ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ХАРЧЕНКО Катерина Сергіївна

УДК [725.95:691.328].004.5:678.6

МОДИФІКОВАНІ ПОЛІМЕРНІ КОМПОЗИЦІЇ НА ОСНОВІ ЕпоксиднИх СМОЛ ДЛЯ ВІДНОВЛЕННЯ поверхні АРХІТЕКТУРНИХ ЕЛЕМЕНТІВ БУДівель та СПОРУД

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Приходько Анатолій Петрович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури,

завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савін Лев Сергійович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри екології та охорони навколишнього середовища;

доктор хімічних наук, професор

Довгань Ірина Валентинівна,

Одеська державна академія будівництва та архітектури, зав. кафедрою хімії та екології.

Захист відбудеться 15 травня 2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, ауд. 202, за адресою: м.Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а , 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: м.Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а , 49600.

Автореферат розісланий 8 квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К.В. Баташева

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вплив агресивних природних і антропогенних факторів є основною причиною зниження довговічності кам'яних, бетонних і залізобетонних будівель та споруд та їх архітектурних елементів. В основному в наслідок зволоження й висихання, заморожування й відтаювання, дії хімічних речовин - відбувається руйнування зовнішніх елементів конструкцій будівель і споруд. Експлуатація споруд та архітектурних елементів повинна передбачати їх захист від шкідливого зовнішнього впливу. Як показує практика, використання лише традиційних цементних розчинів для забезпечення довговічності й відновлення елементів конструкцій будівель і споруд малоефективне.

Використання полімерних композицій є одним із перспективних напрямків в улаштуванні захисних покриттів, що забезпечують підвищення довговічності будівель і споруд, а також архітектурних елементів. Відомо багато полімерних матеріалів, що традиційно застосовуються для відновлення зруйнованих бетонних конструкцій. Використання смол кислого твердіння для ремонту кам'яних, бетонних і залізобетонних будівель і споруд небажано, оскільки, як відомо, цементний камінь має лужне середовище, що зменшує показники адгезійної міцності такого виду полімерів з матеріалами споруд. А проведення попередньої кислотної обробки з метою декарбонізації бетонної поверхні, що ремонтується, істотно ускладнює технологічний процес. Крім того, розчинення карбонатів призводить до збільшення проникності конструкцій та руйнування бетонної поверхні. Полімерний матеріал повинен мати високі показники за міцністю, стиранням, водонепроникністю, морозостійкості, корозійною стійкістю й забезпечувати високе зчеплення з поверхнею, що ремонтується. Ряд проведених досліджень показує, що весь цей комплекс вимог найкраще задовольняють полімерні композиції (фуранові, епоксидні, фенолоформальдегідні, поліефірні та карбамідні). На цей час накопичені науково-дослідні й промислові дані про властивості й рецептури різних епоксидних композитів. Однак ці дослідження недостатньо висвітлюють питання ремонту й відновлення архітектурних елементів будівель і споруд, а також міцнісні й адгезійні властивості полімерних композицій до бетонних та кам’яних поверхонь, що ремонтуються.

Розширення вимог до полімерних розчинів, призначених для відновлення експлуатаційних характеристик будівель і споруд, а також їх архітектурних елементів, приводить до того, що, незважаючи на різноманіття композицій, ускладнюється вибір полімерних матеріалів, які цілком задовольняють увесь комплекс захисних властивостей. З цієї причини виникає необхідність створення модифікованих полімерних композицій із заданими конструкційними й технологічними характеристиками.

Актуальність роботи полягає в необхідності розробки епоксидних полімерних композицій для відновлення архітектурних елементів будівель та споруд з використанням органічних модифікаторів і неорганічних мікронаповнювачів на основі відходів виробництва, що забезпечує поліпшення фізико-механічних характеристик та економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках науково-дослідної тематики кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури “Розробка енергозберігаючих технологій будівельних матеріалів і виробів на основі вторинних матеріальних ресурсів“, № державної реєстрації 0106 U 002023, 2002 - 2006 р.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка, створення і оптимізація модифікованих епоксидних полімерних композицій для відновлення архітектурних елементів будівель і споруд.

Для досягнення поставленої мети було визначено такі основні завдання.

1. Проаналізувати процеси руйнування поверхні будівель і споруд, розкрити закономірності структуроутворення епоксидних полімерних композицій.

2. Визначити вплив складових епоксидної полімерної композиції на експлуатаційні властивості полімерного каменю.

3. Дослідити технологічні властивості епоксидних полімерних композицій і показників міцності полімерного каменю.

4. Розробити оптимальне співвідношення компонентів (смола, отверджувач, наповнювач) полімерної композиції методом математичного моделювання.

5. Модифікувати епоксидну полімерну композицію з метою розширення функціональних можливостей для проведення робіт із захисту поверхні елементів.

6. Дослідити фізико-механічні властивості модифікованих епоксидних полімерних композицій.

7. Визначити хімічну стійкість епоксидних полімерних композицій.

8. Розробити основні положення технології проведення ремонтно-відновлювальних робіт методом торкретування модифікованими епоксидними полімерними композиціями.

Об'єкт дослідження: технологія процесу виготовлення й вивчення властивостей модифікованих епоксидних полімерних композицій для ремонту архітектурних елементів будівель і споруд.

Предмет дослідження: модифіковані епоксидні полімерні композиції для відновлення архітектурних елементів будівель і споруд.

