Научная статья на тему 'Влияние технологических факторов на структурообразование наполненной полимерной матрицы пластбетона'

Влияние технологических факторов на структурообразование наполненной полимерной матрицы пластбетона Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
85
30
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЕХНОЛОГіЧНИЙ ФАКТОР / СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ / ПОЛіМЕРНА МАТРИЦЯ / ПЛАСТБЕТОН / ПОЛИМЕРНАЯ МАТРИЦА / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР / TECHNOLOGICAL FACTORS / STRUCTURE FORMATION / POLYMER MATRIX / PLASTBETON

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Билошицкая Н. И.

В статье изложены результаты исследований влияния технологических факторов на свойства и эксплуатационные характеристики разрабатываемых пластбетонов для ремонтно-восстановительных работ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Билошицкая Н. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE FORMATION OF THE FILLED POLYMER MATRIX OF PLASTOCONCRETE

In the article the research results of influence of technological factors on properties and characteristics of the plastoconcretes under development for repair-reconstruction work are presented.

Текст научной работы на тему «Влияние технологических факторов на структурообразование наполненной полимерной матрицы пластбетона»

УДК 666.974

Н. I. Б1ЛОШИЦЬКА (Схщноукра'шський нацюнальний унiверситет iM. Володимира Даля, Луганськ)

ВПЛИВ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ФАКТОР1В НА СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ НАПОВНЕНО1 ПОЛ1МЕРНО1 МАТРИЦ1 ПЛАСТБЕТОНУ

У статт викладено результаты дослвджень впливу технолопчних фактор1в на властивосп та експлуата-цшш характеристики розроблюваних пластбетошв для ремонтно-вщбудовних робгг.

В статье изложены результаты исследований влияния технологических факторов на свойства и эксплуатационные характеристики разрабатываемых пластбетонов для ремонтно-восстановительных работ.

In the article the research results of influence of technological factors on properties and characteristics of the plastoconcretes under development for repair-reconstruction work are presented.

Проблема забезпечення довговiчностi мате-рiалiв i конструкцш на сучасному еташ розвит-ку технологii бетону розглядасться з техшко-економiчних позицш. Ефективнiсть матерiалiв i конструкцiй, що експлуатуються в агресивних середовищах, визначасться приведеними ви-тратами на виготовлення конструкцiй, зведення будiвель i споруд, витратами на захист вщ ко-розii, ремонт, а також втратами в народному господарствi вiд простгав виробництва пiд час ремонту конструкцш. Висока техшко-еконо-мiчна ефективнiсть бетонних i залiзобетонних конструкцiй значною мiрою визначаеться 1'х-ньою довговiчнiстю при мшмальних витратах на iхне утримування у процес експлуатацii.

Пiд назвою «пластбетон» розумiеться бетон, у якому в якост сполучних застосовують пол> мери - малов'язкi термореактивнi смоли, здатш при додаваннi отверджуючих компонент пе-реходити у твердий неплавкий стан [1, 2]. По-рiвняно зi звичайними цементними бетонами, пластбетони i полiмербетони вiдрiзняються ю-тотним збшьшенням мiцностi на розтяг при згиш (вiдношення мiцностi на розтяг при згиш до мiцностi при стиску iнодi досягае 1 : 2) i шд-вищеним зчепленням майже з усiма будiвель-ними матерiалами. При цьому найчастiше мщшсть при стиску стику зi старим бетоном вище мiцностi старого бетону. Полiмербетони i пластбетони також характеризуются шдвище-ною стiйкiстю до стирання i впливу агресивних середовищ. Поверхня таких бетонiв не запилю-еться. Однак недолiк полiмербетонiв полягае у вимиванш емульгатора при тривалому впливi води, у зв'язку з чим обмежуеться галузь засто-сування матерiалу. Основною перешкодою широкого застосування пластбетошв е набрякання й усадка полiмерiв при позмiнному зволоженнi

i висиханнi, викликаючи розвиток внутрiшнiх напружень, тим самим знижуючи довговiчнiсть конструкцш з такого бетону.

