Wprowadzenie
Żywice epoksydowe znajdują szerokie zastosowanie w dziedzinie wzmacniania i naprawy konstrukcji budowlanych ze względu na ich doskonałą przyczepność, właściwości mechaniczne oraz odporność na korozję chemiczną. W szczególności żywica epoksydowa jest stosowana do wypełniania pęknięć i naprawy powierzchni podczas renowacji konstrukcji betonowych, skutecznie przywracając ich integralność i trwałość. Jednak czysta żywica epoksydowa ulega pewnej zmianie długości podczas procesu utwardzania oraz w środowiskach o podwyższonej temperaturze. Jeśli jej współczynnik rozszerzalności cieplnej znacznie różni się od współczynnika podłoża betonowego, podczas zmian temperatury na styku materiałów mogą powstawać naprężenia wewnętrzne, co z kolei może prowadzić do odklejenia lub powstawania wtórnych pęknięć, a ostatecznie wpłynąć na skuteczność naprawy i długoterminową stabilność [1].
Aby poprawić stabilność wymiarową żywic epoksydowych, do matrycy żywicy często dodaje się wypełniacze nieorganiczne w celu zmniejszenia ich współczynnika rozszerzalności cieplnej. Jako puste w środku, lekkie wypełniacze nieorganiczne o wielkości mikronów, kulki szklane charakteryzują się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, wysoką wytrzymałością właściwą oraz dobrą płynnością [2]. Nie tylko mogą one zmniejszyć współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału kompozytowego, ale także w pewnym stopniu zmniejszyć masę własną materiału naprawczego, co czyni je zarówno praktycznymi, jak i ekonomicznymi.
Próbkami wykorzystanymi w tym eksperymencie były żywice epoksydowe stosowane do naprawy pęknięć budowlanych, w których jako środek utwardzający zastosowano amid fenolowy, uzupełniony kardanolą (C) i dietylenotriaminą (D) w celu utworzenia kompozytowego systemu przyspieszaczy utwardzania (rysunek 1). Poprzez dodanie do żywicy kulek szklanych (GB) o różnych ułamkach masowych (0%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2%) (stosunek dodania obliczono jako procent masy żywicy epoksydowej), zbadano wpływ ich zawartości na średni współczynnik rozszerzalności cieplnej żywicy epoksydowej. Urządzeniem badawczym wykorzystanym w tym eksperymencie był analizator termomechaniczny NETZSCH TMA 402 F1 (wyposażony w piec ze stali nierdzewnej).
Warunki eksperymentalne
Warunki pomiaru przedstawiono szczegółowo w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki eksperymentalne
| Urządzenie | TMA 402 F1 Hyperion® |
| Wielkość próbki | Prostokątny, ok. 10 mm x 10 mm x 25 mm |
| Szybkość ogrzewania | 5 K/min |
| Siła statyczna | 50 mN |
| Uchwyt próbki | Uchwyt ściskający z krzemionki topionej |
| Zakres temperatur | -50 – 150°C |
| Atmosfera | Gaz obojętny (70 ml/min) |
Wyniki pomiarów i omówienie
Rysunek 2 przedstawia krzywe dL/L0 z drugiego pomiaru dla próbek utwardzonej żywicy epoksydowej o różnej zawartości GB. Tabela 2 zawiera zestawienie temperatury zeszklenia (Tg) oraz średniego współczynnika rozszerzalności cieplnej (mCTE) dla każdej próbki w różnych zakresach temperatur.
Jak pokazano w tabeli 2,Tg żywicy epoksydowej nieznacznie maleje wraz ze wzrostem zawartości GB. Próbka kontrolna (nr 1) wykazujeTg wynoszącą 60,8°C; przy zawartości GB wynoszącej 2,0%Tg osiąga 57,9°C, co stanowi spadek o 2,9°C. Ten nieznaczny spadek przypisuje się zaburzeniu sieci sieciowania i zwiększonej objętości wolnej na granicy faz [3], a także śladowej wilgoci i resztkowym dodatkom, które w niewielkim stopniu hamują Utwardzanie (reakcje sieciowania)W dosłownym tłumaczeniu termin "sieciowanie" oznacza "tworzenie sieci". W kontekście chemicznym stosuje się go do reakcji, w których cząsteczki są łączone ze sobą poprzez wprowadzenie wiązań kowalencyjnych i tworzenie trójwymiarowych sieci. utwardzanie [4].
Tabela 2:Tg i mCTE próbek żywicy epoksydowej o różnej zawartości GB
| Nr próbki | Zawartość kulek szklanych (wt-%) | 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 |
W stanie szklistym (od -40°C do 0°C) mCTE zmniejsza się z 84,49 × 10⁻⁶ K⁻¹ do 81,29 × 10⁻⁶ K⁻¹ wraz ze wzrostem zawartości GB z 0 do 2,0%, co odpowiada spadkowi o 3,8%. Wskazuje to, że sztywne cząstki GB ograniczają rozszerzalność cieplną nawet wtedy, gdy matryca znajduje się poniżej temperaturyTg. W stanie gumowym (od 100°C do 150°C) czysta żywica epoksydowa wykazuje mCTE wynoszące 202,65 × 10⁻⁶ K⁻¹ (≈ 2,4-krotność wartości w stanie szklistym). Dodanie 2,0 % GB zmniejsza tę wartość do 192,42 × 10⁻⁶ K⁻¹ (zmniejszenie o 5,1 %), co potwierdza bardziej wyraźny efekt ograniczający w stanie gumowym.
W całym badanym zakresie temperatur mCTE wykazuje ujemną korelację z zawartością GB, co jest zgodne z wynikami z literatury [5].
Wnioski
Na podstawie wyników badań próbek uzyskanych przy użyciu urządzenia TMA 402 F1 można precyzyjnie scharakteryzować zachowanie termiczne kompozytów. Dodanie kulek szklanych znacznie zmniejsza współczynnik rozszerzalności cieplnej żywicy epoksydowej, poprawia dopasowanie termiczne do podłoży betonowych oraz zmniejsza ryzyko odklejenia się i pękania spowodowanego zmianami temperatury, zapewniając podstawę eksperymentalną do optymalizacji receptur materiałów do naprawy betonu.