Цементно-полимерный бетон, полимербетоны, бетоно-полимеры
Цементно-полимерный бетон получается на основе добавления к стандартному составу бетона различных высокомолекулярных органических соединений, так называемых водно-дисперсных полимеров. В их разряд входят такие полимеры как винилацетат, винилхлорид, стирол. Это могут быть и растворимые водой коллоиды и латексы: спирты поливиниловые, смолы эпоксидные полиамидные и мочевиноформальдегидные. Полимеры вводятся в состав цементно-полимерного бетона в процессе приготовления бетона.
Цементно-полимерный бетон приобретает свои уникальные характеристики благодаря присутствию двух активных составляющих: органического и минерального вяжущего веществ. Вяжущее вещество способствует образованию цементного камня, который скрепляет в монолит свободные частицы заполнителя. По мере удаления воды из цементно-полимерного бетона на поверхности происходит образование тонкой пленки, обладающей отличной адгезией и сцеплением внутренних частиц раствора. Это и способствует монолитности цементно-полимерного бетона, что делает его более устойчивым к повышенным нагрузкам. Кроме того, цементно-полимерный бетон приобретает такие свойства, как повышенная прочность при растяжении, высокая морозостойкость, износостойкость и водонепроницаемость.
Прочность цементно-полимерного бетона увеличивается, если бетон предварительно выдерживается в условиях сухого воздуха, при которых влажность составляет не более 40— 50%. Воздух с большим процентом влажности снижает уникальные характеристики цементно-полимерного бетона.
Технология приготовления цементно-полимерного бетона схожа с обычным бетоном. Рекомендуется применение цементно-полимерного бетона для полов, дорог, отделочных составов, коррозионно-стойких покрытий.
Полимербетон (П-бетон) – это бетон, при приготовлении которого в качестве вяжущего используются полимерные смолы или они входят в состав вяжущего в значительных количествах и существенно влияют на свойство материала. Заполнителями служат обычно песок и щебень. Для экономии дорогостоящих смол в состав материала можно вводить тонкомолотые наполнители. П-бетоны подразделяются на полимерцементные бетоны (вяжущее цемент + водо-растворимая полимерная добавка), полимер силикатные бетоны (вяжущее жидкое стекло + фуриловый спирт или диизоцианаты), бетонополимеры (бетоны, пропитанные полимерами) и собственно полимербетоны.
В свою очередь полимербетоны бывают: на термореактивных смолах (карбамидных, фенольных, полиэфирных, фурановых, полиуретановых, эпоксидных) и термопластичных смолах (инден-кумароновых метилметакрилате). Кроме того, П-бетоны делятся на сверхтяжелые, тяжелые, легкие и сверхлегкие.
Мочевиноформальдегидные (карбамидные) смолы типа «КМ» (крепитель м) и «УКС» (универсальная карбамидная смола), МФ-17, М-60, М-19-62, и другие стойкие в кислотах, но не достаточно стойкие в щелочах. Их получают в результате реакции поликонденсации мочевины и формальдегида в водной или водно-спиртовой среде. Отвердителями являются щавелевая, лимонная, уксусная, серная, соляная, фосфорная кислоты, хлористые: аммоний и цинк, лучше соляно-кислый анимит, который хорошо растворяется в воде и смоле «УКС».
К другим смолам, рекомендуемым для приготовления полимербетонов относятся:
- фурфуролацетоновая смола ФАМ или ФА (ТУ 6-05-1618-73);
- ненасыщенная полиэфирная смола ПН-1 (МРТУ 6-05-1082-76) или ПН-63 (ОСТ 6-05-431-78);
- карбамидоформальдегидная КФ-Ж (ГОСТ 14231-78);
- фурано-эпоксидная смола ФАЭД-20 (ТУ-59-02-039.13-78);
- эфир метиловый метакриловой кислоты (мономер метилметакрилат) ММА (ГОСТ 16505).
В качестве отвердителей синтетических смол используются:
- для фурфуролацетоновых смол ФАМ и ФА – бензолсульфокислота БСК (ТУ 6.1425);
- для полиэфирных смол ПН-1 и ПН-63 – гидроперекись изопропил бензола ГП (ТУ 38-10293-75);
- для карбамидоформальдегидной КФ-Ж – солянокислый анилин СКА (ГОСТ 5822);
- для фурано-эпоксидной смолы ФАЭД-20 – полиэтиленполиамин ПЭПА (ТУ 6-02-594-70);
- для метилметакрилата ММА – система, состоящая из технического диметиланилина ДМА (ГОСТ 2168) и перекиси бензоила ПБ (ГОСТ 14888).