Пластбетони за своею природою е високо-мщними i стiйкими матерiалами, властивостi яких шддаються направленiй змiнi в широких межах. Висок показники статичноi i динамiч-ноi мiцностi, зносостiйкостi i хiмiчного опору пластбетонiв дозволяють широко використову-вати 1'х при зведеннi споруд, як експлуатуються в умовах ди рiзноманiтних агресивних сере-довищ.

Метою роботи е дослщження початково1' стади формування просторово1' структури пол> мерно1' матрицi, що е вiдповiдальною за станов-лення експлуатацiйних властивостей пластбе-тону та встановити особливостi формування структури наповнено1' полiмерноi матрицi.

На властивосп пластбетону на фурановiй зв'язуючш речовинi впливае цiлий ряд техно-логiчних факторiв, у тому чи^ вибiр вихiдних матерiалiв.

В якосп полiмерноi зв'язуючо1' речовини використаний фурфурольно-ацетоновий мономер ФА, що випускаеться на Микола1'вському гiдролiзно-дрiжджовому заводi, хiмiчний склад якого наступний: монофурфурилщенацетон -66...69 %; дифурфурилщенацетон - 23...25 %; полiмернi продукти - 3...5 %; вода - 0,7...1,3 %; ацетон - до 1 %; фурфурол - до 1,3 %; золь-тсть 0,1...0,3 %.

Щiльнiсть мономера ФА при 20 оС складае 1,11...1,16 кг/дм3, рН знаходиться в межах 4,0; швидюсть полiмеризацii з бензолсульфокисло-тою при 170 оС - не бiльш 90 с; вмiст вологи -не бшьш як 2 %; розчиннють в ацетонi повна.

Для модифшацп полiмерноi зв'язуючо1' ре-човини використана кисла смолка - техноген-

ний продукт Дшпропетровського коксохiмiчно-го заводу, а також фуриловий спирт - побiчний продукт виробництва фурфуролу.

Утворення кисло! смолки при ректифшацп сирого бензолу вщбуваеться пiд каталiтичним впливом концентровано! шрчано! кислоти на реакщю полiмеризаци, що протiкаe мiж негра-ничними i сiрчистими сполуками. Кисла смолка робить на фурановi композици пластифiкуючу дiю i знижуе витрату мономера ФА.

Хiмiчний склад кисло! смолки наступний, мас. ч.: бензольш вуглеводнi - 10... 17,4; кислотна частина - 20,4; вода тсля вщстою -1,0.1,5; шше - полiмери. Щiльнiсть кисло! смолки 1,175 кг/дм3.

В якост отверджувача фураново! зв'язуючо! речовини використана бензолсульфокислота (БСК) С6Н58О3Н, що представляе собою крис-талiчний продукт iз вiдносною молекулярною масою 158,8. Хiмiчний склад БСК наступний, мас. ч.: моносульфокислота бензолу -98,4.. .98,6; вiльна сiрчана кислота - 1,2.. .1,4 %; бензол - не бшьш як 0,2 %.

В якост тонкодисперсного наповнювача полiмерно! зв'язуючо! речовини використаш мелений цегельний бiй, шлам прничо-збагачувальних комбiнатiв Криворiзького пр-ничорудного басейну з питомою поверхнею 250.400 м2/кг, що мiстить 89.94 %, а також тонкодисперсний кремнезем, що представляе собою бший порошок, одержуваний з фшьтрових осадюв Стаханiвського заводу фе-росплавiв, ТУ 14-5-157-93. 1стинна щiльнiсть кремнезему складае 2,2 кг/дм3, середня питома поверхня - 250.300 м2/кг. Для з'ясування впливу рiзних факторiв на процеси структуроу-творення наповнено! полiмерно! матриц пласт-бетону використаний портландцемент ПЦ 11/Б-Ш-400 Краматорського цементного заводу i ПЦ 1-400-Н ВАТ «Балцем».

