донбаська національна академія

будівництва і архітектури

Білошицька Наталія Іванівна

УДК 666.974

ПЛАСТБЕТОН НА МОДИФІКОВАНІЙ ФУРАНОВІЙ ЗВ’ЯЗУЮЧІЙ РЕЧОВИНІ ПІДВИЩЕНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівництва Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Руденко Наталія Миколаївна, Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, завідувач кафедри будівництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Базжин Лев Іванович,

Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг;

кандидат технічних наук

Попов Сергій Володимирович,

Дочірнє підприємство ПромбудНДІпроект державної корпорації “Укрбуд”, завідувач лабораторії науково-дослідного відділу №7.

Захист відбудеться 08 листопада 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус № 1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий 05 жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.М. Зайченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У цей час і в перспективі бетон і залізобетон є основними будівельними матеріалами. Обсяги й галузі їхнього застосування продовжують розширюватися. В останні роки в практиці будівництва простежується тенденція до застосування конструкцій, що сполучають несучі й огороджуючі функції, а також технологічного устаткування. Разом із цим ускладнюються умови їхньої роботи. Крім звичайних силових впливів, конструкції піддаються різноманітним впливам середовища у вигляді речовин (твердих, рідких, газоподібних), енергії (механічної, теплової, хімічної, електромагнітної) або їхніх комбінацій.

Пластбетони за своєю природою є високоміцними і стійкими матеріалами, властивості яких піддаються направленій зміні в широких межах. Високі показники статичної і динамічної міцності, зносостійкості і хімічного опору пластбетонів дозволяють широко використовувати їх при зведенні споруд, які експлуатуються в умовах дії різноманітних агресивних середовищ.

Ефективність застосування бетону й залізобетону в умовах агресивних впливів середовища підвищується в результаті створення нових видів, розширення обсягів використання бетону підвищеної корозійної стійкості, а також при виявленні надлишкових резервів корозійної стійкості матеріалів і конструкцій. Недооцінка ступеня агресивності середовища призводить до збільшення витрат на ремонт і відновлення конструкцій, а перебільшення - до зайвих витрат матеріалів і засобів на забезпечення стійкості. Сучасний рівень розвитку будівництва вимагає розробки бетонів, здатних сприймати зростаючі впливи природного й техногенного характеру, а також для особливих умов експлуатації, які можуть бути використані для проведення відбудовних робіт на існуючих об'єктах. Одержання таких бетонів повинно забезпечуватися технологією, заснованою на використанні сформованої виробничої бази й традиційних матеріалів. Такі бетони повинні мати проектну міцність, підвищену щільність й довговічність, зберігаючи всі переваги, що зробили їх основним конструкційним матеріалом будівництва. Удосконалена технологія вимагає якісно нового підходу, здатного забезпечити потенційний запас міцності матеріалу відновлюваної конструкції.

Необхідність розширення досліджень і вивчення особливостей поводження бетону й залізобетону в умовах впливу агресивних середовищ обумовлена вимогами зниження витрат у народному господарстві від корозії будівельних конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до госпдоговірної теми “Розробка нових ефективних матеріалів на основі техногенних продуктів промисловості” № 0105U4000238 (2005-2006 рр.). Автор є виконавцем науково-дослідної частини роботи з удосконалення технології відновлення конструкцій споруд, що експлуатуються в умовах впливу агресивних середовищ.

Метою роботи є розробка технології пластбетону з проектними експлуатаційними властивостями для ремонту й відновлення споруд спеціального призначення, що досягається за рахунок модифікування полімерної зв’язуючої речовини.

Задачі дослідження:

- дослідити початкові стадії формування просторової структури полімерної матриці, що є відповідальною за становлення експлуатаційних властивостей пластбетону;

- встановити особливості формування структури наповненої полімерної матриці;

- визначити оптимальний ступінь наповнення полімерної матриці пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині;

- визначити експлуатаційні характеристики розроблюваних пластбетонів для ремонтно-відбудовних робіт;

- розробити технологію виробництва ремонтних і відбудовних робіт із застосуванням пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині.

Об'єкт дослідження. Технологія і властивості пластбетонів для ремонтно-відбудовних робіт на спорудах спеціального призначення.

Предмет дослідження. Пластбетони для відновлення спеціальних споруд.

Методи дослідження. Дослідження процесів структуроутворення полімерної матриці пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині виконувались із застосуванням інфрачервоної спектроскопії. Аналіз структурних параметрів полімерної матриці пластбетону виконано методом ртутної порометрії. Співвідношення компонентів пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині визначалися з використанням математичного планування експерименту. Експлуатаційні властивості пластбетонів досліджувалися стандартними й спеціальними методами.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- доведено, що оптимізація структури наповненої полімерної матриці й, отже, одержання пластбетону із заданими експлуатаційними характеристиками здійснюється сополімеризацією фурфуролацетонового мономера з фуриловим спиртом і кислою смолкою, у результаті чого утворюються продукти отвердження, у складі яких містяться полярні ОН-групи з високою енергією когезії, кількість яких збільшується при розкритті фуранового кільця, взаємодіючи з новоутвореннями цементу й кольматуючи поровий простір;

