Роль механической работы при пропитке полимерами влажного бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПРИ ПРОПИТКЕ ПОЛИМЕРАМИ ВЛАЖНОГО БЕТОНА

Д.Р. Веселовский,

инженер НПК «Полидон» г.Донецк,

Н.В. Савицкий,

д.т.н., профессор, Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, г. Днепропетровск,

Р.А. Веселовский,

д.х.н., профессор, ИХВС НАНУ, г.Киев

Постановка задач исследования. В последние годы руководители практически всех развитых стран мира все больше с тревогой говорят о грядущей техногенной катастрофе - разрушении основных фондов. Так, по заявлению строителей ВМФ США только на восстановление припортовых сооружений в мире ежегодно тратится около 100 млрд. долларов, с каждым годом эти затраты лавинообразно нарастают. Одним из наиболее быстро развивающихся методов защиты от разрушения и восстановления бетонных конструкций и сооружений является пропитка их мономерами (1). Однако, этот метод не используется при восстановлении причалов, опор мостов, подземных сооружений и других объектов, так как влажность бетона в этих случаях очень высокая и мономеры не в состоянии вытеснить воду из пор бетонного камня. Нами были поставлены исследования по определению условий, при которых процесс вытеснения мономером воды из пор бетонного камня мог бы быть реализован.

Анализ проблемы. При нанесении мономера на поверхность бетонного камня, одним из основных факторов, обеспечивающим пропитку, является смачивание поверхности бетонных пор мономером. Если производится пропитка сухого бетона, то при неполном смачивании поверхности бетонных пор мономером процесс пропитки все-таки реализуется. Повысить степень заполнения пор в бетонном камне можно осуществить путем нагнетания мономера под давлением.

Если пропитываемый бетон имеет высокую влажность, то одновременное присутствие мономера и воды на поверхности пор бетонного камня будет наблюдаться в зоне контакта только в случае очень узкого предела краевых углов смачивания этими жидкостями твердого тела (2). В остальных случаях поверхность пор будет смачиваться или водой, или мономером. Если мономер не смачивает избирательно поверхность влажного бетона, то при пропитке между ним и поверхностью будет оставаться слой воды, естественно, в этом случае никакого упрочняющего влияния пропитка оказывать не будет. Увеличить степень смачивания мономером поверхности бетона в этом случае невозможно из-за практической несжимаемости воды.

Анализ теоретических представлений о природе смачивания показывает, что для обеспечения смачивания бетона мономером необходимо в первую очередь стремиться к минимизации межфазного натяжения мономер - бетон. Этого можно достичь, например, при добавлении в мономер поверхностно-активных веществ (ПАВ) (3-6). Кроме обеспечения термодинамических условий смачивания влажного бетона мономером необходим также подвод на границу раздела бетон - мономер механической работы. Роль механической работы при замене на твердой поверхности одной жидкости на другую достаточно хорошо изучена при исследовании механизма моющего действия (7).

Уравнение для определения удельной механической работы, необходимой для полного замещения жидкости 1 на поверхности твердого тела на жидкость 2 имеет вид:

защита припортовый бетонный конструкция мономеры

А = (1+Соs - () ; (1)

где S - поверхность раздела твердое тело - жидкость 1

S- поверхность раздела твердое тел - житдкость 2,

S - поверхность раздела жидкость 1 - жидкость 2,

- поверхностное натяжение на границе жидкость 1 - жидкость 2

- краевой угол смачивания.

В рассматриваемом случае жидкостью 1 является мономер, а жидкостью 2 - вода.

Из формулы (1) видно, что самопроизвольное (без подвода к границе раздела механической работы) удаление мономером воды с поверхности пор бетонного камня возможно при равенстве свободных поверхностных энергий воды и мономера, т.е. при = 0. Желательно, однако, максимальное увеличение этой величины, так как она прямо пропорциональна термодинамической работе адгезии:

W = (1 + Cos ); (2)

Таким образом, задача упрочнения водонасыщенного бетона путем пропитки его мономером, при отсутствии химического взаимодействия мономера с веществами, находящимися на поверхности пор бетонного камня, без подвода на границу раздела мономер - вода механической работы не может быть решена даже при обеспечении термодинамических условий избирательного смачивания мономером.

