CC BY
80
С. Г. Ильясов, А. Т. Степанова, С. Н. Новоселова,
Т. К. Углова, О. С. Татаринцева, А. А. Лобанова
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ТРЕЩИН В СКАЛЬНОМ ГРУНТЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Представлена разработка компаунда КДА-1-02, предназначеннго для ремонта скального основания и железобетонного фундамента плотины.
Разработка композиционных материалов для ремонта инженерных сооружений и скальных массивов, локально разрушающихся в процессе эксплуатации за счет деформаций, вымывания под действием фильтрации грунтовых вод, влияния техногенных нагрузок и природной нарушенности горных пород, является актуальной задачей, требующей оперативного решения.
Действию фильтрации наиболее подвержены гидротехнические сооружения. Несвоевременное принятие мер приводит к снижению их эксплуатационных характеристик, ускоряет процесс разрушения и, в конечном итоге, может привести к авариям, последствия от которых сопоставимы по нанесенным экологическому и экономическому ущербам и человеческим жертвам с крупными природными катастрофами. С целью снижения фильтрации воды для герметизации трещин, как правило, используют цементные или другие традиционные растворы, которые закачивают под давлением 3.. .4 МПа в предварительно пробуренные скважины [1]. Однако эти заполнители не считаются эффективными, так как высокое давление и большая скорость воды в трещинах приводят к вымыванию не успевшего отвердиться материала. Наиболее перспективными для этих целей являются наполненные композиты на основе эпоксидных смол с оптимальным временем жизнеспособности, обладающие после отверждения более высокими по сравнению с бетоном прочностными свойствами и пониженным влагопоглощением [2, 3].
На сегодняшний день число производителей материалов данного назначения невелико. Из зарубежных наиболее известна французская фирма «БоШа^», проводившая восстановительные работы на плотинах ряда стран мира, в том числе и в России. Компания является монополистом на проведение работ с использованием полимерного компаунда «Яоёиг». Применение его для инъецирования трещин в нескольких секциях тела плотины Саяно-Шушенской ГЭС позволило снизить фильтрацию воды на этих участках, но подавить ее полностью не удалось из-за неспособности композиции проникать в щели менее 1 мм и дополнительного раскрытия трещин в процессе нагнетания вязкого раствора под высоким давлением [4].
На базе ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (г. Бийск, Алтайский край) по заказу ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС» разработан компаунд КДА-1-02, предназначенный для ремонта скального основания и железобетонного фундамента плотины. Компоновка рецептуры и специальные технологические приемы подготовки сырья и полуфабрикатов обеспечили ему высокие эксплуатационные свойства (табл. 1).
Несомненными достоинствами компаунда являются его способность заполнять трещины размером до 0,1 мм, отверждаться под водой при низких температурах (до + 4 °С), хорошая адгезия к горным породам.
Таблица 1 - Основные характеристики компаунда КДА-1-02
Показатель Значение показателя
Жизнеспособность при температуре 20±2 °С, мин 50 .60
Динамическая вязкость при температуре 20±2 °С, Па-с 30
Плотность, г/см3 1,56 .1,70
Разрушающее напряжение, МПа, при:
сдвиге 10,0 .11,7
сжатии 69,0 .90,0
Адгезионная прочность к влажной поверхности, МПа,
базальта 9,70. ..11,45
металла 6,1. ..10,2
Созданный материал подготовлен к промышленному выпуску. На сам компаунд КДА-1-02 и его основной компонент - смолу ОПК-1 - разработаны и выпущены технические условия (ТУ 07508902-181-2002 и ТУ 07508902-182-2002 соответственно). Технология получения смолы, опытная партия которой успешно прошла испытания на СаяноШушенской ГЭС, внедрена на опытно-промышленной установке предприятия ФГУП «ФНПЦ «Алтай».
Разработанный под конкретную проблему компаунд КДА-1-02 может изготавливаться в условиях ГЭС смешением смолы ОПК-1 и аминного отвердителя АФ-2. Смола ОПК-1 - многокомпонентная система, состоящая из эпоксидной смолы ЭД-20 с добавками специального назначения. Отвердитель АФ-2 представляет собой продукт конденсации фенола, формальдегида и этилендиамина. Компонент имеет промышленную базу. Его высокая активность при отверждении эпоксидных композиций в условиях повышенной влажности отмечена в литературе [5]. Однако проведенные в лабораторных условиях исследования показали, что АФ-2 имеет крутую температурную зависимость по вязкости (п), что приводит к потере им текучести при понижении температуры, и склонен к старению (рис. 1).
1 исс, —5 мес. —12 мес
Рис. 1 - Зависимость вязкости отвердителя АФ-2 от температуры и времени хранения
Эта особенность затрудняет процесс смешения отвердителя со смолой и снижает равномерность его распределения в композиции при температуре использования ниже плюс 20 °С без предварительного его разогрева.