- встановлені особливості формування міжфазного шару між полімером і мінеральною складовою пластбетону, товщина якого залежить від виду мікронаповнювача; при цьому зростання об'ємної частки міжфазного шару пов'язане зі збільшенням поверхні контакту, що визначає збільшення суми поверхневих сил взаємодії в контакті полімер - мінеральна складова пластбетону;

- встановлено, що зменшення внутрішніх напружень у наповненій полімерній матриці на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині з добавкою ПАР відбувається внаслідок зміни надмолекулярної структури полімера, при цьому глобулярна структура фуранової зв’язуючої речовини перетворюється у фібрилярну, що сприяє підвищенню еластичності й більш щільному упакуванню елементів на поверхні наповнювача.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена технологія пластбетону з використанням наповнених полімерних композицій із забезпеченням поліморфного замонолічування ушкоджених елементів споруд. За розробленою технологією виконаний ремонт дорожнього покриття території заводу залізобетонних конструкцій виробничого об'єднання “Луганськзалізобетон”. При цьому економічний ефект склав 53,6 тис. грн.

Економічна ефективність розробленої технології ремонту й відновлення елементів споруд спеціального призначення на основі модифікованої фуранової зв’язуючої речовини ФАКФ склала 167 грн/м3 у порівнянні з відомою технологією без урахування підвищення експлуатаційних характеристик пластбетону.

Особистий внесок здобувача складається в розкритті механізму структуроутворення наповненої полімерної матриці пластбетону, у виконанні експериментальних досліджень і визначенні параметрів технології виробництва пластбетонних сумішей підвищеної стійкості в умовах впливу агресивних середовищ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлялися на науково-технічному семінарі “Практика застосування добавок до цементів, бетонів і будівельних розчинів” (м. Київ, 2004 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону і його технологій” (м. Київ, 2004 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Стародубовські читання” (м. Дніпропетровськ, 2004, 2005 р.), II Всеукраїнській науково-технічній конференції “Морозостійкі бетони” (м. Чернівці, 2006 р.), II міжнародній науково-технічній конференції “Математичні моделі процесів у будівництві. Залізобетонні конструкції й матеріали” (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені у восьми статтях у збірниках наукових праць, що входять до переліку, затвердженого ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація викладена на 150 сторінках основної частини тексту й складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 161 найменування, містить 21 таблицю й 25 рисунки, два додатка на трьох сторінках.

основний ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, наведені положення наукової новизни і практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ містить сучасні уявлення про пластбетони, в ньому представлений аналіз закономірностей структуроутворення пластбетонів і доведена доцільність застосування пластбетонів на основі фурфуролацетонового мономеру ФА для ремонтно-відбудовних робіт на спорудах спеціального призначення. Показано, що особливість полімерутворення фуранових смол типу ФА полягає в тому, що при проходженні реакції поліконденсації виділяється вода, що послаблює зв'язки полімеру з наповнювачем і заповнювачами. Цей процес призводить до зниження показників фізико-механічних властивостей пластбетону.

Прийнято концепцію ресурсозбереження в одержанні пластбетону із заданим комплексом властивостей. Ресурсозбереженню присвячені роботи багатьох дослідників, які вивчали композиційні матеріали на органічних (бітуми, дьогті) та полімерних в’яжучих - Л.І. Базжин, П.І. Боженов, В.І. Братчун, М.І. Волков, І.П. Гамеляк, Л.Б. Гезенцвей, М.В. Горелишев, І.Л. Єлшин, В.К. Жданюк, В.О. Золотарьов, Я.Н. Ковальов, А.С. Колбановська, А.В. Космин, В.А. Лисенко, Т.В. Ляшенко, В.В. Маліновський, В.В. Мозговий, Ю.І. Орловський, А.М. Плугін, С.В. Попов, І.О. Риб’єв, І.М. Руденська, Р.Ф. Рунова, В.Я. Савченко, В.І. Соломатов, Г.К. Сюньї, В.Л. Чернявський, Bischof G., Dickinson E.J., Feller M., Gerschler L.J., Grau R.W., Haga N., Holter H., Pickard S., Pietzeniuk H., Lang H. та ін.

На підставі проведеного аналізу особливостей властивостей різних полімерних зв’язуючих речовин сформульована гіпотеза дослідження.

При сополімеризації мономера ФА й фурилового спирту у сполученні з кислою смолкою утворюється нерозчинний полімерний продукт. Пластбетон відрізняється підвищеними опором удару, міцністю при згині, а також високою морозостійкістю при мінімальних усадочних деформаціях.

У зв’язку з тим, що у процесі полімеризації мономера ФА конденсується внутрішня волога і просторова зшивка молекул при отвердженні мономера здійснюється не в повному обсязі, необхідно розробити умови її зв’язування. Це підвищить цілий ряд експлуатаційних властивостей пластбетону. Вибір поглинача вологи є важливим етапом наукового дослідження розроблюваного пластбетону.

У другому розділі наведені основні характеристики використаних матеріалів. У дослідженнях застосовували такі матеріали: полімерна зв’язуюча речовина – фурфурольно-ацетоновий мономер ФА Миколаївського гідролізно-дріжджового заводу. Для модифікації полімерної зв’язуючої речовини використана кисла смолка – техногенний продукт Дніпропетровського коксохімічного заводу, а також фуриловий спирт – побічний продукт виробництва фурфуролу. Отверджувач фуранової зв’язуючої речовини – бензолсульфокислота (БСК) С6Н5SО3Н. В якості наповнювачів використано пил газоочищення виробництва феросиліцію (ПГВФ), одержаний з фільтрових осадків Стахановського заводу феросплавів, мелений цегельний бій, шлам гірничо-збагачувальних комбінатів (ГЗК) Криворізького гірничорудного басейну. Для з'ясування впливу різних факторів на процеси структуроутворення наповненої полімерної матриці пластбетону використаний портландцемент ПЦ II/Б-Ш-400 Краматорського цементного заводу і ПЦ I-400-Н ВАТ “Балцем”.

