Структура и механические свойства гибридных композиционных материалов на основе портландцемента и ненасыщенного полиэфирного олигомера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Дрожжин, Дмитрий Александрович

• Дрожжин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дрожжин, Дмитрий Александрович

Введение

1. Закономерности формирования структуры и комплекса свойств высоконаполненных минеральных, полимерных и полимер-минеральных композитов

1.1. Минеральные вяжущие вещества

1.1.1. Строительный гипс

1.1.1.1. Получение строительного гипса

1.1.1.2. Твердение строительного гипса при взаимодействии с водой

1.1.1.3. Марки гипсовых вяжущих по показателям прочности

1.1.2. Портландцемент

1.1.2.1. Химический состав клинкера

1.1.2.2. Минералогический состав клинкера

1.1.2.3. Водопотребность и нормальная густота цементного теста

1.1.2.4. Взаимодействие портландцемента с водой и * химический состав новообразований

1.1.2.5. Структура цементного теста и камня

1.1.2.6. Марки портландцементов по показателям прочности

1.2. Цементные бетоны

1.2.1. Классификация бетонов

1.2.2. Физические свойства бетонов

1.2.2.1. Водопоглощение

1.2.2.2. Водопроницаемость

1.2.2.3. Морозостойкость

1.2.3. Тяжелые цементные бетоны на плотных заполнителях

1.2.3.1. Основные технические характеристики бетонов

1.2.3.2. Исходные компоненты для тяжелых цементных бетонов

1.2.3.3. Суперпластификаторы в производстве бетонов

1.2.3.4. Основные свойства тяжелых цементных бетонов

1.2.4. Проектирование состава бетона

1.3. Бетоны на основе полимерных связующих

1.3.1. Полимербетоны

1.3.2. Ненасыщенные полиэфирные олигомеры

1.3.2.1. Синтез ненасыщенных полиэфиров

1.3.2.2. Отверждение ненасыщенных полиэфирных олигомеров

1.3.3. Наполнители и свойства наполненных полимерных композиций.

1.3.3.1. Основные виды наполнителей и типы структур наполненных полимеров

1.3.3.2. Основные характеристики дисперсных наполнителей для полимеров

1.3.3.3. Свойства дисперсно-наполненных полимеров

1.3.3.4. Расчет состава иолимербетона

1.4. Гибридные системы на основе минеральных вяжущих и полимерных связующих

1.4.1. Бетонополимеры

1.4.2. Цементно-полимерные бетоны

1.4.3. Эмульсии, как основа для получения полимер-минеральных композитов

1.4.3.1. Классификация эмульсий

1.4.3.2. Стабилизация эмульсий

1.4.3.3. Обращение фаз эмульсий

1.5. Цели и задачи исследования

1.5.1. Выводы из данных литературного обзора

1.5.2. Цели и задачи исследования

2. Объекты исследований

2.1. Олигомеры

2.2. Минеральные вяжущие

2.3. Инертные наполнители

3. Методы исследований

3.1. Исследование реологических свойств ненаполненпых и наполненных эмульсий

3.2. Исследование структурно-реологических свойств трехфазных дисперсных систем в процессе уплотнения

3.3. Метод конического пластометра

3.4. Исследование растекания наполненных систем

3.5. Исследование микроструктуры

3.6. Исследование механических свойств минеральных, полимер-минеральных и полимерных материалов

3.7. Определение водопоглощения высоконаполненных материалов (бетонов) 63 4. Экспериментальная часть

4.1. Исследование структуры и реологических свойств ненаполненных водо-олигомерных эмульсий

4.2. Исследование структуры и реологических свойств наполненных водо-олигомерных эмульсий

4.2.1. Наполненный олигомер и вода

4.2.2. Эмульсии, наполненные цементом

4.2.3. Эмульсии, наполненные гипсом

4.2.4. Эмульсии, наполненные маршалитом

4.2.5. Микроструктура наполненных эмульсий

4.3. Исследование реокинетики отверждения наполненных водо-олигомерных эмульсий

4.3.1. Исследование кинетики отверждения наполненного НПО

4.3.2. Исследование кинетики твердения активных наполнителей в водо-олигомерных эмульсиях

