автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицированные эпоксидные композиты в защитных гидроизоляционных покрытиях транспортных сооружений

РГб од

МКЕ-Ю'ТКРСТВО ПУТЕЙ С00К13ЖЯ Р5

МОСКОВСКИЙ ОРД5Е4. ЛЕКИЖ И ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО г ТРАНСПОРТА

гл правах рукописи БУЛАШН БОРИС ВЛАДИМИРОВИЧ

модйэд-рсвакнае спокойные

композиты в зацитнух г.к?о;5золя1#ск;-:ых пок?ытх

ТРАНСПОРТНЫХ СООРУНЕг-У.Я 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации, на сснсканке учено?. степени 'кандидата технических наук

Москва -

1993

Работа выполнена в 1.!оеко:>скс<л ордека Ленина -и ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров каяезнодорои-ного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор в.и.солсмашз

Официальные оппоненты -- доктор технических наук,

профессор Ю.А.СОКОЛОВА, ведущий научный сотрудник, канд.техн.наук А.М.ГАЛАКШШОЗ.

Ведущее предприятие - НййГС

Защита состоится " 2.5 " июпй 1993 г. Б час.

на саседении специализированного совета

яри Московском институте икаенеров железнодорожного транспорта по адресу: 101475. ГСП, г.Москаа, А -55, ул.Образцова,15,

суд. 42 4 О__.

С диссертацией можно "■знакомиться в библиотека института.

Автореферат разослан "_"_1993 г.

Отзыв на реферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного совета (

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие производства стимулирует разработку у внедрение новых материалов,, обладающих комплексом механических, физико-химических и технологических свойств в оптимальном сочетании.

Поиску научных подходов в изучении закономерностей структурообразования и обобщения их в единую теорию композиционных материалов посвяцены работы ьиогих отечественных и заруб еясных ученых.

Полимерные композиционные материалы находят игроков применение в строительстве: это и износостойкие и антикоррозионные покрытия ирригационных и портовых сооружений, автодорог, аэродромов, несуцих строительных конструкция; опоры для контактной сети и ЛЭП. Наиболее перспективны}.! является применение полимерных композиционных материалов в гидроизоляционных

«

и защитных покрытиях пролетных строений транспортных сооружений. Необходимость их разработки и внедрения диктуется недолговечностью существующих покрытий; их повышенной трудоемкостью при изготовлении и ремонте.

Цель и задачи. Целью настоящей работы яачяется разработка экономичных, долговечных и водостойких композиционных материалов строительного назначения на основе эпоксидных соединений и предполагае.\г-гс коэкх ответ"7,птелей пониженной токсич-

ности, яа1.ч-т;ихся крупнотоннажными промывтеннымЛ отходами для использования з гидроизоляционных и противокоррозионных покрытиях строительных конструкций транспортных сооружений. Б связи с этим поставлены следргдие задачи: ■ - поиск гознойшых к применению в качестве связующих не-

-кондиционных и недкфнцитннх материалов и отходов различных ■ производств для создания композиционных материалов строительного назначения, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к гидроизоляционным покрытиям;

- оптимизация составов, обладаицих повышенной прочностью, водостойкостью, понжхгшой усадкой л проницаемостью;

- определение дефорлационных характеристик композитов, полученных с применением новы?: отвордителей-ускорителей и модификаторов;

- разработка технологии нанесения полимербетонных покрытий каркасной структуры на пролетные строения транспортных сооружений;

- промышленное изготовление пролетных строений с новыми гидроизоляционными покрытиями и проверка.их эффективности в яроиеводствешых условиях.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке составов гидрогчоляционньк покрытий с ноьим эффективным ошнным. отвердителем-ускорителем зпокевдных композитов, исследовании их физико-механических свойств и химической стойкости, получении на их основе композитов строительного назначения.