В качестве ускорителя твердения полиэфирных смол используется нефтенат кобальта НК (МРТУ 6-05-1075-76).
В качестве пластифицирующих добавок следует применять:
- катапин (ТУ 6-01-1026-75);
- алкамон ОС-2 (ГОСТ 10106);
- меламино-формальдегидную смолу К-421-02 (ТУ 6-10-1022-78);
- сульфированные нафталин формальдегидные соединения – пластификатор С-3 (ТУ 6-14-10-205-78).
Полимербетоны очень плотные и стойкие в различных агрессивных средах материалы. Наибольшей прочностью и универсальной стойкостью обладают полимербетоны на эпоксидных смолах к эпоксидным смолам относятся ЭД-5, ЭД-6, ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 и компаунды с каучуками, фурановыми (фурано-эпоксидная смола ФАЭД-20) и другими смолами. Для пластификации композиции в качестве пластификатор применяют диметилфталат, дибудилфталат и другие, которые вводятся в количестве 15-20% от массы смолы. Катализаторами твердения являются третичные амины, хлористая сурьма, фтористые соединения и другие. Для холодного отверждения применяют полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин или жидкие полиамиды.
Фурановые смолы (ФА, ФАМ, 2-ФА и другие) получают конденсацией фурфурола и фурфурилового спирта с фенолами и кетонами. Они являются наиболее дешевыми. Наибольшее распространение в строительстве нашел мономер ФА, получаемый при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде.
Исходными продуктами для получения фурфуролкарбамидных смол служат фурфурол, мочевина и наполнители из кислостойких пород. В качестве катализатора применяют хлорное железо, а ускорителя твердения – анилин.
В качестве крупного заполнителя для тяжелых полимербетонов может применяться щебень из естественного камня или щебень из гравия. Щебень и щебень, дробленный из гравия, должны отвечать требованиям ГОСТ 8267, ГОСТ 8268, ГОСТ 10260-74.
Применение щебня из осадочных горных пород не допускается.
В качестве крупных пористых заполнителей для полимербетонов следует применять керамзитовый гравий, шунгизитовый гравий и алгопоритовый щебень, соответствующие требованиям ГОСТ 9759, ГОСТ 19345, ГОСТ 11991.
Для приготовления тяжелых полимербетонов высокой плотности следует применять щебень следующих фракций:
- при наибольшем диаметре, равном 20 мм., следует применять щебень одной фракции 10-20 мм.;
- при наибольшем диаметре равном 40 мм., следует применять щебень из двух фракций 10-20 и 20-40 мм.
В качестве крупного заполнителя для тяжелых полимербетонов может применяться щебень из естественного камня или щебень из гравия. Щебень и щебень, дробленный из гравия, должны отвечать требованиям ГОСТ 8267, ГОСТ 8268, ГОСТ 10260-74.
Применение щебня из осадочных горных пород не допускается.
В качестве крупных пористых заполнителей для полимербетонов следует применять керамзитовый гравий, шунгизитовый гравий и алгопоритовый щебень, соответствующие требованиям ГОСТ 9759, ГОСТ 19345, ГОСТ 11991.
Для приготовления тяжелых полимербетонов высокой плотности следует применять щебень следующих фракций:
- при наибольшем диаметре, равном 20 мм., следует применять щебень одной фракции 10-20 мм.;
- при наибольшем диаметре равном 40 мм., следует применять щебень из двух фракций 10-20 и 20-40 мм.
Состав полимербетона подбирают опытным путем. В соответствии рекомендациями Ю.М. Баженова, вначале, экспериментальным путем подбирают наиболее плотную смесь заполнителей и наполнителя и лигнимальной пустотностью, а затем определяют расход смолы и отвердителя. При этом количество смолы устанавливают таким, которое обеспечивает получение заданной подвижности бетонной смеси. Обычно расход смолы превышает объем пустот микронаполнителя на 10-20%.
Лучше состав полимербетона устанавливать с применением метода математического планирования эксперимента, варьируя содержание песка, наполнителя, смолы и отвердителя.
После выполнения эксперимента, обработки полученных результатов на ЭВМ и получения зависимостей свойств полимербетона от вышеуказанных факторов, можно рассчитывать оптимальный состав материала с требуемыми характеристиками (табл. ).
На основе карбамидных и других смол и легких заполнителей (перлита, бисипора ячеистого стекла и других) можно получать особо легкие полимербетоны с средней плотностью от 70 до 500 кг/м3 и с прочностью до 5 МПа.
