1.4 Полимербетоны

1.4.1 Общие сведения

Полимербетоны, в которых в качестве вяжущих используются полимерные связующие, заменяют минеральные цементы.

Полимербетоны представляют собой высоконаполненные композиции высокомолекулярных веществ или мономеров, химически стойких заполнителей и тонкомолотых наполнителей. Для ускорения твердения и улучшения свойств, применяют отвердители, пластификаторы и другие добавки. Воды в этих бетонах нет. Заполнители и наполнители должны быть сухими. В противном случае прочность бетона резко уменьшается.

Основные свойства полимербетонов зависят от следующих факторов: от химической природы полимерных связующих, от вида содержания мелкодисперсной фракции наполнителей.

Крупные фракции заполнителей (песок и щебень) выполняют роль скелета и влияют на основные физико-механические свойства в меньшей степени, но они естественно должны обладать высокой прочностью, иначе окажутся наиболее слабым звеном.

Широкому применению полимерных материалов в строительной индустрии способствуют следующие факторы: высокая химическая стойкость, хорошие декоративные свойства, сравнительная простота применения, технологичность.

Полимерные материалы сравнительно дороги и дефицитны, поэтому применение их в строительстве наиболее рационально в виде высоконаполненных композиций. Это означает, что 90-95% от массы полимербетона составляют наполнители и заполнители и лишь 5-10% приходится на долю связующего. У обычного бетона доля вяжущего вещества значительно выше.

300 → 12,5%

400 → 17%

450 → 19%

Высокая степень наполнения позволяет резко снизить усадку полимербетона, повысить модуль упругости. Усадка полимербетона становится равной усадке цементных бетонов.

Разработаны составы тяжелых полимербетонов со средней плотностью 2200-2400 кг/ с пределом прочности при сжатии от 40 до 160 МПа:

- для фенолоформальдегеодных смол 40-60 МПа

- для карбамидных смол 50-80 МПа

- для полиэфирных смол 80-120 МПа

- для фураново-эпоксидных смол до 160 МПа

1.4.2 Характеристика материалов для полимербетонов

Полимерные связующие

Полимерные связующие - это синтетические и природные органические вещества, способные самопроизвольно или под действием различных факторов (веществ - отвердителей, температуры) переходить из жидкого состояния в твердое. Причем как в жидком состоянии, так и после отвердевания они имеют хорошую адгезию к другим материалам.

Полимерные связующие в исходном состоянии могут быть мономерами - (низкомолекулярные, молекулярная масса которых до 100), олигомерами - (средние, молекулярная масса до 1000) и высокомолекулярными веществами с молекулярной массой 1000. Все они в процессе отвердевания переходят в высокомолекулярные полимерные вещества.

Среди синтетических полимеров отдельную группу составляют каучуки, характеризующиеся очень большой деформативностью и высокоэлластичными свойствами. Поэтому их называют эластомерами.

В зависимости от отношения к нагреванию (и потенциальной способности к укрупнению молекул) различают термопластичные и термореактивные полимерные вещества.

Термопластичные вещества при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают. Такие переходы могут повторяться много раз. К ним относятся: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, природные смолы: канифоль, битумы, дегти.

У термореактивных веществ переход из жидкого состояния в твердое происходит необратимо. Линейные молекулы соединяются в пространственные сетки - макромолекулы. Такое необратимое твердение происходит под действием нагревания. Отсюда и термин «термореактивность». Кроме того они могут отвердевать при добавке отвердителей и ионизирующего излучения.

В таблице 1 приведены некоторые представители синтетических связующих.

Таблица 1 Полимерные связующие

Термореактивные	Термопластичные
Фурановые: фурфуролацетановые ФА, ФАМ	Полиэтилен (-С - С )n
Полиэфирные ПН-1	Полипропилен n
Фенолоформальдегидные (ФФС) СФЖ	Полистирол n
Ацетоноформальдегидные АЦФ	Поливинилацетат n
Мочевиноформальдегидные (карбамидные)	Полиметилметакрилат n
Эпоксидные

Фурановые смолы наиболее дешевые. Получают их при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде (ФА). Отверждают в присутствии катализаторов (сульфакислот), в качестве которых используют бензосульфокислоту. При нормальной температуре и с подогревом. Оптимальное количество бензосульфокислоты 20…30% массы (ФА). В строительстве получили наибольшее распространение.

Эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6 отверждаются добавкой полиэтиленполиамина (10…12% массы смолы). Для улучшения деформативной способности этих смол вводят пластификаторы, например, дибутилфталат (15…20% массы смолы). Наибольшей прочностью обладают бетоны на эпоксидной смоле до 100 МПа на сжатие и до 12Мпа на растяжение. Для таких бетонов также характерны хорошая химическая стойкость, водостойкость, стойкость к истиранию, высокая клеящая способность. Но стоимость таких бетонов высока в 10 – 15 раз выше стоимости обычного тяжелого бетона.

Наполнители и заполнители

Наполнители - дисперсные порошки (минеральные или полимерные) с размером частиц менее 0,15 мм и удельной поверхностью 2500-5000 /г.

Они оказывают огромное влияние на свойства наполненных полимеров. Степень влияния наполнителей на те или иные свойства полимерных композиций зависит от:

- химического состава

- дисперсности и формы частиц

- состояния поверхности

- процентного содержания и других факторов

При небольшом количестве наполнителей уменьшается плотность упаковки, при слишком большом количестве (200-300%) свойства наполненной композиции также ухудшаются из-за неполного смачивания связующим поверхности наполнителей (рис.12)

Р ис. 12. Зависимость прочности полимербетона от количества наполнителя

При оптимальном наполнении (140-160%) повышение прочности объясняется двумя причинами:

- уменьшение усадки, вызывающей появление внутренних напряжений и снижение прочности полимера.

- на границе полимер-наполнитель происходит упорядочение структуры образующего полимера.

Для одного и того, же наполнителя с повышением его удельной поверхности оптимальное количество наполнителя уменьшается, а прочности возрастает. Наиболее распространенные наполнители: порошки андезита, диабаза, цемента, графита, кварца.

Химическая природа наполнителя оказывает значительное влияние на различные свойства наполненной композиции. При этом должны соблюдаться два важных условия:

- высокая адгезия полимерного связующего к поверхности наполнителя (и следовательно природа связей на границе полимер - твердое тело)

- совместимость наполнителей и заполнителей с отвердителями и катализаторами.

Так, наполнители и заполнители, имеющие щелочную реакцию; не пригодны для полимербетонов на основе фурановых, фенолформальдегидных и других смол, отверждаемых кислотными катализаторами.

Для полимербетонов на полиэфирных, ацетoнформальдегидных смолах, эпоксидных такого ограничения практически нет.

По химическому составу наполнители делятся на четыре основные группы:

- кремнеземистые (кварцевый песок, аэросил и др.)

- карбонатные и основные (доломит, диабаз и др.)

- углеграфитовые (кокс, графит)

- водные силикаты алюминия и магния (каолин и тальк)

К заполнителям относится песок с крупностью зерен до 5мм и щебень (гравий) с крупностью зерен до 40 мм.

Гранулометрический состав щебня подбирается таким образом, чтобы создать плотную упаковку в процессе формования.

При этом размер зерен и их насыпная плотность выбираются с учетом размеров изделий и конструкций и их средней плотности.

Заполнителями служат андезит, базальт, графит, кварц и другие породы в виде песка и щебня.

В составе легких полимербетонов применяют аглопорит, керамзит, перлит, шунгизит, туфы, пемзы и другие искусственные и естественные пористые заполнители. Для улучшения тиксотропных свойств растворов применяют сажу, поливинилхлорид, аэросил.

Примечание: андезиты, диабазы, базальты - плотные излившиеся горные породы, состоят в основном из полевых шпатов (алюмосиликатов натрия, калия и кальция).

1.4.3 Технология полимербетонов

Первый этап - подготовка сырьевых материалов. Влажность наполнителей и заполнителей должна быть не более 0,5%. Это объясняется тем, что прочность и другие свойства полимербетонов резко падают при использовании влажного заполнителя. Тончайший слой воды на частицах заполнителя ухудшает твердение полимерного вяжущего, снижает его адгезию к ним (рис.2).

Поэтому заполнители и наполнители сушат в сушильных установках при температуре 80...110 . Затем обязательно охлаждают до нормальной температуры. Перемешивание - в стандартных бетоносмесителях. Сначала готовится связующее с наполнителем, а затем оно вводится в подготовленную смесь заполнителей.

Продолжительность перемешивания заполнителей со связующими -1,5...2 минуты.

Смеси отличаются большей вязкостью, липкостью, требуют более интенсивного уплотнения (вибрирования с пригрузом).

Смазочные составы - (эмульсол, графитовый порошок, сажа).

Полимербетоны могут твердеть при нормальной температуре, но долго (до 100...300 суток). Лучше их прогревать при температуре 80...100 . Влага не нужна она влияет отрицательно.

Рис. 13. Влияние влажности наполнителя на прочность

полимербетона на основе фурилового спирта

1.4.4 Применение полимербетонов

Полимербетоны, предназначенные для изготовления несущих строительных конструкций, производят главным образом на основе термореактивных смол, а термопластичные полимеры в большинстве случаев используют для получения полимербетонов, которые применяют в защитных облицовках в виде декоративно-отделочных материалов.

Полимербетоны используются для изготовления труб, коллекторов, емкостей для хранения агрессивных жидкостей, при строительстве подводных сооружений, ремонте и восстановлении строительных конструкций. Новым и весьма эффективным является употребление полимербетонов (вместо металла), для изготовления корпусов редукторов, центробежных насосов, а также станин высокоточных станков.

Имеется опыт в Краснодарском крае применения полимербетонов на керамзитовом заполнителе для устройства полов животноводческих помещений. Полы - теплые, животные меньше болеют и дают больший привес, чем на холодных полах.

Повышенная ползучесть и недостаточная температурная стойкость (100-160 ) ограничивают применение полимербетона в несущих конструкциях зданий.