Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций часть 2. Физико-механические характеристики клеев Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.175

А.М. СУЛЕЙМАНОВ1, д-р техн. наук; Е.С. ЗЫКОВА2, инженер;

И.А. СТАРОВОЙТОВА1, канд. техн. наук (irina-starovoitova@yandex.ru); А.Н. СЕМЕНОВ2, инженер

1 Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

2 ООО «Научно-производственная фирма «Рекон» (420095, Республика Татарстан, Технополис «Химград», ул. Восстания, 100, зд. 7)

Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций Часть 2. Физико-механические характеристики клеев

Приведены результаты исследований физико-механических характеристик модифицированных эпоксидных клеев для устройства систем внешнего армирования строительных конструкций. Установлено, что введение многослойных УНТ в диапазоне от 0,001 до 0,01-0,025 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы приводит к незначительному увеличению прочности и модуля упругости при сжатии отвержденного компаунда. При этом наномодификация приводит к существенному повышению адгезионных характеристик составов: прочность при сдвиге (к стали) и прочность при равномерном отрыве (к стали и бетону) возрастают на 40% и более в диапазоне оптимальных концентраций наночастиц. Наномодификация позволяет также увеличить модуль упругости углепластика, изготовленного на основе углеткани и клеевого связующего при сохранении высокой прочности при растяжении.

Ключевые слова: системы внешнего армирования, усиление строительных конструкций, клеевые связующие, эпоксидные составы, модификация, адгезия, прочность, модуль упругости.

Для цитирования: Сулейманов А.М., Зыкова Е.С., Старовойтова И.А., Семенов А.Н. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Часть 2. Физико-механические характеристики клеев // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 64-67.

A.M. SULEJMANOV1, Doctor of Sciences (Engineering); E.S. ZYKOVA2, Engineer;

I.A. STAROVOJTOVA1, Candidate of Sciences (Engineering) (irina-starovoitova@yandex.ru); A.N. SEMJONOV2, Engineer

1 Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Republic of Tatarstan, Russian Federation)

2 The Research and Development Company «Rekon», ООО (Build. 7, 100, Vosstaniya Street, Technopolis «Himgrad», 420095, Republic of Tatarstan, Russian Federation)

Modified Glue Binders for Systems of External Reinforcement of Building Structures Part 2. Physical and Mechanical Characteristics of Glue

Results of the study of physical-mechanical characteristics of modified epoxy glues for the systems of external reinforcement of building structures are presented. It is established that the introduction of multi-layered carbon nanotubes within the range of 0.001-0.025 pts.wt. per 100 pts.wt. of the epoxy resin leads to a slight increase in strength and modulus of elasticity when compressing the cured compound. At this, the nano-modification leads to a significant increase in adhesion characteristics of compositions: shear strength (to steel) and tensile uniform strength (to steel and concrete) increase by 40% and more within the range of optimal concentrations of nano-particles. The nano-modifi-cation makes it possible to increase the modulus of elasticity of carbon fiber reinforced plastics produced on the basis of carbon fabric and glued binder when preserving the high tensile strength.

Keywords: systems of external reinforcement, strengthening of building structures, glued binders, epoxy compositions, modification, adhesion, strength, modulus of elasticity.

For citation: Sulejmanov A.M., Zykova E.S., Starovojtova I.A., Semjonov A.N. Modified glue binders for systems of external reinforcement of building structures Part 2. Physical and mechanical characteristics of glue. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 12, pp. 64-67. (In Russian).

Клеи для устройства систем внешнего армирования (СВА) строительных конструкций помимо технологичности должны обладать высокими физико-механическими показателями: температурой стеклования не менее 40оС, коэффициентом линейного термического расширения не менее 10х10-6 оС и малой усадкой.