Образцы и методика эксперимента. В качестве объекта исследований использовались образцы, приготовленные из смеси состава: цемент - 1 м.ч., маршалит - 3 - 5 м.ч., вода - 0,3 - 1 м.ч. Пористость бетона регулировали изменением содержания в бетонной смеси маршалита и воды. Раствор набивался в полиэтиленовый шприц диаметром около 1 см. Через 28 суток часть шприцов помещалась в воду на 3 суток. Перед проведением испытаний донышко шприца вырезалось, вода с торца столбика бетона удалялась сухой тряпочкой и шприц помещался в резиновый мешочек, содержащий полиизоцианат, мешочек помещался в емкость с водой. В качестве полиизоцианата использовали жидкий дифенилметандиизоцианат (МДИ) и тример - продукт взаимодействия гексаметилдендиизоцианата и триметилолпропана (ГМИ). Вязкость этих двух типов полиизоцианата была приблизительно одинаковой - 80 - 100 мПас. В часть образцов полиизоцианата добавляли по 0,1% катионактивного поверхностно-активного вещества - октилпиридиний бромида (ОПБ). За счет взаимодействия изоцианатных групп с водой полиизоцианат в объеме бетонного камня превращается в твердую дизамещенную полимочевину, полное время превращения МДИ составляет около суток, а ГМИ - 3 -5 суток.

Механическая работа к образцам подводилась с помощью керамического излучателя, помещенного в емкость с водой. Излучатель, мощностью 15 вт, генерировал звуковые волны частотой 7,2 - 8 кГц и ультразвуковые колебания частотой 28,0 кГц. Пористость образцов, подвергающихся ультразвуковой обработке, составляла 5,5%.

Глубину проникновения полиизоцианата в бетон определяли с помощью ИК-спектроскопии. Для этого через неделю после пропитки бетонные столбики вынимали из полиэтиленовой трубки и высушивали. Слои бетона на различных расстояниях от торца столбика тщательно размалывали и смешивали с вазелиновым маслом. О количестве полимера в объеме бетонного камня судили по интенсивности полосы поглощения 1710 см, соответствующей С=О группе полимочевины.

Изложение основного материала. Как видно на рис.1, глубина пропитки бетона с увеличением его пористости увеличивается, при этом глубина пропитки бетона ГМИ больше, чем МДИ, что объясняется меньшей скоростью отверждения ГМИ

Рис.1. Зависимость глубины пропитки от пористости бетона: 1-4 - сухой бетон, 5-8 - водонасыщенный, пропитка:

1 - МДИ, 2 - МДИ+ОПБ, 3 - ГМИ, 4 - ГМИ+ОПБ, 5 - МДИ,

6 - МДИ+ОПБ, 7 - ГМИ, 8 - ГМИ+ОПБ

Водонасыщенный бетон практически не пропитывается даже при добавке в полиизоцианат ОПБ.

Облучение ультразвуком мало влияет на глубину пропитки полиизоцианатом сухого и водонасыщенного бетона (Рис.2). Добавка к полиизоцианату ОПБ практически не увеличивает глубину пропитки сухого бетона, но резко увеличивает глубину пропитки водонасыщенного. Таким образом, подвод механической работы на границу раздела бетон - мономер обеспечивает проникновение мономера в объем даже водонасыщенного бетонного камня, непременным условием реализации такой возможности является уменьшение межфазной энергии мономер - бетон, что можно реализовать с помощью введения в состав мономера ПАВ.

Рис.2. Зависимость глубины пропитки бетона от времени обработки образцов ультразвуком: 1 - 4 образцы сухие, 5 - 8 образцы водонасыщенные , пропитка: 1 - МДИ 2 - МДИ+ОПБ, 3 - ГМИ, 4 - ГМИ + ОПБ, 5 - МДИ, 6 -МДИ+ОПБ, 7 - ГМИ, 8 - ГМИ + ОПБ.