Для устранения этого недостатка и снижения исходной вязкости всей композиции в Институте проблем химико-энергетических технологий СО РАН (г. Бийск, Алтайский край) специально синтезировали низковязкие отвердители из ряда ближайших аналогов АФ-2 (С-1, С-2, С-3, С-БА-1, С-БА-2) и на опытных образцах исследовали изменения характеристик компаунда при частичной и полной его замене (табл. 2).
Таблица 2 - Технологические характеристики компаундов с разными отвердителями
Значение показателя
Показатель
АФ- 2/С-1 АФ- 2/С-1 АФ- 2/С-1 АФ- 2 С-1 С-2 С-3 С-БА- 1 С-БА- 2
(25/75) (50/50) (75/25)
Динамическая вязкость при температуре 20 °С, Па-с: отвердителя компаунда 1,28 24,6 1,79 35,6 13,10 44,2 92,85 78,0 0,03 18,0 0,43 22,0 0,37 21,0 1,50 33,2 0,41 21,7
Время начала потери текучести при температуре 25 °С, мин 65 65 40 40 70 125 55 73 53
Время потери текучести при температуре 25 °С, мин 95 80 65 40 80 140 85 150 68
Жизнеспособность при температуре 25 °С, мин 155 120 110 95 125 175 115 1440 180
Поскольку отвердители С-3 и С-БА-2 оказались недостаточно стабильными, что проявилось в образовании устойчивого кристаллического осадка после суток хранения, а введение С-БА-1 вызывает значительное замедление процесса отверждения из-за слишком высокой жизнеспособности композиции, дальнейшие эксперименты проводили с использованием отвердителей С-1 и С-2, обеспечивающих необходимые реологические свойства компаунда. В процессе использования было установлено, что п этих отвердителей, равно
как и их смесей с АФ-2, составляет от 3,4 до 9,8 Па с и претерпевает незначительные изменения в течение длительного хранения.
Положительное влияние оказывают синтезированные отвердители и на физикомеханические свойства компаунда (табл. 3).
Таблица 3 - Влияние отвердителей на физико-механические характеристики компаунда
Показатель Значение показателя
АФ-2/С-1 25/75 АФ-2/С-1 50/50 АФ-2/С-1 75/25 АФ-2 С-2
Плотность, г/см3 1,59± 1,57± 1,59± 1,55± 1,59±
0,005 0,008 0,006 0,005 0,008
Разрушающее напряжение, МПа, при: сжатии 97,3 94,8 89,4 85,6 102,1
сдвиге 11,1 10,5 10,2 10,0 13,8
Модуль упругости при
сжатии, МПа 1332,6 1055,8 931,6 849,5 1901,3
Относительная дефор-
мация при сжатии, % 7,3 8,9 9,6 10,1 5,4
Адгезионная прочность к металлической поверхности, МПа: влажной 17,4 12,7 9,3 7,9 17,6
сухой 15,5 11,5 8,7 7,2 15,7
Так, предел прочности при сжатии образцов компаунда с низковязким отвердите-лем С-2 на 16 %, а модуль упругости на 55 % выше, чем при использовании АФ-2. Введение С-1 в качестве активного разбавителя АФ-2 также приводит к повышению механических характеристик. Высокая сходимость результатов по плотности говорит об удовлетворительном качестве распределения отвердителя по объему композиции, что очень важно для ремонтных материалов, смешение которых осуществляется непосредственно перед применением вручную или с использованием малой механизации.
Компаунд, используемый для ремонтно-восстановительных работ конструкций, эксплуатирующихся в условиях 100 % влажности, должен сохранять свою прочность и при насыщении водой. Поэтому одним из важных физических свойств таких композиций является водостойкость.
Исследование кинетики водопоглощения по массе (Wm) образцов компаунда, изготовленных с использованием отвердителей разных марок, проводили при полном погружении отвержденных образцов в воду и комнатной температуре + 20 °С.Максимальное время испытания составило 46 сут. Полученные результатыпредставлены на рис. 2.
* -АФ-2/С-] “25/75 ■ - АФ-2£М=50/50 * - АФ-2С-1=75Д5 ^ -С-1 * - АФ-2
Рис. 2 - Кинетика водопоглощения
Минимальным водопоглощением характеризуются образцы с отвердителем АФ-2. Водопоглощение компаундов, отвержденных АФ-2/С-1, возрастает с уменьшением содержания АФ-2 в смеси. При этом следует отметить, что на всех образцах наибольшее поглощение воды происходит в начальный период процесса - 10 ... 15 сут.
Так как вода постепенно вытесняет воздух из пор и мельчайших трещин материала, скорость водопоглощения и количество поглощенной воды зависят от длительности процесса. Скорость водопоглощения оценивалась по величине относительного водопоглоще-ния Wj/Wmax, где ^ - водопоглощение в 1-й период времени; Wmax - максимальное водо-поглощение.
