Примеры использования полимеров в производстве строительных материалов.
Полимербетоны – композиционные материалы, изготовляемые на основе термореактивных полимеров. Заполнители выбирают в зависимости от вида агрессивной среды (то есть обычный цементный бетон только в качестве вяжущего полимеры). В отличие от цементных бетонов, полимербетоны обладают высокой химической стойкостью, повышенными прочностными характеристиками. Применяют полимербетоны для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, высокопрочных сред. Недостаток: высокая стоимость, большая ползучесть, недолговечность.
Также полимеры вводят в состав обычного цементного бетона (например, ПВА в количестве 10-20 %). В результате повышается предел прочности на изгиб и растяжение. Применяют такие бетоны для обустройства полов.
Стеклопластики – это листы, полученные путем пропитывания стеклянного волокна синтетическими смолами. Волокна тесно сцепляются со смолой и подобно арматуре в ЖБИ существенно улучшают физико-механические свойства изделия. Связующим веществом в стеклопластиках служат феноло-формальдегидные, эпоксидные полимеры. Прочность на изгиб 2400 – 5500 кг/см2, прочность на растяжение 2200-3500 кг/см2. То есть по прочности приближается к стали. Из стеклопластика изготавливают трубы, емкости, его используют для устройства кровель, ограждений.
Стеклопластиковая арматура сегодня часто противопоставляется арматуре стальной как более современный и эффективный аналог. Стеклопластиковая арматура представляет собой композиционный материал, состоящий из стеклянных волокна в виде нитей, связанных между собой эпоксидной или полиэфирной смолой. Диаметр стержней варьируется от 4 до 20 мм. Поверхность стержня может быть гладкой или рифленой, подобно стальной арматуре.
Метод стеклопластикового армирования был разработан и испытан в 1960 годах. Стеклопластиковая арматура использовалась в строительстве участков ЛЭП в Батуми, Гродно, Ставрополе и Москве. Были выстроены некоторые мосты и маяк в Сочи. Но такая технология не стала востребованной из-за нерациональности и низкой стоимости металлопроката. Но в последнее время стоимость металла выросла, поэтому интерес к стеклопластиковой арматуре вновь вырос.
Для производства стеклопластиковой арматуры используют роувинг, представляющий собой пучок (бобину) нитей из алюмоборосиликатного стекла размером 10-20 мкм. Нити роувинга (до 60 шт) подаются из специального устройства шпулярника в механизм натяжения. После выравнивания напряжения всех волокон нити располагаются в необходимом порядке и соединяются в один поток. Далее, нити протягиваются через ванну с нагретым связующим веществом (эпоксидная смола). Пропитанные смолами нити протягиваются через фильеру - механизм формирующий диаметр будущего стержня. Если производится рифлёный стержень, то далее на свежесформированный стержень производится спиральная намотка волокна. После этого, стержни направляются в печь, где происходит полимеризация связующего и отверждение стержня. Перед печью, на поверхность стержня может быть высыпан песок. На выходе из печки пруток охлаждается (воздухом или погружением в воду) и в зависимости от вида изделия разрезается на мерные отрезки или наматывается в бухты.
Характеристики стеклопластиковой арматуры: плотность 1300-2100 кг/м3, Прочность на растяжение 1100-1200МПа, Модуль упругости 60000 МПа, Коэффициент теплопроводности 0,4-0,6 Вт/м 0С.
Преимущества (в сравнении со стальной):
• Низкая плотность;
• Низкая теплопроводность;
• Высокая прочность на растяжение;
• Устойчивость к химическим воздействиям, коррозионная стойкость;
• Радиопрозрачность, не создает помех для радиоволн.
Недостатки:
• Низкий модуль упругости (в 3,5 раза ниже чем у стали), обладая высокой прочностью на растяжение имеет сниженные показатели на сжатие и изгиб (в сравнение со стальной);
• Низкая огнестойкость (при температуре 2000 С начинается деструкция);
• Не предназначена для сварки;
• Снижение прочности со временем эксплуатации.
Также из-за отсутствия значительной практики применения сложилось много вопросов: адгезия пластика к бетону, надежность насечки при работе на срез, воспринятие нагрузок в плоскости, перпендикулярной направлению волокон и др.
Область применения: устройство фундаментов, при изготовлении дренажных труб, дорожное строительство, при кладке стен, для устройства гибких связей в многослойных стенах и др.
Пластмассовые (полимерные) трубы получают из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида.
Пластмассовые трубы получают экструзивным способом (выдавливанием) с помощью обогреваемого шнека (пример, простейшего экструдера – домашняя мясорубка). Также их получают прессованием или склеиванием из листовых заготовок.
Трубы выпускают диаметром 6-150 мм при толщине стенок 2-8 мм. Они рассчитаны на рабочее давление до 1,2 МПа. Монтаж трубопроводов осуществляют сваркой встык или с помощью муфт, а также с помощью фланцевых соединений.
