Введение
Эпоксидные смолы широко применяются в сфере укрепления и ремонта зданий благодаря своим превосходным адгезионным свойствам, механическим характеристикам и химической коррозионной стойкости. В частности, эпоксидная смола применяется для заделки трещин и восстановления поверхностей при реставрации бетонных конструкций, эффективно восстанавливая их целостность и долговечность. Однако чистая эпоксидная смола подвергается определенному изменению длины в процессе отверждения и в условиях повышенной температуры. Если её коэффициент теплового расширения значительно отличается от коэффициента бетонного основания, при перепадах температур на границе раздела фаз могут возникать внутренние напряжения, что в дальнейшем приведёт к отслоению или образованию вторичных трещин и, в конечном итоге, негативно повлияет на эффективность ремонта и долгосрочную стабильность [1].
Для повышения стабильности размеров эпоксидных смол в матрицу смолы часто вводят неорганические наполнители с целью снижения их коэффициента теплового расширения. Будучи полыми, легкими неорганическими наполнителями микронного размера, стеклянные шарики обладают низким коэффициентом теплового расширения, высокой удельной прочностью и хорошей текучестью [2]. Они не только снижают коэффициент теплового расширения композитного материала, но и в определенной степени уменьшают собственный вес ремонтного материала, что делает их как практичными, так и экономичными.
В данном эксперименте в качестве образцов использовались эпоксидные смолы, применяемые для ремонта трещин в строительстве, с феноламидом в качестве отвердителя, дополненного карданолом (C) и диэтилентриамином (D) для формирования композитной системы ускорителей отверждения (рис. 1). Путем добавления стеклянных шариков (GB) с различными массовыми долями (0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 %) в смолу (коэффициент добавления рассчитывается как процент от массы эпоксидной смолы) было изучено влияние их содержания на средний коэффициент теплового расширения эпоксидной смолы. В качестве испытательного оборудования в данном эксперименте использовался термомеханический анализатор NETZSCH TMA 402 F1 (оснащённый печью из нержавеющей стали).
Условия эксперимента
Условия измерения подробно изложены в таблице 1.
Таблица 1: Условия эксперимента
| Прибор | TMA 402 F1 Hyperion® |
| Размер образца | Параллелепипед, прибл. 10 мм × 10 мм × 25 мм |
| Скорость нагрева | 5 К/мин |
| Статическое усилие | 50 мН |
| Держатель образца | Держатель для сжатия из плавленого кварца |
| Диапазон температур | от -50 до 150 °C |
| Атмосфера | Инертный газ (70 мл/мин) |
Результаты измерений и обсуждение
На рисунке 2 представлены кривые dL/L0 второго прогона для образцов отвержденной эпоксидной смолы с различным содержанием GB. В таблице 2 приведены температура стеклования (Tg) и средний коэффициент теплового расширения (mCTE) каждого образца в различных температурных диапазонах.
Как показано в таблице 2,Tg эпоксидной смолы незначительно снижается с увеличением содержания GB. Контрольный образец (№ 1) демонстрируетTg равную 60,8 °C; при содержании GB 2,0 %Tg достигает 57,9 °C, что соответствует снижению на 2,9 °C. Это незначительное снижение объясняется разрушением сшивающей сети и увеличением свободного объема на границе раздела фаз [3], а также наличием следов влаги и остаточных добавок, которые незначительно затрудняют отверждение [4].
Таблица 2:Tg и mCTE образцов эпоксидной смолы с различным содержанием GB
| № образца | Содержание стеклянных шариков (масс. %) | Tg (°C) | mCTE (10⁻⁶ 1/K) | |
| от -40 до 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 |
В стеклообразном состоянии (от -40 °C до 0 °C) mCTE уменьшается с 84,49 × 10⁻⁶ К⁻¹ до 81,29 × 10⁻⁶ К⁻¹ по мере увеличения содержания граничных зон от 0 до 2,0 %, что соответствует снижению на 3,8 %. Это указывает на то, что жёсткие граничные слои сдерживают тепловое расширение даже тогда, когда температура матрицы нижеTg. В резинообразном состоянии (от 100 °C до 150 °C) чистая эпоксидная смола демонстрирует mCTE, равный 202,65 × 10⁻⁶ K⁻¹ (≈ 2,4 раза больше, чем в стеклообразном состоянии). Добавление 2,0 % граничных зон (GB) снижает это значение до 192,42 × 10⁻⁶ К⁻¹ (снижение на 5,1 %), что подтверждает более выраженный эффект ограничения в резинообразном состоянии.
Во всем исследуемом диапазоне температур mCTE отрицательно коррелирует с содержанием GB, что согласуется с данными литературы [5].
Заключение
На основании результатов испытаний образцов, полученных с помощью прибора TMA 402 F1 , можно точно охарактеризовать термические свойства композитов. Добавление стеклянных шариков значительно снижает коэффициент теплового расширения эпоксидной смолы, улучшает термическую совместимость с бетонными основаниями и снижает риск отслоения и растрескивания, вызванных перепадами температур, что обеспечивает экспериментальную основу для оптимизации рецептуры материалов для ремонта бетона.