Пропитки укрепляющие для бетона: Nothing found for Rabota Zashhita Propitka Dlya Betona 860%23I

Благодаря пропитке поверхности силанами гидрофобная пленка защищает бетон от проникновения воды, что обычно делает гидрофобный слой почти сухим.В этой области происходит очень слабое действие карбонизации, потому что для нейтрализации между газом CO ₂ и гидратом кальция или гелем CSH требуется вода, в то время как этот слой также снижает диффузию влаги в бетоне и, следовательно, делает область за гидрофобным слоем влажной, при этом условии не может происходить и карбонизация. Однако следует отметить, что вывод о том, что пропитка поверхности снижает глубину карбонизации примерно наполовину, был получен при относительной влажности 70% в камере для карбонизации.Если окружающая среда очень сухая, необработанный бетон очень скоро потеряет воду; но в обработанном бетоне скорость высыхания замедляется, и, следовательно, жидкая вода в порах может ускорить процесс карбонизации [31].

4.4. Влияние водоотталкивающей пропитки поверхности на коррозию арматуры

Были измерены потенциал полуячейки (Cu-CuSO ₄ ) и плотность тока коррозии стальной арматуры в железобетоне. Результаты показаны на рисунке 12.Это ясно указывает на то, что образцы бетона без поверхностной пропитки демонстрируют высокий уровень отрицательного потенциала коррозии и плотности тока коррозии, особенно после приблизительно 33 недель периода воздействия. На этом этапе потенциал коррозии составлял около -460 мВ. Согласно стандарту ASTM это означает, что риск коррозии превышает 90% [32]. Плотность тока коррозии составляла около 0,4 ~ 0,5 мк А / см ² , что означает, что стальная арматура начала корродировать, в то время как для бетона с водоотталкивающей поверхностной обработкой и электрический потенциал, и плотность тока коррозии поддерживались намного ниже на протяжении всего периода эксплуатации. период измеряется.Риск коррозии поддерживался на уровне ниже 10% от результатов потенциальной коррозии. Судя по плотности тока коррозии, коррозией можно пренебречь. Это показывает, что на образцах, обработанных водоотталкивающим средством, коррозии не происходило. Следовательно, коррозионная активность может быть значительно снижена путем пропитки поверхности.

5.Выводы

На основании представленных результатов можно сделать следующие выводы.

(1) Когда поверхность бетона с водоотталкивающей пропиткой находится в контакте с водой, проникновение воды в воду отсутствует; но небольшое количество водяного пара все еще абсорбируется и конденсируется в необработанных порах материала. Таким образом, гидрофобный слой толщиной в несколько миллиметров может значительно снизить водопоглощение бетона.

(2) Однако водяной пар не участвует в переносе ионов.Если поры бетона не заполнены водой, диффузия ионов эффективно замедляется. Следовательно, пропитка поверхности силаном обеспечивает эффективный барьер для хлоридов. Как следствие, срок службы бетонной конструкции, подверженной воздействию морской воды или противообледенительной соли, может быть увеличен.

(3) Глубина карбонизации бетона с поверхностной пропиткой может быть уменьшена наполовину при относительной влажности окружающей среды 70% по сравнению с необработанным бетоном.

(4) Пропитка поверхности силанами также обеспечивает эффективную защиту от коррозии арматурной стали в бетоне, контактирующей с раствором хлорида.Чтобы продлить срок службы железобетонных конструкций, можно принять во внимание водоотталкивающую обработку, чтобы снизить риск коррозии стали, при условии надлежащей обработки поверхности, что может быть достигнуто за счет соответствующего нанесения и глубокой пропитки (> 6 мм) [ 33]. Кроме того, необходимо изучить долговечность самой пропитки силаном и ее долговременную остаточную защиту. В этом смысле эффективность защитных мер следует контролировать через регулярные промежутки времени.Если первоначальные требования больше не выполняются, лечение следует повторить.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Финансовая поддержка текущих проектов Национальным фондом естественных наук Китая (51420105015, 51278260), Программой фундаментальных исследований Китая (2015CB655100) и 111 Project выражается с благодарностью.

(PDF) Водоотталкивающая пропитка поверхности для продления срока службы железобетонных конструкций в морских условиях: роль трещин

, соотношение цемента бетонного основания, начальная влажность

и подготовка поверхности бетонного основания [ 5–12].В последнем случае

продукт реакции может блокировать поры, что приводит к умеренному упрочнению

, но глубина проникновения обычно минимальна —

мала, за исключением случаев, когда бетон чрезвычайно пористый [2].

До настоящего времени результаты испытаний на эффективность пропитанного силикатом натрия

бетона ограничены, и поэтому мало что известно о его влиянии на проникновение углекислого газа или хлорида

. Напротив, с 1980-х годов было проведено много исследований по долговечности бетона, пропитанного водоотталкивающими агентами на основе силана

.Ранний обзор методов оценки

и сообщенных характеристик такой гидрофобной пропитки

и соответствующих механизмов можно найти в Refs.

[13,14]. Обширные лабораторные испытания [15–18] подтвердили, что гидрофобная пропитка

может создать эффективный барьер для бетона

, отсрочить начало коррозии и снизить скорость коррозии

внутренней стальной арматуры. Некоторые обнадеживающие результаты испытаний длительного воздействия на поле

были недавно опубликованы [19–21].Хотя некоторые из недавних исследований

показали, что гидрофобная пропитка может иметь лишь незначительное влияние

на механизмы диффузии хлорид-ионов в бетоне [22,23],

ее эффективность в снижении внутренней влажности и значительном подавлении

капиллярное водопоглощение хорошо изучено [23–25]. Вышеупомянутые свойства, безусловно, могут рассматриваться как улучшающие долговечность морских железобетонных конструкций, поскольку подача воды и хлоридов

является ключевым фактором, влияющим на коррозию внутренней стальной арматуры.

При проектировании конструкции обычно допускаются трещины

в наружных железобетонных элементах. Эти трещины, однако, могут служить легкими путями

для проникновения воды и ионов хлора, растворенных в

воде. Крайне важно точно знать, когда пропитка поверхности

наиболее эффективна: то есть эффективны ли водоотталкивающие агенты или герметики

в бетоне с трещинами

, которые существуют во время пропитки, или

образуется после пропитки.

Однако, несмотря на вышеупомянутую обширную исследовательскую работу,

на сегодняшний день мало что известно о том, в какой степени наличие трещин

в бетонных конструктивных элементах, возникающих на поверхностях (1) до

нанесения герметиков или других материалов. обработка поверхности (2) после нанесения

катионов герметиков или другой обработки поверхности влияет на долгосрочную эффективность этих мер и последующую долговечность

конструкций в морской среде.Недавно Tittarelli и Mor-

iconi [26] применили один тип гидрофобной добавки на основе силана

к бетону и изучили ее влияние на коррозию арматурной стали

. Они обнаружили, что добавление силана существенно снижает скорость коррозии стальной арматуры в образцах

без трещин. Однако было также обнаружено, что коррозия стальной арматуры

в гидрофобных образцах из бетона с трещинами оказалась неожиданно более серьезной.Предполагаемая причина заключалась в том, что кислород

быстрее диффундировал через открытую пористость бетона в гидрофобном бетоне

по сравнению с медленной диффузией через заполненные водой поры

насыщенного бетона. Относительно данной ситуации следует отметить, что ширина трещины в их исследовании составляла

1 мм, что нереально для железобетонных конструкций в условиях эксплуатации. Также важно отметить, что Титтарелли и Морикони добавили

водную силановую эмульсию алкилтриэтоксисилана к свежей бетонной смеси

; Это означает, что они приготовили цельный водоотталкивающий материал

.Следовательно, их результаты нельзя напрямую сравнивать с наблюдениями, полученными на пропитанном водой бетоне, пропитанном водой

, в реальном случае.

Чтобы избежать неправильного применения, необходимы дальнейшие исследования в реальных условиях эксплуатации

, чтобы понять, как проникновение хлорида

в пропитанный поверхность бетона и последующая

коррозия внутренней стальной арматуры и долговечность конструкции-

трещин в морской среде подвержены влиянию

трещин.Таким образом, этот проект направлен на изучение долгосрочной эффективности различных материалов для пропитки поверхности после обработки образцов бетона с трещинами и без трещин в ходе хорошо контролируемой программы воздействия на открытом воздухе

и определение

какой материал для обработки поверхности обеспечивает наиболее значительное улучшение долговечности морских железобетонных конструкций с трещинами и

без трещин.

