Бетонополимеры. Общая схема производства, технологии пропитки

Бетонополимеры. Общая схема производства, технологии пропитки.

Бетон полимеры

Считаю необходимым отметить, что бетон полимер и полимер бетон это принципиально разные материалы. Полимербетонами называют бетоны, в которых вяжущими служат различные полимерные смолы, а заполнителями являются неорганические материалы: песок и щебень. Бетонполимеры это бетоны пропитанные вязкими материалами без последующей полимеризации, либо бетоны пропитанные мономерами с последующей полимеризацией. Их в данном вопросе и рассмотрим.

Бетонполимеры представляют собой бетоны, поры которых заполнены полимерами. Наиболее часто бетон полимеры получают, пропитывая бетон мономером с последующей его полимеризацией непосредственно в порах бетона. В результате уплотнения структуры бетона полимером и воздействии ряда физико-химических факторов в несколько раз возрастает его прочность, значительно повышается морозостойкость и стойкость в агрессивных средах, улучшаются другие свойства. Обработке могут подвергаться бетоны различных видов и составов; для заполнения пор бетона использоваться разные вещества, композиции и технологии. Изделия могут обрабатываться на всю глубину, отдельными зонами или только с поверхности. Благодаря большому разнообразию возможных решений открываются широкие перспективы управления свойствами материала, совершенствования строительных  конструкций, технологией изготовления изделий и строительного производства.

Последующая обработка бетон полимерами позволяет получить более прочные и долговечные материалы и изделия, уменьшить их массу и материалоёмкость, добиться экономии металла и цемента, расширить область применения бетонных и железобетонных  изделии, эффективно использовать в их производстве местные материалы, смешанные вяжущие, вторичные продукты промышленности, химические добавки, получить материалы и изделия с новыми свойствами, например долговечные декоративные, электротехнические, особо износостойкие, непроницаемые, коррозионно-стойкие изделия, разработать новые виды конструкций и изделий, в ряде случаев повысить эффективность технологии бетонных и железобетонных изделий, усовершенствовать их монтаж и сборку, успешно применить склеивание изделий, осуществить ремонт и усиление существующих бетонов и железобетонных конструкций.

В настоящее время имеется несколько путей улучшения свойств бетона с помощью полимеров:

- введение небольшого количества полимерных добавок в бетонную смесь (бетоны с полимерными добавками, в том числе с суперпластификаторами, и цементно-полимерные бетоны);

- применение полимерного вяжущего (полимербетон);

- пропитка готовых бетонных и железобетонных изделий специальными полимерами с последующей полимеризацией их непосредственно в теле бетона (бетонполимеры);

- армирование бетона полимерными волокнами;

- применение в бетоне полимерных легких заполнителей или заполнителей, модифицированных полимерами;

- введение в бетон полимерных микронаполнителей.

Каждое направление имеет свои достоинства и рациональную область применения.

Наибольшее применение получили суперпластификаторы на основе меломиновой смолы, нафталисульфокислоты, и лигносульфатов. Суперпластификаторы вводят в бетонную смесь в количествах 0,2-1% массы цемента. Суперпластификаторы способствуют значительному разжижению бетонной смеси при сохранении должной связанности бетонной смеси и кинетики гидротации цемента. Они являются мощным средством изменения реологических свойств цемента. Наиболее целесообразно использовать суперпластификатор для получения особо высокопрочных бетонов или для совершенствования технологии бетона за счет применения литых бетонных смесей.

Вводя в бетон полимерные добавки в количествах более 2% массы цемента, получают так называемые цементно-полимерные бетоны. В этом случае присутствие полимера в бетоне влияет на свойства материала, особенно на прочность на растяжение  и изгиб, и поведение бетона в условиях эксплуатации. В качестве добавок используют различные латексы и некоторые виды смол. Эффект от применения полимерных добавок обычно измеряется десятками процентов по сравнению с бетонами без добавок, однако подобные добавки перспективны при массовом применении в монолитном и сборном бетоне и железобетоне.