1 80
40
ж ^ ■
о к? о 0 7,
+ -АФ-2/С-М5/75 х . С-2 * - АФ-2
- ЛФ-2С-1=50/50 * - АФ-Ж» =75/25
Рис. 3 - Зависимость скорости водопоглощения от времени
Из приведенных на рис. 3 зависимостей видно, что марка отвердителя влияет не только на максимальное водопоглощение, но и на скорость процесса. При использовании отвердителя С-2 поглощение влаги отвержденными образцами протекает менее интенсивно, чем с АФ-2. По окончании экспериментов образцы были высушены при температуре плюс 100 °С до постоянной массы и испытаны (табл. 4).
Результаты, приведенные в табл. 4, показывают, что значения характеристик, реализуемых на образцах до и после проведения исследований на водопоглощение, отличаются максимально на десятые доли процента. Сохранение массы, неизменность линейных размеров и объема, стабильность прочностных характеристик говорят об отсутствии взаимодействия отвержденного компаунда с водой. Проведенные исследования показали, что:
- использование синтезированных отвердителей, не подвергающихся процессам старения в течение 12 мес., является одним из путей корректировки свойств компаундов, предназначенных для использования в различных областях промышленности;
- разработанные компаунды обладают необходимыми реологическими свойствами, высокими прочностными характеристиками и водостойкостью: водопоглощение при длительном контакте с водой ~ 1 %, что значительно ниже, чем у бетона (3 % за 1 сут.), широко применяемого в строительстве и проведении ремонтных работ;
- отработанные технологии получения компаунда и его составляющих (смолы ОПК-1 и отвердителя) рекомендованы для промышленного использования.
Таблица 4 - Характеристики исследуемых образцов до и после испытаний на водостойкость
Показатель Значения показателя
АФ-2/С-1 (25/75) АФ-1/С-1 (50/50) АФ-2/С-1 (75/25) АФ-2 С-2
Масса образца, г:
исходная 16,03975 18,2607 19,2297 16,2625 20,75265
после испытаний 16,03915 18,25825 19,23405 16,25095 20,7563
Отклонение, % -0,004 -0,013 +0,022 -0,071 +0,018
Объем образца, см :
исходный 10,13 11,60 12,12 10,39 13,20
после испытаний 10,13 11,60 12,12 10,39 13,20
Отклонение, % 0 0 0 0 0
Плотность образца, г/см3: исходная 1,58 1,57 1,59 1,56 1,57
после испытаний 1,58 1,57 1,59 1,56 1,57
Отклонение, % 0 0 0 0 0
Прочность образцов при сжатии, МПа: исходная 87,3 84,8 83,4 80,7 99,1
после испытаний 86,9 84,5 83,2 80,6 98,6
Отклонение, % -0,46 -0,35 -0,24 -0,12 -0,50
Литература
1. Брызгалов В.И. Двадцатилетний опыт эксплуатации Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса: науч.-техн. журн. «Гидротехническое строительство» / учредители: Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», НТФ «Энергопрогресс», Федерация энергетических и электротехнических обществ, Ассоциация гидроэкологов. М.: НТФ «Энергопрогресс». 1998. № 9. Ежемес. 1ББМ 0016-9714.
2. Берхтен А.Р. Ремонт арочной плотины Зьюир в Швейцарии // Мат. межд. конгресса по большим плотинам, Лозанна. 1985.
3. Музас Ф., Кампос Ж., Игес А. Восстановление трещиноватого бетона плотин инъекцией синтетических смол // Мат. межд. конгресса по большим плотинам, Лозанна. 1985.
4. Брызгалов В.И. Контроль изменения напряженно-деформированного состояния плотины СаяноШушенской ГЭС в зоне инъецирования фильтрующих трещин: науч.-техн. журн. «Гидротехническое строительство»/ учредители: Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», НТФ «Энергопрогресс», Федерация энергетических и электротехнических обществ, Ассоциация гидроэкологов. М.: НТФ «Энергопрогресс». 1998. № 9. Ежемес. 1ББМ 0016-9714.
5. Пат. 20001101 С1 (ЯИ). Эпоксидная шпатлевка / Васильева Э.И., Веденеева Г.А., Гопиенко В.Г., Китица В.Н. Опубл. 2002. Бюл. № 36.
© С. Г. Ильясов - д-р хим. наук, доц., А. Т. Степанова, С. Н. Новоселова, Т. К. Углова - инут
проблем химико-энергетических технологий СО РАН, г. Бийск; О. С. Татаринцева - канд. техн. наук того же ин-та; А. А. Лобанова - д-р хим. наук, ФГУП «Федеральный научнопроизводственный центр «Алтай», г. Бийск