Методи дослідження: стандартні методи досліджень для визначення фізико-механічних властивостей полімерних композицій.

Технологічні властивості епоксидних полімерних композицій визначалися шляхом вивчення рухливості сумішей і термінів їх поліконденсації. Дослідження внутрішньої структури полімерного каменю проводилося методом рентгеноструктурного аналізу та мікрофотографії шліфів. Характеристики міцності полімерного каменю досліджували шляхом випробувань його на стиск і під час згину. Оптимізація сумішей виконувалася за допомогою математичного моделювання. Фізичні та експлуатаційні властивості модифікованих епоксидних полімерних композицій визначали шляхом дослідження водопоглинання, морозостійкості. Деформативні властивості модифікованих епоксидних композицій досліджувалися визначенням коефіцієнта лінійного температурного розширення і показника усадки полімерного каменю за. Адгезійні властивості полімерних композицій до поверхні бетону визначалися шляхом проведення досліджень на відрив. Хімічна стійкість епоксидних композицій визначалася експозиціями в розчинах кислот.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначено закономірності формування деформативних властивостей модифікованих епоксидних полімерних композицій шляхом керування процесом структуроутворення полімерних композицій з метою забезпечення ефективної сумісної роботи з поверхнею, що ремонтується.

Вперше проведена модифікація епоксидної композиції методом комплексного використання мікронаповнювача, кам'яновугільної і фенолоформальдегідної смол для розширення функціональних можливостей полімерної композиції.

На створених математичних моделях досліджені й визначені оптимальні технологічні й міцнісні характеристики епоксидних полімерних композицій.

Визначено вплив співвідношення затверджувача, модифікатора й наповнювача на міцність полімерних композицій на стадіях виготовлення й експлуатації.

Вперше досліджено особливості формування контактної зони «бетонна поверхня – епоксидна композиція», які полягають у зміцненні міжфазного шару за рахунок оптимального наповнення системи, та приводять до збільшення міцності зчеплення ремонтного шару з поверхнею, що ремонтується.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень і сформовані на їх основі висновки мають загальнотеоретичне й практичне значення для створення захисту поверхонь архітектурних елементів споруд, що є актуальним на сьогодні питанням екології та технології будівельних виробів.

Визначено сполуку компонентів як модифікаторів полімерної композиції на основі епоксидної смоли - це кам'яновугільна і фенолоформальдегідна смоли.

Розроблено оптимальні модифіковані полімерні композиції на основі епоксидної смоли для відновлення архітектурних елементів будівель і споруд ( патент на корисну модель UA 25510 U України).

Доведено економічну ефективність застосування полімерних композицій на основі епоксидної смоли для відновлення архітектурних елементів будівель і споруд.

Результати дисертаційних досліджень використані під час влаштування захисту поверхні архітектурних елементів будинку № 9 по вул. Польовій с. Сурсько-Литовське.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто виконані дослідження зі з’ясування закономірностей структуроутворення полімерних композицій і оптимізовані технологічні, а також властивості міцності епоксидних полімерних композицій. Досліджено фізичні, експлуатаційні та деформативні властивості епоксидних композицій, призначених для відновлення архітектурних елементів будівель і споруд. Визначено співвідношення компонентів модифікатора полімерної композиції на основі епоксидної діанової смоли. Встановлено зміни характеристик міцності й адгезії модифікованих епоксидних композицій за різних умов експлуатації. Досліджено хімічну стійкість модифікованих епоксидних композицій. Рекомендовано рецептури модифікованих епоксидних композицій для відновлення архітектурних елементів будинків і споруд та розроблені основні положення технології проведення ремонтно-відновлювальних робіт методом торкретування.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися на міжнародних науково-практичних конференціях «Інноваційні технології діагностики, ремонту та відновлення об'єктів будівництва і транспорту» (Алушта, 2003, 2004, 2005 р.), «Teoretial foundations of civil engineering» (Warsava - Vilnius 2006 р.), «Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения» (Гаспра, 2007 р.), на 43-му міжнародному семінарі з моделювання й оптимізації композитів – МОК43 (Одеса, 2004 р.), на науково-практичній конференції «Стародубовские чтения» (Дніпропетровськ, 2006 р.) та науково-практичних конференціях «Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту» (Дніпропетровськ, 2005, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць, з яких 9 статей у фахових виданнях, що затверджені ВАК України, патент та 2 публікації тез доповідей, у збірниках наукових праць та матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатка. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 170 сторінок. Основна частина роботи викладена на 148 сторінках, містить 16 таблиць і 43 рисунка, 149 використаних літературних джерел та додаток.

Основний Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету, завдання, основні положення роботи, що покладені в основу даних досліджень, показано наукову новизну роботи, визначено науково-практичну цінність одержаних результатів, особистий внесок здобувача.

Перший розділ присвячений вивченню та аналізу сучасного стану причинно-наслідкових зв'язків у процесі порушення поверхні бетону. З проведеного аналізу видно, що довговічність елементів споруд із бетону залежить від факторів, характер яких зумовлений, з одному боку, технічною якістю проектних рішень будівельного виробництва, з іншого - звичайним чи передчасним руйнуванням, а також зниженням несучої здатності матеріалів за рахунок порушення нормальних умов експлуатації та появи екстремальних силових впливів. Таким чином, пошкодження кам’яної та бетонної поверхні споруд пов'язані з порушенням їх цільності і є найбільш поширеним й одночасно найбільш небезпечними й важко усуваними дефектами.