Таблица11 - Характеристики полимербетонов.
| Наименование показателей | Вяжущие | |||||||
| ФАМ | ФА | ФАЭД | ПН | ЭД-6 | ||||
| тяжелый бетон | легкий бетон | тяжелый бетон | тяжелый бетон | легкий бетон | тяжелый бетон | легкий бетон | тяжелый бетон | |
| Средняя плотность, кг/м3 | ||||||||
| Кратковременная прочность, МПАна сжатие на растяжение | 70-90 5-8 | 30-65 3-5,5 | 90-110 9-11 | 50-85 3-9 | 80-100 7-9 | 50-85 2-8 | ||
| Модуль упругости, МПА Е.10-3 | 20-32 | 13-20 | 11,7 | 32-38 | 12-18 | 28-36 | 12-18 | ¾ |
| Линейная усадка, % | 0,1 | 0,1-0,85 | 0,5 | 0,05-0,08 | 0,06-0,1 | 0,02-0,25 | 0,2-0,25 | 0,2 |
| Коэффициент термического расширения, a*106, оС-1 | 12-15 | 11-13 | 10-14 | 10-14 | 14-20 | 14-18 | ||
| Объемное электрическое сопротивление, 10-8 Ом. см. | 3,8 | 5,8 | ¾ | ¾ | ¾ | |||
| Морозостойкость, не менее | F300 | F300 | F300 | F500 | F300 | F300 | F300 | ¾ |
| Стойкость к нагреву, оС | 120-140 | 120-140 | ||||||
| Водопоглащение, % | 0,05-0,3 | 0,1-0,4 | 0,01 | 0,2-0,5 | 0,05-0,1 | 0,05-0,3 | 0,02 |
Твердение отформованных изделий должно происходить при температуре не менее 15оС и нормальной влажности окружающего воздуха в течении 28 суток, для изделий из полимербетонов ММА – в течение 3+1 сут.
Для ускорения процесса твердения изделия из полимербетонов должны подвергаться термообработке, которую следует проводить в камерах сухого прогрева. Сухой прогрев должен осуществляться электронагревателями, паровыми регистрами.
Длительность выдержки в формах полимербетонных изделий до распалубки и последующей термообработки должна быть при температуре окружающей среды:
17+2оС………………12 ч.
22+2оС………………8 ч.
более 25оС…………..4 ч.
Распалубленные полимербетонные изделия должны подвергаться термообработке по следующим режимам:
- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: подъем температуры до 80+2оС – 2 ч., выдержка при температуре 80+2оС – 16 ч., спуск температуры до 20оС – 4 ч.
- для полимербетонов ФАЭД: подъем температуры до 120+5оС – 3 ч., выдержка при температуре 120+5оС – 14 ч., спуск температуры до 20оС – 6 ч.
Термообработку полимербетонных изделий объемом не менее 0,2 м3 допускается производить в формах по следующим режимам:
- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: выдержка при 20оС – 1,5ч., подъем температуры до 80+2оС – 1ч., выдержка при температуре 80+2оС – 16ч., спуск температуры до 20оС – 4ч.
- для полимербетонов ФАЭД: выдержка при 20оС – 1,5ч., подъем температуры до 120+5оС – 2ч., выдержка при температуре 120+5оС – 14ч., спуск температуры до 20оС – 6ч.
Изделия из полимербетона ММА запрещается подвергать термообработке.
- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: выдержка при 20оС – 1,5ч., подъем температуры до 80+2оС – 1ч., выдержка при температуре 80+2оС – 16ч., спуск температуры до 20оС – 4ч.
- для полимербетонов ФАЭД: выдержка при 20оС – 1,5ч., подъем температуры до 120+5оС – 2ч., выдержка при температуре 120+5оС – 14ч., спуск температуры до 20оС – 6ч.
Изделия из полимербетона ММА запрещается подвергать термообработке.
При соответствующем технико-экономическом обосновании полимербетоны целесообразно применять для изготовления конструкций, работающих в условиях сильно агрессивных сред (химические предприятия) (химически стойкие полы, лотки, сточные каналы, травильные ванны, сливные колодцы, химически стойкие трубы и т.д.) или находящихся под воздействием электрических токов (траверсы ЛЭП, контактных опор и подобных конструкций с высоким электро - сопротивлением).
Возможно изготовление из полимербетонов износостойких покрытий плотин, шахтных стволов, кольцевых коллекторов подземных сооружений, емкостей для хранения агрессивных жидкостей и других аналогичных сооружений.
