Полимербетоны на основе эпоксидной и полиэфирной смол с использованием асбофрикционных отходов

Полимербетоны на основе эпоксидной и полиэфирной смол с использованием асбофрикционных отходов

САСтрулев, В.П.Ярцев

Полимербетоны - перспективный строительный материал, обладающий высокими прочностными характеристиками и стойкостью к агрессивным средам. Однако он имеет недостаток - высокую стоимость. В связи с этим возникает потребность в удешевлении и разработке новых полимерных композиций, обладающих повышенными механическими и физико-хи-мическими свойствами. Применение техногенных отходов в качестве наполнителей и модификаторов полимербетонов позволит решить не только поставленные выше проблемы, но и приведет к заметному экологическому эффекту.

В данной работе в качестве связующего использовали эпоксидную смолу марки ЭД-20 и ненасыщенную полиэфирную смолу марки ПН-1. Для снижения вязкости эпоксидную смолу предварительно подогревали до 50°С. После введения отвердителя ПЭПА ее заливали в формы и выдерживали 24 часа. Для ускорения процесса твердения формы помещали в печь и выдерживали в течение 2 часов при температуре 80°С. Ввиду меньшей вязкости смолы ПН-1 было решено отказаться от предварительного прогрева. В качестве отвердителя использовался Бутанокс-50М, в качестве ускорителя - УНК (на-фтенат кобальта), которые вводились в состав после мелкого и крупного заполнителя. Полимербетон, залитый в формы, выдерживался сутки, после чего его выдерживали в печи при температуре 80°С в течение 2 часов.

В качестве исходных составов полимербетонов были приняты следующие процентные соотношения компонентов по массе: 1) эпоксидная смола ЭД-20 - 25%, крупный заполнитель (гранитный щебень фракции 5-15 мм) - 25%, наполнитель (песок с модулем крупности 1,08) - 47%, отвердитель ПЭПА - 3% [1]; 2) полиэфирная смола ПН-1 - 25%; отвердитель Бутанокс-50М - 0,75%; ускоритель УН К - 0,75%; песок с модулем крупности 1,08 - 47,5%; щебень фракции 5-15 мм - 26%.

Для определения влияния асбофрикционных отходов на физико-механические свойства полимербетонов при раз-

личном процентном соотношении наполнителя проводили испытания при центральном сжатии и поперечном изгибе, определяли начальный модуль упругости, плотность отвер-жденных образцов и водопоглощение, коэффициент линейного термического расширения и твердость.

Для оценки предела прочности при сжатии испытано по 10 образцов с различным количеством наполнителей. Испытания проводили на гидравлическом прессе. При достижении предельной нагрузки образцы пластически деформировались, однако разрушались по хрупкой схеме.

По полученным результатам для указанных материалов построена зависимость прочности от количества введенных отходов (рис. 1).

Из рисунка видно, что зависимость прочности на осевое сжатие от состава имеет экстремальный характер. Своего пика она достигает при введении в состав полимербетона 3% АФО, при дальнейшем увеличении содержания АФО прочность сначала незначительно, а затем резко падает. Последнее, по-видимому, связано с большой удельной поверхностью вводимых отходов, что приводит к неполному контакту связующего и наполнителя и снижению удобоукладываемости смеси.

Увеличение прочности полимербетона сопровождается ростом его плотности при введении 5% АФО. Дальнейшее увеличение количества асбофрикционных отходов приводит к снижению плотности, так же как и прочности. Характер зависимости при испытаниях на поперечный изгиб аналогичен. Результаты испытаний на сжатие и поперечный изгиб для различных составов на эпоксидном и полиэфирном связующих приведены в таблице 1. Плотность полимербетона на полиэфирном связующем (1,88 г/см3) несколько выше, чем у композитов с эпоксидной матрицей (1,64 г/см3), но характер зависимости не меняется.

