Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидроизоляционные материалы в транспортном строительстве. Аналитический обзор 6
Глава 2. Изучение бутадиенстирольного термоэластопласта 12
2.1. Структура и свойства бутадиенстирольного термоэластопласта 12
2.2. Влияние добавок на свойства термоэластопласта 19
2.3. Старение и стабилизация бутадиенстирольного термоэластопласта 21
2.4. Свойства растворов термоэластопластов 25
2.5. Формирование полимерного покрытия 27
2.6. Незавершенность релаксационных процессов при формировании покрытия 30
2.7. Структура и свойства покрытий из растворов термоэластопластов 35
2.8. Общие выводы 37
Глава 3. Выбор исходных материалов для мастичной гидроизоляции 39
3.1. Выбор компонентов 39
3.2. Свойства основных материалов применяемых в мастичной гидроизоляции 42
Глава 4. Объекты и методы исследования 47
4.1. Объект исследования 47
4.2. Методы исследования 48
Глава 5. Разработка рецептуры мастики и анализ структуры 50
5.1. Разработка рецептуры мастики 50
5.2. Анализ структуры мастики методом ИК-спектроскопии 57
Глава 6. Изучение свойств гидроизоляционной мастики 69
6.1. Физико-механические свойства покрытия 69
6.2. Стойкость покрытия к ускоренным испытаниям 81
6.3. Химическая стойкость покрытия 94
6.4. Испытание покрытия на бетоне к действию многократно повторным нагрузкам 103
6.5. Практическое применение и технико-экономическая эффективность применения мастики 115
Выводы 117
Приложение 119
Список использованной литературы 150
- Старение и стабилизация бутадиенстирольного термоэластопласта
- Свойства основных материалов применяемых в мастичной гидроизоляции
- Анализ структуры мастики методом ИК-спектроскопии
- Испытание покрытия на бетоне к действию многократно повторным нагрузкам
Введение к работе
Актуальность темы. Строительство транспортных сооружений, как одна из областей развития промышленного и социального потенциала РФ, нуждается в повышение долговечности бетонных и железобетонных конструкций, разработке новых эффективных строительных материалов, в том числе полимерных покрытий с высокой адгезией, прочностью, химической стойкостью, технологичностью.
Применяемые в транспортном строительстве современные рулонные и мастичные материалы имеют ряд недостатков. Рулонные материалы на битумной и битумно-полимерной основе не обладают необходимыми свойствами и не достаточно технологичны при применении (необходимо наплавлять или наклеивать), мастичные материалы имеют невысокую прочность, долго высыхают, нельзя получить толстослойные покрытия и наносить их при отрицательных температурах.
В связи с этим, создание нового мастичного материала, превосходящего по своим свойствам материалы, применяемые в транспортном строительстве при производстве гидроизоляционных работ, является актуальным.
Цель и задачи исследования.
Цель работы заключалась в разработке новой эффективной мастичной гидроизоляции, для ее применения в транспортном строительстве в условиях умеренно-холодной климатической зоны.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: выбор сырьевых компонентов; физико-химическое изучение мастики при формировании покрьпия; определение упругопластиче-ских характеристик; оценка долговечности; изучение взаимодействия бетона с покрытием при действии многократно повторных нагрузок.
Научная гипотеза заключалась в том, что при определенном соотношении эластичных и жестких блоков в термоэластопласте и введением в него модификаторов иной природы, можно получить гидроизоляционную мастику с улучшенными свойствами.
Методика исследования. В исследовании были использованы метод ИК- спектроскопии для изучения компонентов мастики, физико-механические методы определения прочности, деформативности, адгезии. Были также применены методы по определению технологических свойств. Разработан метод оценки стойкости бетона с покрытием при действии многократно повторных нагрузок.