Як заповнювачі застосовувалися пісок кварцовий кар'єру “Кондрашевська Нова”; пісок кварцово-залозистий з відходів гірничо-збагачувальних комбінатів, щебінь гранітний Бугаївського кар'єру, щебінь Марусинського кар'єру, а також щебінь з бою глиняної цегли.

Експлуатаційні властивості пластбетонів досліджувались стандартними та спеціальними методами. Дослідження процесів структуроутворення полімерної матриці пластбетону на модифікованій фурановій композиції здійснювались із застосуванням інфрачервоної спектроскопії. Аналіз структурних параметрів полімерної матриці пластбетону проводився методом ртутної порометрії.

У третьому розділі досліджені особливості структуроутворення наповнених полімерних композицій. Встановлено, що підвищення експлуатаційних характеристик пластбетону на мономері ФА здійснюється у результаті полімеризації мономеру з фуриловим спиртом у присутності кислої смолки. При цьому інтенсифікується процес отвердження в нормальних умовах, що відповідає технологічним особливостям ремонтних пластбетонів. Поліпшені експлуатаційні характеристики полімерної матриці бетону отримані при використанні портландцементу як поглинача конденсаційної вологи.

Перебіг процесів взаємодії компонентів модифікованої полімерної композиції відбувається таким чином. При введенні мономеру ФА разом із кислою смолкою і фуриловим спиртом смола, що має глобулярну будову, утворює локальні просторові структури у присутності отверджувача. При взаємодії полімерного розчину з поверхнею часток цементу утворюється рівноважний адсорбційний шар смоли. Смола та продукти її затвердження внаслідок наявності полярних ОН-груп з високою енергією когезії і звільнення додаткової їх кількості при розкритті фуранового кільця мають високу адгезійну здатність як до поверхонь, так і до продуктів гідратації клінкерних мінералів. Завдяки цьому отверджені продукти смоли, що осідають у капілярно-пористій системі розчину при відсмоктуванні води цементом, а також смола, адсорбована на поверхні продуктів гідратації, кольматують поровий простір і перешкоджають виникненню фільтраційних потоків порової рідини. Утворення додаткових зв'язків у полімерній матриці, що отверджується, зв'язування розчинника в сітці мікрогелю, а також кольматація порового простору сприяють підвищенню седиментаційної стійкості розчину.

У процесі утворення кристалогідратів клінкерних мінералів їх голкоподібні кристалики вростають у згустки молекул полімеру. В результаті цього молекули притягаються до кристалів поверхневими силами. Кількість введеної полімерної композиції впливає на щільність пластбетону; механізм впливу полягає в наступному. При невеликому масовому вмісті полімерної композиції в бетоні полімер покриває зерна мінеральної складової бетону (цементу та мікронаповнювача), віддаляючи їх один від одного та збільшуючи об’єм матриці. При збільшенні вмісту полімерної композиції поступово заповнюються пустоти й одночасно зростає щільність матриці. Підвищення міцності пластбетону при оптимальному вмісті полімерної композиції пояснюється взаємодією міжмолекулярних сил між пружними плівками полімеру та кристалічними гідратними новоутвореннями мінералів цементу.

Молекули полімеру утворюють плівки навколо часток мінеральної складової. Товщина сольватної оболонки полімеру залежить від мінералогічного складу, розміру та форми часток мінеральної складової, а також від зовнішніх умов. Частки мікронаповнювача практично не активні щодо полімеру, на відміну від часток цементу, тому характер взаємодії їх з диполями полімеру різний. При однаковому мінералогічному складі на мінеральних частках більшого розміру утворюється шар полімеру більшої товщини, ніж на частках меншого розміру. Це явище пояснюється тим, що у безпосередній близькості від поверхні часток твердої фази силове поле мало залежить від розміру часток, тому ступінь притягання приблизно однаковий у часток різної крупності. По мірі віддалення від поверхні напруга силового поля змінюється неоднаково – на однаковій відстані від поверхні напруга менше навколо дрібних часток з більшою кривизною поверхні, ніж навколо більших, і великі частки мінеральної складової оточені полімерними плівками більшої товщини у порівнянні з дрібними частками.

Встановлено високу ефективність введення портландцементу до складу полімерної композиції. При цьому експериментально встановлено, що при полімеризації кількість вільної води складає близько 6% від маси мономеру. Виходячи з цього визначено оптимальний вміст портландцементу у полімерній композиції, що складає 10…12% від маси мономеру. На рис. 1 приведені результати дослідження міцності наповненої полімерної матриці пластбетону у віці 28 діб.