Преимущества
- легкие (в 3-8 раз легче стальных), при этом имеют достаточную прочность;
- высокая эластичность, что позволяет их вписывать в повороты трассы;
- не подвержены коррозии;
- высокая водо- и химическая стойкость;
- низкая теплопроводность;
- высокая пропускная способность (на 10-15 % выше чем у стальных) вследствие высокой гладкости;
- возможность использования щадящих методов прокладки (узкотраншейные, бестраншейные технологии)
- высокая скорость монтажных работ.
Недостатки
- низкая теплостойкость, нетерпимость к прямому воздействию солнечных лучей;
- релаксация – все термопласты в зависимости от нагрузки и времени теряют свои прочностные характеристики;
- повышенная стоимость.
Пластмассовые трубы применяются для монтажа систем водоснабжения, канализации и вентиляции
Полиэтиленовые трубы изготавливаются диаметром 10-1200 мм и выпускаются в бухтах и отрезках длиной 6-12 м.
Преимущества: высокая коррозионная стойкость; устойчивость к отрицательным температурам (до – 200 С); высокая эластичность.
Сшитый полиэтилен – «относительно» новый вид труб, применяющийся для сетей водоснабжения и отопления. Это обработанный под высоким давлением полиэтилен, у которого при такой обработке возникают дополнительные поперечные молекулярные связи своеобразные мостики. Именно эти мостики держат структуру полиэтилена очень прочно. Такие трубы очень сильно растягиваются, не бояться замерзания воды внутри, обладают значительной гибкостью и могут держать достаточно большую температуру (до + 95 0 С).
Полипропиленовые трубы занимают 2 место по использованию. Их свойства близки к полиэтиленовым, но отличаются более высокой жесткостью. Поэтому трубы выпускают в виде мерных отрезков, что требует большого количества соединительных элементов при монтаже.
Поливинилхлоридные трубы изготавливают с раструбом и без, диаметром 10-350 мм. Преимущества: пониженная горючесть, повышенная химическая стойкость, менее чувствительны к УФ-излучению. Недостатки – неэкологичны. Применяют для напорной и безнапорной канализации, для прокладки технологических трубопроводов, для прокладки электрокабеля.
Теплоизоляционные материалы. Наиболее известны ячеистые пластмассы, изделия из различного рода волокнистых материалов на основе синтетических связках (минераловатные плиты).
Пенополистирол изобретен в 50-х годах XX века немецкими учеными. Состоит на 98% из воздуха, на 2% из полистирола (вырабатывается из нефти).
Он состоит из шариков, а каждый шарик построен из десятков тысяч ячеек, наполненных воздухом. Воздух, заключенный в ячейках, не может перемещаться, а неподвижный воздух является лучшим изолятором. Этим объясняется низкая теплопроводность материала.
Сырьем для производства пенополистирола служат полистироловые гранулы, которые содержат пентан (чистый углеводород). При нагреве таких гранул паром (80-1300 С) пентан переходит в летучее состояние и расширяется, что приводит к расширению самих гранул (объем гранул может увеличиться в 50 раз). После этого, гранулы охлаждают и выдерживают (12-24 ч) для их подсушивания и стабилизации внутреннего давления. По окончании выдержки полистирольные гранулы помещают в формовочный агрегат, который спрессовывает полученную массу предавая ей форму блока (плиты). За счет воздействия пара и давления от пресса гранулы склеиваются друг с другом образую монолитное изделие. Далее, пенополистирольный блок снова подсушивается, после чего подвергается разрезанию на готовые изделия.
В зависимости от способа производства пенополистирол делится на беспрессовый, прессовый и экструзионный.
Беспрессовой пенопласт состоит из маленьких сцеплённых шариков, как бы соты в пчелином улье (используется для упаковки).
Прессовой внешне и по теплоизоляционным свойствам практически не отличается от беспрессового, но из-за того, что его гранулы сцеплены немного прочнее, его трудней раскрошить или сломать.
Беспрессовой и прессовой пенопласты имеют недостаток - между гранулами, имеются мельчайшие полости, через которые могут попадать водяные пары. В результате на 5-10 % ухудшается его теплоизолирующая способность, а при замерзании влаги может происходить разрушение гранул.
Этого недостатка лишен экструзионный (экструдированный) пенополистирол. Экструзия – это процесс выдавливания приготовленной массы через имеющую отверстие определенной формы матрицу.
Экструдированный пенополистирол получают посредствам вспенивания гранул полистирола при повышенной температуре и последующего выдавливания его через экструдера. За счет этого достигается высокое уплотнение структуры и сцепление гранул.
Экструдированный пенополистирол характеризуется замкнутой ячеистой структурой, с размером ячее до 0,2 мм. Именно малый размер ячеек обеспечивает экструдированному пенополистиролу высокие эксплуатационные свойства и популярность в сфере строительства. Данный материал характеризуется низким водопоглощением (менее 0,3 %) и гигроскопичностью. Фактически этот материал является барьером на пути движения воды и пара. В отличие от обычного пенополистирола, он со временем не напитывается влагой и не меняет своих теплотехнических характеристик. Кроме этого экструдированный пенополистирол в среднем в 3 раза прочнее обычного пенополистирола и выдерживает нагрузку до 70 тонн на 1 м2, что позволяет использовать его на объектах с повышенными прочностными требованиями (авто и ж/д дороги, аэродромы).
