Полимербетоны

Полимербетоны это камневидные искусственные  материалы,которые получают  на основе стойких к химическим воздействиям наполнителей и заполнителей ,а также синтетических смол без использования воды и  минеральных вяжущих .

Полимербетоны изготовляют на основе полиэфирных, эпоксидных, фенолформальдегидных, фурановых и других полимеров. Используют заполнители в зависимости от вида агрессивной среды. Для кислых сред применяют кислотостойкие заполнители-кварцевый песок и щебень из кварцита , базальта или гранита, а также кислотоупорный кирпич, как и графит.

По плотности различают: 1). Конструкционный тяжелый полимербетон на тяжелых плотных заполнителях. 2). Конструкционно-теплоизоляционный легкий бетон на минеральных пористых заполнителях ( например, керамзите). 3). Теплоизоляционный особо легкий бетон на высокопористых заполнителях( пенопласте, пробке. древесине. вспученном перлите и других).

Механические свойства полимербетона повышаются при армировании его стальной или стеклопластиковой арматурой. Из стале- или стеклополимербетона изготовляют элементы шахтной крепи, опоры контактной сети, шпалы, коллекторные кольца. Разработаны и находят применение в практике комбинированные несущие конструкции, в сжатой зоне которых располагают цементный железобетон, а в растянутой -армополимербетон. Такое сочетание существенно повышает трещиностойкость растянутой зоны, поскольку предельная  растяжимость полимербетона примерно в 10 раз, а прочность при растяжении в 5 раз выше, чем у цементного бетона.

Для сталеполимербетона применяют связующие вещества на основе фурфуролацетонового мономера, эпоксидного полимера и других. Фурфурол -это желтоватая маслянистая жидкость с характерным запахом, темнеющая на воздухе. Химический состав фурфурола представляет простейший альдегид фуранового ряда С5Н4О2. Его получают путем гидролиза ( при 150…180°С) разбавленными кислотами природного сырья: отходов сельского хозяйства ( лузги семян подсолнуха, соломы, кукурузных кочерыжек и других) или древесины.

Полимербетон изготовляемый на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ) и кислого отвердителя -бензосульфокислоты (БСК), обладает высокой химической стойкостью. Для увеличения прочности полимербетона вводят волокнистые наполнители -асбест, секловолокно. Полимербетоны отличаются от цементного бетона высокой химической стойкостью и прочностью, в особенности при растяжении-7…20 МПа и изгибе -16…40 МПа, а прочность при сжатии достигает 60…120 МПа.

Отрицательные свойства полимербетона-большая ползучесть и старение способные сильно увеличиваться при действии попеременного нагревания и увлажнения.

Полимербетоны используются в несущих и ненесущих, сборных и монолитных строительных изделиях и конструкциях, химически стойких на заводах и промышленных предприятиях подвергающиеся воздействию  различных агрессивных сред.Классификация полимербетонов  по видам отвердителей и полимерного связующего, приведена в таблицу №1, для наглядности.

Таблица №1.Классификация полимербетонов

В зависимости от вида полимерного связующего  и заполнителя, полимербетоны могут обладать высокой прочностью и плотностью, а также химической стойкостью к большинству агрессивных промышленных сред.при этом для эффективных полимербетонов расход полимерного связующего может достигать 5…10 % от общей массы. Прочность полимербетов сильно зависит от удельной поверхности наполнителя и его объемного содержания (смотри рисунок).

Рисунок 1.Зависимость прочности полимербетона от удельной поверхности молотого кварца:

1-прочность эпоксидного композита при сжатии;

2-то же,при изгибе,

3-прочность при сжатии полиэфирного композита .

4-то же,фуранового.

Рисунок -2.Зависимость прочности полимербетона при сжатии (1…4)и при изгибе (5…6) от объемного содержания наполнителя-ν:

1,2-эпоксидный композит ,наполненный соответственно молотым кварцем (S=230 м²/кг) и рядовым кварцевым песком ;

3-полиэфирный композит ,наполненный молотым кварцем (S=500 м²/кг);

4-фурановый композит ,наполненный модифицированным молотым кварцем(S=300 м²/кг);

5-полиэфирный композит ,наполненный кварцем (S=500 м²/кг);

6-эпоксидный композит,наполненный молотым кварцем (S=230 м²/кг).

Высокая степень наполнения минеральными заполнителями и наполнителями (до 90…95%),позволяет резко повысить модуль упругости и существенно снизить усадку.А это в свою очередь позволяет использовать полимербетоны в  особо ответственных несущих конструкциях.Разработаны ,например составы тяжелых полимербетонов имеющие  плотность 2200…2400 кг/м³, и предел прочности на сжатие :

1.На основе фенолформальдегидных смол-40…60 МПА,карбамидных-50…80 МПА,

2.Полиэфирных-80…120 МПа,фураново-эпоксидных-до 160 МПА.

Таблица №2.Физико-механические свойства полимербетонов

Удобоукладываемость полимербетона зависит прежде всего от  количества и вида принятой синтетической смолы,от дисперсности наполнителя и соотношения между фракциями заполнителя и наполнителя.
Таблица №3.Удобоукладываемость полимербетонных смесей

Удобоукладываемость полимербетона является важным свойством и определяется жесткостью смеси.В зависимости от жесткости полимербетонные смеси разделяют на четыре основные группы,средние составы которых приведены в Таблицу № 3,для наглядности.

Использование полимербетонов в строительстве

Обширная практика в эксплуатации полимербетонных конструкций в том числе различных емкостей электролизных и травильных ванн показала их высокую эффективность и надежность в производственных условиях при воздействии высокоагрессивных сред.

За рубежом полимербетоны используются для изготовления труб и емкостей для хранения жидкостей,коллекторов,при восстановлении и ремонте строительных конструкций,при строительстве подводных сооружений и так далее.

Весьма эффективным и перспективным представлявляется использование полимербетонов вместо металла используемого при изготовлении  корпусов центробежных насосов,редукторов и других изделий.

Среди химически стойких армополимербетонных изделий особое место занимают емкости,трубы и различная баковая аппаратура.Таким образом разработаны дренажные и водоводные полимербетонные трубы на основе карбамидных смол следующего состава( % по массе):

Щебень фракции 5…10 мм -47…49;песок фракции 0.15…5 мм-15…17;наполнитель 10…12; фосфогипс -5…6,карбамидная смола  УКС-13…16; отвердитель-солянокислый аналин (СКА)-0,6…0,8.Полимербетонные трубы имеют внутренний диаметр 900 мм,длину 1200 мм и толщину стенки 18 мм.В возрасте 3 и 10 суток  прочность кубиков контрольных образцов составила — 30 и 50 МПа,соответственно.

При проведении гидростатических  испытаний трубы которые выдерживались 3 суток разрушились при 0,5…0,7 МПа,а в возрасте 5 суток при 1.1..1.2 МПа. На основе полиизоцианата марки К,получился новый вид легкого вспененного полимербетона ,которого можно использовать для теплоизоляции трубопроводов горячего теплоснабжения.Такой полимербетон плотностью 400…500 кг/м³ и прочностью на сжатии 3…4,5 МПа в поперечном сечении имеет  переменную (интегральную) плотность ,увеличенную в периферийных слоях.

Таблица № 4. Экономическая эффективность применения конструкций из армополимербетонов

Этот факт позволяет  отказаться от нанесения антикоррозионных покрытий  стальных труб и нанесения дополнительного гидроизоляционного покрытия на наружную поверхность теплоизоляции.Теплоизоляционный слой имеющий прочность 3…4 МПА,обеспечивает отличную  антикоррозионную защиту стальной трубы .Кроме этого становится возможным  использование трубопроводов из полимербетонных смесей для бесканальной прокладки. Из армированного полимербетона марки ФА изготавливаются несущие перемычки и стойки для крепления шахтных выработок .

В легкой,пищевой и химической промышленности зарекомендовали себя достаточно хорошо полимербетонные полы, которые отличаются повышенными характеристиками,как например,износостойкость и химическая стойкость.Полимербетоны хорошо защищают от радиационного и γ-излучения.Высокое содержание в термореактивных полимерах водорода,способствуют повышению радиационной стойкости полимербетонов на их основе.

Проводимые испытания на нейтронном генераторе полимербетонов  на полиэфирных сколах и цементного бетона класса В 45 на гранитном щебне (20% по массе цемента химически связанной воды)показали что для полимербетонов кратность ослабления дозы для нейтронов с различной энергией в среднем на 40 % больше.Мелкозернистый полимербетон плотностью 3230 кг/м³ на основе полиэфирной смолы ПН-1 и баритового песка фракции 5 мм превосходит цементный бетон по защитным свойствам от γ-излучения в 1,5 раза.

При армировании полимербетона стеклопластиковой или стальной арматурой повышаются его механические свойства.Из стеклополимербетона и стале-полимербетона изготавливают шпалы,коллекторные кольца,опоры контактной сети,различные элементы шахтной крепи.Широко используются на практике  несущие конструкции комбинированного типа,в растянутой зоне которых находится армополимербетон,а в сжатой зоне цементный железобетон.

Такое сочетание способно существенно повысить трещиностойкость в растянутой зоне,так как предельная растяжимость полимербетона в 10 раз больше чем у обычного бетона (цементного).Кроме этого полимербетоны обладают прочностью на растяжение в пять раз больше чем цементные бетоны.Для полимербетонов армированных стальной арматурой используют связующие вещества на основе фурфуролацетонового мономера ,эпоксидного полимера и другие.

Полимербетоны отличаются высокими показателями таких важных свойств как,прочность при растяжение (7…20 МПа), химическая стойкость, прочность при изгибе(16…40 МПа), прочность при сжатии (60 …120 МПа).Полимербетоны изготавливаемые на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ) и кислого отвердителя у бензосульфокислоты (БСК) отличаются большой химической стойкостью.

К недостаткам полимербетонов относят старение которое усиливается при действии попеременного нагревания и увлажнения,а также их большую ползучесть.Кроме этого при работе с полимерами и кислыми отвердителями следует соблюдать предельную осторожность так как они могут вызвать серьезные ожоги.

Рисунок-3. Принципиальная схема поточной линии по производству листового полимербетона

1, 2 — барабаны для сушки и охлаждения песка. 3- склад песка, 4,5-бункера для песка и муки, 6 и 7-емкости для смолы и отвердителя. 8-дозаторы, 9-смеситель и распределительное устройство. 10-валки калибровки смеси по толщине. 11 и 14-валки для прессования смеси, 12, 13 и 15 -термокамеры, 16-участок поперечной распиловки. Длина участка продольной распиловки составляет 100 метров.

Представляет большой интерес опыт эксплуатации полуавтоматической линии французской фирмы «Перодо» (смотри рисунок-3) для массового производства листового полимербетона толщиной 8…25 мм, имеющего фирменное название Берок.

Таблица №5. Технические характеристики листового полимербетона » Берок»

Листовой полимербетон при толщине 8…10 мм используется в качестве наружного облицовочного слоя трехслойных панелей, а при толщине от 12 мм и выше -для пространственных несущих конструкций таврового или коробчатого сечения, склеиваемых из плоских элементов.

Компания » Бондет» разработала и выпускает отделочные плиты и стеновые панели из полимербетона  на основе фенольных смол и органических наполнителей. Они имеют небольшую среднюю плотность при сжатии до 40 МПа.