Встановлено утворення упорядкованої просторової структури наповненої полімерної матриці бетону, що характеризується зменшенням пористості. У процесі триваючої гідратації зерен цементу збільшується об’єм новоутворень, у зв'язку з чим поступово зменшується об’єм капілярно-пористого простору. Інтегральна пористість підтверджує зменшення об’єму пор при введенні у модифіковану полімерну композицію ФАКФ цементу та мікронаповнювача, причому ефект наповнення вищий при введенні шламу ГЗК. При наповненні полімерної сполуки ФАКФ цементом і ПГВФ максимум пористості припадає на пори радіусу 710-8 м, а при наповненні цементом і шламом ГЗК - 210-8 м.

Терміни тужавіння полімерних композицій та фактори, що впливають на них, наведені у табл. 1 (у чисельнику – вміст отверджувача у суміші з ФА, у знаменнику – те ж, у суміші з ФАКФ).

Для визначення оптимальної кількості отверджувача проведені дослідження міцності зразків ненаповнених фуранових сполук, що отверджувалися в різних умовах (табл. 2).

Таблиця 1

Терміни отвердження фуранових зв’язуючих речовин

Вид сполуки | Температура повітря, оС |

Терміни тужавіння, хв, при вмісті отверджувача, % від маси композиції

22 / 18 | 26 / 22 | 31 / 27

ФА | 20 | 118 | 94 | 68

30 | 64 | 52 | 36

35 | 38 | 33 | 24

ФАКФ (ФА 80%, кисла смолка 10%, фуриловий спирт 10%) | 20 | 116 | 94 | 69

30 | 67 | 49 | 46

35 | 39 | 37 | 29

Таблиця 2

Міцність фуранових композицій нормального отвердження

Вид полімеру | Міцність, МПа, з кількістю бензолсульфокислоти,

% від маси полімеру

при стиску | при згині

18 | 22 | 24 | 27 | 18 | 22 | 24 | 27

ФА | 77,2 | 66,4 | 61,8 | 56,2 | 18,2 | 21,1 | 17,4 | 15,7

ФАКС | 78,6 | 83,5 | 76,2 | 72,2 | 21,4 | 19,3 | 16,8 | 15,9

ФАКФ | 83,4 | 89,2 | 83,8 | 74,2 | 29,4 | 32,6 | 26,2 | 21,7

Таким чином, при дослідженні впливу бензолсульфокислоти на властивості полімерних композицій встановлено, що оптимальна кількість отверджувача для ФА знаходиться у межах 22…24% від маси мономеру, а в сумішах з ФАКФ – 18…20%. На підставі результатів проведених досліджень встановлена ефективність модифікованої полімерної зв’язуючої речовини ФАКФ як у ненаповнених, так і в наповнених композиціях.

З метою розкриття механізму отвердження фуранових смол у присутності бензолсульфокислоти використаний метод інфрачервоної спектроскопії. Процес отвердження ФАКФ у присутності бензолсульфокислоти починається полімеризацією іонного характеру з проміжним утворенням карбоіону. Каталітична дія отверджувача виявляється у передачі протона Н+. Полімеризація відбувається за рахунок етиленових груп фуранового кільця, що підтверджується зменшенням інтенсивності смуг 810, 830, 930, 980, 1610 см-1. Зменшення інтенсивності смуги 1610 см-1 і поява смуги 1260 см-1 відповідають зниженню концентрації сполучених карбонільних груп –СН=СН–СО–СН=СН– та –СН=СН–СО– і утворенню ефірної групи –С–О–С–, що сприяє розкриттю карбонільної групи з наступним утворенням простого ефіру. Зменшення інтенсивності смуги 1350 см-1 і поява смуги поглинання 1720 см-1 після отвердження відповідає зниженню концентрації метиленових груп СН3 і появі кетонів за рахунок реакції конденсації молекул монофурфуриліденацетону.

Модифікування поверхні мінеральної складової повинно відбуватися таким чином, щоб між фурановою смолою і поверхнею цементу та мікронаповнювача виникли сили взаємодії, здатні розгорнути полімерний ланцюжок на межі розподілу фаз. Поверхнево-активні речовини дозволяють різко змінити природу дотичних поверхонь і умови взаємодії між ними, зокрема, підвищити зчеплення полімеру з мінеральною складовою. При приготуванні пластбетонної суміші таке підвищення зчеплення досягається гідрофобізацією поверхні мінеральної складової полімерної композиції в результаті адсорбції ПАР з утворенням орієнтованого шару молекул ПАР вуглецевоводними ланцюгами в органічне середовище. У дослідженнях у якості ПАР використані катіонактивний оксид алкілдіметиламіна (ОАДМА), аніонактивна суміш натрових солей сульфоефірів вторинних спиртів (СНС), а також алкілдіметилбензіламонійхлорид (АДМАХ). Оптимальна кількість ПАР знаходиться в межах 0,65…0,75%.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу структуроутворюючих факторів на властивості пластбетонів. Реологічні властивості сумішей представлені в табл. 3. У дослідженнях в якості мікронаповнювача використаний шлам ГЗК з питомою поверхнею 250 м2/кг.

