Главная
Новости
Статьи
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения




17.10.2021


17.10.2021


16.10.2021


15.10.2021


15.10.2021


14.10.2021


14.10.2021





Яндекс.Метрика

Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

31.03.2016

Морозостойкость материалов характеризует их способность в водонасыщенном состоянии противостоять влиянию переменных циклически действующих температур. Вода, проникающая в поры материала, при отрицательных температурах замерзает и за счет увеличения объема создает растягивающие напряжения в структуре. С ними суммируются напряжения, возникающие от разности коэффициентов температурного расширения компонентов, составляющих материал.
Разрушение бетона, подвергающегося замораживанию и оттаиванию, начинается с шелушения и появления микротрещин. Первоначально они развиваются преимущественно по границам между заполнителем и матрицей в местах действия максимальных структурных напряжений, постепенно объединяясь в более протяженные трещины, пролегающие как по границам зерен заполнителя, так и через матрицу и крупный заполнитель, что приводит к разрушению бетона. Для снижения структурных напряжений между заполнителем и матрицей в бетонах целесообразно вводить промежуточный эластичный слой. Наиболее удачно это условие соблюдается в каркасных бетонах. Данная технология обеспечивает получение высоконаполненного материала с равномерным распределением заполнителей с внешней эластичной оболочкой, которые к тому же в этом бетоне находятся в фиксированном состоянии и равномерно воспринимают напряжения от температурных деформаций. Согласно нашим теоретическим выводам, оптимальное соотношение жесткостей заполнителя, клеевого слоя и матрицы каркасного бетона составляет 1:0,01:0,04.
Экспериментальное изучение морозостойкости подтвердило правильность теоретических выводов. Морозостойкость каркасных бетонов значительно выше, чем у обычных. Исследования проведены на образцах — кубах с размером ребра 15 см. В качестве компонентов для бетонов применялись: портландцемент марки 400, кварцевый песок с модулем крупности Mк = 1,4, гранитный щебень фракции 8—10 мм и вода питьевая. В каркасном бетоне зерна заполнителя склеивались в каркас полиэфирной смолой марки ПН-10. Состав каркаса был принят следующий (мас. ч.): смола — 100, гипериз — 5, нафтенат кобальта — 10, щебень — 2500. Образцы-каркасы отверждались в течение 28 сут в нормальных температурно-влажностных условиях, затем их пустоты заполняли цементно-песчаным раствором следующего состава (мас. ч.): портландцемент — 100, кварцевый песок — 300, водоцементное отношение — 45, суперпластификатор С-3 — 0,1. Показатель подвижности раствора составлял 10 см. Цементно-песчаный раствор подавался в пустоты каркаса через низ формы под давлением. Расход матрицы в каркасном бетоне составил 45 % по объему.
При изготовления образцов из обычного бетона состав компонентов при водоцементном отношении 0,45 был принят следующим (мас. ч.): портландцемент — 100, песок — 200, щебень — 510, суперпластификатор — 0,1.
Образцы обеих серий после 28 сут твердения в нормальных условиях были выдержаны в воде до полного насыщения. При этом показатель водонасыщения каркасных бетонов оказался в 1,5 раза меньше обычных. Средняя начальная прочность образцов составила 28 и 22 МПа соответственно у бетонов каркасной и обычной структуры. Образцы подверглись испытаниям в 300 циклов. Один цикл состоял из четырехчасового замораживания при температуре -50 °C и двухчасового оттаивания в воде при температуре 18—20 °C. Через каждые 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы подвергались визуальному осмотру и испытанию на сжатие. Морозостойкость оценивалась по изменению коэффициента морозостойкости, равного отношению прочности образцов, подверженных замораживанию и оттаиванию, к прочности образцов, хранившихся в нормальных условиях. Из полученных результатов (рис. 6.30) видно, что каркасные бетоны обладают более высокой морозостойкостью. Так, после 300 циклов испытаний коэффициент их морозостойкости был выше по сравнению с бетонами обычной структуры примерно в 2 раза.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