4.3.2.1. Эмульсии, наполненные цементом

4.3.2.2. Эмульсии, наполненные гипсом •

4.3.3. Исследование реокинетики совместного отверждения ненасыщенного полиэфирного олигомера и минеральных вяжущих

4.3.3.1. Эмульсии, наполненные цементом

4.3.3.2. Эмульсии, наполненные гипсом

4.4. Исследование растекания полимер-минеральных композиций

4.5. Исследование влияния добавок полимеров на структурно-механические свойства трехфазных (Т-Ж-Г) дисперсных систем на основе цементного теста в процессе уплотнения

4.6. Исследование физико-механических свойств отвержденных полимер-минеральных композиционных материалов

4.6.1. Исследование прочностных свойств отвержденных полимер-минеральных композиционных материалов

4.6.2. Исследование деформационных свойств отвержденных полимер-минеральных композиционных материалов

4.6.3. Микроскопические исследования структуры отвержденных полимер-минеральных композиционных материалов

4.6.4. Исследование физико-механичеких свойств модельных систем

4.6.5. Исследование физико-механических свойств бетона на основе полимер-цементного материала

4.6.6. Исследование водопоглощения бетона на основе полимер-цементного материала

Возможности практического применения результатов работы

5. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и механические свойства гибридных композиционных материалов на основе портландцемента и ненасыщенного полиэфирного олигомера»

Работы в области создания полимер-минеральных материалов на основе минеральных вяжущих и полимерных связующих в основном ведутся в двух направлениях. Первое, улучшение свойств готовых минеральных бетонов посредством импрегнирования мономера или реактопластичного олигомера в капиллярно-пористую структуру бетона с последующей полимеризацией или отверждением полимерного связующего в объеме бетона. Применение данного метода дает хорошие результаты в виде высоких эксплуатационных свойств бетонополимеров, но отличается высокой стоимостью изделий и сложностью технологии. Второй путь получения полимер-минеральных материалов заключается в введении относительно небольших количеств полимерных связующих, в основном водных эмульсий полимеров или водорастворимых термореактивных олигомеров, непосредственно в бетонную смесь. Данный метод отличается простотой и невысокой стоимостью готовых изделий, но не дает большого выигрыша в прочностных свойствах по сравнению с чисто минеральными бетонами.

В последнее время возрос интерес к разработке новых типов полимер-минеральных композиционных материалов, в которых минеральные вяжущие и водонерастворимые термореактивные олигомеры присутствуют приблизительно в равных количествах и минеральное вяжущее твердеет в матрице отверждающегося олигомера. Вопрос структурообразования таких систем практически не изучен, что актуально, так как применение различных видов минеральных вяжущих и олигомерных связующих, отличающихся физико-механическими свойствами, механизмами и скоростями твердения и отверждения соответственно, будет обуславливать различия в структуре и свойствах получаемых полимер-минеральных композиционных материалов.

Настоящая работа посвящена изучению вопросов структурообразования и разработке технологии получения нового типа гибридных полимер-минеральных композиционных материалов с комплексом ценных свойств из композиций на основе ненасыщенного полиэфирного олигомера и цементного теста (цемент+вода). Исследованы закономерности формирования структуры данных полимер-минеральных материалов, в зависимости от применяемого минерального вяжущего (портландцемент, строительный гипс). Изучена кинетика совместного отверждения олигомерной и твердения минеральной фаз гибридных композиций. Проведены исследования по определению технологических свойств (растекание, уплотнение) данных полимер-минеральных смесей. Определены физико-механические свойства отвержденпых гибридных полимер-минеральных материалов на основе ненасыщенного полиэфирного олигомера и цементного или гипсового камня в полном диапазоне составов.

1. Закономерности формирования структуры и комплекса свойств высоконаиолненных минеральных, полимерных и полимер-минеральных композитов.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Дрожжин, Дмитрий Александрович

5. Выводы.

1. Разработана рецептура и технология получения гибридного полимер-цементного композиционного материала на основе ненасыщенного полиэфирного олигомера и цементного камня, обладающего сочетанием высоких прочностных и деформационных свойств, что связано с особенностями формирования его фазовой структуры. Высоконаполненные системы (бетоны) на основе полученного полимер-цементного материала обладают физико-механическими свойствами, которые превосходят свойства обычных минеральных бетонов.

