Строительство. Растворы и бетоны

Полимерные и полимерцементные бетоны, растворы и мастики

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ БЕТОНАХ И РАСТВОРАХ

Полимербетоны (этим термином мы будем называть полимерные бетоны и растворы) представляют собой композиционные материалы, получаемые в результате твердения смесей, образованных полимерным связующим и заполнителем (мелким и крупным). Под полимерным связующим понимают композиции из жидковязких синтетических смол, модифицирующих, отверждающих и инициирующих добавок и тонкодисперсного наполнителя.

В полимербетонах в основном используют термореактивные смолы. В мастиках применяют как термореактивные смолы, так и термопласты в виде водных дисперсий (ПВА дисперсии, латексы СК и т. п.) и реже в виде растворов полимеров в органических растворителях (каучуковые мастики). В зависимости от вида полимерного связующего поли-мербетоны могут быть: фурановые, фурфурольные, полиэфирные, эпоксидные, фенолальдегидные, ацетоноформальдегидные и др.

Полимербетоны, содержащие арматуру, называются армополимер-бетонами. В зависимости от материала арматуры различают сталеполи-мербетон, стеклополимербетон и т. п. Арматура может быть в виде стержней и проволоки или отдельных волокон — дисперсная арматура. В качестве дисперсной арматуры используют отрезки тонкой проволоки, нити и волокна из стекла, горных пород и полимеров.

В армополимербетонах рационально раздельное армирование: бетона и связующего. Для армирования связующего используют короткие (1...2 мм) отрезки различных волокон. Такая микроарматура является как бы разновидностью микронаполнителей.

Полимерные растворы и бетоны как композиционные материалы рационально рассматривать на двух структурных уровнях: микроструктурном и макроструктурном. Микроструктурный уровень — структура связующего в полимербетонах (или структура полимерной мастики), макроструктурный уровень — структура, образуемая связующим и заполнителями.

Связующее полимербетонов — зто как бы микробетон, свойства которого зависят не только от свойств синтетической смолы, но и от дисперсности (характеризуемой удельной поверхностью), формы частиц, активности поверхности и других свойств наполнителя.

При изменении содержания наполнителя в связующем наблюдается существенное изменение прочности связующего ( 4, а). На первый взгляд может показаться, что наибольшей прочностью должна обладать чистая (без наполнителя) полимерная смола. В действительности максимальная прочность связующего наблюдается при довольно большом содержании наполнителя: 30...50% от объема связующего. При этом поверхность всех его частиц оказывается смоченной смолой, а между частицами наполнителя образуется сплошная полимерная структура (матрица) из затвердевшей смолы в виде пространственно развитой пленки (зона II). В этом случае на прочность образующейся композиции полимер — наполнитель большое влияние оказывают смачиваемость наполнителя смолой и адгезия затвердевшего полимера к поверхности наполнителя, т. е. поверхностные свойства наполнителя.

При дальнейшем увеличении содержания наполнителя непрерывность полимерной матрицы нарушается и прочность связующего убывает (зона III).

Повышенная прочность связующего при оптимальном наполнении по сравнению с чистой смолой или связующим с малым содержанием наполнителя (зона Г) объясняется двумя причинами. Во-первых, большинство смол при твердении проявляют усадку, вызывающую появление внутренних напряжений и микротрещинообразование в твердеющем полимере, что снижает его прочность. Во-вторых, в тонких слоях на границах полимер — наполнитель наблюдается упорядочение структуры образующегося полимера, сопровождающееся повышением его прочностных свойств.

Для каждого конкретного вида связующего и наполнителя существует своя оптимальная степень наполнения. Она зависит не только от природы смолы и наполнителя, но и в большой степени от дисперсности наполнителя, характеризующейся его удельной поверхностью S ( 4, б). Для одного и того же наполнителя с повышением его удельной поверхности оптимальное количество наполнителя уменьшается, а прочность связующего оптимального состава возрастает. Так, связующее на полиэфирной смоле, наполненной тонкомолотым кварцем с удельной поверхностью 2500 и 3100 см2/г, имело соответственно оптимальные степени наполнения (соотношение наполнитель : смола) 2,3 и 1,6, а прочность связующего 105 и 120 МПа.

Эти зависимости объясняются одновременным влиянием двух факторов. С одной стороны, для наполнителей с большей удельной поверхностью необходимо большее количество смолы для полного смачивания поверхности, но с другой — увеличение удельной поверхности способствует возрастанию доли более прочных контактных слоев полимера в общем объеме связующего.

Введение в состав связующего дисперсной арматуры повышает расход смолы на 10...15%, но при этом существенно повышаются физико-механические показатели связующего за счет армирующего эффекта наполнителя.

Применение наполнителей с очень высокой дисперсностью приводит к возрастанию пористости связующего за счет воздухововлекаю-щего действия наполнителя. Так, при увеличении удельной поверхности наполнителя с 0,1 до 10 мг/г пористость связующего возрастает в четыре раза; при этом изменяется и характер пористости - увеличивается средний размер пор. При определенной дисперсности наполнителя ослабление связующего из-за повышения пористости может свести на нет повышение его прочности за счет увеличения удельной поверхности наполнителя.

Повышенная пористость ухудшает стойкость полимербетонов к истиранию, что особенно важно при применении их для устройства покрытий пола. Дня повышения прочности и износостойкости смеси перед укладкой вакуумируют, что позволяет поднять прочность полимер-бетона на 20...25 %.

Применительно к мастикам наполнитель играет еще одну важную роль: он придает смеси тиксотропные свойства. Это значит, что в покое (например, после нанесения на поверхность) мастичная смесь имеет высокую вязкость и предельное напряжение сдвига и напоминает по свойствам твердое тело, а в процессе нанесения ее структура разрушается механическим воздействием инструмента и мастика разжижается.

При выборе материала для наполнителей большое значение имеет его химический и минеральный состав. Наполнитель должен хорошо противостоять действию тех агрессивных растворов, в контакте с которыми придется находиться полимербетону. Так как отвердителями многих полимерных продуктов являются кислоты (например, фура-новые смолы отверждаются бензосульфокислотой, серной кислотой и т. п.), то в таких связующих нельзя применять известняки, мел, доломиты и другие не стойкие к кислотам горные породы. Природа наполнителя заметно влияет на прочность связующего. Так, например, полимербетон на фурфуролацетоновом мономере с наполнителем из пирита или роговой обманки имеет прочность при сжатии 75...85 МПа (при разрушении бетона наблюдается раскалывание зерен наполнителя, а не отслоение их от полимера), а при наполнении базальтом, гранитом, лабрадоритом прочность составляет лишь 30...50 МПа.

В том случае, когде не требуется кислотостойкость, хорошие результаты дает наполнение эпоксидных и полиэфирных смол молотым доломитом,   мелом, тальком.  Эффективными  наполнителями  карбамидных смол являются полуводный гипс и фосфогипс, связывающие воду из смолы.

Дня получения связующих с высокими физико-механическими показателями целесообразно проводить физико-химическую модификацию поверхности наполнителей. Одна из задач модификации наполнителей — удаление тончайшей пленки воды, адсорбированной поверхностью частиц наполнителя. К образованию водной пленки на поверхности склонны все гидрофильные вещества. Водная пленка на поверхности частиц наполнителя затрудняет твердение смолы в пограничных слоях, т. е. ослабляет структуру твердеющего вяжущего в самых ответ-стенных местах.

Традиционный способ модификации наполнителей, используемый в технологии полимерных материалов, - обработка их ПАВ, которые, адсорбируясь на поверхности частиц, изменяют гидрофильно-гидрофобные свойства последних. Дня таких целей применяют катионоак-гивные и неионогенные ПАВ и кремнийорганические соединения. Поверхность наполнителя можно модифицировать также предварительной обработкой смолами или другими компонентами связующих, а также фторированием поверхности наполнителей. Модификация поверхности производится при совместном помоле наполнителя и модификатора, ультразвуковой обработке их смеси и другими методами, позволяющими активизировать поверхность наполнителя.

Для получения облегченных полимерных связующих выпускают специально изготовленные наполнители в виде полых микросфер со средней плотностью частиц 0,2...0,45 г/см3; прочность связующего с микросферами падает незначительно, но существенно понижается его теплопроводность.