Длительные испытания показывают, что предел длительной прочности мелкозернистых полимербетонов на основе смолы ФА составляет 0,45, на основе ФАМ – 0,5, а ФАМ-д-0,6.
Бетонополимер –это материал, получаемый в результате пропитки традиционного бетона полимерами с последующей их полимеризацией.
Бетонополимеры получают путем пропитки бетонов полимерами эпоксидная и полиэфирная смолы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, стирол и др.) и сополимерами, из которых наибольшее распространение получили составы на основе мономеров акрилового и мет акрилового ряда. На прочность бетонополимера влияют структура и прочность исходного бетона, вид, состав и свойства пропиточного состава, режимы сушки, вакуумирования, пропитки материала и полимеризации мономеров.
В заводских условиях наиболее целесообразна искусственная сушка бетона до влажности 0,1…0,2% по массе при температуре 105…150оС (конвективная, радиационная, высокочастотная, электрическая, комбинированная). Неполная сушка исходного бетона снижает прочность бетонополимера.
С целью наиболее полной пропитки бетона после сушки его вакуумируют при остаточном давлении в вакуум-камере 6,67…1333 Па в течение до одного часа. Режим вакуумирования устанавливается опытным путем для каждого вида бетона. Чем больше при вакуумирования из бетона удаляется влаги, воздуха, пара, тем плотнее будет его пропитка и больше прочности.
Важнейшей операцией является пропитка бетона мономерами. Пропитка материала с мелкими капиллярами происходит главным образом под действием капиллярных сил. Пропитку бетона с крупными порами капиллярами. Лучше вести под давлением до
1 МПа. Чем больше пористость исходного бетона и большей степени из него удалены воздух, пар и влага, тем полнее его насыщение мономерами и выше прочность бетонополимера. Влияют на этот процесс свойства мономера (вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания), его температура и характер пористости.
Для полной пропитки тяжелого плотного бетона необходимо мономера 2…6% по массе, для пропитки легкого бетона на пористых заполнителей – до 30…68%, ячеистого бетона - до 102…117% (табл. ).
Завершающей операцией является полимеризация мономера в бетоне (термокаталитическая и радиационная). Наиболее широко в производстве бетонополимеров применяется первый способ.
Возможно при необходимости поверхностная пропитка бетона, а также пропитка отдельных участков конструкций с целью уплотнения и упрочнения бетона, повышение плотности защитного слоя арматуры и ее сохранности.
По структуре бетонополимер представляет собой капиляро – пористое тело, в котором поры и капиляры заполнены затвердевшим полимером, имеющем хорошее сцепление с твердой фазой и объемно армирующим силикатную основу. Его структура зависит от структуры исходного бетона, свойств полимера и режима обработки. Поры бетонополимера замкнутые по форме близки к сферической. В порах с размером 200…600 мкм. наблюдается не заполненная центральная шаровидная зона. Полимер заполняет все поры, трещины и неровности на поверхности заполнителя, проникая в цементный камень и заполнитель, что значительно повышает их сцепление между собой, прочность материала на растяжении и изгибе, поскольку прочность на растяжение затвердевшего полимера намного больше такового бетона (для полиметилметакрилата до 80, а полистирола до 60 МПа (табл. ). По этой же причине величина сцепления бетонополимера с арматурой возрастает в несколько раз (табл. ).
Полимер как бы заклеивает дефекты структуры бетона и связывает различные его участки, повышая плотность и прочность материала. Бетонополимер на метилметакрилате характеризуется малым числом макропор. Число макропор также меньше, как у бетона. В контактной зоне “полимер – цементный камень” не наблюдается усадочных трещин. Таким образом создается плотная, монолитная с меньшим количеством дефектов структура материала, которая определяет характер его разрушения под нагрузкой. Бетонополимер разрушается почти мгновенно с громким треском и разлетом удлиненных осколков. Характер разрушения хрупкий. Так как обработанный полимером раствор оказывается прочнее крупного заполнителя, то разрушение происходит по раствору и заполнителю.
Прочность бетонополимера на сжатие зависит в основном от прочности исходного бетона, вида и свойств мономера, режимов сушки, вакуумирования, степени пропитки и полимеризации. Чем выше прочность исходного бетона, тем меньше степень его упрочнения.
В значительной степени прочность бетонополимера зависит от содержания полимера в паровом пространстве бетона. Чем выше степень пропитки бетона, тем больше прочность бетонополимера. С увеличением количества цементного камня в исходном бетоне степень упрочнения его повышается. В высоко прочном бетонополимере крупный заполнитель является слабым звеном. А поэтому более высокую прочность имеют мелкозернистые Бетонополимеры (до 200 МПа).