2. Эксперимент

2.1. Материалы

Для эксперимента был изготовлен бетон с содержанием цемента

248 кг / м

3

, водоцементным отношением (W / C) 0,68 и отношением мелкости к

коэффициент крупного заполнителя 0,49. Прочность на сжатие con-

crete при 28-дневном отверждении составила 34,0 МПа. Относительно высокое соотношение W / C

было выбрано по нескольким причинам. Во-первых, глубина проникновения водоотталкивающих агентов на основе si-

увеличивается с соотношением W / C

[7,10].Относительно высокое соотношение W / C приводит к более глубокому проникновению

и, следовательно, обеспечивает лучшее сравнение с характеристиками

различных материалов для пропитки поверхности. Во-вторых, на практике бетон

, который требует защиты или ремонта, обычно имеет низкое качество

из-за, например, ошибки в системе водоснабжения на строительной площадке. В-третьих, высокое соотношение W / C

лучше подходит для демонстрации того, как различные пропиточные материалы поверхности

влияют на коррозию внутренней арматуры из стали

в течение относительно короткого периода воздействия (1 год

в этом исследовании), поскольку ионы хлора может легко проникать.Всего в этом исследовании

было применено

шести типов материалов для пропитки поверхности (см. Таблицу 1). Они перечислены как A, B, C, D, E и F и образуют

два набора для обработки поверхности, а именно водоотталкивающие агенты на основе силана

(A, B, C и D) и блокаторы пор на основе силиката натрия. (E

и F). Их свойства и дозировка дополнительно описаны в Таблице

1. Влагосодержание боковых поверхностей RC призм составляло около

4.0% при нанесении поверхностных пропиток.

2.2. Детали образцов

Были подготовлены два типа образцов, включая сорок призм RC

(150 100 100) мм и 14 бетонных цилиндров (/

100 65 мм), как показано на рис. 1. Бетонные цилиндры были предварительно изготовлены. —

, в основном для исследования профилей проникновения хлоридов в

бетоне без трещин при применении различных материалов для пропитки поверхности. Призмы RC были подготовлены для проведения исследования того, как пропитка поверхности влияет на проникновение хлоридов

в бетон с трещинами и последующую коррозию внутренней стальной арматуры

.Призмы RC имели два слоя стальных стержней

(/ 10) на глубине 17,5 мм и 45 мм соответственно (см.

рис. 1), чтобы контролировать состояние стальных стержней на разной глубине покрытия,

после экспозиция. Две боковые поверхности каждой призмы RC

были обработаны пропиточными агентами, а остальные четыре стороны

были заделаны эпоксидной смолой (см. Рис. 1). Как видно из таблицы 2, в которой

собраны все образцы, было три типа призм

RC.Первый тип призмы не имел трещин, поверхность второго типа

была пропитана после появления трещин,

и поверхность третьего типа была пропитана до появления трещин

. Испытательные образцы, соответствующие трем типам

, упомянутым выше, обозначены символами

«NC», «AC» и «BC» соответственно (см. Таблицу 2). Наличие

в призмах способствовало легкости, с которой трещины

были введены в бетон в результате испытаний на раскалывание.

Во время испытаний на расщепление ширина трещин контролировалась

с использованием двух датчиков смещения для перекрытия трещин (см.

Рис. 2a). После испытаний на расщепление под микроскопом была измерена ширина трещин на двух боковых поверхностях каждой призмы RC (см.

рис. 2b). Ширину трещины измеряли в пяти точках на каждой боковой поверхности

, и их среднее значение затем принимали за трещину

102 J.-G. Dai et al. / Цемент и бетонные композиты 32 (2010) 101–109

(PDF) Водоотталкивающая пропитка бетона: указания и рекомендации

Водоотталкивающая пропитка бетона

65

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

1.Lunk, P., Kapillares Eindringen von Wasser und Salzlösungen in

Beton, Building Materials Reports No. 7 (1997)

2. Gerdes, AH, Transport und Chemische Reaktion

siliziumorganischer Verbindungen in der Betonrandzone, Building Materials Reports

№ 15 (2002)

3. Meier, SJ, Grundlagen und Möglichkeiten einer Hydrophobierung

von Betonbauteilen, Отчет о строительных материалах № 21 (2003)

4. Meier SJи Виттманн Ф. Х., Hydrophobieren von

Betonoberflächen — Empfehlungen für Planung und Applikation;

Traitement Hydrofuge de la surface des Strucutres en béton —

Рекомендации по планированию и исполнению, Швейцарское федеральное управление автомобильных дорог

, Отчет ASTRA № 591 (2005)

5. Чжао Т., Виттманн Ф.Х., Цзян Р. и Ли В., Применение силана-

на основе для производства цельного водоотталкивающего бетона, в

Proceedings Hydrophobe VI, E.Борелли и В. Фассина, редакторы,

Aedificatio Publishers (2011) 137-144

6. Ли В., Виттманн Ф.Х., Цзян Р., Чжао Т. и Вольфсехер Р., Металл

мыла для производства интегральный водоотталкивающий бетон, в

Proceedings Hydrophobe VI, E. Borelli и V. Fassina, редакторы,

Aedificatio Publishers (2011) 145-154

7. Виттманн Ф., Цзян Р., Вольфсехер Р. и Чжао T., Применение натуральных продуктов

для изготовления цельного водоотталкивающего бетона, в

Proceedings Hydrophobe VI, E.Борелли и В. Фассина, редакторы,

Aedificatio Publishers (2011) 117-124

8. Чжан Х., Виттманн Ф. Х. и Чжао Т., Связь между профилями из силиконовой смолы

в водоотталкивающем бетоне и

эффективность в качестве барьера для хлоридов, Int. J. Реставрация зданий

и памятников 11 (1) (2005) 35-46

Водоотталкивающая пропитка поверхности для продления срока службы железобетонных конструкций в морской среде: роль трещин

Повышение долговечности морских сооружений представляет интерес для многих исследователей.Исследование, представленное в этой статье, исследует эффективность водоредуктора и пропитки поверхности барьера хлоридов бетонного покрытия железобетонных (ЖБИ) конструкций, подвергающихся воздействию морской среды. Особое внимание уделяется тому, как трещины на поверхности, образовавшиеся (1) до пропитки и (2) после пропитки, влияют на эффективность обработки поверхности. Эксперименты проводятся в среде, максимально приближенной к реальной влажной субтропической морской среде. Ряд железобетонных призм и бетонных цилиндров, каждый из которых был обработан различными коммерческими агентами для пропитки поверхности, подвергался циклическому воздействию морской воды. под открытым небом, чтобы ускорить циклы сухой / влажной на 1 год.Были применены шесть типов агентов для пропитки поверхности, в том числе четыре типа водоотталкивающих агентов на основе силана и два типа блокаторов пор на основе силиката натрия (жидкое стекло). Были подготовлены три типа призм RC для моделирования различных возможностей растрескивания, которые могут возникать в бетонных конструкциях с пропиткой на поверхности в течение срока их службы. В первой группе призм трещины не возникли, в то время как трещины возникли до и после пропитки поверхности во второй и третьей группах соответственно.Зависимое от времени водопоглощение всех образцов контролировали во время циклов «сухой / влажный». Наконец, образцы были разрезаны, чтобы измерить глубину проникновения агентов для пропитки поверхности и профили проникновения хлоридов. Также были измерены площади с коррозией, заметной в стальной арматуре в призмах RC. Было обнаружено, что блокаторы пор на основе силиката натрия неэффективны для предотвращения проникновения хлоридов в бетон при моделировании воздействия морской среды. Было обнаружено, что долговременная эффективность водоотталкивающих агентов, используемых для пропитки поверхности, сильно зависит от типа агента и от того, проводилась ли пропитка до или после образования трещин.