Преимущества: высокая теплоизоляционная способность и прочность (особенно для экструдированного), легкая обработка, не пылит, дешевизна (в сравнении с мин.ватой) .
Недостатки.
1. Пенополистирол при неблагоприятных условиях может медленно выделять остатки стирола и других вредных веществ, которые ухудшают самочувствие человека. Дело в том, что окисление воздухом материалов на основе стирола полностью избежать невозможно, причем у пенопластов скорость окисления будет выше, чем у экструдированного пенополистирола — в структуре пенопластов более крупные шарики и менее прочные связи. Чем выше температура — тем больше скорость окисления, при этом гореть пенополистиролу не требуется, выделение толуола, бензола, этилбензола, формальдегида, ацетофенона и метилового спирта происходит в процессе воздушного окисления при комнатной температуре более +30оС. Кроме того, свежеуложенный пенополистирол выделяет стирол, не полимеризированный в процессе производства, так как 100% полимеризация всего исходного сырья, заложенного в реактор, технологически невозможна.
2. Пенопласты легко загораются, быстро сгорая с коптящим пламенем, при этом плавясь и выделяя токсичный дым. Для снижения горючести в пенопласты вводят пламягасящие добавки, (самозатухающий тип пенопластов). Такой пенопласт не поджечь от спички или искры, но в костре он горит хорошо. Однако, с введение антипиренов увеличивается дымообразование. Так, коэффициент дымообразования для пенополистирола, не содержащего антипирены, равен 1048 м2/кг, но у самозатухающего пенополистирола с введенными в его состав антипиренами этот показатель — 1219 м2/кг! Для сравнения: коэффициент дымообразования резины равен 850 м2/кг, древесины— 23 м2/кг. Следует отметить, что если задымленность в помещении составляет более 500 м2/кг, то на расстоянии вытянутой руки не будет видно ровным счетом ничего.
Последствия горения полистирола известны по трагедии 2009 года, произошедшей в Перми, в ночном клубе «Хромая лошадь» — большинство погибших в этом пожаре задохнулись продуктами горения утеплителя, которым были открыто обшиты внутренние перегородки. В качестве утеплителя там использовался упаковочный пенопласт меньшей плотности, который превосходно горит и не склонен к самозатуханию.
3. Не изучен вопрос долговечности. При покупке действительно качественного теплоизоляционного материала, соблюдении всех требований по монтажу, полноценному закрытию внешней площади пенополистирола слоем качественной штукатурки или декоративными панелями, его срок службы составит свыше 30 лет. При отклонении от правил монтажа и эксплуатации срок службы снизится.
Пенополистирол целесообразно применять в наружных частях здания, закрыв внешнюю часть цементной штукатуркой (для защиты от ультрафеолета). Экструзионный полистирол незаменим для утепления подземных частей здания (фундаменты, цокольные этажи и другие конструкции, имеющие контакт с водой).
Сравнительная характеристика теплоизоляционных материалов
| Экструд пенопол-л | Rockwool | Пенопласт | Стекловата | |
| Прочность на сжатие при 10% деформации, (МПа) | 0,25-0,50 | 0,03 | 40-160 | — |
| Плотность, кг/м3 | 25-45 | 25-45 | 15-50 | 11-30 |
| Теплопроводность при (25±5) oC, Вт/(м.К) | 0,029-0,03 | 0,034-0,045 | 0,038 - 0,041 | 0,036 - 0,043 |
| Коэффициент теплопроводности в зоне "А" | 0,0310,032 | 0,040 - 0,043 | 0,042 - 0,050 | |
| Коэффициент теплопроводности в зоне "Б" | 0,0310,032 | 0,042 - 0,047 | 0,046 - 0,055 | |
| Водопоглощение, % по объему, не более | 0,2 | 1,5 | 1,8 - 4,0 | 10-15 |
| Паропроницаемость, мг/м ч Па | 0,05 | 0,55 | ||
| Рабочий диапазон температур, °С |
Минеральная вата волокнистый теплоизоляционный материал на синтетическом связующем, полученный при охлаждении предварительно раздробленного в капли и вытянутого в нити минерального расплава горных пород. Мин. вата в зависимости от вида сырья делится на каменную (базальтовую) и стеклянную ваты.
Преимущества: Мин. вата характеризуется высокой температуростойкостью (7000 С), отличными звуко- и теплоизоляционными свойствами, паропроницаема.
Недостатки: вяжущий материал, используемый при производстве минеральной ваты - фенолформальдегидная или меламинформальдегидная смола - в течение длительного времени выделяет свободный формальдегид, который является высокотоксичным веществом. Наличие определенного размера волокон, вредно действующих на организм человека (толщиной менее 3 мкм и длиной более 5 мкм).
Применяется в качестве ненагруженной изоляции ограждающих конструкций зданий; в качестве утеплителя в навесных фасадах; в трехслойных конструкциях; в качестве тепловой изоляции трубопроводов, промоборудования и т.п.; утепление кровли.