ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на форуме.
 

Механические свойства доделочных полиакрилатных масс для памятников из камня

Емельянов Д.Н., Волкова Н.В., Шеронова О.И., Баженова Н.Н.

Введение

Доделочные массы для реставрации памятников из камня представляют собой тиксотропные высоконаполненные растворы полимеров, которые при застывании должны обладать высокой адгезионной и механической прочностью [1].

Цель данной работы состояла в изучении влияния одноосного сжатия на прочностные свойства твердых доделочных масс из глины, цементно-песчаных смесей и гипса, содержащих разные полимерные связующие.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования служили твердые образцы из глины, гипса и цементно-песчаных смесей, полученные из высоконаполненных растворов поли(мет)акрилатов. Наполнителями служили красная глина, характеристики которой приведены в таблице 1, гипс строительный марки Г-7 А-1 (ГОСТ 125—79), а также цементно-песчаная смесь, состоящая из 90 мас. % речного песка с размером частиц < 0,5 мм и 10 мас. % портландцемента марки М-400 (ГОСТ 10178-85). Количество наполнителя в исходных доделочных массах составляло 40, 60 и 70 % от объема раствора полимера.

В качестве связующих использовали полибутилметакрилат (ПБМА) с молекулярной массой М = 3,5 x 105 и сополимер бутилметакрилата с 5 мас. % метакриловой кислоты (БМК-5). Данные сополимеры получены в промышленных условиях методом суспензионной полимеризации. Растворителем этих полимеров служил ацетон. Использовали для приготовления доделочных масс также водные растворы сополимера метакриловой кислоты с ее натриевой солью СПЛ (MAK-NaMAK) с соотношением звеньев в макроцепи соответственно 21:79 (мас. %). Сополимер (MAK-NaMAK) был получен в лабораторных условиях методом растворной полимеризации в воде. Содержание полимеров в высоконаполненных растворах соответствовало 5, 9, 12 и 16 мас. %.

Твердые образцы доделочных масс приготавливали путем смешения 18 мл раствора полимера с определенным количеством сухого мелкодисперсного наполнителя. Массу тщательно перемешивали в ступке, а для того, чтобы она в дальнейшем не вытекала из цилиндрической формы без дна часть растворителя предварительно удаляли путем его испарения. Затем полученную густую массу закладывали в поставленные на стекло полиэтиленовые формочки диаметром 40 мм и высотой 20 мм. Высушивали образцы доделочных масс при комнатной температуре до постоянного веса.

Таблица 1. Характеристики глины

Химический состав Гранулометрический состав
Формула Содержание, мас. % Название частиц Размер частиц, мм Содержание, мас. %
SiO2 72-82 Песчаные до 0,006 5,1-8,1
Fe2O3 2-5 Пылеватые 0,06-0,01 62,1-60,6
Аl2О3 8-13 0,01-0,005 3-4,8
MgO 1,3-2,6 Глинистые 0,005-0,001 3-8,4
CaO 1,4-2,0 0,001 24,4-30,6
SO3 0,2-0,6

Прочностные свойства полученных твердых образцов доделочных масс при одноосном сжатии оценивали с помощью машины ЭПС-10Т при комнатной температуре (~23°С), определяя зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε). Скорость сжатия образцов составляла 2 т/мин по 10 т шкале. Напряжение рассчитывали по формуле (1):

σ=P/10 x S, (1)

где σ — напряжение, МПа; Р — нагрузка, кгс; S — площадь поперечного сечения образца, см2.

Результаты и их обсуждение

Доделочные массы для реставрации памятников из камня можно рассматривать как гетерогенные композиции, свойства которых определяются свойствами и объемным соотношением компонентов (наполнителя и полимера), формой и размером дисперсных частиц, морфологией системы и характером взаимодействия фаз по границе раздела [2].

Так как морфология глиняных, гипсовых и цементно-песчаных образцов отличается друг от друга, то и характер разрушения при сжатии этих образцов различен. На рис. 1 приведены деформационно-прочностные кривые сжатия глиняных образцов, содержащих различное количество полимерного связующего — БМК-5.

