Влияние поверхностно активных веществ на внутренние

Влияние поверхностно - активных веществ на
внутренние напряжения в фурановых композициях
http://www.rusnauka.com/3._KAND_2007/Stroitelstvo/18897.doc.htm
УДК 666.972: 691.175
Секция: строительство и
архитектура
Подсекция: №4 современные строительные материалы
К.т.н. проф. А.Н. Березюк, к.т.н. доц. Н.И. Ганник, к.т.н. доц. А.В.
Гавриш, к.т.н. доц. А.П. Мартыш, асс. Т.А. Ценацевич, студент А.А.
Мартыш.
Приднепровская государственная академия строительства и
архитектуры
Одной из причин возникновения внутренних напряжений является та часть
усадки, которая осталась после релаксации. Знание механизма возникновения
внутренних напряжений дает возможность направленно изменять их величину
путем уменьшения густоты пространственной сшивки полимера; увеличения
гибкости макромолекул и увеличением за счет этого скорости релаксационных
процессов; за счет влияния на скорость процессов структурообразования.
Скорость протекания релаксационных процессов (т.е., скорость процессов
структурообразования) можно регулировать введением в фурановые композиции поверхностно-активных веществ.
Внутренние напряжения в структуре композита зависят от вида наполнителя. Кварцевая мука дает высокие значения внутренних напряжений, а
мука из боя кислотоупорного кирпича и молотый кокс - значительно их снижают. Отвердение фурановой смолы в присутствии этих наполнителей сопровождается ориентацией крупных структурных элементов вдоль частиц наполнителя и возникновением сетчатой структуры, частицы этих наполнителей не
являются центрами образования вторичных надмолекулярных структур, а
способствуют лишь параллельной укладке структур элементов [1].
Как видно из рис.1.1, все исследуемые поверхностно-активные вещества
понижают внутренние напряжения. Наилучшие результаты были получены
для полимерраствора с добавкой синтамида. Уменьшение внутренних напряжений в полимеррастворах с добавками поверхностно-активных веществ
можно объяснить изменением надмолекулярной структуры связующего. При
введении ПАВ в фурановую композицию глобулярная структура связующего
превращается в фибриллярную, что способствует повышению эластичности и
более плотной упаковке элементов на поверхности наполнителя. Образование
таких надмолекулярных структур приводит к значительному уменьшению
внутренних напряжений в полимеррастворе при увеличении адгезии и прочности на разрыв наполненной композиции [2].
Данные (рис.1.2) характеризуют влияние концентрации поверхностноактивных веществ на максимальные внутренние напряжения в фурановых
композициях. Как видно из рисунка, значительное уменьшение внутренних
напряжений в фурановых композициях достигается при введении в смесь
синтамида в количестве 0,5%, вещества "Прогресс" -1 % и АДМАХ - 2 % от
массы фурановой смолы.
С накоплением опытных данных выработались определенные представления о механизме контактного сопротивления, были сделаны попытки выявить
физический закон, связывающий деформационные (g) и силовые (Гсц)
характеристики контакта. Первое предложение по выбору аналитической
формулы связи между (Гсц) и (g), получившей впоследствии название закона
сцепления, было сделано в 1941г. С.Е. Фрайфельдом [3]. К сожалению, это
предложение не получило развития, и по-видимому, независимо от него в 50-х
годах появились работы, в которых закон сцепления был принят в
простейшей форме: Гсц=kg (где k=const). Из этой зависимости следовало, что
(gо) всегда пропорционально (Г0). Удачнее оказалось предложение И. Гийона
[4] использовать для зависимости от g график идеальных упругопластических
деформаций.
Исследования ВНИИЖелезобетона показали, что применение этого закона дает хорошие результаты, хотя наиболее удачный следует считать
"нормальный закон":
 сц  В
n(1   g )
;
1 g
(где b и a – параметры закона сцепления).
