Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Композиционные материалы, особенно бетоны на полимерных связующих, имеют значительную усадку при твердении. Величина усадочных напряжений в полимербетонах очень часто превосходит прочность материала при растяжении. Это приводит к образованию усадочных трещин, которые являются основной причиной разрушения монолитных полимербетонных покрытий.
Усадочные деформации в каркасных полимербетонах имеют свои особенности по сравнению с полимербетонами обычной структуры. В первых усадка значительно меньше. Каркас из склеенных крупных заполнителей, усадочные процессы в котором к моменту заполнения пустот уже заканчиваются, препятствует усадочным деформациям пропиточной матрицы и принимает на себя усадочные напряжения (рис. 6.15). Поэтому исследование усадочных деформаций в данных бетонах и их сравнение с традиционными полимербетонами представляют большой интерес.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Усадочные деформации определялись с помощью индикаторов часового типа по общепринятой методике на образцах, твердеющих в нормальных температурно-влажностных условиях. При этом изучено влияние вида заполнителя и связующего матрицы на усадку.
Исследования проводились на каркасах с заполнителями фракции 8—10 мм из гранитною щебня и керамзита. Склеивание зерен в каркас осуществлялось эпоксидной смолой марки ЭД-20. Отверждали смесь полиэтиленполиамином, которую брали в количестве 10 мас. ч. на 100 мас ч. смолы. В качестве матриц использовались композиции на полиэфирной смоле марки ПН-1 (смола — 100 мас. ч., гипериз — 4,5, нафтенат кобальта — 9,0, кварцевый наполнитель — 150 мас. ч.) и эпоксидном компаунде марки ЭКР-22 (смола — 100 мас. ч., полиэтиленполиамин — 10, кварцевый наполнитель — 150 мае. ч.), которые имеют различную величину усадки. В качестве сравниваемых составов были выбраны полимербетоны, изготавливаемые при одновременном смешивании всех компонентов согласно работе. Все составы после приготовления выдерживались в формах в течение 4 ч, затем образцы ставились на индикаторные стойки. Показания снимались в течение 28 сут. Кинетика изменения усадочных деформаций полимербетонов приведена на рис. 6.16.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Анализируя кривые, можно видеть, что усадочные деформации каркасных образцов значительно ниже, чем из полимербетонов обычной структуры: полиэфирных — в 6 раз, эпоксидных — в 2,5 раза. Сравнение кривых 1—3 и 4—6 показывает, что в каркасных полимербетонах усадочные деформации мало зависят от вида связующего и заполнителей. Например, если в обычных материалах усадка полиэфирного полимербетона выше, чем эпоксидного, в 3 раза, то в каркасных композитах величина усадки у всех составов почти одинаковая. Кривые также свидетельствуют, что интенсивно усадка проявляется в первые трое суток отверждения, в дальнейшем ее изменение незначительно и к шестым суткам она затухает.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Усадочные деформации каркасных полимер-бетонов зависят от крупности зерен заполнителя (рис. 6.17). При нарастании их дисперсности увеличиваются пустоты между заполнителями, соответственно растет объем матрицы и как следствие повышаются усадочные деформации.
При составлении каркасных композитов следует применять матрицы, обладающие незначительными усадочными деформациями. При их повышенной усадке возникают значительные структурные напряжения, приводящие к понижению трещиностойкости каркасных композитов. Из различных связующих более высокой усадкой при твердении обладают полимерные материалы на термореактивных смолах, в первую очередь карбамидные и полиэфирные. У эпоксидных полимербетонов усадка незначительная. Опыт эксплуатации полимербетонных покрытий на эпоксидных диановых смолах показывает, что они являются довольно трещиностойкими. Усадка эпоксидных смол ЭД-6, ЭД-5, Э-40, Э-37 примерно одинакова.
