Construction MaterialsConstruction MaterialsСтроительные материалы0585-430X2658-6991Stroymaterialy63597910.31659/0585-430X-2024-821-1-2-100-109Modern concretesСовременные бетоныResearch ArticleAnalysis of Properties of Polymer Composites with Various Types of FillersАнализ свойств полимерных композитов с различными типами наполнителейYerofeyevV. T.ЕрофеевВ. Т.
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering)

д-р техн. наук

erofeevvt@bk.ruAfoninV. V.АфонинВ. В.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Engineering)

канд. техн. наук

vvafonin53@yandex.ruZotkinaM. M.ЗоткинаМ. М.
Réunion

Candidate of Sciences (Engineering)

канд. техн. наук

zotkina.mm@yandex.ruStenechkinK. S.СтенечкинаК. С.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Engineering)

канд. техн. наук

stenechkina522@mail.ruTyuryakhinaT. P.ТюряхинаТ. П.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Engineering)

инженер

Kitana1908@mail.ruLazarevA. V.ЛазаревА. В.
Russian Federation

Candidate of Sciences (Engineering)

канд. техн. наук

laz@mail.ruNational Research Moscow State University of Civil EngineeringНациональный исследовательский Московский государственный строительный университетScientific-Research Institute of Building Physics of RAACSНаучно-исследовательский институт строительной физики РААСНNational Research Mordovia State UniversityНациональный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва070220241-21001091209202412092024Copyright ©; 2024,Copyright ©; 2024, ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"2024ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ"https://journals.eco-vector.com/0585-430X/article/view/635979

The processes of structure formation of composite building materials (KSM) on different polymer binders are presented. It is shown that one of the most significant components of KSM are fillers, which help to improve their structural and operational characteristics. This work is devoted to the analysis of the results of an experimental study of the properties of epoxy composites with fillers having various elastic-plastic and strength properties. The research was carried out in three stages: at the first stage, studies were conducted aimed at assessing the influence of the nature of the filler on the curing processes of KSM; at the second, the influence of the type of filler and its quantitative content on the strength of composites was established, at the third, compositions were optimized using fillers with different indicators of grain composition and elastic-plastic properties. Powders of glass, dolomite, thermolite, and diatomite were considered as fillers at the first and second stages of the research, and powders of glass, ceramics, and chalk were considered at the second stage. The research at the third stage was carried out using mathematical methods of experiment planning with the construction of a planning matrix for a complete factor experiment and the determination of the values of the response functions relative to the encoded factors. The physico-mechanical properties, degree of curing, and chemical resistance of filled epoxy CCM have been established. On the basis of artificial neural networks, the maximum properties of the studied composites with fillers were determined. An assessment of structural properties based on rank correlation is also proposed. The results of the research can be used to predict the properties of KSM, as well as to clarify the extreme parameters of the properties. The dependences of changes in the properties of polymer composites on the surface characteristics, the dispersion of fillers and the degree of filling were established; preferred fillers for epoxy composites were determined; fillers were determined to assess the effect of elastic surface properties of composites, allowing to improve the strength and deformability of polymer composites; regression models were obtained based on a complete factorial experiment; an assessment of the «structural stability» of the studied composites using Pearson, Kendall, Spearman rank correlation; On the basis of artificial neural networks, the extreme properties of the studied composites with fillers were determined, neural networks.

Приведены процессы структурообразования композиционных строительных материалов (КСМ) на полимерных связующих. Показано, что одним из наиболее значимых компонентов КСМ являются наполнители, которые позволяют улучшить их структурных и эксплуатационных характеристики. Работа посвящена анализу результатов экспериментального исследования свойств эпоксидных композитов с наполнителями, обладающими различными прочностными и упругопластическими свойствами. Исследования выполнены в три этапа: на первом этапе проведена оценка влияния природы наполнителя на процессы отверждения КСМ; на втором – установлено влияние вида наполнителя и его количественного содержания на прочность композитов; на третьем – проведена оптимизация составов с применением наполнителей с различными показателями зернового состава и упругопластических свойств. В качестве наполнителей на первом и втором этапах исследований рассматривались порошки стекла, доломита, термолита, диатомита, а на третьем – порошки стекла, керамики и мела. Исследования на третьем этапе проводились с использованием математических методов планирования эксперимента с построением матрицы планирования для полного факторного эксперимента и определением значений функций отклика относительно кодированных факторов. Установлены степень отверждения, физико-механические свойства; химическая стойкость наполненных эпоксидных КСМ. На основе искусственных нейронных сетей были определены максимальные свойства исследуемых композитов с наполнителями. Предложена также оценка структурных свойств на основе ранговой корреляции. Результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования свойств КСМ, а также для уточнения экстремальных показателей свойств. Установлены зависимости изменения свойств полимерных композитов от характеристик поверхности, дисперсности наполнителей и степени наполнения; определены предпочтительные наполнители для эпоксидных композитов; для оценки влияния упругих поверхностных свойств композитов определены наполнители, позволяющие улучшить показатели прочности и деформируемости полимерных композитов; получены регрессионные модели на основе полного факторного эксперимента; сделана оценка «структурной устойчивости» исследованных композитов с помощью ранговой корреляции Пирсона, Кендалла, Спирмена; на основе искусственных нейронных сетей определены экстремальные показатели свойств исследуемых композитов с наполнителями. Результаты исследований могут быть использованы для уточнения экстремальных показателей и прогнозирования свойств КСМ.