При эксплуатации в условиях попеременного замораживания и оттаивания некоторых видов изделий из каркасных композитов (например, полимербетонные покрытия открытых площадок, трехслойные стеновые панели, облицовочные плитки) необходимо предъявлять повышенные требования по морозостойкости отдельно к полимербетонным матрицам и каркасам. Морозостойкость последних зависит от многих факторов и особенно от природы связующего и заполнителя. Согласно исследованиям, приведенным в работе, морозостойкость крупнопористого бетона повышается с увеличением расхода цемента. Образцы на пористом известняковом щебне при расходе портландцемента марки 400 от 114 до 250 кг/м3 выдержали 15 циклов замораживания и оттаивания. При этом значение коэффициента морозостойкости колебалось от 0,75 до 1. Кроме того, в указанной выше работе выявлено, что коэффициент морозостойкости крупнопористого бетона на доменном отвальном пористом шлаке был выше, чем у крупнопористого бетона на гранитном щебне. В связи с этим наиболее морозостойкими можно считать материалы на заполнителях с невысоким модулем упругости.
В этом же исследовании указывается, что крупнопористый бетон на плотных заполнителях при расходе цемента менее 150 кг/м3 был неморозостоек. Повышение морозостойкости бетонов на пористом заполнит еле объясняется лучшим сцеплением последнего с цементным камнем. Введение песка и химических добавок в крупнопористые бетоны в случае применения пористых и плотных заполнителей повышает их морозостойкость. У крупнопористого бетона с добавками СДБ, ГКЖ-10 и ГКЖ-94 в количестве 0,2 % от массы цемента морозостойкость составила соответственно 25, 25 и 100 циклов, у контрольного — 15 циклов. Г.А. Бужевич указывает, что для каждого вида заполнителя при получении крупнопористых бетонов следует выявить минимальный расход цемента, при котором они становятся морозостойкими. Одновременно с определением минимального расхода цемента для бетонной смеси следует установить оптимальное водоцементное отношение.
Нами проведены исследования морозостойкости каркасов на полимерных и серных вяжущих (рис. 6.31). После 100 циклов замораживания и оттаивания они не изменили своей прочности. Коэффициент морозостойкости указанных составов равен 1. Высокая их морозостойкость объясняется тем, что эти клеи имеют высокую плотность и незначительную пористость по сравнению с цементными. Водопоглощение исследуемых каркасов минимальное.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Согласно ГОСТу при определении морозостойкости цементных бетонов и растворов один цикл по ускоренной методике проводится продолжительностью 6 ч: 4 ч замораживания при температуре -15...-20 °C и оттаивание в ванне с водой при температуре 15—20 °C в течение 2 ч. При этом насыщение цементного бетона по всему объему водой перед испытаниями на морозостойкость достигается в течение непродолжительного времени. Такие условия испытаний для цементных бетонов близки к условиям их эксплуатации.
В других условиях эксплуатации могут находиться малопроницаемые строительные материалы, например полимербетоны. Полное их водонасыщение невозможно или может произойти только через несколько лет. В этой связи при попеременном замораживании и оттаивании воздействие отрицательных температур на полимербетон в зависимости от степени его насыщения может распространяться локально или на всю глубину. Поэтому вначале деструкции подвергается внешний слой, в то время как во внутренних никаких изменений не происходит. Разрушающее действие знакопеременных температур усугубляется внутренними напряжениями, возникающими в полимербетоне вследствие разности коэффициентов температурного и влажностного расширения слоев. Периодическое изменение температур, а следовательно, и напряжений ускоряет усталостные процессы и приводит к образованию трещин.
В настоящее время исследования полимербетонов на морозостойкость проводятся по различным методикам, которые не учитывают конкретные условия эксплуатации. Например, в работах И.Е. Путляева и Н.А. Мещанского образцы перед испытанием выдерживались в воде в течение 30 сут, затем замораживались. И.М. Елшин считает, что 200 циклов замораживания и оттаивания эквивалентны 120 дням выдерживания образцов в воде, а морозостойкость полимербетонов зависит от их водостойкости.