Доцільність використання полімерних композицій як матеріалу для захисту й відновлення поверхні будівель і споруд підтверджена вітчизняною і закордонною практикою будівництва. Одним з найважливійших факторів під час використання полімерних композицій є їхня міцність, рухливість, водостійкість і хімічна стійкість. Тому застосування полімерних композицій є одним з перспективних напрямків у створенні захисних протикорозійних покриттів, що забезпечують підвищення довговічності будівель і споруд і їх архітектурних елементів.

Питанню розробки полімерних композицій, на жаль, приділяється не зовсім достатньо уваги. І хоча оптимізації, розробці складів та виробництву полімерних композицій із вітчизняної сировини та вторинних продуктів виробництва присвячена досить значна кількість робіт А. А. Берліна, Г. М. Бартенева, В. А. Воробйова, В. В. Патуроєва, Ю. С. Липатова, Е. М. Єлшина, В. І. Соломатова, В. А. Пахаренка, В. М. Вирового, Р. А. Яковлевой, О. М. Пшінька, І. В. Довгань, Л. С. Савіна та ін., все ж питання розробки вітчизняних полімерних композицій є досить гострим.

Найбільш ефективним для вирішення проблеми є використання в практиці ремонтно-відновлювальних робіт полімерних композицій на основі епоксидних смол, тому що вони мають необхідні фізико-механічні властивості для експлуатації в агресивному середовищі.

На підставі проведеного аналізу літератури й попередніх наукових досліджень сформована робоча гіпотеза дисертаційної роботи, що полягає в розробці модифікованих епоксидних композицій для відновлення поверхні архітектурних елементів будівель та споруд, захист яких забезпечується застосуванням полімерних композицій на основі епоксидних смол за спеціальною технологією, що враховує вибір вихідних матеріалів, оптимізацію, модифікацію композиції і спеціальну технологію нанесення модифікованих полімерних композицій.

У другому розділі наведено основні характеристики матеріалів, що використовувались у дослідженнях, методи експериментальних досліджень та математичного моделювання для оптимізації складу полімерної композиції.

У роботі застосовувалися такі матеріали:

- епоксидна смола ЕД–22 виробництва Горлівського хімічного комбінату;

- поліетиленполіамін (ПЕПА), виробництва Горлівського хімічного комбінату;

- цементний пил Кам'янець-Подільського цементно-шиферного комбінату (ЦШК);

- мелений кварцовий пісок;

- пил газоочистки виробництва феросиліцію (ПГВФ) Стаханівского заводу феросплавів;

- кам’яновугільна смола Дніпропетровського коксохімічного заводу;

- фенолоформальдегідна смола Дніпропетровського коксохімічного заводу.

Використовувалися стандартні методи досліджень основних фізико–механічних властивостей полімерних композицій, а також методики визначення рухливості полімерних сумішей і термінів їх поліконденсації.

У даній роботі поставлена задача дослідження й оптимізації епоксидних полімерних композицій для ремонту й відновлення архітектурних елементів споруд за технологічними характеристиками й характеристиками міцності. Для цієї мети обраний трифакторний метод математичного моделювання на основі ортогонального планованого експерименту.

Фазовий склад речовин та продуктів твердіння визначали із застосуванням сучасних методів фізико–хімічного аналізу за допомогою діфрактометра рентгенівського загального призначення ДРОН–4–07, фотографування шліфів проводилося мікрофотонасадкою до великого універсального дослідницького мікроскопа «Nu» фірми Карл Цейсс, Ієна .

У третьому розділі досліджені та експериментально підібрані оптимальні складові полімерної композиції.

Оптимізація рецептури наповнювачів з урахуванням їх виду й фракційної сполуки дозволяє активно керувати процесом структуроутворення наповнених полімерних композицій і створювати матеріали із заданими властивостями. Основні напрямки оптимізації, а також структуроутворюючі фактори для кожного структурного рівня і взаємозв'язок особливостей структури зі спрямованим формуванням і зміною необхідних фізико-технічних властивостей матеріалів визначені поліструктурною теорією. Відповідно до цієї теорії полімерні композити - це поліструктурні матеріали, загальна структура яких поєднує безліч взаємозалежних структур, що формуються одна в іншій. З інженерної точки зору відповідно до цієї теорії оптимізацію й армування структури композитів найбільш доцільно проводити за двома характерними рівнями - мікроструктури й макроструктури. Іншим важливим положенням цієї теорії є висновок про доцільність переривчастої гранулометрії наповнювача. У наповнених системах міцність окремих часток наповнювача сполучається з пружними властивостями полімерної матриці й, поєднуючи окремі частки, перерозподіляє та вирівнює напруги на сусідні частки. З цієї причини в структурі часток наповнювача, що не здатні передавати прикладене навантаження, утворюються локальні зони перенапруг, що є осередками передчасного руйнування матеріалу.

Моделі для теоретичних уявлень про наповнені полімери можна розділити на два типи:

1) наповнена полімерна композиція розглядається як складна дисперсна система, у якій полімер є дисперсійним середовищем, а наповнювач – дисперсною фазою;

2) наповнена полімерна композиція складається із сітки часток полімеру, у середині якої знаходяться частки наповнювача, що утворюють разом з ланцюгами полімеру вторинні коагуляційні сітчато-ланцюгові структури.

Ці структури утворюються зчепленням часток наповнювача через тонкі прошарки полімеру між ними. Умовою такого зміцнення є достатня ліофільність (полімерофільність) поверхні часток наповнювача стосовно полімеру, що переходить у стан структурованої адсорбційно-сольватної плівки на поверхню часток наповнювача. Характер взаємодії між наповнювачем (ПГВФ) і полімером можна встановити з допомогою мікродосліджень шліфів наповнених епоксидних композицій при збільшенні у 40 разів, які наведені на рис.1.

З метою одержання оптимального складу за показниками міцності полімерного каменю з урахуванням технологічних характеристик полімерної суміші проведені дослідження за допомогою методів математичного моделювання за планованим експериментом та рентгеноструктурного аналізу. Розрахунок коефіцієнтів математичних моделей, аналіз отриманий результатів здійснювали за допомогою ЕОМ.

Розроблено ортогональний план експерименту для одержання оптимального складу полімерної композиції на основі епоксидної смоли, де змінними факторами в полімерній композиції були: кількість смоли, отверджувача та наповнювача.

Згідно з ортогональним планом експерименту визначився склад зразків полімерної композиції. Проведені випробування міцності під час стиску, згині, адгезійну міцність полімерного каменю та визначені оптимальні складові полімерної композиції.

а б

в

Рис. 1. Мікрофотографія шліфів зразків наповнених епоксидних композицій

Коефіцієнти полінома при ортогональному плануванні визначалися і оцінювалися незалежно один від одного.

За моделями побудовані графіки, що відбивають вплив кількості смоли, отверджувача і наповнювача на характеристики міцності полімерного каменю за результатами планованого експерименту.

Наповнювачем епоксидних композицій обраний ПГВФ. За даними попередніх експериментів полімерні композиції з ПГВФ не поступаються властивостями полімерним композиціям з іншими наповнювачами, але наповнювач ПГВФ не потребує додаткових затрат на помел і є відходом виробництва. Використання наповнювача ПГВФ сприяє зниженню усадки, розсіюванню теплоти, що виділяється при реакції отвердіння, а також зрівнює лінійне розширення смоли, поліпшує механічні властивості й властивості захисного покриття в експлуатації. Уведення наповнювача спочатку збільшує міцність зчеплення покриття з бетоном, що забезпечується збільшенням загальної площі зіткнення твердих поверхонь, розділених лише дуже тонким шаром – в'язкою частиною полімерної композиції. Це підтверджують результати досліджень та рентгенофазового аналізу.

Запропоновано оптимальні суміші полімерних композицій з мікро наповнювачем за побудованими просторовими та плоскими графіками згідно з результатами планованого експерименту. На підставі проведеного аналізу результатів експериментів були обрані оптимальні сполуки за показниками міцності полімерного каменю, при цьому враховувалися технологічні характеристики полімерної композиції і дешевизна сполук. Підібрано оптимальні співвідношення смоли, отверджувача й наповнювача, що використовувалися для подальших досліджень полімерних композицій. Полімерна композиція містить компоненти у такому співвідношенні (мас. ч.: діанова епоксидна смола 100; амінний отверджувач (ПЕПА) 21,70...23,26; наповнювач (ПГВФ) 43,50...46,50).

У четвертому розділі наведено результати досліджень модифікації полімерної композиції. Найважливішою властивістю епоксидних смол є їх сумісність з іншими полімерними смолами. Модифікація епоксидних смол приводить до створення нових протикорозійних матеріалів, властивості яких містять характерні риси смол. Метою модифікації є створення протикорозійного матеріалу з певними раніше заданими властивостями.

Відомо, що при швидких переходах від додатних температур до відємних і навпаки в покриттях утворяться тріщини. Утворення тріщин відбувається унаслідок виникнення в полімерному матеріалі концентрацій внутрішніх напружень, що перевищують його міцність. Це пов'язано зі значною різницею коефіцієнтів лінійного розширення полімерного матеріалу й матеріалу виробів, що захищаються.

Використовували два методи підвищення стійкості до тріщиноутворення полімерних матеріалів.

Перший метод полягає в максимальному наближенні коефіцієнтів лінійного розширення полімерного каменю й матеріалів, що захищаються. Це досягається введенням у полімерний розчин наповнювача, що має коефіцієнт лінійного розширення близький чи менший за коефіцієнт лінійного розширення матеріалу, що захищається.

Другий метод полягає в підвищенні еластичності полімерного матеріалу. Цей метод ефективний для герметизації малогабаритних деталей і у разі невеликої товщини покриттів.

Однак уведення великої кількості наповнювача різко підвищує в'язкість полімерної композиції, що ускладнює рівномірний взаємний розподіл компонентів полімерної копозиції.

Як модифікатори для розробленої епоксидної полімерної композиції використовувалися кам'яновугільна і фенолоформальдегідна смоли. Від функціональності вихідної сировини, природи компонентів, співвідношення складових залежать властивості полімерної композиції. Результати досліджень щодо впливу типу модифікатора і його концентрації на міцність під час стискання розробленої полімерної композиції подані на рис. 3.

Рис. 3. Вплив типу модифікатора та його кількості на міцність під час стиску полімерних модифікованих композицій: 1 - кам'яновугільна смола – 40 % від маси смоли; 2 - фенолоформальдегідна і кам'яновугільна смоли – 50 % від маси смоли; 3 - фенолоформальдегідна смола – 40 % від маси смоли; 4, 5, 6 - фенолоформальдегідна і кам'яновугільна смоли (відповідно 40, 30, 15 % від маси смоли).

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що при вмісті в полімерній матриці модифікаторів більш 15 % спостерігається зниження характеристик міцності модифікованої полімерної композиції.

За результатами експериментальних досліджень та рентгенофазового аналізу (рис. 4) встановлено, що оптимальний вміст модифікатора в полімерному композиті знаходиться в межах 9 ... 12 % від маси епоксидної смоли. При цьому оптимальний вміст фенолоформальдегідної смоли становить 5 ... 8 %, а кам'яновугільної смоли – 3 ... 5 %.

Уведення в систему модифікаторів у кількості, що перевищує оптимальне значення, може призвести до руйнування просторової сітки полімеру, ослаблення сил міжмолекулярної взаємодії, а також зниження експлуатаційних характеристик розчину, що підтверджено рентгенофазовим аналізом зразків полімерних композицій.

а б

в г

Рис. 4. Рентгенівська дифрактограма модифікованих зразків полімерної композиції: а - кам'яновугільна смола (40 % від маси смоли);

б - фенолоформальдегідна смола (40 %від маси смоли);

в - фенолоформальдегідна і кам'яновугільна смоли (40 %від маси смоли);

г - фенолоформальдегідна і кам'яновугільна смоли (9 ...12 %від маси смоли)

Визначені й підтверджені експериментальними дослідженнями оптимальні співвідношення компонентів розробленої композиції (мас. ч.: діанова епоксидна смола 100; фенолоформальдегідна смола 6,50...10,00; кам'яновугільна смола 3,50...6,55; амінний отверджувач (ПЕПА) 21,70...23,26; наповнювач (ПГВФ) 43,50...46,50; розчинник (при співвідношенні часток спирту й ацетону 1:1) 3,50...6,55).

Відомо, що водопроникність полімерних композицій є суттєвим показником їх довговічності. Результати дослідження водостійкості полімерних композицій наведені на рис. 5.

Когезійна міцність епоксидних композицій може змінюватися залежно від дії різних факторів навколишнього середовища. Отримані результати випробувань міцнісних властивостей полімерного каменю з різним вмістом модифікатора (9 ... 12, 28 ... 30, 37 ... 40%), що зберігалися за нормальних умов, тобто за температури 20...22 0С і вологості 45...50%. Проведені дослідження підтверджують оптимальний вміст модифікатора 9...12 %.

Рис. 5. Водопоглинання композицій на основі епоксидної смоли:

1 – ЕД-22 + ПЕПА + модифікатор; 2 – ЕД-22 + ПЕПА;

3 – ЕД-22 + ПЕПА + ПГВФ + модифікатор; 4 – ЕД-22 + ПЕПА + ПГВФ.

Результати експериментів з визначення адгезійної міцності полімерних композицій на основі смоли ЕД-22, що тверділи в повітряно-сухих умовах, до поверхні металу наведені на рис. 6. Показано, що адгезійна міцність епоксидної полімерної композиції при повітряно-сухих умовах у 8 – 15 разів вища, ніж у цементного розчину, причому найбільшу адгезію показали полімерні композиції, вміст модифікатора в яких 9...12%.

Рис. 6. Залежність адгезійної міцності епоксидних модифікованих полімерних композицій від часу перебування в повітряно-сухих умовах:

1 – модифікована епоксидна композиція (9 – 12 % модифікатора);

2 – модифікована епоксидна композиція (28 – 30 % модифікатора);

3 – модифікована епоксидна композиція (37 – 40 % модифікатора);

4 – цементний розчин (Ц/П=1/3, В/Ц=0,47, цемент – М500)

Основними речовинами, що викидаються в атмосферу промисловими підприємствами, є сірководень, оксиди сірки SO2 і SO3 , пари сірчаної кислоти H2SO4 , оксиди азоту NOX , пари азотної кислоти HNO3, газоподібні продукти неповного згоряння палива, оксиди вуглецю, пари вуглеводню й ін.

Хімічну стійкість визначали відношенням зміни маси зразків після випробування до маси зразків до випробування, вираженим у відсотках. Дослідження проводилися в найбільш поширених промислових агресивних середовищах наступних концентрацій водяних розчинів, %:

Сірчана кислота (H2SO4)....................... | 5; 10

Соляна кислота (HCl)............................ | 5; 15

Азотна кислота (HNO3)......................... | 5; 10

Оцтова кислота (CH3COOH)................ | 5; 15

На підставі отриманих даних побудовані графіки залежності зміни маси зразків від часу витримки в агресивних середовищах.

Встановлено, що в розчинах сірчаної кислоти за різних концентрацій набрякання до 10 % спостерігається після витримки протягом 90 діб.

У соляній кислоті (15 % концентрації) зразки набрякають менш виражено (максимальне набрякання до 0,2 %) зі зміною кольору. Видимих слідів руйнування не виявлено.

На підставі отриманих даних можна зробити висновок, що розроблені полімерні композиції мають високу хімічну стійкість.

За результатами проведених експериментів обрані оптимальні композиції за показниками міцності та хімічної стійкості полімерного каменю з урахуванням технологічних характеристики полімерної суміші й вартості композицій для захисту та відновлення поверхні архітектурних елементів будівель та споруд.