Научная новизна работы заключается в определении закономерностей формирования свойств покрьпия в зависимости от струк-
турных особенностей исходных пленкообразующих компонентов; установлении зависимости влияния функциональных групп компонентов мастики на физико-механические свойства сформированного покрытия; расчета коэффициента безотказной работы бетона с покрытием при воздействии многократно повторяющихся нагрузок на растяжение при изгибе; оценки долговечности покрытия на бетоне в различных средах.
Практическое значение работы состоит в возможности наносить разработанную мастику механизированными и ручными способами на конструкции любой сложности; пригодна для ремонтно-восстановительных работ, для перекрытия микротрещин на поверхности бетона.
Покрытие на основе мастики сохраняет необходимые гидроизоляционные свойства при эксплуатации.
Мастика получена на основе отечественного сырья, имеет более высокие свойства по сравнению с другими гидроизоляционными материалами и меньшую себестоимость.
Разработаны рекомендации по производству работ для гидроизоляции транспортных сооружений.
Реализация результатов работы осуществлена на объектах:
ж.д. Андреевский мост через реку Москва (г. Москва);
МКАД, пересечение с Ленинградским шоссе (г. Москва);
Порт Оля (г. Астрахань);
крытый конькобежный центр в Крылатском (г. Москва). Апробация работы.
Диссертационная работа заслушивалась на 3-ем Международной научно-практическом семинаре «Новое в материалах, оборудовании и технологии лакокрасочных покрытий» (Москва 2001 году) и на секции «Строительные материалы» Ученого совета ОАО ЦНИИС (2004 году).
Публикации результатов. Результаты работы отражены в нормативных документах, двух статьях, в заявке на авторское свидетельстве на изобретение (получен приоритет).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, практического применения материала, списка литературы из 115 наименований. Текст диссертации содержит в cede 127 страниц печатного текста, 31 рисунок и 17 таблиц.
Старение и стабилизация бутадиенстирольного термоэластопласта
В процессе получения термоэластопластов на стадиях получения, хранения, переработки в изделия и эксплуатации в полимерах протекают реакции, приводящие к значительному, необратимому изменению свойств — старению. На молекулярном уровне старение обусловлено изменением молекулярной массы и ММР. Старение происходит под действием кислорода, примесей металла в полимере, света, озона. Изменение свойств ускоряется при повышении температуры, механических воздействиях и т.д.
В зависимости от характера воздействия, вызывающего изменения свойств термоэластопласта, можно выделить: термоокислительное, световое, озонное и другие виды старения [48].
Термоэластопласт является двухфазным полимером, состоящим из высокоэластичных и термопластичных блоков, то изменение фазового состояния термоэластопласта обуславливается протеканием окислительных процессов в одной или в обоих блоках в зависимости от температуры. При температуре ниже температуры стеклования полистирольного блока, старение обусловлено реакциями, протекающими в высокоэластичном (полидиеновом) блоке, при температуре выше температуры стеклования реакциями в обоих блоках.
В термоэластопластах происходят две конкурирующих процесса — деструкция и структурирование. Оба процесса осуществляются одновременно, и в зависимости от соотношения реакций изменяются конечные свойства термо-эластопластов [49]. Скорость этих процессов определяется строением полимера, условиями старения (среда, температура, время переработки, механические воздействия) и зависит от типа и дозировки применяемого стабилизатора (ан-тиоксиданта), вещество, повышающее устойчивость полимеров к атмосферному воздействию (кислороду).
Цепной процесс можно остановить обрывом кинетической цепи окисления или резким подавлением зарождения и разветвления цепей путем разрушения инициаторов и соединений, вызывающих разветвление.
а) Ингибирование путем обрыва кинетических цепей.
Ингибиторы, действующие по этому механизму получили наибольшее распространение. К таким инициаторам относятся фенолы, амины, аминофено-лы, нафтаны и др. [48, 51].
б) Ингибирование путем вырожденного разветвления.