polymer composite materialsepoxy resinshardenersfillersexperiment planningstrengthmodulus of elasticityrank correlationprobability of a null hypothesisneural networksполимерные композиционные материалыэпоксидные смолыотвердителинаполнителипланирование экспериментапрочностьмодуль упругостиранговая корреляциявероятность нулевой гипотезынейронные сетиKarpenko N.I., Karpenko S.N., Yarmakovsky V.N., Erofeev V.T. On modern methods of ensuring the durability of reinforced concrete structures. ACADEMIA. Arhitektura i stroitel’stvo. 2015. No. 1, pp. 93–102. (In Russian).Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаков- ский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций. ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93–102.Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Kozomazov V.N. Polimernye kompozicionnye materialy [Polymer composite materials: textbook]. Moscow: ASV, 2013. 480 p.Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. М.: АСВ, 2013. 480 с.Sokolova Yu.A. Epoksidnyye polimerbetony, modifitsirovannyye neftyanymi bitumami, kamennougol’noy i karbamidnoy smolami i aminoproizvodnymi soyedineniyami / pod. red. Yu.A. Sokolovoi, V.T. Yerofeyeva [Epoxy polymer concretes modified with petroleum bitumen, coal and urea resins and amino derivatives / under. ed. by V.T. Erofeev]. Moscow: Paleotype, 2008. 244 p. смолами и аминопроизводными соединениями / Под ред. Ю.А. Соко- ловой, В.Т. Ерофеева. М.: Палеотип, 2008. 244 с.Соколова Ю.А. Эпоксидные полимербетоны, модифицированные нефтяными битумами, каменноугольной и карбамидной смолами и аминопроизводными соединениями / Под ред. Ю.А. Соко- ловой, В.Т. Ерофеева. М.: Палеотип, 2008. 244 с.Erofeev V., Tyuryakhin A., Tyuryakhina T. Flat space of values of volume module of grain composite with spherical fill-lem. International Journal of Civial Engineering and Technology (IJCIET). 2019. Vol. 10 (8), pp. 333–342.Ma P.C., Mo S.Y., Tang B.Z., Kim J.K. Dispersion, interfacial interaction and re-agglomeration of functionalized carbon nanotubes in epoxy composites. 2010. Carbon. Vol. 48. Iss. 6, pp. 1824–1834. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.01.028Rahmat M., Hubert P. Carbon nanotube-polymer interactions in nanocomposites: A review. Composites Science and Technology. 2011. Vol. 72. Iss. 1, pp. 72–84. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.10.002Kathi J., Rhee K.Y., Lee J.H. Effect of chemical functionalization of multi-walled carbon nanotubes with 3-aminopropyltriethoxysilane on mechanical and morphological properties of epoxy nanocomposites. Composites. Part A. Applied Science and Manufacturing. 2009. Vol. 40. Iss. 6, pp. 800–809. DOI: 10.1016/j.compositesa.2009.04.001Rafiee M., Rafiee J., Srivastava I. Fracture and fatigue in graphene nanocomposites. Nano. Micro. Small. 2010. Vol. 6. Iss. 2, pp. 179–183. https://doi.org/10.1002/smll.200901480Sun L., Gibson R.F., Gordaninejad F., Suhr J. Energy absorption capability of nanocomposites: a review. Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. Iss. 14, pp. 2392–2409. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.06.020Tang L.Ch., Zhang H., Han J. Fracture mechanisms of epoxy filled with ozone functionalized multi-wall carbon nanotubes. Composites Science and Technology. 2011. Vol. 72, pp. 7–13. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.07.016Ni Y., Chen L., Teng K., Shi J. Superior mechanical properties of epoxy composites reinforced by 3D interconnected graphene skeleton. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7. Iss. 21, pp. 11583–11591. DOI: 10.1021/acsami.5b02552Rahman R., Haque A. Molecular modeling of crosslinkedgraphene-epoxy nanocomposites for characterization of elastic constants and interfacial properties. Engineering. Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 54, pp. 353–364. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2013.05.034Qiao R., Brinson L.C. Simulation of interphase percolation and gradients in polymer nanocomposites. Composites Science and Technology. Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. Iss. 3–4, pp. 491–499. DOI: 10.1016/j.compscitech. 2008.11.022Ayatollahi M.R., Shadlou S., Shokrieh M., Chitsazzadeh M. Effect of multi-walled carbon nanotube aspect ratio on mechanical and electrical properties of epoxy-based nanocomposites. Polymer Testing. 2011. Vol. 30. Iss. 5, pp. 548–556. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2011.04.008Hamming L., Qiao R., Messersmith P., Brinson L.C. Effects of dispersion and interfacial modification on the macroscale properties of TiO2 polymer-matrix nanocomposites. Composites Science and Techno- logy. 2009. Vol. 69, Iss. 11–12, pp. 1880–1886. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.04.005Yang S., Yu S., Woomin K., Do-Suck H., Maenghyo C. Multiscale modeling of size-dependent elastic properties of carbon nanotube/polymer nanocomposites with interfacial imperfections. Polymer. 2012. Vol. 53. Iss. 2, pp. 623–6332012. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.11.052Erofeev V.T., Afonin V.V., El’chishheva T.F., Zotkina M.M., Erofeeva I.V. Using scanned images to assess salt formation on the surface of cementitious composites. Vestnik MSUCE. 2020. Vol. 15. No. 11, pp. 1523–1533. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2020.11.1523-1533Ерофеев В.Т., Афонин В.В., Ельчищева Т.Ф., Зоткина М.М., Ерофеева И.В. Использование отсканированных изображений для оценки солеобразования на поверхности цементных композитов. Вестник МГСУ. 2020. Вып. 15. № 11. С. 1523–1533. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.11.1523-1533Erofeev T., Likomaskina M., Afonin V., Likomaskin A., Tolmacheva V., Kotlyarskaya I. Microbiological resistance of sand-bitumen concrete. AlfaBuild. 2022. Vol. 25. Iss. 5. 2503. doi: 10.57728/ALF.25.3Maksimova I.N., Erofeeva I.V., Afonin V.V., Emelya- nov D.V. Assessing the quality of cement composites exposed to a temperature-aggressive environment using interpolation and correlation. Vestnik MSUCE. 2021. Vol. 16. Iss. 11, pp. 1473–1482. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2021.11.1473-1482Максимова И.Н., Ерофеева И.В., Афонин В.В., Емельянов Д.В. Оценка качества цементных композитов, подвергнутых воздействию температурно-агрессивной среды, с использованием интерполяции и корреляции // Вестник МГСУ. 2021. Вып. 16. № 11. С. 1473–1482. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.11.1473-1482Erofeeva I.V, Afonin V.V., Fedortsov V.A., Emelyanov D.V. Research of behavior of cement composites in conditions of high humidity and variable positive temperatures. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 972 (1). 012052. DOI:10.1088/1757-899X/972/1/012052Tarasyuk I.A., Kravchuk A.S. Narrowing of the Voigt-Reuss «Fork» in the theory of elastic, structurally inhomogeneous, on average, isotropic composite bodies without the use of variational principles. APRIORI. Series: Natural and technical sciences. 2014. No. 3, p. 8. (In Russian).Тарасюк И.А., Кравчук А.С. Сужение «Вилки» Фойгта–Рейсса в теории упругих структурно-неоднородных в среднем изотропных композиционных тел без применения вариационных принципов. APRIORI. Сер.: Естественные и технические науки. 2014. № 3. С. 8.Gumenyuk A.N., Polyanskikh I.S., Petrunin S.M., Shevchenko F.E., Pervushin G.N. Multifunctional layered composite material used in construction. Vestnik MSUCE. 2021. Vol. 16. No. 6, pp. 688–697. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.688-697Гуменюк А.Н., Полянских И.С., Петрунин С.М., Шевченко Ф.Е., Первушин Г.Н. Многофункцио- нальный слоистый композиционный материал, используемый в строительстве. Вестник МГСУ. 2021. Вып. 16. № 6. С. 688–697. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.688-697Safarov A.R., Dorozhinsky V.B., Andreev V.I. Implementation of a numerical model of concrete CSCM for domestic classes of concrete. Vestnik MSUCE. 2023. Vol. 18. No. 4, pp. 545–555. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2023.4.545-555Сафаров А.Р., Дорожинский В.Б., Андреев В.