rola polimerów w kształtowaniu włas´ciwos´ci spoiw i kompozytów

rola polimerów w kształtowaniu włas´ciwos´ci spoiw i kompozytów

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 148
Budownictwo
2008
Paweł Łukowski
Wydział Inżynierii La˛dowej
ROLA POLIMERÓW W KSZTAŁTOWANIU
WŁAŚCIWOŚCI SPOIW I KOMPOZYTÓW
POLIMEROWO-CEMENTOWYCH
Re˛kopis dostarczono 08.11.2007 r.
Przedmiotem pracy sa˛ spoiwa polimerowo-cementowe, stanowia˛ce matryce˛ zapraw
i betonów PCC (ang. polymer-cement concrete). Kompozyty polimerowo-cementowe przewyższaja˛ zwykłe betony i zaprawy cementowe pod wzgle˛dem takich cech, jak wytrzymałość na
zginanie i rozcia˛ganie, przyczepność do różnych podłoży i odporność na niektóre czynniki
zewne˛trzne.
Podstawowe zależności dotycza˛ce materiałów polimerowo-cementowych przedstawiono
w układzie: składniki−struktura−właściwości−zastosowanie. Takie uje˛cie miało na celu uporza˛dkowanie prezentowanego w pracy stanu wiedzy w zakresie spoiw polimerowo-cementowych i otrzymywanych z ich udziałem tworzyw; wiele spośród omawianych zagadnień zostało
przedstawionych na podstawie wyników badań prowadzonych przez autora, w tym we współpracy z ośrodkami zagranicznymi. Analiza stanu wiedzy stanowiła punkt wyjścia opracowania
przez autora rozwia˛zań naste˛puja˛cych, dotychczas nierozstrzygnie˛tych zagadnień:
problemu progu cia˛głości fazy polimerowej w spoiwie polimerowo-cementowym,
kształtowania sie˛ mikrostruktury PCC w przypadku modyfikatorów typu post-mix,
wpływu warunków dojrzewania na właściwości tworzywa polimerowo-cementowego,
modelu materiałowego PCC (zależność skład właściwości),
ilościowej oceny wpływu na właściwości kompozytu poszczególnych składników spoiwa
polimerowo-cementowego oraz ich współdziałania, tj. efektów synergicznych,
zastosowania modelu materiałowego do projektowania składu i oceny użyteczności PCC,
potwierdzonego uzyskaniem zaprawy polimerowo-cementowej o bardzo wysokiej przyczepności do podłoża.
Podstawowym problemem naukowym, zwia˛zanym z materiałami PCC, jest minimalna
zawartość polimeru, przy której tworzy on w twardnieja˛cej matrycy cia˛gła˛ błonke˛. Jest to
zarazem próg racjonalności ekonomicznej modyfikacji betonu polimerami. Najcze˛ściej przyjmuje sie˛, w uje˛ciu normowym, że próg ten wynosi 5% polimeru w stosunku do masy cementu.
W pracy dokonano weryfikacji progu cia˛głości na podstawie analizy danych eksperymentalnych
oraz uzasadniono jego wartość na podstawie obliczeń i symulacji komputerowych, przeprowadzonych z wykorzystaniem teorii perkolacji.
4
Stosowane w pracy skróty i symbole
Przedstawiono opracowany przez autora model formowania mikrostruktury kompozytu
z modyfikatorem typu post-mix (polimeryzuja˛cym po dodaniu do mieszanki betonowej) na przykładzie kompozytu epoksydowo-cementowego. Model ten jest komplementarny w stosunku do
niedawno opracowanego przez mie˛dzynarodowy zespół ekspertów (A. Beeldens, L. Czarnecki,
Y. Ohama, H. Schorn, D. Van Gemert), zintegrowanego modelu dotycza˛cego kompozytów
z modyfikatorami typu pre-mix (spolimeryzowanymi przed dodaniem do mieszanki betonowej).
Wykazano, że cechy kompozytów polimerowo-cementowych zależa˛ w znacznym stopniu od
warunków dojrzewania. Badania przeprowadzone przez autora pozwoliły na dobór metody
piele˛gnacji, która zapewnia uzyskanie możliwie najlepszych właściwości PCC.
Opracowano statystyczno-eksperymentalny model materiałowy (zależność skład−właściwości) kompozytu polimerowo-cementowego i przeanalizowano istotność statystyczna˛ jego
elementów. W ten sposób oceniono ilościowo udział poszczególnych składników spoiwa polimerowo-cementowego w kształtowaniu właściwości kompozytu, ze szczególnym uwzgle˛dnieniem efektów synergicznych współdziałania składników spoiwa.
Przeprowadzono krytyczna˛ analize˛ znanych metod projektowania materiałowego i oceny
przydatności kompozytów polimerowo-cementowych, w tym rozwinie˛ta˛ przez autora metode˛
uogólnionej użyteczności materiałowej. Postawiono teze˛, iż możliwe jest wnioskowanie o wpływie dodatku polimeru na właściwości kompozytu na podstawie zawartości i rodzaju polimeru,
a zatem możliwe jest racjonalne projektowanie materiałowe kompozytów polimerowo-cementowych. Teze˛ te˛ udowodniono, wykorzystuja˛c opracowany model materiałowy do zaprojektowania zaprawy polimerowo-cementowej o wysokiej przyczepności do podłoża betonowego i korzystnych wartościach innych cech technicznych; uzyskany kompozyt stanowi zapowiedź materiałów nowej generacji, przeznaczonych do napraw betonów wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości.
Słowa kluczowe: spoiwa i kompozyty polimerowo-cementowe, modyfikacja, mikrostruktura,
perkolacja, model materiałowy, efekty synergiczne, optymalizacja.
STOSOWANE W PRACY SKRÓTY I SYMBOLE
ASTM
CC
C-PC
DTA
EP
EPBU
EVA
hcss
PAE
PC
PCC
PIC
PMC
PP
PVA
PVAc
American Standards for Testing and Materials (Amerykańskie Normy Badawcze i
Materiałowe)
cement concrete (beton cementowy)
concrete-polymer composite (kompozyt betonowy modyfikowany polimerem)
differential thermal analysis (termiczna analiza różnicowa)
żywica epoksydowa
żywica epoksydowa stosowana bez utwardzacza
kopolimer octanu winylu z etylenem
hard core/soft shell (twardy rdzeń/mie˛kka otoczka)
ester poliakrylowy (poliakrylan)
polymer concrete (beton żywiczny)
polymer-cement concrete (beton polimerowo-cementowy)
polymer impregnated concrete (beton impregnowany polimerem)
polymer modified concrete (beton modyfikowany polimerem)
polipropylen
polialkohol winylowy
polioctan winylu