Процеси взаемодi! в наповненiй полiмернiй композици з моменту готування розчину проть кають у такий спосiб. При введенш мономера ФА разом з кислою смолкою i фуриловим спиртом - ФАКФ - смола, що мае глобулярну структуру, утворюе локальнi просторовi струк-тури (мшрогель) у присутностi отверджувача. Внаслщок низько! концентрацi! i мало! вщнос-но! молекулярно! маси (300...500) структура полiмеру неоднорiдна: присутнi як глобули смоли й отверджувача, так i мшрогел^ причому в'язкiсть одержуваного розчину незначно вщр> зняеться вiд в'язкосп води. При взаемодi! полi-мерного розчину з поверхнею часток цементу вщбуваеться утворення рiвноважного адсорб-

цiйного шару смоли. Молекули, що знаходять-ся в адсорбцшному шарi, не беруть учасп у ре-акцi! отвердження, сприяючи посиленню галь-муючо! ролi гiдратних оболонок, що екрану-ють. Смола i продукти отвердження смоли внаслщок наявностi полярних ОН-груп з висо-кою енергiею когезi! i вивiльнення додатково! !хньо! кiлькостi при розкритп фуранового кшь-ця мають високу адгезiйну здатнiсть до рiзного роду поверхонь, у тому чи^ i до продуктiв гiдратацi! клшкерних мiнералiв [3]. Завдяки цьому отверджеш продукти смоли, що оса-джуються в капiлярно-пористiй системi розчину при вщсмоктуванш води цементом, а також смола, що адсорбувалася на поверхш продуктiв гiдратацi!, надiйно кольматують поровий прос-тiр i перешкоджають виникненню фшьтрацш-них потокiв порово! рiдини. Утворення додат-кових зв'язюв у тверднучому полiмерцемент-ному розчиш типу полiмер - цементнi частки i гiдратнi новоутворення, зв'язування розчинни-ка в сiтцi мiкрогелю, а також кольматащя поро-вого простору сприяють пiдвищенню седимен-тацiйно! стшкост розчину [4].

При взаемодп молекул полiмеру з твердим тшом поверхня його покриваеться тонким шаром полiмеру, що утримуеться адсорбцшними силами. Джерелом цих сил е некомпенсоваш зв'язки на поверхнi цементу або в мiжфазному шарi. Основою адсорбцшних процесiв е загаль-ний закон, що виражаеться в мимовшьному зменшеннi запасу вiльно! енергi! в система Прагнучи знизити свою поверхневу енерпю i нейтралiзувати електричний заряд, дисперсна частка цементу притягуе до себе молекули по-лiмеру, що мають дипольну структуру. Пiд впливом силового поля, що створюеться актив-ними центрами на поверхш часток цементу, до яких притягуються диполi полiмеру, знижуеть-ся кiнетична енергiя його молекул, що усклад-нюе !х вiдрив вiд мiнеральних часток. Оскшьки активнi центри вiддiленi один вщ одного енер-гетичними бар'ерами, то для перемщення молекул полiмеру в силовому полi поверхнi твер-дих часток необхiдний зовнiшнiй тепловий або мехашчний вплив. Роз'еднанi частки i флокули, знаходячись спочатку у зваженому станi, по-ступово випадають у виглядi осаду, витiсняючи полiмер, шар якого над осадом тим товще, чим бшьше полiмеру замшування понад оптималь-ну кiлькiсть утримуеться в наповненому пол> мерному тють

Оскiльки вмiст мiнерально! складово! впли-вае на властивостi полiмерно! зв'язуючо! речовини, а, отже, i на властивосп бетону, для ви-

значення оптимального наповнення в першу чергу проведет дослщження мщносп фурано-вих безцементних композицiй. Дослiди прово-дилися на зразках розмiром 50х50х50 мм. Ана-лiз отриманих результатiв показав, що кривi мiцностi фуранових композицш складаються з висхiдноi, екстремально1' i спадно1' частин. Об-грунтування ходу кривих можна представити у такий спошб. Оскiльки наповнена система складаеться з трьох структурних елементiв -наповнювача, мiжфазного шару i полiмеру, у залежностi вiд вмiсту кожного з них визнача-ються властивосп полiмерноi зв'язуючо1' речо-вини.