Ингибиторы, реагирующие с гидропероксидами без образования радикалов. К таким соединениям относятся сульфиды, дисульфиды, эфиры фосфорной кислоты (фосфиты) [48].
Недостатком таких соединений является легкая самоокисляемость. Поэтому их используют совместно с ингибиторами, обрывающими цепь — феноламии аминами, предотвращающая окисление добавок. Сочетание этих двух стабилизаторов обеспечивает высокую стабильность термоэластопласта.
в) Инициирование с непрерывной генерацией ингибитора.
В процессе термоокислительного старения эффективные ингибиторы окисляются молекулярным кислородом, что приводит к дополнительному расходу инициатора и инициированию окисления. Это предотвращается двумя путями: за счет снижения концентрации добавки или созданием условий, в которых ингибитор постепенно образуется в процессе старения.
В качестве таких ингибиторов для термоэластопластов служат ароматические фосфиты и эфиры борной кислоты [48].
г) Ингибирование смесями стабилизаторов.
Использование смеси ингибиторов для стабилизации термоэластопластов достигается увеличение эффективности их действия при уменьшении дозировки.
В бинарных смесях одна из добавок обрывает кинетическую цепь окисления, а другая разрушает пероксиды без образования радикалов [48].
Для стабилизации термоэластопластов применяют смеси трех (иногда че f, тырех) ингибиторов, действующих по разному механизму.
Кинетическая схема фотохимического окисления полимеров существенно не отличается кинетики термоокисления за исключением стадии инициирования [50].
Скорость окисления зависит от интенсивности света. При малых интен-сивностях окисления протекает процесс с линейным обрывом цепи, при большой интенсивности света к квадратичноному обрыву цепи.
Процесс окисления протекает очень интенсивно и термоэластопласт практически полностью теряет свои технологические свойства.
Стойкость термоэластопластов от фотоокислительного старения можно повысить ингибированием процесса фотоокисления с использованием уф-адсорберов или цветных пигментов.
В качестве пигментированных добавок используют различные марки технического углерода и стабильность термоэластопластов зависит от дисперсности технического углерода и рецептуры композиции.
При воздействии озона на термоэластопласт происходит взаимодействие озона с двойными связями полидиенового блока.
Напряжение, возникающие в термоэластопласте при малых деформациях способствует деструкции макромолекулы и припятствует рекомбинации макромолекул, ускоряет образование и разрастание макротрещин. С ростом напряжения его разрушающая способность увеличивается, однако одновременно происходящая ориентация макромолекул, приводит к упрочнению полимера, что затрудняет дальнейшее разрушение полимера.
Скорость протекания озонного старения зависит от концентрации озона.
Снижение скорости химического взаимодействия термоэластопласта с озоном достигается уменьшением реакционной способности полидиеновых блоков или при использовании противостарителей — антиозонантов [48].
В качестве озонантов используют вещества, обладающие большей реакционной способностью к озону, чем полимер. К таким веществам относятся три-бутилтиомочевина, производные тиосемикарбазида и п-фенилендиамина.
Свойства основных материалов применяемых в мастичной гидроизоляции
Инден-кумароновая смола, представляет собой смесь полимеров некоторых непредельных соединений, главным образом индена и кумарона и их го-могенов. Соотношение этих соединений в смоле определяют важнейшие качественные показатели [6].
Инден-кумароновые смолы при комнатной температуре растворимы во всех распространенных технических растворителях: ароматических углеводородах (уайт-спирит, толуол, ксилол), кетонах (ацетон, циклогексанон), альдегидах, терпенах, простых и сложных эфирах, фенолах, аминах, за исключением спирта и бензина.
Важной характеристикой инден-кумароновой смолы является ее совместимость с другими смолами, битумами, асфальтами, полиэфиром, поливинил-ацетатом, различными типами каучука (натуральными и синтетическими) [83].
Инден-кумароновые смолы обладают ценными свойствами: водостойкостью и устойчивостью к кислотам и щелочам, высокой связующей и клеящей способностью, способностью образовывать прочную пленку, термостойкостью.