Практическое значение. Разработанные эффективные отвер-дктели, композиционные материалы с их использованием и технология нанесения композитов получили практическое внедрение в защитных гидроизоляционных покрытиях на объектах транспортного и промышленного строительства. Утили. зация сбалансированных по составу кубовых остатков производства химико -фармакологических препаратов, являющихся основой разработанных отверднтелеП, реализация крупнотоннажного некондиционного отхода пропиточного компаунда, используемого в злектротех-

нической промыпленности, позволяют существенно улучшить производственную природоохрану.

Реализация работы. Разработанные составы и технология нанесения получили опытно-промышленное внедрение на Длитро'вском заводе ыостовьк железобетонных конструкций (МЖБК) при устройстве гидроизоляционных и защитных покрытий пролетных строения железнодорожных мостов. Введены в действие разработанные технические условия ка ускоритель-отвердитель ТАУП-К. Гдлновременный экономический эффект от внедрения ноеых разработок составил 1753 руб., годовой экономический эффект от внедрения составляет П0254 руб. (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции "Практика, проблемы, разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий", Липецк 1987 г; на научно-практической конференции "Долговечность и' эксплуатационная надежность материалов* изделий и конструкций", Саранск 1987 г; на научно-технической конференции "Использование промышленных отходов для изготовления строительных материалов", Саранск 1988 г; на научно-прикладиой конференции "Современные технологии в транспортном строительстве", Варна,НРБ 1969 г; на кзучнс-техшческой конференции "Научные исследования и их внедрение в строительной отрасли", Саранск 1989 г., на научно-технической конференции "Структурообразо-вание технология и свойства.ксмпсэициснннх строительных материалов и конструкций", Саранск 1990 г.'

Публикации. По результатам выполнение исследований и Бнедсенпя опубликовано 9 • статей и тезисов докладов. На разработанные составы получено 3 авторских свидетельства.

- б -

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка использованных источников из 102 наименований и приложения, содержит 125 с!-рэкиц мапинописного текста, 37 рисунков, 30 -га блиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ьо введения обосновывается актуальность выбранной теш, цель и задачи исследований, формулируется научная новизна и практическая значимость исследований,

3 первой главе произведен аналитический обзор применяз-тах эпоксидных композиций и процессов их отверждения с точки зрения вооникапцих хнжчэских связей и возможности управления тепловыми процессам;!. Реакции отверадения эпоксидны:;

и алокси-ангидриднцх композиций с участием грэтичнкс аминных отвердктелей-ускорителей, в отличиз от первичных и вторичных, стимулируют более плашое с т ру к ¿ур о о С р а о о к пне, без саморагог-рева, что благоприятно вл1. .ет на релаксацию внутренне: напряжений и позволяет получать устойчивые к действию. большинства органических и неорганических кислот и щелочей композиты. Из многочисленных литературных источников известно, что наиболее быстро полимеризация протекает в присутствии третичных аминов с двумя метильными заместителями у азота.

Высокая стоимость и дефицитность эпоксидных смол и традиционных отвердигелей ограничивает их широкое использование в строительстве. Однако, использование различных модификаторов и наполнителей существенно сникает себестоимость композитов, а их дефицитность возможно исключить применяя побочные продукты производства эпоксидных смол, его отходы, некондицион-

ныв компаунды, используемые в других отраслях народного хозяйства. 3 качестве отвердителей целесообразно использовать отходы производств аминных соединений.

Большое распространение для гидро- и коррозионной заци-ты строительных конструкций получили эпоксидно-каменноугольные и эпоксидно-сланцевые составы. 5енолькыз и пиридиновые фракции при взаимодействии с эпоксидными смолами позволяет получать композиты с высокой степенью отверздения, что благоприятно влияет на основные физико-химические свойства.

Применяемые в покрытиях полкмербётоны наносятся на поверхность железобетонной конструкции пятью основными способа:.«:

- "мокрое" нанесение материала покрытия с последующим его отЕерздением и сцеплением с бетонной поверхностью за счет возникающих адгезионных, механических и других связей;

- механическое зацепление (заанкеривание);

- склеивание пленочно-листового материала с бетоном;

- термсадгезионное прикрепление;

- пропитка бетона полимерами.