Рис.1.1. Влияние ПАВ на внутренние напряжения в структуре фуранового
композита, наполнитель - андезитовая мука, п/н=0.66: 1 - без ПАВ; 2 АДМАХ; 3 - ОП-4; 4 - вещество «Прогресс»; 5 - смачиватель ДБ; 6 синтамид.
Концентрация ПАВ, %.
Рис.1.2. Влияние концентрации ПАВ на внутренние напряжения в структуре
фуранового композита. Наполнитель - андезитовая мука, п/н=0.66: 1АДМАХ; 2 - вещество "Прогресс"; 3 - синтамид.
ВЫВОДЫ ПО СТАТЬЕ:
Приложенная к полимербетону снижающая нагрузка определенной величины вызывает в нем упорядочение некоторой части связей, уплотнение
системы, повышение прочности и упругости части деформации полимерного
камня. С ростом внешней нагрузки в полимерном камне возникают деформации, способствующие ослаблению сил сцепления и возникновению растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном к плоскости приложения внешней нагрузки. В контактах между микроструктурными элементами,
т. е. в местах ослабленных порами и прочими технологическими дефектами,
создаются очаги концентрации напряжений, которые, достигнув определенной
величины
(выше
предела
прочности
связей),
вызывают
лавинное
микротрещинообразование, и как следствие этого, разрушение полимербетона
от поперечного отрыва.
Теоретическая прочность (силы сцепления) в идеальном кристалле
определяется
зависимостью
σс=Е/2п.
Фактическая
же
прочность
полимербетона на термореактивных фурановых смолах из-за несовершенства
его структуры, составляет величину во много раз меньшую, чем
теоретическая, и оценивается в пределах 0,003 - 0,005 Е.
На основании качественного анализа реакций полимерного камня на
внешние нагрузки можно заключить, что прочность и деформативные
свойства полимерного камня предопределяются прочностью связей в
кристаллических решетках и плотностью их упаковки в занимаемом объеме,
упругостью и прочностью контактов между структурными составляющими,
количеством и сечением пор (дефектов), а также восстанавливающей силой,
возникающей под действием внешней нагрузки вследствие релаксационных
колебаний и сдвигов микро- и макроструктурных элементов.
Разрушение полимербетона происходит в результате концентрации на-
пряжений в зонах, где градиент внешних сил вызывает пик усилий, обусловленный различием деформативных свойств составляющих, их расположением,
формой,
объемным
содержанием,
количеством
пор
и
прочих
технологических дефектов.
Процесс микротрещинообразования в полимербетоне под влиянием
внешней сжимающей нагрузки характеризуется четырьмя стадиями.
На первой стадии (при начальном нагружении) произойдет уплотнение
структуры полимерного камня, по мере роста уровня обжатия возникнут
градиенты напряжения в контактных связях, которые приведут к их разрыву,
т. е. к образованию микроразрушений в этих зонах и нарушению сцепления
между ними (вторая стадия). Включения, лишенные связей сцепления при
дальнейшем увеличении внешней нагрузки сжимают прослойки полимерного
камня, т. е. произойдет кажущееся его уплотнение за счет разрушения
стенок пор (третья стадия), которая является подготовительной, после
которой наступает прогрессирующий процесс разуплотнения всей системы
(четвертая стадия), ведущая к разрушению структуры полимерного камня и
отделению от него более крупных включений.
Влияние зерен крупного заполнителя на кинетику микроразрушений
полимербетона сказывается различно, так как это зависит от соотношения
прочностей и модулей упругости полимерного камня и заполнителя.
Истинная
прочность
пористых
заполнителей
(щебень
из
боя
кислотоупорного кирпича), в полимербетоне значительно выше, чем при
испытании дроблением, так как при определенном напряженном состоянии, изза малых деформаций полимерного камня, заполнитель испытывает объемное
обжатие, в связи с чем воспринимает нагрузку без образования трещин.
