Модификация строительных материалов полимерами

Одним из эффективных направлений улучшения свойств традици­онных материалов – бетона, дерева, естественного камня, битума и пр. – считается обработка их полимерами. Модификацию строитель­ных материалов полимерами осуществляют следующими приемами: введением полимеров в бетонную или растворную смесь при пере­мешивании; пропиткой полимерами готовых изделий; нанесением полимерных покрытий на поверхности; введением полимерных воло­кон и заполнителей.

Материалы, модифицированные полимерами, характеризуются повышением прочности при всех видах механического загружения, но особенно при растяжении; улучшением деформативных характе­ристик, выражающихся в уменьшении жесткости, несколько большей предельной деформативностью; повышенным сопротивлением дина­мическим воздействиям; повышением химической стойкости, водо­стойкости и водонепроницаемости; уменьшением истираемости; по­вышением адгезии, т.е. способности сцепляться с другим материалом.

Бетонополимеры – это затвердевшие бетоны, пропитанные поли­мером. Бетоны имеют микротрещины, каверны, пустоты, которые понижают его прочностные характеристики, снижают водостойкость и т.п. Для про­питки бетонных изделий используют жидкие мономеры, полимеры (эпоксидные и полиэфирные смолы) и различные компо­зиции на их основе. Современная технология производства бетонополимерных из­делий состоит из следующих операций: изготовление бетонных изде­лий обычным путем; высушивание при температуре 110 °С в течение 10-20 ч; вакуумирование бетона для удаления воздуха и паров воды из порового пространства; пропитка мономером под давлением; от­верждение мономера в порах бетона. Прочность бетонополимера на сжатие повышается в 2-10 раз по сравнению с исходным бетоном. Прочность на растяжение увеличи­вается в 3-10 раз. Соответственно возрастает его прочность на изгиб. Увеличиваются стойкость бетонополимеров в аг­рессивных средах, их водонепроницаемость и морозостойкость. Однако многоступенчатость технологии и потребность в специальном оборудовании для пропитки и отвержде­ния мономера повышают стоимость изделия, ограничивают их разме­ры.

В настоящее время разработан метод пропитки бетона в конструкции мономером – метилметакрилатом. При этом бетон просушивается до остаточной влажности 1-2 %, летучесть мономера снижается путем введения парафинов, и соот­ветствующие отвердители полимеризуют композицию в течение не­скольких часов. Этот метод успешно применен для восстановления железобетонных конструкций после аварийных ситуаций (например, Останкинской телебашни после пожара).

Полимерцементный бетон – это цементный бетон с полимерной добавкой 10-20 % от цементного вяжущего. От обычных цементных бетонов он отли­чается улучшенными свойствами за счет затвердевшего полимера, который, равномерно распределяясь в цементном камне, при достаточной концентрации создает дополнительную матричную основу – пространственную сетку.

В зависимости от вида минерального вяжущего различают полимерцементные, полимергипсовые и другие композиции (бетонные, растворные, в том числе сухие строительные смеси). Полимерными добавками служат различные высокомолекулярные органические соединения; наиболее распространенные из них – поливинилацетат (ПВА), латексы и другие полимеры в виде водоразбавляемых дисперсий.

Влияние полимерной добавки на прочность полимерцемента свя­зано с условиями твердения и видом полимера. Например, присутствие ПВА придает полимерцементному бетону высокую прочность при растяжении и изгибе, что проявляется только при твердении в воз­душно-сухих условиях (относительная влажность среды 40-50 %). В то же время прочность при сжатии полимерцементного бетона меньше, чем обычного бетона при твердении во влажных условиях (влажность 90-100 %). Такие же закономерности характерны и для полимерцементных бетонов с другими полимерными добавками.

Усадка полимерцементных бетонов с добавкой ПВА и латексов в несколько раз выше, чем у обычного бетона. Такое увеличение усадки связано с процессом пленкообразования полимера. Пленка, обладая высокой адгезией к составляющим, стягивает скелет цементного камня и увеличивает тем самым общую усадку.

Полимерцементные бетоны имеют повышенную стойкость к дей­ствию морской воды и щелочей. Полимерцементные бетоны с ПВА удовлетворительно сохраняют свойства в маслах, керосине и других неполярных средах. По износо­стойкости полимерцементные бетоны превосходят цементный бетон в 15-20 раз.

Бетоны с полимерными покрытиями. Бетонные и железобетон­ные конструкции проницаемы для жидкостей и газов, находящихся под давлением, нестойки против многих химически агрессивных сред, обладают высоким водопоглощением, плохими диэлектрическими свойствами, имеют шероховатую поверхность. Для устранения этих недостатков на поверхности бетона устраивают защитные полимерные по­крытия. К ним предъявляются следующие требования: высокое сцепление с поверхностью бетона; высокая прочность, эластичность и трещиностойкость, низкая проницаемость для агрессивных сред; долговеч­ность и экономичность.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют покры­тия на полимерной основе: лакокрасочные, мастичные, полимерцементные, пленочно-плиточные, листовые. Широкое применение за рубежом нашли эпоксидные составы для мостовых, аэродромных по­крытий, что защищает проезжую часть от износа. При выборе полимерных материалов (полимерных покрытий), защищающих изделия и конструкции от воздействия различных эксплуатационных, часто агрессивных факторов (что является одним из самых эффективных применений этих материалов), необходимо учитывать химическую стойкость полимера, его термостабильность, природу защищаемой поверхности, сцепляемость (адгезию) покрытия с защищаемой поверхностью и другие свойства полимера. Для ориентировочного выбора вида или группы полимеров для использования в тех или иных строительных изделиях и конструкциях можно воспользоваться диаграммой, изображенной на рис.10.

Модификация древесины. Древесина мягких лиственных пород, модифицированная по­лимерами, приобретает улучшенные свойства. По своим физико-механическим показателям она не уступает твердым лиственным по­родам, а иногда и превосходит их. Модификация таких пород, как береза, ольха, осина и тополь, позволяет значительно увеличить ре­сурсы древесины за счет продления срока ее службы и улучшения ее физико-механических свойств. Паркет, изготовленный из модифици­рованной низкосортной древесины, не уступает по свойствам паркету из дуба и ясеня. Для модификации древесины применяются полимеры (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, меламиноформальдегидные, кремнийорганические, фурановые, ненасыщенные полиэфиры) и мономеры (стирол, метилметакрилат).

Рис. 10. Диаграмма ориентировочного выбора полимеров для использования в строительных изделиях и конструкциях (НК – натуральный каучук, СКИ – каучук синтетический изопреновый, СКД – каучук бутадиеновый, СКС – каучук бутадиенстирольный, СКЭП – каучук этиленпропиленовый, СКФ – каучук фторосодержащий, БК – бутилкаучук,
ХСПЭ – хлорсульфированный полиэтилен)

Технология модификации древесины состоит из 2-х процессов: пропитки древесины олигомерами или мономерами и их отвержде­ния. При этом предел прочности древесины при сжатии возрастает в несколько раз, ее истираемость снижается в 1,5-2 раза, водопоглощение снижается более чем вдвое.

Полимер, заполняющий полости клеток древесины, способствует повышению ее биохимической стойкости. Модифицированная древесина обладает повышенной стойкостью к действию агрессивных сред, что объясняется замедленной диффу­зией агрессивных жидкостей внутрь древесины, а также повышенной химической стойкостью пропитывающих полимеров.