Модифицированный наполненный полимеркомпозит для ремонта бетонных и железобетонных конструкций

В статье представлены результаты исследования влияния углеродных модификаторов: технического углерода и 2D-графена на свойства наполненных эпоксидных полимеркомпозитов (полимербетонов).

Ключевые слова: ремонт бетонных конструкций, эпоксидный полимеркомпозит, модификация, наноуглеродная добавка, свойства.

В процессе эксплуатации бетонные и железобетонные конструкций гидротехнических сооружений подвергается агрессивному воздействию окружающей среды: в них могут образовываться различные дефекты в виде трещин, выбоин, участков выкрашивания заполнителя бетона и крупных каверн. Трещины и дефекты самого разного рода могут возникать почти в любой бетонной конструкции при воздействии на нее экстремальных нагрузок, например, гидродинамических ударов, попеременных замораживания и оттаивания, в результате развития внутренних напряжений от усадочных и температурных деформаций.

Обычно такие повреждения ремонтируются цементно-песчаными растворами. Но полностью восстановить монолитность конструкций при помощи цементного вяжущего не удается из-за слабой адгезии цемента к состарившемуся бетону. Поэтому предпочтительны наполненные составы на основе термореактивных смол [1, 2].

В таких случаях необходим эффективный метод ремонта и восстановления целостности конструкции, либо замена её или части новым участком. Возможность быстрого и качественного эффективного ремонта дефектных зон бетонных и железобетонных конструкций позволяет минимизировать потери от разрушений конструкций и помогает решать проблему большого практического и экономического значения [3, 4].

При использовании ремонтных составов на основе термореактивных смол открываются широкие возможности быстрого и эффективного ремонта бетонных и железобетонных конструкций. Полимерные термореактивные смолы (эпоксидные, полиэфирные и некоторые др.) после отверждения в наполненном состоянии характеризуются высокой прочностью, стабильностью объема и формы, в неотвержденном состоянии — хорошим адгезионным сцеплением с бетоном, и этим их преимущества не ограничиваются [5, 6].

С учётом характера повреждений в зависимости от размеров локальных дефектов и трещин, а также, учитывая состояние ремонтируемой поверхности, целесообразно и эффективно использование мастик и наполненных полимеррастворов (полимербетонов) на основе доступных на рынке эпоксидных смол в сочетании с отвердителями «холодного» отверждения, т. е. не требующих дополнительного нагревания. Такими отвердителями являются амин-содержащие производные органических соединений и олигомерные полиамины.

Основными требованиями, предъявляемыми к ремонтным композициям, помимо экономических, являются физико-механические характеристики отвержденного ремонтного композита, способность к хорошему прилипанию (адгезии) к ремонтируемой конструкции ремонтной смеси, близость или равенство коэффициентов термического расширения и некоторых прочих характеристик, влияющих на совместную работу при динамических и статических нагрузках (истираемость, упругость, плотность, водопоглощение, морозостойкость, внешний вид и др.).

Технологическими операциями при выполнении ремонта бетонных и железобетонных конструкций полимеркомпозитами являются следующие.

1) Подготовка ремонтного участка — очистка ремонтируемой поверхности от наростов и загрязнений, зачистка и удаление вздутий, рыхлого бетона, продувка, обеспыливание, обезжиривание.

3) Нанесение более жидкого (грунтовочного) слоя на подготовленную ремонтируемую поверхность конструкции.

4) Выполнение восстановления утрат методом формования или заливка трещин, заключается в нанесении ремонтного композита, уплотнении, стыков и швов.

5) Выдержка при положительной температуре исключая увлажнение до полного отверждения эпоксидного композита.

6) Окончательная механическая обработка ремонтируемого участка: зачистка неровностей, при необходимости, шлифовка отремонтированной поверхности.

7) Контроль качества ремонтного участка после завершения отверждения и операций по зачистке ремонтируемого участка.

Все работы по восстановлению ремонтных участков и покрытий на основе эпоксидных смол холодного отверждения следует осуществлять при температуре воздуха не ниже 15° С и влажности не более 60 % [7].

Ремонтные составы готовят путем механического совмещения исходных компонентов в следующей последовательности: пластифицированная эпоксидная смола, модифицирующая добавка, отвердитель, минеральные наполнители (минеральные порошкообразные пигменты, если требуется для создания определенного цвета). Компоненты состава следует тщательно перемешивать до получения однородной подвижной массы.

Для улучшения технологических свойств, снижения внутренних напряжений и улучшения комплекса эксплуатационных характеристик эпоксидные смолы целесообразно пластифицировать. Пластификация позволяет повысить механическую прочность, снизить хрупкость и модуль упругости, повысить износостойкость и трещиностойкость материала, а также улучшает химическую и атмосферную стойкость.

Для модификации надмолекулярной структуры эпоксидной связующей матрицы на основе эпоксидиановой смолы ЭД-20 и отвердителя — полиэтиленполиамина (ПЭПА) в стандартных соотношениях 10:1 нами были использованы углеродные модифицирующие добавки: технический углерод и нано-углеродная добавка: 2D-графен в количестве 2,0 % масс. 2D-графен получен из отходов целлюлозной промышленности. Метод его получения и влияние на полимерные материалы описан в работе [8].

Влияние модифицирующих добавок на основные характеристики эпоксидного компаунда представлены в таблице 1.

Основные характеристики модифицированных углеродными добавками наполненных эпоксидных компаундов

Из содержащихся в таблице1 данных можно заметить, что характеристики модифицированных углеродными добавками эпоксидных композитов по сравнению с немодифицированным значительно выше.

Причина, вероятно, заключается в модифицированной надмолекулярной структуре полимера: уменьшении внутренних напряжений в эпоксидной матрице и снижении дефектности её структуры, что приводит к уменьшению микротрещин и их дальнейшему развитию при нагрузке [9, 10].

Таким образом, используя достаточно доступный, и, в тоже время, надежный и экономичный метод модификации эпоксидного связующего добавками технического углерода и 2D-наноуглеродного модификатора можно существенно улучшить характеристики ремонтных полимерных композитов и полимербетонов.

С учетом существующих теоретических представлений о свойствах наполненных термореактивных композитов [8–10] нами были получены эффективные материалы с улучшенными характеристиками улучшенными характеристиками для ремонтных и реставрационных работ строительных бетонных и железобетонных конструкций, отвечающие современным требованиям и передовым достижениям в этой области.

Литература:

1. Краснюк А. В. Исследование и разработка полимерных составов на основе эпоксидных смол для ремонта и защиты бетонных и железобетонных сооружений // А. В. Краснюк, А. Л. Корейко, Е. С. Харченко // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. — 2005. — № 9. — С. 206–207.
2. Дороганова О. В. Новые модифицированные эпоксидные полимеркомпозиты для ремонта и реставрации строительных бетонных конструкций // Современные наукоемкие технологии. — 2007. — № 7. — С. 43–44.
3. Конторов А. М. Использование полимеров для защиты бетона // А. М. Конторов, А. Ю. Глущенко // Актуальные исследования. — 2023. — № 52–1(182). — С. 79–93. — ISSN 2713–1513.
4. Строганов В. Ф. Исследование влияния эпоксидных полимерных покрытий на биостойкость и гидроизоляционные свойства бетонных поверхностей // В. Ф. Строганов, Д. А. Куколева, А. М. Мухаметова // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 4(22). — С. 340–345. — ISSN 2073–1523.
5. Ерофеев В. Т. Новые полимербетоны на основе винилэфирной смолы // В. Т. Ерофеев, С. В. Казначеев, Е. В. Волгина [и др.] // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. — 2014. — № 2(19). — С. 48–60. — ISSN 2227–6858.
6. Зеленкевич Д. С. Использование полимерно-минеральных добавок для повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона // Д. С. Зеленкевич, А. Н. Ягубкин, В. В. Бозылев //Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. — 2013. — № 16. — С. 73–76. — ISSN 2070–1683.
7. Коломникова И. И. Технология изготовления полимербетонов // И. И. Коломникова, Е. С. Земцов // Аллея науки. — 2019. — Т. 2 — № 2(29)– С. 303–306. — ISSN 2587–6244.
8. Неверовская А. Ю., Отвалко Ж. А., Возняковский А. А., Pюткянен Е. А., Возняковский А. П. Влияние 1D и 2D наноуглеродов на структуру и свойства низкомолекулярных бутадиен-нитрильных эластомеров // Известия СПбГТИ(ТУ): Химия и технология высокомолекулярных соединений. — 2019. — № 48 (74). — 5 с.
9. Езерский В. А. Перспективы применения наномодифицированного бетона // В. А. Езерский, П. В. Монастырев, Н. В. Кузнецова [и др.] // Строительные материалы. — 2011. — № 9. — С. 70–71. — ISSN 2658–6991.
10. Санчез Флоренц Нанотехнологии в производстве бетонов. Обзор // Флоренц Санчез, К. Соболев // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2013. — № 3. — С. 262–289. — ISSN 2310–0044.