Особенности серных композиционных материалов используемых для специальных строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз

Особенности серных композиционных материалов используемых для специальных строительных конструкций

Карабаев Н.Т., Нурпеисов С.К, Баялиева Г.М.

Разработка новых композиционных материалов, стойких к климатическим, биологическим, производственно-химическим и другим агрессивным воздействиям, прочных и надёжных в эксплуатации, представляет важнейшую научно-техническую проблему. Большую роль в создании таких материалов играет использование промышленных отходов, в том числе фосфорных шлаков, а также попутной серы от переработки нефти и газа, накапливающихся на территории Казахстана.

Известна эффективность использования фосфорных шлаков как компонента мастик, бетонов, а техногенной серы в качестве связующего. Однако сочетание этих компонентов в одном материале - в серном бетоне ещё практически мало реализовано, а свойства недостаточно изучены. Между тем, перспективность использования серы в качестве связующего прогрессивно возрастает, особенно в технологии нового материала - полимерсерного бетона, обладающего многими преимуществами перед традиционными бетонами - цементными, шлакощелочными и др.

В настоящее время работы по созданию новых композиционных материалов, способных длительное время эксплуатироваться в условиях воздействия промышленных, климатических и других видов агрессивных сред, актуальны и несомненно, являются одной из перспективных направлений. Но на сегодняшний день они не нашли еще должного развития.

Работы в этом направлении за рубежом ведутся давно Meyer B., Powell R.E., Bee W.G., Vroom A.H., Sillivan T.A., Dale J.M., Ludwig A.C., Anani A.A., Halasa A.F., Smidt R.L., Duecher W.W., Cregor R., Hackl A., Shrive H.G. и др.

Одной из эффективных областей применения серных композиционных материалов является использование в технологии получения специальных строительных конструкций.

Благоприятные технологические свойства расплава серы, её гидрофоб-ность, высокая степень адгезии к бетону, способность твердеть при отрицательных температурах послужили основанием для разработки эффективных композиционных составов для омоноличивания и гермитизации бетонных и железобетонных конструкций и сооружений [1].

Известно, что затраты на переработку техногенного сырья в 2...3 раза ниже, чем строительство предприятий, включающих добычу минерального сырья. Поэтому их использование для производства строительных материалов, естественно с предварительным обезвреживанием позволяет достичь не только экономического, но и экологического эффекта.

Применение фосфорных шлаков в серных бетонах и мастиках в качестве заполнителя и активного наполнителя, а также некондиционного сырья Жамбылской области на основе Тенгизской серы является новым направлением в технологии, бетоноведении и методологии исследований структуры строительных материалов.

Соотношение между серой и наполнителем при максимальной прочности состава, как показали результаты исследований, для наполнителя с удельной поверхностью 4880 см²/г находится в пределах 1:1, с удельной поверхностью 2600 см²/г - 1:2,5, а 735 см²/г - 1:3,5.

При выборе технологических параметров приготовления мастики была принята температура, равная 150°С при которой наблюдается минимальная вязкость расплава серы. Наполнение расплава серы приводит к повышению вязкости, затрудняет процесс перемешивания и ухудшает удобоукладываемость смеси [2].

При небольшом содержании наполнителей (10 %) около частиц наполнителя обнаруживается ориентированная и более напряженная структура. При этом максимальные напряжения обнаруживаются в слоях, примыкающих к поверхности наполнителя. С увеличением центров структурообразования размер ориентированных серных структур уменьшается и приближается к размерам частиц наполнителя.

Закономерности в изменении свойств связующих на основе серы в присутствии активных наполнителей являются общими и существенно зависят от концентрации наполнителя.

Таким образом, физико-механические и химические свойства полимер-серных мастик можно изменять в широких пределах путем направленного изменения морфологии надмолекулярных структур и степени завершенности пространственной сшивки полимерсерного связующего.

Прочностные свойства мастик, образцы которых изготовлялись аналогично мастикам на основе техногенных отходов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Прочность мастик на основе фосфорного шлака

Необходимо отметить о том, что одним из недостатков бетона на основе серы является его низкая огнестойкость. Снижение горючести бетона достигается введением в расплав антипиренов, выбор которых зависит от их термической совместимости с серой, антикоррозионности с металлом и заполнителями, экономической доступности и нетоксичности. К ним относятся - гексабромбутена, полифтор содержащих фосфидов и фосфатов, пятихлористого фосфора и др. Эффективность введения антипиренов обусловливает также и модификацию серных бетонов. Так, в НИИЖБе получен огнестойкий, высокопрочный (R_b = 65…75; R_btb = 10…18 МПа), диэлектрический серный бетон при введении до 0,5% от массы смеси хлорпарафина ХП-1100.