Известно [3], что основным свойством глин является их пластичность. Из данных рис. 1 видно, что исследуемые глиняные образцы ведут себя как пластичные материалы, обладающие пределом текучести (σт) и накапливающие большую остаточную деформацию до момента разрушения. Однако, также как и у пенопластов [2], предел текучести можно назвать кажущимся, так как, по всей вероятности, он обусловлен разрушением пористой структуры, а не истинной пластичностью композита. Видно также, что в присутствии полимера в образцах появляется упругая деформация. И мгновенный модуль упругости (Е0), который выражается геометрически тангенсом угла (α1 и α2) наклона прямой мгновенноупругих деформаций (начальный участок кривой деформирования) тем выше, чем больше полимера находится в образце (табл. 2).


Рис. 1. Зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии образцов глины, полученных из ацетоновых растворов БМК-5. Концентрация полимера в растворе, мас. %: 1 — 0; 2 — 5; 3 — 9; 4 — 12; 5 — 16. Содержание глины в образцах составляет 70 % от объема раствора полимера.

Таблица 2. Деформационно-прочностные характеристики образцов доделочных масс, содержащих сополимер БМК-5, при одноосном сжатии

Концентрация раствора полимера, из которого получены образцы, мас. % Образцы Е0-102, МПа Е-102, Мпа σ пр,
Мпа
σ т,
Мпа
σ упр,
%
Sполз,
%
εп,
%
0 Глиняные -   3,0 -   15,0
5 - 730   3,0 -   52,0
9 - 1000   5,0 -   52,0
12 70 1000   6,0 3,0   52,0
16
300 1000   21,0 3,0   50,0
0 Цементно - песчаные 160   1,5   0,4 4,6 5,0
5 160   1,5   0,4 4,6 5,0
9 160   7,0   3,1 4,9 8,0
12 160   9,0   5,1 4,9 10,0
16 160   16,0   8,1 1,9 10,0
0 Гипсовые 100   14,5   8,0 21,0 29,0
5 -   1,0   - 15,0 15,0
9 -   1,2   - 8,0 8,0
12 100   3,0   4,0 2,0 6,0
16 100   3,5   4,0 3,0 7,0

На предельной стадии сжатия напряжение резко возрастает вследствие полного разрушения пор и контакта их стенок друг с другом. Следует отметить, что при этом образцы не разрушаются, а приобретают упругие свойства, характеризуемые высокими значениями модулей упругости (ЕОк), рассчитанные по тангенсу углов (α3, α4 и α5,6) наклона прямых к конечным участкам кривых сжатия.

Совершенно иной характер разрушения наблюдается при сжатии цементно-песчаных образцов, также содержащих БМК-5 (рис. 2). Цементно-песчаные образцы с 90 % содержанием речного песка являются модельными системами бетона. Бетон же — это композиционный материал, матрицей в котором является цементный камень. Считается, что механизм разрушения бетона принципиально не отличается от механизма разрушения цементного камня. Цементный камень, в свою очередь, является также композиционным материалом. Матрицей в нем служит кристаллический сросток (упругий каркас), образованный сросшимися кристаллогидратами гидроокиси кальция, гидроалюминатами и гидроферритами кальция, эттригитом. Наполняющим сросток является тоберморитовый гель, дисперсной фазой в котором являются частички Са(ОН)2 коллоидной степени дисперсности и коогуляционно контактирующие друг с другом. Кроме того, в цементном камне существуют поры преимущественно в виде сообщающихся тонких капилляров и очень мелких (не более 50Å) пор в тоберморитовом геле [4]. В результате такого строения цементного камня полная его деформация складывается из упругой деформации кристаллического сростка и деформации ползучести, которая обусловлена способностью тоберморитового геля к вязкому течению под действием напряжений от внешней нагрузки. Именно такой характер разрушения цементно-песчаных образцов наблюдается на кривых (рис. 2).

Нисходящая ветвь на кривых характеризует деформацию, возникающую при разрушении образца, когда вследствие слияния отдельных микротрещин образуются магистральные трещины. Присутствие полимера тормозит рост магистральных трещин. На деформационно-прочностных кривых (рис. 2) наблюдается предел прочности (εпр).

Полная деформация (εп). бетона описывается уравнением (2) [4]:

εп = εупр + εполз, (2)

где εупр — мгновенноупругая деформация; εполз — деформация ползучести, за время действия нагрузки.

Мгновенноупругая деформация определяется соотношением (3):

εупр = σ0 / E0, (3)

где σ0 — напряжение в момент действия упругой деформации; E0 — мгновенный модуль упругости.