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 6 0 obj > / ProcSet [/ PDF / Text] / Font >>> эндобдж 5 0 obj > поток HW˒WH: Z \ o3p’Á! ; lRKRm>; cc [HV2? * ~ M «> DGGU! Oo O G_? QVYMeTdl2 ع WeIQtOa1y ^ e, _.̢ «؅ X. = aAd} Gi ~ ՛ 0 F» » U? 2a ݎ M | h4k 螲 olap_} s | G (@ [ڷ & o5V ߵ IL%

X [S / aI ٶ dw- o ~ I) u) 6_l [K؟ FUDa / A5 د a «* WfKc) lSe {CUXCsHl + Ӹ / {R :% 0g. @ | W 颺 넴, N. (O (Y (rC-e V-OjĶ8v5P: V) ӊUi8qUU [b [| (+ ŻY ~) Zv4 — ## — SS [= XW ص4͟ n $ 3T ܺ2 X_voCYx0 # W

Характеристики силановых пропиток для защиты железобетона

, вклад конференции

Силаны могут действовать как гидрофобные покрытия пор для железобетонных (RC) конструкций.Они могут значительно уменьшить глубину проникновения хлоридов, что является основной причиной коррозии стальной арматуры. Там есть однако мало опубликованной информации об их долгосрочных результатах. Для этого исследования было выбрано 32 бетонных ядра. извлечен из восьми полномасштабных железобетонных мостов, поддерживающих поперечные балки, обработанных силаном 20 лет тому назад. Их скорость поглощения воды за счет капиллярности была измерена и сравнена с 16 контрольными кернами, извлеченными из четырех необработанных силаном RC поперечных балок, построенных одновременно.Результаты показывают, что эти силаны обеспечивают остаточный защитный эффект от воды даже после 20 лет эксплуатации. Характеристики силановых пропиток на бетоне с добавлением цементных смесей, а также влияние различных Опалубка, возраст бетона и условия отверждения перед пропиткой также были исследованы. Конкретный образцы были отлиты из CEM III / A (портландцемент с 50% измельченного гранулированного доменного шлака) цемент. Эффективность пропитки силаном оценивалась по скорости водопоглощения за счет капиллярной действие.Результаты показывают, что улучшения производительности были выявлены в образце. группы с более низким соотношением в / ц, отделка стали, наружное отверждение и двойные покрытия с силановой обработкой. Результаты обеих исследовательских программ показывают, что пропитка силаном может обеспечить значительное снижение к характеристикам водопоглощения как образцов бетона, извлеченных с площадки, так и лабораторных образцов. Это Было замечено, что рабочие характеристики ухудшались с увеличением срока службы силановой пропитки.В кроме того, пропитки силаном, нанесенные на образцы с фанерой или фальшпакетом, продемонстрировали большую снижение водопоглощения по сравнению с образцами со стальным покрытием.

История

Школа

• Архитектура, строительство и гражданское строительство

Опубликовано на Международной конференции по бетонным решениям

Страницы

Citation

Издатель

Версия

Заявление издателя

Дата публикации

Примечания

ISBN

Язык

Местоположение

Зависимость прочности связи от Tg пропитывающего полимера пряжи

Материаловедение и приложения Vol.10 No.04 (2019), Идентификатор статьи: 91747,21 стр.
10.4236 / msa.2019.104025

Бетон, армированный углеродным волокном: зависимость прочности сцепления от T _г пряжи, пропитывающей полимер

Ирис Круппке ^{1 *} , Марко Батлер ² , Кай Шнайдер ² , Рольф-Дитер Хунд ¹ , Виктор Меччерин ² , Чокри Шериф ¹

¹ Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, Technische Universität Dresden, Dresden, German

² Institut für Baustoffe, Technische Universität Dresden, Dresden, German

Авторские права, авторские права

Авторские права

Авторские права Inc.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Поступила: 26 ноября 2018 г .; Принята в печать: 9 апреля 2019 г .; Опубликовано: 12 апреля 2019 г.

РЕФЕРАТ

В этой статье будет предложен метод оценки влияния различных полимерных суспензий и условий окружающей среды на адгезию между пропитанным тяжелым жгутом из углеродного волокна и бетоном для армирования.С этой целью сам пропиточный материал был исследован как полимерная пленка до и после инкубации в воде и водных суспензиях, таких как NaOH и вяжущий раствор, с точки зрения его термических свойств, поведения набухания и морфологии. Были изготовлены тонкие полимерные пленки и впоследствии исследованы с количественной оценкой набухания в течение 28 дней с помощью термического анализа и анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Влияние напряжения сдвига при отрыве было оценено для исследования таких параметров, как высокая температура и влажность, на адгезию к бетону.Измерения краевого угла использовали для определения поверхностной энергии полимерных пленок. Все инкубированные полимерные пленки приводили к изменению как морфологии поверхности, так и специфических остатков на поверхности полимерной пленки, например в виде карбоната кальция, но без изменения температуры стеклования. Высокая корреляция между температурой стеклования и измеренным напряжением сдвига была показана во время испытаний на вытягивание одной пряжи. Кроме того, водная обработка вытягиваемых образцов усилила влияние температуры стеклования во время испытания на адгезию.Не было обнаружено влияния поверхностной энергии использованной полимерной пропитки для углеродных волокон на испытание на выдергивание.

Ключевые слова:

Углеродное волокно, бетон, устойчивость к щелочам, термомеханическое сопротивление, полимерное покрытие

1. Введение

Текстильная арматура для бетонных конструкций все больше и больше применяется в строительной отрасли, поскольку они предлагают несколько преимуществ перед обычной стальной арматурой [1] [2].Композитный материал, состоящий из бетона и текстиля, обычно называют текстильно-армированным бетоном (TRC). Это текстильное армирование состоит из высококачественных волокон, таких как устойчивое к щелочам стекло, арамид или углеродные волокна (CF). CF не вызывают коррозии в щелочной среде, обладают высокой прочностью на разрыв и модулем упругости в продольном направлении волокна, поэтому они в значительной степени подходят для использования в качестве структурного армирования в бетонных элементах или для усиления бетонных конструкций [3] [ 4] [5].Благодаря своим превосходным механическим и химическим свойствам CF все чаще заменяет стойкое к щелочам стекловолокно, которое десятилетиями использовалось в бетоне. В зависимости от геометрии бетонных элементов и нагрузки углеродной арматуры CF может иметь форму арматурных стержней, двухосных решеток или многоосных основовязаных тканей [6].

TRC — многоуровневый композит. Бетонная матрица — это композит, состоящий из минеральных заполнителей, частиц цемента, гидратированных цементных фаз, воды и пор. Более того, текстильное армирование также можно рассматривать как композит.На уровне отдельных волокон каждая углеродная нить (диаметром от 6 мкм до 7 мкм) покрыта проклейкой, которая позволяет обрабатывать углеродное волокно и определяет характеристики его поверхности [7] [8]. На уровне пряжи пучок из тысячи отдельных нитей пропитан полимером, чтобы обеспечить передачу нагрузки от внешних нитей (которые находятся в контакте с бетонной матрицей) к большинству внутренних нитей пряжи. Пропитка неизбежна, поскольку даже мельчайшие частицы в свежей бетонной суспензии слишком велики, чтобы эффективно проникать в пряжу и обеспечивать достаточное внутреннее соединение между всеми нитями.Следовательно, TRC можно описать как многокомпонентную систему, характеризующуюся углеродными волокнами, проклейкой, пропиткой (также часто называемой покрытием) и бетоном. Что касается компонентов, необходимо учитывать различные интерфейсы. Во-первых, граница раздела углеродной нити и проклейки является неизменным фактором, зависящим от поставщика и производственного процесса. Во-вторых, граница раздела между проклейкой и покрытием определяет передачу нагрузки внутри пучка волокон, из которого сделан текстиль.В-третьих, граница раздела между покрытием и неорганической вяжущей матрицей отвечает за передачу силы между пряжей и матрицей и, кроме того, за механические свойства всего композита.

Из-за применения в зданиях, мостах и ​​других конструкциях и специфических свойств цементной матрицы, арматура CF сталкивается с многочисленными проблемами, включая тепло и холод, влажность, соль, а также высокощелочную среду и кристаллизацию минералов из-за гидратация цемента.Эти задачи проверяют различные свойства арматуры CF. Что касается насыпного материала, основными определяющими факторами производительности являются функциональные группы поверхности, поведение при старении, термическая стабильность, поведение ползучести, а также прочность и жесткость углеродных нитей. Что касается текстиля, к другим факторам, которые следует учитывать, относятся дизайн и геометрия текстиля, производственный процесс, интенсивность пропитки и степень / толщина покрытия пряжи в результате процесса пропитки. Кроме того, следующие механизмы должны быть приняты во внимание в отношении поведения связи: химическая адгезия за счет ковалентных связей, физическая адгезия за счет полярных сил, сопротивление трения поверхности против скольжения и шероховатость поверхности в виде механической блокировки [3] [9].