Таблиця 3

Залежність легкоукладальності пластбетонних сумішей

від коефіцієнта розсунення зерен заповнювача

Товщина

зв’язуючого шару, 10-4 м | Відношення полімер - мінеральна складова | Легкоукладальність суміші, с (см),

з коефіцієнтом розсунення

1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5

1,0…1,25 | 0,6 | 25 с | 0-2 см | 2-4 см | 2-4 см | 3-5 см

0,7 | 20 с | 15 с | 1-2 см | 1-3 см | 2-4 см

0,8 | 15 с | 0-1 см | 1-2 см | 1-3 см | 2-4 см

0,5…0,75 | 0,6 | 60 | 55 | 40 | 25 | 20

0,7 | 55 | 45 | 30 | 25 | 15

0,8 | 35 | 25 | 20 | 10 | 10

За результатами досліджень оптимальна легкоукладальність характерна для пластбетонних сумішей з коефіцієнтом розсунення зерен заповнювача =1,3…1,5 і товщиною зв’язуючого шару =(1,0...1,25)10-4 м. Встановлено оптимальне відношення полімер – мінеральна складова в межах 0,66…0,72.

Встановлено, що міцність пластбетону на модифікованій фурановій композиції залежить від механічних і деформативних властивостей наповненої полімерної матриці. Проведеними дослідженнями усадкових деформацій пластбетону встановлено, що незворотна залишкова усадка пластбетону на мономері ФА складає 0,68 мм/м із заповнювачем з бою цегли та 0,46 мм/м на гранітному щебені, а усадка пластбетону на модифікованій полімерній композиції ФАКФ на щебені з бою цегли знижується до 0,46 мм/м, на гранітному щебені – до 0,42 мм/м. Таким чином, величина усадки залежить від складу пластбетону.

У п'ятому розділі досліджені експлуатаційні властивості модифікованого пластбетону.

Досліджено стійкість пластбетону на модифікованій фурановій композиції ФАКФ в умовах дії різних агресивних середовищ (табл. 4).

Дані табл. 4 підтверджують явище додаткового отверждення модифікованого пластбетону, а, отже, підвищення коефіцієнта стійкості в агресивних середовищах.

Таблиця 4

Коефіцієнти стійкості зразків пластбетону на модифікованій

фурановій композиції ФАКФ і гранітному щебені

Агресивне середовище | Тривалість дослідження, місяців | Зміна маси, % | Міцність, МПа | Коефіцієнт стійкості

при

згині | при стиску | при

згині | при

стиску

5% розчин соляної кислоти | 1 | +0,15 | 20,54 | 85,65 | 0,96 | 0,98

6 | +0,34 | 19,90 | 82,15 | 0,93 | 0,94

12 | +0,51 | 19,26 | 80,41 | 0,90 | 0,92

20% розчин соляної кислоти | 1 | +0,26 | 21,18 | 86,52 | 0,99 | 0,99

6 | -0,28 | 20,33 | 83,90 | 0,95 | 0,96

12 | -0,64 | 20,12 | 82,15 | 0,94 | 0,94

Примітка. Склад пластбетону: модифікована фуранова зв’язуюча речовина ФАКФ – 12%, бензолсульфокислота – 2%, (мікронаповнювач+цемент) – 12%, пісок – 32%, щебінь гранітний – 42%. Границя міцності при стиску контрольних зразків – 87,4 МПа, на розтяг при згині – 21,4 МПа.

На щільність і непроникність пластбетонів впливає, поряд з видом наповнювача, також вид поверхнево-активної речовини, що вводиться до складу бетонної суміші. З аналізу результатів дослідів випливає, що практично усі використані ПАР знижують водопоглинання зразків пластбетону на модифікованій фурановій композиції ФАКФ у порівнянні з контрольними зразками в середньому на 22...26%. З урахуванням виду наповнювача встановлено, що деструкція модифікованих складів пластбетону з використанням ПГВФ зменшується при введенні ПАР в 2,7...13 разів, а при введенні тонкодисперсного шламу ГЗК - у 2...5 разів. Таким чином, ефект застосування ПАР більш виражений при наповненні фуранової композиції ПГВФ. Зразки пластбетону з використанням шламу ГЗК навіть без добавки пластифікатора відрізняються більшою стійкістю у воді, а з використанням ПАР деструкція зразків пластбетону у воді менш значна, ніж із застосуванням наповнювача ПГВФ.

Дослідження корозійної стійкості арматури в пластбетоні на модифікованій фурановій композиції ФАКФ показали, що агресивні іони, які входять до складу вологи, що дифундує до арматури, у реакціях не приймають участі. Таким чином, нестаціонарний процес полягає в тому, що по мірі дифузії агресивної рідини до електроду підвищується концентрація агресивної речовини, що викликає збільшення електропровідності середовища. Корозія арматури розвивається за рахунок виникнення гетерогенного локального механізму корозії. Локальний механізм, створений наявністю включень у виді поверхневих оксидів, також йде з водневою деполяризацією. Киснева деполяризація неможлива в середовищі пластбетону доти, доки не з'являться тріщини в захисному шарі, через які атмосферний кисень проникає до арматури (табл. 5).

При однакових товщині захисного шару пластбетону, умовах отвердження й агресивного впливу середовищ величина швидкості корозії арматури в бетоні на гранітному щебені в середньому на 46% менше, ніж у бетоні на щебені з бою цегли, що пояснюється меншою дифузійною проникністю пластбетону на гранітному щебені.