Испытания на твердость проводили на пиктрометре при нагрузке и различных температурах. Пример полученных

Таблица 1. Прочность при сжатии и изгибе для различных составов полимербетонов

Содержание АФО в композите, % Полимерная матрица

эпоксидная полиэс зирная

Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа

0 37,83 11,68 39,78 11,05

3 40,46 12,5 39,92 12,51

5 36,9 12,0 34,26 14,94

3 2011 109

результатов представлен на рисунке 1. Из рисунка видно,что зависимость твердостиотсостава наполнителя в исследованном диапазоне температур имеет экстремальный характер. Введение в полимербетон 3%АФ0 повышает твердость, при дальнейшем увеличении количества вводимых отходов твердость падает, но не опускается ниже исходных значений. При повышенных температурах тип зависимости не меняется, но увеличивается скорость снижения твердости в зависимости от соста ва н а п ол н ителя.

Также были проведены испытания на водопоглощение. Пример полученных результатов представлен на рисунке 2. Зависимость во до поглощения от состава наполнителя по-лимербетона имеет экстремальный характер. При введении в композит асбофрикционных отходов увеличивается степень наполнения,а следовательно,жесткость полимерной матрицы за счет перехода ее в пленочное состояние и ориентирования. При этом наблюдается снижение в одо поглощения. П ри увеличен ии количества вводимых добавок нарушается сплошность полимерной фазы композита и образуются капилляры, что приводит к росту в одо поглощения.

Были проведены испытания по определению коэффициента линейного термического расширения для выявления влияния АФО на теплофизические свойства полимерного композита. При малых концентрациях вводимой добавки наблюдался рост рассматриваемого параметра с 2,4Ю-бмм/°С до 2,9 Ю'6мм/°С при 3%АФ0, после чего коэффициентл инейного термического расширения постепенно снижался до 2,010'6 мм/С при 10%АФО, что объясняется увеличением в композите количества компонентов, мало подверженных термическому расширению.

Оценку влияния модификации эпоксиполимербетона ас-боф рикцион н ы ми отходам и н а дол го веч н ость (п оте н ц иал ьн ый срок эксплуатации) выполняли на основе термофлуктуацион-ной(кинетической) концепции разрушения идеформирования твердого тела. Основными ее достоинствами являются учет

50

40

30 20 10

о

1 МПА ¡ х

1 > г

\ 2

ч 7

Н, МПл

250

200

150 100

50

3

10

АФО, %

приопределении и прогнозировании долговечности не только напряжений, ной температуры эксплуатации, возможность выявления влияния на долговечность второстепенныхфакторов, таких как агрессивные среды, переменное замораживание-оттаивание, набухание-высушивание и т.п. [3]. Испытания проводили на рычажной установке. При построении прямых для каждой заданной температуры получали точки при пяти уровнях нагружения (0,9; 0,85; 0,8; 0,75; 0,7 от разрушающего напряжения). При заданной температуре и напряжении определяли время до разрушения образца - его долговечность. В каждой точке эксперимент повторялся шесть раз, и определялось среднее значение логарифма долговечности. По средним значениям долговечности и заданным напряжениям строили зависимости, приведенные на рисунках 3,4. Для п олуче н ия н а деж н ых резул ьтато в э кс п е р име н та л ь н ые да н н ы е подвергались статистической обработке по ГОСТ 14359-69.

По полученным результатам для указанных материалов построены прямые зависимости логарифма долговечности от напряжения для различных температур (рис. 3,4).

Из рисунка видно, что для каждого материала получены семейства параллельных прямых. Обработка результатов эксперимента проводилась на основе термофлуктуационной концепции прочности, согласно которой для определения долговечности материала в данном случае используется формула [2]:

Эмпирические константы, входящие в уравнение (1),определялись графоаналитическим методом. Для исходного материала они имеют следующие значения: = 13,294 - период колебания кинетических частиц; £ = 0,638 1/МПа -аналог структурно-механической константы; 17 = 25,584 кДж/моль - эффективная энергия активации. Для исследуемого материала: = 13,975- период колебания кинетических частиц; ^ = 0,64 1/МПа - аналог структурно-механи-

АФО, °о

Рис, 1. Зависимость прочности полимербетона при сжатии от процентного состава наполнителя -1; зависимость твердости от состава наполнителя при температуре 50°С- 2.

Рис, 2. Зависимость водопоглощения через 2 часа от процентного состава наполнителя при температуре 50°С

110 3 2011

ческой константы; 17= 21,763 кДж/моль - эффективная энергия активации.

