Направленное изменение свойств бетона и железобетона полимерами
Решениями Партии и Правительства намечено широкое развитие химии и проведение на этой основе всесторонней химизации всего народного хозяйства. Коренное усовершенствование строительства в значительной степени связано с использованием достижений физики и химии. При этом химические средства прежде всего следует использовать для улучшения свойств бетона и железобетона.
Значение железобетона в современном строительстве огромно. Из железобетона выполняются самые (разнообразные конструкции, он оказывает влияние и на развитие новых конструктивных форм. Однако свойства цементного камня, прежде всего его недостаточная плотность, подверженность коррозии, малая упругость и растяжимость задерживают создание качественно новых конструкций из железобетона.
Еще в 1958 г. была выдвинута идея создания материала нового типа, основанного на обогащении железобетона полимерами. Полимеры вводятся в качестве облагораживающих добавок полимерцементного бетона для придания последнему нужных свойств, или в качестве связующего в безводном и бесцементном полимербетоне.
В качестве добавок используются поливинилацетатная эмульсия, каучуковый латекс, фуриловый спирт, саран, полиэфирные и эпоксидные смолы и др. Связующими в бесцементном полимербетоне служат: фурановые, фенолформальдегидовые, карбамидные, не насыщенные полиэфирные, эпоксидные и другие смолы, чистые или модифицированные, а также некоторые элементоорганические соединении. Изменяя состав и количество компонентов получают бетон с любыми нужными строителям свойствами по прочности, деформативности, трещино-стойкости и химической стойкости.
Вводя в пластбетон стержневую или прутковую арматуру получают сталепластбетон, а усиливая различные его зоны неметаллическими и стальными нитями и каркасами или особо высокопрочными мелкоразмерными изделиями микрометаллургии получают армопластбетон. Из него можно создавать особо эффективные строительные конструкции — легкие, высокопрочные и долговечные в любых условиях эксплуатации.
Обогащение железобетона полимерами может осуществляться и другими способами:
устройством полимерных покрытий по поверхности бетонных и железобетонных конструкций в целях повышения их прочности, трещиностойкости и физико-химической стойкости;
созданием слоистых конструкций, в которых одна часть улучшена одними полимерами, а другая состоит из обычного железобетона или обогащена другими полимерными материалами;
склеиванием сборных элементов из металла или железобетона в единую монолитную систему синтетическими клеями.
Большие успехи достигнуты в разработке и внедрении пластбетонов, особенно полимербетонов, создание которых следует считать крупным достижением советской строительной науки. Полимербетоны характеризуются высокой прочностью при растяжении, сжатии и изгибе, стойкостью к ударным и абразивным воздействиям, малой проницаемостью, химической стойкостью и диэлектрическими свойствами.
Наиболее изученным является полимербетон на фурфуролацетоповом мономере ФА или ФАМ, отверждаемом бензосульфокислотой — БСК. Он получил применение как конструкционный материал в подземном, шахтном, коммунальном, промышленном и транспортном строительстве. Однако фундаментальные проблемы структурообразованпя и технологии этого многокомпонентного, многофакторного и многофазового сложного материала до сих пор еще не решены.
От успешного решения этих проблем и прежде всего проблемы регулирования физико-химических процессов в твердеющей смеси — смола — наполнитель зависит дальнейшее совершенствование полимербетона.
Рассмотрим некоторые из этих проблем.
1. Установление оптимального количества полимерного связующего при подборе плотных смесей наполнителей. В этом аспекте задача проектирования составов приобретает особый экономический интерес, так как стоимость изделии и конструкций из полимербетона в значительной степени зависит от стоимости полимерного связующего и каждый «лишний» процент смолы сужает -возможности оправданного применения нового аффективного материала. Удивительно поэтому, что методы подбора оптимальных составов полимербетона не получили еще удовлетворительного решения. Наполняющие системы полимербетона компонуются из щебня и песка с добавлением микронаполнителя. Однако во всех известных рецептах применяемые фракции не имеют какого-либо обоснования, причем часто даже не указываются размеры фракций. Это является одной из причин несопоставимости различных данных, а количество дорогого связующего превышает в ряде случаев 15—18°/о от веса заполнителя.
