مقدمة
تُستخدم راتنجات الإيبوكسي على نطاق واسع في مجال تقوية المباني وإصلاحها بفضل قوة التصاقها الممتازة وخصائصها الميكانيكية ومقاومتها للتآكل الكيميائي. وعلى وجه الخصوص، تُستخدم راتنجات الإيبوكسي في حشو الشقوق وإصلاح الأسطح عند ترميم الهياكل الخرسانية، مما يعيد بشكل فعال سلامتها ومتانتها. ومع ذلك، تتعرض راتنجات الإيبوكسي النقية لدرجة معينة من التغير في الطول أثناء عملية المعالجة وفي البيئات الساخنة. وإذا اختلف معامل التمدد الحراري للراتنج اختلافًا كبيرًا عن معامل التمدد الحراري للركيزة الخرسانية، فمن المحتمل أن تنشأ إجهادات داخلية عند السطح البيني أثناء التغيرات في درجات الحرارة، مما يؤدي بدوره إلى انفصال الطبقة أو حدوث تشققات ثانوية، ويؤثر في النهاية على فعالية الإصلاح والاستقرار على المدى الطويل [1].
ولتحسين الاستقرار الأبعادي لراتنجات الإيبوكسي، غالبًا ما تُضاف مواد حشو غير عضوية إلى مصفوفة الراتنج لتقليل معامل تمددها الحراري. باعتبارها مادة مالئة غير عضوية مجوفة وخفيفة الوزن بحجم الميكرون، تتميز حبيبات الزجاج بمعامل تمدد حراري منخفض وقوة نوعية عالية وانسيابية جيدة [2]. فهي لا تقلل معامل التمدد الحراري للمادة المركبة فحسب، بل تقلل أيضًا الوزن الذاتي لمادة الإصلاح إلى حد ما، مما يجعلها عملية واقتصادية في آن واحد.
وكانت العينات المستخدمة في هذه التجربة عبارة عن راتنجات إيبوكسي تُستخدم لإصلاح تشققات المباني، مع استخدام أميد الفينول كعامل معالجة، مع إضافة الكاردانول (C) وديإيثيلين تريامين (D) لتشكيل نظام مُسرع معالجة مركب (الشكل 1). من خلال إضافة حبيبات زجاجية (GB) بنسب كتلة مختلفة (0٪، 0.5٪، 1٪، 1.5٪، 2٪) إلى الراتنج (تُحسب نسبة الإضافة كنسبة مئوية من كتلة راتنج الإيبوكسي)، تمت دراسة تأثير محتواها على متوسط معامل التمدد الحراري لراتنج الإيبوكسي. وكانت أداة الاختبار المستخدمة في هذه التجربة هي محلل حراري ميكانيكي من طراز TMA 402 F1 من شركة NETZSCH (مزود بفرن من الفولاذ المقاوم للصدأ).
الشروط التجريبية
ترد تفاصيل شروط القياس في الجدول 1.
الجدول 1: الشروط التجريبية
| الجهاز | TMA 402 F1 Hyperion® |
| حجم العينة | مكعب، حوالي 10 مم × 10 مم × 25 مم |
| معدل التسخين | 5 كلفن/دقيقة |
| القوة الساكنة | 50 ميلينيوتن |
| حامل العينة | حامل ضغط من السيليكا المذابة |
| نطاق درجة الحرارة | -50 - 150 درجة مئوية |
| البيئة | غاز خامل (70 مل/دقيقة) |
نتائج القياس والمناقشة
يوضح الشكل 2 منحنيات dL/L0 للدورة الثانية لعينات راتنج الإيبوكسي المُعالج ذات محتويات مختلفة من GB. ويلخص الجدول 2 درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) ومعامل التمدد الحراري المتوسط (mCTE) لكل عينة في نطاقات حرارية مختلفة.
وكما هو موضح في الجدول 2، تنخفضدرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) لراتنج الإيبوكسي انخفاضًا طفيفًا مع زيادة نسبة محتوى مادة GB. تُظهر العينة الفارغة (1#) درجةحرارة انتقال زجاجي تبلغ 60.8 درجة مئوية؛ وعند نسبة 2.0٪ من مادة GB، تصل درجةحرارة الانتقال الزجاجي إلى 57.9 درجة مئوية، بانخفاض قدره 2.9 درجة مئوية. ويُعزى هذا الانخفاض الطفيف إلى اضطراب شبكة الروابط المتشابكة وزيادة الحجم الحر عند السطح البيني [3]، بالإضافة إلى الرطوبة النزرة والمواد المضافة المتبقية التي تثبط عملية المعالجة بشكل هامشي [4].
الجدول 2: درجة الحرارة الزجاجية (Tg) ومعدل التغير في السعة الحرارية (mCTE) لعينات راتنج الإيبوكسي ذات محتويات مختلفة من GB
| رقم العينة | محتوى حبيبات الزجاج (بالنسبة المئوية من الوزن) | Tg (درجة مئوية) | mCTE (10⁻⁶ 1/K) | |
| -40 - 0 درجة مئوية | 100 - 150 درجة مئوية | |||
| 1 | 0 | 60.8 | 84.49 | 202.65 |
| 2 | 0.5 | 60.1 | 82.58 | 202.27 |
| 3 | 1.0 | 59.8 | 82.43 | 200.14 |
| 4 | 1.5 | 58.3 | 81.47 | 194.05 |
| 5 | 2.0 | 57.9 | 81.29 | 192.42 |
في الحالة الزجاجية (من -40 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية)، ينخفض معامل التمدد الحراري المتوسط (mCTE) من 84.49 ×10⁻⁶ كلفن⁻¹ إلى 81.29 ×10⁻⁶ كلفن⁻¹ مع زيادة محتوى الحدود البينية (GB) من 0 إلى 2.0٪، وهو ما يعادل انخفاضًا بنسبة 3.8٪. وهذا يشير إلى أن مركبات GB الصلبة تحد من التمدد الحراري حتى عندما تكون المصفوفة دون درجة حرارةالتحول الزجاجي (Tg). في الحالة المطاطية (من 100 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية)، يُظهر الإيبوكسي النقي معامل تمدد حراري متوسط (mCTE) يبلغ 202.65 × 10⁻⁶ كلفن⁻¹ (≈ 2.4 ضعف القيمة الزجاجية). تؤدي إضافة 2.0٪ من GB إلى خفض هذه القيمة إلى 192.42 ×10⁻⁶ K⁻¹ (انخفاض بنسبة 5.1٪)، مما يؤكد وجود تأثير تقييدي أكثر وضوحًا في الحالة المطاطية.
وعبر نطاق درجات الحرارة الذي تمت دراسته، يرتبط معامل التمدد الحراري المتوسط (mCTE) ارتباطًا عكسيًّا بمحتوى GB، وهو ما يتوافق مع النتائج الواردة في الأدبيات [5].
الخلاصة
استنادًا إلى نتائج الاختبارات التي أُجريت على العينات باستخدام جهاز TMA 402 F1 ، يمكن تحديد الخصائص الحرارية للمواد المركبة بدقة. تؤدي إضافة حبيبات الزجاج إلى خفض معامل التمدد الحراري لراتنج الإيبوكسي بشكل ملحوظ، وتعزز التوافق الحراري مع الركائز الخرسانية، وتقلل من خطر انفصال الطبقات والتشقق الناجم عن التغيرات في درجات الحرارة، مما يوفر أساسًا تجريبيًا لتحسين تركيبة مواد إصلاح الخرسانة.