Главная → Статьи

Технология и свойства бетонополимеров

При применении полимерцементных материалов пористость структуры снижается на 15—25%, но хотя полимерная фаза частично заполняет поры и закупоривает капилляры, все же в материале содержится большое количество пор, что ухудшает его свойства.

Создать практически монолитную структуру можно, если пропитать готовое изделие, полученное на основе неорганического вяжущего, полимерными или мономерными (с последующей полимеризацией) составами. В этом случае пропиточная жидкость заполняет до 60—80% пустот, т. е. практически все открытые поры и капилляры радиусом до 40 нм. Вследствие усадки при полимеризации возникает «вторичная» пористость, обусловливающая неполноту заполнения пустот (особенно крупных) полимерным составом. Но ее прирост столь незначителен, что он не оказывает отрицательного влияния на свойства композиции.
Процесс получения бетонополимера складывается из нескольких последовательных этапов (рис. 5.29). После формования и твердения изделий по обычной технологии их подвергают сушке (при 120—145 °С) для удаления физической влаги и вакуумированию для удаления воздуха (влага и воздух замедляют пропитку), далее осуществляется пропитка твердого тела и отверждение органической составляющей. При пропитке высоковязкими органическими жидкостями последняя стадия исключается.

Применяемые для пропитки органические материалы подразделяются на три группы: на основе природных и нефтяных смол и асфальтов; на основе природных смол и модифицированных природных полимеров; на основе высокомолекулярных соединений.

В качестве пропитывающих жидкостей могут использоваться различные природные органические материалы (нефть, парафины, битумы, петролатум и т. п.), но наиболее эффективны с технологических позиций синтетические материалы: стирол, ме-тилметакрилат, низкомолекулярные эпоксидные смолы, фурфу-ролацетоновый мономер (ФА), которые позволяют существенно изменять свойства цементного камня.

Движущей силой процесса пропитки является работа адгезии:
Wa = o(l + cose).

Из этого уравнения следует, что скорость пропитки (/г/0 увеличивается с ростом поверхностного натяжения и снижением вязкости жидкости, что наблюдается и в реальных системах (рис. 5.30). Поскольку с повышением температуры вязкость снижается более интенсивно, чем поверхностное натяжение (увеличивается a/rj), нагрев жидкости интенсифицирует ее миграцию в капиллярно-пористое тело. При этом жидкость должна хорошо смачивать поверхность твердого тела (в близок к нулю), в противном случае пропитка не происходит.

Из этих представлений следует, что наиболее эффективны для пропитки хорошо смачивающие цементный камень жидкости с высоким поверхностным натяжением и низкой вязкостью. Из мономерных составов к таким жидкостям относятся стирол и метилметакрилат, из неорганических материалов — расплав серы.

В зависимости от свойств жидкостей пропитка проводится при различных температурных режимах. Высоковязкие органические жидкости перед пропиткой обезвоживаются и нагреваются до 130—180 °С в течение 6—10 ч; пропитка осуществляется при 120—185 °С в течение 8—16 ч в открытых ваннах при атмосферном давлении или в автоклавах (с предварительным вакуумированием). При пропитке синтетическими моно-и полимерными составами рекомендуется (по И. К. Касимову) сушку изделий производить при 110—145 °С в течение 8 ч пропитку—при 20—30 °С в течение 12—24 ч с последующей термокаталитической обработкой при 20—65 °С в течение 8—24 ч.

В зависимости от характера движущих сил и агрегатного состояния пропитывающего вещества способы пропитки подразделяются следующим образом. Диффузионный способ заключается в самопроизвольном выравнивании концентраций паровоздушной смеси при ее соприкосновении с поверхностью твердого тела. В основе конденсационного способа лежит конденсация паровоздушной смеси в капиллярах вследствие меньшего давления в них насыщенного пара, чем над поверхностью материала. Способ капиллярного подсоса заключается в проникновении жидкости в поровую структуру под действием сил поверхностного натяжения с образованием мономолекулярных слоев. Гидростатический способ, заключающийся в погружении пористого тела в жидкость, осуществляется за счет сил гидростатического давления и поверхностной энергии жидкой фазы. Предварительное вакуумирование ускоряет процесс. При гидротермальном способе совмещаются процессы твердения, сушки и пропитки путем погружения цементного камня в жидкость с высокой температурой.