Одной из ключевых физико-механических характеристик клеев является хорошая адгезия к основным материалам усиливаемых конструкций — стали и бетону. Для увеличения адгезионных свойств полимерных связующих и клеев в настоящее время достаточно часто применяют различные наномодификаторы [1—4]. С учетом накопленного положительного опыта применения УНТ в составах связующих и композиционных материалах для повышения целого ряда свойств [5—9] в данной работе в составе клеевых связующих были использованы многослойные УНТ в количестве от 0,001 до 0,05 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы.

Для клеев РекАрм-М и РекАрм-Б, описанных в статье [10], а также наномодифицированных составов изучены следующие физико-механические показатели:

• прочность и модуль упругости при сжатии;

• прочность при сдвиге (к стали);

• прочность при отрыве к стали (адгезионная прочность при отрыве);

• адгезионная прочность при отрыве к бетону.

Из всех перечисленных показателей нормативной документацией численно регламентируются только два: прочность при сдвиге должна составлять не менее 10 МПа; модуль упругости при сжатии не менее 2000 МПа. Определение других параметров для клеев необходимо для проведения расчетов различных вариантов усиления конструкций СВА.

Прочность и модуль упругости при сжатии определялись на образцах-цилиндрах диаметром 15 мм и высотой ~25 мм по ГОСТ 4651—2014 «Пластмассы. Метод испытания на сжатие».

Таблица 1

Прочность и модуль упругости при сжатии модифицированных клеев

Показатель Содержание МУНТ, мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы

0 0,001 0,0025 0,005 0,01 0,025 0,05

РекАрм-Б (соотношение алифатического и ароматических аминов в отвердителе 1:1)

Прочность при сжатии, МПа 88,4 89,5 92,3 94 90,9 89,5 83,3

Модуль упругости при сжатии, ГПа 4,52 4,6 4,66 4,64 4,59 4,51 4,49

РекАрм-М (соотношение алифатического и ароматических аминов в отвердителе 1:2)

Прочность при сжатии, МПа 77 83,2 82,5 80,5 79,4 76 74

Модуль упругости при сжатии, ГПа 4,37 4,43 4,48 4,42 4,39 4,37 4,35

Таблица 2

Адгезионная прочность клеевых связующих при отрыве к бетону

Показатель Содержание МУНТ, мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы

0 0,001 0,0025 0,005 0,01 0,025 0,05

Адгезионная прочность при отрыве от поверхности бетона, МПа РекАрм-Б (соотношение алифатического и ароматического аминов в отвердителе 1:1)

3,2 4 4,6 4,2 3,5 3,4 3,2

РекАрм-М (соотношение алифатического и ароматического аминов в отвердителе 1:2)

2,7 3,3 3,8 4 3,6 3,5 3

30

26

22

о. 18

14

ч <

10

40

35 £

30 с

25

20 5

3

15

0

0,05

0,0025 0,005 0,0075 0,01 0,025 Содержание МУНТ, мас. ч. на 1000 мас. ч ЭС Адгезионные прочности при сдвиге и при отрыве к стали

Адгезионная прочность при сдвиге определялась по ГОСТ 14759—69 «Клеи. Метод определения прочности при сдвиге». Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца, склеенного внахлестку, усилиями, стремящимися сдвинуть одну половину образца относительно другой.

Адгезионная прочность при отрыве определяется по ГОСТ 32299—2013 «Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва». Сущность метода заключается в определении усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата по всей площади контакта. Испытания проводят при температуре 23±2оС.

Силу отрыва прилагают в направлении перпендикулярном к плоскости и увеличивают с равномерной скоростью не более 1 МПа/с.

Из представленных в табл. 1 данных видно, что введение УНТ приводит к незначительному повышению прочности и модуля упругости при сжатии: максимальные показатели соответствуют содержанию УНТ 0,0025—0,01 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы. При этом закономерно более высокими прочностными показателями характеризуются композиции РекАрм-Б, содержащие большее количество алифатического амина в составе отвердителя по сравнению с РекАрм-М.

На рисунке приведены зависимости прочности при сдвиге и адгезионной прочности при отрыве к стали от содержания наночастиц. Данные кривые имеют ярко выраженные максимумы в области содержания УНТ от 0,005 до 0,01 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы. При указанном содержании наноча-стиц адгезионная прочность при сдвиге возрастает с 11,5-12 до 20-23 МПа (на 70% - для состава РекАрм-М, на 100% — для состава РекАрм-Б), адгезионная прочность при отрыве — с 19—23 до 35—38 МПа (на 65% - для состава РекАрм-Б и на 84% - для состава РекАрм-М).

Максимальные значения адгезионной прочности при отрыве приклеенных стальных пластин от поверхности бетона (класс не ниже В25—В30) соответствуют содержанию УНТ 0,0025—0,005 мас. ч. на 100 мас. ч. ЭС (табл. 2). Во всех случаях разрушение при испытаниях происходило по бетону. Повышение адгезионных характеристик в указанном диапазоне обусловлено в том числе минимальным значением вязкости связующих при данном содержании наночастиц [10].

Для выявления влияния введенных наночастиц на физико-механические показатели пропитанного связу-

научно-технический и производственный журнал

ющим армирующего наполнителя, применяемого при устройстве СВА, были изготовлены образцы углепластика методом контактного формования. В качестве армирующего наполнителя использована углеродная лента FibArm Таре 530 с поверхностной плотностью (530±10) г/м2 производства ХК «Композит» (г. Москва). Образцы готовили следующим образом: на поверхность стеклянного стола наносили слой антиадгезива, далее наносилась клеевая композиция, равномерно распределялась шпателем на площадь большую, чем размер пропитываемой углеродной ткани. Ткань укладывали на слой клеевого связующего, сверху помещали парафиновую бумагу и прокатывали валиком по поверхности для равномерной пропитки ткани. Затем убирали бумагу и наносили слой клеевого связующего непосредственно на саму ткань; далее распределяли его при помощи резинового шпателя. После укладывали парафиновую бумагу и снова прокатывали валиком до полной пропитки ткани. После полного отверждения (через 5—7 сут выдержки при температуре не менее 20оС) из углепластика вырезали образцы необходимых размеров для испытания. Полученные образцы углепластика (образцы в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками) были испытаны на прочность и модуль упругости при растяжении.

Прочность при растяжении образцов углепластика на контрольных составах связующих РекАрм-М и РекАрм-Б составила 1100—1300 МПа, а модуль упругости — 45—50 ГПа. Введение многослойных УНТ в состав клеевого связующего в количестве 0,01 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной смолы привело к росту модуля упругости углепластика до 66—70 ГПа (на 43%), в то время как прочность при растяжении осталась на том же уровне, что и для контрольных составов. Полученные

Список литературы

1. Лобковский С.А., Тринеева В.В., Кустов М.А., Ощепкова М.Ю. Нанометрические добавки как средство повышения эксплуатационных характеристик клеевых систем при изготовлении изделий спецтехники // Клеи. Герметики. Технологии. № 8. 2011. С. 11-14.

2. Сопотов Р.И., Скакун Д.А., Коротова А.И., Борно-суз Н.В., Горбунова И.Ю. Изучение влияния способа введения наночастиц оксида алюминия на ударную и адгезионную прочность эпоксиаминного связующего // Успехи в химии и химической технологии. Т. XXVIII. № 3. 2014. С. 74-76.

3. Шинкарева Е. В., Статкевич П.И., Кошевар В.Д., Леонович С.Н. Клеевые нанокомпозиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров // Веснт Гродзенскага дзяржаунага ушверстэта iмя Янт Купалы. Серыя 6. Тэхшка. № 2. 2013. С. 64-75.

4. Хозин В.Г., Старовойтова И.А., Майсурадзе Н.В., Зыкова Е.С., Халикова Р.А., Корженко А.А., Тринеева В.В., Яковлев Г.И. Наномодифицирование полимерных связующих для конструкционных композитов // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 4-11.