2. Изучены структура и реологические свойства эмульсий воды в растворе ненасыщенного полиэфирного олигомера в стироле. Обнаружено увеличение вязкости и появление псевдопластичности у водо-олигомерных эмульсий с ростом содержания водной дисперсной фазы до момента обращения фаз. Рост вязкости и псевдопластичность водо-олигомерных эмульсий связаны с уменьшением растворимости ненасыщенного полиэфира в стироле в присутствии воды.

3. Показано, что межфазное взаимодействие на границе наполнитель-матрица определяет распределение наполнителей в фазовой структуре водо-олигомерных эмульсий: так, маршалит концентрируется в водной фазе, цемент - в олигомерной, тогда как гипс в процессе гидратации переходит из олигомерной фазы в водную.

4. Реологическое поведение наполненных водо-олигомерных эмульсий хорошо описывается уравнением Кандырина-Кулезнева, в котором изменение их относительной вязкости связано только со степенной функцией «свободного объема» наполненных композиций. Показатель степени уравнения возрастает при увеличении взаимодействия на границе раздела наполнитель-дисперсионная среда.

5. Впервые исследована кинетика совместного отверждения ненасыщенного полиэфирного олигомера и твердения минеральных вяжущих (цемент, гипс) в наполненных водо-олигомерных эмульсиях. Установлено, что скорости отверждения олигомерной и твердения минеральной фаз и их соотношение определяют фазовую структуру и свойства отвержденного полимер-минерального материала. Показано, что с увеличением содержания цементного теста время отверждения наполненных эмульсий уменьшается. При увеличении содержания гипсового теста время отверждения наполненных эмульсий увеличивается, что связано с замедлением процесса образования перекисных радикалов, необходимых для полимеризации олигомера, вследствие взаимодействия гипса с ускорителем распада перекиси - нафтенатом кобальта.

6. Исследование кинетики растекания полимер-минеральных композиций показало, что среднее время растекания исследуемых систем не превышает 1 минуты, что указывает на их хорошую технологичность и формуемость.

7. Исследовано влияние малых добавок полимеров (эпоксидианового олигомера ЭД-22, водной дисперсии поливинилацетата) на реологические свойства минеральных высоконаполненных трехфазных (Т-Ж-Г) дисперсных систем в условиях непрерывного сдвига в сочетании с уплотнением. Установлено, что введение малых добавок полимеров до 12% об. в данные системы способствует их уплотнению за более короткое время, что является важным в технологии формования бетонных смесей, так как ведет к получению более плотных бетонов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дрожжин, Дмитрий Александрович, 2006 год

1. Мак И. Л., Ратинов В. Б., Силенок С. Г. Производство гипса и гипсовых изделий. М.: Госстройиздат, 1961.-221 с.

2. Зубарев К. А. Справочник по производству гипса. М.: Госстройиздат, 1963. - 205 с.

3. Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1966. - 407 с.

4. Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1971.-360 с.

5. Торопов П. А. Химия цементов. М.: Промстройиздат, 1956. - 342 с.

6. Урьев Н. Б., Михайлов Н. В. Коллоидный цементный клей и его применение в строительстве. -М.: Стройиздат, 1967, 175 с.

7. Урьев Н. Б., Дубинин И. С. Коллоидные цементные растворы. Д.: Стройиздат, 1980, 192 с.

8. Урьев Н. Б. Высоконаполненные дисперсные системы. М.: Химия, 1980. - 320 с.

9. Урьев Н. Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. -М.: Химия, 1988.-255 с.

10. Урьев Н. Б. Физико-химическая механика в технологии дисперсных систем. М.: Знание, 1975.-287 с.

11. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966. -305 с.

12. Рамачандран В. С., Фельдман Р. Ф., Коллепарди М. и др. Добавки в бетон. М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.

13. Фрейндлих Г. Тиксотропия. JI.-M.: ГОНТИ, 1939. - 210 с.

14. Трапезников А. А., Шалопалкина Т. Г. // Коллоидный журнал, 1957, т. XIX, №2. С.232-243.

15. Виноградов Г. В., Малкин А. Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. - 317 с.

16. Агранат Н. Н., Воларович М. П. О вычислении предельного напряжения сдвига дисперсных систем в опытах с коническим пластометром. // Коллоидный журнал, 1957, т. XIX, №1. С.3-10.

17. Ямпольский Б. Я., Ребиндер П. А. Исследование структурно-механических свойств металлических дисперсных систем методом конического пластометра. // Коллоидный журнал, 1948, т. X, №6. С.466-471.

18. Гораздовский Т. Я., Ребиндер П. А. К теории конического пластометра. // Коллоидный журнал, 1970, т. XXXII, №4. С.512-515.

19. Баженов 10. М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. - 411 с.

20. Баженов Ю. М., Комар А. Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1984. - 387 с.

21. Ицкович С. М. Заполнители для бетона. Минск: Стройиздат, 1983. - 232 с.

22. Королев К. М. Производство бетонной смеси и раствора. М.: Стройиздат, 1973. - 315 с.

23. Шестоперов С. В. Технология бетона. М.: Стройиздат, 1977. - 432 с.

24. Рекомендации по применению добавок суперпластификаторов в производстве сборного и монолитного железобетона. -М.: НИИЖБ, ЦНИИОМТП, 1987.-47 с.

25. Файнер М. Новые закономерности в бетоноведении и их практическое приложение. -Киев: Наукова думка, 2001. 448 с.

26. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика- М.: Химия, 1998.-768 с.

27. Руководство по применению химических добавок в бетоне. М.: НИИЖБ, 1981. - 65 с.

28. Берг О. Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1974. - 247 с.

29. Руководство по подбору состава тяжелого бетона. М.: НИИЖБ, 1979. - 52 с.

30. Акимова Т. Н. Бетоны и растворы на основе минеральных вяжущих. М: Стройиздат, 1984.- 183 с.

31. Скромтаев Б. Г., Шубенкин П. Ф., Баженов Ю. М. Способы определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат, 1966. - 159 с.

32. Строк Ю. Теория состава бетонной смеси. JL: Стройиздат, 1971. - 239 с.

33. Баженов 10. М. Способы определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат, 1975. - 272 с.

34. Горчаков Г. И., Орентлихер J1. П., Савин В. И. и др. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат, 1976. - 321 с.

35. Okada К. Recent Reserch and Aplication of Concrete-Polymer Composites in Japan. // 5th International Congress on Polymers in Concrete, 1987. P.13-18.

36. Патуроев В. В. Полимербетоны М.: Стройиздат, 1987. - 192 с.

37. Патуроев В. В. Технология полимербетонов. М.: Стройиздат, 1977. - 147 с.

38. Хрулев В. М. Полимербетоны. Новосибирск, 1979. - 243 с.

39. Коршак В. В. Технология пластических масс. М.: Химия, 1976. - 607 с.

40. Николаев А. Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. М.: Химия, 1966.-768 с.

41. Власов С. В., Калинчев Э. Л., Кандырин JI. Б. и др. Основы технологии переработки пластмасс. М.: Химия, 1995. - 528 с.

42. Седов JI. Н., Михайлова 3. В. Ненасыщенные полиэфиры. М.: Химия, 1977. - 484 с.

43. Бениг Г. В. Ненасыщенные полиэфиры. Строение и свойства. М.: Химия, 1968. - 363 с.

44. Гуль В. Е., Кулезнев В. Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Лабиринт, 1994.-405 с.

45. Баженов 10. М., Максимов Ю. В. Ремонт и усиление железобетонных конструкций полимерными материалами. -М.: Стройиздат, 1986. 142 с.

46. Межиковский С. М. Физикохимия реакционноспособных олигомеров. М.: Наука, 1998. -320 с.

47. Симонов-Емельянов И. Д., Кулезнев В. Н. Принципы создания композиционных материалов: Учебное пособие. М.: МИХМ, 1987. - 85 с.

48. Симонов-Емельянов И. Д., Кулезнев В. Н., Трофимичева Л. 3. Обобщенные параметры дисперсной структуры наполненных полимеров. // Пластмассы, 1989, № 1. С. 19-22.

49. Симонов-Емельянов И. Д. Основные характеристики наполнителей пластмасс. // В сб. «Наполнители пластмасс», МИНТП, 1977. С.19-26.