Результаты определения прочностных характеристик и полноты отверждения полимербетона на термореактивных фурановых смолах показывают,
что 24-часовой сухой прогрев его при температуре 80° С после суточной
выдержки при температуре 18-25° С обеспечивает достаточно высокую степень отверждения и высокие прочностные характеристики.
Установлено влияние основных структурообразующих факторов (отношения п/н, величины коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя α
и толщины полимеросвязующего слоя δ) на прочностные характеристики
фуранового полимербетона. Оптимальными значениями являются: п/н = 0,660,8; α = 1,3; δ = 94·10-6м.
Установлено влияние вида и концентрации поверхностно-активных веществ
на прочностные характеристики фурановых композиций с различными
наполнителями (так вещество «Прогресс» и ОАДМА имеют экстремальное
значение при наполнителе из кварцевой муки - 0,1-0,2%, а смачиватель ДБ и
ОП-4 - при концентрации 0,5 - 0,75%).
Получено уравнение прочности фуранового полимербетона на плотном
(гранитный щебень) и пористом (щебень из боя кислотоупорного кирпича)
заполнителях.
При отвердении термореактивных фурановых смол за счет экзотермических
реакций поликонденсации выделяется значительное количество тепла, что
обуславливает высокую температуру разогрева смеси и термическую
деструкцию фурановой смолы.
Минеральные
наполнители
и
заполнители
значительно
снижают
максимальную температуру саморазогрева смеси, уменьшают температурные
напряжения и возможность появления трещин.
Максимальная температура разогрева полимерной смеси зависит от объема
конструкции, количества фурановой смолы в композиции, количества
отверждающего смолу реагента и температуры окружающей среды, поэтому
проектирование состава полимербетона, особенно для изготовления крупногабаритных объемных конструкций, какими являются технологические агрегаты химической обработки металлоконструкций, необходимо производить с
учетом основных закономерностей тепловыделения и возникающих при этом
температурных напряжений.
Усадочные напряжения в полимербетоне на термореактивных фурановых
смолах развиваются несколько позже температурных, поэтому именно
растягивающие температурные напряжения ввиду их нескомпенсированности,
являются особенно опасными, так как могут превысить временное
сопротивление полимербетона растяжению, что приведет к нарушению
монолитности изделия и появлению трещин.
Усадочные напряжения в полимербетоне на термореактивных фурановых
смолах при превращении вязкопластического полимерного теста в камневидное
состояние обуславливаются сближением молекул фурановой смолы в процессе
реакции поликонденсации, образованием жестких структур и их высокой
адгезионной связью с частицами твердой фазы активного микронаполнителя, а
также потерей в процессе отверждения летучих веществ.
Источником возникновения в полимербетоне внутренних усадочных напряжений является наличие в композиции жесткой структуры, обладающей
высоким модулем упругости. Увеличение степени наполнения композиции
снижает усадку, но увеличивает внутренние усадочные напряжения.
В полимербетоне на пористых заполнителях (щебне из боя кислотоупорного
кирпича) из-за относительно низкого модуля упругости заполнителей
полимербетону присущи при прочих равных условиях большие усадочные
деформации и относительно высокая трещиностойкость.
Максимальная усадка для полимербетона на термореактивных фурановых
смолах, андезитовой муке и щебне из боя кислотоупорного кирпича составляет
примерно 1 мм/м.
Все испытанные поверхностно-активные вещества уменьшают усадку и
усадочные напряжения в фурановом полимербетоне.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. - М.:
Химия, 1972.-150 с.
2. Зубов П.И.. Кисилев М.Р., Сухарева Л.Н. Влияние усилий формирования
полиэфирных покрытий на их надмолекулярную структуру и
свойства // Коллоидный журнал, 1968. - №6. - С.827.
3. Фрейфельд С.Е. Собственные напряжения в железобетоне. - М.: Стройиздат, 1941.-С.23.
А.Н. Березюк
______________
Н.И. Ганник
_______________
А.В. Гавриш
_______________
А.П. Мартыш
_______________
Т.А. Ценацевич
_______________
А.А Мартыш
_______________