Анализ влияния микрокальцита на эффективность совместной работы наполненных полимерных покрытий с бетонными основаниями

В последние десятилетия все большее внимание уделяется повышению долговечности зданий и сооружений [1–3]. По разным оценкам около 75% всех строительных конструкций эксплуатируются в условиях действия агрессивных факторов, а ежегодный ущерб от коррозии составляет 3-5% ВВП [3]. Наиболее эффективным способом антикоррозионной защиты является изоляция поверхности материала от непосредственного воздействия агрессивной среды путем нанесения лакокрасочных покрытий, штукатурок, устройства оклеечных изоляций, облицовок из штучных изделий, а также гидрофобизирующих пропиток [4]. Широкое применение нашли защитные покрытия на основе эпоксидно-диановых смол, что обуславливается их высокой прочностью, стойкостью к износу и воздействию агрессивных сред [5–7]. При пропитке бетонных и железобетонных конструкций синтетическими полимерами возрастает их химическая стойкость, повышается прочность и трещиностойкость [8; 9]. Эпоксидные компаунды активно используются в качестве бесшовных химически стойких напольных покрытий на промышленных предприятиях [10], где предъявляются высокие требования как к химической стойкости, так и к прочности покрытий, которые должны воспринимать нагрузки от движущегося транспорта, веса оборудования и складируемых материалов. Для улучшения прочностных характеристик и снижения стоимости покрытий в состав полимерной матрицы вводятся наполнители, которые наряду с уменьшением расхода дорогостоящего связующего оказывают значительное влияние на различные свойства получаемых композитов. Так, в зависимости от вида, дисперсности и количества введенного наполнителя в широких пределах изменяются модуль упругости, прочностные, реологические и декоративные характеристики композитов, их тепло- и электропроводность, стойкость к абразивному износу и действию климатических факторов [11; 12]. При этом улучшение одних характеристик при наполнении может сопровождаться ухудшением других, а влияние наполнителя может быть различным в зависимости от вида полимерного связующего.

В строительстве широкое применение получили минеральные дисперсные наполнители, отличающиеся низкой стоимостью и большими объемами производства, такие как мел, диатомит, базальт, каолин, маршалит и т.д. [11–14]. Одним из наиболее распространенных наполнителей является микрокальцит (микромрамор), получаемый измельчением природного белого мрамора [13; 14]. Микромрамор имеет высокую степень белизны и совместим с окрашивающими пигментами, благодаря чему используется при устройстве лакокрасочных покрытий и полимерных полов.

Как известно, изменение свойств композита при наполнении происходит не линейно и носит экстремальный характер, что обусловлено двойственностью процессов упрочнения и разупрочнения [15]. С одной стороны, присутствие наполнителя приводит к изменению структуры полимерной матрицы в пространстве между дисперсными частицами и переходу ее в более прочное пленочное состояние, а также формированию переплетающегося пространственного каркаса из частиц наполнителя и пленочной фазы матрицы. С другой стороны в результате введения наполнителя происходит разупрочнение композита вследствие возникновения дефектов, связанных с недостаточным смачиванием его поверхности полимером, наличием внутренних напряжений, обусловленных различием модулей упругости и коэффициентов линейного термического расширения матрицы и наполнителя, а также возникновением пор вследствие дефицита связующего. Учитывая, что с ростом суммарной удельной поверхности наполнителя развиваются оба процесса, существует оптимальное значение данной величины, при которой прочность композита будет максимальна [16]. Таким образом, характеристики композиционного материала определяются преобладанием одного из противоположных процессов, интенсивность которых зависит от степени наполнения, фракционного состава и морфологии поверхности наполнителя.

Эффективность использования наполненных синтетических полимеров в качестве защитных покрытий определяется не только свойствам полимерного композита, но и его совместной работой с основанием. Так, согласно [17] повышение прочности изгибаемых элементов с полимерными покрытиями на величину усилия, воспринимаемого покрытием, возможно только при его совместной работе с бетоном. Несмотря на высокие механические характеристики, не все составы обладают достаточной адгезий и вязкостью, обеспечивающей необходимую глубину проникновения в структуру бетона, что не позволяет эффективно воспринимать нагрузки совместно с основанием и значительно снижает возможность их использования в качестве защитных покрытий.