Посредством покрытия необходимо преодолеть химическую инертность углерода, чтобы можно было установить благоприятную адгезию к цементирующей матрице. Поскольку полимерное покрытие наносится на всю пряжу, оно стремится заполнить все промежутки между нитями. Следовательно, внутри пряжи полимер действует как пропитка, которая обеспечивает передачу нагрузки от внешних нитей к внутренним и гарантирует квазиравномерное распределение напряжений и деформаций по поперечному сечению пряжи. В предыдущих исследованиях было показано, что покрытия, специально разработанные для щелочно-стойкого стекла (AR-стекла), улучшают адгезию, а также прочность этих волокон в бетоне [10] [11].Помимо требований химической адаптации к размеру поверхности волокна и гидратации матрицы на основе цемента, очень важны механические характеристики, долговечность в щелочной и влажной среде, а также термостойкость покрытия. Для описания температурного поведения полимерного покрытия температура стеклования (T _g ) является важным параметром в контексте модуля упругости и происхождения молекулярной структуры полимера. Для хорошей термостойкости и высокого модуля упругости необходимы высокая степень кристалличности и высокая плотность сшивки, о чем может свидетельствовать высокая T _г полимеров [12] [13].Как известно, для арматурных стержней из армированного волокном пластика механические характеристики полимеров снижаются, если температура приближается к T _г . Таким образом, передача нагрузки в цементную матрицу больше не гарантируется [14]. В предыдущих работах различные типы полимеров использовались в качестве матричного материала для волокнистой арматуры или для пропитки текстильных структур ― как для использования в качестве арматуры в бетоне (например, виниловые эфиры, эпоксидные смолы, полиуретаны, полиэфиры, полистирол-бутадиен). ) и как полисилоксановые покрытия [10] [15] [16] [17].Диапазон температур T _g термореактивных смол составляет от 65 до 120 ° C. Поскольку поли- (стирол-бутадиен), полиакрилаты и полиуретаны получают методом пропитки на основе водных суспензий, их ожидаемая T _g составляет лишь примерно от -50 ° C до 40 ° C. Перспективным подходом к повышению термостойкости арматуры CF для бетона является пропитка суспензиями минеральных частиц, что недавно было предложено Schneider et al. и Надив и др. [18] [19].

Нити с покрытием были испытаны с использованием испытаний на одноосное растяжение, с помощью которых можно было оценить влияние различных покрытий на когерентность между нитями [20].Высокоэффективные волокна и их взаимодействие с различными размерами были оценены в испытании на растяжение одного волокна [10]. Однако существующие методы тестирования не дают полной картины поведения многокомпонентной системы TRC и ее компонентов при термическом и щелочном воздействии, как упоминалось ранее. Первоначальные подходы исследовали долговечность проклеенных нитей или пропитанных нитей в щелочной среде путем погружения в щелочные растворы (например, 1 М NaOH, pH = 14). После воздействия повышенной температуры в течение различных периодов времени образцы были извлечены и испытаны на предмет их механических характеристик.Определение характеристик поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) помогает объяснить наблюдаемое механическое поведение. В качестве другого подхода коммерчески используемые стекловолоконные ткани были испытаны через 28 дней в соответствии со стандартом Европейской организации технических разрешений [21]. Такой водный щелочной раствор состоит из NaOH, KOH и Ca (OH) ₂ для моделирования условий в бетоне во время обработки, отверждения и срока службы [21]. Связывание пряжи с бетоном и ее долговечность можно оценить с помощью испытаний на отрыв.Батлер и др. [22] предложили двухсторонний тест на вытягивание, при котором отдельные нити были заделаны в бетонную матрицу. Образцы хранили при 40 ° C в камере тумана в течение периодов времени от 28 до 360 дней. Измеренная кривая вытягивания была оценена с учетом результатов, полученных в отношении межфазной морфологии, которая была визуализирована с помощью SEM. Лоренц и др. [23] выполнили испытания на вырыв и растяжение образцов из текстильного железобетона. В испытаниях на вытягивание короткий сегмент пряжи внутри текстильной структуры был изолирован и вытащен из окружающей бетонной матрицы.Испытание также проводилось при повышенных температурах до 500 ° C. С помощью испытаний на растяжение пластин TRC была оценена полная кривая напряжения-деформации композита. Это стандартный метод испытаний для определения основных механических свойств композитов на основе цемента, армированных текстилем.

Пока не опубликовано систематических работ по извлечению и оценке воздействия каждого отдельного компонента многокомпонентной системы TRC. В данной статье представлено исследование стабильности различных покрытий на основе водной суспензии.Для этого были приготовлены полимерные пленки, которые характеризовались особенностями набухания в различных щелочных и водных растворах в течение 28 дней. Кроме того, был проведен термический анализ и испытания на вытягивание одного волокна после хранения в различных водных растворах и при разных температурах, чтобы охарактеризовать химические и механические взаимодействия компонентов композита в различных условиях окружающей среды.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

2.1.1. Покрытия

В качестве материала покрытия использовались водные дисперсии полимеров, которые различались как по химическому составу, так и по удельной термической ценности (T _г ). Полимеры основаны на акрилатах (Ac1, Ac2) от CHT Beitlich GmbH (Германия), карбоксилированных бутадиенах стирола с отвердителем (SBR1), Lefasol VL90 / 1 [24] с Lefasol VP4-5LF [25] и без отвердителя Lefasol. BT83003-3 (SBR2) [26] от Lefatex Chemie GmbH (Германия), стирол-бутадиеновые тройные сополимеры (SBR3, SBR4) от Synthomer Deutschland GmbH (Германия) и полиуретан (PU) от Leibnitz Institute of Polymer Research Dresden (Германия).

2.1.2. Углеродные волокна

Коммерчески доступное углеродное волокно Sigrafil ^Ò C T50-4.0 / 240-E100 было закуплено у SGL Carbon GmbH (Германия). Он имеет эпоксидную проклейку, зернистость 3300 текс, 50 ​​К и диаметр одной нити 7 мкм.

2.1.3. Бетон

Состав бетона, использованного для оценки характеристик сцепления между пропитанной углеродной нитью и бетоном, приведен в таблице 1. Вяжущее «Dyckerhoff NANODUR ^Ò , состав 5941» коммерчески доступно [27] и состоит из портландцементного клинкера, измельченного. гранулированный доменный шлак и кварцевый порошок.Заполнители добавляли двумя порциями в виде природного кварцевого песка 0/2 мм и гранитного щебня 2/5 мм. Удобоукладываемость свежего бетона регулировали добавлением суперпластификатора до ширины 260 мм (небольшой конусный стол без ударов, EN 1015-3). Таким образом, бетон подходил для литья под давлением. Бетон показал быстрое твердение, высокую прочность на сжатие (95 МПа через 7 дней, 100 МПа через 28 дней), повышенную прочность и умеренную усадку (0,57 мм / м). Отверждение бетона происходило в определенных климатических условиях (1 день в опалубке, после хранения на воздухе при 20 ° C и относительной влажности 65%).

2.2. Термический анализ

Tg определяли методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) Q2000 от TA Instruments (New Castle, USA) в атмосфере азота со скоростью нагрева 5 К / мин. Полимеры исследовали как полимерные пленки. Наряду с этим эталоном были исследованы образцы, хранящиеся в водопроводной воде, водном растворе NaOH, а также в щелочном растворе.

2.3. Определение поверхностной энергии

Все исследуемые полимерные суспензии сушили при 40 ° C в течение 24 часов с последующим кондиционированием и отверждением либо при 120 ° C в течение 19 минут, либо при 150 ° C в течение 5 минут в пресс-форме из ПТФЭ на предметном стекле микроскопа.Углы смачивания определяли на анализаторе формы капли DSA 100 (Krüss GmbH, Германия). В качестве растворителя для испытаний использовалась дистиллированная вода (72,8 мН / м), дииодметан CH ₂ I ₂ (> 99%, Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Германия, 50,8 мН / м), этиленгликоль / C ₂ H ₆ O ₂ (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, США, 47,7 мН / м) и глицерин / C ₃ H ₈ O ₃ (без воды> 98%, 63,4 мН / м). Для каждого образца и растворителя было отмерено не менее десяти отдельных капель.

Таблица 1. Состав бетона на основе соединения Dyckerhoff NANODUR ^Ò 5941.

Затем был определен расчет полной поверхностной энергии, а также полярной и дисперсной частей в соответствии с методом, разработанным Оуэнсом, Вендтом, Рабелем и Кельблом [ 28] [29] [30]:

γ л ( 1 + потому что θ ) 2 γ л d знак равно γ s п ( γ л п γ л d ) + γ s d (1)

где верхние индексы p и d обозначают полярную и дисперсную части поверхностной энергии γ, а l и s обозначают жидкую и твердую фазы, т.е.е. испытание растворителя и поверхности полимерной пленки. Следует использовать как минимум две разные испытательные жидкости, которые существенно различаются по своим полярным и дисперсным свойствам.

