Содержание к диссертации
Введение
1. Структурообразование, составы, свойства, технология изготовления и применение композитов на полимерном связующем . 8
1.1. Современные представления о структурообразовании полимерных композитов 8
1.2. Фурановые связующие. 21
1.3. Полимербетон на фурфуролацетоновом мономере. 36
1.4. Технология изготовления и применение полимерных композитов в строительной отрасли. Полимербетоны каркасной структуры. 54
1.5. Выводы по главе 1. 62
2. Цель и задачи исследований. Применяемые материалы и методы исследований . 63
2.1. Цель и задачи исследований. 63
2.2. Применяемые материалы. 64
2.3. Методы исследований. 65
2.4. Выводы по главе 2. 72
3. Структурообразование технического фурфуролацетонового мономера при отверждении бензосульфокислотой . 73
3.1. Исследование состава неотвержденных фурфуролацетоновых мономеров 73
3.2. Исследование структурообразования полимера при отверждении технического фурфуролацетонового мономера марки ФАМ в присутствии бензосульфокислоты. 87
3.3. Оценка степени отверждения фурфуролацетоных композитов. 94
3.4. Физическая модель структуры и свойства технического фурфуролацетонового мономера отвержденного бензосульфокислотой 99
3.5. Вязкоупругие свойства ненаполненного фурфуролацетонового композита. 115
3.6. Прочностные и деформционные свойства отвержденного фурфуролацетонового связующего. 141
3.7. Выводы по главе 3. 151
4. Разработка и оптимизация фурфуролацетоновых наполненных матричных композитов . 153
4.1. Определение оптимального количества отвердителя — бензо-сульфокислоты - в малонаполненных полимерминеральных композитах на фурфуролацетоновом мономере . 153
4.2. Стойкость наполненных матричных композитов к воздействию агресивных сред. 161
4.3. Исследование свойств матричных композитов на модифици-рованнных наполнителях. 167
4.4. Оптимизация гранулометрического состава наполненных матричных композиций. 175
4.5. Биостойкость наполненных матричных композитов. 180
4.6. Выводы по главе 4. 193
5. Разработка и оптимизация полимербетонов каркасной структуры . 195
5.1. Разработка и оптимизация каркасов на фурфуролацетоновом мономере . 195
5.2. Оптимизация гранулометрического состава каркасного бетона. 201
5.3. Исследование влияния гранулометрического состава заполнителя на физико-технические свойства полимербетонов каркасной структуры. 208
5.4. Физико-технические свойства каркасного полимербетона. 214
5.5. Выводы по главе 5. 217
6. Технология изготовления каркасных полимербетонных покрытий на комплексных связующих. Производственное внедрение . 218
6.1. Технология изготовления каркасных полимербетонных покрытий на комплексных связующих. 218
6.2. Применение каркасного полимербетона на фурфурол ацетоновом мономере при устройстве пола. 224
6.3. Технико-экономическая эффективность применения поли-мербетонов. 226
6.4. Выводы по главе 6. 230
Основные выводы. 231
Список использованной литературы. 234
Приложения 252
- Современные представления о структурообразовании полимерных композитов
- Исследование состава неотвержденных фурфуролацетоновых мономеров
- Определение оптимального количества отвердителя — бензо-сульфокислоты - в малонаполненных полимерминеральных композитах на фурфуролацетоновом мономере
- Разработка и оптимизация каркасов на фурфуролацетоновом мономере
Введение к работе
Повышение долговечности строительных конструкций и технологического оборудования на промышленных предприятиях приобретает особую актуальность в современных условиях развития экономических отношений. Там, где традиционные строительные материалы не удовлетворяют требованиям долговечности, наиболее целесообразным является использование ар-мополимербетонных конструкций. Такими областями являются строительство транспортных, химических, горно-металлургических и других предприятий.