В рамках проведенного эксперимента производилась оценка изменения предела прочности при изгибе бетонных образцов с полимерными покрытиями, наполненными различными фракциями микрокальцита. Бетонные балочки размером 40*40*160 мм изготавливались из мелкозернистых цементных смесей с П/Ц=3, В/Ц=0,6, содержащих 0,5% Melflux 100F от массы цемента. Растянутая грань балочек усиливалась полимерным покрытием толщиной 3,5 мм.

В качестве связующего использовался низковязкий эпоксидный двухкомпонентный компаунд марки Этал-27НТ/12НТ производства АО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ», в состав которого вводился микромрамор 3 различных фракций: МКМ1 (71) - крупная фракция (0,5^1 мм); МКМ2 (72) - средняя фракция (0,2-0,5 мм); МКМ3 (73) - мелкая фракция (менее 0,2 мм). Степень наполнения состава варьировалась от 40 до 80% от уровня предельного наполнения, который менялся в зависимости от используемой фракции наполнителя (см. табл. 1). Исследовались композиты, получаемые с использованием как одной, так и двух фракции наполнителя, при обеспечении условия 7t + 72 + 73 = 1. Эффективность применения исследуемых составов оценивалась путем сравнения прочности при изгибе и прогиба усиленных полимерными покрытиями бетонных балочек с аналогичными характеристиками бетонных образцов без покрытия.

Уровни варьирования переменных факторов

Таблица 1

На 100 мас. ч. эпоксидного связующего
Массовое содержание наполнителей, % от максимального наполнения			Максимальное содержание наполнителей в смеси, масс.ч.
–1	0	+1	МКМ1 (7 1 )	МКМ2 (V 2 )	МКМ3 (V3)
40 %	60 %	80 %	300	250	200

Установлено (см. рис. 1), что нанесение ненаполненных полимерных покрытий на поверхность бетонных образцов приводит к повышению их прочности более чем в 2,2 раза (с 6,1 до 13,7 МПа). Предел прочности при изгибе образцов с покрытиями, содержащими наполнитель, в зависимости от фракционного состава микромрамора и степени наполнения изменяется в пределах от 8,6 до 11,5 МПа.

■MKM1 1MKM2 ОМКМЗ ИМКМ1+МКМ2 ИМКМ1+МКМЗ OMKM2+MKM3

Рис. 1. Предел прочности при изгибе бетонных образцов с полимерными покрытиями и без покрытия в зависимости от степени наполнения и фракционного состава микромрамора.

Нанесение ненаполненных покрытий на растянутую грань бетонных образцов приводит к повышению прогиба при изгибе в 9 раз, а при использовании наполненных составов – в 1,2–2,5 раза (рис. 2). Резкое снижение деформативности уже при 40% степени наполнения при введении наполнителя, очевидно, происходит вследствие возникновения дефектов, связанных с недостаточным смачиванием поверхности частиц микромрамора, а также внутренних напряжений, обусловленных различием модулей упругости и коэффициентов линейного термического расширения матрицы и наполнителя. Кроме того, поскольку частицы микромрамора при изгибе практически не деформируются, удлинение композита в растянутой зоне обеспечивается исключительно полимерной матрицей, содержание которой снижается при введении наполнителя. Так, согласно [18], для обеспечения двукратного удлинения образца, содержащего 50% наполнителя, полимерная матрица должна деформироваться в 4 раза, что вдвое больше необходимого удлинения ненаполненного полимера при одинаковых деформациях образцов. При этом нарушение сплошности матрицы, наличие пор и агрегатов из несмоченных частиц наполнителя способствует разрушению композита при меньших деформациях. Для балочек, усиленных покрытиями, наполненными бинарными комбинациями наполнителей МКМ1+МКМ2 и МКМ1+МКМ3 установлено снижение прогиба при степени наполнения 60% и его повышение при максимальном содержании микромрамора. Для большинства составов наилучшие значения получены при степени наполнения 80%.