Изменение значений констант незначительно, что свидетельствует об одинаковой физической структуре материалов. Повышение допговечносги эпоксиполимербетона с использованием асбофрикционных отходов можно объяснить ростом п ериода колебаний кинетических единиц, что свидетельствует о более высоком качестве формирования структуры материала. Наблюдается снижение влияния температуры на долговечность эпоксиполимербетона.

Введение асбофрикционных отходов в полимербетоны на эпоксидном связующем значительно повышает их долговечность, снижает восприимчивость к повышенным температурам, не меняя, однако, природы материала, а лишь повышая качество его структуры. Наблюдается увеличение предела прочности при сжатии и предела прочности на растяжение при изгибе,твердости, начального модуля упругости, снижение водопоглощения.

По результатам проведенных исследований для строительных конструкций можно рекомендовать полимербетоны следующих составов: 1) смола ЭД-20 - 25%; отвердитель ПЭПА - 3%; песок - 44%; щебень мелких фракций - 25%; асбофрикционные отходы - 3% [4]; 2) смола ПН-1 - 25%; отвердитель Бутанокс-50М - 0,75%; ускоритель УН К - 0,75%;

4

3 2 1

16,8 17,9 19,2 20,3 21,5 а МПа

Рис.3. Зависимость долговечности от напряжения для исходного состава эпоксиполимербетона

ilg

|.-т=юс| 1-----

18,1 19,3 20,6 21,9 23,1 а МПа

Рис. 4. Зависимость долговечности от напряжения для исследуемого состава эпоксиполимербетона

песок - 42,5%; щебень мелких фракций - 26%; асбофрикционные отходы - 5%.

Литература

1. НигметовЖ.Н. Прочность на сжатие эпоксидных композиций для устройства полов. Известия ВУЗов. Строительство. 1994, №5, 6. С. 58-60.

2. Ярцев В. П. Прогнозирование работоспособности полимерных материалов в деталях зданий и сооружений. Тамбов, Издательство ТГТУ,2001.

3. РатнерС.Б.,Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.,«Химия», 1992.

4. Струлев С.А., Ярцев В.П. Влияние асбофрикционных отходов на прочность полимербетона на эпоксидном связующем. Сборник материалов VIII Международной научно-технической конференции. Тула,2007.

Lite rata га

1. NigmetovZh.N. Prochnosf па szhatie epoksidnyh kompo-zicii dlya ustroistva polov. Izvestiya VUZov. Stroitel'stvo. 1994, №5,6. S. 58-60.

2.YarcevV. P. Prognozirovanie rabotosposobnosti polimernyh materia Low detalyah zdanii l sooruzhenii. Tambov: Izd, TGTU, 2001.

3. Ratner S. B.,YarcevV. P. Fizicheskaya mehanikaplastmass. Как prognoziruyutrabotosposobnost? M.,«Himiya»,1992.

4. StrulevS. A.,YarcevV. P. Vliyanie asbofrikcionnyh othodov na proch-nosf polirnerbetona na epoksidnom svyazuyushem, Aktual/nye problerny stroitel'stva l stroitel'noi industrii. Sbornik materialovVIIIMezhdunarodnoi nauchno-tehnichekoy konferenzii. Tula, 2007.

Polymer-Concretes on the Basis of Epoxy and Polyester

Resins with the Use of Asbestos-Friction Wastes.

By V.P.Yartsev, SAStrulev

The effect of asbestos-friction withdrawals on the performance properties of polymer-concretes on the basis of epoxy and polyester bonding agents is in this work studied. It is shown that the introduction of the withdrawals with the specific concentration indicated increase physicomechanical and increase the therrnophysical properties of polymer-concretes. Is determined the longevity of polymer-concrete on epoxybonding agent over a wide range of stresses and temperatures. For the application in the construction industry are [rekomendovany] the compositions with the content of withdrawals in the percentages throughout the mass: 3% on epoxy bonding agent, 5% on polyester bonding agent.

Ключевые слова: полимербетон, отходы, прочность, дол го-вечность, твердость, водопоглощение, эпоксидная и полиэфирная смолы.

Key words: polymer-сoncrete, withd rawals, streng th, longevity, hardness, water absorption, epoxy and polyester resins.

lg

N

♦ -T=10C

N -1 ♦ -T =50C

¿X

i

\

lg

• -T=10C -T=30C -T=50C "

N 4 ^L 1

3 2011 111