В последнее время отечественная промышленность выпускает большое количество модифицированных эпоксидных смол, по усадке которых нет сопоставительных данных. Проведенные исследования составов на различных компаундах показывают, что во время твердения усадка в них проходит по-разному (рис. 6.18). Так, если в состав эпоксидных композиций в качестве пластификатора вводится дибутилфталат (15 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы), усадка у них резко увеличивается. Композиции на ЭД-20. с дибутилфталатом имеют усадку, почти в 2 раза больше по сравнению с непластифицированной (кривые 1 и 2).
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

С целью уменьшения усадочных деформаций более предпочтительно модифицирование эпоксидных смол окситерпеновой смолой и окисленным скипидаром (компаунд ЭКР-22), полиэфирах рилатом (компаунд К-115), полиэфиракрилатом и жидким нитрильным каучуком (компаунд К-153), а также применение в качестве связующих алкилрезорциновой смолы марки ЭИС-1. Дибутилфталат в эпоксидной композиции не способствует поперечным сшивкам, плохо распределяется в массе смолы, образует слои скольжения и поэтому способствует текучести и усадке. Реакционноспособные модификаторы лучше распределяются в смоле, формируют поперечные сшивки, упрочняют структуру и поэтому не ведут к увеличению усадки (кривые 3 — 5). Малоусадочность композиций на смоле ЭИС-1 (кривая 6) можно объяснить малой ароматичностью, поперечными сшивками, самопластифицирующим эффектом боковых анильных групп.
Отечественной промышленностью выпускается большое количество полиэфирных смол, по усадке которых также нет сопоставительных данных. При проведении исследований в качестве полиэфирных связующих нами использовались полиэфирмалеинаты стирольные ПН-1, ПН-10, ПН-15, ПН-69, полиэфирмалеинат бесстирольный НПС-609 — 21M и полиэфиракрилат Слокрил-1. С целью изучения влияния вида вяжущего на усадочные деформации и напряжения мы провели эксперименты на полимерных композициях следующего состава (мас. ч.): смола — 100; гипериз — 4; нафтенат кобальта — 8; кварцевый наполнитель — 560. Результаты испытаний приведены в табл. 6.4.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Полученные данные свидетельствуют, что наименьшие усадочные деформации и напряжения имеют композиции на смоле ПН-15. Следовательно, при изготовлении монолитных покрытий они являются более пригодными. Снижение усадочных деформаций и напряжений достигается при оптимальном содержании составляющих компонентов в композитах.
Усадка полимерных композиций зависит от вида и количества отвердителя, наполнителей и добавок. Зависимость усадочных деформаций и напряжений от отверждающей системы в связующих на смоле ПН-1 при содержании графита 40 мас. ч., портландцемента 80 мас. ч. на 100 мас. ч. полиэфирной смолы представлена на рис. 6.19. Эти кривые имеют экстремальный характер с минимумом при включении гипериза и нафтената кобальта соответственно 5 и 10 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы. При любых отклонениях от данных показателей усадочные деформации и напряжения повышаются. При малых количествах гипериза и нафтената кобальта, по-видимому, происходит чрезмерное испарение летучих компонентов связующего из-за недостаточно полного его отверждения, что приводит к повышению значений εус и σус. При больших же их объемах увеличивается степень сшивки молекул полимера, что также приводит к росту внутренних напряжений.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Исследованы усадочные деформации и напряжения полимерных композиций на смоле ПН-1 в зависимости от вида наполнителя. Учитывая хорошее взаимодействие портландцемента с полиэфирной смолой, изучены композиции, содержащие именно этот наполнитель. Oптимизировалось 2 состава: без мелкого заполнителя и с его включением. В тонкодисперсном составе в качестве наполнителя рассматривались портландцемент и графит, а в мелкозернистом — портландцемент и кварцевый песок. Изучение и оптимизация усадочных деформаций и напряжений этих систем представляют интерес и в связи с тем, что полиэфирные композиции, наполненные графитом и кварцевым песком, резко отличаются по показателям усадки. Согласно исследованиям, проведенным в НИИЖБ, у графитонаполненных полимерных композиций величина внутренних напряжений составляет 3 МПа, а у систем с кварцевым песком — до 8 МПа.