Исследования кафедры строительных конструкций МИИТа показали целесообразность проектирования составов полимербетона по принципу прерывистой гранулометрии. При этом значительная экономия на дорогостоящих смолах с избытком компенсирует затраты на претенциозное фракционирование наполнителей. Новые составы полимербетона содержат только 5—6% связующего и характеризуются прочностью на сжатие 600— 700 кг/см2. При чем стоимость полимербетона в современных ценах снижается до 75—80 руб/м3 вместо 150—200 руб/м3, действующих сейчас.
2. Выбор оптимального количества отвердителя и способа введения его в полимербетонную смесь, который оказывает большое влияние на процесс твердения и стабильность структуры полимербетона. Известно, что реакция отверждения мономера ФА протекает по катонному механизму, поэтому нельзя оправдать столь большой расход катализатора бензосульфокислоты, который принят до сих пор-—25% от веса смолы. К тому же избыток несвязанной БСК в структуре отвержденного полимербетона отрицательно сказывается на водостойкости и долговечности материала. Нашими работами доказана возможность снижения БСК. и смеси до 10% по весу к смоле без ущерба для полноты отверждения. При этом определяющее влияние приобретает дисперсность распределения катализатора в массе связующего.
Разработаны способы, обеспечивающие равномерное распределение отвердителя БСК и полную безопасность работы с ним. Значительно упрощается технология приготовления полимербетона и попытается его качество.
3. Устранение вредного влияния воды на процесс твердения и структурообразования фуранового полимербетона. В малых дозах вода действует как катализатор реакции и ее присутствие необходимо. Однако избыток воды задерживает твердение и ослабляет материал. Поэтому, сушка наполнителей для исключения попадания лишней воды в смесь при действующей технологии обязательна.
В МИИТс разработаны технология и состав полимербетона с введением водосвязующнх добавок, исключающие сушку наполнителей и повышающие качество конечного продукта.
4. Создание рациональной технологии изготовления элементов конструкций из сталеполимербетона. Как показывает опыт, копирование технологии обычного железобетона не является удачным.
Ждут своего решения вопросы приготовления смеси, виброуплотнения, ускорения твердения изделий.
Разработан способ ускоренного прогрева изделий из сталеполимербетона в специальных растворах, обеспечивающих однородность свойств изделий, упрочнение поверхностных слоев и повышение водостойкости материала.
Большие резервы повышения прочности и долговечности полимербетона таятся в физико-химических явлениях, протекающих на границе контакта фаз при совмещении компонентов и твердении смеси. Исследования МИИТа, в частности, по модификации и аппретированию наполнителей дают обнадеживающие результаты.
5. Создание эффективных конструкций из сталепластбетона. При этом следует учитывать особенности материала, который наряду с перечисленными выше преимуществами в прочности и стойкости имеет и излишне высокую деформативность (ползучесть). Разработаны способы повышения и регулирования жесткости конструкции из сталепластбетона, подтвержденные экспериментально. Один из них - введение специальных вкладышей в сжатую зону сталеполимербетона двухсЛОЙНЫХ конструкций. Внедрение сталеполимербетона в несущие строительные конструкции включает изготовление и испытание элементов и конструкций подземного и транспортного строительства, в
которых прежде всего необходимы химическая и диэлектрическая стойкость материала.
Дальнейшие исследования в области пластбетонов, на наш взгляд, должны быть сосредоточены па решении следующих задач:
- совершенствование составов пластбетона, оптимальных как в техническом, так и в экономическом отношении;
- разработка научных основ структурообразования пластбетона с целью направленного изменения его свойств;
- развитие рациональной технологии изготовления элементов и конструкций из сталепластбетона, учитывающего специфические свойства нового материала;
- создание обоснованных методов расчета и проектирования конструкций из сталепластбетона;
- выявление рациональных типов и эффективных конструктивных форм из сталепластбетона;
- установление областей применения пластбетона и сталепластбетона;
- изготовление армоплаетбетона и формование изделии из него на основе электронно-ионной технологии, способной произвести коренной переворот в строительстве.
Над решением этих проблем следует работать научным коллективам, заинтересованным в создании высокопрочных и химически стойких эффективных конструкций.
Проф. С. С. ДАВЫДОВ (МИИТ)
журнал бетон и железобетон 1961г.