Инден-кумароновые смолы нашли широкое применение в промышленности (производство лаков, красок и защитных покрытий; резинотехнических изделиях; отделочных материалах)
В защитных покрытиях инден-кумароновые смолы играют роль пленкообразующих веществ, т.е. способны при нанесении на твердую поверхность образовывать пленку.
Основные достоинства инден-кумароновых смол как лакокрасочного сырья — инертность к кислотам, щелочам, солям, водостойкость, высокие диэлектрические показатели. Недостатками для этой области применения являются невысокая свето- и атмосферостойкость, невысокая термостойкость.
Одно из наиболее распространенного применения инден-кумароновой смолы является промышленность строительных материалов, где смолы используются в качестве связующего при производстве плиток для полов, линолеума и других отделочных материалов
Инден-кумароновую смолу применяют также при изготовлении мастики, используемой для приклеивания облицовочных материалов. Инден-кумароновая смола в составе клеев придает водостойкость.
При использовании инден-кумароновой смолы в качестве модификатора ТЭП, смола совмещается с полистирольным блоком и улучшает клеящую способность композиции. Это достигается за счет определенного взаимодействия при смешении инден-кумароновой смолы и полистирола, о чем может свидетельствовать снижение вязкости смеси по сравнению с аддитивной, а также что смесь имеет единую область перехода из стеклообразного в вязкотекучее состояние.
Химическая модификация инден-кумароновой смолой основана на наличии остаточной не предельности, смола обладает реакционной способностью и может присоединять различные соединения [83].
Инден-кумароновая смола является не светостойкой (на свету постепенно желтеет и теряет свои механические свойства) и при взаимодействии с эпоксидной смолой образуется материал, стойкий к ультрафиолетовому облучению.
Эпоксидные смолы это олигомеры или полимеры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп и способные превращаться в полимеры пространственного (сетчатого) строения [6].
Эпоксидные смолы обладают хорошими влагозащитными свойствами, высокой адгезией и диэлектрическими свойствами, химической стойкостью и устойчивостью к действию радиоактивного излучения.
Эпоксидные смолы совмещаются с различными реакционно-способными полимерами и позволяют варьировать в широком диапазоне физико-механические свойства продуктов. Наличие в молекуле полимера эпоксидных групп, способных реагировать со многими веществами, и, в зависимости от функциональности этих веществ, дает возможность получать модифицированные термопластичные полимеры или отвержденные полимеры.
Кроме получения лакокрасочных покрытий, эпоксидные смолы широко применяют для модификации полимеров с целью повышения их прочности, адгезии к различным материалам и термостойкости [10].
Пигменты это высокодисперсные окрашенные порошки, нерастворимые в воде и пленкообразующих веществах. Наполнители это высокодисперсные неорганические продукты, нерастворимые в пленкообразующих веществах. Наличие пигментов улучшает малярно-технические свойства полимерных материалов и эксплуатационные свойства покрытий [6].
Пигментами-наполнителями называют продукты, содержащие окись или гидроокись алюминия, сульфат кальция и т.д.
Оксиды алюминия различной степени гидроативности используют при получении наполненных систем. Это обусловлено большим разнообразием этих химических соединений и, соответственно различным влияниям на эксплуатационные свойства наполненных систем. Такое разнообразие определяется тем, что оксиды алюминия и их гидраты обладают полиморфизмом (кристаллизируются в орторомбической, моноклинной, триклинной сингиниях и их разновидностях, отличающихся упаковкой и характером связей между кристаллами) и в зависимости от условий получения могут характеризоваться различным отклонением химического состава, проявляющимся в различном содержании гид-роксильных групп и примесные ионов. Примесные ионны, входящие в кристаллическую решетку, очень часто определяют совокупность свойств поверхности частиц [84].