50. Кац Г. С., Милевски Д. В. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие М.: Химия, 1981. - 632 с.

51. Липатов Ю. С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977. - 304 с.

52. Берлин А. А., Вольфсон С. А., Ошмян В. Г. и др. Принципы создания полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1990. 240 с.

53. Кандырин Л. Б., Симонов-Емельянов И. Д. Сборник аналитических и проблемных задач по курсу «Принципы создания полимерных композиционных материалов». М.: ИПЦ МИТХТ, 1999. - 86 с.

54. Кандырин Л. Б., Кулезнев В. Н., Щеулова Л. К. Реологические свойства высококонцентрированных дисперсий с частицами неправильной формы. // Коллоидный журнал, 1983, т. 45, № 4. С.657-664.

55. Kuleznev V. N., Kandyrin L. В. Free volume conception of dispersed systems and formation of highly-loaded composites. // Macromol. Chem. Macromol. Symp. 28, 1986. P.267-286.

56. Кандырин Л. Б., Кулезнев И. Н., Воробьев Л. Р. Свободный объем и деформируемость высоконаполненных дисперсных композиций с жидким связующим. // Механика композитных материалов, 1987, № 4. С.719-723.

57. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Химия, 1978.-310 с.

58. Wieckowski A., Strek F. Porowatose mieszanin ciaz sypkich. Mieszaniny gwuskzadnikone. // Chemia stosowana, 1966,3B, № 1. P.95-128.

59. Wieckowski A., Strek F. Porowatose cial sypkich. Mieszaniny wielozkzadnikone. // Chemia stosowana, 1966, 3B, № 4. P.431-447.

60. Гринберг С. М., Кулезнев В. Н., Кандырин J1. Б. и др. Расчет оптимальных составов полимербетонных смесей на основе фурфурол-ацетонового мономера. // Пластич. массы, 1985, №12. С.33-36.

61. Ли X., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. М.: Энергия, 1977. -348 с.

62. Кандырин Л. Б., Черкезова Р. Ц., Реденков Ф. Д. и др. Адгезивные составы для склеивания полимерных и силикатных бетонов. // Пластич. массы, 2004, № 10. С.27-28.

63. Кандырин J1. Б., Черкезова Р. Ц., Раденков Ф. Д. и др. Свойства полимербетона на основе ненасыщенной полиэфирной смолы, модифицированной моноэтаноламином. // Пластмассы, 2006, № 4. С.31-32.

64. Кандырин JI. Б., Черкезова Р. Ц., Раденков Ф. Д. Свойства полимербетона на основе ненасыщенной полиэфирной смолы, модифицированной диэтаноламином. // Пластмассы, 2006, № 3. С.35-36.

65. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1974. - 420 с.

66. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. -М.: Химия, 1989.-385 с.

67. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. С.-П.: Химия, 1995. - 368 с.

68. Фрейдин А. С. Полимерные водные клеи. М.: Химия, 1985. - 143 с.

69. Хозин В. Г. Усиление эпоксидных полимеров. Казань: ПИК«Дом печати», 2004.-446 с.

70. Суриков П. В., Кулезнев В. Н., Кандырин J1. Б. Влияние вязкости наполненных эпоксидных смол на их растекание по горизонтальной поверхности. // ИФЖ НАН Белоруссии, 2003, т. 76, № 3. С.81-83.

71. Урьев Н. Б. Михайлов Н. В., Ребиндер П. А. О характере применения эффективной вязкости дисперсных структур в процессе вибрационного уплотнения. // Докл. АН СССР, 1970, т. 194, № 2. С.384-387.

72. Гончаревич И. Ф., Урьев Н. Б., Талейсник М. А. Вибрационная техника в пищевой промышленности. М.: Пищевая прмышленность, 1974. - 280 с.

73. Шаталова И. Г., Горбунов Н. С., Митхман В. И. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов. М.: Наука, 1965. - 164 с.

74. Куннос Г. Я. Вибрационная технология бетона. Л.: Стройиздат, 1968. - 168 с.

75. Кулезнев В. Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. - 303 с.

76. Воробьев JI. Р. Виброуплотнение высококонцентрированных дисперсных систем на основе олигомерных и мономерных связующих. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИТХТ, 1987. - 121 с.