Таблиця 5

Корозія сталевої арматури в пластбетоні на модифікованій фурановій

композиції ФАКФ (тривалість досліджень 24 місяці)

Пластбетон на заповнювачі | Агресивне середовище | Товщина захисного шару, мм | Показники корозії

площа

корозії, % | втрата маси, г/м2 | швидкість корозії, г/м2ч10-4 | проникненість,

мм/год | глибина корозії, мкм

Гранітний щебінь |

Вода | 15 | 40-45 | 16,4 | 18,1 | 0,0009 | 471

20 | 35-39 | 9,8 | 7,6 | 0,0005 | 293

5% розчин соляної кислоти | 15 | 70-75 | 20,0 | 30,0 | 0,0011 | 853

20 | 58-65 | 14,8 | 13,7 | 0,0008 | 762

Бій цегли |

Вода | 15 | 70-80 | 26,2 | 34,0 | 0,0015 | 569

20 | 60-65 | 15,7 | 17,9 | 0,0008 | 481

Таким чином, при проведенні досліджень отримані експериментальні дані щодо швидкості корозії сталевої арматури в пластбетоні на гранітному щебені і щебені з цегляного бою, що дає можливість прогнозування термінів служби армопластбетонних конструкцій, призначених для відновлення споруд. Такі конструкції з точки зору економічної доцільності повинні застосовуватися в якості спеціального захисту при експлуатації в сильно агресивних середовищах. Для пластбетонних армованих конструкцій визначені критерії визначення терміну служби, які відрізняються від критеріїв для залізобетонних конструкцій.

Експлуатаційна стійкість модифікованого пластбетону визначається також його морозостійкістю, експериментальні дані приведені в табл. 6.

Таблиця 6

Морозостійкість пластбетону на модифікованій фурановій композиції ФАКФ

Вид запов-нювача | Кількість циклів | Міцність при стиску, МПа | Кмрз | Кводост

після заморожування-відтавання | при витримуванні у воді | при витримуванні на повітрі

Гранітний щебінь |

50 | 82,0 | 77,7 | 85,4 | 0,96 | 0,91

100 | 82,1 | 75,9 | 87,3 | 0,94 | 0,87

150 | 77,2 | 72,0 | 86,7 | 0,89 | 0,83

200 | 72,2 | 70,4 | 85,9 | 0,84 | 0,82

300 | 69,9 | 66,5 | 85,2 | 0,82 | 0,78

Бій цегли | 50 | 58,2 | 56,3 | 64,7 | 0,90 | 0,87

100 | 56,7 | 52,4 | 65,9 | 0,86 | 0,795

150 | 53,8 | 50,5 | 66,4 | 0,81 | 0,76

300 | 46,7 | 44,8 | 64,9 | 0,72 | 0,69

На відміну від бетонних і залізобетонних елементів, коефіцієнт морозостійкості для пластбетону на полімерній композиції ФАКФ досягає 0,96, що свідчить про високу стійкість матеріалу в умовах змінного заморожування – відтавання.

Технологія пластбетонних сумішей на модифікованій фурановій композиції ФАКФ характерна особливостями в частині приготування полімерної композиції та введення її у пластбетонну суміш. Технологічна схема приготування пластбетонної суміші на фурановій композиції ФАКФ розроблена в двох варіантах – приготування пластбетонної суміші здійснюється одночасно та за роздільною схемою.

Спочатку в барабан змішувача завантажується необхідна для замісу кількість щебеню, після чого відбувається його перемішування протягом 2 хв. Потім з дозаторів завантажуються пісок, цемент і мікронаповнювач і перемішуються 3...4 хв. При цьому волога, що міститься в заповнювачах, поглинається цементом. Після цього завантажується попередньо приготовлена фуранова композиція без отверджувача. Безпосереднє змішування фуранової композиції з бензолсульфокислотою не допускається. Перемішування мінеральних компонентів із зв’язуючим компонентом здійснюється до одержання однорідної за кольором маси протягом 4…5 хв. Тільки після цього в суміш вводиться отверджувач, температура якого 50…60оС, і перемішування продовжується ще 3...4 хв. Таким чином, цикл перемішування складає 12...16 хв. Тривалість циклу можна скоротити до 7…10 хв, якщо встановити додатковий змішувач для перемішування мінеральних тонкодисперсних компонентів – цементу та наповнювача – з фурановою композицією і отверджувачем, тобто для одержання полімерної мастики (рис. 2).

У цьому випадку послідовність операцій з приготування пластбетонної суміші наступна: дозування і завантаження у змішувач щебеню, обертання барабана з щебенем протягом 2...3 хв, дозування і завантаження у змішувач піску і цементу, кількість якого корегується з урахуванням вологості заповнювачів, і перемішування мінеральних компонентів 2...3 хв. Одночасно в інший змішувач завантажується дозована кількість мінерального мікронаповнювача і фуранової композиції, суміш ретельно перемішується 3...4 хв. Потім в отриману мастику вводиться отверджувач бензолсульфокислота у виді розплаву і відбувається перемішування протягом 2...3 хв. Таким чином, у двох змішувачах за 4...6 хв паралельно одержують суміш заповнювачів і цементу і полімерну мастику. Завершує процес введення полімерної мастики у суміш заповнювачів і перемішування протягом 3...4 хв.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичне узагальнення й рішення практичного завдання, що складається в розробці технології пластбетону з підвищеними експлуатаційними характеристиками на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині, призначеного для ремонту й відновлення конструкцій. Основні наукові й практичні результати, отримані в дисертаційній роботі, полягають у наступному.

