Общие закономерности развития усадочных напряжений в полимербетонах
Усадочные внутренние напряжения, возникающие в процессе формования полимербетонов и развивающихся во времени в процессе их последующей эксплуатации, — один из важнейших критериев, определяющих длительную прочность этих материалов.
Появление в полимерных композициях усадочных внутренних напряжений связано с фазовым переходом композиции из жидкой в твердую в процессе отверждения и незавершенностью релаксационных процессов. Обусловливаются они несколькими факторами, в том числе: усадочными явлениями в результате сближения молекул олигомера в процессе полимеризации и перехода из жидкого состояния в твердое; образованием жестких надмолекулярных структур полимера и их высокой адгезионной связью с частицами наполнителей; усадкой в процессе потери летучих компонентов.
Развитие усадочных внутренних напряжений обычно выражается характерной кривой, на которой ярко выражены два участка: первый соответствует развитию усадочных внутренних напряжений под действием названных факторов, второй отражает характер снижения усадочных внутренних напряжений, связанных с протеканием релаксационных процессов в условиях стабильности внешних воздействий.
Таким образом, усадочные внутренние напряжения условно можно разделить на временные (первый участок), действие которых проявляется от нескольких часов до нескольких суток, и остаточные — длительные (второй участок). Временные усадочные напряжения достаточно велики и в некоторых случаях могут превышать прочность синтетического связующего. Эти напряжения чрезвычайно опасны, так как могут привести к появлению микро- и макротрещин, т. е. нарушению монолитности изделия или конструкции. Остаточные напряжения, как правило, значительно ниже временных. Опасность этих напряжений заключается в длительности их действия.
Отверждение полимерных композиций в большинстве случаев происходит примерно по следующей схеме. В процессе полимеризации сначала образуется небольшое число поперечных связей. На этой стадии композиция еще достаточно эластична, в ней легко протекают релаксационные процессы и внутренние напряжения практически отсутствуют. По мере дальнейшей сшивки число поперечных связей растет, жесткость композиции увеличивается, и, наконец, наступает такой момент, когда образуется продукт с очень частой пространственной структурой. К этому времени усадочные деформации и временные внутренние напряжения достигают максимальных значений.
В то же время следует отметить, что абсолютное значение усадки не является критерием внутренних напряжений. При большой усадке и малом модуле упругости внутренние напряжения будут незначительны. Малая усадка в материалах с высоким модулем упругости вызывает значительные внутренние напряжения.
Для наполненных полимерных композиций эта картина еще более усложняется. Увеличение степени наполнений системы кварцевой мукой, андезитом, маршаллитом и многими другими минеральными наполнителями приводит к значительному снижению усадки полимерной композиции. Если предположить, что усадочные напряжения зависят только от усадочных деформаций, то введение минеральных наполнителей должно было бы повлечь резкое снижение усадочных напряжений. Однако такое предположение не учитывает соответствующего повышения модуля упругости и более жестких адгезионных связей вследствие образования упорядоченных надмолекулярных структур.
С увеличением степени наполнения модуль упругости увеличивается значительно быстрее, чем снижается усадка. Так, для наполненных систем, содержащих 300% по массе наполнителя, усадка по сравнению с ненаполненной системой снизилась примерно в 2 раза, а модуль упругости увеличился в 4—5 раз.
Максимальное значение адгезионных связей и когезиоиной прочности полимера обусловливаются минимальным значением усадочных напряжений. Следовательно, одним из путей получения высокопрочных, надежных и долговечных полимерных композиций является изыскание возможных способов снижения временных и остаточных усадочных напряжений.
Эффективный и сравнительно простой способ снижения усадочных внутренних напряжений — введение в состав полимерной композиции ПАВ. При этом оптимальное количество ПАВ не только существенно снижает внутренние усадочные напряжения, но и приводит к увеличению прочности.
Введение в состав полимерных композиций сравнительно небольших количеств катионактивных ПАВ снижает временные внутренние напряжения в 4—5 раз и повышает прочность при разрыве на 30—60%.
Данные показывают, что наиболее активным ПАВ для исследуемых мастик является катапин Б-300 и менее активным — катапин БПВ. Алкамон ОС-2 занимает промежуточное положение. Так как полимербетон представляет собой более сложную композицию, то его прочность на сжатие при введении оптимального количества Б-300 увеличивается менее значительно — на 25—30%.
Следует отметить, что при исследовании влияния ПАВ на усадочные внутренние напряжения не обращалось должного внимания на эти продукты с точки зрения их действия на пластифицирующие свойства, которые они оказывают на полимербетонную смесь в процессе ее приготовления. Работы, выполненные в последнее время, показали, что многие ПАВ являются хорошими суперпластификаторами и для полимербетонных смесей.
Экспериментальные исследования полимербетонов позволили установить общие закономерности развития суммарных усадочных напряжений, возникающих в процессе отверждения, определить их значения в зависимости от составов полимербетона и дать рекомендации по снижению усадочных напряжений при сохранении или даже улучшении их физико-механических свойств.
Для полимербетонов на полиэфирных смолах максимальная усадка составляет 3—4 мм/м, а для полимербетонов ФАМ — 1—2 мм/м.