Экспериментально установлено, что клеящие мастики с оптимальными свойствами могут получены при дисперсности наполнителя в пределах 3000…5000 см²/г. Оптимальная степень наполнения мастик образуется практически при наиболее плотной упаковке наполнителей. При этом на границе раздела фаз образуются упорядоченные ориентированные структуры серы, со стоящи е и з надмолекулярных образований, которые в зависимости от ко -валентной связи сера - наполнитель и надмолекулярных морфологии и определяют основные свойства микроструктуры клеящей мастики [3].

Оптимальное соотношение между расплавами серы и наполнителем определяется исходными свойствами этих материалов и влияет как на прочность, так и на клеящую способность мастичной части.

Наполнитель может быть охарактеризован следующими свойствами: размерами зерна, формой зерна. Эти свойства определяют такими показателями, как удельная поверхность наполнителя и пустотность.

При изготовлении образцов мастик оптимальных составов наблюдалась наилучшая связность и удобоукладываемость горячей смеси. Приготовление образцов мастик составов с меньшей и большей, чем оптимальная степенью наполнения характеризовалось: в первом случае повышенной текучестью и несвязностью, во втором - повышенной вязкостью и плохой удобоукладываемостью смеси [4]. фосфорный шлак бетон мастика

Максимальной прочности мастики отвечает оптимальная упаковка частиц наполнителя. Причем при меньшей степени измельчения для обеспечения максимума прочности и, соответственно, получения плотной структуры, необходимо больше серы, чем при более высокой степени измельчения. Это объясняется тем, что коэффициент упаковки микрочастиц наполнителя с S_н=3075 cм²/г низкий, т.к. текстура поверхности частиц шероховатая, а гранулометрия не является непрерывной, обеспечивающей максимально плотную упаковку. Дальнейшее измельчения наполнителя приводит к образованию более непрерывной гранулометрии частиц, имеющих округленную форму. Такие частицы можно упаковать с коэффициентом упаковки значительно большим, чем при S_н=3075 см²/г и поэтому расход серы для обеспечения максимальной прочности мастик ниже.

Сопоставляя прочность и структуру мастик с различным уровнем измельчения наполнителя установлено, что оптимальным составом по прочности является состав с S=5100 см²/г при соотношении сера : наполнитель 1:2. Однако, последующее исследование деформаций набухания показало, что минимальная деформация наблюдалась у мастик состава 1:1,5 при S_н=3075 см²/г.

Зная закономерность изменения прочности мастики в зависимости от степени наполнения и удельную поверхность наполнителя по аналогии с полимербетонами, приводится расчетная формула для определения толщины серной пленки вокруг частицы наполнителя:

S_Нm_Н S_Н m_Н r_S

где: V_s - объем серы, см³; S_н - удельная поверхность наполнителей, см²/г; m_н - масса наполнителя, г; m_s - масса серы, г; r_s - плотность серы, г/см³.

Таким образом, анализ показывает, что прочность конгломерата является функцией огромного количества переменных величин, учесть влияние которых в их полном комплексе практически не представляется в системе уравнений, раскрывающей эту общую функциональную зависимость. Неизбежно вводимые эмпирические коэффициенты, отражающие влияние отдельных факторов, не в состоянии охватить многообразие их возможных отклонений, поэтому теоретически е исследования закономерности «прочность конгломерата - факторы, от которых она зависит» проводится в тесном контакте с экспериментальными. В получаемых зависимостях отражаются определенные интегральные значения наиболее узких и однородных групп факторов, влияющих на прочность конгломерата или характеристики его отдельных структурных элементов.

Таблица 2. Оптимальные составы полимерсерного бетона

Разработанные составы конгломератов, испытанные на прочность, показали следующие значения: ПСБ - прочность при сжатии 45 МПа, при изгибе 13 МПа.

Литература

Оспанова М.Ш., Карабаев Н.Т., Нурпеисов С.К. Композиции на основе серосодержащих отходов. // В кн.: Проблемы экологии агропромышленном комплексе и охрана окружающей среды. - Алматы: Бастау, 1998. - часть 2. - С. 147.

Орловский Ю.И. Полимерсерные бетоны // Применение серы и серосодержащих отходов в строительной индустрии. - Тезисы докладов I всесоюзной конференции - Львов, 1990. - С. 3-5.

Сулейменов Ж.Т., Оспанова М.Ш., Карабаев Н.Т., Игликов А.А. Применение отходов химической промышленности для изготовления серных мастик //Строительство. - Новосибирск, - 2002. - № 3 -С. 45-47.

Мацарин И.А. Плиты из серных композиционных материалов // Строительные материалы и конструкции. - 1988. - №3. - С. 11-12.

Размещено на Allbest.ru