Рис. 2. Зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии цементно-песчаных образцов (ЦПО-90), полученных из растворов БМК-5 в ацетоне. Концентрация полимера в растворе, мас. %: 1 — 5; 2 — 0; 3 — 9; 4 — 12; 5 — 16. Содержание наполнителя 60 % от объема раствора полимера.

Из данных рис. 2 и табл. 2 видно, что модуль упругости исследуемых цементно-песчаных образцов не зависит от содержания в них полимера БМК-5. Рассчитанные по уравнению (3) величина упругой деформации и по уравнению (2) величина деформации ползучести, а также предельное напряжение, при котором происходит разрушение (σпр) цементно-песчаных образцов, приведены в табл. 2. Из данных табл. 2 следует, что с повышением содержания полимера в цементно-песчаных образцах их прочность и упругая деформация возрастают. Ползучесть образцов также возрастает, но при достаточно большом содержании БМК-5 она резко снижается. Повышение упругой деформации и снижение ползучести цементно-песчаных образцов свидетельствует о том, что в присутствии БМК-5 происходит укрепление кристаллического сростка цементного камня. Это укрепление связано, очевидно, с образованием водородных связей между звеньями метакриловой кислоты в макромолекулах сополимера и кристаллогидратами цементного камня. Кроме того, по всей вероятности, за счет полимера улучшается также сцепление цементного камня с наполнителем — речным песком.

Изучение деформационных свойств гипсовых образцов показало, что сухой гипсовый камень ведет себя под нагрузкой как упруго-хрупкое тело. Однако даже сорбционное увлажнение (0,5—1,0 %) сухого гипсового образца способствует проявлению под действием нагрузок значительных пластических деформаций (ползучесть) [5]. Из данных, приведенных на рис. 3, можно наблюдать на деформационно-прочностных кривых гипсовых образцов развитие как упругой деформации, так и деформации ползучести. Особенно это заметно проявляется на образце, не содержащем полимер и полученным из водного раствора (рис. 3, кривая 5).

Из рис. 1—3 следует, что прочностные характеристики исследуемых образцов растут с увеличением в них содержания полимерного связующего. Это вполне закономерно, во-первых, потому что снижается пористость твердой доделочной массы и во-вторых, усиливаются контакты между частицами наполнителя за счет полимерной прослойки между ними. Другими словами, в наполненной композиции контакты между твердыми частицами наполнителя дополняются контактами полимер — полимер и полимер — наполнитель, которые по сравнению с первыми являются более прочными, если, конечно, между частицами наполнителя отсутствует химическое взаимодействие [6]. Этими двумя причинами можно объяснить также повышение прочности твердых доделочных масс, полученных из растворов с одинаковым содержанием полимера, при снижении в них содержания наполнителя (рис. 4).

Следовательно, чтобы повысить прочность доделочной массы, необходимо либо увеличить концентрацию полимерного раствора, из которого получают эту массу, либо снизить содержание наполнителя в растворе. Однако последняя операция сопровождается снижением вязкости жидкой доделочной массы, что затруднит процесс нанесения ее в места утрат реставрируемого памятника.

Данные рис. 5 показывают, что присутствие в (со)полимере звеньев метакриловой кислоты повышает прочностные свойства доделочных масс на основе цементно-песчаных смесей. Аналогичная зависимость прочностных свойств от состава метакриловых сополимеров получена и для гипсовых образцов. Причиной этого, как уже отмечалось выше, может быть образование водородных связей между звеньями метакриловой кислоты полимерного связующего и кристаллогидратами цементного и гипсового камня.

Для образцов из глины, как видно из рис. 6, эта зависимость выражена слабо. Наоборот, присутствие хрупкого сополимера (MAK-NaMAK) снижает прочность глиняных образцов и делает их хрупкими (рис. 6, кривая 3).

Следовательно, чтобы получить доделочные массы с высокими деформационно-прочностными свойствами из глины рекомендуется использовать сополимер бутилметакрилата с невысоким содержанием метакриловых звеньев — БМК-5, а для доделочных масс из цементно-песчаных смесей и особенно из гипса — водорастворимый сополимер метакриловой кислоты с ее натриевой солью.