1. Визначено основні закономірності формування структури полімерної зв’язуючої речовини при введенні до її складу високодисперсних наповнювачів різної мінералогії. Введення частини портландцементу призводить до збільшення міцності й щільності наповненої полімерної матриці на 16...18%, що підтверджує доцільність використання цементу для поліпшення властивостей пластбетону.

2. Розроблений пластбетон на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині ФАКФ являє собою складний гетерогенний матеріал, поводження якого під навантаженням можна розглядати як поводження двохкомпонентної системи. Внаслідок розходження фізико-механічних властивостей складових пластбетону в процесі отвердження наповненої полімерної матриці виникають внутрішні напруження, розподіл яких не підкоряється законам суцільних середовищ. Істотний вплив на неоднорідність поля напружень чинять також форма, рельєф і чистота поверхні зерен заповнювача, його гранулометричний склад і об'ємний вміст у пластбетоні. У зв'язку із цим міцність зчеплення заповнювача з наповненою полімерною матрицею впливає на міцність пластбетону.

4. Встановлено, що в наповненій полімерній матриці на основі модифікованої фуранової зв’язуючої речовини ФАКФ величини напружень розтягу змінюються залежно від відстані між частками наповнювача, зменшуючись при збільшенні до певної межі ступеня наповнення матриці. Армуюча роль наповнювача проявляється в перерозподілі внутрішніх напружень і у гальмуванні розвитку деформацій усадки, а, отже, і процесу мікротріщиноутворення.

5. Експериментально встановлено, що використані в дослідженнях ПАР знижують внутрішні напруження в пластбетоні, що пояснюється зміною надмолекулярної структури й поверхневого натягу полімерної зв’язуючої речовини. При введенні ПАР у фуранову композицію глобулярна структура полімерної зв’язуючої речовини перетворюється у фібрилярну, сприяючи підвищенню еластичності й більш щільній упаковці елементів на поверхні наповнювача й збільшенню адгезії й міцності на розрив наповненої композиції на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині.

6. Встановлено, що наповнення полімерної матриці пластбетону цементом у сполученні з мікронаповнювачем переривчастої гранулометрії забезпечує зниження інтегральної пористості й оптимальну зміну диференційної пористості матеріалу убік зниження максимуму пор розміром 10-6…10-5м до розміру 210-8 м.

7. Встановлене підвищення експлуатаційних характеристик пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині ФАКФ у порівнянні з характеристиками пластбетону на мономері ФА: приріст міцності пластбетону становить 22...27%, зростання ступеня полімеризації до 99% при завершенні формування проектної міцності до 28 діб при отвердженні в природних умовах; зниження усадочних деформацій на 39...52% залежно від складу пластбетону; збільшення коефіцієнта стійкості до 0,88...0,96 при випробуванні в агресивних розчинах; зниження швидкості корозії у віці 1 року з 46...48 до 4...7 г/м2ч10-4.

8. Розроблено технологічні схеми приготування пластбетонної суміші на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині Факф для відновлення несучої здатності бетонних і залізобетонних елементів, особливістю яких є виключення енергоємної операції сушіння заповнювачів при використанні цементу як поглинача вологи. Економічна ефективність розробленої технології ремонту й відновлення елементів споруд спеціального призначення на основі модифікованої фуранової зв’язуючої речовини ФАКФ склала 167 грн/м3 у порівнянні з відомою технологією без урахування підвищення експлуатаційних характеристик пластбетону. За розробленою технологією виконано ремонт дорожнього покриття території заводу залізобетонних конструкцій виробничого об'єднання “Луганськзалізобетон”, економічний ефект склав 53,6 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Руденко Н.Н., Пунагин В.В., Белошицкая Н.И. Развитие концепции бетонов нового поколения//Вісник ДонДАБА – 2005. – № 1. Вип. – 1 (49). – С. 16-20 (Виконано проектування складів бетону).

2. Технология защиты конструкций сооружений специального назначения/Пшинько А.Н., Руденко Н.Н., Пунагин В.В., Руденко Д.В., Пунагина Ю.В., Белошицкая Н.И.//Сб. научн. трудов. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. – Днепропетровск: ПГАСА. – 2005. – № 35. – 138-144 (Розроблена технологічна схема приготування пластбетонной суміші).

3. Руденко Н.М., Руденко Д.В., Білошицька Н.І. Фізико-хімічні закономірності структуроутворення бетонів з високими експлуатаційними властивостями//Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. Серія “Технічні науки”. – 2005. – № 55 (78). – С. 68-75 (Визначені закономірності структуроутворення наповненої полімерної матриці бетону).

4. Применение активированных цементных систем для ремонта сооружений специального назначения/Н.Н. Руденко, В.В. Пунагин, В.А. Бугаев, Н.И. Белошицкая//Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформації. – 2006. – № 1 (12). – С. 39-42 (Визначені структуроутворюючі фактори, що впливають на процес ущільнення ремонтного шару бетону).

5. Особенности физико-химических взаимодействий в активированной цементной матрице/Руденко Н.Н., Пунагин В.В., Руденко Д.В., Бугаев В.А., Белошицкая Н.И.//Вісник Доннаба. – 2006. – Вип. 5 (61). – С. 103-109 (Запропонований полімерний компонент органо-мінерального комплексу).