Гидроксиды, оксигидроксиды и оксиды алюминия амфотерны, т.е. проявляют свойства твердых кислот и твердых оснований. Оксигидроксид алюминия, состоит из кристаллов, в которых Al + окружен октаэдрически пятью ионами О" и одним ионам ОН. Октаэдры соединяясь образуют слои. Гидроксильные группы, выходящие на поверхность кристалла в зависимости от окружения обладают различной локальной плотностью заряда и характеризуются различными кислотно-основными свойствами. Гидроксильная группа, окруженная четырьмя ионами О"" имеет наибольший отрицательный заряд и проявляет основные свойства. Гидроксильная группа, не имеющая в ближайшем окружении ионов О2" является кислотным типом. Атомы алюминия на поверхности являются кислотными центрами. При гидратации эти центры превращаются в кислотные центры бронотедовского типа. Адсорбированные на поверхности оксигидрок-сида гидроксидные группы, способные к обмену, являются основными центрами [84].
Наличие гидроксильных групп на поверхности оксигидроксида алюминия приводит к образованию флокуляционных и коагуляционных пространственных структур (главным образом за счет водородных связей). Образование пространственной обратимой сетчатой структуры придает ей тиксотропные свойства, повышая седиментационную устойчивость лакокрасочных материалов, предотвращая образование не диспергируемых дилантовых остатков. Тиксотропные материалы можно наносить однослойные покрытия большой толщины.
Высокая пленкообразующая способность алюминия, наличие на его поверхности, а также на ребрах и углах частиц коордиционно-ненасыщенных атомов металла положительно сказывается на противокоррозионных свойствах покрытий, имеющий в своем составе гидратированных оксид алюминия.
Следует отметить, что высокая химическая активность и адсорбционная способность гидратированных оксидов алюминия при использовании в составах лакокрасочных композиций дает возможность целенаправленно влиять на ряд свойств материала.
Анализ структуры мастики методом ИК-спектроскопии
Спектральный анализ полимеров позволяет исследовать химическую и стерическую структуры макромолекулы объекта, основной на способности полимерного вещества взаимодействовать с полем электромагнитного излучения в инфракрасной области энергетического спектра, т.е. в области длин волн А.« 1-25 мкм.
Важнейшая физическая характеристика любой молекулы это спектр ее энергетического состояния, который определяется внутримолекулярными процессами: движением электронов (особенно валентных), колебания атомных ядер и вращение ядерных группировок около положений равновесий, поступательные и вращательные движения молекул. Движение электрона определяет её электронный спектр, который проявляется в ультрафиолетовой и видимой областях (А,« 150-1000 нм), колебания атомных ядер и вращательные атомные группировки определятся колебательными и вращательными спектрами [6].
Для исследования структуры полимеров и органических соединений обычно изучают спектры поглощений. Колебательные спектры можно получить ИК или УФ спектроскопией. Эти методы содержат информацию о строении молекул полимера, наличие функциональных групп и их природе, состава полимеров, последовательности присоединение полимерных звеньев и т.д.
Ведущую роль при исследовании полимеров занимает ИК-спектроскопия. ИК-спектр состоит из очень большого числа полос поглощения, причем только некоторые из них можно отнести к колебаниям отдельных атомных группировок, содержащихся в макромолекуле. Каждая полоса в спектре охарактеризована положением, интенсивностью, шириной и типом полеримезации.
Для широкого круга исследований используют интервалы длин волн или частоты инфракрасного диапазона 1-25 мкм или 10000-400СМ"1 соответственно. Эта область доступна для спектров из призм KBr, NaCl или LiF.
Для измерений в области 4000-400 см"1 пленки полимеров должны иметь толщину несколько микрометров. Наличие разнотолщинности в пленке приводит к некоторому уширению полос спектра и появлению «уступа» в максимумах наиболее сильных полос. Применение ИК-спекроскопии позволяет исключить этот эффект [90].