В этой связи заслуживает определенного интереса изучение зависимости морозостойкости полимербетонов от степени водонасыщения материала. Данные исследования нами проводились на полимербетонах следующего состава (мае. ч.): эпоксидная смола марки ЭД-20 — 100; полиэтиленполиамин — 10; маршалит — 110; кварцевый песок с модулем крупности 1,4—290. Образцы — призмы размером 2x2x7 см отверждались в термокамере в течение 6 ч при температуре 80 °C после суточного твердения в нормальных температурно-влажностных условиях. После взвешивания образцы помещались в воду для насыщения. Степень водонасыщения материала регулировали различной длительностью выдерживания образцов. Максимальное водонасыщение достигнуто при выдержке образцов в течение 8 мес. При более длительной выдержке материала было отмечено снижение массосодержания водонасыщенных образцов за счет вымывания компонентов полимербетона. Таким образом, были получены партии образцов с содержанием воды в них от 0,05 до 0,2 % по массе.
Испытания на морозостойкость проводились по ускоренной методике. Один цикл испытаний состоял из 4-часового замораживания при температуре -50 °C и 2-часового оттаивания в воде при температуре +18—+20 °C. Морозостойкость оценивалась по изменению коэффициента морозостойкости ho прочности, определяемого как отношение прочности образцов, подверженных замораживанию и оттаиванию, к прочности образцов, хранившихся в нормальных условиях, а также по коэффициенту стойкости по жесткости. Последний находили как отношение модуля упругости образцов, подверженных испытаниям, и контрольных образцов. На рис. 6.32 приведены графические зависимости. коэффициента морозостойкости после 100 циклов замораживания и оттаивания.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Как видно из графиков, коэффициент морозостойкости эпоксидного полимербетона существенно зависит от степени водонасыщения образцов перед испытаниями. На рисунке можно проследить три характерные области (I-III). В первой области, относящейся к началу насыщения образцов, наблюдается падение морозостойкости. Это, видимо, происходит за счет появления напряжений на границе пропитанного и сухого материала, которые приводят к образованию микродефектов. Для эпоксидного полимербетона наибольшее снижение морозостойкости наблюдается при водонасыщения, равном 0,05 % по массе, которое достигнуто при выдержке в воде в течение 4 мес. Падение прочности и повышение модуля упругости материала, не прошедшего предварительное водонасыщение, объясняется его термодеструкцией. Во второй области прослеживается увеличение морозостойкости, происходящее, очевидно, за счет увеличения толщины пропитанного слоя и сглаживания распределения напряжений по сечению образца. В третьей области, находящейся близко к области начала химического разрушения материала от действия воды, вновь отмечается падение морозостойкости. Циклически действующие температуры ускоряют процесс деструкции.
Показатель морозостойкости существенно зависит от таких структурных парам полимербетона, как степень наполнения и крупность наполнителя. Повышенная морозостойкость соответствует составам оптимального наполнения с мелкими наполнителями (рис. 6,33). Введение наполнителя в малом количестве приводит к расслаиванию смеси, и, как следствие, в таком полимербетоне повышаются структурные напряжения. Наполнение же полимербетона выше предельного приводит к разуплотнению материала.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Очевидно, что необходимым условием обеспечения морозостойкости полимерных композиций является их высокая трещино- и водостойкость. Высокой трещиностойкостью обладают композиции с большой предельной растяжимостью. Согласно исследованиям, высокой предельной растяжимостью и водостойкостью обладают составы на полиэфирных смолах, наполненные цементно-графитной смесью. С целью установления морозостойкости составов были проведены исследования по матрице планирования. Коэффициент морозостойкости 25 составов полиэфирных композиций определен через 50 (K50) и 200 (К200) циклов испытаний. После обработки результатов эксперимента по центральной композиционной матрице установлены математические модели, описываемые квадратными уравнениями:
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Анализ уравнений показывает, что при попеременном замораживании и оттаивании в полимерных связующих происходят различные физико-химические процессы. Величина свободного члена уравнения (6.5) указывает на некоторое повышение прочности образцов в начальной стадии испытаний. Здесь сказывается позитивная роль портландцемента как активного наполнителя. При воздействии воды происходит, очевидно, поверхностное упрочнение образцов вследствие частичной гидратации цемента. С увеличением количества циклов испытаний морозостойкость материалов уменьшается, позитивный процесс начинает перекрываться деструктивным.
