Пластические массы

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 боль-

374

шей предельной деформативности; повышенным сопротивлением динамическим воздействиям благодаря проявлению свойств высокой эластичности полимеров; повышением химической стойкости, водо­стойкости и водонепроницаемости; уменьшением истираемости; по­вышением адгезии, т. е. способности сцепляться с другим материа­лом и служить в качестве клеящего состава. С этой же целью в древ­ности в известковые растворы добавляли творог, сыр, яйца, кровь животных ■— органические вещества.

Строительные материалы, модифицированные полимерами, можно полностью отнести к композиционным материалам. В дан­ном случае роль первичной фазы матрицы играет модифицированный материал, а роль вторичной фазы — полимерная добавка.

Ниже приводятся примеры модификации некоторых материалов полимерами.

Модификация бетонов

Полимерцементный бетон — это цементный бетон с полимер­ной добавкой, составляющей 10-20% от вяжущего. Правильнее це­ментно-полимерный бетон, но название укоренилось с начала при­менения таких бетонов (растворов). От обычных цементных бетонов он отличается повышенными свойствами за счет затвердевшего по­лимера, который, равномерно распределяясь в цементном камне, как бы армирует его. По виду минерального связующего могут быть со­ставы полимерцементные (портландцемент, пуццолановый и т. п.), полимеризвестковые и полимергипсовые.

Добавками служат различные высокомолекулярные органиче­ские соединения, наиболее распространенные поливинилацетат (ПВА), латексы, водорастворимые эпоксидные смолы и др. Добавки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении.

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

Усадка полимерцементных бетонов с добавкой ПВА и латексов в несколько раз выше, чем у обычного бетона. Такое увеличение усадки связано с процессом пленкообразования полимера. Пленка, обладая высокой адгезией к составляющим, стягивает скелет це­ментного камня и увеличивает тем самым общую усадку. Для соста­вов с водорастворимыми полимерами характерно снижение усадки по сравнению с обычными бетонами. Также уменьшаются деформа­ции ползучести, что объясняется повышенной плотностью бетона и уменьшением дефектов в структуре бетона.

Например, бетоны с водорастворимыми полимерами нормально­влажностного твердения способны выдержать 150...300 циклов по­переменного замораживания и оттаивания.

Полимерцементные бетоны имеют повышенную стойкость к действию морской воды и щелочей. Полимерцементные бетоны с ПВА удовлетворительно сохраняют свойства в маслах, керосине и других неполярных средах, но снижается прочность в жирах. По из­носостойкости полимерцементные бетоны превосходят цементный бетон в 15-20 раз.

Применяют полимерцементные бетоны для полов промышлен­ных зданий, ремонта дорожных и аэродромных покрытий, для замо - ноличивания стыков и заделки швов железобетонных конструкций, антикоррозионных покрытий и пр.

Бетонополимеры — это затвердевшие бетоны, пропитанные полимером. Бетоны имеют микротрещины, каверны, пустоты, кото­рые понижают его прочностные характеристики, снижают водостой­кость и т. п. В плотном бетоне объем пор может составлять 8-20%. Для пропитки используют жидкие мономеры (метилметакрилат или стирол), полимеры (эпоксидные и полиэфирные смолы) и различные композиции на их основе. Раньше, для повышения стойкости бетона применяли битумы, которыми пропитывали сваи, части фундамен­тов и др.

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 парового 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. С увеличением содержания полимера в бетоне прочность бетонопо­лимера возрастает. Увеличивается стойкость бетонополимеров в аг­рессивных средах и водонепроницаемость, морозостойкость может

превышать 5000 циклов. Однако многоступенчатость технологии и потребность специального оборудования для пропитки и отвержде­ния мономера повышает стоимость изделия, ограничивает размеры.

В настоящее время разработан метод пропитки бетона эксплуа­тируемых железобетонных конструкций мономером метилметакри­латом. При этом бетон просушивается до остаточной влажности 1- 2%, снижается летучесть мономера путем введения парафинов, и соответствующие отвердители полимеризуют композицию в течение нескольких часов.

Бетоны с полимерным заполнителем (фибробетон). В бетон вводят полимерные волокна, например, из полипропилена длиной до 100 мм. Полипропилен не смачивается и обладает водоотталкиваю­щими свойствами и поэтому в бетоне отсутствует физико­химическая связь. Сцепление волокон с бетоном носит механиче­ский характер. Бетон с полимерными волокнами характеризуется повышенной прочностью на изгиб и растяжение по сравнению с не - армированными бетонами: обладает малой деформативностью, по­вышенной трещиностойкостью, ударной прочностью, удовлетвори­тельной огнестойкостью. Применяется для чеканочных композиций, в дорожных покрытиях, сваях и др.

Введение в ячеистые бетоны гранул пенополистирола дает воз­можность получить теплоизоляционные материалы М300.. .400.

Бетоны с полимерными покрытиями. Бетонные и железобе­тонные конструкции проницаемы для жидкостей и газов, находя­щихся под давлением, не стойки против многих химически агрес­сивных сред, обладают высоким водопоглощением, плохими диэлек­трическими свойствами, имеют шероховатую поверхность. Для уст­ранения этих недостатков на поверхности бетона устраивают защит­ные покрытия.

К ним предъявляются следующие требования: высокое сцепле­ние с поверхностью бетона; высокая прочность, эластичность и тре - щиностойкость, низкая проницаемость для агрессивных сред; долго­вечность и экономичность.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют покры­тия на полимерной основе: лакокрасочные, мастичные, полимерце - ментные, пленочно-плиточные, листовые. Большое применение за рубежом нашли эпоксидные составы для мостовых, аэродромных покрытий, что защищает проезжую часть от износа.

Бетоны в пенопластовой опалубке. Для возведения стен мало­этажных домов применяют пустотелые блоки из пенополистирола, служащие опалубкой, в которую устанавливают арматуру и уклады­вают бетон. Таким образом получают слоистые монолитные железо­бетонные стены с теплоизоляцией. Поверхность стен затирают мас­тиками.

Модификация битумов

С течением времени при хранении и в эксплуатационных усло­виях под действием солнечного света и кислорода воздуха состав и свойства битумов изменяются: в них увеличивается относительное содержание твердых и хрупких составляющих и соответственно уменьшается количество маслянистых и смолистых фракций, в связи с чем повышается хрупкость и твердость (процесс старения).

Улучшить свойства битумов возможно путем совмещения их с полимерными добавками.

Полимербитумные материалы можно рассматривать как компози­ты, в которых роль матрицы играет битум, а дисперсной фазой явля­ется полимер. При небольших концентрациях полимера композиции можно рассматривать как дисперсно-упрочненные. При этом упроч­нение происходит за счет того, что тонкие дисперсные частицы пре­пятствуют распространению трещин в матрице. Такой эффект наблю­дается при содержании дисперсной фазы в размере 2—4% по объему. При большей концентрации полимера в битуме композиции можно рассматривать как волокнистые или смолистые. Матрица превращает­ся в среду, передающую нагрузку на волокна, а в случае их разруше­ния перераспределяет напряжения. Такие композиции характеризуют­ся повышенной прочностью, эластичностью и сопротивлением уста­лостному разрушению, что особенно необходимо для обеспечения эксплуатационной надежности материала, например полимербитум­ные композиции, модифицированные бутилкаучуком и полиэтиленом.

Полимербитумные связующие используются при изготовлении мастик, герметиков, рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов, а также гидротехнического асфальтополимербетона.

В асфальтополимербетоне в качестве полимерных добавок мож­но использовать различные каучуки. Такие бетоны применяются при устройстве противофильтрационных экранов на химических пред­приятиях и тепловых электростанциях.

В настоящее время освоено производство рулонных кровельных и гидроизоляционных полимербитумных материалов.

При введении гранул вспенивающегося полистирола в расплав битума или асфальта можно получить пенопласт, который будет ра­ботать как теплогидроизоляционный материал.

Древесина мягких лиственных пород, модифицированная поли­мерами, приобретает улучшенные свойства. По своим физико­механическим показателям она не уступает твердым лиственным породам, а иногда и превосходит их. Модификация таких пород, как береза, ольха, осина и тополь, позволяет значительно увеличить ресурсы древесины за счет продления срока ее службы и улучшения ее физико-механических свойств. Паркет, изготовленный из модифи­цированной низкосортной древесины, не уступает по свойствам паркету из дуба и ясеня.

Для модификации древесины применяются полимеры (феноло­альдегидные, резорцино-формальдегидные, мочевино-формальде - гидные, меламино-фармальдегидные, кремнийорганические, фура - новые, ненасыщенные полиэфиры) и мономеры (стирол, метилме­такрилат).

Технология модификации древесины состоит из двух процессов: пропитки древесины олигомерами или мономерами и их отвержде­ния. При пропитке древесины метилметакрилатом предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон возрастает в 3 раза, поперек волокон -— в 4—6 раз и ее истираемость снижается вдвое. При про­питке древесины фенолоспиртами (до 50-55%) предел прочности возрастает в 3 раза, достигая 180 МПа.

В результате модификации древесины фурановыми соединения­ми прочность древесины при сжатии повышается в 1,5-2 раза, твер­дость возрастает вдвое, прочность при статическом изгибе и скалы­вании вдоль волокон увеличивается незначительно, истираемость ее снижается в 1,5 раза, водопоглощение древесины снижается более чем вдвое.

Полимер, заполняющий полости клеток древесины, способству­ет повышению ее биохимической стойкости, снижению возгорания.

Модифицированная древесина обладает повышенной стойко­стью к действию агрессивных сред, что объясняется замедленной диффузией агрессивных жидкостей внутрь древесины, а также по­вышенной химической стойкостью пропитывающих полимеров.