Как было показано ранее (7), осуществить пропитку водонасыщенного бетона можно путем предварительной гидрофобизации поверхности его пор. Такая гидрофобизация осуществляется путем нанесения на поверхность бетона раствора ПАВ, при этом ПАВ не должен растворяться в воде и химически взаимодействовать с соединениями, находящимися на поверхности бетонных пор. В качестве такого ПАВ нами было использовано вещество, содержащее в своем составе сложноэфирную группу. Адамсоном (8) было показано, что такие группы на поверхности бетона способны гидролизоваться, при этом после гидролиза фрагменты молекулы ПАВ химически связываются с поверхностью твердого тела.

При нанесении ПАВ на поверхность водонасыщенного бетона начинается процесс гидрофобизации поверхности пор, что видно по изменению цвета бетона - визуально он светлеет, из мокрого становится сухим. При нанесении на такую поверхность мономера, он смачивает поверхность бетона.

Следует, однако отметить, что процесс гидрофобизации бетона происходит с очень малой скоростью, слой бетона с пористостью 5% гидрофобизируется на глубину 0,2 мм в течение 5 - 7 дней. Естественно, такой метод гидрофобизации влажного бетона не может найти широкого практического применения.

Из табл.1 видно, что ультразвуковая обработка поверхности водонасыщенного бетона, на который нанесен слой ПАВ, резко увеличивает скорость его гидрофобизации. После такой гидрофобизации бетон может быть легко пропитан мономером, но практически часто ее бывает достаточно для решения задачи осушки бетонных поверхностей.

Таблица 1

Влияние обработки ультразвуком водонасыщенных бетонных образцов на глубину их гидрофобизации раствором ПАВ.

Таким образом, основными факторами, определяющими пропитку и упрочнение бетона полимерными композициями, являются не только минимальное межфазное натяжение композиция - бетон, низкая вязкость и малая скорость ее увеличения при пропитке, исключение селективной сорбции компонентов поверхностью пор бетонного камня, высокая когезионная и адгезионная прочность образующегося полимера (9) но и подвод механической работы при пропитке влажного бетона. Научный подход к регулированию значений этих факторов позволяет обеспечить гарантированную реализацию определенного комплекса механических, антикоррозионных, эксплуатационных свойств бетона при его пропитке, такой подход был впервые реализован нами при создании композиции ИМПРЕГ. В таблице 2 приведены некоторые механические свойства пропитанного бетона, как видно из таблицы, эти свойства практически не зависят от свойств исходного бетона. Испытания пропитанных образцов бетона были проведены в лаборатории ПГСА.

Таблица 2

Влияние пропитки на прочность бетона

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Баженов Ю.М. Бетонополимеры (Москва, Стройиздат,1983)

Веселовский Р.А. Регулирование адгезионной прочности полимеров (Киев, Наукова Думка, 1988), сс. 176

Веселовский Р.А. Сб. Физико-химия многокомпонентных полимерных систем, том 1 (Киев, Наукова Думка, 1986), сс.379

Veselovsky R.A., Кestelman V.N. Adhesion of Polymers (New York, McGraw Hill, 2000), pp.500.

Веселовский Р.А., Кестельман В.Н. Учебное пособие по адгезии полимеров (КНР, Пекин, 2003) сс.296.

Липатова Т.Э., Липатов Ю.С., Веселовский Р.А. Доклады АН СССР, т.233, №3 ,Москва, 1977, с.1146-1149

Корецкий А.Ф., Колосомова В.А., Смирнова А.В. Известия Сибирского

отделения АН СССР, серия Химия, вып.2, №4, Новосибирск, 1972, с.32.

Adamson A.W. Physical Chemistry of Surfaces, third edition (John Willey and Sons, New York), p. 134.

Веселовский Д.Р., Савицкий Н.В., Веселовский Р.А. Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения (ПГСА, Сборник научных трудов, выпуск 35, 2004).

Размещено на Allbest.ru