Бетонополимеры: состав, свойства, области применения

Бетонополимер - это материал, который получается в результате пропитки полимерами обычного бетона с последующей полимеризацией смолы в бетоне.

Для пропитки используют такие полимерные смолы как полиэфирные, эпоксидные, полипропилен, полиэтилен, стирол, метилметакрилат и др.

Основные операции при производстве бетонополимера: сушка, вакуумирование, пропитка бетона, полимеризация смолы в бетоне.

По структуре бетонополимер - капилярно-пористое тело, поры которого заполнены полимером. Полимер связывает объемно все составляющие бетона, и поэтому обеспечивает бездефектную структуру материала. Структура бетонополимера зависит как от структуры исходного бетона, так и от свойств полимера.

Бетонополимер имеет высокую прочность на сжатие и растяжение до 200 и 19 МПа соответственно. Наиболее прочные мелкозернистые бетонополимеры. Бетонополимер имеет хорошее сцепление с арматурой, обладает хрупким разрушением.

Недостатком бетонополимера является его высокая стоимость, старение во времени, невысокая предельная температура применения до +150°С.

Это очень стойкий материал в различных агрессивных средах: магнезиальных, сульфатных, щелочных, в растворах кислот (кроме HF), в конц. агрессивных кислотах не стоек (соляная, серная, азотная).

Пропитка гипсобетона, легкого бетона на пористых заполнителях, ячеистого бетона повышает прочность.

При соответствующих технико-экономических обоснованиях этот материал может использоваться для изготовления конструкций, которые будут работать в агрессивных или суровых климатических условиях.

Обычные бетонные трубы, изготавливаемые методом радиального или послойного формования, в результате пропитки могут получить высокую водонепроницаемость и могут быть отнесены к напорным трубам. Применяют для изготовления гидротехнических изделий и т.д.

Полимерцменты

В качестве вяжущего используют полимер без ПЦ.

Олигомер отличается от полимера меньшей молекулярной массой. С-3 – олигомер (n=4-20).

Полимеры бывают:

- термопластичные (1)

- термореактивные (2)

(1) – обратимо размягчаются при нагреве, при последующем охлаждении твердеют. Пример: битум, полиэтилен, поливинилхлорид и др.

(2) – при нагреве затвердевают, оно ускоряет твердение. Обычно это жидкости, сами по себе не твердеющие, содержат в себе затвердитель. Пример: эпоксидная смола и др.

Полимеры в зависимости от состава делятся на несколько групп.

Наиболее распространены в строительстве фенолформальдегидные смолы. Получаются путем полимеризации фенола и формальдегида с затвердителем (без него реакция не пойдет). Обычно затвердитель – слабые органические кислоты. Реакция идет с большой усадкой и тепловыделением, поэтому добавляют наполнитель в виде порошка, но не любой, т.к. системе отвердитель-наполнитель может пойти негативная реакция (мел,например,нельзя).

Фенол и формальдегид – высокотоксичные материалы. Формальдегид убрать нельзя, а вот вместо фенола используют мочевину.

Этот вид смолы используют в мебельной промышленности как связующее древесных волокон.

Марка полимерцемента порядка 500.

Следующий вид полимеров – эпоксидные смолы (получаемые из эпоксида).

Эпоксидная смола – очень вязкий материал. В качестве отвердителя чаще всего используются органические амины. Пример – полиэтиленполиамин (ПЭПА). С ним полимеризация идет при нагреве, можно получить вяжущее марки 600 и выше, хорошая прочность при изгибе и растяжении, хорошее противоударное действие.

Эпоксидная смола хорошо совместима с ПЦ, т.к. отвердитель не реагирует с жидкой фазой и можно добавлять практически любые наполнители.

Водостойкость при добавлении ПЭПА не большая, но его можно заменить и водостойкость повысится.

Используются эти смолы для различных ремонтных работ. Благодаря высокой адгезии можно ремонтировать даже бетонные поверхности и мостовые.

Полиэфирные смолы образуются при взаимодействии органических кислот с органическими многоатомными спиртами.

Отвердитель – перекисные соединения, они нейтральны (перекись бензола).

Эти смолы очень широко используются при производстве стройконструкций.

Марка – 600 и более.

Акриловые полимеры содержат акриловую группу –С=С–. Полимеризация идет с раскрытием двойной связи без выделения воды и благодаря этому достигается высокая марка.

Отвердитель – перекись бензола. Акриловые полимеры широко используются при производстве сантехники.

Полимерцементы отличаются от ПЦ быстрым твердением, ударостойкостью, высокой хим. стойкостью, а также стойкостью в сильных кислотах и высокоагрессивных средах, выше физ-мех свойства и внешний вид лучше.

Полимерцементы используются в агрессивных средах там, где использовать ПЦ нельзя, например, на химзаводах.

Полимерцменты и полимербетоны очень дорогие, поэтому в обычных конструкциях использовать их не стоит, а в кислотных средах это необходимо.

Высококачественные бетоны

В 1986 году впервые была сформулирована концепция бетонов высо­кого исполнения или высококачественных бетонов (High Performance Concrete, HPC). В высококачественных бетонах как бы суммируются свой­ства бетонов с отдельными высокими свойствами. По оценкам японских исследователей прогнозируемый срок службы таких бетонов -около 500 лет. Несмотря на некоторые отличия в подходах различных школ, можно полагать, что основными критериями высококачественных бетонов являются:

- высокая прочность, включая высокую раннюю прочность (R28 ⁼ 60... 120 МПа и выше, R₁ не менее 25...30 МПа);

- высокая морозостойкость (F400 и выше);

низкая проницаемость по отношению к воде и химическим ионам (W12 и выше);

- высокое сопротивление истираемости (не более 0,4 г/см²);

- низкое водопоглощение (менее 2,5% по массе);

- низкая адсорбционная способность;

- низкий коэффициент диффузии;

- высокая химическая стойкость;

- высокий модуль упругости;

- бактерицидность и фунгицидность;

- регулируемые показатели деформативности (в том числе с компен­сацией усадки в возрасте 14...28 суток естественного твердения).

Технология высококачественных бетонов основывается на управле­нии структурообразованием бетона на всех этапах его производства. Для этого используются высококачественный портландцемент или композиционные вяжущие, комплексы химических модификаторов структуры и свойств бетонов, активные дисперсные минеральные компоненты и напол­нители, расширяющие добавки. При производстве бетона используется ин­тенсивная технология, обеспечивающая точность дозирования, тщательное перемешивание и гомогенизацию смеси, ее качественное уплотнение и твердение. При необходимости используется механо-химическая активация смеси.

 

ДЕКОРАТИВНЫЙ БЕТОН

Декоративный бетон готовят, используя белые и цветные цементы и специальные заполнители. В зависимости от состава и назначения деко­ративные бетоны можно подразделить на цветные бетоны и бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обладающие особо выра­зительной структурой. При необходимости поверхность бетона подверга­ют специальной обработке, чтобы получить ее выразительную декоратив­ную фактуру. Пластичность бетонной смеси позволяет придавать бетонным изделиям различную конфигурацию, формовать изделия с рельефной по­верхностью, изготовлять различные декоративные элементы зданий и со­оружений.

Для получения цветных бетонов применяют белые, цветные и раз­личные минеральные или органические пигменты. Для осветления белого цемента (при необходимости получить особо светлые бетоны) в него вводят двуоксид титана (1... 2% массы цемента). Пигменты, используемые в цвет­ных бетонах, должны обладать высокой свето-, атмосферо- и щелочестойкостью. Наиболее часто используют минеральные пигменты, которые в боль­шинстве своем являются оксидами или солями различных металлов. Эти пигменты вводят в количестве 1... 5% массы цемента в зависимости от их укрывистости, плотности и других свойств. Пигменты позволяют получить широкую гамму цветов: от красного (оксид железа) и зеленого (оксид хро­ма) до фиолетового (оксид марганца) и черного (перекись марганца). К бе­лым пигментам относится мел или известняк, к черным — сажа, к желтым— охра, представляющая собой смесь белой глины (каолина) с оксидом же­леза. Применяя смешанные пигменты, можно получить бетоны разной рас­цветки.

В последнее время появились различные органические пигменты и красители (анилиновые и др.), которые дают интенсивное окрашивание бе­тона при введении их в количестве всего 0,1... 0,2% массы цемента и отли­чаются высокой свето- и щелочестойкостью.

Для получения достаточной плотности и хорошей цветовой вырази­тельности поверхности бетона по сравнению с обычным бетоном несколь­ко повышают расход цемента. При крупности заполнителя до 10 мм расход цемента составляет 450... 500 кг/м³. В качестве цветных бетонов широко используют мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения полу­чения хороших декоративных качеств являются составы 1:2... 1:3 при В/Ц_ист, соответствующие нормальной густоте цементного теста.

Расход воды в цветных бетонах определяют предварительными ис­пытаниями и затем постоянно контролируют, так как даже небольшие от­клонения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования изделий из цветных бетонов используют пластичные до­статочно жирные бетонные смеси, которые хорошо формуются и менее под­вержены расслоению. Для сокращения расхода воды и цемента и повыше­ния долговечности изделий используют пластификаторы и суперпластифи­каторы, а также комплексные добавки на их основе. Для повышения долго­вечности материала и борьбы с высолами, которые могут появляться на по­верхности цветных бетонов в период их эксплуатации в результате сложных физико-химических процессов и воздействия попеременного увлажнения и высыхания, применяют гидрофобизаторы, тонкомолотые добавки, способ­ствующие связыванию гидрата оксида кальция, выделяющегося при тверде­нии цемента, или пропитывают цветные бетоны полимерами. Для получе­ния равномерной окраски бетона используют специальные добавки-вырав­ниватели (ОП-7 и др.).

При формовании изделий используют глубинное вибрирование, обеспечивающее хорошее заполнение форм даже сложной конфигурации и способствующее получению гладких лицевых поверхностей, так как при глубинном вибрировании уменьшается воздухововлечение в бетонную смесь на границе бетона и формы. Для изготовления изделий используют также ударное формование и низкочастотную вибрацию. В ряде случаев в формы устанавливают специальные вкладыши из нержавеющей стали, по­лимерных материалов, обеспечивающие получение рельефа и высокого ка­чества лицевой поверхности изделия. При бетонировании изделия из цвет­ных бетонов необходимо применять специальные смазки, например, на ос­нове парафина или воска, которые не загрязняют лицевую поверхность бе­тона.

Декоративные бетоны могут применяться для самых различных стро­ительных конструкций: ограждающих конструкций общественных и жилых зданий, декоративных плит для наружных и внутренних стен зданий, для лестничных маршей, элементов фасада, в деталях малых архитектурных форм, для барельефов и скульптур, для изделий специального назначения. Иногда детали из декоративного бетона сочетают с другими материалами: камнем, эмалированной сталью, пластиком.

При изготовлении изделий с использованием цветных и декоратив­ных бетонов часто применяют слоистые конструкции, в которых верхний лицевой слой выполняется из цветного или декоративного бетона, а основ­ные несущие слои конструкции - из обычного бетона. Это позволяет сокра­тить расход цветных и декоративных бетонов при изготовлении ограждаю­щих конструкций зданий, облицовочных и тротуарных плит и др.

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН

В последние годы активно внедряются в строительство мелкозернис­тые песчаные бетоны. Ранее их применение сдерживалось некоторыми осо­бенностями структуры и свойств. Применение в качестве заполнителя толь­ко песка вызывало значительное увеличение удельной поверхности запол­нителя и его пустотности. Для получения равноподвижных бетонных сме­сей слитной структуры по сравнению с бетоном на крупном заполнителе требовалось на 15...25% увеличивать расходы воды и цемента. В свою оче­редь в последующем это приводило к увеличению усадки бетона. Сущест­вовавшие жесткие требования по ограничению расхода цемента в бетоне сдерживали применение мелкозернистых бетонов в строительстве, хотя в ряд регионов (Заполярье, гг. Бухара, Ташкент и др.) учитывая специфичес­кие условия строительства мелкозернистые бетоны с успехом использова­лись для возведения различных сооружений и зданий.

Мелкозернистость структуры материала обладает рядом достоинств, среди которых можно назвать следующие:

- возможность создания тонкодисперсной однородной высококачест­венной структуры без крупных включений крупных зерен иного строения;

- повышенная эффективность модификации материала химическими и минеральными добавками;

- высокая тиксотропия и способность к трансформации бетонной смеси;

- высокая технологичность - возможность формирования конструк­ций и изделий методом литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга и другими;

- легкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам;

- возможность широкого применения сухих смесей с гарантией высо­кого качества;

- возможность получения материалов с различными комплексами свойств;

- возможность получить новые архитектурно-конструкционные ре­шения: тонкостенные и слоистые конструкции, изделия переменной плотности, гибридные конструкции и т.д.;

- возможность широкого применения местных материалов и, как пра­вило, более низкая себестоимость по сравнению с классическим крупнозернистым бетоном.

Наибольший техно-экономический эффект достигается при примене­нии мелкозернистых бетонов для изготовления тонкостенных железобетон­ных конструкций. Армируя этот бетон стальными сетками, получают армо-цемент - высокопрочный материал для тонкостенных конструкций. Вводя в мелкозернистый бетон фибру - дисперсные волокна, получают фибробетон, обладающий повышенной прочностью при растяжении. Применяя компози­ционные вяжущие вещества и комплексы специальных добавок - модифи­каторов структуры и свойств, получают композиционные многокомпонент­ные мелкозернистые бетоны. В зависимости от выбора вяжущего и добавок получают разные специальные бетоны: изоляционные, декоративные, элек­тропроводящие или электроизоляционные и другие.

Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержа­ние цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышен­ные пористость и удельная поверхность твердой фазы.

В мелкозернистом бетоне зерна песка имеют малые размеры и вес, что снижает их воздействие на уплотнение бетонной смеси, хотя с другой стороны, малые размеры зерен песка способствуют их взаимному переме­щению и облегчают перемещение слоев бетона между собой, транспортиро­вание и распределение цементно-песчаной смеси в форме.

Повышенная удельная поверхность песка усиливает действие по­верхностных сил, затрудняющих уплотнение смеси и способствующих в от­дельных случаях агрегированию частиц твердой фазы.

Все это требует особого внимания к уплотнению бетона и примене­ния приемов, повышающих тиксотропию бетонной смеси, либо использова­ния более интенсивных и эффективных приемов внешнего воздействия на бетонную смесь при его уплотнении.

Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемостью и морозостойкостью. Поэтому его можно использовать для дорожных покрытий в районах, где нет хорошего щебня, для труб и гидротехнических сооружений. Поскольку в мелкозернистом бе­тоне отсутствует крупный щебень, для определения его прочности рационально использовать образцы меньших размеров чем для обычного бетона: кубы 3x3x3 см, 5x5x5 см, 7x7x7 см и ба-лочки 4x4x16 см (как при испытании цемента).