Полнмербетонам свойственны недостаточная тре^иностоПкость, обусловленная усадочными деформациям;! к (.алая ударная прочность. Эффективны',: конструкционным решением, позволяющим избегать эти недостатки является.дзухзтапное нанесение покрытия по технологии каркасных полнмербетснов. Сначала зерна крупного заполнителя склеизаюгся по форме изделия в крупнопористы?, каркас, а затем пустоты каркаса ззподняятся наполненным связующим (матрицей). Особенностью этого споссба является раздельное фос:.:прование микро- и-макроструктуры с последующим объединением их б едино:! структуре композита.

Расширить технологические возможности полимербетонов возможно, используя комбинации существующих способов нанесения, например, объединив каркасную технологию лолимербетрнов со способом нанесения дорожного покрытия, включающим нанесение промежуточного слоя, со щебнем, который вдавливается на 1/3+ 1/2 диаметра в существующее дорожное-покрытие при одновременном его нагревании. Зерна вдавленного щебня выполняют роль нагелей, что существенно повышает долговечность покрытия.

Во второй главе сформулированы цель и задачи исследований с учетом выводов и заключений, сделанных в обзорной первой главе. Дано краткое описание свойств применяемых компаундов и смол, отвердителей-ускоригелей, пластификаторов, модификаторов и наполнителей.

В качестве связуидих и ствердителей-уекорителей прдажеш крупнотоннажные отходы пропиточного компаунда "Монолит" и ку-' бовые остатки производств химико-фармакологических препаратов.

Описаны методы иссле^-ваний, используемые для изучения свойств композитов.

В третьей главе диссертации были произведены: оптимизация составов и режимов твердения, термомеханический анализ эпоксидно-ангидридных композиций, определение упругих, пластических и других деформационных свойств.

Поиск оптимального состава проводился исходя из достаточной для пропитки ыежзернового пространства каркаса вязкости.

Оптимальное количество отвердителей определялось по максимальным -значениям прочности и водостойкости при минимальном водопоглощении. ■

При использовании компаундов, имеюцих в составе отвердите-

ли горячего отвервдения, даке при наличии третичных аминных ускорителей-отвердителей, необходимо было определить адекватный температурный режим твердения. Из четырех исследованных режимов оптимальным для.составов на отвердителе-ускорителе ТАУП-К установлен следуаций: сутки при нормальной температуре и 12 часов при 70°С. Для составов на кубовых остатках производства димедрола - 10 часов при 1Ю°С.

Для составов, имеющих нестехиометрическое количество отвердителей-ускорителей в эпоксидно-ангидридных композициях определялась общая тенденция влияния количества отвердителей-ускорителей на молекулярную массу межузлового участка цепи ( Мс ) и плотность молекулярной сшивки (Ус )•

. Произведенные измерения и расчеты позволяют утверждать, что при увеличении количества отвердителя-усксрителя величина

Мс. -уменьшается при увеличении степени сшивки ( )•.

Однако при этом из экспериментальных результатов очевидно снижение водостойкости и повышение водопоглощения, а для материалов, использующихся в гидроизоляционных-покрытиях это-недопустимо. Исход» из этого для определения комплекса свойств были определены базовые составы.

Испытание упругих и пластических свойств производилось на чистых и наполненных связующих. Полученные в результате испытаний-на консистометре Геплера и расчетов упругие и-высо-коэл'астические доли общей деформации для составов, на. чистой эпоксидной смоле, отвервденной ТАУП-К и к.о. производства димедрола, имеют соответственно на 25^ и 35£ меньпе соответствующих значений композитов,, отвержденных полиэтиленполяами-ном-(ПЭПА), взятых из справочной Литературы. Дчя составов на отходах компаунда ""смолит", отверженных ТАУП-К к.о, про-

изБОДства димедрола соответственно 22% и 33,3>£.

При введении в композиции наполнителя высокозластическая доля общей деформации снижается в 2,2.,.3,2 раза, твердость повышается в 1,5...2,2 раза и характеризует исследуемые композиты как высокотвердые Т > 150 MJh, высокоэнергоемкие

К эн » I Дк/jA имеющие развитую пространственную структуру Кстр 4 10«

Как известно, развитие микротрещин в тела композита под нагрузкой возникает задолго до момента разрушения. С целью изучения дефектности структуры композитов применялся метод акустической эмиссии. Результаты позволяют сделать вывод о хрупком, стеклообразном разрушении ненаполненных композитов. Введение в композиты наполнителя имеет разнонаправленное влияние, так, для композитов на эпоксидной смоле ЭД-20 при общем хрупком характере разрушения величина предела прочности при изгибе снижается на 20для составов на отходах эпоксидного компаунда "Монолит" наполнитель оказывает противоположное значение: увеличивая изгибную прочность на 20...29$.

Для композиционных полимерных материалов, используемых в защитных гидроизоляционных покрытиях важны:.! требованием является адгезионная прочность. С целью определения адгезионной прочности были изготовлены образцы-грибки,склеенные разработанными клеевыми составами. Клеевой состав на отвердителе-ускорителе ТАУП-К показал прочность на отрыв более 101,8 У.Па, после чего, металлическое крепление сломалось.

Определял пригодность разработанных композитов для испо-льэов.сшя в защитных гидроизоляционных покрытиях следует отметить, что температурный режим отверэдения композитов на

гс.о. производства димедрола практически не осуществим при ремонтных работах (т.е. полевых), а и заводских окажет негативное влияние на основную железобетонную конструкцию, существенно ослабив когезконную прочность соединения.

Таким образом, последующие исследования структуры отвер-вденных композитов, проводились на композитах, отЕергзденкых ТАУП-К.

В четвертой главе определялось наличие функциональных групп, степени отверждения и влияние сланцевого модификатора КНС-ЮО на свойства композитов методом инфракрасной спектроскопии,

В процессе поликонденсации ТАУП-К образуются как полиамиды, так и бифункциональные полимеры. Зто приводит к более плотной сшивке, чем у композитов, отвержденных ШЯ\, как в результате разрыш эпоксидного кольца и образования оксвдных сшивэящих связей, так и вследствие дополнительных сшиаох по длине макроколекулярной цепочки олигомера.

■ Ка Ж-спехтрах, полученных на спектрофотометре и Я -70, обнаружены полосы поглощения И75~см (характерные связям С~0); 1380~см (третичной аминогруппе); 1720~си (карбонильной группе) зто утазьшае? на наличие простого полиэфира и объясняет высокую еодо- и химическую стойкость разработанных композитов.

Произведенные испытания на массопоглощение в течение 360 сут., в дистиллированной воде, в 5% растворах //аОН и , позволили сделать вывод о- том, что массопоглощение композитов на чистой эпоксидкой смоле ЭД-20, модифицированной сланцевым модификатором Ш'С-100, стаеруденнсГ: 1АУЛ-К

практически в два раза ниже в сернокислой среде, чем у подобного состава, о-твержденного НЭПА.

Примечательно, что значения поглощения составов на отходах компаунда "Монолит", модифицированных сланцевым модификатором МИС -100 не хуже значений композитов, состоящих из чистой опоксидной смолы ЭД-20, отвараденной НЭПА, а в щелочной среде даже предпочтительнее ка Ь%.

В пятой главе раздельная технология формирования каркасных полимсрбетонов адаптируется к заводским условиям.

Обосновываются два варианта нанесения покрытия: вспомогательный (ремонтный) и основной (для внедрения в заводских условиях).

Вспомогательный (ремонтный) вариант ограничивается коге-зионной прочностью подстилающего слоя, для основного же (заводского) варианта эта проблема отсутствует, т.к. каркасная смесь.укладывается по свежеулояенному отформованному бетону и ее нижний слой втапливается в тело железобетонной конструкции, увеличивая аффективную поверхность связи мазду покрытием и изделием. По существу, втопленные зер^а выполняют функцию нагелей, а это позволяет значительно снизить сдвиговые внутренние напряжения, возникающие в процессе динамических нагрузок на границе покрытие-конструкция при эксплуатации мостового строения. Это утверждение было подтверждено испытанием кеде-зобетонных образцов-балок с нанесенным на них покрытием по предложенной технологии на усталостную прочность при- базовом числе циклов 2.10® с амшштудой нагрузок 2...5 т. Отслаиваний и растрескиваний не обнаружено, что отвечает предъявляемым к защитным покрытиям конструкций требованиям.

В полимерной связке каркаса особу» оффективнол'ь дает

применение "мягких" отвердителей, таких как ТАУП-К. Их использование позволяет получать малодефектный полимер с высокой релаксационной способностью, что благоприятно влияет на свойства формируемого каркаса,

В 1987 - S8 гг. на Дмитровском заводе мостовых железобетонных конструкций были изготошхены 12 пролетных строений мостов по раздельной технологии. Производство работ осуцзстплялос: в соответствии с разработанными "Временными указаниями по устройству гидроизоляционных покрытий каркасной структура на >/еле-побетоннкх пролетных строениях железнодорожных мостов на основе эпоксидно-сланцевых составов", утвержденными Главным управлением пути MIT. Эти пролетные строения были установлены на Ундине и в Белоруссии, в результате проводимых наблюдений пздимых изменен!1й и отслоений не обнаружено.

При разработке заводский технологии и ее апробации решались многочисленные рабочие задачи, такие как: устройство водосливных отверстий; установка уклона металлической опалубки; удаление избыточной воды и другие, нАходщиеся на уровне технических решений, рационализаторских предложений и изобретений.

В настоящее время внедряются конструкции балок строений мостов, не имеющие еодослиеных отверстий, т.е. односкатные. В этом случае применение рекомендуемой раздельной технологии не требует специальных работ и позволяет сократить процесс изготовления покрытия в несколько раз по сравнению с существующей.

Применение предлагаемой технологии позволит сократить

о

трудозатраты на устройство I м с 1,044 чед/чзс (Б существую-

щем варианте) до 0,38 чел/час (в предлагаемом варианте), механизировать процесс, повысить срок службы защитного покрытия не менее, чем в 3 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны эффективные и экономичные составы композитов с включением новых утвердителей-ускорителей эпоксидных смол и компаундов на основе отходов производства третичных аминов, пригодные для использования в качестве гидроизоляционных к защитных покрытий пролетных строений мостов. Проведена оптимизация составов по прочности, водопоглощению к водостойкости композитов;

2. Разработан новый эффективный отвердитель эпоксидных составов, обладающий функцией ускорителя полимеризации эпоксидно-ангидридных композиций. Новизна решения подтЕеркдена

г

автоским свидетельством.

3. Предложен эффективный сланцевый модификатор эпокси -дных композитов ШС-100 и определены свойства композитов с его включением. Применение MJ1C-I00 увеличивает прочность композитов на 10.,.15/j, плотность на 2,..3f'>, сшкает поглощение ' в агрессивных средах на

4. Установлены упругие и пластические свойства композитов, отвервденных предложенным отвердителем, которые позволяют охарактеризовать их как высокотвердые Т > 150 :.'ГТа, высокоэнергоемкие -Кэя^'1« обладающие.развитой пространственной структурой К cvp ^ Ю, и низкой ползучестью

1 пк ^ ^00. Произведен анализ процессо'в постаднйного накопления повреждений при изгибающей нагрузке методом акусти-

даческой эмиссии.

5. Установлена степень оптимального наполнения составов и влияние наполнителя на величину динамического модуля упругости и коэффициента внутреннего трения. Введение наполнителя сникает коэффициент внутреннего трения К-ь.ч?. в 1,5 раза при увеличении динамического модуля упругостп

в 2,8 р...3,6 раза.

6. Произведена сравнительная токсикологическая оценка ТАУП-К и полиэтилеиполиамина (ГОПА). Ка разработанный от-вердмтель-усксрптель полимеризация ТАУП-К утверждены технические .условия. Годовой экономический оффект от утилизации отходов ка закоде "Акрихин" при изготовлении отвердителя -ускорителя ТАУП-К составил 70 тыс. руб. в год.

7. По результатам экспериментальных работ разработана технология нанесения защитных покрытий из полнмербетонэ каркасной структуры на сЕеяеулокевный и отвер&ценкый бетон. Технология протпла апробацию на Дмитровском заводе мостовых железобетонных конструкций. Изготовленные 12 пролетных, строений с экономическим эффектом 1723 рубля (в ценах 1989 года) установлены на объектах Белоруссии и Украины,

За сесть лет наблюдений видимых изменений и отслаиваний •покрытия-не обнаружено. ' .

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Соломатов В.И., Крупичка А.Г., Тармосин К.В, Сорокин М.А., Булаткин Б.В. Состав и технология полимербетон-ного покрытия.// Практика, проблемы, разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий. - Липецк, 1987. - с. 36.

2. Соломатов В.И., Крупичка А.Г., Сорокин М.А., Булаткин Б.В. Полимерная композиция для гидроизоляционных и защитных покрытий пролетных строений железнодорожных мостов // Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, олементов, изделий и конструкций. - Саранск, 1987 - с. 26 -- 27.

3. Соломатов В.И., Крупичка А.Г., Тармосин К.В., Булаткин В.Б., Сорокин М.А. Технология устройства гидроизоляционных покрытий. // Долговечность и эксплуатационная надежность материалов, олементов, изделий и конструкций. - Саранск, 1987. - с. 32.

4. Соломатов В.И., Бобрышев А;Н., Крупичка А.Г., Булаткин Б.В. Композиционные строительные материалы с использованием промышленных отходов. // Использование промышленных отходов для изготовления строительных материалов. - Саранск, 1968. - с. 33-34.

5. Соломатов В.И., Крупичка А.Г., Сорокин М.А., Булаткин Б.В., Тармосин К.В. Новые защитные гидроизоляционные покрытия транспортных сооружений из полимербетона каркасной структуры // Современные технологии в транспортном строительстве. - Варна, НРБ, 1989. - с. 139.

6. Булаткин Б.В. Эффективный состав- и технология пол1шер-бетонных покрытий // Научные исследования и-их внедрение в

строительной отрасли. - Саранск, 1989. - С. III. •

«

7. Сорокин М.А., Булаткин Б.В., Тармосин К.В. АЦО - эпоксидные композиции с использованием отходов Новолипецкого металлургического комбината. - Пенза, 1989. - С.56.

8. A.C. ii I564I40 (СОСР), С 04 В 25/02. Полшербетонная смесь / Соломатов В.И..Булаткин Б.В., Бобршев А.Н. и др.

Б.И. }> 4. - 1989.

9. A.C. № 152004I (СССР), С 04 В 25/02. Полимербетон-ная смесь / Соломатов В.И., Булаткин Б.В. и др.

Б.И. .¡? 3 - 1989.

10. Соломатов В.И., Булаткин Б.В., Крупичка А.Г., Сорокин U.A., Тармосин К.В. Эффективная технология нанесения гидроизоляционных покрытий // Структурообразование, технология и свойства композиционных строительных материалов конструкций. - Саранск, 1990. - С. 35.

11. A.C. № 1544745 (СССР), С 04 В 25/02. Полимербетонная смесь / Соломатов В.И., Сорокин U.A., Булаткин Б.В. и др.

Б.И. 35. - 1990.

12. Соломатов В.И., Булаткин Б.В., Крупичка А.Г., Бобрысев А.Н., Тармосин К.В., Сорокин М.А. Новая технология нанесения з агатного покрытия. Транспортное строительство-21990. - » 7. - С. 38 - 239.