2.4. Долгосрочная стабильность

2.4.1. Водный раствор

Для исследования характеристик набухания полимерных пленок были использованы три различных раствора: водопроводная вода, NaOH и фильтрат суспензии связующего — все как модели жидкостей раствора пор бетона. Для NaOH (Merck Chemicals GmbH, Дармштадт / Германия) готовили 1 М раствор с pH 14.Вяжущий раствор был приготовлен путем смешивания 6,5 л воды с 1 кг CEM I 42,5 R (Schwenk Zement KG, Ульм / Германия) [31] и 0,25 кг суспензии микрокремнезема от Elkem ^Ò 500 SE (Elkem AS в Осло / Норвегия) [ 32]. Суспензию хранили не менее 30 ч без контакта с воздухом и периодически перемешивали. Наконец, суспензия была профильтрована и использована для испытаний на долговечность [33]. Приготовленный цементный раствор имел pH 12,5. Вяжущий раствор должен представлять собой жидкость для пор бетона, которая в дальнейшем сокращается как CemS.

2.4.2. Хранение

Для исследования долговременного поведения дискообразные полимерные пленки диаметром 20 мм инкубировали в течение 1 дня, 3 дня, 7 дней, 14 дней, 21 день и 28 дней в различных водных растворах при комнатной температуре ( RT) без обновления среды и начального объема жидкости 50 мл. Было выполнено двойное определение массы и вычислено среднее значение. Исходную массу полимерных пленок в форме диска определяли в сухом состоянии и сравнивали с влажными и набухшими образцами во время и после хранения.Перед измерением веса образцы промывали дистиллированной водой и осторожно сушили тканью без ворса. Через 28 дней все образцы сушили в течение ночи при 40 ° C и взвешивали, чтобы определить их массовое разложение. Эти значения указаны как 29 дней в сухом состоянии.

2.5. Микроскопическое исследование

Все полимерные пленки исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии до и после инкубации в водном растворе. Образцы устанавливали на держателе образцов с угольной подушечкой. Для исследования границы раздела между волокном с покрытием и неорганической матрицей испытуемые образцы были разделены вдоль направления волокна.Никакой дополнительной функционализации поверхности для обеспечения проводимости не производилось. Quanta 250 FEG ESEM ^TM от FEI использовался при 14,00 кВ и 200 Па.

2.6. Приготовление пряжи

Содержание твердых веществ в полимерных дисперсиях было установлено на 30% путем добавления воды. Нити CF пропитывались подушечной ванной с последующим нагревом в промышленной печи, включающей три разные зоны нагрева Δθ ₁ ~ 120 ° C, Δθ ₂ ~ 130 ° C и Δθ ₂ ~ 175 ° C с длиной по 3 м.Процесс проиллюстрирован на Рисунке 1. Параметры процесса в подушечной ванне составляли контактное давление 1 бар при скорости 2 м / мин. После сушки содержание окончательного материала покрытия пропитанного CF составляло приблизительно 15% по массе.

2.7. Оценка связи пряжи с бетоном

2.7.1. Установка

Характеристики сцепления пропитанной углеродной пряжи с бетонной матрицей были охарактеризованы с помощью теста на одностороннее вытягивание пряжи, показанного на Рисунке 2.Геометрия испытания для определения характеристик сцепления представляет собой бетонный блок (размеры: ширина 80 мм, глубина 80 мм, высота 50 мм) с расположенной по центру углеродной нитью и открытой длиной соединения 50 мм. В качестве противоположной опоры пряжи был использован второй бетонный блок высотой 90 мм.

Во время испытаний на вытягивание было измерено возрастающее относительное смещение s (проскальзывание) между заделанной пряжей и бетоном вдоль оси пряжи со скоростью относительного смещения 1 мм / мин. Проскальзывание регистрировалось двумя лазерными датчиками расстояния, расположенными рядом с точкой, смежной с верхним держателем образца, где пряжа входит в бетонный блок.Лазерные лучи сканировали поверхность небольшого алюминиевого зажима, прикрепленного к пряже небольшой пружиной, которая сканировалась с обеих сторон пряжи, чтобы учесть повороты во время испытаний на вытягивание. В результате наложенного смещения вытягивающая сила F вводится в испытательную геометрию, и ей противодействует выступающий конец углеродной нити. Чтобы избежать повреждения образца в результате обращения с ним перед испытанием, нижний и верхний блоки были жестко связаны съемной рамой из нержавеющей стали.Каркас был прикреплен к образцу во время бетонирования, откручивался и снимался только непосредственно перед испытанием на вырыв. Выдвижные образцы были испытаны при различном содержании и температуре влажности (см. Таблицу 2). Поскольку верхний бетонный блок отличался относительно большой массой и компактной геометрией и, следовательно, высокой теплоемкостью, а также общей продолжительностью процедуры испытания на извлечение менее 5 минут, предварительно подготовленные образцы были испытаны в стандартных лабораторных условиях.

Рис. 1. Процедура нанесения покрытия из углеродных волокон, (1) бобина из CF, (2) покрытие ванны через набивку, (3) — (5) зоны нагрева Δθ ₁ , Δθ ₂ и Δθ ₃ и (6) намотка на алюминиевую катушку.

Рис. 2. Схематическое изображение теста на вытягивание.

Таблица 2. Условия для испытаний на отрыв образца при отверждении, измерения на 7 день.

2.7.2. Изготовление и отверждение образцов

Вытяжные образцы были изготовлены методом литья.Перед заливкой свежего бетона в формы для верхнего и нижнего бетонных блоков пропитанная углеродная нить размещалась по центру и растягивалась в опалубке. Для этого пряжа продевалась через отверстия в лицевых сторонах обеих форм и фиксировалась резиновыми фитингами. После завершения работ по заполнению формы в поверхность блоков заделывалась съемная рама из нержавеющей стали, в частности ее крепление к бетону.

После заливки бетонная поверхность была закрыта пластиковой пленкой.Образцы были извлечены из формы через один день и хранились в различных условиях еще шесть дней до тестирования (см. Таблицу 2).

2.7.3. Анализ результатов

Во время испытаний на вытягивание были записаны кривые зависимости от усилия смещения. Чтобы исключить влияние различной окружности пряжи (и, следовательно, изменения склеиваемых поверхностей) на результаты, измеренные сила и смещение были преобразованы в кривые зависимости напряжения сдвига от скольжения. Поскольку большинство испытанных пряжи имело плоское эллиптическое поперечное сечение (с различными радиусами их полуосей), размеры пряжи были определены на верхней и нижней сторонах испытательного блока.Таким образом, была вычислена гипотетическая длина u соответствующего эллипса. Диаметр или форму поперечного сечения нити необходимо тщательно выбирать из-за полученной площади контакта для дальнейших расчетов. Напряжение сдвига τ было получено делением силы вытягивания F на площадь контакта, выходящую из гипотетической окружности, умноженную на длину заделки l нити (уравнение (2)).

τ знак равно F ты ⋅ л (2)

Для каждой кривой были определены пять произвольных значений, чтобы охарактеризовать характеристики вытягивания различных покрытий пряжи (см. Рисунок 3):

• Максимальное напряжение сдвига: τ _{макс. при скольжении 0.5 мм: τ 0,5 мм}

• Напряжение сдвига при скольжении 1,0 мм: τ _1,0 мм

• Удельная работа на вырыв при скольжении 0,5 мм: W _0,5

• Модуль сцепления по отношению к кривая между τ _0,2 = 0,2 τ _max и τ _0,7 = 0,7 τ _max

2,8. Статистика

Все измерения были выполнены как минимум в трех экземплярах, за исключением измерений T _g , которые были выполнены в двух экземплярах. Значения представлены как среднее ± стандартное отклонение.Двусторонний дисперсионный анализ (ANOVA) с поправкой Тьюки

Рис. 3. Схема кривой напряжение-проскальзывание, полученной в результате испытаний на вытягивание пряжи.

Одношаговая процедура сравнения применялась для статистической оценки, и значения p> 0,05 считались значимыми; они отмечены звездочкой (*).

3. Результаты и обсуждение

3.1. Полимер

Определенная температура стеклования (T _г ) для высушенного образца не зависела от условий применения в различных водных и щелочных растворах (таблица 3).Определение T _g проводили, по крайней мере, с помощью двух циклов нагрева (HC).

Все полимеры различаются по полярной и полной поверхностной энергии из-за их химического состава, в то время как их дисперсная поверхностная энергия вполне сопоставима и находится в диапазоне от 23 мН / м до 35 мН / м (см. Таблицу 4). Наибольшая полярная поверхностная энергия была измерена для SBR3 с 29 мН / м, за которым следовали акрилат (Ac1) с 22,0 мН / м и полиуретан (PU) с 21,6 мН / м. Эти полимеры также показали самую высокую общую поверхностную энергию.Для этих покрытий краевые углы смачивания воды были <45˚. Наименьшая полярная поверхностная энергия наблюдалась для Ac2 и SBR1, которые показали самые высокие углы смачивания воды, превышающие 70˚. Тем не менее все полимеры можно отнести к категории гидрофобных.