У п'ятому розділі представлена розробка основних положень технології проведення ремонтно-відновлювальних робіт методом торкретування епоксидними полімерними композиціями на основі смоли ЕД - 22.

Наведені основні особливості технології. Від якості виготовленої полімерної композиції залежать міцність і надійність полімерного каменю, тому виготовлення її з окремих компонентів варто проводити в повній відповідності з рекомендованими пропорціями розробленої композиції.

Виготовлення епоксидної полімерної композиції полягає в змішуванні окремих компонентів у відповідних співвідношеннях.

Епоксидна смола за температури 20 0С має низьку рухливість. Для виготовлення полімерної композиції її необхідно попередньо розріджувати шляхом плавлення за температури 70 ... 80 0С чи розчинення.

Технологія готування полімерної композиції зводиться до таких операцій:

- перед змішуванням епоксидна смола повинна бути приведена до в’язко-текучучого стану, уведенням до неї спирто-ацетонового розчинника;

- потім змішують епоксидну та кам'яновугільну смоли, змішування слід робити за добу до готування полімерної композиції;

- через добу вводять фенолоформальдегідну смолу і, як уже вказувалося для одержання міцних захисних плівок додають до складу інертний хімічно стійкий наповнювач ПГВФ;

- отверджувач (ПЕПА) вводять у розчинену суміш після модифікатора й наповнювача за температури не вище 25 0С при ретельному помішуванні, безпосередньо перед проведенням робіт.

З метою виключення похибок при зважуванні компонентів епоксидних полімерних композицій рекомендується готувати їх заздалегідь, використовуючи відтаровані мірні посудини. Отримана після перемішування полімерна композиція може бути використана протягом необхідного і відповідного даній сполуці часу адгезійної життєздатності. Однак варто враховувати, що життєздатність полімерної композиції залежить від температури компонентів, що вводяться до смоли, температури самої смоли і температури навколишнього середовища. Технологічна життєздатність композиції за t =20 0С становить 1,5...2 год.

Поверхня споруди перед нанесенням торкретного шару потребує спеціальної підготовки. Запропонована технологія дозволяє виконувати ремонт бетонних конструкцій полімерними композиціями якісно та в короткі терміни, а також забезпечити тривалу й надійну експлуатацію відновлених конструкцій. Проведені випробування підтвердили результати лабораторних досліджень і відповідність основним техніко-економічним вимогам.

Наведено розрахунок собівартості модифікованої епоксидної смоли і порівняльний аналіз вартості з епоксидною смолою. Техніко-економічне обґрунтування застосування полімерних композицій на основі епоксидної смоли ЕД - 22 для відновлення поверхні архітектурних елементів будівель і споруд мають собівартість рівну 27,2 грн/м2 при нанесенні захисного шару товщиною 1...2 мм. Фактичний економічний ефект від впровадження становить 684,84 грн. У порівнянні з епоксидними смолами вартість розробленої композиції нижче на 14 %.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі відповідно до мети і завдань розв’язана важлива науково - технічна задача, пов’язана з розробкою модифікованих полімерних композицій та можливості їх використання щодо захисту та відновлення архітектурних елементів будівель та споруд.

У результаті вирішення поставлених завдань зроблені наступні висновки.

1. Встановлені закономірності структуроутворення розроблених композицій на основі епоксидних смол, показані їх можливості для вирішення задач у будівельній практиці для захисту та відновлення архітектурних елементів будівель і споруд. Визначено основні напрямки оптимізації епоксидних полімерних композицій за міцністю, деформативністю й хімічною стійкістю.

2. Експериментально обраний наповнювач епоксидних композицій – пил газоочистки при виробництві феросиліцію (ПГВФ), використання якого сприяє зниженню усадки, розсіюванню теплоти, що виділяється при реакції твердіння.

3. Встановлені міцнісні властивості епоксидних полімерних композицій з використанням наповнювача (ПГВФ) методом математичного моделювання за результатами планованого експерименту.

4. Визначено оптимальне співвідношення компонентів полімерної композиції на основі епоксидної смоли ЕД-22 залежно від вмісту отверджувача – поліетиленполіаміну (ПЕПА) й інертного хімічно стійкого наповнювача ПГВФ.

5. Експериментально підібрані модифікатори полімерних композицій на основі ЕД-22 з урахуванням показників міцності й економічності. Визначені й підтверджені дослідженнями оптимальні співвідношення компонентів розробленої композиції (мас. ч.: діанова епоксидна смола 100; фенолоформальдегідна смола 6,50...10,00; кам'яновугільна смола 3,50...6,55; амінний отверджувач (ПЕПА) 21,70...23,26; наповнювач (ПГВФ) 43,50...46,50; розчинник (при співвідношенні часток спирту й ацетону 1:1) 3,50...6,55).

6. Встановлені деформативні властивості модифікованої епоксидної полімерної композиції. Установлено стабільний вплив модифікатора й наповнювача на властивості епоксидної полімерної композиції.

7. Визначено вплив кислот на зразки модифікованої епоксидної полімерної композиції. Установлено високу хімічну стійкість їх у кислотах.

8. Розроблено технологію виробництва модифікованої полімерної композиції на основі епоксидної смоли ЕД-22. Запропоновано нанесення розробленої композиції на поверхню, що ремонтується, способом торкретування. Це дозволяє одержати захисний шар з високими показниками міцності на стиск і адгезії. Проведено техніко-економічне обґрунтування застосування полімерних композицій на основі епоксидної смоли ЕД-22 для відновлення поверхні архітектурних елементів будівель і споруд.

Список робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Приходько А. П., Харченко. Е. С. Разработка модифицированного полимерраствора на основе эпоксидной смолы// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. – Д., ПГАСА, 2007. – Вып. 43. - С 376-380. (Автором експериментально встановлені оптимальні сполуки модифікованих полімерних композицій на основі діанової епоксидної смоли для відновлення архітектурних елементів будівель та споруд, систематизовано отримані результати).

2. Приходько А. П., Харченко Е. С. Исследования стойкости модифицированных эпоксидных полимеррастворов при химически агрессивных воздействиях // Theoretical Foundations of Civil Engineersng – XIV/ Ed. by W. Szczesniak, OW PW. – Warsaw, 2006. - p. 665-668. (Автором проведено дослідження властивостей модифікованих полімерних композицій).

3. Приходько А. П., Харченко Е. С. Технология производства восстановительных работ бетонних и каменных зданий и сооружений модифицированными эпоксидными полимеррастворами// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. – Д.: ПГАСА, 2006.– № 36, Ч. 3, – С.100-107. (Дисертантом запропоновано технологію виконання відновлювальних робіт)

4. Приходько А. П., Харченко К. С. Оптимізації мікроструктури модифікованого полімеррозчину на основі полімерної смоли // Новини науки Придніпров’я. – Д.: РВА «Дніпро – VAL», 2005. – № 5. – С. 39-42. (Автором визначено компоненти модифікатора полімерної композиції на основі епоксидної смоли).

5. Приходько А. П., Харченко Е. С. Перспективы использования эпоксидных смол в качестве связующих для ремонтных полимеррастворов //Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2005. – № 9. – С.18-23. (Автором проведено аналіз літературних даних щодо властивостей, хімічного складу та застосування полімерних композицій).

6. Краснюк А. В., Корейко А. Л., Харченко Е. С. Исследование и разработка полимерных составов на основе эпоксидных смол для ремонта и защиты бетонных и железобетонных сооружений // Вестник ДИИТ. – 2005. – № 9. – С.206-208. (Автором розроблено науково-теоретичні основи для вирішення задач, що поставлені в роботі, а саме розробка полімерної композиції для відновлювання та захисту поверхні архітектурних елементів будівель та споруд).

7. Пшинько А. Н., Краснюк А. В., Харченко Е. С. Исследование полимерных растворов на основе карбамидных смол для восстановления бетонных элементов транспортных гидротехнических сооружений // Вестник ДИИТ. – 2004. – № 3. – С.146-150. (Дисертантом проведено дослідження властивостей полімерних композицій).

8. Акимова А. М., Харченко Е. С. Особенности расчета технико-экономического обоснования выбранного способа ремонта транспортных сооружений// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. – Д.: ПГАСА, 2004. – № 25 «Новейшие технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта».– С. 37-40. (Автором проведено аналіз літературних даних щодо властивостей та застосування полімерних композицій).

9. Краснюк А. В., Харченко Е. С. Проблемы восстановления сплошности бетона транспортных гидротехнических сооружений и выбора эффективных материалов// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. – Д.: ПГАСА, 2003. – № 30 «Инновационные технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта». – С.91-95. (Автором проведено аналіз властивостей, хімічного складу та застосування полімерних композицій).

10. Патент на корисну модель UA 25510 U України, МПК С08L 63/02. Полімерна композиція/ А. П. Приходько, К. С. Харченко (Україна). - №u200703782; Заявлено 05.04.2007; Опубл. 10. 08. 2007, Бюл. №12, 2007. – 6 с. (Автор виконав експериментальну частину).

11. Краснюк А. В., Викторов В. Г., Момот В. А., Харченко. Е. С. Моделирование и оптимизация при разработке высокоподвижных составов для ремонта бетонных транспортных сооружений // Моделирование и оптимизация в материаловедении. – О.: Астропринт, 2004. – С. 216-217. (Автором проведено аналіз літературних даних щодо властивостей, хімічного складу та застосування полімерних композицій).

12. Пшинько А. Н., Краснюк А. В., Приходько А. П., Харченко. Е. С. Защитные покрытия транспортных сооружений модифицированными полимеррастворами на основе эпоксидных смол // Тезисы LXVI Междунар. научно – практ. конф. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Д.: ДИИТ, 2006.– С. 251-252. (Автором проведено дослідження властивостей модифікованих полімерних композицій).

Анотація

Харченко К.С. Модифіковані полімерні композиції на основі епоксидних смол для відновлення поверхні архітектурних елементів будівель та споруд. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена питанням розробки, оптимізації і створення модифікованих полімерних композицій на основі епоксидних смол для відновлення поверхні архітектурних елементів будівель та споруд. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість поліпшення фізіко-механічних характеристик полімерної композиції за рахунок уведення модифікаторів та мікронаповнювача, який є відходом виробництва.

У роботі досліджено вплив мікронаповнювача й модифікаторів на властивості полімерного каменю на основі епоксидної смоли ЕД-22.

Методом математичного моделювання визначені і підтверджені експериментальними дослідженнями оптимальні співвідношення епоксидной смоли, наповнювача (ПГВФ) і отверджувач (ПЕПА) полімерної композиції.