6. Особенности физико-химических взаимодействий в активированной цементной системе/Н.Н. Руденко, В.В. Пунагин, М.Х. Сиддиков, Н.И. Белошицкая//Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна. – 2006. – Вип. 11. – С. 198-200 (Виконано обґрунтування застосування органічного компонента бетону).

7. Білошицька Н.І. Підвищення корозійної стійкості бетонів спеціального призначення//Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. Серія “Технічні науки”. – 2007. – № 71 (94). – С. 367-371.

8. Білошицька Н.І. Особливості структуроутворення наповнених полімерних композицій//Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2007. – № 6 (112). – С. 219-222.

АНОТАЦІЯ

Білошицька Н.І. Пластбетон на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині підвищеної довговічності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2007.

У дисертації вирішено науково-практичне завдання розробки основ технології пластбетону з підвищеними експлуатаційними характеристиками, який використовується для ремонту та відновлення споруд спеціального призначення за рахунок модифікування полімерної зв’язуючої речовини. Доведено, що оптимізація структури наповненої полімерної матриці і, отже, одержання пластбетону з заданими експлуатаційними характеристиками здійснюється сополімеризацією фурфуролацетонового мономера з фуриловим спиртом та кислою смолкою, в результаті чого продукти твердження, у складі яких утворюються полярні ОН-групи з високою енергією когезії, кількість яких збільшується при розкритті фуранового кільця, взаємодіють з новоутвореннями цементу та кольматують поровий простір.

Встановлено підвищення експлуатаційних характеристик пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині ФАКФ у порівнянні з характеристиками пластбетону на мономері ФА: приріст міцності пластбетону складає 22…27%, зростання ступеню полімеризації до 99% при завершенні формування проектної міцності до 28 діб при твердненні у природних умовах; зниження усадочних деформацій на 39…52% у залежності від складу пластбетону; збільшення коефіцієнта стійкості до 0,88…0,96 при випробуванні в агресивних розчинах; зниження швидкості корозії у віці 1 року з 46…48 до 4…7 г/м2год10-4. Розроблені технологічні схеми виробництва ремонтних робіт при відновленні несучої спроможності бетонних та залізобетонних елементів з використанням пластбетону на модифікованій фурановій зв’язуючій речовині, особливістю яких є виключення енергоємної операції сушки заповнювачів при використанні цементу в якості поглинача вологи.

Ключові слова: полімер, фурфуролацетоновий мономер, фуриловий спирт, кисла смолка, пластбетон, технологія.

аннотация

Белошицкая Н.И. Пластбетон на модифицированном фурановом связующем повышенной долговечности. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2007.

В диссертации решена научно-практическая задача разработки основ технологии пластбетона с повышенными эксплуатационными характеристиками, предназначенного для ремонта и восстановления сооружений специального назначения за счет модифицирования полимерного связующего.

Установлен механизм структурообразования полимерной матрицы пластбетона на модифицированном фурановом связующем с введением минерального микронаполнителя и цемента, заключающийся в полимеризации ионного характера с промежуточным образованием карбоиона и передачей протона Н+ в гидратную среду цемента, что способствует образованию плотной матрицы бетона. Доказано, что оптимизация структуры наполненной полимерной матрицы и, следовательно, получение пластбетона с заданными эксплуатационными характеристиками осуществляется сополимеризацией фурфуролацетонового мономера с фуриловым спиртом и кислой смолкой, в результате чего продукты отверждения, в составе которых образуются полярные ОН-группы с высокой энергией когезии, количество которых увеличивается при раскрытии фуранового кольца, взаимодействуя с новообразованиями цемента и кольматируя поровое пространство. Выявлена причина усадочных деформаций наполненной матрицы пластбетона, заключающаяся в структурных трансформациях под воздействием вторичных Ван-дер-ваальсовых сил на поверхности высокодисперсных частиц наполнителя при переходе полимерного связующего из вязкопластичного состояния в твердое. Установлено, что уменьшение внутренних напряжений в наполненной полимерной матрице на модифицированном фурановом связующем с добавкой ПАВ происходит вследствие изменения надмолекулярной структуры связующего, при этом глобулярная структура связующего превращается в фибриллярную, что способствует повышению эластичности и более плотной упаковке элементов на поверхности наполнителя.

Разработанная технология ремонтно-восстановительных работ основывается на применении специальных полимерных композиций, особенностью которых является химическое взаимодействие с составляющими материала конструкции с формированием в местах контакта структурных связей, что обеспечивает восстановление эксплуатационных характеристик конструкций и их защиту от воздействия агрессивных сред.

Экономическая эффективность разработанной технологии ремонта и восстановления элементов сооружений специального назначения на основе модифицированного фуранового связующего ФАКФ составила 167 грн/м3 по сравнению с известной технологией без учета повышения эксплуатационных характеристик пластбетона.

Ключевые слова: полимер, фурфуролацетоновый мономер, фуриловый спирт, кислая смолка, пластбетон, технология.

SUMMARI

Beloshitskaya N.I. Plastoconcrete with modified polymeric binder of increased durability. - Manuscript.

Thesis for a candidate of the technical sciences degree on speciality 05.23.05 - building materials and products. – Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture of the Department of education and science of Ukraine, Makeyevka, 2007.

Scientific and practical task of development of technology basics of plastoconcrete with improved operating characteristics, intended for repair and restoration of constructions of special purpose by modifying of polymeric binder, was accomplished in the thesis.

The improvement