Таблица 3. T _г всех исследуемых полимеров определено методом ДСК полимерных пленок при многократных циклах нагрева (HC).

Таблица 4. Краевые углы (CA), полярная и дисперсная части поверхностной энергии γ полимерных пленок из Ac1, Ac2, PU, ​​SBR1, SBR2, SBR3 и SBR4.

3.2. Долговременная стабильность

Долговременную стабильность полимера исследовали, помещая образцы полимерной пленки в три различных водных раствора. Масса увеличивалась за время хранения 28 дней для всех условий, как в случае статического размещения в воде (Рисунок 4), NaOH (Рисунок 5) и цементном растворе (Рисунок 6). Топография поверхности была охарактеризована с помощью SEM-изображения до и после инкубации (рис. 7). Все полимерные пленки изначально имели гладкую и чистую поверхность, что показано в качестве примера для SBR3 на рисунке 7 (A).В общем, можно описать две разные тенденции: заметное увеличение массы за 28 дней и почти постоянный уровень массы. Это можно было наблюдать для всех водных растворов.

При воздействии воды набухание полимерной пленки определяли по непрерывному увеличению массы SBR1. Для других полимеров уровень набухания существенно не изменился по сравнению с состоянием, достигнутым в течение первого дня помещения в воду. Это указывает на равновесие между упругими частями полимерной сетки (восстанавливающие силы) и водой (осмотическое давление), которая диффундирует в резиновые промежутки исследуемых полимеров [34] [35].После инкубации и сушки (29 день, сушка) для всех образцов наблюдали уменьшение массы по сравнению с исходной массой (см. Таблицу 5). Эта потеря массы, похоже, не связана с предыдущей процедурой набухания. SBR2 показывает наибольшее снижение массы на 11,5% по сравнению с его исходной массой, чего нельзя было ожидать, принимая во внимание его незаметное набухание. Ac1 и SBR4 демонстрируют наименьшую потерю массы после инкубации в воде. Обнаруженные потери массы можно объяснить вымыванием компонентов полимерных пленок, например пластификаторов.Кроме того, последующее исследование SEM не показало каких-либо значительных изменений морфологии поверхности полимерных пленок. Контрольный материал (SBR3 был использован в качестве примера) не показывает начальных осадков

Рис. 4. Увеличение массы в результате инкубации полимеров в воде.

Рис. 5. Увеличение массы в результате инкубации полимеров в водном NaOH.

Рис. 6. Увеличение массы в результате инкубации полимеров в вяжущем водном растворе.

на своей поверхности (рис. 7 (A)), но может иметь некоторую шероховатость после инкубации (это имеет место для SBR2, SBR3, PU, ​​Ac1) и трещины от дегидратации (SBR1, SBR4). Соответствующие изображения не показаны.

Для инкубации в NaOH результаты показаны на рисунке 5. Здесь SBR4, а также Ac2 демонстрируют устойчивое набухание в течение 28 дней, в то время как все другие полимерные пленки достигают постоянного увеличения массы менее 20%. Увеличение массы на 163% для SBR4 и 130% для Ac2 представляет собой комбинацию поглощения воды и осаждения NaOH.Более поздние (29 г) идентифицируются по увеличению массы

Рис. 7. Сканирующие электронные микрофотографии полимерных пленок после статической инкубации в цементном растворе; (A) эталон для SBR3 и полимерных пленок после инкубации: (B) Ac1, (C) Ac2, (D) PU, (E) SBR1, (F) SBR2, (G) SBR3 и (H) SBR4.

Таблица 5. Изменения массы полимера в результате инкубации в течение 28 дней и сушки через 29 дней.

после высыхания (29 дней, сушка) по сравнению с исходным состоянием, дополненное исследованиями SEM (изображения в этой статье не показаны).Для обеих полимерных пленок наблюдалось полное покрытие кристаллическими осадками. Эти стопки кристаллитов NaOH имели длину около 20-25 мкм и ширину около 10 мкм для SBR4 и Ac2. В отличие от этого SBR1 показал более мелкие кристаллические, мелкодисперсные игольчатые структуры NaOH (в диапазоне 4,8 ± 0,8 мкм и толщиной от 0,3 мкм до 0,7 мкм), сравнимые с показанными в литературе [36] [37] . Интересно, что кристаллы NaOH также развивались внутри трещин дегидратации полимерной пленки SBR1, не вызывая заметного увеличения массы при измерении после сушки (таблица 5).Остальные полимерные пленки не показали никаких изменений морфологии поверхности и имели гладкую поверхность, за исключением некоторых трещин от дегидратации.

Инкубация в цементном растворе привела к значительному начальному увеличению массы на 5–20% во влажном состоянии для всех полимерных пленок, кроме SBR1 (рис. 6). Только для акрилатов Ac1 и Ac2 было сравнительно небольшое увеличение за 28 дней. Кроме того, SBR3 с 7,3% и PU с 12,0% показали самый низкий конечный уровень увеличения. Эти две полимерные пленки были вымыты, что привело к окончательному снижению массы после сушки на -0.8% для SBR3 и -0,3% для PU. Остальные полимерные пленки показали увеличение массы после инкубации в цементирующем растворе и последующего высыхания от 1,9% для SBR1 до 3,6% для Ac1 (таблица 5).

Кроме того, инкубация в цементирующем растворе вызвала наиболее заметные изменения морфологии поверхности, визуализированные с помощью SEM (Рисунки 7 (B) — (H)). Видны различные типы характерных фаз гидрата силиката кальция: для полимерных пленок с наибольшим увеличением массы с течением времени (SBR1, Ac1, Ac2) можно увидеть плотный слой кристаллов.В зависимости от функциональности поверхности и характера набухания в растворе выпавшие кристаллы различаются по размеру и форме. Минерал на SBR1, который сформировал почти закрытый поверхностный слой, предположительно является кальцитом (рис. 7 (E)). Наблюдаемые кристаллы в форме гантелей сопоставимы с описанными в литературе [38] [39]. По сравнению с другими полимерными пленками степень покрытия сравнительно низкая. Из-за набухания полимерная пленка SBR1 демонстрирует большое количество трещин от дегидратации.Поверхность пленок ПУ, инкубированных в цементном растворе, характеризуется кристаллами двух различных форм. Существуют кристаллы в форме гантелей разных размеров, построенные из игольчатых кристаллов и сферолитовых губчатых кристаллов (рис. 7 (H)). По сравнению с этим гантелевидные образования для Ac2 не наблюдались. Вместо этого были обнаружены только игольчатые и различные удлиненные кристаллы кальцита (Рисунок 7 (C)). В соответствии с его низкой поверхностной энергией (таблица 4), низкая степень покрытия выделениями полимерной пленки Ac2 привела к предположению о слабой ассоциации кристаллов с поверхностью.Только для SBR4 существуют дополнительные мелкие кристаллические частицы, помимо кальцита (нижние кристаллы, иглы, гантели), такие как портландит с его кристаллами шестиугольной формы [40], показанными на рисунке 7 (D).

Из представленных результатов можно сделать вывод, что набухание полимеров вызывает первоначальное увеличение массы от 5% до 25%. Степень набухания не коррелирует с углом контакта полимеров с водой, и даже жидкости с высокой ионной силой (NaOH, вяжущий раствор) существенно не изменяют свойства набухания.Помимо набухания, наблюдаемое увеличение массы вызвано минеральными отложениями, которые снова не имеют отношения ни к химии поверхности полимерной пленки, ни к окружающим жидкостям. Эти минеральные осадки могут влиять на поверхность склеивания между CF-покрытием и бетоном.

3.3. Оценка связки пряжа-бетон

На рисунке 8 показана четкая зависимость максимального напряжения сдвига τ _max и применяемых условий для отверждения и испытания образца (см. Таблицу 2).В зависимости от температуры и влажности затвердевания бетона видны две тенденции. Во-первых, с повышением температуры максимальное напряжение сдвига значительно уменьшается. Во-вторых, с повышением влажности заметно усиливается влияние температуры на максимальное напряжение сдвига. Сравнимая тенденция наблюдалась также для напряжения сдвига при деформации скольжения 1,0 мм τ _1,0 мм (данные не показаны).

Климатические условия во время отверждения бетона и испытания образцов усиливают влияние химического состава CF-покрытия и его T _g на сцепление, так как было выявлено лишь несколько значительных различий между покрытиями.Влияние температуры будет обсуждаться в зависимости от текущего T _g исследуемых покрытий. Как показано в Таблице 3, покрытия SBR4 и Ac2 демонстрируют самую высокую Т _g , составляющую 32 ° C и 39 ° C, соответственно. Другие покрытия показывают более низкие значения T _g , что позволяет ожидать более низкого механического сопротивления этих полимеров, поскольку они уже вышли из стекловидного состояния.

