CC BY
73
УДК [725.95:691.328].004.5:678.6
ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С БЕТОНОМ ПОВРЕЖДЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СООРУЖЕНИЯ
А. П. Приходько, д. т. н.,проф., Е. С.Харченко, к. т. н., доц.
Ключевые слова: эпоксидные полимеры, диоксидифенилпропан, полимерные композиции на основе эпоксидной диановой смолы.
Постановка проблемы. Проблема обеспечения долговечности материалов и конструкций в настоящее время рассматривается с технико-экономических позиций. Эффективность материалов и конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, определяется приведенными затратами на изготовление конструкций, возведение зданий, защиту от коррозии, ремонт. Высокая технико-экономическая эффективность конструкций в значительной мере определяется их долговечностью. Сооружения считаются долговечными, если они сохраняют свою эксплуатационную способность в течение расчетного срока службы при минимальных эксплуатационных расходах.
Окружающая среда воздействует на конструкции в виде вещества и энергии. Вещества классифицируют по агрегатному состоянию: твердые, жидкие, газообразные, плазма. Изменение состояния и свойств материалов обусловлено воздействием энергии и заключается в превращениях одного вида энергии в другой. Для коррозийных процессов важнейшими являются виды энергии: механическая - энергия свободно движущихся отдельных микрочастиц и микросистем и энергия упругой деформации системы; тепловая - энергия неупорядоченного, хаотического движения большого числа микрочастиц (атомов, молекул и др.); химическая - энергия электронов в атоме, частично освобождаемая в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии в процессе химических реакций; электрическая (электростатическая и электродинамическая) - энергия взаимодействия и движения электрических зарядов, электрически заряженных частиц; электромагнитная - энергия движения фотонов электромагнитного поля; аннигиляционная -полная энергия системы вещества (энергия покоя и энергия движения), освобождаемая в процессе аннигиляции.
При определении технологии защиты конструкций сооружений от агрессивных воздействий окружающей среды большое значение имеет обеспечение высокой степени адгезии ремонтных растворов к бетону восстанавливаемого элемента. При этом требования, предъявляемые к полимерным адгезивам, зависят от ряда факторов, к которым относятся прочность и конструктивные особенности сооружения, тип конструкции, схема приложения нагрузок, характер и вид повреждений, условия дальнейшей эксплуатации сооружения. Наиболее часто в строительстве в качестве полимерной матрицы применяются полиэфирные, эпоксидные, фенольные, карбамидные и другие смолы. При изготовлении полимерных композиций в СНГ в основном используются типы эпоксидных, фурановых, фураново-эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, карбамидных, ацетоноформальдегидных, термореактивных смол, значительно реже - термопластичне - типа инденкумароновых, мономеров винилового ряда и др.
Основной материал. Большой интерес для устройства защитных облицовок и восстановления сооружений представляют эпоксидные полимеры (ЭД-16, ЭД-20, ЭД—22). Эпоксидные полимерные композиции по прочностным характеристикам в 1,5 - 2 раза превышают более дешевые полимерные смолы. Высокая адгезия ко многим материалам, хорошие диэлектрические свойства, небольшая усадка при отверждении, высокая химическая стойкость способствовали широкому внедрению эпоксидных полимеров в различные области науки и техники.
Сырье для эпоксидных полимеров. Эпоксидные полимеры, содержащие две и более эпоксидных групп, получают как отверждением олигомеров, образующихся при взаимодействии эпихлоргидрина с веществами, имеющими две и более групп с подвижными атомами водорода (полиспиртами, полиаминами, фонолами и др.), так и обработкой надкислотами (надуксусной, надбензойной и др.) низкомолекулярных веществ, полимеров и сополимеров бутадиена с двойными связями.
В основном эпоксидные олигомеры, выпускаемые промышленностью, получают в результате взаимодействия эпихлоргидрина и 4,4-диоксидифенилпропана.
Эпихлоргидрин, имеющий химическую формулу
СН2С1—сн—сн2
V ,
получают из глицерина или пропилена.
4,4-диоксидифенилпропан получают из фенола и ацетона в присутствии серной или соляной кислот по схеме
Диоксидифенилпропан - кристаллический порошок белого цвета с температурой плавления +155 °С.
Полимерные материалы, применяемые для восстановления несущей способности конструкций сооружений специального назначения, выбираются таким образом, чтобы они обладали следующими свойствами: высокой степенью адгезии к бетону сооружения, достаточной когезионной прочностью, способностью воспринимать и гасить возникающие в процессе эксплуатации напряжения, сохранять совместимость с омоноличиваемым материалом при изменении параметров окружающей среды в течение проектного периода эксплуатации сооружения, а также технологичностью применения. К дополнительным требованиям к полимерным адгезивам относятся нейтральность к склеиваемым материалам, что выражается в исключении возможности развития коррозионных процессов, достаточная стойкость к действию агрессивных сред, универсальность отверждения (в широком температурном диапазоне без дополнительного давления), близкие значения деформативных характеристик с бетоном сооружения, а также способность к релаксации возникающих напряжений.
Эксплуатационные характеристики гетерогенных систем, какими являются омоноличенные полимерными адгезивами бетонные и железобетонные сооружения, определяются как свойствами и природой соединяемых материалов - субстрата и адгезива, так и комплексом явлений, определяющих процесс склеивания. Основу склеивания составляет адгезия, поэтому для направленного управления эксплуатационными параметрами полимерных композиций необходимо обеспечить контроль над явлениями, происходящими при формировании адгезионных связей между бетоном элемента сооружения и полимерным адгезивом.
Анализом литературных данных установлено, что, несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования адгезионных взаимодействий, до настоящего времени не создана единая теория склеивания материалов.
Одна из первых теорий - механическая - объясняет процесс склеивания прониканием клея в поры склеиваемых поверхностей. При этом считается, что прочность адгезии зависит от площади поверхности и формы пор. Эти факторы играют существенную роль при соединении пористых материалов. Но эта теория не объясняет процесс склеивания гладких непористых поверхностей. В случае если поверхность гладкая и непористая, прочность склеивания определяется специфическим сродством склеивающей пленки и материала и прочностью пленки на разрыв после отвердевания. В общем случае на прочность склеивания оказывают влияние оба фактора: специфическое сродство склеивающей пленки и материала и проникание клея в поры.
В последующем высказывалось мнение о том, что в ряде случаев между клеем и склеиваемыми поверхностями происходят химические реакции, поэтому склеивающее действие изучалось с точки зрения как самого клея, так и склеиваемых материалов. Кроме того, большое значение придавалось поверхностным явлениям. Предполагалось, что на взаимодействие между клеем и поверхностью можно оказывать влияние с помощью адсорбционных слоев ориентированных молекул, названных «молекулярным припоем». При этом значительное место отводится смачиваемости, причем отмечается, что склеивать могут только те клеи, которые смачивают соединяемые поверхности; смачивание увеличивается при введении в состав клеевого соединения поверхностно-активных добавок, которые будут адсорбироваться на границе раздела адгезив - субстрат.
Широким признанием пользуется адсорбционная теория (теория межмолекулярных сил), объясняющая адгезию и когезию главным образом взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса между молекулами твердых тел и рассматривающая адгезию как поверхностный процесс.
Согласно этой теории, высокая адгезия возможна в тех случаях, когда обе поверхности материалов либо полярны, либо неполярны , и адгезия затруднена, когда одна поверхность полярна, а другая неполярна. Основным фактором, определяющим склеивание, является химический характер склеиваемых поверхностей. Образование прочного клеевого шва объясняется как результат действия специфических молекулярных сил физико-химического характера.
Согласно диффузионной теории, предложенной С. С. Воюцким, адгезия обеспечивается образованием цепочечной связи между клеем и склеиваемым веществом. Основные положения этой теории связаны со строением полимеров и наличием в их составе полярных групп.
Б. В. Дерягин и Н. А. Кротова разработали электрическую теорию адгезии на основании представлений о двойном электрическом слое, возникающем у поверхности раздела пленки и основания в момент пленкообразования. Причиной адгезии считается наличие сил электрического происхождения, действующих между молекулами, атомами, ионами. При этом основная роль отводится химической природе вещества. Следует отметить, что эта теория не находится в большом противоречии с адсорбционной теорией адгезии.
Однако ни одна из существующих теорий - механическая, адсорбционная, молекулярная, химическая, диффузионная - не может в полной мере объяснить многообразие и специфичность явлений, развивающихся на различных стадиях склеивания. Затрудняет создание единой теории адгезии также тот факт, что основное внимание исследователей переносится на анализ роли отдельных явлений, обусловливающих закономерности процесса склеивания, в частности, определяется влияние реологических свойств полимеров, состояния поверхности субстрата, межфазных взаимодействий на качество адгезионной связи. Как следствие, специфика соответствующих процессов требует акцентирования на определенных явлениях в рамках концепции или теории. В то же время, каждая из существующих теорий адгезионного взаимодействия, раскрывая лишь один из аспектов сложного явления склеивания, позволяет определить пути направленного регулирования адгезионных свойств полимерных материалов, что может быть использовано при разработке и оптимизации рецептур инъекционных полимерных растворов с заданными свойствами.
С учетом того, что цементный камень бетона сооружений содержит в составе 8Ю2, с которым структурно связаны гидроксильные группы, полимерные инъекционные растворы должны содержать компоненты, обладающие дифильными свойствами, что обеспечит повышение избирательной смачиваемости и обменной адсорбции. Увеличение молекулярного контакта может быть достигнуто при нанесении адгезива в растворе, а также при повышении температуры при склеивании. Для улучшения адгезионных свойств и повышения релаксационной способности полимерных композиций в их состав эффективно введение модификаторов структуры, в частности, синтетических каучуков. Эти добавки оказывают легирующее действие, находясь в составе композиции в виде гетерофазных включений. На прочность адгезионных связей оказывают влияние строение и масса молекул полимеров, причем отсутствие разветвлений в цепи молекул повышает прочность сцепления.
Технологические факторы также оказывают существенное влияние на адгезионные и когезионные свойства инъекционных полимерных композиций. К ним относятся состояние поверхности субстрата, толщина полимерного слоя, температура и влажность окружающей среды, т.е. те факторы, которые могут регулироваться в зависимости от условий применения полимерного материала. Основные требования к полимерным инъекционным композициям состоят в определении пределов допустимой вариации численных значений их основных структурных параметров: прочности при сжатии, растяжении и изгибе, модуля упругости, коэффициента линейного расширения, а также адгезионной прочности к бетону. В общем случае установление таких пределов производится путем вынесения компромиссного решения, при котором показатели деформативных свойств полимерных композиций должны быть близки к аналогичным показателям бетона ремонтируемого сооружения. При этом адгезионная прочность материала должна быть максимально высокой, не ниже прочности при растяжении бетона, а показатели долговечности должны быть не ниже показателей для бетона сооружения. Исходя из этого, можно определить требования к основным конструкционным параметрам полимерной композиции, что позволит, в свою очередь, их оптимизировать.
С учетом эксплуатационных свойств бетонных элементов и деталей сооружений можно определить основные требования к полимерным растворам, предназначенным для восстановления несущей способности элементов сооружений: прочность при сжатии 30...
60 МПа, при изгибе - 5...8 МПа, на осевое растяжение - 3...4 МПа, морозостойкость - Б200, водонепроницаемость - W8.
Поверхность бетона или цементного камня в основном состоит из 8Ю2 . Действительно, в портландцементе содержится примерно 20 % 8Ю2, заполнителем в бетонах и растворах служит кварцевый песок. С тетраэдрами кремнийкислородной сетки структурно связаны поверхностные гидроксильные группы. Схематически поверхность цементного камня можно изобразить следующим образом:
Высокой адгезией к бетону и раствору будут обладать полимеры, содержащие гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные и другие полярные группы. Эти группы способны обеспечивать водородные связи с поверхностными гидроксилами, а также ион-дипольное и особенно химическое воздействие. Взаимодействие полиэпоксидов, имеющих эпоксидные и гидроксильные группы, с поверхностью цементного камня можно представить по схемам:
Между адгезивом - полиэпоксидом и субстратом происходит химическое взаимодействие по указанным схемам, что и объясняет наибольшую их адгезию.
Исследования показали, что там, где отсутствуют химические связи и взаимодействие обуславливается образованием водородных и слабых дипольных связей, адгезионная прочность оказывается значительно ниже. Поверхность цементного камня состоит из зерен кварца и гидратированного цемента, то адгезия полимера не будет равнопрочна по контакту адгезива и субстрата. Наибольшую адгезию следует ожидать в точках контакта полимера с
8Ю2 .
Полимерные композиции на основе эпоксидной диановой смолы ЭД -22 при направленной оптимизации их свойств могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к растворам для восстановления бетонных и железобетонных конструкций сооружений. Возможность их применения обосновывается близостью параметров эксплуатационных характеристик к аналогичным параметрам бетона сооружений, что позволит исключить развитие различного рода напряжений в структуре восстановленного сооружения.
Существенное влияние на эксплуатационные свойства контактного слоя «полимерная композиция - бетон» оказывают температурные деформации швов, вызывающие усталостное ослабление соединяемых материалов, а также динамические нагрузки. Температурные деформации материалов имеют объемный характер, вследствие чего в продольном направлении соединительного шва при изменении температуры окружающей среды по всей поверхности контакта полимерной композиции и бетона сооружения возникают температурные напряжения. Это происходит вследствие различия величин коэффициентов линейного температурного расширения и упругих характеристик полимерной композиции и бетона. Как правило, температурные напряжения действуют в направлении внешних усилий, что существенно влияет на несущую способность и долговечность восстановленной конструкции сооружения. При наличии внешнего механического обжатия температурные
напряжения могут снижаться.
Функциональное назначение конструкций сооружения определяет как схему приложения нагрузок, так и характерные виды повреждений. Если при повышении температуры поверхности контакта бетона с полимерной композицией в направлении, перпендикулярном шву, работают на сжатие, то при понижении температуры контактные слои работают на растяжение, что является наиболее опасным для бетона . Это свойство бетона предопределяет нарушение монолитности восстановленного элемента при возникновении растягивающих усилий. Поэтому стабильность и прочность соединения «полимерная композиция - бетон» определяются прочностью бетона при растяжении, упругими свойствами полимерной композиции, а также ее способностью к релаксации напряжений.
Выводы. Для повышения долговечности полимерных композиций, предназначенных для ремонта и восстановления элементов зданий и сооружений, можно определить три направления оптимизации полимерных адгезивов.
I направление - долино быть выполнено направленное модифицирование полимерной матрицы с целью улучшения ее упруго-пластических свойств и повышения релаксационной способности за счет введения связующих и комбинированных модификаторов.
II направление - обеспечено снижение величин температурных деформаций полимерных композиций до уровня бетона восстанавливаемого сооружения за счет введения в полимерную матрицу тонкодисперсных наполнителей.
III направление - снижение температурных напряжений в бетоне восстанавливаемых элементов сооружения за счет учета их эксплуатационного температурного режима и рационального использования соответствующих технологических приемов при проведении ремонтно-восстановительных работ. При этом должна учитываться необходимость обеспечения достаточной конструкционной прочности полимерного адгезива.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Выровой В. Н., Довгань И. В., Семенова С. В. Особенности структурообразования и формирования свойств полимерных композиционных материалов. - О. : Издательство и типография «ТЭС», 2004. - 168
2. Елшин М. М. Полимербетоны в гидротехническом строительстве. - М. : Стройиздат, 1980. - 192 с.
3. Касимов И. К. Основы модификации бетонов термопластичными композициями. - М. : Стройиздат, 1981. - 144 с.
4. Сухарева Л. А., Воронцов В. А., Зубов П. И. Высокомолекулярные соединения. - М. : Химия, 1986. - 356 с.
5. Соломатов В. И. Полимерцементные бетоны и пластбетоны. - М. : Стройиздат, 1988. -346 с.
6. Хувинк Р., Ставерман А. Химия и технология полимеров. - М.-Л. : Химия, 1986. - 632с.
7. Патуроев В. В., Мощанский Н. А. Руководство по методам испытания полимербетона на химическую стойкость. - М.: НИИЖБ, 1982. - 34 с.
8. Воюцкий С. С. Аутогезия и адгезия высокополимеров. - М. : Стройиздат, 1986. - 244 с.
УДК [725.95:691.328].004.5:678.6
Прочность сцепления полимерных композиций с бетоном поврежденных элементов сооружения/ А. П. Приходько, Е. С. Харченко // Вкник ПридншровськоТ державно!" академп будiвництва та архiтектури. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. -- № 12. - С. 4 - 8. -Библиогр.: (8 назв.).