При исследовании спектров полимеров необходимые сведения о строении объекта можно получить двумя путями:
1. экспериментально устанавливается эмпирическая связь какой-либо спектральной характеристики (положения поглощения и ее интенсивность) со свойствами полимера (микротактичностью, степенью кристаллизации и т.д.);
2. изучение причин спектральных изменений и фундаментальная связь колебаний макромолекулы с их структурой.
Задачей исследования полос поглощения заключается в установлении связи между наблюдаемыми энергиями переходов и строением объектов, а также установление влияния модифицирующих пленкообразующих полимеров (эпоксидного олигомера, инден-кумароновой смолы) на строение исходного бутади-енстирольный ТЭП.
Для исследования был выбран исходный бутадиенстирольный термоэла-стопласт, инден-кумароновая и эпоксидно-диеновая смолы и конечный продукт модификации - гидроизоляционная мастика.
Для изучения структур были отобраны четыре образца: бутадиенстирольный термоэластопласт ДСТЗО-01, инден-кумароновая смола, эпоксидная смола ЭД-20 и гидроизоляционная мастика.
Для съемки ИК-спектров были разработаны два метода приготовления образцов. Это было связано с их специфическими физико-химическими свойствами. Первый метод состоял в таблетирование с оптически прозрачным бромистым калием (КВг). Смесь 200-250 мг КВг и исследуемого образца с добавлением толуола растиралась в агатовой ступке. После этого порошок помещали в сушильный шкаф для удаления толуола. Высушенный порошок прессовали в пресс-форме. Экспериментально было установлено, что для получения спектров с интенсивными полосами поглощения необходимо изготавливать таблетки КВг, содержащие не менее 10% исследуемого вещества. С использованием этого метода были приготовлены следующие образцы:
1. Мастика;
2. Бутадиенстирольный термоэластопласт;
3. Инден-кумароновая смола.
Для приготовления образца из эпоксидно-диановой смолы, метод с прессования с КВг оказался неприемлем, ввиду того, что не удалось приготовить твердую таблетку КВг, содержащую около 10 % исследуемого вещества. При более низких концентрациях, ИК-спектры были мало информативны. В связи с этим были приготовлен 10%-ый раствор исследуемого вещества в толуоле, который затем наносился на таблетку КВг и высушивался. Таким образом, получили тонкую пленку эпокси-диановой смолы на таблетке КВг. Для получения спектров с характеристическими полосами достаточной интенсивности, такая операция по нанесению пленки проводилась 2-3 раза.
ИК-спектры снимали в режиме пропускания в области 400-4000 см"1 на спектрофотометре «Specord М-80» (Carl Zeiss, Jena).
На первом спектре представлены полосы поглощения бутадиенстирольно-го термоэластопласта (рис. 9).
Для данного объекта должно быть характерно колебания ароматического кольца. Наличие ароматических соединений может быть обнаружено по поглощению в трех областях [90:
- по валентным колебаниям С-Н связи (Х« 3000 см-1);
- по скелетным колебаниям ароматических углерод-углеродных связей;
- по интенсивному поглощению ниже 900 см"1, обусловленному деформационными колебаниями С-Н связи.
В области 3000 см 1 проявляются валентные колебания связей С-Н, имеющие среднюю интенсивность. Обычно они представляют группу полос. При наличии в молекуле, кроме ароматического кольца алифатической цепи, полосы поглощения ароматических связей С-Н проявляются как плечи на основной алифатической полосе С-Н.
Поглощение в области 1600-1500 см"1 в спектрах ароматических соединений может проявиться в виде четырех полос: при 1600, 1580, 1500, 1450 см (интенсивность этих полос меняется в широких пределах).
Интенсивное поглощение в спектрах бензольных углеводородов ниже 900 см"1 относится к деформационным колебаниям связи С-Н ароматического кольца. По количеству и положению полос в этой области спектра определяется тип замещения бензольного кольца.