Для SBR4 и Ac2 T _g не достигается при комнатной температуре, поэтому они показывают самое высокое максимальное усилие отрыва при + 20 ° C и относительной влажности 65% (Рисунок 8).Ниже T _g механические свойства полимера можно увидеть как

Рис. 8. Прочность на сдвиг τ _max для различных климатических условий, таких как относительная влажность 65% и погружение в воду; приведены стандартные отклонения.

постоянная. Следовательно, для покрытий SBR4 и Ac2 с высокой T _g (> 20 ° C) τ _max находится на одном уровне для + 20 ° C и -20 ° C при относительной влажности 65%. По сравнению с этим и обусловленным его относительно высокой температурой T _g , равной 33 ° C, SBR4 продолжает демонстрировать хорошие характеристики при испытании на вырыв влажных образцов при комнатной температуре.Однако τ _max уменьшается на 78% по сравнению с образцами, хранящимися в стандартных лабораторных условиях (+ 20 (C, 65 \, \% относительной влажности). Это можно объяснить интенсивным набуханием SBR4 в воде, вызванным дестабилизацией полимерной сетки через воду. Максимальное напряжение сдвига Ac2 снизилось до 69% от исходного значения в результате инкубации композита в воде. Для этого полимера также наблюдалось сильное увеличение массы пленки в NaOH из-за образования кристаллов на полимерном покрытии.Для комнатной температуры с хранением воды и хранением при относительной влажности 65% наименьшее изменение максимального напряжения сдвига может наблюдаться для SBR3, который показывает наименьшее увеличение массы или набухание за 28 дней во всех инкубационных средах (вода, а также NaOH. как вяжущий раствор). Для различных полимерных систем была обнаружена связь между понижением температуры стеклования и повышением влажности, а также набуханием [41] [42]. Что касается механических характеристик покрывающих полимеров после инкубации в воде, наблюдалось снижение τmax, которое, очевидно, было вызвано T _g и вызвано набуханием полимера.

В отличие от образцов, хранящихся при относительной влажности 65%, максимальное напряжение сдвига заметно снижается в результате инкубации в горячей воде (95 ° C с инкубацией в воде). Эти эффекты явно вызваны присутствием воды и ее агрегатными состояниями. Следовательно, для образцов, инкубированных в воде, можно разумно предположить эффект замораживания при -20 ° C из-за образования кристаллов льда из свободной воды в композите. Кристаллы льда также образовывались на границе раздела между бетоном и пропитанной нитью, что усиливало связь между этими компонентами.Таким образом, обеспечивается усиливающий эффект на границах раздела многокомпонентных систем, тогда как τ _max было как минимум удвоено, за исключением SBR4 с увеличением всего на 27%. Для связанной с этим работы по вытяжке при температуре –20 ° C / мокрая было обнаружено значительное влияние образования льда. Можно предположить, что образование кристаллов льда увеличивает жесткость и снижает (разрушающую) вязкость межфазной поверхности пряжи и бетона. Таким образом, происходит более хрупкое / менее вязкое разрушение механизмов сцепления во время вытягивания, сопровождающееся более высокими максимальными напряжениями сдвига (см. Рисунок 8).

Для определенного модуля сцепления и, следовательно, для описания упругих свойств композита нельзя было сделать вывод ни о влиянии T _g полимеров, ни о полярной поверхностной энергии. Чтобы дополнительно охарактеризовать поведение соединения, была рассчитана удельная работа отрыва при деформации скольжения 0,5 мм W _0,5 между углеродной нитью с покрытием и бетоном. При 95 ° C значения достигли минимума для обоих типов погружения, то есть при относительной влажности 65% и в воде.Можно предположить, что при этой температуре, поскольку проходит T _g , между углеродным волокном и бетоном происходит вязкая скользящая деформация молекул полимера. Описанный значительный эффект можно было особенно наблюдать для всех полимеров (Ac1, SBR2, SBR3 и PU), у которых T _g уже превышалась в условиях комнатной температуры. В этом случае уменьшенная удельная работа по вытяжке была рассчитана при + 20 ° C / 65% относительной влажности (данные не показаны). Таким образом, поскольку Ac2 демонстрирует высокую T _g , но низкую полярную поверхностную энергию (Таблица 4), можно предположить, что существует сильное влияние T _g на удельную работу отрыва.Это согласуется со сравнительно высоким усилием вытягивания SBR4 при + 20 ° C / 65% относительной влажности, который имеет второе место по величине T _г . Здесь можно было наблюдать хорошую пропитку покрытием, а также хорошее сцепление неорганической матрицы с пропитанной нитью. SBR4 служит примером (рисунок 9).

Кроме того, следует принимать во внимание, что постоянное набухание полимера вызывает уменьшение количества воды в области поверхности раздела между покрытием пряжи и окружающим неорганическим матричным материалом, который присутствует в процессе твердения бетона.Здесь недостаток воды потенциально ослабляет эту границу раздела из-за менее затвердевшего бетона, что приводит к уменьшению максимального напряжения сдвига, как показано для SBR1, SBR2 и SBR3. В этом случае температура стеклования уже пройдена, и для определения прочности связи необходимо учитывать только эффекты набухания.

4. Заключение

После инкубации в воде или щелочных растворах на водной основе температура стеклования исследуемых полимеров не изменяется. Полимеры с краевым углом смачивания для воды <45 ° C демонстрируют высокую полярную поверхностную энергию.После одной недели инкубации в водных растворах большинство исследованных систем достигли равновесного состояния увеличения массы. Однако для некоторых полимеров наблюдалось дальнейшее набухание в различных растворах, которое совпадает с остатками или ростом кристаллов, подтвержденными с помощью изображений SEM. Можно было наблюдать четкую взаимосвязь между максимальным напряжением сдвига, измеренным в испытании на вытягивание пряжи, и температурой стеклования и ее набуханием. Чем выше стеклование

Рисунок 9.Изображение на растровом электронном микроскопе образца для испытаний на вытягивание: вытянутая пряжа CF с покрытием SBR4 с остатками неорганической матрицы.

, тем выше прочность связи между исследуемой нитью с полимерным покрытием и бетонной матрицей, которая снижается из-за высокой влажности. Другим очень важным параметром является удельная работа на вытягивание, которая вместе с полученной полной кривой силы-скольжения делает испытание на вытягивание одиночного волокна ключевым инструментом для проверки качества полимерных покрытий углеродных нитей с точки зрения их сцепления с бетонная матрица в текстильном железобетоне.По результатам этого исследования термомеханические характеристики как никогда важны для бетона, армированного углеродным волокном. Поэтому дальнейшие исследования будут проводиться в области термомеханических свойств покрытий на пряжах, а также в области покрытий, устойчивых к высоким температурам.

Благодарности

Федеральное министерство образования и исследований, C ³ ―Углеродно-бетонный композит BMBF, 03ZZ0302A выражает признательность.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Цитируйте эту статью

Круппке И., Батлер М., Шнайдер К., Хунд Р.-Д., Меччерин В. и Шериф К. (2019) Бетон, армированный углеродным волокном: зависимость от связующего. Прочность по T _г полимера для пропитки пряжи. Материаловедение и приложения, 10, 328-348. https://doi.org/10.4236/msa.2019.104025

Ссылки

1. 1. Меччерин В. (2013) Новые композиты на цементной основе для усиления и ремонта бетонных конструкций. Строительные и строительные материалы, 41, 365-373.https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.11.117


2. 2. Brameshuber, W. (2006) Report rep036: Отчет RILEM TC 201-TRC о современном состоянии текстильного железобетона. Спрингер, Берлин.


3. 3. Бузел, Дж. П. и Шилд, К. К. (2006) Руководство по проектированию и строительству конструкций, армированных стержнями из стеклопластика. Комитет ACI 440.


4. 4. Дворкин Д. и Пелед А. (2016) Влияние армирования углеродными тканями, пропитанными наночастицами, на поведение при растяжении композитов на цементной основе.Цементные и бетонные композиты, 85, 28-38. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2016.03.008


5. 5. Ли, К., Боначчи, Дж. Ф., Томас, MDA, Мааледж, М., Хаджепур, С., Хирн, Н., Пантазопулу, С. и Шейх, С. (2000) Ускоренная коррозия и ремонт железобетонных колонн с использованием полимерных листов, армированных углеродным волокном. Канадский журнал гражданского строительства, 27, 941-948. https://doi.org/10.1139/l00-030


6. 6. Хаусдинг, Дж., Энглер, Т., Клейке, Р. и Шериф, К.(2008) Производство текстильной арматуры для бетона с высокой производительностью и почти чистой формой.