5. Большаков В.А., Солодилов В.И., Корохин Р.А., Кондрашов С.В., Меркулова Ю.И., Дьячкова Т.П. Исследование трещиностойкости полимерных композиционных материалов, изготовленных методом инфузии с использованием различных концентратов на основе модифицированных УНТ // Труды ВИАМ. 2017. № 7 (55). С. 79-89.

6. Кондрашов С.В., Шашкеев К.А., Попков О.В., Соловьянчик Л.В. Физико-механические свойства

значения характеристик прочности и жесткости при растяжении существенно превышают требования ГОСТ 33369—2013, по которому предел прочности при растяжении в направлении 0о должен быть не менее 600 МПа, а модуль упругости при растяжении в направлении 0о должен быть не менее 35 ГПа.

Таким образом, в результате проведенных исследований и оценки физико-механических характеристик клеевых связующих, а также изготовленных на их основе углепластиков можно сделать следующие выводы:

1. Введение многослойных УНТ в диапазоне от 0,001 до 0,01—0,025 мас. ч. на 100 мас. ч. ЭС приводит к незначительному увеличению прочности и модуля упругости при сжатии отвержденного компаунда. При этом адгезионные характеристики клеев (прочность при сдвиге к стали, прочность при равномерном отрыве (к стали и бетону)) существенно возрастают: в области оптимальных концентраций (0,0025—0,01 мас. ч.) прирост составляет от 40 до 100%.

2. Наномодификация позволяет увеличить модуль упругости углепластика, изготовленного на основе углеткани и клеевого связующего, на 43% при сохранении высокой прочности при растяжении.

Следует отметить, что клеевые связующие в системах внешнего армирования воспринимают в основном растягивающие усилия, а также работают на отрыв и сдвиг. В связи с этим и установленным положительным влиянием наномодификации на адгезионные характеристики клеев и модуль упругости композита считаем целесообразным введение многослойных УНТ в состав клеев для устройства систем внешнего армирования строительных конструкций на стадии изготовления в производственных условиях компонента А — основы клея.

References

1. Lobkovskiy S.A., Trineeva V.V., Kustov M.A., Oshchepkova M.Yu. Nanometric additives as a means of improving the performance characteristics of adhesive systems in the manufacture of products of special equipment. Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2011. No. 8, pp. 11—14. (In Russian).

2. Sopotov R.I., Skakun D.A., Korotova A.I., Borno-suz N.V., Gorbunova I.Yu. A study of the effect of the method of introducing aluminum oxide nanopar-ticles on the impact and adhesion strength of an ep-oxyamine binder. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2014. Vol. XXVIII. No. 3, pp. 74-76. (In Russian).

3. Shinkareva E.V., Statkevich P.I., Koshevar V.D., Leonovich S.N. Adhesive nanocomposite materials based on epoxy oligomers. Vesnik Grodzenskaga dzyarzhaynaga universiteta imya Yanki Kupaly. Seryya 6. Tekhnika. 2013. No. 2, pp. 64-75. (In Russian).

4. Khozin V.G., Starovoitova I.A., Maisuradze N.V., Zykova E.S., Khalikova R.A., Korzhenko A.A., Trineeva V.V., Yakovlev G.I. Nanomodification of polymer binders for constructional composites. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 2, pp. 4-11. (In Russian).

5. Bolshakov V.A., Solodilov V.I., Korokhin R.A., Kondrashov S.V., Merkulova Yu. I., D'yachkova T.P. Investigation of the crack resistance of polymer composite materials made by infusion using various concentrates based on modified CNT. Trudy VIAM. 2017. No. 7 (55), pp. 79-89. (In Russian).

6. Kondrashov S.V., Shashkeev K.A., Popkov O.V., Solovyanchik L.V. Physicomechanical properties of

нанокомпозитов с УНТ (обзор) // Труды ВИАМ. 2016. № 5 (41). С. 61-83.

7. Солодилов В.И., Корохин Р.А., Горбаткина Ю.А., Куперман А.М. Органопластики на основе сложных гибридных матриц, включающих в качестве модификаторов эпоксидных смол полисульфон и углеродные нанотрубки // Химическая физика. 2012. Т. 31. № 6. С. 63-71.

8. Kingston C., Zepp R., Andrady A., Boverhof D., Fehir R., Hawkins D., Roberts J., Sayre P., Shelton B., Sultan Y., Vejins V., Wohlleben W. Release characteristics of selected carbon nanotube polymer composites // Carbon. 2014. Vol. 68, pp. 33-57.

9. Yesil S., Bayram G. Effect of carbon nanotube surface treatment on the morphology, electrical, and mechanical properties of the microfiber-reinforced polyethylene/ poly(ethylene terephthalate)/carbon nanotube composites // Journal of pplied Polymer Science. 2013. Vol. 127, pp. 982-991.

10. Старовойтова И.А., Семёнов А.Н., Зыкова Е.С., Хозин В.Г., Сулейманов А.М. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Часть 1. Требования к клеям. Технологические характеристики // Строительные материалы. № 11. С. 50-54.

nanocomposites with CNT (review). Trudy VIAM. 2016. No. 5 (41), pp. 61-83. (In Russian).

7. Solodilov V.I., Korokhin R.A., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Organoplastics based on complex hybrid matrices that include polysulfone and carbon nanotubes as modifiers of epoxy resins. Khimicheskaya fizika. 2012. Vol. 31. No. 6, pp. 63-71. (In Russian).

8. Kingston C., Zepp R., Andrady A., Boverhof D., Fehir R., Hawkins D., Roberts J., Sayre P., Shelton B., Sultan Y., Vejins V., Wohlleben W. Release characteristics of selected carbon nanotube polymer composites. Carbon. 2014. Vol. 68, pp. 33-57.

9. Yesil S., Bayram G. Effect of carbon nanotube surface treatment on the morphology, electrical, and mechanical properties of the microfiber-reinforced polyethylene/ poly(ethylene terephthalate)/carbon nanotube composites. Journal of Applied Polymer Science. 2013. Vol. 127, pp. 982-991.

10. Starovoitova I.A., Semenov A.N., Zykova E.S., Khozin V.G., Suleimanov A.M. Modified adhesive binders for external reinforcement of building structures. Part 1. Requirements for adhesives. Technological characteristics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 50-54. (In Russian).

II Международный симпозиум по долговечности и устойчивому

J развитию конструкционного бетона DSCS 2018

д Москва, 6-8 июня 2018 г.

Организаторы:

Итальянское отделение американского института бетона (ACI IC) и Российская инженерная академия (РИА) При участии Российской академии наук (РАН) и Российской академии архитектуры и строительных наук

(РААСН)

Спонсоры конференции:

Американский институт бетона (ACI) и его комитеты: C130 (Sustainability of Concrete), C201 (Durability of Concrete), C544 (Fiber Reinforced Concrete), C549 (Thin Reinforced Cementitious Products and Ferrocement); Международная федерация по конструкционному бетону (fib); Международный союз экспертов и лабораторий в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций (RILEM)

Тематика симпозиума

Сокращение парниковых газов в цементной и бетонной промышленности

Рециклирование и организация удаления отходов в производстве бетонов и растворов Сульфоалюминатные цементы как альтернатива портландцементу и смешанным цементам Щелочеактивированные материалы и геополимеры для устойчивого строительства

Долговечность железобетонных конструкций Оценка жизненного цикла в строительстве из бетона Повторное использование и восстановление функциональности железобетонных конструкций Ремонт и эксплуатация Контроль, инспектирование и мониторинг Примеры из практики

Место проведения конференции: Измайлово Конгресс Центр, Москва, Россия

http://www.aciitaly.com/events/dscs2018 Секретариат симпозиума: ACI Italy Chapter Secretary (aciitalychapter@gmail.com) Российский секретариат: Леонид Иванов, региональная группа РИЛЕМ (l.a.ivanov@mail.ru).

J i . ®

декабрь 2017

67