Выводы

Установлено:

1. Глиняные доделочные массы ведут себя как упруго-пластичные материалы, а цементно-песчаные и гипсовые массы наряду с упругостью проявляют ползучесть и обладают пределом прочности.

2. Прочностные свойства исследуемых доделочных масс определяются соотношением компонентов: наполнитель — полимер. Увеличение содержания полимера или снижение содержания наполнителя сопровождается повышением прочностных характеристик доделочных масс.

3. Наличие в макроцепи полимерного связующего звеньев метакриловой кислоты способствует повышению прочности твердых образцов доделочных масс из глины, гипса и цементно-песчаных смесей.


Рис. 3. Зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии образцов из гипса, полученных из растворов БМК-5 в ацетоне. Концентрация раствора полимера, мас. %: 1 — 5; 2 — 9; 3 — 12; 4 — 16; 5 — 0. Содержание гипса — 60 % от объема раствора полимера.

Рис. 4. Влияние содержания наполнителя на зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии глиняных образцов, полученных из 9 мас. % растворов БМК-5 в ацетоне. Содержание наполнителя, % от объема раствора: 1—40; 2—60; 3—70.

Рис. 5. Влияние состава полимера на зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии цементно-песчаных образцов (ЦПО-90), полученных из 9 мас. % растворов 1 — ПБМА; 2 - БМК-5; 3 - СПЛ (MAK-NaMAK). Содержание наполнителя — 60 % от объема раствора полимера.

Рис. 6. Влияние состава полимера на зависимость напряжения (σ) от величины деформации (ε) при сжатии глиняных образцов, полученных из 9 мас. % растворов: 1 — БМК-5; 2 — ПБМА; 3 — СПЛ (MAK-NaMAK). Содержание наполнителя — 60 % от объема раствора полимера.

Примечания

1. А. С. Антонин. Консервация и реставрация каменной скульптуры. Методические рекомендации. М., 1985.

2. Е . Lawrence Nielsen. Mechanical Properties of Polymers and Composites. New York, 1974 (Перевод с английского П. Г. Бабаевского. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М., 1978.)

3. А. В. Воробьев. Лабораторный практикум по общему курсу строительных материлов. М., 1972.

4. А. Е. Шейкин, Ю. В. Чеховский, М. И. Бруссер. Структура и свойства цементных бетонов. М., 1979.

5. А. В. Вол-женский, А. В. Ферронская. Гипсовые вяжущие изделия. М., 1974.

6. Ю. С. Липатов. Физическая химия наполненных полимеров. М., 1977.

Первоисточник: 
Исследования и консервация культурного наследия. Материалы научно-практической конференции. 12-14 октября 2004 г. ГосНИИР; М., 2005
 
 
 
 
Ошибка в тексте? Выдели ее мышкой и нажми   Ctrl  +   Enter  .

Стоит ли самостоятельно реставрировать непрофессионалу? (2018)


  1. Технические операции требуют профессиональных навыков.

  2. Представить ход работы - это одно, а сделать - совсем другое.

  3. Не каждому памятнику пригодны стандартные методики реставрации и хранения.

  4. Некоторые методики устарели из-за выявленных деструктивных последствий.

  5. Неверно подобранные материалы сразу или в будущем нанесут вред памятнику.

  6. Если возвращаете памятнику утраченную красоту, то сохраняете ли его подлинность?

________________

В этих и во многих других вопросах разбирается только квалифицированный специалист!
  • Вам в помощь на сайте представлены эксперты и мастера реставраторы.
  • Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на нашем форуме.
  • Обучайтесь под непосредственным руководством опытного наставника.

 

Что Вы считаете ГЛАВНЫМ в процессе реставрации? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)

«Дружба — личные взаимоотношения между людьми, основанные на общности интересов и увлечений, взаимном уважении, взаимопонимании и взаимопомощи». (Дружба—Википедия)

«Знакомство — отношения между людьми, знающими друг друга». (Знакомство—Викисловарь)

ЕЖЕГОДНЫЙ КОНКУРС ЛУЧШИХ РАБОТ ВЕРНИСАЖА И ВЕБ-ПОРТФОЛИО
Система Orphus

Если вы обнаружили опечатку или ошибку, отсутствие текста, неработающую ссылку или изображение, пожалуйста, выделите ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет отправлено администратору сайта.