Мiжфазний шар е неоднорiдним i не мае чь тких границь. До його складу входять поверх-невий шар наповнювача, що змшився шд дiею полiмеру, адсорбцiйний шар полiмеру i пол> мер, який знаходиться в структурованому сташ. Як установлено дослщженнями [5], мiцнiсть мiжфазного шару вище мiцностi полiмерноi матрицi. Це дозволяе зробити висновок, що при оптимальному наповненш полiмерноi компози-цл вiдбуваеться пiдвищення значень мiцнiсних характеристик полiмерноi зв'язуючо1' речовини.

Таким чином, у висхщнш зонi полiмеру не-достатньо для повного змочування зерен напо-внювача. Друга структурна зона - дшянка екст-ремуму - вщноситься до оптимального. Для цiеi зони характерний стан, за якого найбшьша кшьюсть полiмеру переведена в мiжфазний шар. Сумiшi такого складу характеризуються високою легкоукладальнютю i при отвердженш утворюють щiльну структуру. Для третьо1' зони (спадна область) характерно зниження мщшс-них показникiв за рахунок росту частки об'емного полiмеру. Сумiшi таких складiв також мають задовшьну легкоукладальнiсть i тс-ля отвердження утворюють мщну полiмерну структуру, але вiдрiзняються пiдвищеною де-форматившстю. Кiнцевi значення мiцностi цiеi структурно!' зони близью до мщносп зв'язуючих речовин на основi ненаповнених фуранових смол, оскшьки наповнювача в сис-темi так мало, що вш не чинить впливу на властивосп полiмерноi зв'язуючо! речовини.

Дослщженнями встановлено, що найбiльш ефективно застосування кремнiйвмiщуючих вiдходiв - шламiв прничо-збагачувальних ком-бiнатiв у порiвняннi з меленим цегельним боем. Визначена оптимальна величина вщношення «полiмер - наповнювач», за яко! мiцнiсть фуранових зв'язуючих речовин мае максимальне значення, знаходиться в межах 0,6...0,7 залежно вiд питомо! поверхнi наповнювача. Ця законо-

MipHiCTb збер^аеться при використанш в якосп полiмерноï зв'язуючо1 речовини фуранових композицш ФА (з невеликим вщхиленням), ФАКС i ФАКФ.

У зв'язку з тим, що монофурфурилщенаце-тон, який мютиться у фурфуролацетоновш зв'язуючiй речовинi, впливае на мехашзм пол> мерутворення, протягом якого вщбуваеться ре-акцiя полiконденсацiï з видшенням води, що призводить до зниження показниюв фiзико-механiчних властивостей полiмербетону, вста-новлена висока ефективнiсть введення портландцементу до складу полiмерноï зв'язуючоï речовини. При цьому експериментально встановлено, що при полiмеризацiï кiлькiсть вiльноï води складае близько 6 % вщ маси мономеру. Виходячи з цього, визначено оптимальний вмют портландцементу в полiмернiй зв'язуючш речовиш, що складае 10... 12 % вщ маси мономера.

Виконано дослщження мiцнiсних характеристик наповненого полiмерцементного каме-ня; у дослiдах використаний Краматорський портландцемент М400. Хщ кривих змши мщ-ностi наповненого полiмерцементного каменя принципово не змiнився порiвняно з наповне-ною полiмерною зв'язуючою речовиною, що пiдтверджуе збереження закономiрностей формування структури полiмерцементноï зв'язую-чо1' речовини при введеннi до ïï складу наповнювача з рiзною питомою поверхнею. Разом з тим, при введенш портландцементу до складу полiмерноï зв'язуючо1' речовини спостер^аеть-ся збiльшення мiцностi наповнено1' полiмерноï матрицi в межах 16...18 %, що шдтверджуе до-цiльнiсть використання цементу при приготу-ваннi пластбетонно1' сумiшi. Крiм того, при проведенш мiкроскопiчних дослiджень встановлено утворення упорядковано1' просторово1' структури полiмерцементного каменя, що характеризуемся зменшенням пористости У проце-сi триваючо1' пдратаци зерен цементу збшьшу-еться об'ем новоутворень, у зв'язку з чим по-ступово зменшуеться об'ем катлярно-пористо-го простору. Цей показник визначаеться порис-тiстю полiмерноï матрицi. Результати визна-чення пористостi зразкiв модифшовано1' фура-ново!' зв'язуючо1' речовини з рiзними наповню-вачами методом ртутноï порометрiï представ-ленi у табл. 1. Значення iнтегральноï пористостi свщчать про зменшення об'ему пор при введенш в модифшовану полiмерну зв'язуючу ре-човину ФАКФ цементу i мшронаповнювача, причому ефект наповнення вище при введенш в якосп наповнювача шламу ГЗК.