Универсальной стойкостью в растворах кислот, щелочей и солей обладают полимерные композиционные материалы на основе фурфуролацетоно-вых мономеров. Опыт применения фурановых композиционных материалов при изготовлении канализационных коллекторов, элементов шахтных крепей, безнапорных труб, шпал, опор контактной сети, реконструкции промышленных предприятий металлургической, химической, машиностроительной и других отраслей показал их высокую эффективность. Однако, несмотря на значительное количество работ по этой проблеме, многие вопросы структурообразования, оптимизации составов и технологии изготовления остаются недостаточно изученными. Требуют развития вопросы качественного и количественного контроля состава производимых промышленностью марок технических фурфуролацетоновых мономеров. Недостаточно изученным остается механизм перехода фурфуролацетонового связующего в стеклообразное состояние.
Опыт практического применения полимербетонов показал, что использование известных технологических приемов производства фурановых полимербетонов имеет существенные недостатки. Применение традиционного катализатора — бензосульфокислоты не позволяет использовать фурфуролаце-тоновые композиты в антикорозионных покрытиях непосредственно по стали
и бетону без устройства дополнительных промежуточных слоев. Более широкому внедрению данных материалов в промышленном и транспортном строительстве, прежде всего, мешает повышенная деформативность материала как в конструкциях, так и в защитных покрытиях, проявляющаяся в виде усадки. Это приводит к образованию внутренних напряжений в материале и трещинообразованию. Существующие способы устранения этого недостатка путем введения специальных добавок, подбора многокомпонентных составов наполнителей усложняют технологию.
Уменьшить усадку и улучшить другие физико-технические свойства полимербетонов возможно за счет внедрения материалов каркасной структуры. Технология их изготовления включает предварительное создание оптимальных смесей заполнителей и склеивание зерен друг с другом с последующим заполнением пустот полученного каркаса матрицей. Такая технология способствует получению эффективных композитов с улучшенными эксплуатационными показателями, снижению расхода связующего и трудоемкости изготовления изделий. Каркасная технология позволяет изготавливать изделия направленной макроструктуры на комплексных связующих. Таким образом, устраняется антагонизм между отвержденным в присутствии кислоты фурфуролацетоновым связующим и сталью, цементным бетоном.
Применение фурфуролацетоновых мономеров, характеризующихся низкой вязкостью, в матричных составах для пропитки каркаса обеспечит высокую степень наполнения полимерминеральных растворов без использования разбавителей и пластификаторов, как в случае других связующих, например эпоксидных, что позволит получать качественные изделия на основе каркасных композитов.
Экономическая эффективность полимерных композитов в строительстве в значительной степени определяется стоимостью полимерных компонентов и затратами труда. В этой связи актуальной является задача изучения технологии получения, закономерностей структурообразования и физико-
технических свойств каркасных полимербетонов на фурановом связующем как более дешевом сырье.
Данная работа посвящена разработке технологии получения композиционных строительных материалов каркасной структуры на фурфуролацето-новом связующем, изучению физико-механических свойств на различных уровнях структуры материала с привлечением ряда теоретических разработок для описания свойств полимерных композитов, учитывающих изменение структуры и свойств полимерной матрицы под влиянием условий получения композитов, наполнителей различной природы, размера и формы частиц, степени их дисперсности.
Автор искренне признателен научному консультанту доктору химических наук, профессору В. Н. Шишкину за совместную плодотворную работу, ценные советы и замечания; выражает благодарность сотрудникам кафедры строительного производства Мордовского государственного университета за техническую помощь, оказанную при завершении работы, а также кандидату технических наук, доценту кафедры «Строительные материалы и технологии» МИИТа К. В. Тармосину за полезные консультации, советы и поддержку при работе над диссертацией.
Современные представления о структурообразовании полимерных композитов
Полимерные композиционные строительные материалы (КСМ) представляют собой искусственные материалы сложной структуры, состоящие из полимерных и других мономатериалов с резкоразличными свойствами и приобретающие в результате такого сочетания комплекс новых свойств, не присущих исходным материалам.
Большой вклад в исследование структуры, свойств и технологии компр-зиционных материалов на основе различных связующих внесли И.А. Рыбьев., И.Н. Ахвердов, А.Е. Шейкин, Ю.М. Баженов, В.В. Михайлов, В.И. Соломатов, Г.И. Горчаков, Ю.С. Черкинский, И.М. Грушко, A.M. Иванов, Ю.Г. Иващенко, А.Н. Бобрышев, А.П. Прошин, Р.З. Рахимов, У.Х. Магдеев, Н.И. Макридин, В.П. Селяев, Ю.Б. Потапов, И. Е. Путляев, В.И. Калашников, В.Т. Ерофеев, А.Д. Корнеев, В.Д. Черкасов, В.Н. Выровой, В.А. Вознесенский, А.П. Федор-цовзарубежные ученые Л. Скупин, М. Энгулеску, Р. Крейс, К. Садао, Р. Бареш, Я. Навратил и многие другие ученые. Обобщенние закономерностей структу-рообразования КСМ различных видов выполнено профессором И.А. Рыбьевым [101].Согласно автору КСМ должны обладать оптимальной структурой, которой соответствует комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств материала. Эта закономерность получила название закона "створа" [1-6].
Оптимальная структура КСМ характеризуется следующими обязательными признаками: наибольшая однородность, минимально возможное отношение жидкой среды к твердой, наличие непрерывной прослойки вяжущего вещества, а также плотная упаковка грубозернистых и компактное размещение тонкодисперсных частиц.
Экстремальный характер зависимости свойств материалов от их состава и выделение промежуточных структур отмечены во многих работах по технологии цементных, асфальтовых и полимерных композитов [6-13].
В последние годы получила признание и быстро развивается полиструктурная теория композиционных строительных материалов. Основные положения современной теории структурообразования композиционных строительных материалов базируются на работах профессора В.И. Соломатова и его учеников [14-28]. В данной теории, принцип полиструктурности выступает не только как классификационный фактор или методический прием для объяснений тех или иных особенностей структуры и свойств композитов, но и как ключ к направленному изменению и формированию требуемых физико-технических свойств этого материала и к разработке его рациональной технологии [17, 18, 23, 29-31].
Сущность теории состоит в представлении материала полиструктурным т.е. в выделении в единой структуре многих взаимосвязанных структур, прорастающих одна в другую ("структура в структуре" или "композит в композите"). С инженерной точки зрения, наиболее важно рассмотрение, общей структуры КСМ на двух характерных уровнях: микроструктуры и макроструктуры. Микроструктура образуется при совмещении смол, отвердителей, пластификаторов, модификаторов, разбавителей и дисперсных наполнителей. Она присуща полимерным связующим, мастикам, клеям, замазкам. Макроструктура же характеризуется для композита в целом, она формируется путем объединения микроструктуры с заполнителями крупных и мелких фракций.
Такое разделение полиструктуры достаточно для практической технологии и отражения структурообразования и формирования свойств полимербето-нов [17-19, 32, 33]. В рамках полиструктурной теории впервые четко определены основные структурообразующие факторы для каждого структурного уровня и получены количественные зависимости свойств композитов от этих факторов. Так зависимость свойств композитов на уровне микроструктуры можно представить в виде обобщенной функции от количества наполнителя, его дисперсности, гранулометрического состава, интенсивности взаимодействия наполнителя с полимером, концентрации полимера, микропористости связующего и других факторов [21,22].
Например, прочность связующих, при постоянной температуре определяется по следующему выражению: RCB=R(Cv,S,v,K,P), (1.1) где: Cv - степень наполнения, S - дисперсность наполнителя, v - активность поверхности наполнителя, К - концентрация олигомера (полимера), Р - пористость связующего. Особый интерес представляет универсальность зависимости RcB=R(Cv) для микроструктуры композитов, имеющей экстремум в зоне Cv [22-24, 34, 35]: с;= +с; (1.2) где: Ki и Кг - постоянные величины для конкретного компонента, характеризующие плотность вяжущего и наполнителя, их поверхностную активность и дисперсность.
Экстремальный характер зависимости свойство - степень наполнения получил физическое объяснение и соответствующее математическое описание [19,36,37].
Установлена практическая недостижимость строгого равномерного распределения частиц наполнителя в полимере и недостаточность такого состояния для упрочнения структуры. Выявлено, что микроструктуре присуща значительная неоднородность: зерна наполнителей в системе, стремящиеся к уменьшению поверхностной энергии, объединяются в кластеры различных размеров, представляющие собой качественно иные включения (псевдофазу), существующие в вяжущем наряду с неагрегированными частицами. Кластероооразо-вание - агрегирование частиц, являющееся проявлением самоорганизации частиц, неизбежно и обусловлено термодинамической неоднородностью структуры. Такое состояние системы при оптимальном насыщении обеспечивает упрочнение наполненной структуры. Установлено, что кластеры имеют значительное уплотнение внутри и менее плотны в периферийных областях [17, 18]. Роль кластерообразования в формировании структуры неизмеримо возрастает, когда агрегирование наполнителей происходит на фоне образования кластеров из элементарных структурных ячеек твердеющего вяжущего. При оптимальных размерах зерен наполнителей происходит взаимопроникновение и сращивание кластеров вяжущего и наполнителя и образование бесконечных кластеров с неаддитивным упрочнением структуры, что показано на примере цементных наполненных композиций [20, 36]. Таким образом, эффект упрочнения ПКМ дисперсными наполнителями представляется как результат фазовых переходов структуры матрицы в кластерах в модификацию с упорядоченно-ориентированным состоянием, что предопределяет образование термодинамически метастабильных состояний в структуре ПКМ [38, 39]. Влияние степени наполнения на прочность полимерных композитов при различных напряжениях объясняется с позиций кластеробразования [18, 40, 41].
Исследование состава неотвержденных фурфуролацетоновых мономеров
Впервые реакция взаимодействия фурфурола с ацетоном в различных молярных соотношениях, была исследована Шмидтом и Клайзеном в 1881 г.[149, 150]. Получение фурфуролацетоновых смол известно еще с 1916 г., когда Ж. Менье [151] рекомендовал их для приготовления лаков. Впоследствии другие исследователи также изготавливали фурфуролацетоновые смолы применяя различные методы [152, 154, 155, 235,270-276], в сущности мало отличающиеся от метода Менье. В нашей стране реакцию конденсации ацетона с фурфуролом, изучали П.П. Сурьми, В.В Челинцев, Е.К. Никитин, А.Г. Серебренякова [156-158, 277].
Фурфуролацетоновые смолы - вещества желтого цвета; по мере увеличения гидроокиси их окраска темнеет, доходя до желто-коричневой. Они растворимы в ацетоне, бензоле, толуоле, этаноле, 2-пропаноле или смеси этанола с фурфуролом [154, 155, 275] и дают при этом растворы образующие пленки. Позднее реакция конденсации фурфурола с ацетоном была изучена советскими и зарубежными учеными более подробно [159, 165]. Исследованиями, проводимыми с конца 60-х годов учеными разных стран, показано, что продукты конденсации фурфурола с кетонами или альдегидами в присутствии кислых или щелочных катализаторов образуют смолы, способные к отверждению.
Из литературных данных можно почерпнуть сведения, относящиеся, главным образом к изготовлению смол и областям их применения. Относительно состава конечных продуктов реакции конденсации ацетона с фурфуролом мы располагаем данными А. Манджини и Р. Андриано [271], румынских иследова-телей Исэческу и Ионеску [163-165]. Качественному и количественному определению компонентов технического фурфуролацетонового мономера, синтезируемому в промышленности, посвящены работы, выполненные на кафедре пластических масс МХТИ им. Д.И. Менделеева и в НИИ Пластических Масс [159-161,278].
Изучение процесса образования смол показало наличие двух, основных по количеству выхода, продуктов реакции монофурфурилиденацетона (I), и ди-фурфурилиденацетона (II) [156, 162, 271, 279]. Высказано предположение о существовании двух дополнительных продуктов: при взаимодействии в реакционной смеси 1 моль фурфурола и 2 моль ацетона - фурфурилидендиацетона(УИ) [159, 277], и в соотношении 4:1 - тетрафурфурилиденацетона(УІІІ) [159].Предполагается также, что кроме основных компонентов содержится ди-ацетоновый спирт (III), окись мезитила (IV) и непрореагирующие фурфурол ) и ацетон(\1) [163]. На выход этих соединений оказывает влияние соотношение исходных компонентов. Строение предположительных продуктов реакции отражено на схеме 3.1.
Выпускаемые промышленностью технические фурфуролацетоновые мономеры является продуктом взаимодействия фурфурола с ацетоном при экви-молярных соотношениях (марка ФА) или при избытке фурфурола (1,5:1 - ФАМ, 2:1 - 2ФА, 4:1 - 4ФА)в реакционной смеси и в присутствии щелочного катализатора. По данным Патуроева В.В.[202] ФА представляет собой сложный продукт, состоящий из многих химических соединений. Она содержит, %: моно-фурфурилиденацетон — 52—56, дифурфурилиденацетон — 20—26, монофур-фурилидендиацетон—15—26, полимерные продукты — 2—3, фурфурол — 0, 5, ацетон — до 1, золу — 0, 1—0, 3. Помимо указанных компонентов в состав смол ФА и ФАМ могут входить фурфурилидендиацетон, тетрафурфурилиден ацетон, диацетоновый спирт, оксид мезитила [176, 202].
В работе Ю.М. Маматова и Н.Н. Остер-Волкова [160] детально исследовался состав фурфуролацетоновых мономеров марок ФА, ФАМ, 2ФА и 4ФА методом тонкослойной хромотографии, который контролировали вакуум-разгонкой. Результаты экспериментов показали следующее: мономеры ФА, ФАМ, 2ФА состоят из монофурфурилиденацетона(І), дифурфурилиденацето-на(И) и фурфурола(У); в мономере 4ФА монофурфурилиденацетон(І) отсутствует. Данных, подтверждающих наличие в смоле 4ФА тетрафурфурилиденаце-тона(УШ), как это предполагалось в работе [278], получено не было. При недостатке фурфурола в смеси (соотношение 1:2) в продуктах реакции обнаружили МФА(1), ДФА(П), но не обнаружили фурфурилидендиацетона(УИ), присутствие которого отмечали в работах [202, 277, 278] при этом не указывая условий кон 76 денсации и метода определения фурфурилидендиацетона. Результаты визуального сравнения количеств веществ, входящих в состав мономера с известными количествами «свидетелей», подтвердились данными анализа МФА с помощью метода вакуумной разгонки; что позволяет вправе применять метод тонкослойной хроматографии для количественного анализа компонентов смол. Попытка применения колоночного хроматографического метода разделения составляющих мономера ФА для качественного контроля конденсации фурфурола и ацетона показала, что этот метод, как и применявшийся метод вакуумной разгонки, длителен и трудоемок. Дальнейшие исследования группы ученых под руководством Ю.М. Маматова позволили разработать надежные методики оценки концентрации МФА и ДФА с использованием метода газожидкостной хромото-графии [161].
Определение оптимального количества отвердителя — бензо-сульфокислоты - в малонаполненных полимерминеральных композитах на фурфуролацетоновом мономере
Важнейшей химической и технологической задачей для определения потенциальных возможностей связующего при использовании его в малонаполненных полиминеральных растворах (матрицах) для пропитки каркасов из минерального заполнителя является определение оптимального количества отвердителя. В малонаполненных композициях на фурановых связующих катализатор, не связанный химически с другими компонентами структуры, играет важную роль в структурообразовании и формировании свойств матрицы и полимербетона каркасной структуры в целом.
Нами было изучено влияние количества (БСК) - традиционного катализатора для фурфуролацетовых смол - на физико-механические свойства малонаполненных композитов и исследовано влияние катализатора на формирование структуры полимера.
Определение оптимального количества бензосульфокислоты проводилось по показателям прочности, модуля упругости и полноты отверждения композитов. Физико-механические характеристики определялись испытани-ем образцов-призм размером (1x1x3) 10" м, прошедших термообработку после распалубки по режиму: подъем температуры до 80 С за 2,0 часа, изотермическая выдержка при этой же температуре — 4 часов, охлаждение до 18 23С за 3 часа. Исследование проводилось на полимерных связующих, в которых в качестве наполнителей использовались молотый кварцевый песок и песок фракции 0,63 - 0,315 мм с удельными поверхностями соответственно равными 1,5 - 1,8 м /г и 0,5 - 0,55 м /г . Отношение полимер-наполнитель
П/Н для составов на молотом песке было принято равным 0,5, 0,63 и 0,75, и на песке фракции 0,63 — 0,315 мм — 0,5. Количественное содержание катализатора изменялось от 10% до 40% по массе мономера.
Образцы готовились следующим образом. Учитывая, что твердая бен-зосульфокислота не является безводной: теоретически она содержит около 5% воды, фактически же - 10 - 12%, для исследований бензосульфокислоту расплавляли при температуре 60 С, и испаряли водную составляющую в сушильном шкафу с последующим охлаждением перед использованием до 35 -40 С. Необходимые количества наполнителя и ФАМ перемешивались и совмещались с расплавом бензосульфокислоты в течение 2-3 минут. Готовое связующее укладывалось в формы и после затвердевания образцы всех составов помещались в термошкаф для проведения термической обработки по указанному выше режиму.
При изготовлении образцов, наблюдалась разница в сроках схватывания композиций с различным количеством катализатора. Состав с 40% содержанием БСК схватывался за 5-10 мин, 25% - 2-3 часа. В то же время процесс схватывания с 10%-ной дозировкой БСК растягивался до 3 суток. Содержания кислоты более 30% ускоряли затвердевание фурфурол ацетонового мономера настолько сильно, что задержка при формовании образцов приводила к заметному падению прочности изготовленных образцов.
По показателям прочности (рис. 4.1) область оптимального количества отвердителя лежит в интервале 20 - 30 % его содержания. Снижение доли бензосульфокислоты до 15 % по массе вызывает резкий спад прочности и поэтому нецелесообразно. Расходование катализатора сверх 30 %, также представляется нецелесообразным, поскольку не вызывает увеличение прочности твержденного связующего ФАМ. Следует отметить, что абсолютные показатели прочности при сжатии композиций с бензосульфокислотой для малона-полненных композитов (зависимость 3, П/Н=0,75) и композитов не содержащих в своем составе мелкой фракции наполнителя (зависимость 4, П/Н=0,5) показали максимальные значения (76,6, 60 МПа) при 30% бензосульфокислоты в отличие от высоконаполненных композитов с мелкодисперсным наполнителем (зависимость 1, П/Н=0,5) максимум прочности на сжатие (90,8 МПа) которого достигается при содержании 20% отвердителя.
Обычно оптимальное содержание бензосульфокислоты для наполненных композитов назначается соответствующим составу с максимальными прочностным показателем у отвержденного связующего или у наполненного композита из серии подборов с какими-то фиксированными значением наполнения и дисперсностью наполнителя. Так выполняется из предположения одинаковой потребности в безосульфокислоте при соответствующих условиях опыта для оптимального осуществления структурирования связующего, что должно было бы ожидаться при учете действия бензосульфокислоты на композит только как каталитического действия кислоты. Согласно результатам настоящего эксперимента, влияние содержания БСК на физико-механические свойства композита должно рассматриваться более дифференцированно.
Степень отверждения для составов с максимальными показателями прочности из каждой серий подборов (1,2,3 и 4) показаны в таблице 4.1. Следует отметить, что в присутствии наполнителя — кварцевого песка — степень отверждения наполненных образцов по сравнению со связующим отвержден-ным в сходных условиях уменьшается, что демонстрирует анализ полученных РЖ-спектров рис. 4.2. Например при 25% БСК, П/Н=0,63 (термообработка при t=80C) полуколичественная обработка ИК-спектров показывает, что для образцов с наполнителем показатель степени отверждения - отношение оптической плотности в максимуме полосы поглощения, характеризующей валентные колебания связей =С-Н в фурановых кольцах, к оптической плотности при полосе суперпозиции валентных колебания связей С-Н в метальных и метиле-новых группах (v 3121 CM"VV 2918 см"1 ) - увеличился с 0,47 для отвержденно-го связующего до 1,08 у наполненного композита (степень отверждения рассчитанная по формуле (3.1) соответственно уменьшилась с 87,6% до 82,5%).
Разработка и оптимизация каркасов на фурфуролацетоновом мономере
Каркас полуфабрикат каркасного полимербетона, в принципе это крупнопористый бетон, который находят широкое самостоятельное применение в несущих, ограждающих конструкциях, в дренажных трубофильтрах [109] по нему было проведено много исследований различными авторами [114-116], однако, как влияет гранулометрия заполнителя на свойства каркаса в настоящее время не исследовано.. Разработка и изучения свойств крупнопористого бетона представляет практический интерес. При оптимальных структурообразующих факторов мною исследовалось влияние гранулометрического состава заполнителя на физико-механические характеристики отвержденных каркасов.
С учетом приминения каркасных полимербетонов в качестве материалов покрытия полов нами были выбраны фракции заполнителя: 5-10, 2,5-5, 1,25-2,5 мм. Исследования показали, что максимальная прочность каркасов на фурановом связующем достигается при повышенном содержании в клеевой композиции на 30-50% отвердителя по сравнению с подобными бетонами плотной структуры, что составляет 30-35% бензосульфокислоты. Такое количество катализатора отверждения было принято в дальнейших исследованиях. Оптимизация составов проводилась по симплекс-решетчатому математическому плану эксперимента [310]. Постоянным фактором являлся расход клея каркаса (35% БСК по массе мономера), определявшийся по удель-ной поверхности заполнителя (63,8 г/м ). Составы крупнопористого бетона приведены в таблице 5.1. В качестве оптимизируемых параметров рассматривались: призменная прочность, прочность на растяжение при изгибе, модуль упругости при сжатии, плотность, пористость и расход клея каркаса. Характеристики определялись на образцах-призмах размером 4x4x16 см после отверждения в нормальных температуровлажностных условиях в течение суток. Испытания на изгиб для каркаса проводились на базе 10 см [264].
Из графиков следует, что показатели механических свойств достигаются повышаются с увеличением содержания в каркасах гранул самой мелкой фракции размером 1,25-2,5 мм. Это объясняется большей площадью контактирующей поверхности заполнителя. Анализ кривых равной прочности на сжатие показывает повышение прочности в результате уплотнения структуры каркаса и лучшего взаимного распределения зерен заполнителя фракций 1,25-2,5 мм - 50%, 2,5-5 мм - 20% и 5-10 мм - 30%. Удельная поверхность смеси фракций заполнителя определяет расход клея каркаса. Который, видимо, в свою очередь оказывает наиболее влияющим фактором на деформационные характеристики каркаса. Чем больше число контактов зерен заполнителя образуется в каркасе, тем жестче структура и более становится модуль упругости. Интересно отметить, что интенсивность изменения физико-механических свойств менее высока в каркасах из смеси мелкой и средней фракций, так как выше однородность смеси.
Наивысшие значения плотности и соответственно им наименьшие значения пустотности были получены на каркасной смеси заполнителя фракций 1,25-2,5 мм в пределах 50-60% и 5-10 мм в пределах 40-50%. По нашему мнению эффект уплотнения связан с выполнением минимального требования подбора состава по прерывистой гранулометрии: средний размер смежных фракций D/d = 4.
Прочность и другие свойства каркасного бетона как многокомпанент-ной системы зависят от многих структурообразующих факторов: количественного соотношения матрицы и заполнителей в объеме изделия, раздвижки зерен заполнителя, прочности связующего при растяжении, соотношения модулей упругости матрица и клея каркаса, сцепления клея каркаса с заполнителем, степени наполнения матрицы и т.д. [94]. Нами были проведены исследования влияния гранулометрического состава заполнителя на основные физико-механические свойства каркасного полимербетона на фурфуролацето-новом связующем марки ФАМ. В качестве варьируемых факторов рассматривались следующие фракции заполнителя: XI - фракция 5-10 мм; Х2 - фракция 2,5-5 мм; ХЗ - фракция 1,25-2,5 мм. Для оценки влияния размера зерен заполнителя и структуры каркаса на физико-механические показатели полимербетона в качестве матрицы для пропитки каркасов был использован нена-полненный фурфуролацетоновый мономер с 10 % бензосульфокислоты, что позволило качественно пропитать каркасы с различным гранулометрическим составом заполнителя на всю глубину изделия. Процесс пропитки образцов осуществлялся методом погружения каркаса в матрицу. Объемное соотношение компонентов каркасного бетона приведено в таблице 5.2. В качестве оптимизируемых параметров рассматривались: призменная прочность, прочность на растяжение при изгибе, модуль упругости при сжатии и при растяжении при изгибе, плотность и пористость. Характеристики определялись на образцах-призмах размером 4x4x16 см после термообработки.