О              40              60              80

Степень наполнения, % Вид наполнителя:

ОМКМ1          ОМКМ2          ОМКМЗ

ОМКМ1+МКМ2

ОМКМ1+МКМЗ

ОМКМ2+МКМЗ

Рис. 2. Изменение относительного прогиба при изгибе бетонных образцов с полимерными покрытиями в зависимости от степени наполнения и фракционного состава микромрамора (по сравнению с бетонными образцами без покрытия).

Оценка влияния фракционного состава микромрамора и степени наполнения на изменение прочности при изгибе бетонных образцов-балочек с полимерными покрытиями производилась с применением изолиний изменения относительного предела прочности при изгибе по отношению к бетону и треугольных диаграмм Розебома–Гиббса (рис. 3, 4), построенных на основании полиномиальной зависимости:

Y = 1,59 • V1 + 1,60 • V2 + 1,66 • V3 - 0,39 • V1V2 - 0,93 • V1V3 - 0,36 • V2V3 +

+0,14 ■ V1X + 0,09 ■ V2X + 0,10 • V3X - 0,03 • V1V2X - 0,30 • V1V3X - 0,09 • V2V3X +     (1)

+0,14 • V1X2 + 0,02 • V2X2 - 0,08 • V3X2 + 0,27 • V1V2X2 + 0,70 • V1V3X2 + 0,29 • V2V3X2.

Согласно полученным данным, вне зависимости от комбинаций фракций микромрамора, наибольшие значения прочности для большинства исследуемых составов получены при максимальном содержании наполнителя. При этом изменение характеристик с повышением содержания микромрамора происходит не линейно. Из анализа представленных изолиний видно (рис. 3, а, б), что при повышении степени наполнения с 40 до 50^60% для комбинаций наполнителей МКМ1+МКМ2 и МКМ1+МКМ3 происходит снижение прочности при изгибе, которое затем компенсируется повышением свойств матрицы в граничных слоях, охватывающим все больший объем с ростом содержания наполнителя. Наибольший прирост прочности при изгибе, достигающий 190%, зафиксирован при использовании покрытий, содержащих микромрамор крупной фракции (МКМ1) при степени наполнения 80% (рис. 3, а, б). Ухудшение прочностных характеристик с повышением доли мелкой (МКМ3) либо средней (МКМ2) фракций микромрамора при максимальной степени наполнения (рис. 4, в), очевидно связано с повышением общей площади поверхности введенного наполнителя выше оптимального значения, что приводит к дефициту связующего и появлению пор, являющихся концентраторами напряжений. Наименьшие значения прироста предела прочности при изгибе, не превышающие 140%, получены для образцов с покрытием, содержащим микромрамор МКМ1 и МКМ3 в равном соотношении и степенью наполнения около 55%.

а)                               б)                               в)

Рис. 3. Изолинии изменения относительного предела прочности при изгибе бетонных образцов с полимерными покрытиями в зависимости от степени наполнения и соотношения фракций микромрамора:

а) МКМ1 + МКМ2; б) МКМ1 + МКМ3; в) МКМ2 + МКМ3.

V3                                                        V3                                                        V3

а)                             б)                                в)

Рис. 4. Треугольные диаграммы Розебома-Гиббса изменения относительного предела прочности при изгибе бетонных образцов с наполненными полимерными покрытиями (по отношению к бетонным образцам без покрытия) при степени наполнения: а) 40%; б) 60%; в) 80%.

Выводы. На основании полученных результатов выявлено, что нанесение ненаполненных покрытий на растянутую грань бетонных образцов позволяет повысить их прочность при изгибе в 2,2 раза, а их максимальный прогиб в 9 раз. Введение микромрамора приводит к снижению прироста прочности при изгибе, который для наполненных составов находится в диапазоне 1,4-1,9 в зависимости от фракционного состава и степени наполнения. При этом прирост максимального прогиба образцов, усиленных покрытиями, содержащими микромрамор, составляет 1,2-2,5 раз. Наибольшие значения прироста прочности образцов с наполненными покрытиями получены для составов, содержащих микромрамор крупной фракции (МКМ1) при степени наполнения 80%. Таким образом, даже при использовании высоконаполненных покрытий возможно повышение прочности бетонных образцов в 1,9 раз, что незначительно ниже прочности образцов с ненаполненными покрытиями при существенном снижении расхода связующего и, как следствие, стоимости композита.