Зависимость коэффициента морозостойкости составов от количественного содержания компонентов может быть рассмотрена по графикам, построенным относительно уравнения (6.6). По четырехфакторной модели строились двухмерные сечения, при этом два других фактора фиксировались на оптимальном уровне, который определен решением системы дифференциальных уравнений, составленных по частным производным параметра K200. Двухмерные сечения откликов в зависимости от содержания наполнителей и отверждающей системы описываются эллипсоидами вращения (рис. 6.34, 6.35). Максимальные показатели получены при движении к центру поверхности. При отклонении от оптимальной области морозостойкость составов падает, особенно значительно при изменении содержания отверждающей системы. При пониженном уровне портландцемента активная роль его снижается и влажная среда в большей мере разрушает связующее. При повышении же содержания портландцемента более определенного предела структура разрыхляется, проницаемость материала увеличивается и, как следствие, понижается морозостойкость.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Долговечность полимерных композитов зависит от полноты их отверждения. Считается, что более долговечны материалы с высокой степенью отверждения. Однако из рис. 6.35 видно, что как при большом, так и при малом содержании отверждающей системы морозостойкость составов уменьшается. Это говорит о существовании оптимального показателя степени отверждения полимеров, эксплуатируемых в условиях замораживания и оттаивания. Чрезмерная плотность сшивки молекул полимера приводит к уменьшению деформативности, к перенапряжениям связей, структурным неоднородностям в полимере и на границе раздела.
Композиты на полимерных связующих по сравнению с цементными и гипсовыми материалами при повышенных температурах интенсивнее теряют прочность. С целью выяснения возможности полимерных композитов сохранять несущую способность при повышенных температурах были проведены испытания образцов, подверженных растягивающим усилиям при нагревании. Для этого использовали образцы восьмерки длиной 150 мм с сечением в рабочей части 2x10 мм. В качестве связующих применяли эпоксидную смолу ЭД-20 и компаунды марок K-153 и ЭКР-22. Состав полимерных композиций был принят следующим (мас. ч.): связующее — 100; полиэтиленполиамин — 10; маршалит — 100. Испытания проводились в температурном интервале от 20 до 100 °C (рис. 6.36). Они показали интенсивное снижение прочности композитов на компаунде ЭКР-22, у которых уже при температуре 40 °С прочность при растяжении снижается на 25 %. В результате испытаний установлено изменение деформативности образцов по мере повышения температуры (рис. 6.37). С ее ростом деформации увеличиваются, а напряжения в момент разрушения уменьшаются. Максимальные деформации композитов на основе ЭКР-22 установлены при температуре 50 °C. При более высоких ее показателях их прочность резко снижается при одновременном уменьшении деформативности в момент разрушения.
Теплостойкость наполненных полимерных композитов во многом зависит от природы применяемого наполнителя. Она увеличивается при введении алюминиевой пудры, асбеста, стекловолокна и специальных добавок, замедляющих процессы термоокислительной деструкции.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Нами установлено повышение теплостойкости эпоксидных и полиэфирных композитов яри введении в состав первых бромистых соединений, а вторых — меламинцианурата (рис. 6.38 и 6.39). Повышение теплостойкости полимерных композитов за счет введения меламинцианурата, очевидно, обусловлено химическим взаимодействием N-H-связей добавки со сложноэфирными группировками полиэфира, т. е. происходит химическая модификация смолы. В результате реакции образуются дополнительные ковалентные и водородные связи. Причем одна линейная молекула ненасыщенною полиэфира реагирует с несколькими, в результате чего образуется сетчатая объемная структура, что положительно сказывается на теплостойкости получающихся композитов.
Морозостойкость, теплостойкость и горючесть каркасных композитов

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: