Влияние полимерного покрытия на характеристики мелкозернистого гидротехнического цементного бетона

Приведены результаты исследования влияния эпоксидных композитов, модифицированных наноуглеродной добавкой, на водопоглощение и прочностные характеристики мелкозернистого цементного бетона. Показано, что прочность бетона при изгибе увеличивается с увеличением толщины полимерной пленки покрытия. Прочность при сжатии образцов с покрытием и без полимерного покрытия практически не меняется или снижается не значительно. Определено водопоглощение цементного бетона без покрытия и с полимерным покрытием различной толщины: водопоглощение бетона снижается существенно в результате применения полимерного покрытия.

Ключевые слова : цементный мелкозернистый бетон, эпоксидный композит, наноуглеродная добавка, прочность, водопоглощение.

Бетонные конструкции широко применяются при возведении гидротехнических сооружений различного назначения. При эксплуатации они подвергаются одновременному воздействию статических и динамических нагрузок, создаваемых водой, и различных агрессивных водных сред [1, 2]. Вода и агрессивные водные среды вызывают коррозию бетона, тем самым приводят к снижению эксплуатационной надежности конструкций гидротехнических сооружений [3–5]. Одним из эффективных способов повышения долговечности бетонных конструкций является их защита полимерными обмазочными материалами, формирующими защитные покрытия.

Исследованиями ряда ученых в области повышения надежности гидротехнических сооружений было показано увеличение срока службы бетонов и конструкций на основе портландцемента, защищенных от агрессивного воздействия водных сред полимерными покрытиями [6].

Для защиты гидротехнических конструкций от разрушающего воздействия динамических нагрузок, создаваемых водной средой, рекомендуются полимерные материалы пониженной хрупкости. В тех случаях, когда в качестве защитных покрытий используется термореактивная эпоксидная смола, рекомендуется её модифицировать с целью повышения эластичных характеристик [7].

Следует отметить, что к настоящему времени недостаточно исследовано поведение гидротехнических бетонов с полимерными покрытиями при воздействии водных агрессивных сред.

Целью работы было исследовать влияние модифицированных составов полимерных защитных материалов на характеристики цементного бетона при воздействии водной среды.

В работе использован цементный мелкозернистый бетон класса В25 на основе портландцемента с мелкозернистым наполнителем — гранитным щебнем с максимальным размером зёрен 10 мм и кварцевым песком по ГОСТ 8736–2014, ГОСТ 8267, и ГОСТ 26633 (Таблица 1).

Бетон класса по прочности на сжатие В25, средняя прочность 32,7 МПа; W10; F800. Подвижность бетонной смеси П3; цемент: ЦЕМ 1 42,5, р _ц = 3,1 кг/л; песок кварцевый: Мк = 2,2, ρ _п = 2,65 кг/л; щебень: фр. 5(3)-10 мм, ρ _щ = 2,63 кг/л; добавка: водоредуцирующая, расход 0,6 % по отношению к цементу.

Таблица 1

Были изготовлены образцы-балочки 4×4×16 для определения прочностных характеристик: предела прочности при изгибе и предела прочности при сжатии. Для определения водопоглощения были изготовлены образцы-кубы 7×7×7 см.

Полимерное покрытие представляло собой композитный состав на основе эпоксидной смолы ЭД-20 по ГОСТ 10587–84, отвердителя триэтилентерамина (ТЭТА) и модифицирующей добавки — наноуглеродного 2D-графена. Покрытие наносили вручную жесткой щетинной кистью. Толщина покрытия составляла 0,5–0,8 мм и 1,0–1,2 мм.

Контрольные образцы без покрытия № № 1К и 2К. Образцы бетона с покрытием толщиной 0,5–0,8 мм № № 1.1 и 1.2.; с толщиной покрытия 1,0–1,2 мм № № 2.1 и 2.2.

Известно, что высокая хрупкость термореактивных эпоксидных смол связана с большой густотой образующейся 3-хмерной пространственной сетки при отверждении олигомера. Этот недостаток пытаются уменьшить, снижая плотность поперечных сшивок полимера, что обычно достигается введением в состав эпоксидного композита различных пластификаторов, содержащих гибкие длинные цепи. При этом снижается плотность упаковки макромолекул полимера, образуется ненужная разрыхленность структуры и, как следствие, увеличивается водопоглощение композита и снижается его прочность.

В качестве модификатора эпоксидной смолы мы использовали 2D-графен — углеродный наномодификатор, содержащий преимущественно плоскостные графитоподобные структуры наноразмерной толщины. Это позволило снизить вязкость системы в оптимальном диапазоне концентраций 2D-графена и уплотнить структуру образующегося эпоксидного полимера. При этом водопоглощение снизилось, а прочность композита увеличилась (Таблица 2).

Таблица 2

Влияние эпоксидного покрытия на прочностные характеристики и водопоглощение образцов цементного бетона

Таким образом, было исследовано влияние полимерного покрытия на характеристики цементного мелкозернистого бетона и роль добавки 2D-графена на повышение характеристик эпоксидных композиций, заключающаяся в уплотнении структуры образующегося полимера без увеличения густоты сшивки и повышения хрупкости, что нашло проявление в снижении водопоглощения композита. Прочность при изгибе образцов-балочек увеличивается, в среднем на 14–29 %, прочность при сжатии практически не изменяется.

В ходе проведенных исследований изучены свойства цементного мелкозернистого бетона с полимерным наномодифицированным эпоксидным покрытием, а также, эпоксидных композитов, модифицированных наноуглеродной добавкой 2D-графена. Определены прочность при изгибе, при сжатии и водопоглощение цементного гидротехнического бетона с покрытием. Установлено, что полимерное покрытие на основе разработанного полимерного состава на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и отвердителя ТЭТА, модифицированного 2D-графеном, снижает водопоглощение цементного гидротехнического бетона, увеличивает его прочность при изгибе и, таким образом, улучшает эксплуатационные свойства конструкций, не ухудшая прочностные характеристики при сжатии.

Литература:

1. Суриков А. А., исследование влияния добавок на долговечность гидротехнических бетонов / А. А. Суриков, В. А. Суриков. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2022.– № 11 (406). — С. 20–21.
2. Вороненко М. Э., Скибина А. А., Егорова Е. В., Лахтарина С. В., Петрик И. Ю. Тяжелый бетон для гидротехнических сооружений / Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. — 2022–1 (153). — С. 49–54.
3. Корсун, В. И. Современные методы повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона / В. И. Корсун, К. С. Никитина, С. А. Шатилова. — Текст: электронный // Новые идеи нового века. — 2020 — № 2020 (3). — С. 515–522.
4. Modification of the Fine Aggregate Concrete by High Disperse Silica Fume and Carbon Nanoparticles Containing Modifiers / S. S. Kiski, A. N. Ponomarev, I. V. Ageev, Cun Chang. — Текст: непосредственный // Advanced Materials Research. — 2014 — Volume 941–944. — P. 430–435.
5. Ерофеев В. Т., Лазарев А. В., Богатов А. Д., Казначеев С. В., Смирнов В. Ф., Худяков В. А. Оптимизация составов биостойких эпоксидных композитов, отверждаемых аминофенольным отвердителем // Изв. Казан. гос. Архитектур.-строит. ун-та. 2013 № 4 С. 218–227.
6. Отвалко Ж. А., Раилкин А. И., Короткое С. И., Фомин С. Е., Другов М. В., Чиказде С.3. Технологии разработки, испытания и изготовления инновационных покрытий для защиты гидротехнических сооружений от обрастания и коррозии. / Ж. А. Отвалко [и др.] // Гидротехника. — 2016. — № 2. — С. 68–72.
7. Velichko, Е. Modification of Foam Concrete with Organomineral Admixture / Е. Velichko, O. Pustylnik. — Текст: электронный // Materials Science Forum. — 2019 — Volume 945 — Р. 199–204.