. Фракталы /Е. Федер. - М.: Мир, 1991. - 254 с.
2. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы /Ю.Ю. Тарасевич. -М.: Едиториал УРСС, 2002. - 112с.
3. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров /А.А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1974. - 392 с.