Анализируя спектр видно, что в области 3000 см"1 проявляются колебания С-Н связи (пики 2850 и 2900 см"1), также видны полосы поглощения средней интенсивности при 1600, 1500 и 1450 см"1. Колебания при 905, 760, 700 и 540 см"1 соответствуют деформационным колебаниям С-Н связи.
Спектры полос замещения при 1070 и 1020 см"1 указывают на взаимодействие алифатической цепочки с углеродом ароматического кольца.
Дуплет в области 1440 см"1 возникает за счет взаимодействия этиленовой цепи с ароматическим соединением.
В области 1400-1300 см"1 наблюдаются полосы, образованные за счет наиболее интенсивном колебании групп С-С-Н и Н-С-Н. Колебания близкие к области 1400 см"1 отвечают за колебания связи С-С-Н, соседних с двойной связью С=С, которой будет соответствовать полоса поглощения при 1340 см" . Деформационные колебания С=С при 960 см"1 соответствует двойной несопряженной связи.
Испытание покрытия на бетоне к действию многократно повторным нагрузкам
Строительные конструкции и сооружения из бетона и железобетона при эксплуатации подвергаются различным видам динамических воздействий.
Бетон в конструкциях может испытывать однократное (взрывная, ударная одноразовая подвижная нагрузка) или многократное (пульсирующая или вибрационная) динамическое нагружение. Наиболее часто встречается многократное динамическое нагружение, которое разделятся на нагружение с несимметричным циклом (сжатие или растяжение) и на нагружение с симметричным циклом, когда к образцу прикладывается нагрузка на сжатие и на растяжение [101]. Поведение бетона при динамическом воздействии может быть разным: он может разрушаться по мере изменения нагрузки, может выдерживать заданную нагрузку.
В процессе многократного динамического нагружения бетона, за критерий, определяющий его поведение, обычно принимают предел его выносливости, т.е. предельные напряжения, которое бетон способен выдержать, не разрушаясь при 1-2 млн. циклах.
В настоящее время бетонные и железобетонные сооружения (мосты, дороги, эстакады) подвергаются действиям многократных повторных нагрузок. Такие нагрузки в большинстве случаях носят динамический характер: время возрастания нагрузки от минимального к максимальному исчисляется долями секунд. Поэтому, рассматривая выносливость бетона, т.е. его способность сопротивляться многократным повторным нагрузкам, необходимо учитывать особенности бетона при динамических нагружениях.
Поведение и разрушение бетона при многократном повторном динамическом нагружении носит своеобразных характер, предел выносливости бетона зависит от ряда факторов, в частности технологических. Бетон представляет сложный искусственный конгломерат, составляющие которого могут иметь различные свойства и в котором имеется большое количество пор и дефектов, заполненных воздухом или водой. Основную массу твердой фазы бетона составляют материалы, имеющие кристаллическое строение. Пластические сдвиги и зарождение микротрещин в кристаллических телах при действии нагрузки объясняется наличием и движением дислокаций. Из-за неоднородности бетона, при нагружении в нем возникает вторичное поле напряжений и в местах концентраций напряжений, происходит зарождение микротрещин и разрыхление материала [101].
Многократное нагружение состоит из отдельных циклов. В результате процессу разрушения материала при усталостных испытаниях свойственно образование микротрещин, разрыхления, появления сплошной трещины разрыва и разрушение бетона. Микротрещины и разрыхления материла, в первую очередь, возникают в местах концентрации напряжений.
Бетон при пульсирующей нагрузке разрушается из-за образования и развития микротрещин отрыва. Этот процесс развивается главным образом в местах концентрации напряжений, которая возникает вследствие неоднородности структуры бетона. Микропластические деформации в перенапряженных участках способствуют перераспределению и выравниванию напряжений и тормозят процесс образования микротрещин.
Образованию и раскрытию микротрещин предшествует разрыхление структуры бетона вследствие движения дислокаций. При пульсирующей нагрузке вторичное поле напряжений претерпевает большие изменения и колебания, что резко ускоряет движение дислокаций и образование микротрещин.
Процесс усталостного разрушения наиболее сильно развивается в контактной зоне, а также в окрестностях дефектов структуры. Химическое взаимодействие между цементом и водой, наоборот, тормозит процесс усталостного разрушения.
Скорость нагружения или деформации оказывает заметное влияние на поведение бетона при пульсирующем нагружении. Повышение скорости приложения нагрузки и вызываемое этим «запаздывание» деформаций и уменьшение передислокации жидкой фазы способствует улучшению выносливости бетона.
При изгибе бетонных балок, процесс их разрушение (рис. 28 а) идет в три стадии (рис. 28 б) [103].
Стадия 1. При малых нагрузках напряжения в бетоне носят преимущественно упругий характер. Зависимость между напряжениями и деформациями носит линейный характер.
С увеличением нагрузки напряжение в бетоне быстро приближается к пределу прочности при растяжении ap=Rp. В растянутой зоне развиваются пластические деформации и эпюра растяжения искривляется, в сжатой зоне бетон испытывает ещё упругие деформации.
При дальнейшем увеличении нагрузки бетон растянутой зоны разрывается и в местах, где образовались трещины, из работы выключается.
Стадия 2. Бетон продолжает работать на растяжение, и по мере углубления трещин, растягивающее напряжение в бетоне увеличиваются.
В сжатой зоне с повышением напряжений и развитием ползучести бетона эпюра нормальных напряжений постепенно искривляется. В растянутой зоне напряжения достигают R3=CJT, тогда как в сжатой зоне напряжение в бетоне остаются ниже его предела прочности RH.
Далее трещины в растянутой зоне раскрываются, и наступает разрушение сечения.
Стадия 3. Разрушение сечения наступает, когда напряжения достигают предела текучести Ra и затем под влиянием значительного прогиба разрушается сжатая зона (рис. 28 б, случай 1) или когда напряжение в бетоне в сжатой зоны достигают предела прочности R„ (рис. 286, случай 2).
При нанесении на растянутую зону защитного покрытия, обладающего высокой деформацией и адгезией, и за счет заполнения пор поверхностного слоя в бетоне, снизить напряжения в растянутой зоне и повысить время безотказной работы бетона при изгибе.
Предполагали, что бетонный образец с покрытием за счет присутствия жидкой фазы, может снизить предел выносливости бетона, с другой стороны в бетоне могут протекать физико-химические процессы между водой и цементом, приводящие к залечиванию микротрещин и повышению выносливости бетона.
В ходе испытания на выносливость было сравнено разрушение образцов с покрытием и контрольный образец. Результаты эксперимента могут свидетельствовать о наличии влияния разработанного материала на формирование структуры бетона и на его прочность.
После суток отверждения на воздухе при комнатной температуре образцы выдерживались в контейнере в течение 5 суток при температуре 20-25 С и относительной влажности (97±2) %. По истечению этого срока образцы выдерживали при комнатной температуре и после достижения на поверхности бетона влажности менее 4 %, образцы покрыли гидроизоляционной мастикой. Общая толщина покрытия 500 мкм (0,5 мм). Бетонные образцы выдерживали еще 4 суток.
Прочность бетона на сжатие составляла 550 кгс/см2, на изгиб 62 кгс/см2 на момент испытания.
Для проведения испытания применяли машину, работающую в режиме многократного повторного нагружения на растяжение при изгибе. Скорость нагружения составляла 1000 циклов/мин. Испытание проводили при постоянном значении уровня нагружения равного атах = 0,5 RHJ в течение 2000 тыс. циклов.
В результате проведения эксперимента было разрушено несколько образцов. Время разрушения образцов приведено на рисунках 29 и 30.