При охлаждении нагретых до +150оС образцов до +20оС их прочность полностью восстанавливается. А при охлаждении нагретых до +200оС с образцов до +20оС их прочность становится меньше первоначальной на 10%. Для получения бетонополимера, который мог бы сохранять свои свойства при температуре +200оС и выше, необходимо применять специальные термостойкие композиции.
Прочность на растяжение бетонополимера повышается по сравнению с исходным бетоном в 3…16 раз и с увеличением количества мономера в бетоне (до 19 МПа).
Таблица 12 - Влияние начальной прочности бетона на прочность бетонополимера.
| Прочность бетона до пропитки, МПа | Содержание полимера в бетоне, % | Прочность бетонополимера, МПа | Коэффициент упрочнения. |
| 2,75 | |||
| 5,5 | |||
| 6,5 |
Введение в бетон золы и других аналогичных добавок мало отражается на прочности бетонополимера, что позволяет экономить до 50% цемента.
В исходный бетон с целью существенного ускорения твердения можно вводить до 5% CaCl2, что не опасно для арматуры после пропитки бетона полимером, так как последний хорошо защищает сталь от коррозии.
Модуль упругости бетонополимера на 30…60% выше, чем у исходного бетона. Предельные деформации бетонополимера в 2 раза, а трещиностойкость в 2…5 раз выше, чем у исходного бетона. Ползучесть и усадка бетонополимера в несколько раз меньше чему бетона. Средняя плотность бетонополимера больше, чем у бетона на привес мономера - на 3…10% для тяжелых бетонов и на 10…70% - для легких на пористых заполнителях.
Водопоглащение бетонополимера оптимального состава в 5…6 раз меньше чем у традиционного бетона (примерно до 1%), а коэффициент размягчения близок к единице. В связи с этим морозостойкость бетонополимера возрастает в несколько раз и может достигать 5000 циклов замораживания и оттаивания. Однако это зависит от вида полимера.
Бетонополимер оптимального состава стоек в сульфатных, магнезиальных, щелочных и солевых средах, а так же в разбавленных кислотах, за исключением фтористо-водородной. Но концентрированные кислоты (серная, соляная, азотная) разрушают его.
Пропитка полимером легкого бетона на пористых заполнителях, ячеистого и гипсобетона значительно улучшает их свойства, в частности, повышает их плотность, прочность и снижает водопоглащение.
Таблица 13 - Данные о прочности легких бетонов и бетонополимеров.
| Средняя плотность бетона, кг/м3 | Прочность исходного бетона, МПа | Привес полимера, % | Прочность бетонополимера, МПа. |
| керамзитобетон | |||
| Газобетон | 2,4 1,1 | ||
| Гипсобетон Бетона на ГЦПВ | - |
Таблица 14 - Улучшение свойств различных бетонов после пропитки полимерами.
| Виды бетонов | Прочность на сжатие МПа. | |
| До обработки | После обработки | |
| Обычный бетон | 10…40 | 80…150 |
| Высокопрочный бетон | 50…70 | 150…200 |
| Керамзитобетон | 3…15 | 30…90 |
| Газобетон | 1…8 | 15…90 |
| Гипсобетон | 15…22 | 80…92 |
| Гипсоцементобетон | ||
| Силикатный бетон | 30…50 | 100…200 |
Таблица 15 - Свойства бетонов и бетонополимеров.
| Показатель | Исходный бетон | бетонополимер |
| Предел прочности, МПа | 30…50 2…3 5…6 | 100…200 6…19 14…28 |
| При сжатии При растяжении При изгибе | ||
| Модуль упругости, МПа | (2,5…3,5)*104 | (3,5…5)*104 |
| Прочность сцепления с арматурой, МПа | 1…2 | 10…18 |
| Относительные деформации усадки | 50*10-5 | 5*10-5 |
| Относительные деформации ползучести | (40…60)*10-5 | (6…8)*10-5 |
| Водопоглощение, % | 3…5 | |
| Электрическое сопротивление, Ом | 105 | 1014 |
| Морозостойкость | F200 | F5000 |
| Коррозионная стойкость | Недостаточная | Высокая |
При соответствии технико – экономическом обосновании и с учетом приведенных характеристик бетонополимер в первую очередь можно использовать для изготовления конструкций, работающих в агрессивных или суровых климатических условиях.