При пропитке происходит вытеснение воздуха, часть его все же остается в порах, поэтому пропитка цементного камня аналогична пропитке тупиковых капилляров. Это снижает глубину и скорость пропитки. Повышение давления незначительно влияет на скорость процесса, а вакуумирование структуры существенно его интенсифицирует. Сочетание вакуумирования и автоклавной обработки позволяет не только уменьшить требуемую продолжительность пропитки, но и получить высокоплотную структуру композита.

Необходимое количество пропитывающей жидкости определяется общей пористостью структуры и характером порового пространства — размером пор и капилляров, степень их открытости. При пористости 15—25% цементный камень в сухом состоянии может поглотить 12—20% жидкости, при этом глубина пропитки за 8 ч достигает 50 мм. С понижением плотности материала появляется необходимость в большем количестве пропитывающей жидкости: плотный бетон впитывает 4—10 об., цементный раствор (1:3) —на 30—70 больше, легкие бетоны могут поглотить до 30—60% мономеров. Вязкие жидкости (петролатум, битум) проникают в массу бетона на глубину до 3 см, а жидкие мономеры (метилметакрилат, стирол и т. п.) — до 20 см и более.

Важным в технологии бетонополимеров является сочетание характера поровой структуры бетона и свойств пропитывающей жидкости. При высокой ее вязкости мелкие поры и тонкие капилляры не заполняются, что снижает эффективность процесса. В случае использования высокоподвижной жидкости наблюдается ее вытекание из крупных пор, что также снижает степень заполнения поровой структуры и ухудшает свойства бетонополимера.

В зависимости от состава пропитывающей жидкости между ней и стенками капилляров цементного камня происходит физико-химическое (адсорбция, слабые взаимодействия на границе фаз) или химическое (образование новых соединений) взаимодействие. Например, при «кремнефторировании» цементного камня гидроксид кальция переходит в более водо- и химически стойкий фторит кальция, а образующийся при реакции кремнезем дополнительно кальматирует поры.
В зависимости от типа пропитывающей жидкости повышается непроницаемость и долговечность цементного камня (бетона) или обеспечиваются новые свойства материала (прочность, коррозионная стойкость и др.). В первом случае применяются высоковязкие органические жидкости (битум и др.), которые не подвергаются полимеризации, во-втором — мономерные составы с последующей их полимеризацией.

После завершения пропитки желательно быстрое твердение пропиточной жидкости для сокращения продолжительности технологического цикла в целом. Для ускорения этого процесса используется термическая, каталитическая, термокаталитическая или радиационная обработка. В качестве каталитических веществ при полимеризации, например метилметаприлата, используется гидроперекись изопропилбензола, а стирольного мономера — перекись бензола. При радиационной полимеризации (обработка гамма-излучением) не требуется введение в мономер катализаторов и она является наиболее эффективным способом ускорения технологического процесса.

После полимеризации образуется композиционный материал, представляющий собой монолит с пористостью 2—5%, в котором взаимно прорастают неорганическая и органическая фазы. При этом полимерная составляющая образует сетку из тонких капилляров, армирующих систему. Полимеризационная усадка вызывает обжатие цементной составляющей, обеспечивающее предварительное напряжение материала, что вызывает дополнительное повышение прочности и трещиностойкости бе-тонополимера.

Характер изменения свойств бетонополимеров зависит от природы пропитывающей жидкости и глубины пропитки, которая определяется также поровой структурой цементного камня. Для снижения проницаемости (гидроизоляция) изделий используются термопластичные материалы, а для получения высокопрочных структур —термореактивные составы.

Гидроизоляционная пропитка органическими компонентами (петролатум, битум и т. п.) практически не оказывает влияние на прочность образцов даже при значительной глубине пропитки. Возможно и снижение прочностных показателей вследствие прекращения гидратационных процессов после сушки и пропитки образцов.

Рис. 5.31. Влияние влажности цементного камня на прочность бетонополимера, пропитанного мономерным составом

Рис. 5.32. Изменение прочности образцов цементного камня с ростом содержания серы
1 — при сжатии; 2—при изгибе

Величина измеренной прочности цементного камня на сжатие зависит от силы трения его с раздавливающей поверхностью. С уменьшением сцепления (при обработке поверхности образца органическими материалами) получаемые при испытании значения могут быть в 1,5—2 раза ниже истинной прочности материала, что необходимо учитывать при сравнении прочностных характеристик бетонополимеров с исходными матрицами.

При пропитке изделий моно- и полимерными составами прочность цементного камня увеличивается тем больше, чем ниже влажность цементного камня (рис. 5.31). С увеличением степени пропитки серой прочность образцов интенсивно возрастает (рис. 5.32). Причем, при содержании серы 9,8% прочность на сжатие увеличивается в 2 раза, а на изгиб —в 4 раза. При предварительном вакуумировании наблюдаются еще более высокие показатели, превышающие аналогичные характеристики для контрольных образцов в 6—7 раз, а при растяжении до 10 раз. Отношения прочности при сжатии к прочности при изгибе или расширении для бетонополимеров возрастают в 2—6 раз, что важно для строительных изделий и конструкций.

Повышение прочности образцов обусловливается физико-химическими процессами, главные из которых следующие: заполнение поровой структуры, повышение ее плотности и дополнительное сопротивление разрушению полимерной составляющей; повышение плотности контактов между компонентами системы за счет адгезионных и химических сил взаимодействия; залечивание дефектов структуры цементной матрицы, предотвращение распространения микротрещин.

Пропитка позволяет повысить наряду с прочностью и некоторые другие эксплуатационные свойства бетона.

Пропитка цементного камня водонепроницаемыми составами является наиболее действенным способом его защиты от воздействия агрессивных газовых и жидких сред. Химическая стойкость и водостойкость бетонополимеров существенно превосходят соответствующие показатели цементного камня и определяются главным образом свойствами полимерного компонента и степенью заполнения им цементной матрицы. Отмечаются высокая стойкость бетонополимеров к кислотам и сульфатам, значительно повышается морозостойкость, которая возрастает до 25—30 раз.

Сохранность свойств бетонополимера зависит от температуры службы: до 100 °С свойства практически не изменяются, при больших температурах полимеры начинают размягчаться, что снижает прочность и другие свойства композиции. При отрицательных температурах характеристики бетонополимеров улучшаются.

Мономерные составы — дорогие и дефицитные материалы, поэтому необходимо наиболее рационально их использовать (оптимальная глубина пропитки, пропитка наиболее важных участков конструкции, предотвращение испарения и стекания жидкости в период между пропиткой и полимеризацией).

Вследствие высокой стоимости органической составляющей и более сложной технологии бетонополимеры являются более дорогими материалами (на 60—100 %), чем исходная бетонная матрица. В связи с этим используют их в тех случаях, когда неорганическая составляющая не обеспечивает требуемых свойств и долговечности строительных изделий и конструкций. Наиболее эффективно применение бетонополимеров в ответственных конструкциях, где требуется высокая прочность, плотность и коррозионная стойкость: при производстве тюбингов (вместо чугунных), для подземных транспортных сооружений (например, для облицовки туннелей в метростроении), кислотостойких резервуаров, высоконапорных труб (при замене металла). Целесообразно проводить полимерную обработку бетонов, используемых в суровых климатических условиях, для повышения их долговечности, а также для защиты от радиоактивных излучений, газо- и жидкостной агрессии, получения электроизоляционных и износостойких композиций, в аэродромных покрытиях, при строительстве атомных электростанций и других объектов.

При сочетании особых свойств цемента (расширение, самонапряжение), пластификации растворов и бетонов и последующей их пропитки мономерами возможно создание абсолютно плотного материала, способного заменить керамику и металл во многих областях техники.

1. Хорошая статья.
   

   — Виталий · Июл 24, 22:25 · #

Ваш отзыв