Полимерные добавки и суперпластификаторы могут применяться вместе с другими химическими добавками в составе сложных комплексных добавок. Изменяющих свойства бетона  и бетонной смеси в нужном направлении.

Полимербетоны являются другой большой группой новых бетонов.

Наиболее перспективно введение волокон в ячеистые и особо легкие бетоны. А также в гипсобетоны. В этих случаях повышенная диформативность бетонов способствует  их совместной работе с полимерными волокнами, которые также обладают весьма высокой диформативностью. В результате повышается прочность материала, его ударо- и трещиностойкость.

Применение полимерных легких заполнителей, особенно в сочетании с полимерным вяжущим, позволяет получить особо легкие теплоизоляционные материалы, стойкие к воздействию влаги и мороза и позволяющие создавать облегченные строительные конструкции.

Полимерные материалы применяют также для модифицирования заполнителей, например для уменьшения влагопоглощения легких заполнителей путем создания на их поверхности полимерной пленки или частичной пропитки заполнителя. Полимерные материалы могут быть использованы также для повышения адгезии между заполнителем и связующим, в том числе путем прививки полимера на заполнитель (например, полиэтиленовых волокон на керамзит)

Классификация бетонополимеров.

Наиболее заметное изменение свойств бетона наблюдается при пропитке его специальными составами т.е. в бетонполимера. По существу, это новые строительные материалы, со своими технологией, свойствами, методами расчета, рациональной областью применения. Обработка бетонных и железобетонных изделий включает сушку, пропитку специальными составом и полимеризацию чаще всего термокаталитическим, а иногда радиационным способом.

Большой интерес к бетонополимерам объясняется тем, что в результате специальной обработки бетона полимерами прочность материала возрастает в несколько раз, резко увеличивается его долговечность и стойкость при воздействии ряда агрессивных сред, а также тем, что материалам могут быть приданы особые свойства, недостижимые для обычного бетона.

В действительности, изменяя структуру пропитываемого бетона, пропитывающего материала и технологию обработки, можно получать бетонополимеры с самыми различными свойствами, необходимыми для строительных конструкций и изделий. В частности, можно получить долговечные легкие бетонополимеры, электротехнические бетоны и ряд других особых материалов. Получение бетона, обладающего повышенной прочностью и долговечностью, а также другими улучшенными свойствами, открывает перспективы для создания новых долговечных строительных конструкций.

Различают тяжелые бетон полимеры, получаемые на основе различных видов тяжелого бетона и имеющие среднюю плотность свыше 1800кг/м³, и легкие бетон полимеры, получаемые на основе различных разновидностей легких бетонов, в том числе ячеистых бетонов и бетонов на пористых заполнителях (средняя плотность менее1800кг/м³)

В зависимости от вида пропитанного материал различают: бетонополимеры на основе искусственных стеклообразных полимеров (стирола, метилметакрилата и др.); бетонополимеры, пропитанные вязкими органическими материалами типа битумов, парафин и др.; бетонополимеры, пропитанные серой, и бетонополимеры, пропитанные жидким стеклом и некоторыми другими специальными составами. Хотя пропитку серой и жидким стеклом нельзя относить к пропитке полимерами, однако поскольку технология пропитанных бетонов независимо от свойств пропитывающего материала имеет свои особенности, то часто материалы, пропитанные различными составами, объединяют единым названием «бетонополимеры».  По характеру полимеризации бетонополимеры подразделяют на материалы, получаемые термокаталитической или радиационной полимеризаций.

По степени заполнения пор бетона полимером различают бетонополимеры с почти полной пропиткой всего объёма бетона и материалы, в которых обработаны только отдельные зоны и поверхность бетона - бетонополимеры с зонной обработкой.

В целях повышения эффективности использования полимеров в бетоне особого внимания заслуживает поверхностная или зонная пропитка. При небольшом расходе мономера (1.5-3кг/м2 бетона) такая обработка обеспечивает значительное (в несколько раз) повышение морозостойкости, коррозионной стойкости и улучшение других свойств конструкций  и изделий, в том числе изготовленных из монолитного и легкого бетона и железобетона.

