ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Перспективы развития технологии полимербетонных изделий и конструкций

Анализ опыта крупносерийного производства армопо - лимербетонных изделий и конструкций, выполненный в НИИЖБе и Гипроцветмете, позволил определить основ­ные направления разработки более современной техно­логии изготовления армополимербетонных изделий и конструкций.

В двенадцатой пятилетке будут продолжены исследо­вания по получению полимербетонов па новых видах связующих и отвердителей, в том числе по разработке более эффективных отвердителей для фурановых, кар - бамидных и фенолоформальдегидных связующих. В более широких объемах будут применяться различного вида суперпластификаторы, что позволит снизить про­должительность операции виброформования, а в ряде случаев перейти на литую технологию формования. Ис­пользование новых видов отвердителей и суперпласти­фикаторов позволит в более широких диапазонах регу­лировать жизнеспособность полимербетонных смесей, снизить расход полимерного связующего, получить более плотную структуру и соответственно более высокие фи - .зико-механические характеристики.

Практика показала, что широко используемые во мно­гих случаях серийные бетономешалки принудительного действия не отвечают предъявляемым требованиям как по производительности, так и по качеству получаемых полимербетонных смесей. Для этих целей более целесо­образны установки фирмы «Респекта», работающие по принципу непрерывного приготовления полимербетонных смесей, и аналогичные установки, разработанные в СССР, обеспечивающие более качественное приготовление по­лимербетонных смесей на полиэфирных, карбамидных, фенолоформальдегидных и других смолах. Работа такой установки, совмещенной с ЭВМ, позволит перейти на новый уровень приготовления полимербетонных смесей.

Виброформование в настоящее время является одним из основных способов получения армополимербетонных изделий и конструкций, при этом на производстве, как правило, используют стандартные виброплощадки с ча­стотой 50 Гц и амплитудой 0,3—0,5 мм.

Так как синтетические смолы обладают рядом специ­фических свойств: высокой вязкостью (во много раз превышающей вязкость воды, используемой в цементном вяжущем), значительной липкостью и когезионной проч­ностью,— то частота, амплитуда, длительность и направ­ленность колебаний, наиболее часто применяемые при виброформовании цементного бетона, менее эффективны при формовании изделий из полимербетонов и при ис­пользовании стандартных виброплощадок, во многих случаях необходимо применять пригруз и увеличивать время виброформования. Это приводит к усложнению технологии и увеличению энергозатрат,

Н. Б. Урьев и Н. В. Михайлов показали, что для ка­чественного уплотнения необходимо создать в высокона - полнеиных полимерных композициях скорость и напря­жения сдвига, соответствующие наименьшему значению эффективной вязкости [137]. Они считают, что с пози - гнііі фнзпки-хнмпческон механики наиболее эффективный способ создания таких условий — высокочастотное виб~ роформование с частотой до 10 000 кол/мин и амплиту­дой 0,2 мм. Однако развитие промышленности сборного железобетона показывает, что общая тенденция вибро­формования направлена на применение низкочастотного виброформования на виброплощадках типа ВРА-8, ВРА-15, имеющих частоту от 600 до 900 кол/мин и амп­литуду от 3 до 10 мм.

Исследования низкочастотного виброформования вы - соконаполненных композиций свидетельствуют, что та­кое формование достаточно эффективно для армополи - мербетонных конструкций и должно найти более широ­кое применение на вновь строящихся цехах и заводах.

Анализ различных способов отверждения полимербе - тонов показывает, что отвердение полимербетонов в обычных условиях при температуре 18—20°С в течение 28—30 сут не может обеспечить максимально возмож­ную полноту полимеризации полимерного связующего. Прогрев конструкций или изделий в течение 6—10 ч при 60—70°С после суточной выдержки в обычных условиях также не обеспечивает необходимую полноту отвержде­ния [105].

Предложенный автором способ — суточное отвержде­ние при 18—20°С и 20—24-часовой сухой прогрев при 80°С — позволил получить максимально возможную на практике степень полимеризации для широкой номен­клатуры армополимербетонных изделий и конструкций. Этот способ нашел применение на большинстве действу­ющих предприятий по производству таких конструкций. Однако общее время отверждения составляет 44—48 ч, что существенно усложняет технологический процесс и удорожает стоимость полимербетонных конструкций.

На основании многочисленных исследований предло­жен новый способ термообработки[15], который заключает­ся в следующем: после окончания формования полимер - бетонные изделия выдерживаются в форме при 18—■ 20°С в течение 1,5—2 ч. К этому времени под действием тепловыделения за счет экзотермической реакции поли­меризации полимерного связующего температура поли­мербетонной смеси повышается до 60—70°С. Разогретое изделие вместе с формой помещают в камеру термооб­работки, в которой температуру поднимают до 80°С. При этой температуре изделие выдерживается 16—18 ч, после чего температура плавно снижается до 20—25°С в тече­ние 3—4 ч (рис. 73).

Предложенный способ позволил сократить общее время отверждения более чем в 2 раза и существенно снизить расход энергии на разогрев остывших изделий при их помещении в камеру термообработки после су­точной выдержки по ранее принятому режиму. При та­ком способе полнота отверждения практически не отли­чается от показателей, характерных для ранее предло­женного режима отверждения. Необходимое условие применения этого способа — масса полимербетона, ук­ладываемая в одну форму, не должна быть меньше 450— 500 кг ( ~ 0,2 м5).

Для тонкостенных конструкций, имеющих большую поверхность теплоотдачи, и конструкций с небольшой массой полимербетона этот способ не имеет ограничений, но менее эффективен.

При производстве полимербетонов одним из наиболее энергоемких процессов является термообработка. Пере­ход па термообработку с использованием теплоты, полу­чаемой в результате саморазогрева полимербетонпой смеси, позволил сократить расход электроэнергии на
25—30%. Однако потенциальные возможности полимер - бетонных смесей далеко не исчерпаны, и первостепенное значение приобретает разработка такого процесса от верждения, который позволит полностью "ікззагься 01 термообработки в специальных камерах при сохранении всех необходимых характеристик полимербетонов.

Известно, что термореактивные синтетические смолы в процессе отверждения в зависимости от вида смолы выделяют от 250—300 до 420—580 кДж на 1 кг нена - полненной смолы или от 60 000 до 140 000 кДж на 1 м3 тяжелого полимербетона.

Саморазогрев цементных бетонов растянут во време­ни и происходит плавно в течение нескольких суток, что затрудняет использовать метод термоса при отверждении цементных бетонов. У полимер-бетонов реакции полиме­ризации или поликонденсации полимерного связующего протекают очень интенсивно и время саморазогрева со­ставляет 1,5—2 ч (рис. 74).

Такой характер кинетики саморазогрева полимербе - тонных смесей и значительное количество теплоты, выде­ляемой при этом, позволяют весьма эффективно исполь­зовать метод «термоса» для отверждения полимербетон - ных изделий и конструкций [113J.

Результаты экспериментальной проверки показали, что при отверждении полимербетонов на основе ФАМ и ПН-1 объемом 0,15—0,20 м3 в форме, изолированной фе - нольным пенопластом толщиной 100 мм, в результате саморазогрева температура полимербетонной смеси по­дымалась до 90—100°С и сохранялась на этом уровне более 24 ч. При формовании изделия объемом больше 0,2 м3 и отверждении с использованием метода «термоса» температура саморазогрева может превышать 100°С. При такой температуре саморазогрева в изделии воз­можно появление температурных трещин.

Для исключения трещинообразования предложен сле­дующий способ отверждения с использованием метода «термоса». Изделие объемом более 0,2 м3 формуют в обычной металлической форме и выдерживают в ней 1,5—2 ч. К этому времени в основном заканчиваются процессы экзотермических реакций полимерного связу­ющего, и смесь разогревается до максимально возмож­ной температуры для данного вида полимербетона н при­нятой массы. После этого форму устанавливают на тер - моизолпровапный поддон, накрывают крышкой «термо-
f

Са» (термоизолированным кожухом) и выдерживают в «термосе» 16—18 ч. Затем крышку снимают и изделие остывает до температуры 20—25°С (рис. 75).

Фнзико-механические свойства полимербетонов, от - верждениых методом «термоса», практически не отлича­ются от аналогичных свойств полимербетонов, прошед­ших термообработку по вышеописанным режимам.

Внедрение этого способа отверждения на вновь строя­щихся заводах позволит существенно снизить себестои­мость полимербетонных конструкций, сократить расход электроэнергии и снизить капитальные затраты на стро­ительство, так как отпадает необходимость в камерах термообработки.

Высокие диэлектрические характеристики полимербе­тонов (см. 5 главу) обусловливают высокую эффектив­ность использования энергии токов высокой частоты (ТВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ-энергии) для уско­ренного отверждения мелкоштучных полимербетонных изделий. При этом нагреваемый материал характеризу­ется в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью є и тангенсом угла диэлектрических по­терь tg$. Электрическая энергия, выделяемая в виде теп­лоты, пропорциональна произведению этих величин, и называется фактором или коэффициентом потерь К:

/C=>tgS. (74)

Удельная мощность, Рst выделяемая в каждом кубическом сантиметре материала вследствие возникно­вения диэлектрических потерь, определяется по формуле:

Ps =5,56Ј2/etgS - Ю-7 , (75)

Где Е—напряженность электрического поля в материале, кВ/см; /—частота, Гц.

Из выражения (75) следует, что если материал од­нороден и электрическое поле в нем равномерно, то вы­деление мощности, а следовательно, и нагрев будут про­ходить равномерно во всей массе материала. Мощность, выделяемая в материале, пропорциональна квадрату на­пряженности и частоте электрического поля, т. е. зави­сит от параметров поля. Но она пропорциональна также диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлек­трических потерь материала, т. е. зависит от электриче­ских свойств материала.

Следует иметь в виду, что для каждого материала

9 Зак. 251

Имеется предельное значение напряженности поля, и если ее превысить, то может произойти электрический пробой. В практике во избежание пробоев рабочую на­пряженность принимают в 1,5—2 раза меньше пробивной.

Экспериментальные ' исследования, выполненные в ЦНИИСКе, ЦНИИПодземшахтострое и НИИЖБе [75], показали, что при использовании серийных генераторов ТВЧ время полного отверждения полимербетонных ку­биков с ребром 50 мм составляет 25—30 мин. К недо­статку этого способа относится сравнительно большой расход электроэнергии, поэтому использование генера­торов ТВЧ в промышленности можно рекомендовать в основном для отверждения контрольных образцов.

Исследования влияния СВЧ-нагрева на скорость от­верждения полимербетонов, выполненные И. Д. Масла - ковым, свидетельствуют, что общее время СВЧ-нагревя полимербетонных смесей не превышает 3—4 мин (рис. 76). Характерная особенность СВЧ-нагрева — воз­можность получения достаточно высокой прочности при минимальном количестве отвердителя. Более продолжи­тельное воздействие СВЧ-нагрева (более 3—4 мин) сни­жает прочностные характеристики, особенно для соста­вов с повышенным содержанием отвердителя, что свиде­тельствует о появлении в образцах термической де­струкции.

На рис. 77 показаны результаты испытания полимер­бетонных образцов, которые формовались в обычных формах и после распалубки через 8—10 ч подвергались СВЧ-пагреву. Максимальные значения прочностных ха­рактеристик и модуля упругости полимербетонов были получены уже при трехминутном воздействии СВЧ-на­грева. При использовании СВЧ-нагрева расходуется зна­чительно меньше электроэнергии по сравнению с нагре­вом ТВЧ. К недостатку этого метода следует отнести отсутствие промышленных установок, пригодных для ис­пользования на предприятиях по производству полимер­бетонных изделий и конструкций.

В настоящее время изготовлена и проходит промыш­ленные испытания первая самоходная установка для ус­коренного отверждения полимербетонных покрытий в дорожном и аэродромном строительстве с помощью СВЧ-нагрева [151].

Вышеприведенные способы термообработки поли­мербетонных изделий и конструкций показывают пути

Существенного снижения энергозатрат на этой энергоем­кой операции. В то же время следует отметить, что для тонкостенных конструкций, имеющих небольшую массу и большую поверхность теплоотдачи, большинство из приведенных способов термообработки (кроме СВЧ-нагре­ва) недостаточно эффективно. К числу таких полимер­бетонных конструкций относятся декоративно отделоч­ные плиты, подоконные доски, лестничные марши, малые декоративные формы и др. Поэтому изыскание принци­пиально новых путей экономии энергозатрат на стадии термообработки весьма актуально.

Для решения этой проблемы весьма перспективно использование солнечной энергии в южных районах страны. Не останавливаясь подробно на принципиальных возможностях и экономической целесообразности исполь­зования энергии солнца для термообработки цементных бетонов, так как они достаточно подробно освещены в ряде работ, необходимо отметить, что в отличие от це­ментных бетонов полимербетоны требуют сухого про­грева, и в этом отношении использование энергии солнца наиболее предпочтительно.

В нашей стране наибольшее количество солнечной

9* Зак. 254

Энергии поступает в районах широт между 37 и 50° па­раллелями.

В солнечные дни на 1 м2 земной поверхности количе­ство солнечной энергии составляет на широте 37° ■—■ 4,2 кВт-ч и на широте 50° — 3,3 кВт-ч. Таким образом, в южных регионах страны практически на протяжении 8 мес можно получать значительное количество солнеч­ной энергии.

Исследования в области использования энергии солн­ца для термообработки полимербетонных изделий еще недостаточно широко распространены. Однако испыта­ния разработанной под руководством К. Ч. Чощшиева гелнокамеры для конвейерной термообработки полимер­бетонных изделий показали ее высокую эффективность и универсальность, а также хорошие физико-механиче - скне характеристики получаемых изделий.

Гелиокамера (рис. 78) состоит из корпуса, оснащен­ного теплоизоляцией, двухслойного прозрачного покры­тия, конвейера и электронагревателей. В течение солнеч­ного дня температура в такой камере колеблется от 60 утром до 90°С днем. Такая температура вполне доста­точна для отверждения тонкостенных изделий за время движения формы внутри камеры.