Исследования проведены методом математического планирования экспериментов. Изолинии усадочных деформаций и напряжений составов приведены на рис. 6.20 и 6.21. Наименьшие усадочные деформации и напряжения у составов, наполненных кварцевым песком и портландцементом, достигаются при следующем содержании компонентов (мас. ч.): смола ПН-1 — 100 нафтенат кобальта — 10—12, гипериз — 6—8, портландцемент — 150—220, кварцевый песок — 350 (см. рис. 6.20). Из анализа графиков на рис. 6.21 для составов, наполненных графитом и цементом, видно, что уменьшение усадки происходит при повышении их содержании в смеси. Оптимальным является состав (мас. ч.): смола ПН-1 — 150, нафтенат кобальта — 8—12, гипериз — 4—6, графит — 60—100, портландцемент — 80—120.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Величину усадочных деформаций можно существенно снизить введением активных добавок. Выли исследованы оксид алюминия, перекись бария, антимонит натрия, перманганат калия, азотнокислый висмут и активированный уголь. Добавка вводилась в количестве 10 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы ПН-1. Наполнителем служил маршалит. Относительные усадочные деформации связующих с этими добавками составили соответственно 0,00015; 0,0002; 0,00032; 0,0004; 0,00051; 0,00054. У контрольного состава εус. составляет 0,0009. Как видно, наибольший эффект достигается при введении оксида алюминия, перекиси бария, антимонита натрия и перманганата калия. Снижение усадки связующих, очевидно, происходит в результате следующих причин: оксид алюминия адсорбирует летучие компоненты полимерного связующего, перекись бария и перманганат калия при реакции поликонденсации увеличивают объем молекул с присоединением выделяемого кислорода. Применение этих добавок является реализацией концепции "геометрически активного наполнителя".
Нами установлено, что при максимальном наполнении полиэфирной смолы ПН-15 оксидом алюминия полиэфирная композиция расширяется. Состав, содержащий смолы 100 мас. ч., нафтената кобальта — 8,8, гипериза — 3,8, оксида алюминия — 130, химическую добавку — 5,0 мас. ч., имеет относительное расширение 0,198*10в-3.
В технологии полимерных композитов эффективными являются безусадочные составы. Их можно получить при введении в композиции наряду с активными компонентами неактивных наполнителей. Зависимость собственных деформаций и напряжений в связующем от соотношения компонентов исследована с помощью математических методов планирования эксперимента. В качестве плана эксперимента была выбрана рототабельная матрица из 13 опытов со следующими варьируемыми факторами; х1 — общее количество гипериза и нафтената кобальта в смеси, причем соотношение нафтената кобальта и гипериза принято 2:1; х2 — отношение количества оксида алюминия к количеству маршалита в смеси. На рис. 6.22 представлены графические зависимости собственных деформаций и напряжений от содержания х1 и х2. Наполнение смеси оксидом алюминия существенно понижает усадочные деформации и напряжения в связующем, а при отношении оксида алюминия к маршалиту 98,5:148 на 100 мас. ч. смолы, 10 мас. ч. нафтената кобальта и 5 мас. ч. гипериза был получен безусадочный состав.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Актуальными также являются исследования, направленные на снижение усадочных деформаций карбамидных композитов. Их усадка происходит в основном в результате испарения несвязанной воды. Если в состав карбамидных полимербетонов не вводилась водосвязывающая добавка, то при изучении усадки консольным методом происходило отслоение полимерного покрытия от подложки (рис. 6.23). Исследования также показали более эффективное влияние на процессы снижения усадки оксидов кальция и бария (рис. 6.24).