Таблиця 1

Висновки

Структура пор наповненоТ полiмерноT матриц бетону

Вид пол1ме- рно! матрищ бетону Пи- тома по-рис-тгсть, см3/м3 Розподш пор по рад1усах, % Об'ем вщ-кри-тих пор, %

>10-6 м 10"7 м 10"8 м <10-8 м

ФАКФ 0,032 5,8 8,1 69,4 19,7 7,71

ФАКФ +ПГВФ +Ц 0,026 5,3 10,4 20,4 63,9 5,34

ФАКФ +Ц+ шлам ГЗК 0,025 5,1 9,8 17,7 67,4 5,23

Розподiл пор за розмiрами показуе, що на-повнення фураново! зв'язуючо! речовини приводить не тшьки до зменшення загального об'ему пор, але також до змши об'eмiв пор ви-значених розмiрiв. У зразках на чистш фурано-вiй зв'язуючiй речовиш ФАКФ е значний об'ем макропор радiусами 10_6...10~5 м i перехщних пор радiусами 10_8...10~7 м, що теоретично про-никнi для води, тобто служать шляхами фшьт-раци. При наповненнi полiмерно! зв'язуючо! речовини ФАКФ цементом i ПГВФ максимум пористосп приходиться на пори радiусу 7-10-8 м, а при наповненш зв'язуючо! речовини цементом i шламом ГЗК - 2-10-8 м. У вщ 28 дiб макропори заростають продуктами отверджен-ня смоли i гiдратних новоутворень клiнкерних мiнералiв.

1. Доведено доцiльнiсть застосування в яко-стi зв'язуючо! речовини сополiмерiв - фурфу-ролацетонового мономера ФА, фурилового спирту i кисло! смолки, що забезпечуе керуван-ня властивостями полiмерних композицiй з пiдвищеними експлуатацшними характеристиками, призначених для ремонтних робгг.

2. Встановлено механiзм структуроутворен-ня наповнено! полiмерно! матрицi пластбетону, який полягае у формуваннi мiжфазного шару, що характеризуеться пiдвищеною мщшстю по-рiвняно з ненаповненою полiмерною матрицею, а також у зв'язуванш конденсацiйно! вологи введеним поглиначем. При цьому оптимальним поглиначем конденсацiйно! вологи в процес полiмеризацi! композицi! на основi мономера ФА е портландцемент, кшьюсть якого визнача-еться вмютом полiмерно! зв'язуючо! речовини з урахуванням видшення 0,5 моль води на 1 моль фурфурилщенацетону.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Елшин, И. М. Пластбетон [Текст] / И. М. Ел-шин. - К.: Буд1вельник, 1967. - 128 с.

2. Армополимербетон в транспортном строительстве [Текст] / под ред. В. И. Соломатова. - М.: Транспорт, 1979. - 232 с.

3. Аскаров, М. А. Синтез ионогенных полимеров [Текст] / М. А. Аскаров, Т. А. Джалилов. - Ташкент: ФАН, 1978. - 81 с.

4. Дорофеев, В. С. Технологическая поврежден-ность строительных материалов и конструкций [Текст] / В. С. Дорофеев, В. Н. Выровой. -Одесса, 1998. - 168 с.

5. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства [Текст] / Б. В. Гусев и др. - М.: Научный мир, 2006. - 560 с.

Надшшла до редколегп 25.03.2009.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.