Johdanto
Epoksihartseja on käytetty laajalti rakennusten vahvistamisessa ja korjaamisessa niiden erinomaisen tarttuvuuden, mekaanisten ominaisuuksien ja kemiallisen korroosionkestävyyden ansiosta. Erityisesti epoksihartsia käytetään halkeamien täyttämiseen ja pintojen korjaamiseen betonirakenteiden kunnostuksessa, jolloin niiden eheys ja kestävyys palautuvat tehokkaasti. Puhdas epoksihartsi kuitenkin muuttuu pituussuunnassa jonkin verran kovettumisprosessin aikana ja kuumissa ympäristöissä. Jos sen lämpölaajenemiskerroin eroaa huomattavasti betonialustan kerroimesta, rajapintaan syntyy todennäköisesti sisäisiä jännityksiä lämpötilan muuttuessa, mikä puolestaan johtaa irtoamiseen tai toissijaisten halkeamien syntymiseen ja vaikuttaa lopulta korjauksen tehokkuuteen ja pitkän aikavälin vakauteen [1].
Epoksihartsien mittavakauden parantamiseksi hartsimatriisiin lisätään usein epäorgaanisia täyteaineita niiden lämpölaajenemiskertoimen pienentämiseksi. Lasikuulat ovat onttoja, kevyitä ja mikronikokoisia epäorgaanisia täyteaineita, joilla on alhainen lämpölaajenemiskerroin, suuri ominaislujuus ja hyvä juoksevuus [2]. Ne voivat paitsi vähentää komposiittimateriaalin lämpölaajenemiskerrointa myös keventää korjausmateriaalin omaa painoa jossain määrin, mikä tekee niistä sekä käytännöllisiä että taloudellisia.
Tässä kokeessa käytetyt näytteet olivat rakennusten halkeamien korjaamiseen käytettyjä epoksihartseja, joissa kovettimena oli fenoliamidi ja joita oli täydennetty kardanolilla (C) ja dietyleenitriamiinilla (D) komposiittisen kovettumisen kiihdytinjärjestelmän muodostamiseksi (kuva 1). Lisäämällä hartsiin lasihelmiä (GB) eri massajakeilla (0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 %) (lisäyssuhde on laskettu epoksihartsin massan prosenttiosuutena) tutkittiin niiden pitoisuuden vaikutusta epoksihartsin keskimääräiseen lämpölaajenemiskertoimeen. Kokeessa käytetty laite oli NETZSCH TMA 402 F1 -termomekaaninen analysaattori (varustettu ruostumattomasta teräksestä valmistetulla uunilla).
Koeolosuhteet
Mittausolosuhteet on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1: Koeolosuhteet
| Laite | TMA 402 F1 Hyperion® |
| Näytteen koko | Suorakulmainen, noin 10 mm x 10 mm x 25 mm |
| Lämmitysnopeus | 5 K/min |
| Staattinen voima | 50 mN |
| Näytteen pidike | Sulapihkakivestä valmistettu puristusteline |
| Lämpötila-alue | –50 – 150 °C |
| Ilmakehä | Inerttikaasu (70 ml/min) |
Mittaustulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään eri GB-pitoisuuksilla kovetettujen epoksihartsinäytteiden toisen mittauskierroksen dL/L0-käyrät. Taulukossa 2 on koottu yhteen kunkin näytteen lasittumislämpötila (Tg) ja keskimääräinen lämpölaajenemiskerroin (mCTE) eri lämpötila-alueilla.
Kuten taulukosta 2 käy ilmi, epoksihartsinTg laskee hieman GB-pitoisuuden kasvaessa. Vertailunäytteen (1#)Tg on 60,8 °C; 2,0 %:n GB-pitoisuudellaTg on 57,9 °C, mikä tarkoittaa 2,9 °C:n laskua. Tämä vähäinen lasku johtuu silloitusverkoston hajoamisesta ja rajapinnan vapaan tilavuuden kasvusta [3] sekä jäljellä olevasta kosteudesta ja lisäainejäännöksistä, jotka estävät kovettumista hieman [4].
Taulukko 2: Erilaisilla GB-pitoisuuksilla varustettujen epoksihartsinäytteidenTg- ja mCTE-arvot
| Näytteen numero | Lasikuulapitoisuus (paino-%) | Tg (°C) | mCTE (10⁻⁶ 1/K) | |
| -40 – 0 °C | 100–150 °C | |||
| 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 |
Lasimaisessa tilassa (-40 °C – 0 °C) mCTE pienenee arvosta 84,49 × 10⁻⁶ K⁻¹ arvoon 81,29 × 10⁻⁶ K⁻¹, kun GB-pitoisuus kasvaa 0:sta 2,0 %:iin, mikä vastaa 3,8 %:n pienenemistä. Tämä osoittaa, että jäykät GB:t rajoittavat lämpölaajenemista silloinkin, kun matriisi onTg:n alapuolella. Kumimaisessa tilassa (100 °C – 150 °C) puhdas epoksi osoittaa mCTE-arvon 202,65 × 10⁻⁶ K⁻¹ (≈ 2,4-kertainen lasimaiseen tilaan verrattuna). 2,0 %:n GB-lisäys alentaa tämän arvon 192,42 × 10⁻⁶ K⁻¹:een (5,1 %:n lasku), mikä vahvistaa rajoittavan vaikutuksen olevan voimakkaampi kumimaisessa tilassa.
Tutkittavalla lämpötila-alueella mCTE korreloi negatiivisesti GB-pitoisuuden kanssa, mikä on yhdenmukaista kirjallisuudessa esitettyjen havaintojen kanssa [5].
Johtopäätös
TMA 402 -menetelmällä ( F1 ) saatujen näytetestitulosten perusteella komposiittien lämpökäyttäytymistä voidaan luonnehtia tarkasti. Lasikuulien lisääminen pienentää merkittävästi epoksihartsin lämpölaajenemiskerrointa, parantaa lämpösopivuutta betonipohjien kanssa ja vähentää lämpötilan muutosten aiheuttaman irtoamisen ja halkeilun riskiä, mikä tarjoaa kokeellisen perustan betonin korjausmateriaalien koostumuksen optimoinnille.