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Дорожные и аэродромные покрытия, а также конструкции в некоторых промышленных объектах, например в горячих цехах и т. д., подвергаются влиянию циклически действующих температур и агрессивных сред. При изменении температуры материалы претерпевают температурные деформации, которые ведут к значительным температурным напряжениям и к разрушению конструкций и покрытий. Для расчета температурных напряжений и деформаций необходимо в первую очередь располагать данными о коэффициенте температурного расширения, на который существенное влияние оказывает вид крупного заполнителя и связующего. Наибольшим температурным расширением обладают бетоны с малым содержанием заполнителей (жирные бетоны) и бетоны на кварцевых заполнителях, а наименьшим — тощие бетоны и бетоны на кирпичном бое и известняковых заполнителях. Максимальный коэффициент температурного расширения у бетонов на полимерных связующих — (20—40)*10в-6 град-1, тоща как у бетонов на цементном вяжущем и жидком стекле этот показатель составляет (3,6 — 9)*10в-6 град-1.
Коэффициент температурного расширения (а ) полимербеона можно уменьшить повышением плотности его структуры, путем предельного наполнения связующих заполнителями. С целью определения α проведены испытания призм размером 4x4x16 см по общепринятой методике. Линейный коэффициент температурного расширения определяли по формуле
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

где l0 — первоначальная длина образца; Δl — абсолютная деформация образца при изменении температуры; Δt — изменение температуры полимербетона.
Рассматривались полимербетоны каркасной и обычной структуры. Коэффициент температурного расширения определялся в специальных термошкафах. Подъем температуры проводили ступенями через 20 °C до 100 °С. На каждой ступени призмы выдерживались в течение 4 ч для равномерного прогрева по всему сечению. Значения коэффициента температурного расширения каркасного полиэфирного полимербетона при температурных перепадах 20—40, 20—60, 20—80 и 20—100 °C оказались соответственно в 3,0; 3,5; 2,6 и 2,2 раза ниже по сравнению с полиэфирным полимербетоном обычной структуры.
Агрессивная среда и высокие температуры в значительной мере влияют на усадочные деформации. Изменение усадочных деформаций связующих на основе различных полиэфирных смол от воздействия температуры 90 °C и 15 % раствора едкого натра изучали консольным методом. Пластины, покрытые полимерным связующим, после месячного хранения в нормальных условиях помещались в термошкаф с температурой 90 °C. При этом термообработка производилась до прекращения отклонения консолей. По результатам испытаний построен график изменения прогиба консоли, который свидетельствует о сложных структурных сдвигах, протекающих в покрытии (рис. 6.25). Характер деформаций (Δ/Δmax) оказался одинаковым для всех составов. После 30 мин прогрева все образцы показали снижение усадочных деформаций, что, по-видимому, можно объяснить разностью коэффициентов линейного температурного расширения наполнителя и полимера. При твердении в нормальных условиях молекулы полимера находятся в малонапряженном состоянии, при нагревании же за счет расширения частиц наполнителя объем полимерной композиции увеличивается. Дальнейшее нагревание вызывает снижение жесткости композита» что приводит к заполнению микродефектов и уменьшению объема, термические напряжения начинают суммироваться с усадочными. Затем образцы выдерживались при нормальной температуре. В первый час выдержки при t = 20 °C деформации увеличиваются, потом напряжения релаксируют до первоначального значения. Процесс релаксации заканчивается через 12 ч.
Усадка и температурные деформации каркасных композитов и полимерных матриц

Напротив, агрессивная среда и ее пары ведут к уменьшению усадочных деформаций. При соприкосновении жидкости с полимером в него начинают проникать молекулы жидкости. В результате этого цепи полимера раздвигаются и объем образца резко увеличивается. В большей степени изменение усадочных деформаций при кратковременном воздействии среды зависит от вязкости связующих. По экспериментальным данным (си. рис. 6.25) построены графические зависимости прогибов консоли составов на различных вяжущих. Связующее для испытаний было принято следующего состава (% по массе): смола — 14,8, гипериз — 0,6, нафтенат кобальта — 1,3, кварцевый песок — 58, оксид алюминия — 25,3. Из анализа полученных графиков следует, что составы на основе смол повышенной вязкости имеют большее расширение.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: