Влияние добавок поверхностно-активных веществ на химическую стойкость полимербетонов

Вісник ПДАБА

Розпалубка монолітних конструкцій здійснюється після досягнення бетоном мінімально необхідної міцності. При установці проміжних опор у прольоті перекриття при частковому або послідовному видаленні опалубки міцність бетону може бути знижена. У цьому випадку міцність бетону, вільний проліт перекриття, число, місце і спосіб установки опор призначаються у ПВР. Зняття всіх типів опалубки слід проводити після попереднього відриву її від бетону. Очищення та змащування опалубки при розбиранні виконуються з дотриманням загальних правил виробництва бетонних робіт.

Висновок. Отже, проаналізувавши основні принципи вибору опалубки, можемо виділити такі чинники: заданий темп зведення монолітних конструкцій на типовому поверсі і, відповідно, на захватки; кількість захваток бетонування на типовому поверсі і їх розміри, які залежать від реальної наявності опалубки, людських і матеріальних ресурсів; ймовірні терміни теплової обробки і витримування бетону у вертикальних і горизонтальних конструкціях з урахуванням заданих календарних термінів будівництва та реальних кліматичних умов; можливість проведення додаткових технологічних та інженерних заходів для прискорення оборотності опалубки; необхідний запас елементів опалубки. Технологічне проектування опалубних робіт складається з опалубних креслень і специфікацій; розрахунку опалубки; установки, приймання опалубки і розпалубки.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Афанасьев А. А. Технология возведения зданий и сооружений / А. А. Афанасьев. -М. : Стройиздат, 1990. - 285 с.

2. Дикман Л. Г. Организация и планирование строительного производства / Л. Г. Дикман. - М. : АСВ, 2003. - 214 с.

3. Кирнев А. Д. Технология возведения зданий и сооружений из монолитного железобетона, инженерного назначения и в особых условиях строительства / А. Д. Кирнев. -Ростов н/Д. : Феникс, 2008. - 182 с.

4. СНиП 3.03.01 - 87. Несущие и ограждающие конструкции. - М. : Стройиздат, 1988. -67 с.

УДК 666.972.691.175

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ХИМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

А. Н. Березюк, к. т .н., проф., Н. И. Ганник, к. т .н., доцент, А. В. Гавриш, к .т. н., доцент, А. П. Мартыш, к. т. н., доцент, А. Н. Гайдар, асп.

Ключевые слова: полимербетон, поверхностно-активные вещества, фотокапиллярный эффект, водопоглощение, смачиваемость.

Актуальность проблем. Перед металлургами и химиками Украины стоит проблема применения эффективных материалов, которые обладали бы высокой химической и термической стойкостью и в то же время были дешевыми.

Полимербетоны на основе термореактивных смол отвечают этим требованиям. Основными компонентами этих бетонов являются отходы промышленности, что способствует их утилизации и соответственно решению экологических проблем, поэтому актуальность данной статьи не вызывает сомнения и хотелось бы, чтобы все материалы, изложеные в ней получили практическое применение.

Анализ исследований и публикаций. Проблема разработки эффективных строительных материалов для применения в областях агрессивной среды всегда стояла перед исследователями и производственниками. Поэтому вопросами исследования и усовершенствования полимербетонов всегда уделяли внимание как зарубежные, так и отечественные научные школы.

Исходя из анализа исследований, можно сделать выводы:

1) для полимермастик на основе фурановых смол, наполненных андезитовой мукой и мукой из боя кислотоупорного кирпича, скорость диффузии растворов кислот и воды примерно в два раза выше, чем для не наполненных композиций;

38

№ 3 березень 2011

2) с увеличением степени наполнителя полимерных систем скорость диффузии агрессивных жидкостей в их толщу увеличивается;

3) проницаемость полимербетонов на щебне из боя кислотоупорного кирпича меньше чем полимербетона на гранитном щебне;

4) с увеличением конституции агрессивных сред диффузия их в полимерные композиции уменьшается;

5) скорость проникновения жидкости в композит определяется температурой, размерами молекул жидкости и наличием вакансии (т. е. плотностью упаковки молекул твёрдого тела).

6) плотность и непроницаемость композитов зависят от вида дисперсности, количества и влажности наполнителя;

7) поверхностно-активные вещества значительно снижают водопоглощение фурановых композиций, особенно наполненные кварцевой мукой;

8) деструкция составов фурановых композиций на кварцевой муке при введении ПАВ уменьшается в 2,7 - 13 раз, на андезитовой муке в 2,5 раза, поэтому применение ПАВ более целесообразно для фурановых композиций, наполненных кварцевой мукой;

9) увеличение смачиваемости агрессивной жидкости полимерных композитов под влиянием света является одной из причин понижения атмосферостойкости полимерных материалов.

Целью статьи является научная обоснованность объяснения зависимости влияния на смачиваемость поверхности жидкостями и воздействие светофотокапиллярного эффекта.

Из результатов проведенных экспериментов было установлено, что увеличение смачиваемости агрессивной жидкостью полимерных композитов под влиянием понижения света, является одной из причин понижения атмосферостойкости полимерных материалов.

Изложение материала. Свойства пористых тел определяются структурой пор его пространства. Движение жидкости в пористых средах до насыщения описывается законом Дерси. При соприкосновении с агрессивной средой, жидкостью все поры, микротрещины, имеющие выход на поверхность материала, самопроизвольно заполняются жидкостью, тем на большую глубину, чем лучше смачивается материал агрессивной средой. Тонкая пленка жидкости, образовавшаяся на поверхности материала (в капиллярах, трещинах), а также просто на смачиваемой поверхности оказывает, по Дерягину [1, 2, 3] расклинивающее давление, молекулярная составляющая которого описывается уравнением:

Pm =

6nh3

где А - постоянная, зависящая от молекулярного строения жидкости, пропорциональная диэлектрической проницаемости, т. е. А ~ Е;

h - толщина пленки жидкости.

Из уравнения (1.1) вытекает, что расклинивающее давление жидкой пленки тем больше, чем больше ее диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость воды очень высока (и равна 81). Отсюда становится понятным, почему чистая дистиллированная вода является агрессивной жидкостью для полимерных материалов.

При полном погружении образца в среду в случае открытой поры может происходить как всасывание, так и дренаж жидкости. Если пора закрыта, процесс усложняется; запертый слой воздуха и скапливающиеся пары жидкости в ней препятствуют капиллярному подъему жидкости.

Процесс капиллярного подсоса жидкости протекает самопроизвольно и осуществляется за счет свободной поверхностной энергии системы. Этот процесс длится недолго. Затем процесс проникновения жидкости в твердое тело вступает в новую, более продолжительную фазу, связанную с явлением диффузии. Диффузия жидкости внутри образца может быть описана уравнением Фика:

dm

D

ds , ,

— ds  dt

где dm - масса жидкости, переносимая через площадку за время dt; ds / dx - градиент плотности;

D - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии в жидкостях мал по сравнению с газами и может быть определен по формуле :

39

Вісник ПДАБА

D

1 S2 w

6 т -e kt

0

где 5 - среднее расстояние между молекулами жидкости;

то - средний период колебания молекулы около положения равновесия;

W - энергия активации; к - постоянная Больцмана;

t - абсолютная температура. Величина 5 может быть рассчитана из уравнения

S

У

Na - р

где ц - молекулярная масса жидкости;

Na - число Авогадро;

р - плотность жидкости.

По теории, развитой Я. И. Френкелем [3] основным фактором, определяющим структуру и свойства жидкости, является удельный объем. Жидкость можно рассматривать как твердое тело, цельность которого нарушена микрополостями-дырками.

Частицы в жидкости распределяются в виде компактных пачек, в которых сохраняется ближний порядок. Молекула жидкости колеблется вокруг некоторого положения равновесия в течение времени т . Затем положение ее равновесия смещается скачком на расстояние, равное 5 - среднему расстоянию между соседними молекулами. Среднее тср оседлого существования молекулы называют временем релаксации. При повышении температуры тср быстро уменьшается. Для перехода молекулы из одного состояния в другое требуется не только затрата энергии W (энергия активации), но и вакансия-дырки, куда молекула (или ее часть) может переместиться. Значит, скорость проникновения жидкости в композит будет определяться температурой, размерами молекул жидкости, наличием вакансии (т. е. плотностью упаковки молекул твердого тела) и другими факторами. Все факторы, увеличивающие плотность упаковки, степень кристалличности, отсутствие дефектов структуры, повышающее число поперечных сшивок - будут препятствовать проникновению агрессивной жидкости внутрь твердого тела.

Плотность, непроницаемость композитов зависит от вида, дисперсности, количества и влажности наполнителя. На рисунке 1 показано влияние вида наполнителя на водопоглощение фурановых композиций. На рис. 1а показано влияние вида ПАВ на водопоглощение фурановых композиций на кварцевой муке. Все исследованные ПАВ понижают водопоглощение по сравнению с контрольными образцами на 24 % (сульфонол); на 26 % (вещество Прогресс); и на 22 % (ОАДМА).

На рисунке 1 б показано влияние вида ПАВ на водопоглощение фурановых композиций, наполненных андезитовой мукой. Из шести исследованных ПАВ пять добавок понижают водопоглощение на 10 - 26 %.

Интересные данные получены при дальнейшем выдерживании образцов в воде до двух лет и более. Через два года пребывания в воде масса образцов уменьшилась, поверхность их покрылась густой маслянистой пленкой. Уменьшение массы образцов, очевидно, связано с процессом деструкции материала образца (табл. 1).

Из таблицы 1 видно, что деструкция модифицированных составов на кварцевой муке уменьшается при введении ПАВ в 2,7 - 13, на андезитовой муке - в 2 - 5 раз. Применение ПАВ более целесообразно, когда наполнителем фурановых композиций является кварцевая мука, т. к. деструкция образцов на андезитовой муке после двухлетнего пребывания в воде менее значительна, чем зависимость водопоглощения фурановых композитов на кварцевой муке от концентрации ПАВ имеет минимальное значение при 0,5 - 1,5 % ПАВ от массы фурановой смолы (рис. 2). При больших значениях ПАВ (2 % и более) водопоглощение не только не уменьшается, но и может возрасти по сравнению с контрольными образцами.

40

№ 3 березень 2011

Рис.1. Влияние вида наполнителя и ПАВ на водопоглощение отвержденных фурановых

композиций

а) наполнитель - кварцевая мука. 1 - без ПАВ; 2 - ОАДМА; 3 - сульфонол; 4 - вещество

прогресс.

б) наполнитель - андезитовая мука.1 - ОП-4; 2-без ПАВ; 3 - сульфонол; 4 - ОАДМА; 5- вещество «Прогресс»; 6 - синтамид; 7- АДМАХ.

Т а б л и ц а 1

Изменение массы образца полимерраствора после двухлетнего пребывания в воде

Вид наполнителя Свойства Вид поверхностно-активных веществ

Длительность контактирования, год

без ПАВ Сульфонал вещество Прогресс ОАДМА

1 2 1 2 1 2 1 2

Кварцевая мука Изменение массы, % 4,5 3,99 3,41 3.30 3,33 3,19 3,5 3,47

Деструкция, 11,3 3,2 4,2 0,86

Андезитовая мука Изменение массы, % 2,0 1,82 1,8 1,77 1,75 1,67 1,8 1,72

Деструкция, 9 1,77 4,6 4,4

Оптимальным является такое количество ПАВ, при котором на поверхности наполнителя образовался незавершенный монослой ПАВ, приводящий к некоторой гидрофобизации поверхности наполнителя. При увеличении количества ПАВ вокруг зерна наполнителя образуется не моно-, а полислой ПАВ, происходит инверсия смачивания и поверхность наполнителя вновь

41

Вісник ПДАБА

становится гидрофильной [4]. Влияние вида и концентрации поверхностно-активных веществ на коэффициент диффузии воды в фурановый композит на наполнителе из кварцевой муки показано на рисунке 3.

Водостойкость фурановых композиций с добавками ПАВ определяли по стандартной методике [5]. Результаты этих исследований представлены на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показано влияние вида и концентрации ПАВ на водостойкость фурановых композиций, наполненных кварцевой мукой. Все исследованные ПАВ дают экстремальное значение коэффициента водостойкости. Причем смачиватель ДБ дает этот максимум при значениях концентрации в пределах (0,4 - 0,8 %) от массы фурановой смолы; катапин смещает этот максимум правее до значений (0,6 - 0,9 %); сульфонол, ОАДМА, АДМАХ дают экстремум при концентрации ПАВ (0,3 - 1,2 %). При дальнейшем увеличении ПАВ коэффициент

водостойкости резко уменьшается и может достичь значений ниже контрольных образцов.

Рис. 2. Влияние вида и концентрации ПАВ на водопоглощение композиций. Наполнитель - кварцевая мука. П/Н = 1:1.25; 1 - смачиватель ДБ; 2 - АДМАХ;

3 - катапин

Рис. 3. Влияние вида и концентрации ПАВ на коэффициент диффузии воды в фурановый композит. Наполнитель - кварцевая мука. П/Н = 1:1,25; 1 - ОАДМА; 2 - смачиватель ДБ;

3 - ОП-4.

42

№ 3 березень 2011

o.al

0,5

0 0.5 1.0 1.5 2-0

КОНЦЬНТ№ЦИЯ ПАЙ».

Рис. 4. Влияние вида и концентрации ПАВ на водостойкость фурановых композиций (наполнитель - кварцевая мука) П/Н = 1: 1,25.

1 - сульфонол; 2 - ОАДМА; 3 - смачиватель ДБ; 4 - АДМАХ.

Рис. 5. Влияние наполнителя и ПАВ на водостойкость фурановых композиций а) наполнитель - кварцевая мука

1 - алкамон; 2 - вещество Прогресс; 3 - ОАДМА; 4 - ОП-10; 5 - Проксанол;

6 - синтамид; 7 -без ПАВ; б) наполнитель - андезитовая мука (П/Н = 1:1,25);

1 - синтамид; 2 - сульфонол; 3 - вещество прогресс; 4 - ОП-4; 5 - ОАДМА; 6 - АДМАХ;

7 - без ПАВ

На рисунке 5 а показано влияние вида ПАВ на водостойкость фурановых композиций, наполненных кварцевой мукой. Катионактивное вещество алкамон (кривая 1) повышает

43

Вісник ПДАБА

водостойкость композиции на 46 % по сравнению с контрольными образцами (кривая 7); анионактивное вещество "Прогресс" (кривая 2) - на 40 %. На рисунке 5 б показано влияние ПАВ на водостойкость фурановых композиций на андезитовой муке. Наибольшее повышение водостойкости достигнуто с использованием ПАВ - синтамида (на 42 %).

При смачивании поверхности полимербетонного образца водой, молекулы воды проникают в вершины микро- и макротрещин, ускоряя их рост и препятствуя их смыканию (6). Особенно агрессивна вода для фурановых композитов на кварцевых наполнителях, так как свежеобразованная поверхность кварца мгновенно покрывается пленкой адсорбированной влаги. Эта влага препятствует отверждению смолы в контакте, ослабляя структуру в самых ответственных местах, т. е. на границе полимер- наполнитель. Обводненная поверхность кварца плохо смачивается смолой, между поверхностью наполнителя и полимером образуются воздушные включения, являющиеся концентраторами локальных перенапряжений. При введении КПАВ адсорбированная влага оттесняется ПАВ, либо ослабляется ее отрицательное действие, т. к.. ПАВ, адсорбируясь на поверхности наполнителя, изменяет гидрофобногидрофильные свойства поверхности. Поверхность кварцевой муки заряжена отрицательно, а поверхностная активность катионных ПАВ (КПАВ) обуславливается положительно заряженными ионами, поэтому КПАВ является лучшим модификатором для кварцевых наполнителей.

Для проверки действия воды на микроструктуру фурановых композиций были сняты ИК-спектры сухих образцов и после выдержки их в воде в течение 12 месяцев. Данные этих исследований представлены на рисунках 6 и 7. Изменения происходят в области полос поглощения 1 380 см -1 и 1 450 см -1.

На рисунке 6 показано влияние вида наполнителя на ИК-спектры образцов воздушносухого хранения и образцов, хранившихся з воде в течение 12 месяцев. На рисунке 7 показано влияние поверхностно-активных веществ на характер ИК-спектров. Введение ПАВ в полимерную композицию меняет характер надмолекулярных структур; при оптимальном наполнении глобулы уменьшаются в размерах. Увеличение же диаметра надмолекулярных структур может привести к развитию микропористости. Наличие микротрещин и дефектов приводит к тому, что наряду с активированной диффузией, возникает фазовая поверхностная диффузия, приводящая к увеличению водопроницаемости [8]. ПАВ, изменяя релаксационные процессы, способствует созданию менее напряженных и дефектных структур и предохраняет от возникновения фазовой диффузии. Кроме того, создание монослоя ПАВ на поверх ности наполнителя приводит к возникновению в контакте полимер - наполнитель подвижных (менее жестких), легко регенерируемых связей, что положительно сказывается на адгезии полимера к поверхности наполнителя.

Вода является одной из наиболее агрессивных жидкостей для полимерных композиций, т. к. имеет большое значение поверхностного натяжения (72 тН/м), что сказывается на увеличении смачиваемости полимерных поверхностей водой, а также высокое значение диэлектрической проницаемости чистой воды ( Е воды равна 81).

При растворении в воде солей и кислот поверхностное натяжение и диэлектрическая проницаемость растворов значительно понижаются, а это означает, что микро- и макропоры и трещины будут заполняться агрессивной жидкостью на меньшую глубину, чем чистой водой и, образовавшаяся на поверхности микротрещины пленка жидкости будет оказывать меньшее расклинивающее давление, т. к. молекулярная составляющая расклинивающего давления пропорциональна диэлектрической проницаемости жидкости.

Химстойкость полимерных композиций возрастает с понижением смачиваемости поверхности полимерного материала агрессивной средой. Рассмотрим факторы, влияющие на смачиваемость поверхности полимерного материала агрессивными жидкостями. Из практики известно, что химстойкость и водостойкость полимербетона понижаются при одновременном воздействии агрессивной среды и света. Поэтому нами были проведены эксперименты по определению влияния освещения на смачиваемость. Оказалось, что скорость растекания агрессивной жидкости (воды) увеличивается при освещении смачиваемого образца. Это можно объяснить так называемым фотокапиллярным эффектом. Чтобы исключить влияние нагревания под действием света, освещение производилось кратковременно.

Было замечено, что скорость смачивания зависит от спектрального состава облучения, т. е. чем выше частота излучения, тем выше скорость растекания, для проведения эксперимента на

44

№ 3 березень 2011

поверхность металлической пластинки (проводника) была нанесена полимерная пленка и на ее поверхность нанесена капля жидкости.

Рис. 6. Влияние вида наполнителя на характер ИК-спектров фурановых композиций

до и после выдерживания их в воде:

1 - без наполнителя; 2 - мука из боя кислотоупорного кирпича; 3 - андезитовая мука;

4 - молотый кокс

Рис. 7. Влияние вида ПАВ на характер ИК - спектроскопии фурановых композиций до и после выдерживания их в воде:1 - без ПАВ; 2 - ОП-4; 3 -катапин; 4 - сулъфонол

При попадании света на поверхность полимера возникает фотоэффект [9]. Под действием энергии фотонов электроны в полимере срываются со своих орбит, становятся свободными, в результате чего проводимость полимера возрастает. Вследствие теплового движения

45

Вісник ПДАБА

свободные электроны проникают через границу раздела полимер-металл и поверхность металла заряжается отрицательно, а поверхность полимера - положительно (вследствие нехватки отрицательных зарядов). В обратном направлении электроны не могут перемещаться, так как промежуточный слой между металлом и полимером обладает односторонней проводимостью.

Если нанесенная на поверхность капля жидкости приняла форму линзы, то при освещении она растечется в тонкую пленку. Скорость растекания жидкости зависит не только от интенсивности падающего света, но и от его спектрального состава. Интенсивность падающего света (освещенность) смачиваемой поверхности измеряли люксметром, а спектральный состав излучения меняли с помощью светофильтров, а также заменой ламп накаливания кварцевой лампой.

Установлено, что скорость растекания капли воды при не изменяющемся составе излучения, пропорциональна интенсивности падающего света. При постоянной интенсивности света, скорость растекания капли жидкости пропорциональна частоте падающего света.

Эти зависимости можно объяснить на основе квантовых представлений. Энергия фотона, падающего на поверхность диэлектрика (полимерную пленку), тратится на то, чтобы электрон преодолел потенциальный барьер. Чем больше интенсивности падающего света (больше фотонов), тек больше электронов становится свободными, т. е. заряд поверхности полимера увеличивается, а это приводит к улучшению смачиваемости поверхности полимера жидкостью, так как Cos 0 пропорционален заряду смачиваемой поверхности [10].

Аналогичным образом можно объяснить скорость растекания жидкости от спектрального состава излучения. Энергия падающего фотона пропорциональна частоте падающего света, т. е. достаточна или (недостаточна) для того, чтобы электрон стал свободным. Вот почему при малых частотах падающего света (красный, оранжевый, желтый цвета) даже при очень большой интенсивности освещения скорость растекания жидкости остается неизменной и только при синем, фиолетовом, ультрафиолетовом облучении энергия фотона оказывается достаточной, и скорость растекания возрастает. Увеличение смачиваемости агрессивной жидкостью полимерных композитов под влиянием света является одной из причин понижения атмосферостойкости полимерных материалов.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Армополимербетон в транспортном строительстве / [ Соломатов В. И., Кмокин В. И., Кочнева А. Ф. и др. ]. - М. : Транспорт, 1979. - 232 с.

2. Зюзин А. Д. Адгезия жидкости и смачивания / Зюзин А. Д. - М. : Химия., 1978. - 413 с.

3. Мастики, полимербетоны и полимерсиликаты [ под ред. В. В. Потуреева, И. Е. Путлиева и др.]. - М. : Стройиздат, 1989. - 224 с.

4. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей / Френкель Я. И. - Л. : Наука, ленинград. отд., 1978. - 592 с.

5. Быховский А. И. Исследования по физике процессов растекания на поверхности твёрдого тела:. Дисс. докт. физмат. наук : 05.23.05 / Быховский А. И. - К., 1976. - 492 с.

6. Дибров Г. Д. Молекулярно-поверхностноые явления в дисперсных структурах, деформируемых в активных средах : 05.23.05 / Дибров Г. Д. - К., 1970.

7. Харисова Р. Н. Исследование смачиваемости гидрофильных и гидрофобных твёрдых тел растворами поверхностно-активных веществ в условиях равновесия: дис. канд. техн. наук: 05.23.05 / Харисова Р. Н. - М., 1976. - 173 с.

8. Дирягин Б. В., Кротова Н. А. Адгезия / Б. В. Дирягин , Н. А. Кротова - М. : АН СССР, 1979. - 244 с.

9. Деревянко В. Н. Влияние дисперсности наполнителя на характеристики компонентов связующих полимербетонов. / Деревянко В. Н., Приходько А .П., Райлян С. А. - Зб. наук. пр. Луган. нац. аграр. ун-ту. Серія: Технічні науки. - Луганськ, Вид. ЛНАУ, 2007. - № 71.

10. Особенности полимербетонов на основе фенолформальдегидных смол / [ Березюк А. Н., Ганник Н. И., Мартыш А. П. и др. ]; Стародубовские чтения, Сб. науч. тр. - [Вып. 48, ч. 2 ] -Днепропетровск, ПГАСА, 2009.

46