Определенные возможности по снижению стоимости бетонополимеров открываются при использовании вторичных продуктов нефтехимии или составных пропиточных композиций, включающих наряду с мономерами более дешевые и доступные продукты.

Бетонополимеры - наиболее эффективным способ использования полимерных материалов, недостатком которых сегодня является высокая стоимость, склонность к старению и ползучесть, что затрудняет получение несущих элементов, и в ряде случаев быстрое старение при воздействии атмосферных факторов. При пропитке бетона очень небольшим количеством  удаётся достигнуть резкого повышения прочности и других свойств бетона: например,  1 кг полимера на 1 м³ бетона обеспечивает повышение прочности на 10МПа (т.е. 1кг полимера заменяет около 10кг цемента). Таким образом удается при небольших расходов полимера достигнуть большого технического эффекта. Бетонополимеры практически не проявляют заметной ползучести, так как полимерная сетка сочетается с жестким каркасом, обладающим малой деформативностью под нагрузкой. В бетонополимерах полимер находится внутри материала, он достаточно защищен от воздействия солнечной радиации, кислорода воздуха и других атмосферных факторов, что способствует повышению его долговечности.

Определенным преимуществом изделий и конструкций из бетонополимеров является возможность их склеивания и сварки с получением шва высокой прочности. Это позволяет использовать укрупнительную сборку для получения эффективных строительных конструкций. Некоторые бетонополимеры, например на основе асбестоцемента и других материалов тонкодисперсной структуры, можно подвергать механической обработке, что имеет определенное значение для некоторых специальных областей применения.

К недостаткам бетонополимеров следует отнести их ограниченную термостойкость. Путем применения более термостойких полимеров термостойкость бетонополимера может быть несколько повышена, однако эти материалы необходимо применять для конструкций, к которым не предъявляются особые требования по термостойкости.

Пропитка бетона более термостойкими композициями, например жидкими металлами или другими высокотемпературными расплавами, может обеспечить получение более термостойких материалов.

Бетон как компонент бетонополимеров

Бетон составляет 90-97% массы бетонополимера, и только при применении очень пористых бетонов, полная пропитка которых часто нецелесообразна по экономическим соображениям, относительная масса бетона снижается до 50-80%.

При выборе бетона для получения бетонополимера необходимо учитывать два момента: во-первых, технологичность бетона с точки зрения производства бетонополимерных изделий и, во-вторых, особенности структуры, определяющие конечные свойства нового композиционного строительного материала – бетонополимера. Пропитке можно подвергать по существу все бетоны, хотя разные бетоны могут требовать различных условий обработки. При пропитке мономером с последующей полимеризацией «залечиваются» многие Дефекты бетона и его структура омоноличивается и стабилизируется и тем самым становится недоступной для воздействия многих факторов и процессов, отрицательно влияющих на прочность и долговечность обычного бетона и определяющих требований к его составу, свойствами исходным материалам.

Материалы для пропитки

Для пропитки бетона могут применяться самые различные материалы. При обработке жидкими материалами глубина проникновения зависит от вязкости, чем меньше вязкость пропиточного состава, тем при прочих равных условиях быстрее и на большую глубину пропитывается бетон.

При последующем выдерживании, охлаждении или нагреве (в зависимости от используемого для пропитки состава) материал, проникающий в поры и капилляры бетона, должен затвердеть или загустеть, что улучшает его взаимосвязь со структурой бетона и предотвращает вытекание или испарение из бетона. В процессе затвердения пропиточный материал может приобрести различные свойства. Одни материалы могут достигать прочность до 80 МПа и выше, другие имеют среднюю прочность, третьи являются очень слабыми (0,2-1 МПа). На основе первых получают высокопрочные бетонополимеры. Слабые материалы используют главным образом для консервации бетона, для поверхностной пропитки с целью повышения долговечности, коррозионной стойкости и непроницаемости бетона.

