Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 32 )

Наполнители в пластических массах, снижая расход полимера, удешевляют пластмассы. Кроме того, структурируя полимерное связующее, они улучшают ряд технических свойств пластмасс: прочность, твердость, термостойкость, сопротивляемость усадке и ползучести и др.

Наполнители в зависимости от химической природы разделяют на органические и неорганические; в зависимости от формы и структуры – порошкообразные и волокнистые. В производстве полимерных композиционных материалов широко применяются органические и неорганические порошкообразные наполнители (древесная мука, отход целлюлозного производства – лигнин, микрослюда, кварцевая мука, тальк и т. д.).

Волокнистыми наполнителями служат целлюлозное, асбестовое и стеклянное,  а также синтетические (из капрона, нейлона, лавсана и др.) волокна.

Добавочные вещества. Введение пластификаторов (эфиры алифатических и ароматических кислот и алифатических спиртов, эфиры гликолей и эфиры фосфорной кислоты, эпоксидированные  и хлорированные соединения) позволяет улучшить условия переработки полимерных композиций, снизить их хрупкость. Добавки-стабилизаторы (антиоксиданты, термо - и светостабилизаторы) способствуют длительному сохранению свойств пластмасс в процессе их эксплуатации. Отвердители (сшивающие и вулканизующие агенты) обеспечивают процесс отверждения полимеров (формирование их пространственной структуры). Для получения окрашенных пластмасс используют пигменты. Стойкость пластмасс против возгорания повышают антипирены. Создание газонаполненных (ячеистых) пластмасс достигается с помощью порообразователей.

Все многообразие пластмасс в зависимости от назначения их в строительстве сводится к группам: конструкционным, кровельным, гидроизоляционным и герметизирующим; тепло - и звукоизоляционным; отделочным (покрытия полов и стен, лаки, краски, клеи и т. п.) материалам, а также материалам для инженерных коммуникаций. Основными конструкционными материалами на основе полимеров являются полимербетоны. К конструкционно-отделочным материалам относятся стеклопластики, бумажно-слоистые, угольные и другие пластики; древесноволокнистые и древесностружечные плиты (которые могут являться также конструкционно-теплоизоляционными материалами).

Полимербетоны – композиционные материалы, изготовляемые преимущественно на основе термореактивных полимеров: поли­эфирных, эпоксидных, фенолоформальдегидных, фурановых и др. Заполнители выбираются в зависимости от вида агрессивной среды эксплуатации. Для кислых сред получают полимербетоны на кислотостойких за­полнителях – кварцевом песке и щебне из кварцита, базальта или гра­нита. Используют также бой кислотоупорного кирпича, кокс, антра­цит, графит. Наиболее высокие физико-механические свойства полимербетоны имеют на эпоксидных смолах. Для уменьшения расхода и стоимости эпоксидных смол их модифицируют каменноугольной смолой (до 35-50 %). Широкое распространение получили полимербетоны на фурановых полимерах, которые модифицируют эпоксидны­ми смолами для улучшения свойств композиций.

Расход связующего составляет 100-200 кг на 1 м3 полимербетона при соотношении полимера к наполнителю 1:5-1:12 по массе. Технология при­готовления и уплотнения полимербетонов такая же, как и цементных. Термообработка при 40-80 °С значительно ускоряет процесс тверде­ния. Полимербетоны (полимеррастворы) хорошо склеиваются с це­ментным бетоном, поэтому их применяют для ремонта железобетон­ных конструкций. Для уменьшения хрупкости полимербетона применяют волок­нистые наполнители – асбест, стекловолокно и др. Полимербетоны отличаются от обычного цементного бетона не только химической стойкостью (особенно по отношению к кислотам), но и высокими показателями прочности, в особенности при растяжении (7-20 МПа) и изгибе (16-40 МПа). Прочность при сжатии достигает 60-120 МПа. Морозостойкость полимербетонов может иметь 200-300 и более циклов за­мораживания и оттаивания; теплостойкость 100-200 °С (до 300 °С). Но их стои­мость в несколько раз выше цементных бетонов.

Применяют полимербетоны для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, там, где высокая стоимость полимербето­нов будет оправдана. Отрицательными свойствами полимербетонов яв­ляются их большая ползучесть и старение, усиливающееся при действии попеременного нагревания и охлаждения. Не­обходимо соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, могущими вызвать ожоги. В частности необходимы хорошая вентиляция, обеспечение рабочих защитными очками, резиновыми рукавицами, спецодеждой.

