ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Общие закономерности развития усадочных напряжений в полимербетонах

Усадочные внутренние напряжения, возникающие в процессе формования полимербетонов и развивающихся во времени в процессе их последующей эксплуатации,— один из важнейших критериев, определяющих длитель­ную прочность этих материалов[5].

На рис. 5 представлены образцы, изготовленные из ненаполненной фурфуролацетоновой смолы ФАМ, кото­рые самопроизвольно разрушились под действием уса­дочных напряжений и сравнительно кратковременного воздействия воды. Характер разрушения (правильная шаровая полусфера) убедительно показывает, что уса­дочные напряжения достигают больших значений, и при незначительном ослаблении прочности на поверхности образца вследствие пластифицирующего действия воды эти напряжения вызывают самопроизвольное разруше­ние материала. Сферическая форма наглядно свидетель­ствует о характере распределения усадочных напряже­ний по сечению.

Появление в полимерных композициях усадочных внутренних напряжений связано с фазовым переходом композиции из жидкой в твердую в процессе отвержде­ния и незавершенностью релаксационных процессов. Обусловливаются они несколькими факторами, в том числе: усадочными явлениями в результате сближения молекул олигомера в процессе полимеризации и перехо­да из жидкого состояния в твердое; образованием жест­ких надмолекулярных структур полимера и их высокой адгезионной связью с частицами наполнителей; усадкой в процессе потери летучих компонентов.

Развитие усадочных внутренних напряжений обычно выражается характерной кривой (рис. 6), на которой яр­ко выражены два участка: первый соответствует разви­тию усадочных внутренних напряжений под действием названных факторов, второй отражает характер сниже­ния усадочных внутренних напряжений, связанных с про­теканием релаксационных процессов в условиях ста­бильности внешних воздействий [105].

Таким образом, усадочные внутренние напряжения условно можно разделить на временные (первый уча­сток), действие которых проявляется от нескольких ча­сов до нескольких суток, и остаточные — длительные (второй участок). Временные усадочные напряжения до­статочно велики и в некоторых случаях могут превышать прочность синтетического связующего. Эти напряжения чрезвычайно опасны, так как могут привести к появле­нию микро - и макротрещин, т. е. нарушению монолит­ности изделия или конструкции. Остаточные напряже­ния, как правило, значительно ниже временных. Опас­ность этих напряжений заключается в длительности их действия.

Отверждение полимерных композиций в большинстве случаев происходит примерно по следующей схеме [73, 108, 112]. В процессе полимеризации сначала образует­ся небольшое число поперечных связей. На этой стадии композиция еще достаточно эластична, в ней легко про­текают релаксационные процессы и внутренние напря­жения практически отсутствуют. По мере дальнейшей сшивки число поперечных связей растет, жесткость ком­позиции увеличивается, и, наконец, наступает такой мо­мент, когда образуется продукт с очень частой простран­ственной структурой. К этому времени усадочные дефор­мации и временные внутренние напряжения достигают максимальных значений.

В то же время следует отметить, что абсолютное зна­чение усадки не является критерием внутренних напря­жений. При большой усадке и малом модуле упругости внутренние напряжения будут незначительны. Малая усадка в материалах с высоким модулем упругости вы­зывает значительные внутренние напряжения.

Для наполненных полимерных композиций эта кар­тина еще более усложняется. Увеличение степени напол-. нений системы кварцевой мукой, андезитом, маршалли-- том и многими другими минеральными наполнителями! приводит к значительному снижению усадки полимерной.! композиции (рис. 7). Если предположить, что усадочные^ напряжения зависят только от усадочных деформаций,, то введение минеральных наполнителей должно было» бы повлечь резкое снижение усадочных напряжений. Однако такое предположение не учитывает соответст­вующего повышения модуля упругости и более жестких адгезионных связей вследствие образования упорядочен­ных надмолекулярных структур.

С увеличением степени наполнения модуль упруго­сти увеличивается значительно быстрее, чем снижается усадка (табл. 10). Так, для наполненных систем, содер­жащих 300% по массе наполнителя, усадка по сравне­нию с ненаполненной системой снизилась примерно в, 2 раза, а модуль упругости увеличился в 4—5 раз.

Предельные критические значения усадочных внут­ренних напряжений в зависимости от вида и количества минеральных наполнителей приведены в табл. 11 (9, 10]. | Введение в термореактивные смолы минеральных напол - I нителей независимо от их вида значительно снижает

I 51

Кварцевая мука

Андезитовая »

Графит электродный (мука) 2,5-2,7| 3,5

TOC o "1-3" h z 2,5—2,7,' 3,2

2,5-2,7| 2,1

Усадку полимерной композиции. В то же время такие наполнители, как кварцевая и андезитовая мука, высоко­активны и способны специфически взаимодействовать си связующим, ускоряя процессы полимеризации и вызывая значительное нарастание усадочных напряжений. Гра­фитовая мука как неактивный наполнитель замедляет процесс полимеризации, снижает усадочные напряжения в системе при одновременном понижении адгезии:

Зависимость адгезии фурановых покрытий от содержания графита, %

Содержание графита, % Адгезия, МПа. . . .

Таким образом, максимальное значение адгезионных связей и когезиоиной прочности полимера обусловлива­ются минимальным значением усадочных напряжений. Следовательно, одним из путей получения высокопроч­ных, надежных и долговечных полимерных композиций является изыскание возможных способов снижения вре­менных и остаточных усадочных напряжений.

Эффективный и сравнительно простой способ сниже­ния усадочных внутренних напряжений — введение в со­став полимерной композиции ПАВ. При этом оптималь­ное количество ПАВ не только существенно снижает внутренние усадочные напряжения, но и приводит к уве­личению прочности (рис. 8).

Введение в состав полимерных композиций сравни­тельно небольших количеств катионактивных ПАВ сни­жает временные внутренние напряжения в 4—5 раз и повышает прочность при разрыве на 30—60% (табл. 12).

Данные табл. 12 показывают, что наиболее актив­ным ПАВ для исследуемых мастик является катапин Б-300 и менее активным — катапин БПВ. Алкамон ОС-2 занимает промежуточное положение (рис. 9). Так как полимербетон представляет собой более сложную КОМ-

Позицию, то его прочность на сжатие при введении оп­тимального количества Б-300 увеличивается менее зна­чительно — на 25—30%.

Следует отметить, что при исследовании влияния ПАВ на усадочные внутренние напряжения не обраща­лось должного внимания на эти продукты с точки зре­ния их действия на пластифицирующие свойства, кото­рые они оказывают на полимербетонную смесь в про­цессе ее приготовления. Работы, выполненные в последнее время, показали, что многие ПАВ являются хорошими суперпластификаторами и для полимербетон - пых смесей.

Экспериментальные исследования полимербетонов позволили установить общие закономерности развития суммарных усадочных напряжений, возникающих в про­цессе отверждения, определить их значения в зависимо­сти от составов полимербетона и дать рекомендации по снижению усадочных напряжений при сохранении или даже улучшении их физико-механических свойств.

Предложена общая расчетная формула для опреде­ления усадочных напряжений армированных полимер - бетонов (Ту, Па:

<з„ = (8)

(1-ц) (l-1-т) № '

Где еу — усадка полимербетонов за время т, %; |3 — коэффициент пропорциональности, 1/ч, для полимербетонов на полиэфирных и фурановых смолах (5 = 0,055; т — время отверждения, ч; £п. б — мо­дуль упругости полимербетона за время т; і|зі—коэффициент ре­лаксации усадочных напряжений, і|зі = 0,4...0,6; ц — коэффициент Пуассона, = 0,24...0,32;

Т = £п. б5„.б/(£-ст S„) = (£п. б/£Ст) (1/v) 102, (9)

Здесь Sn.6 и Sct—площадь сечения полимербетона и арматуры, см2; Ест—модуль упругости стали, МПА; v — коэффициент армирова­ния конструкции, %.

Для полимербетонов на полиэфирных смолах макси­мальная усадка составляет 3—4 мм/м, а для полимер­бетонов ФАМ—1—2 мм/'м. В этом случае для изделий и конструкций, у которых степень отверждения близка к максимально возможной, усадочные напряжения с до­статочной для практических целей точностью могут быть определены по формуле