Експериментально підібрані модифікатори розробленої полімерної композиції (діанова епоксидна смола, фенолоформальдегідна смола, кам'яновугільна смола, амінний отверджувач (ПЕПА), наповнювач (ПГВФ), розчинник (при співвідношенні часток спирту й ацетону 1:1).

Установлено стабільний вплив модифікатора й наповнювача на властивості епоксидної полімерної композиції, які сприяють зниженню усадки, розсіюванню теплоти, що виділяється при реакції твердіння, зрівнюють лінійне розширення смоли, поліпшують її механічні властивості й властивості захисного покриття під час експлуатації. Установлено високу хімічну стійкість модифікованих полімерних композицій.

Розроблено технологію виробництва модифікованої полімерної композиції на основі ЕД-22. Запропоновано нанесення розробленої композиції на поверхню, що ремонтується, способом торкретування.

Ключові слова: полімерна композиція, епоксидна смола, отверджувач, мікронаповнювач, модифікатор, фізико-механічні властивості, захиснт поверхні.

Аннотация

Харченко Е. С. Модифицированные полимерные композиции на основе эпоксидной смолы для восстановления поверхности архитектурных элементов зданий и сооружений. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. –Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, 2008.

Диссертация посвящена вопросам разработки, оптимизации и создания модифицированных полимерных композиций на основе эпоксидных смол для ремонта поверхности архитектурных элементов зданий и сооружений. Теоретически обоснована и експериментально подтверждена возможность улучшения физико-механических характеристик полимерной композиции путем введения модификаторов и микронаполнителя, который является отходом производства.

Разработаны модели, отражающие оптимальные технологические и прочностные характеристики эпоксидных полимерных композиций.

Установлена возможность управления свойствами полимерных композиций (водопоглащение, водонепроницаемость и прочность) на стадии изготовления и эксплуатации изменением соотношения отвердителя, модификатора и наполнителя.

Определены особенности формирования контактной зоны «бетонная поверхность – эпоксидная композиция», которые выражаются в укреплении межфазного слоя за счет оптимального наполнения системы, что приводит к увеличению прочности сцепления ремонтного слоя с поверхностью сооружения.

Выбраны модификаторы и проведена модификация эпоксиднй полимерной композиции каменноугольной и фенолоформальдегидной смолами для расширения функциональных возможностей полимерной композиции. Установлены закономерности формирования деформативных свойств модифицированных эпоксидных полимерных композиций, совместимых с показателями бетона ремонтируемого сооружения, что достигается управлением процесса структурообразования полимерной композиции. Определена область оптимальных составов модифицированных эпоксидных полимерных композиций для восстановления бетонной поверхности зданий и элементов сооружений.

Экспериментально подобраны модификаторы полимерной композиции на основе эпоксидной смолы с учетом показателей прочности и экономичности. Определены и подтверждены исследованиями оптимальные соотношения компонентов (диановая эпоксидная смола, фенолоформальдегидная смола, каменноугольная смола, аминный отвердитель (ПЭПА), наполнитель (ПГПФ), растворитель (при соотношении частиц спирта и ацетона 1:1).

Выявлено стабильное влияние модификатора и наполнителя на свойства эпоксидной полимерной композиции, которое проявляется в снижении усадки, рассеивании теплоты, выделяющейся при реакции отвердения, снижении линейного расширения смолы. Показано улучшение физико-механических свойств модифицированных полимерных копозиций и свойств защитного покрытия в эксплуатации. При определении коррозионного воздействия кислот и щелочей на образцы модифицированной эпоксидной полимерной композиции установлена ее высокая химическая стойкость.

Разработана технология производства модифицированной полимерной композиции на основе эпоксидной смолы и нанесения разработанных полимерных композиций на ремонтируемую поверхность способом торкретирования, которая позволяет получить защитный слой с высокими показателями прочности на сжатие и адгезии. Выполнено технико-экономическое обоснование применения полимерных композиций на основе эпоксидной смолы для восстановления поверхности архитектурных элементов зданий и сооружений.

Приведено технико-экономическое обоснование применения разработанных полимерных композиций для защиты и восстановления поверхности архитектурных элементов зданий и сооружений.

Результаты практических разработок нашли применение для защиты поверхности архитектурных элементов здания № 9 по ул. Полевой с. Сурско-Литовское.

Ключевые слова: полимерная композиция, эпоксидная смола, отвердитель, микронаполнитель, модификатор, физико – механические свойства, защита поверхности.

Summary

Kharchenko K. S. Modified Polymer Composition on the Base of Epoxide Resin for Recovery of the Surfaces of Architectural Elements of Buildings and Erections. — Manuscript.

The doctoral thesis on the scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.23.05—building materials and articles.—Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, 2008.

The thesis is devoted to the questions of the development, optimization and investigation of the modified polymer composition on the base of epoxide resin for recovery of the surfaces of architectural elements of buildings and erections. The ability of physical and mechanical properties improvement of the polymer composition due to introduction of modifying and micro-filling agents that are waste products is theoretically grounded and experimentally proved.

In this paper the influence of micro-filling and modifying agents (coal-tar and phenol-formaldehyde resin) on polymeric stone features on the base of epoxide resin-22 is investigated.

The optimum relationships of the developed composition components are determined with the help of mathematical model approach and proved with the help of experimental research (particles mass: diane epoxide resin 100; phenol-formaldehyde resin 6.50-10.00; coal-tar