Стеклопластики – это композиционные листовые материалы, из­готовляемые из стеклянных волокон или тканей, связанных по­лимером. Связующим веществом в стеклопластиках обычно служат феноло-формальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности стеклопластиков: на основе ориен­тированных волокон, рубленых волокон и тканей или матов. Стеклопластики с ориентированными волокнами (типа СВАМ – стекловолокнистого анизотропного материала) обладают большой прочностью (при растяжении до 1000 МПа), легкостью (их плотность 1,8-2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью делает их эф­фективным материалом для строительных конструкций, емкостей и труб. Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют в виде волокнистых или плоских листов на полиэфирном связующем, обладающим светопрозрачностью. Эти изделия применяют для уст­ройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегородок. Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани (стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком дав­лении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев трехслойных стеновых панелей. Этот же материал применяют для ус­тройства оболочек и других строительных конструкций. Стеклотекстолиты получают также прессованием пастообразной массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порош­кообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия.

Бумажно-слоистые пластики изготовляют из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанных фенолоформальдегидным или карбамидным полимером. Пластик выпускают в виде листов длиной 1000-3000 мм, шириной 600-1600 мм, толщиной 1-5 мм. Бумажно-слоистые пластики разнообразны по цвету и рисунку, хорошо обраба­тываются – их можно пилить, сверлить. Пластик тол­щиной до 1,6 мм крепят битумно-каучуковыми и другими мастиками, эпоксидными и резорциноформальдегидными клеями. Более толстые листы пластика крепят механическим способом.

11.4. Модификация строительных материалов полимерами

Одним из эффективных направлений улучшения свойств традици­онных материалов – бетона, дерева, естественного камня, битума и пр. – считается обработка их полимерами. Модификацию строитель­ных материалов полимерами осуществляют следующими приемами: введением полимеров в бетонную или растворную смесь при пере­мешивании; пропиткой полимерами готовых изделий; нанесением полимерных покрытий на поверхности; введением полимерных воло­кон и заполнителей.

Материалы, модифицированные полимерами, характеризуются повышением прочности при всех видах механического загружения, но особенно при растяжении; улучшением деформативных характе­ристик, выражающихся в уменьшении жесткости, несколько большей предельной деформативностью; повышенным сопротивлением дина­мическим воздействиям; повышением химической стойкости, водо­стойкости и водонепроницаемости; уменьшением истираемости; по­вышением адгезии, т. е. способности сцепляться с другим материалом.

Бетонополимеры – это затвердевшие бетоны, пропитанные поли­мером. Бетоны имеют микротрещины, каверны, пустоты, которые понижают его прочностные характеристики, снижают водостойкость и т. п. Для про­питки бетонных изделий используют жидкие мономеры, полимеры (эпоксидные и полиэфирные смолы) и различные компо­зиции на их основе. Современная технология производства бетонополимерных из­делий состоит из следующих операций: изготовление бетонных изде­лий обычным путем; высушивание при температуре 110 °С в течение 10-20 ч; вакуумирование бетона для удаления воздуха и паров воды из порового пространства; пропитка мономером под давлением; от­верждение мономера в порах бетона. Прочность бетонополимера на сжатие повышается в 2-10 раз по сравнению с исходным бетоном. Прочность на растяжение увеличи­вается в 3-10 раз. Соответственно возрастает его прочность на изгиб. Увеличиваются стойкость бетонополимеров в аг­рессивных средах, их водонепроницаемость и морозостойкость. Однако многоступенчатость технологии и потребность в специальном оборудовании для пропитки и отвержде­ния мономера повышают стоимость изделия, ограничивают их разме­ры.

В настоящее время разработан метод пропитки бетона в конструкции мономером – метилметакрилатом. При этом бетон просушивается до остаточной влажности 1-2 %, летучесть мономера снижается путем введения парафинов, и соот­ветствующие отвердители полимеризуют композицию в течение не­скольких часов. Этот метод успешно применен для восстановления железобетонных конструкций после аварийных ситуаций (например, Останкинской телебашни после пожара).

Полимерцементный бетон – это цементный бетон с полимерной добавкой 10-20 % от цементного вяжущего. От обычных цементных бетонов он отли­чается улучшенными свойствами за счет затвердевшего полимера, который, равномерно распределяясь в цементном камне, при достаточной концентрации создает дополнительную матричную основу – пространственную сетку.

В зависимости от вида минерального вяжущего различают полимерцементные, полимергипсовые и другие композиции (бетонные, растворные, в том числе сухие строительные смеси). Полимерными добавками служат различные высокомолекулярные органические соединения; наиболее распространенные из них – поливинилацетат (ПВА), латексы и другие полимеры в виде водоразбавляемых дисперсий.

Влияние полимерной добавки на прочность полимерцемента свя­зано с условиями твердения и видом полимера. Например, присутствие ПВА придает полимерцементному бетону высокую прочность при растяжении и изгибе, что проявляется только при твердении в воз­душно-сухих условиях (относительная влажность среды 40-50 %). В то же время прочность при сжатии полимерцементного бетона меньше, чем обычного бетона при твердении во влажных условиях (влажность 90-100 %). Такие же закономерности характерны и для полимерцементных бетонов с другими полимерными добавками.