И. Реализация численной модели бетона CSCM для отечественных классов бетона. Вестник МГСУ. 2023. Вып. 18. № 4. С. 545–555. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.4.545-555Urkhanova L.A., Buyantuev S.L., Urkhanova A.A., Lkhasaranov S.A., Ardashova G.R., Fediuk R.S. et al. Mechanical and electrical properties of concrete modified by carbon nanoparticles. Magazine of Civil Engineering. 2019. Vol. 8. No. 92, pp. 163–172. DOI: 10.18720/MCE.92.14Yakovlev G., Vít Č., Polyanskikh I., Gordina A., Pudov I., Gumenyuk A., Smirnova O. The effect of complex modification on the impedance of cement matrices. Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 3. 557. DOI: 10.3390/ma14030557Lam N.D.T., Samchenko S.V., Lam T.V., Shvetso- va V.A. Optimization of the proportions of a composite binder containing multicomponent additives. Vestnik MSUCE. 2023. Iss. 18. No. 3, pp. 427–437. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.427-437Лам Н.Д.Т., Самченко С.В., Лам Т.В., Швецо- ва В.А. Оптимизация пропорций композици- онного вяжущего, содержащего многокомпонентные добавки. Вестник МГСУ. 2023. Вып. 18. № 3. С. 427–437. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.427-437Omidi M., Milani A.S., Seethaler R., Arasteh R. Prediction of the mechanical characteristics of mul- ti-walled carbon nanotube/epoxy composites using a new form of the rule of mixtures. Carbon. 2010. Vol. 48. Iss. 11, pp. 3218–3228. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.05.007Omidi M., Milani A.S., Seethaler R., Arasteh R. Prediction of the mechanical characteristics of mul-ti-walled carbon nanotube/epoxy composites using a new form of the rule of mixtures. Carbon. 2010. Vol. 48. Iss. 11, pp. 3218–3228. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.05.007Lazarev A.V., Kaznacheev S.V., Erofeev V.T., Bredikhin V.V., Khudyakov V.A. Optimization of compositions of filled epoxy composites in terms of strength indicators. Izvestiya of the Southwestern State University. Series: Equipment and technology. 2012. No. 2–3, pp. 235–239. (In Russian).Лазарев А.В., Казначеев С.В., Ерофеев В.Т., Бредихин В.В., Худяков В.А. Оптимизация составов наполненных эпоксидных композитов по прочностным показателям. Известия Юго-Западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. 2012. № 2–3. С. 235–239.Erofeev V.T., Volgina E.V., Kaznacheev S.V., Kreto- va V.M. Research on the strength of vinylester composites. Izvestiya of the Southwestern State University. Series: Equipment and technology. 2013. No. 4, pp. 81–88. (In Russian).Ерофеев В.Т., Волгина Е.В., Казначеев С.В., Кретова В.М. Исследование прочности винил- эфирных композитов. Известия Юго-Западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. 2013. № 4. С. 81–88.Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Kozomazov V.N. Fizika i sinergetika dispersno-neuporyadochennykh kondensirovannykh kompozitnykh sistem [Physics and synergetics of dispersed disordered condensed composite systems]. St. Petersburg: Nauka. 2012. 473 p.Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем. СПб.: Наука, 2012. 473 с.Gibbons J.D. Nonparametric Statistical Inference. New York. Basel: CRC Press. 2010. 652 p.Kim I., Balakrishnan S., Wasserman L. Robust multivariate nonparametric tests via projection averaging. Annals of Statistics. 2020. Vol. 48. Iss. 6, pp. 3417–3441. https://doi.org/10.48550/arXiv.1803.00715Pan W., Tian Y., Wang X., Zhang H. Ball divergence: nonparametric two sample test. Annals of Statistics. 2018. Vol. 46. Iss. 3, pp. 1109–1137. DOI: 10.1214/17-AOS1579Kotlyar M., Fuhrman S., Ableson A., Somogyi R. Spearman correlation identifies statistically significant gene expression clusters in spinal cord develop- ment and injury. Neurochemical Research. 2004, pp. 1133–1140. DOI: 10.1023/a:1020969208033Kobzar A.I. Prikladnaya matematicheskaya statistika. Dlya inzhenerov i nauchnykh rabotnikov [Applied mathematical statistics. For engineers and scientists]. Moscow: Fizmatlit. 2006. 816 p.Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: Физматлит, 2006. 816 с.