7. 7. Дай, З., Ши, Ф., Чжан, Б., Ли, М. и Чжан, З. (2011) Влияние проклейки на свойства поверхности углеродного волокна и межфазную адгезию волокон / эпоксидной смолы. Прикладная наука о поверхности, 257, 6980-6985. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.03.047


8. 8. Тан, Л.-Г. и Кардос, Дж. Л. (1997) Обзор методов улучшения межфазной адгезии между углеродным волокном и полимерной матрицей.Полимерные композиты, 18, 100-113. https://doi.org/10.1002/pc.10265


9. 9. Капплер, И., Маттай, П. и Шериф, К. (2014) Проблемы с адгезией для новой ткани без обжима и модификация поверхности углеродных волокон Использование оксифторирования. Международный журнал химической, ядерной, материаловедческой и металлургической инженерии, 8, 1390-1395.


10. 10. Шеффлер, К., Гао, С.Л., Плонка, Р., Мадер, Э., Хемпель, С., Батлер, М., Мехтчерин, В. (2009) Межфазная модификация щелочно-стойких стеклянных волокон и Углеродные волокна для текстильного железобетона I. Свойства и долговечность волокон.Композитная наука и технология, 69, 531-538. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.11.027


11. 11. Шеффлер, К., Гао, С.Л., Плонка, Р., Мадер, Э., Хемпель, С., Батлер, М. and Mechtcherine, V. (2009) Межфазная модификация щелочно-стойких стеклянных волокон и углеродных волокон для текстильного армированного бетона II: адсорбция воды и межфазные границы композитов. Composite Science and Technology, 69, 905-912. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.12.020


12. 12. Апичелла, А., Николай, Л., Астарита, Г. и Дриоли, Э. (1979) Влияние термической истории на сорбцию воды, упругие свойства и температуру стеклования эпоксидных смол. Полимер, 20, 1143-1148. https://doi.org/10.1016/0032-3861(79)-0


13. 13. Бо, Л. и Мэнсон, Дж .-А.Э. (1999) Дендритные гиперразветвленные полимеры как усилители жесткости эпоксидных смол. Полимер, 40, 2249-2261. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(98)00464-9


14. 14. Кац, А., Берман, Н. и Банк, Л.С. (1999) Влияние высокой температуры на прочность соединения арматуры FRP.Журнал композитов для строительства, 3, 73-81. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0268(1999)3:2(73)


15. 15. Алсайед, С., Аль-Саллум, Ю., Альмусаллам, Т., Эль-Гамаль , С. и Акель, М. (2012) Характеристики армированных стекловолокном полимерных стержней при повышенных температурах. Композиты: Часть B, 43, 2265-2271. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.01.034


16. 16. Круппке И., Хунд Р.-Д. и Чериф, К. (2015) Проблема адгезии и кинетика отверждения в термореактивной матрице для гладкой ткани без швов.Текстильный исследовательский журнал, 1-12.


17. 17. Шайед, М.А., Хунд, Х., Хунд, Р.-Д. и Чериф, К. (2016) Термическая и окислительная защита углеродного волокна с помощью непрерывных жидкофазных прекерамических покрытий для высокотемпературных применений. Волокна и полимеры, 17, 229-240. https://doi.org/10.1007/s12221-016-5689-3


18. 18. Peled, CR, Mechtcherine, A., Hempel, V. и Schroefl Nadiv, S. (2017) Минеральное покрытие с микро- и наночастицами для улучшения свойств углеродных мультифиламентных нитей композитов на основе цемента.Композиты Часть B, 111, 179-189. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.12.005


19. 19. Шнайдер, К., Либольдт, М., Либшер, М., Фрелих, М., Хемпель, С., Батлер, М. ., Schrofl, C. и Mechtcherine, V. (2017) Покрытие на минеральной основе плазменно-обработанных углеродных волокон для композитов из углеродного бетона с улучшенными механическими характеристиками. Материалы, 10, 1-17. https://doi.org/10.3390/ma10040360


20. 20. Определение разрывной силы и удлинения при разрыве текстильной стекловолокна, ISO 3341: 2000-05, DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 2000.


21. 21. E.O. для Т.А. Европейская организация технических специалистов (2001) Bekanntmachung der Leitlinie für Aussenseitige Warmedamm-Verbundsysteme, Eidgenassisches Finanzdepartement EFD, Bundesamt für Bauten und Logistik BBL.


22. 22. Батлер, М., Мехтчерин, В. и Хемпель, С. (2009) Экспериментальные исследования прочности границ раздела волокно-матрица в текстильно-армированном бетоне. Цемент и бетонные композиты, 31, 221-231. https://doi.org/10.1016 / j.cemconcomp.2009.02.005


23. 23. Лоренц, Э., Шютце, Э., Шладиц, Ф. и Курбах, М. (2013) Textilbeton Grundlegende Untersuchungen im überblick. Beton-und Stahlbetonbau, 108, 711-722. https://doi.org/10.1002/best.201300041


24. 24. L.C. GmbH (2014) Lefasol VL 90/1.


25. 25. L.C. GmbH (2013) Lefasol VP 4-5 LF.


26. 26. L.C. GmbH (2015) Lefasol BT 83003-3.


27. 27. D. GmbH (2017) Dyckerhoff NANODUR® Compound 5941, zur einfachen Herstellung von UHPC.


28. 28. Kaelble, D.H. and Uy, K.C. (1970) Переосмысление взаимодействия органических жидкостей с поверхностью политетрафторэтилена. Журнал адгезии, 2, 50-60. https://doi.org/10.1080/0021846708544579


29. 29. Оуэнс, Д.К. и Wendt, R.C. (1969) Оценка свободной поверхностной энергии полимеров. Журнал прикладной науки о полимерах, 13, 1741-1747. https://doi.org/10.1002/app.1969.070130815


30. 30. Рабель В. (1977) Жидкие интерфейсы в теории и прикладных технологиях.Physikalische Blatter, 33, 151–156. https://doi.org/10.1002/phbl.19770330402


31. 31. S.Z. KG (2012) Technisches Merkbatt, CEM I 42,5 R, Портландцемент. Schwenk Zement KG.


32. 32. E.M. Inc. (2013) Лист данных по безопасности, Elkem Microsilika Textsuperscript®. Elkem Materials Inc.


33. 33. Батлер М. (2009) Dauerhaftigkeit von Verbundwerkstoffen aus Zementgebundenen Martices und AR-Glas-Multifilamentgarnen. Schriftenreihe des Institutes für Baustoffe Heft 2009/1.


34. 34. Кандау, С., Бастид, Дж. И Делсанти, М. (2005) Структурные, упругие и динамические свойства набухших полимерных сетей. Полимерные сети. Достижения в науке о полимерах, 48, 27-71.


35. 35. Мостафа А., Абудель-Касем А., Баюми М.Р. и Эль-Себайе М.Г. (2009) Влияние нагрузки технического углерода на поведение при набухании и сжатии резиновых смесей SBR и NBR. Материалы и дизайн, 30, 1561-1568. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.07.043


36. 36.Mootz, D. и Seidel, R. (1990) Zum System Natriumhy-droxid — Wasser Die Kristallstruktur der metastabilen Phase Beta-NaOH · 4h3O. Журнал неорганической и общей химии, 582, 162-168.


37. 37. Stehr, H. (1967) Neubestimmung der Kristallstrukturen des dimorphen Natriumhydroxids, NaOH, bei verschie-denen Temperaturen mit Rontgenstrahl und Neutronenbeugung. Zeitschrift für Kristallographie Crystalline Materials, 125, 332-359. https://doi.org/10.1524/zkri.1967.125.125.332


38. 38.Бучинский, К. и Чафец, Х.С. (1990) Привычка к бактериально индуцированным осадкам углерода кальция и влияние средней вязкости на минералогию. Журнал осадочной петрологии, 61, 226-233. https://doi.org/10.1306/D42676DB-2B26-11D7-8648000102C1865D


39. 39. Мелдрам, Ф.А. и Хайд, С.Т. (2001) Морфологическое влияние магния и органических добавок на осаждение кальцита. Журнал выращивания кристаллов, 231, 544-558. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)01519-6


40. 40.Кумар С., Кумар Р. и др. (2008) Механическая активация гранулированного доменного шлака и ее влияние на свойства и структуру портландского шлакового цемента. Цемент и бетонные композиты, 30, 679-685. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2008.05.005


41. 41. Kelley, F.N. and Bueche, F. (1961) Соотношения вязкости и стеклования для систем полимер-разбавитель. Journal of Polymer Science, 50, 549-556.