По своей природе материалы для пропитки подразделяют на неорганические и органические. К неорганическим материалам относятся сера, жидкое стекло, некоторые специальные растворы.

Органические вещества, используемые для модификации строительных материалов, в частности бетонов, включают мономеры и полимеры на их основе, различные эмульсии, смолы, каучуки, битумы, гудроны, некоторые высокомолекулярные углеводороды и спирты, а также их различные сочетания друг с другом. Та для улучшения дорожных покрытий используются битумные композиции, содержащие каучук (пат. Голландия №144645 от 16.07.75 г.; пат. Япония № 17317 и 4581306), льняное масло с поливинилстиролом (пат. США № 3912669) раствор ненасыщенного полиэфира, изиционатов и гудрона в этиленовом мономере ( пат. Франция №1498617), а также различные битумно-эпоксидные составы ( пат. США №33226830 и Франция № 1543540)

Для специальной обработки пористых бетонов, в ряде случаев используется фуриловый и фурфуриловый спирты, высокомолекулярные углеводороды в смеси с карболовыми кислотами, а также кремнийорганические жидкости.

Бетонные изделия модифицируют непосредственно полимерами (сополимерами), поливинилбутераль, полиэтилен, хлорсульфированный полиэтилен, полипропилен в смеси с каучуком, поливинилацетет и поливинилхлорид, полиизиционаты, полиметакрилатполиглицидина, полиметилметакрилат и др. Из сополимеров употребительны составы на основе мономеров акрилового и метакрилового ряда.

Наибольшее распространение для пропитки бетона получили метилметакрилат и производные составы на его основе, так как этот материал легко проникает в бетон и сравнительно просто полимеризуется, обеспечивая получение высокой прочности готового продукта. На ряду с метилметакрилатом для пропитки широко используют стирол и материалы на его основе. Стирол в 2 раза дешевле метилметакрилата и производится в больших объёмах. Его недостаток – более высокая температура полимеризации в последнее время преодолевается применением смешанных систем, в которых стирол является одним из компонентов.

Для отверждения органических вяжущих используют целый ряд отверждающих агентов, основным требованием к которым является обеспечение высоких физико-механических свойств готовых изделий при сравнительно коротком времени полимеризации. 

Высокотемпературная каталитическая полимеризация мономеров акрилового и метакрилового ряда легко осуществляется под воздействием различных органических перекисей, из которых широкое применение получила перекись лаурила (ПА), перекись бензоила и порофор. Однако для получения самотверждающегося составов, полимеризация которых протекает на холоде без подвода тепла извне, как правило, используются инициирующие системы, состоявшие из органической перекиси и третичного амина, например диметиланилина. Наилучшие результаты показывают системы порофор+гипериз и ПБ+ДМА.

Технология бетонополимеров.

Технология бетонополимеров включает процессы подготовки бетона, т.е. освобождение порового пространства бетона от влаги с целью его заполнения мономером или специальным пропитывающим составом процессы пропитки бетона и последующей полимеризации мономера непосредственно в теле бетона.

Производится с целью освободить от воды поры и капилляры бетона и тем самым подготовить их для заполнения пропиточным составом. Вытеснить воду с помощью мономера затруднительно, так как вода обладает большим химическим сродством с компонентами цементного камня. При неполном высыхании в бетоне сохраняется адсорбционная влага, что может привести к нарушению адгезии полимера и силикатной матрицы, что отрицательно скажется на работе бетонополимера. Наиболее широко применяют сушку при температуре 105-1500 С. Повышение температуры сушки значительно уменьшает ее длительность: при прочих равных условиях результат высушивания плотных бетонов при 1500 С в течение 8 часов равен высушиванию при 1050 С в течение 100 часов.

Применяют следующие технологии сушки изделий: конвективная сушка, радиационная, контактная, токами высокой частоты.

Конвективная сушка осуществляется в струе нагретого пара. При данной технологии возникает значительный перепад влажности и температуры по толщине изделия, что приводит к неравномерной усадке и, следовательно, лимитирует скорость сушки. Однако данный способ прост и наиболее широко распространен. Оптимальный режим сушки в данном случае определяется с учетом размеров изделия, плотности и начальной влажности.

Радиационная сушка- влага испаряется за счет излучения тепла от нагретой поверхности или источника инфракрасного излучения. При такой технологии сложно обеспечить равномерный прогрев изделия, поэтому данный вид сушки может быть рекомендован лишь для тонкостенных конструкций, таких как трубы малых диаметров, лотки и скорлупы, тротуарные плиты. Целесообразно использовать металлические и керамические панельные излучатели.

В ходе сушки, осуществляемой по выше перечисленным технологиям, температура на поверхности изделия оказывается выше, чем внутри и при неоправданно жестких режимах сушки возможно возникновение усадочных трещин.

Контактная сушка осуществляется в результате прохождения электрического тока через тело бетона. Электрическое сопротивление бетона значительно и при прохождении тока происходит прогрев бетона. Температура в центре изделия оказывается выше, чем на поверхности, за счет испарения и охлаждения влаги. Изменяя параметры тока можно регулировать скорость сушки без изменения параметров окружающей среды, то есть контактную сушку можно осуществлять вообще без сушильных камер. Регулирование и контроль режима сушки легко автоматизировать, так кА электрическое сопротивление бетона обратно пропорционально влажности изделия. Однако последнее обстоятельство имеет и отрицательное последствие- удаление адсорбционной влаги требует больших расходов электроэнергии. При установке электродов возникают трудности, связанные с дефицитом токопроводящих паст (графитовые на различных связующих).

Перспективна сушка токами высокой частоты. Переменное электрическое поле высокой частоты возбуждает колебательное движение ионов, электронов, полярных и неполярных молекул в поровой жидкости бетона. За счет инерционного запаздывания этих колебаний возникает молекулярное трение, вызывающее нагревание изделий. Чтобы повысить интенсивность сушки, необходимо увеличить частоту поля в процессе прогрева бетона за счет теплообмена с окружающей средой и испарения влаги с поверхности. Внутри бетон прогревается до более высокой температуры, чем на поверхности. Такой вид сушки наиболее целесообразен при прогреве тонкостенных изделий, так как прогрев происходит равномерно по всей массе изделия. Основной недостаток метода - большой удельный расход электроэнергии, значительные аппаратурные и эксплуатационные сложности.

Вакуумирование обеспечивает более глубокую очистку пор и капилляров, а так же удаляет из бетона воздух, который отрицательно влияет на полимеризацию некоторых мономеров. Вакуумирование длится около 1 часа и осуществляется в герметичных контейнерах. Данная операция является желательной, но не всегда обязательной.

Нельзя сушить свежеотформованный бетон, так как потеря влаги препятствует протеканию взаимодействия цемента с водой и отрицательно влияет на рост прочности бетона.

Наиболее экономичным способом удаления влаги является естественная сушка. Но такая сушка очень длительная, ее целесообразно применять на дорогах, в гидротехнических сооружениях.

Пропитка бетона

Пропитка бетона мономером является одной из основных технологических операций получения бетонополимера. Тот того, насколько глубоко и полно удается пропитать бетон, зависят свойства конечного продукта. Пропитку обычно осуществляют, погружая изделие в среду мономера. Могут применяться и другие приемы, особенно при поверхностной обработке бетона (разлив мономера по поверхности, пропитка через пористые среды, многократная покраска и др.). Технология пропитки во многом определяется свойствами бетона и пропитывающей жидкости, требованиями к конечному материалу – бетонополимеру.

Полимеризация мономера в бетоне

Полимеризация мономера в порах бетона является завершающей операцией получении бетонополимерных изделий и конструкций. От правильности ее прведения во многом зависит конечная прочность материала.

Обработка газами в ряде случаев может существенно повысить качество изделия или конструкции.