При определении технологии защиты конструкций сооружений от агрессивных воздействий окружающей среды большое значение имеет обеспечение высокой степени адгезии ремонтных растворов к бетону восстанавливаемого элемента. Для повышения долговечности полимерных композиций, предназначенных для ремонта и восстановления элементов зданий и сооружений, можно определить три направления оптимизации полимерных адгезивов: модифицирование полимерной матрицы с целью улучшения ее упруго-пластических свойств и повышения релаксационной способности за счет введения связующих и комбинированных модификаторов; снижение величин температурных деформаций полимерных композиций до уровня бетона восстанавливаемого сооружения за счет введения в полимерную матрицу тонкодисперсных наполнителей; снижение температурных напряжений в бетоне восстанавливаемых элементов сооружения за счет учета их эксплуатационного температурного режима и рационального использования соответствующих технологических приемов при проведении ремонтно-восстановительных работ. При этом должна учитываться необходимость обеспечения достаточной конструкционной прочности полимерного адгезива.
Ключевые слова: эпоксидные полимеры, диоксидифенилпропан, полимерные композиции на основе эпоксидной диановой смолы.
Мщшсть зчеплення полiмерних композиций з бетоном пошкоджених елемен^в споруди / А. П. Приходько, G. С. Харченко // Вкник ПридшпровськоТ державно'1 академп будiвництва та арх^ектури. - Дшпропетровськ: ПДАБА, 2009. - № 12. - С. 4 - 8. -Бiблiогр.: (8 назв.).
При визначенш технологи захисту конструкцш споруд вщ агресивних дш навколишнього середовища великого значення набывае забезпечення високого ступеня адгезп ремонтних розчишв до бетону вщновлюваного елемента. Для пiдвищення довговiчностi полiмерних композицiй, призначених для ремонту i вiдновлення елементiв будiвель i споруд, можна визначити три напрямки оптимiзацiï полiмерних адгезивiв: модифiкування полiмерноï матрицi з метою полiпшення ïï пружно-пластичних властивостей i пiдвищення релаксацiйноï здатностi за рахунок введення зв'язуючих i комбiнованих модифiкаторiв; зниження величин температурних деформацiй полiмерних композицiй до рiвня бетону вiдновлюваного споруди за рахунок введення в полiмерну матрицю тонкодисперсних наповнювачiв; зниження температурних напруг в бетонi вiдновлюваних елементiв споруд за рахунок урахування ïx експлуатацшного температурного режиму i рацiонального використання вiдповiдниx теxнологiчниx прийомiв при проведенш ремонтно-вiдновлювальниx робiт. При цьому повинна враховуватися необхщшсть забезпечення достатньо1' конструкцшно1' мiцностi полiмерного адгезиву.
Ключовi слова: епоксидт пол1мери, д1окс1д1фентпропан, пол^мерш композицИ' на основi епоксидног дiановоï смоли.
Adhesion strength of polymer composites and concrete structures damaged items / Prikhodko AP, Kharchenko, ES / / Visnyk of Pridneprovskaya State Academy of Construction and Architecture: PGASA, 2009. - № 12. -- .P. 4 - 8. - Bibliogr.: (8 titles.).
At the determination of technology of protection of designs of erecting from aggressive influences of surround ambience important value has a provision high degrees traction repair dissolves to the concrete of restoring element. Increasing of longevity of polymeric compositions, intended for the repair and recovering the building elements and erecting, possible define three directions to optimization of polymeric material. I direction - must be executed direct modifying polymeric matrixes for the reason perfecting its springy-plastic characteristics and raising relaxation abilities to the account of entering of connecting and multifunction modifiers. II direction - is provided reduction of values of warm-up deforming the polymeric compositions before the concrete level of restoring erecting to the account of introduction to the polymeric matrix of fillers. III direction - to reach a
reducing the warm-up voltages in the concrete of restoring erecting elements to the account of account their field-performance warm-up mode and rational use of corresponding technological acceptance when undertaking is repair-reconstruction work. Herewith must be take need of ensuring into account sufficient toughness polymeric material.
Key words: epoxy polymers, dioksidifenilpropan, polymeric compositions based on epoxy diane resin.
