ПРЕДИСЛОВИЕ

За истекшие 30 лет химическая промышленность изменила облик современного мира в такой степени, которую никто не мог предположить еще четверть века назад. В книге «Мир в 2000 году» X. Байнхауэр и Э. Шмакке пишут: «В истории промышленности вряд ли найдется еще один пример столь бурного развития: за истекшие 30 лет мировое производство синтетических материалов возросло в 80 раз. В 1929 г. оно составляло всего 90 тыс. т, а в середине 50-х годов достигло более 3 млн. т, т. е. достигло объема мирового производства алюминия и меля. В настоящее время оно превышает объем производства всех цветных металлов» [31].

Начиная с 1955 г. производство полимерных материалов удваивалось каждое пятилетие. Так, если в 1955 г. мировое производство полимерных материалов и синтетических смол составило 3,3 млн. т, то в 1990 г. оно будет равно примерно 420 млн. т. Согласно [31], к 1990 г. годовое потребление полимерных материалов опередит потребление черных металлов в объемном выражении.

В Советском Союзе темпы роста производства полимерных материалов н синтетических смол чрезвычайно высоки. В 1985 г. было выпущено более 5 млн. т (без учета производства синтетических волокон) .В соответствии с Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986―1990 годы и на период до 2000 года, утвержденными на XXVII съезде КПСС； н постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР《О комплексной программе химизации народного хозяйства СССР на период др 2000 года» планируется обеспечить рост производства химической продукции в двенадцатой пятилетке на 130——131 % по сравнению с 1985 г. Предусматривается довести производство синтетических смол и пластичных масс в 1990 г. до 6,8--7,1 млн. т и расширить их использование в строительстве.

Одна из эффективных областей применения полимерных материалов в строительстве一一 создание на их основе высокопрочных и химически стойких полимербетонов, которые в зависимости от вида полимерного связующего и наполнителя могут обладать высокой плотностью, прочностью и химической стойкостью к большинству промышленных агрессивных сред. При этом для полимербетонов расход полимерного связующего может составлять от 5 до 10% общей массы.

К числу наиболее распространенных бетонов на полимерных материалах следует отнести полимербетоны, полимер цементные и полимерсиликатные бетоны, бетонополимеры и полимерсерные бетоны. Из их числа можно выделить полимербетоны, получаемые полностью на синтетическом связующем, и полимерсерные бетоны. Этим

материалам присущи не только высокая плотность, прочность, химическая стойкость и долговечность, но и высокие диэлектрические или электропроводящие характеристики. Кроме того, они сравнительно просты в изготовлении, и поэтому наиболее распространены в промышленном строительстве.

Полимер бетоны впервые появились в Советском Союзе. Идея их создания принадлежит В. И. Итинскому и Н. Н. Остер-Волкову (1956 г.). В 1961—-1962 гг. комплексные исследования этих прогрессивных материалов начались в НИИЖБе, ВИСИ, МИИТе, Гипро- иветмете и других организациях. В результате этих работ появилась новая отрасль строительной индустрии — промышленное производство химически стойких армополимсрбетонных конструкции, совершен сравнительно быстрый переход от разработки нового материала и экспериментальнО'Теоретических исследований до серийного производства этих конструкций.

В лаборатории полимербетонов НИИЖБа (В. В. Патуроев, Н. А. Мощанский, И. Е. Путляев, Г. К. Соловьев, А. Н. Вол/ушев и др.) и Институте физической химии АН СССР (П. И. Зубов, Л. А. Сухарева) разработаны теоретические основы структурообразования, изучены физико-механические свойства, химическая стойкость, внутренние напряжения, реология и другие характеристики полимербетонов и основы заводской технологии их изготовления.

В Гипроцветмете (А. М. Фанталов, И. И. Иванова и др.) совместно с МИИТом (С. С. Давыдов, А. И. Чебаненко и др.) и ВИСИ (А. М. Иванов, В. Е. Беляев и др.) проводились исследования на- пряженно-деформированно1'о состояния, разрабатывались основы проектирования и методики расчета армополим ер бетонных конструкций. Заслуженной известностью в этой области пользуются работы В. А. Воскресенского, И. М. Елшина, В. Г. Микульского, А. Т. Обол- дуева и многих других ученых.

Известны исследования в области полимербетонов и многих зарубежных ученых ——К. Гамского (Бельгия), Л. Кукачка, Д. Дикоу, К. Селендера, Д. Фоулера, М. Гуносекерана, Г. Депью (США), М. Кюбо, и А. Поле (Франция), X. Шульца, Е. Шпека, Р. Крайса, X. Пешке (ФРГ), Р. Бареша и Л. Скупина (ЧССР), Е. Охама, К. Окада и К. Имамура (Япония) и др.

В предлагаемой читателю монографии обобщен опыт исследований и практического использования полимербетонов, в том числе в области физико-химических основ структурообразования и структурной прочности полимербетонов, методов подбора оптимальных составов, их основных физико-механических свойств, заводской технологии изготовления и внедрения в различных отраслях народного хозяйства.

Глава 1. ПОЛИМЕРБЕТОНЫ — НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения о П-бетонах

Среди крупнейших потребителей полимерных материалов на одном из первых мест стоит строительная индустрия. Широкому применению полимерных материалов в строительстве способствуют не только высокая химическая стойкость, хорошие декоративные свойства многих из них, но и сравнительная простота применения, технологичность и другие свойства.

Следует, однако, отметить, что на многих промышленных предприятиях в условиях сильного агрессивного воздействия повышенного давления и температуры термопластичные полимерные материалы быстро стареют, а ненаполненные термореактивные, имея высокий коэффициент температурных деформаций, отслаиваются от защищаемых конструкций. Как показывает практика эксплуатации многих промышленных предприятий, защита строительных конструкций полимерными покрытиями малоэффективна и во многих случаях не обеспечивает необходимой надежности и долговечности сооружений [94, 105, 106].

В связи с этим в самых разнообразных отраслях промышленности все ощутимей сказывается отсутствие строительных материалов, которые сочетали бы высокую химическую стойкость с высокой прочностью и долговечностью.

Успехи химии в области синтеза полимеров открывают практически неограниченные возможности для изготовления материалов с самыми разнообразными свойствами. Открытие новых способов синтеза и модифицирования полимеров позволяет получать новые виды мономеров и олигомеров, сополимеров — блоксополимеров и привитых сополимеров [36, 37, 87]. В Советском Союзе освоен промышленный выпуск большой группы синтетических смол, обладающих разнообразными свойствами. Многие из них имеют небольшую начальную вязкость, хорошо смачивают поверхность минеральных наполнителей и заполнителей и образуют с ними прочные композиции, обладающие высокой плотностью, химической стойкостью, прочностью, высоким электрическим сопротивлением и другими положи-тельными свойствами.

В то же время необходимо отметить, что полимерные материалы, и в том числе синтетические смолы, еще сравнительно дороги и дефицитны, поэтому применение их в строительстве наиболее рационально в виде высоконапол- ненных композиций.

Полимербетоны представляют собой новые эффективные химически стойкие материалы, у которых степень наполнения минеральными наполнителями и заполнителями доходит до 90—95% массы. Эти новые материалы, созданные советскими учеными, стоят вне конкуренции с другими наполненными полимерными композициями по расходу полимерного связующего, которое составляет всего 5—10 % общей массы полимербетона; естественно, стоимость такого материала сведена к минимуму.

При сравнительно небольшом расходе полимерного связующего на единицу массы полимербетоны обладают высокой плотностью, прочностью, химической стойкостью и многими другими положительными свойствами. Соответствующий выбор связующего, наполнителей и заполнителей позволяет получать полимербетоны с высокими диэлектрическими характеристиками- или, наоборот, обладающие хорошей электропроводностью. Разработаны составы специальных бетонов с высокими защитными свойствами от различных излучений. При этом высокая степень наполнения позволяет резко снизить усадку, которая становится равной усадке цементных бетонов, и существенно повысить модуль упругости, что позволяет применять такие бетоны в несущих и весьма ответственных конструкциях. Например, разработаны составы тяжелых полимербетонов плотностью 2200—2400 кг/м3, имеющих предел прочности на сжатие: на основе фено- лоформальдегидных смол 40——60, карбамидных 50—80, полиэфирных 80—120 и фураново-эпоксидных до 160 МПа.

Эксплуатация полимербетонных изделий и конструкций, в том числе различных емкостей, травильных и электролизных ванн, в производственных условиях при воздействии высокоагрессивных сред показала их высокую надежность и эффективность.

Среди наиболее интересных областей применения в зарубежной практике следует отметить использование полимербетонов для изготовления труб, коллекторов, емкостей для хранения агрессивных жидкостей, при строительстве подводных сооружений, ремонте и восстановле- 6

иии строительных конструкций. Новым и весьма эффективным является употребление полимербетонов (вместо металла) для изготовления корпусов редукторов, центробежных насосов и тому подобных изделий, а также ста- НИ'Н высокоточных станков.

В настоящее время в зарубежных странах для изготовления полимербетонов применяют около 10 типов различных мономеров или олигомеров, которые в комбинациях с модифицирующими добавками позволяют получить более 30 разновидностей полимербетонов. Однако наибольшее предпочтение по-прежнему уделяется полимербетонам на основе полиэфирных и эпоксидных смол и мономера метилметакрилата (ММА).

Расчеты зарубежных ученых показали, что если принять условные энергозатраты на единицу массы при производстве бетона равными 1, то для полимербетонов они будут составлять 2,5, стали 5——7, фарфора для изоляторов 5—10 и алюминия 7,5—10. Если ввести коэффициент экономической эффективности (отношение экономического эффекта от улучшения свойств к стоимости материала) и принять его равным 1 для обычного бетона, то для бетонополимеров этот коэффициент доходит до 3, а для полимербетонов до 4 и выше. Эти данные подтверждают высокую экономическую эффективность применения полимербетонов в различных отраслях промышленности и строительства.

Классификация П-бетонов

Поиск путей повышения прочности, плотности, химической стойкости и долговечности бетона и железобетона привели к созданию обширной группы П-бетонов с добавками,полимеров или на основе полимеров, названия которых складывались произвольно и без должного обоснования. Например, цементные бетоны с добавками полимеров одни авторы называли полимерцементными, другие цементно-полимерными бетонами, подчеркивая, что полимерные добавки только улучшают свойства цементного вяжущего. Бесцементные бетоны на синтетическом связующем (полимербетоны) именовались щебеночными пластбетонамн, пл астоб'етон а ми, органоминеральными бетонами и т. п. Иногда полимербетонами называли полимеррастворы, мастики и другие подобные материалы. Такая произвольно сложившаяся терминология

ZZ丑ШПОЛИМЕРНА-МОДИФИЦИ-ПОЛНЕННЫЕРОВАННЫЕБЕТОНЫБЕТОНЫ(ПНБ)(ME}丑ШПОЛИМЕРНА-МОДИФИЦИ-ПОЛНЕННЫЕРОВАННЫЕБЕТОНЫБЕТОНЫ(ПНБ)(ME}КЛАССИФИКАЦИЯ П БЕТОНОВКЛАССИФИКАЦИЯ П БЕТОНОВМИНЕРАЛ- ПОЛИМЕРНЫЕ БЕТОНЫ (МПБ)МИНЕРАЛ- ПОЛИМЕРНЫЕ БЕТОНЫ (МПБ)ФИБРОБЕТОНЫ (ФБ)ФИБРОБЕТОНЫ (ФБ)ПОЛИМЕР 一 БЕТОНЫ (ПБ)ПОЛИМЕР 一 БЕТОНЫ (ПБ)WWБЕТОНО - ПОЛИМЕРЫ (БП)БЕТОНО - ПОЛИМЕРЫ (БП)ПОЛИМЕР - СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ (ПСИБ)ПОЛИМЕР - СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ (ПСИБ)УУПОЛИМЕР-IJ ЕМЕНТННЕ EETOHbl (ПЦЕ)ПОЛИМЕР-IJ ЕМЕНТННЕ EETOHbl (ПЦЕ)ПОПИМЕРНО- СЕРНЫЕ BFTOHU (ПСБ)ПОПИМЕРНО- СЕРНЫЕ BFTOHU (ПСБ)НА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛАХНА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛАХНА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ROBHiVlLPAXНА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ROBHiVlLPAXx_qHc:sE0gd< 工x_qHc:sE0gd< 工x-qHq匚о工山ex-qHq匚о工山eXSX^XGOS^OEXSX^XGOS^OEx-HOHadAex-HOHadAex-qHbs-JgoquqndoeoHOL 山-<x-qHbs-JgoquqndoeoHOL 山-<XST^SO^OCmXST^SO^OCmхзиохо^<гх^^ш^-х^хзиохо^<гх^^ш^-х^d4s山J-aLrlldxaL 山WLfsl山sd4s山J-aLrlldxaL 山WLfsl山s

Z

Z

丑

Ш

ПОЛИМЕРНА-

МОДИФИЦИ-

ПОЛНЕННЫЕ

РОВАННЫЕ

БЕТОНЫ

БЕТОНЫ

(ПНБ)

(ME}

丑

Ш

ПОЛИМЕРНА-

МОДИФИЦИ-

ПОЛНЕННЫЕ

РОВАННЫЕ

БЕТОНЫ

БЕТОНЫ

(ПНБ)

(ME}

КЛАССИФИКАЦИЯ П БЕТОНОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ П БЕТОНОВ

МИНЕРАЛ- ПОЛИМЕРНЫЕ БЕТОНЫ (МПБ)

МИНЕРАЛ- ПОЛИМЕРНЫЕ БЕТОНЫ (МПБ)

ФИБРОБЕТОНЫ (ФБ)

ФИБРОБЕТОНЫ (ФБ)

ПОЛИМЕР 一 БЕТОНЫ (ПБ)

ПОЛИМЕР 一 БЕТОНЫ (ПБ)

W

W

БЕТОНО - ПОЛИМЕРЫ (БП)

БЕТОНО - ПОЛИМЕРЫ (БП)

ПОЛИМЕР - СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ (ПСИБ)

ПОЛИМЕР - СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ (ПСИБ)

У

У

ПОЛИМЕР-

IJ ЕМЕНТННЕ EETOHbl (ПЦЕ)

ПОЛИМЕР-

IJ ЕМЕНТННЕ EETOHbl (ПЦЕ)

ПОПИМЕРНО- СЕРНЫЕ BFTOHU (ПСБ)

ПОПИМЕРНО- СЕРНЫЕ BFTOHU (ПСБ)

НА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛАХ

НА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛАХ

НА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ROBHiVlLPAX

НА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ROBHiVlLPAX

x_qHc:sE0gd< 工

x_qHc:sE0gd< 工

x-qHq匚о工山e

x-qHq匚о工山e

XSX^XGOS^OE

XSX^XGOS^OE

x-HOHadAe

x-HOHadAe

x-qHbs-JgoquqndoeoHOL 山-<

x-qHbs-JgoquqndoeoHOL 山-<

XST^SO^OCm

XST^SO^OCm

хзиохо^<гх^^ш^-х^

хзиохо^<гх^^ш^-х^

d4s山J-aLrlldxaL 山WLfsl山s

d4s山J-aLrlldxaL 山WLfsl山s

Рис. 1. Классификация П-бетонов

вносила путаницу, а иногда и затрудняла понимание описываемых явлений.

Автором была предпринята попытка разработать единую классификацию и терминологию применительно к П-бетонам. В дальнейшем эта классификация уточнялась к дорабатывалась [105].

По этой классификации (рис. 1) специальные бетоны с добавками полимеров или на их основе (П-бетоны) делятся на следующие виды:

минералополимерные бетоны (МПБ) —бетоны с минеральными наполнителями, обработанными полимерами;

полимернаполненные бетоны (ПНБ) кроме минеральных наполнителей и заполнителей содержат полимерные наполнители;

модифицированные бетоны (МБ) — бетоны с малыми добавками полимеров;

фибробетоны (ФБ) — бетоны, армированные стальным, стеклопластиковым или полимерным волокном;

полимерцементные бетоны (ПЦБ) представляют собой цементные бетоны, в процессе приготовления которых в смесь добавляют кремнийорганические или водорастворимые олигомеры и полимеры, водные эмульсии типа поливинилацетатной, водорастворимые эпоксидные смолы и др.；

полимерсиликатные бетоны (ПСИБ) — кислотостой- кие бетоны на основе жидкого стекла, в состав которых в процессе приготовления вводят полимерные добавки. Введение в состав таких бетонов фурилового спирта или некоторых других олигомеров делает полымерсиликатные бетоны практически непроницаемыми для растворов различных кислот;

бетонополимеры (БП) --цементные бетоны, которые после завершения процессов твердения и структурообра- зования подвергают сушке и пропитке различными мономерами или олигомерами с их последующей радиационной или термокаталитической полимеризацией в поровой структуре бетона. Пропитка цементных бетонов мономерами или олигомерами обеспечивает возможность получения бетонополимеров, обладающих высокими плотностью и прочностью;

серные и полимерсерные бетоны (ПСБ) —высокона- полненные композиции на основе расплавленной серы с различными модифицирующими добавками и минеральных заполнителей и наполнителей без использования минеральных вяжущих и воды;

полимербетоны — высоконаполненные композиции, полученные на основе синтетических смол или мономеров и химически стойких наполнителей и заполнителей без участия минеральных вяжущих и воды. Полимербетоны

содержат в своем составе не менее трех фракций наполнителей и заполнителей: мелкодисперсные наполнители с размером частиц менее 0,15 мм, заполнители ——песок с размером зерен до 5 мм и щебень с размером зерен до 50 мм. В отличие от полимербетонов полимеррастворы не содержат в своем составе щебня, мастики содержат только одну мелкодисперсную фракцию наполнителя.

Учитывая, что полимербетоны обладают более высокими положительными характеристиками по сравнению с другими видами П-бетонов и нашли наибольшее практическое применение в различных отраслях промышленности, этим материалам в дальнейшем и уделяется основное внимание.

Основные свойства полимербетонов определяются химической природой синтетической смолы, видом и содержанием мелкодисперсной фракции наполнителей. Крупные фракции заполнителей (песок и щебень), выполняя в основном роль скелета, влияют на основные физико-механические свойства в меньшей степени. Поэтому для не- армированных материалов после слова «полимербетон» указывают сокращенное название полимерного связующего и вид мелкодисперсного наполнителя; для армированных материалов перед названием материала упоминают вид армирования, например полимербетон ФАМ на андезите, полимербетон ПН на маршаллите, сталеполи- мербетон ФАМ на аглопорите и т. д.

Полимербетоны могут быть получены как на основе термореактивных, так и термопластичных полимеров (см. рис. i). В то же время следует отметить, что полимербетоны, предназначенные для изготовления несущих строительных конструкций, изготовляют в основном на основе термореактивных смол, термопластичные же полимеры в большинстве случаев используются для полимербетонов, которые применяют в защитных облицовках и в виде декоративно-отделочных материалов.

Из большого разнообразия термореактивных и термопластичных смол эпоксидные и полиуретановые смолы еще дороги и дефицитны, поэтому полимербетоны на фурановых, фенольных, полиэфирных, карбамидных смолах и мономере ММА в настоящее время находят наибольшее распространение. Особенно перспективны для несущих конструкций легкие химически стойкие полимербетоны, на пористых заполнителях с плотностью р= 1600...1800 кг/ /м3 и прочностью на сжатие &出=60…80 МПа. Все шире используются полимербетоны на фенольных и ацетоно-

формальдегидных смолах. Полимербетоны на фурановО- эпоксидных компаундах типа ФАЭД применяются в гидротехнических сооружениях.

Весьма целесообразны сверхлегкие теплоизоляцион- ные полимербетоны для ограждающих конструкций на основе карбамидных смол и полиизоцизнатных композиций с использованием в качестве легких заполнителей перлита и пеностекла с плотностью р = 400…500 кг/м3 и прочностью на сжатие Ксж = 5…6 МПа.

Удобоукладываемость полимербетона так же, как и цементных бетонов, определяется жесткостью смеси. Жесткость полимербетонных смесей зависит от вида и принятого количества синтетической смолы, от дисперсности наполнителя и соотношения между фракциями наполнителя и заполнителей. По жесткости полимербетонные смеси можно разделить на четыре основные группы, средние составы которых приведены в табл. 1. При этом меньшие значения количества смолы относятся к тяжелым бетонам, а большие ——к легким на пористых заполнителях.

Таблица 1. Удобоукладываемость полимерных смесей

Матерн-ал

Пластичность поли мер бетонной смесн в за-

BHCHMQCTH

от состава

пластичная

нормальная

жесткая

сухая

Щебень

51—52

53—55

56—57

58-60

Песок

23—24

25—26

25—27

27—28

Минеральная мука

10—12

10—11

8—9

6—7

Синтетическая смола

12—15*

9—12

6—8,5

5—6

* Количество отвердителя выбирается в зависимости от принятого расхода смолы.

За рубежом распространены легкие теплоизоляционные полимербетоны на основе гранулированного пеностекла и керамзита и вспененных полиуретановых смол. В Советском Союзе выпуск таких полимербетонов сдерживается дефицитностью и высокой стоимостью полиуретановых смол, В двенадцатой пятилетке выпуск этих смол значительно возрастет, и полимербетоны на их основе будут применяться в строительстве во все больших объемах.

Классификация полимербетонов по видам полимерного связующего и видам отвердителей приведена в табл. 2.

Таблица 2. Основные виды полимербетонов

Класс полимербетонов

Вид полимербетона

Синтетическая смола

Отве,рдитеДь

Фурановые

Фурфуролаце-

Фурфур ол ацетон о -

Беизолсульфокис-

тоновый ФА

вая смола ФА или

лота (БСК), сер-

или ФАМГ ФАМ-М,, ФАМ-Ф

ФАМ и др.

иая кислота, С^КП и др.

Фураново-эпок-

Фураново-эпоксид-

Полиэтиленполи-

сидный ФАЭД

ный1 компаунд

амин (ПЭПА)1Я ДЭТА, ГМД и др.

Фураново-мела- миновый,

Фураново-мелами- новый компаунд

век

Фуриловый ФС

Фуриловый спирт

Хлорное железо,,,

Инициаторы — пе-

Полиэфир-

Полиэфирмале-

Полиэфирные смо-

ньье

инатный ПН

лы: ПН-1, ПН-3, ПН-62, ПНС-609- 122M и др.

рекиси и гидроперекиси

Ускорители—，наф- т%ат кобальта и

Полиэфиракрилатный

Полиэфирные смолы МГФ-9, ТГМ-3 Н >Др'.

То же

Фенолофор-

Фенолофор-

Фенолоформаль-

БСК, контакт

мальдегид-

мальдегидные

дегидные смолы

Петрова

ные

ФФС

СФЖ-3032р СФЖ- 3016 и др.

Солянокислый ани-

Мочевино-

Мочевинофор-

Мочевиноформаль-

формальде-

мальдегидный

дегидиая смола

лин и др.

гидные

МФ

КФЖ и др.

ПЭПА и 25%

Ацетонофор-

Ацетоноформа-

Ацетоиоформаль-

м альдегид-

льдегидный

дегидиая смола

NaOH

ные

АЦФ

АЦФ-2,, АЦФ23

Виниловые

Виниловые1

Мономер метил-

ПЭПА, УП-633М

ММА

метакрилат ММА

Эпоксидные

Эпоксидный эд

Эпоксидные смолы ЭД-16, ЭД-20 и др.

и др.

Эпоксидный ЭП

Эпоксиднополиа- мидный компаунд

Полиамидные смолы ПО-20Ю и др.

Разработанная классификация и терминология к настоящему времени получила признание не только в Советском Союзе, но и за рубежом. В процессе дальнейшей работы эта классификация, естественно, будет уточняться и дора- бДТЫВЗТЬСЯ* -. - ——

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Синтетические смолы, мономеры, отвердители и добавки

Полимербетоны как высоконаполненные полимерные композиции могут быть получены практически на любых синтетическом связующем, наполнителе и заполнителе. Однако в силу различных причин, в том числе связанных со стоимостью и дефицитностью, а также тех требований по плотности, прочности, деформативности, химической стойкости и ряду других характеристик, которые предъявляют к полимербетонам, определился сравнительно небольшой круг (12——15 видов) полимерных связующих, наиболее распространенных при производстве полимербетонов как в Советском Союзе, так и за рубежом [56, 94, 102, 105, 126, 130, 156].

При промышленном изготовлении полимербетонов в Советском Союзе в основном используются термореактивные смолы типа фурфурол ацетоновых, фураново-эпок- сидных, полиэфирных. (Ьенолоформальдегидных, карбамидных, ацетоноформальдегидных, значительно реже термопластичные типа инденкумароновых, мономеров винилового ряда и др. (см.табл.2).

Фурановые смолы. Из фурановых смол преимущественно применяют фурфурол ацетоновые смолы ФА, ФАМ и 4ФА. Эти смолы еще недостаточно изучены, и их структурные формулы определены в первом приближении. Исходными материалами для получения этих смол служат фурфурол и ацетон.

Фурфурол ——бесцветная жидкость с характерным запахом миндаля. Плотность фурфурола при 20℃ 1,1594 г/см3, температура кипения 162°С. При хранении фурфурол медленно окисляется, в результате чего постепенно темнеет до черно-коричневого цвета.

И. Итинским и другими исследованы реакции конденсации фурфурола и ацетона при их различных молярных соотношениях. При этом предполагается, что в результате реакций при молярном соотношении фурфурола и ацетона 1:1 образуется ФА; при соотношении 1,5:1 — смола ФАМ; при 4:1 -• смола 4ФА,

Исследования качественного и количественного состава продуктов конденсации фурфурола и ацетона метода- ми тонкослойной хроматографии и вакуумной разгонки

показали, что смола ФА представляет собой сложный продукт, состоящий из многих химических соединений. Смола ФА содержит, %: монофурфурилиденацетон — 52—56, дифурфурилиденацетон ——20—26, монофурфури- лидендиацетон— 15—26, полимерные продукты — 2—3, фурфурол — 0,5, ацетон — до 1, золу — 0,1——0,3.

Помимо указанных компонентов в состав смол ФА и ФАМ могут входить фурфурилидендиацетон, тетрафурфу- рилиденацетон, дпацетоновый спирт, оксид мензитила.

Смола ФЛМ содержит около 35% монофурфурилиде- нацетона. В смоле 4ФА монофурфурилиденацетон практически отсутствует. В этом случае основным продуктом является дифурфурилиденацетон, который растворен в непрореагировавшем фурфуроле, которого может содержаться до 35 % [105].

Фурфурол ацетоновые смолы ФА и ФАМ (ТУ 5902.039.07—79) —однородные темно-коричневые жидкости с вязкостью 25—40 с по ВЗ-4. Важная особенность этих смол - способность к длительному хранению даже при отрицательных температурах.

Различное соотношение монофурфурилиденацетона и дифурфурилиденацетона в значительной степени сказывается на механизме полимеробразования, в результате чего из различных марок фурановых смол может быть получено связующее с различными свойствами:

Некоторые свойства фурфуролацетоновых смол различных марок

ФА,

ФАМ

4ФА

Плотность, г/см3 • • •

1.14

1.137

ll.il 92

Вязкость, с

25-40

,24

17

Скорость полимеризации,

с,....

45—55

50-70

110—20

Содержание воды,. %.

0.6—08

U.4—A5

0/2

» фурфурола^ % 乃

1.2-1.3

2b—3b

» сухого остатка .

79—80

87—88

64—65

Кислотное число, мг КОН

8.07

17,7

1,08

pH водной вытяжки .

42

4.65

5 "65

Для фурановых смол типа ФА, содержащих до 50 % монофурфурилиденацетона, в процессе полимеробразо- вания преобладают реакции поликонденсации. При поликонденсации выделяется некоторое количество воды, которая ослабляет связи полимера с наполнителем и заполнителем и тем самым ухудшает физико-механические свойства наполненной композиции. Кроме того, при отверждении монофурфурилиденацетона пространственная

сшивка молекул происходит не в достаточной степени, поэтому чем больше в исходной смоле монофурфурилидена- цетона, тем сетчатая структура более разрежена. Это сказывается на прочности, деформативности и теплостойкости образовавшейся композиции.

В процессе поликонденсации фурфурол ацетоновой смолы ФАМ образуется продукт с меньшим содержанием монофурфурилиденацетона и выделяется меньшее количество воды. Это благоприятно сказывается на адгезионных связях смола—наполнитель, пространственной сшивке молекул и физико-механических свойствах полимербетона в целом.

Дифурфурилиденацетон ——основной продукт фурфуролацетоновой смолы 4ФА — способен образовывать наиболее разветвленную пространственную сетку. Но в этой смоле содержится до 35% фурфурола, влияние которого на физико-механические свойства полимера еще недостаточно изучено.

Выполненные исследования показывают, что композиции на основе смолы 4ФА обладают более высокой химической стойкостью и теплостойкостью. В то же время реакционная способность этой смолы значительно выше, чем у ФА или ФАМ. Этим объясняется малая жизнеспособность композиции на основе 4ФА после введения отвердителя (10——15 мин) и большая интенсивность реакции отверждения, сопровождаемая значительным выделением теплоты.

Малые сроки жизнеспособности затрудняют работу с этими смолами, а высокая температура саморазогрева вызывает значительные температурные напряжения, которые, по всей вероятности, являются причиной более низких показателей прочности. Так, предел прочности 7?сж полимеррастворов, содержащих 13% связующего, в зависимости от вида смолы составляет для ФА, ФАМ и 4ФА соответственно 95,4; 111 и 68 МПа.

В этих составах в качестве наполнителя была использована андезитовая мука, в качестве заполнителя ——кварцевый песок.

Приведенные результаты п одтв ер ж да ют ся исследованиями кратковременной и длительной прочности, дефор- мативности и ползучести полимербетонов, изготовленных на различных видах фурфурол ацетоновых смол.

Следует отметить, что в последнее время в Ферганском отделении НИИпластмасс получены хорошие ре-

зультаты при использовании мастик на основе смолы 4ФА, наполненной лигнином. Через 6 ч степень отверждения таких составов составляет более 90%, что дает возможность использовать эти материалы при срочных работах по ремонту фундаментов, полов, футеровок оборудования и др.

Отверждение фурановых смол при обычной температуре происходит наиболее полно по ионному механизму. В качестве отвердителей фурановых смол могут быть использованы безводные ароматические сульфокислоты или сульфохлориды (толуолсульфокислота, п-толуол- сульфохлорид, п-толуол сульфоки слота, бензол сульфокислота и др.), минеральные кислоты (серная, фосфорная, соляная и др.), хлориды металлов (хлорное железо, хлорный алюминий и др.) [87, 105].

Ароматические отвердители, как правило, — кристаллические вещества, поэтому пер ед употреблением их необходимо предварительно растворять или плавить, чю связано с определенными технологическими трудностями. Кроме того, сульфокислоты, являясь катализаторами, не взаимодействуют со смолами, и, будучи растворимы в воле, могут легко экстрагироваться, что приводит к увеличению пористости н ухудшению физико-механических свойств отвержденного полимера. Несмотря на это, они чаще всего применяются при отверждении фурановых смол.

Хлористые металлы более дороги и дефицитны и обладают меньшей реакционной способностью.

Концентрированная серная кислота ——чрезвычайно активный отвердитель- Процесс отверждения композиций под действием такой кислоты протекает оч(епь бурно с большим выделением теплоты, что является одчгой из основных причин ухудшения ф изи к о - мех а> нич еских свойств (г?ержденных продуктов.

Таким образом, все перечисленные отвердители обладают теми или иными недостатка'ми и не позволяют получить полимерные композиции с максимально возможными физико-механическими свойствами.

В работе [95] приведены результаты исследований по снижению реакционной способности сер'ной кислоты путем разбавления последней дибутилфтал атом, полиэфиракрилатными смюлами или фурфуролом. Однако, по нашему мнению, использование таких разбавителей значительно удорожает отвердитель (используется до 50%

разбавителя) ； появляется дополнительная операция — разбавление серной кислоты, которая может быть оправдана только при массовом изготовлении двухкомпонентного отвердителя; дибутилфталат и полиэфиракрилатные смолы являются не только разбавителями, ио и в какой- то степени — пластификаторами, снижающими модуль упругости и увеличивающими деформативность полимербетона.

Весьма интересен и перспективен способ блокировки ароматических отвердителей, в частности бензол сульфокислоты после отверждения ионообменными смолами [156]. Введение сравнительно небольшого количества ионнообменной смолы аминного типа (2—4 % по массе ФА или ФА^М) снижает количество экстрагируемой бензолсульфокислоты примерно на 25— 30%. Наблюдаемое при этом небольшое снижение начальной прочности (на 10— 12%) полностью компенсируется при длительном воздействии на полимербетон воды или растворов кислот. Поэтому в состав полимербетона, предназначенного для кон- струкций, эксплуатируемых в условиях постоянного контакта с агрессивными жидкостями (трубы, лотки, емкости, баковая аппаратура н т. д.), рекомендуется вводить 2—— 4 % ионообменных смол.

В настоящее время для полимербетона ФА или ФАМ в большимстве случаев в качестве отвердителя используют бензол сульфокислоту.

Бензолсульфокислота C6H5SO3H (БСК) —кристаллический продукт темпо-серого цвета с относительной молекулярной массой 158,18. Эта кнс/ота хорошо растворяется в воде, ацетоне, фурфуроле и этиловом спирте; адсорбирует влагу из воздуха.

Техническая БСК состоит из моносульфокислоты бензола—98,4—98,6%; свободной H2SO4— 1,2—1,4% н бензола —не более 0,2% (ТУ МХП 307—54).

Исследования НИИЖБа и других организаций по использованию в качестве отвердителя фурановых смол серной кислоты, разбавленной контактом Петрова, показали,что при соотношении этих продуктов от 1:1 до 1:2 оптимальное количество отвердителя лежит в пределах 10—-15%. В этом случае степень полимеризации связующего и прочностные характеристики полимербетонов ФАМ, как правило, выше характеристик аналогичных составов при их отверждении БСК. Серная кислота, разбавленная контактом Петрова? названная нами отверди-

телем CKKFI, более технологична по сравнению с БСК — отпадает операция разогрева, исключается возможность кристаллизации при охлаждении (что характерно для БСК), хотя и появляется операция перемешивания двух жидких продуктов. Исследования отвердителя СККП показали, что на производстве необходимо в более широких масштабах применять этот отвердитель.

Фурановые смолы находят все большее применение и в виде различных модификаторов и компаундов.

Из этой группы связующих большой интерес представляет связующее ФАЭД ——компаунд, состоящий из 70—— 80% фурфурол ацетоновой смолы ФА или ФАМ и 20—30% эпоксидной смолы. Полимербетоны на основе этого связующего обладают высокой прочностью (более 100 МПа), плотностью и высокими диэлектрическими характеристиками. Компаунд отверждается полиэтиленполиамином, что способствует хорошему совмещению полимербетонов на его основе с цементными бетонами. К недостаткам полимербетонов ФАЭД следует отнести пониженную кис- лотостойкость.

В качестве связующего весьма перспективна фурано- вомеламиновая композиция. Полимербетоны, полученные на этом связующем обладают высокой пл от ностью и более высокой прочностью после длительного выдерживания в воде.

Полиэфирные смолы. Все большее практическое применение в строительстве находят полиэфирные ненасыщенные смолы, которые в зависимости от типа соединений разделяют на полиэфир малеинаты и полиэфира- крилаты.

Полиэфирмалеинаты ——смолы, относящиеся к классу термореактивных полимеров, получаемых методом поликонденсации. Ненасыщенные полиэфир малеинатные смолы являются олигомерами и принадлежат к классу гете- роцепных полиэфиров, сложная эфирная группировка которых ——обязательный структурный элемент основной цепи полимера. Смолы подобного ряда — продукты поликонденсации ди- или полифункциональных кислот и спиртов, содержащих реакционноспособные двойные связи между углеродными атомами [5, 6]. Относительная молекулярная масса их не выше 1500——2000.

Способность полиэфирных смол отверждаться при комнатной температуре объясняется наличием ненасыщенных связей продуктов первой стадии поликонденса-

ции\ Содержание ненасыщенных групп в полиэфире зависит от количества малеиновой кислоты (или ее ангидрида) [18, 20]. Полиэфиры, получаемые при взаимодействии малеиновой кислоты с гликолем (полиэти- ленгликольмалеинатом), способны к полимеризации и сополимеризации.

Отверждение ненасыщенных полиэфирных смол притекает в результате С'О'ПОЛим1еризации между ненасыщенным полиэфиром и жидким мономером при нагреве или под действием инициато1ров и ускорителей. В качестве мономеров широко распространен -стирол, в меньшей степени —метилметакрилат [121].

В результате сополимеризации происходит соединение линейных цепочек полиэфира «сшивающими мостиками», образованными молекулами мономера. При этой реакции полиэфирная смола отверждается с образованием твердого продукта, имеющего пространственное строение. Реакция сополимеризации полиэфира со стиролом под действием ини!хиирующих добавок сопровождается значительным экзотермическим эффектом.

Отечественной промышленностью освоен выпуск более 15 видов полиэфир малеинатных смол, обладающих различными физико-механически ми свойствами. Для производства полимербетонов чаще всего используют смолы IIH-1, ПН-3, ПН-62, IIHC-609-22M. Смола ПН-3 характеризуется повышенной теплостойкостью, ПН-62 и ПН-63—— пониженной горючестью, ПН-15 — повышенной химической стойкостью и ПНС-609-22м ——отсутствием летучих растворителей (табл. 3).

Полиэфирные смолы в большинстве случаев отверждаются с помощью инициаторов-отвердителей (гидроперекиси изопропилбензола (гипериз) или метилэтилкето- на) и ускорителей-активаторов 10% раствора нафтената кобальта в стироле или диметиланилине).

Гипериз — светло-желтая жидкость с резким устойчивым запахом. Перекись метилэтилкетона — бесцветная жидкость. Нафтенат кобальта, или кобальтовая соль циклопентадиенкарбоновой кислоты ——жидкость фиолетового цвета. Применяется в виде 10%-ного раствора в стироле, иногда в бензине или уайт-спирите.

- Диметиланилин ■—жидкость, имеющая цвет от светло- желтого до желтого [СбН$М (СНз)2〕применяется в большинстве случаев с инициатором—перекисью бензоила.

Характерная рецептура связующего на основе полиэфирмалеинатной смолы ПН-1 приведена в табл. 4.

Таблица 3. Основные характеристики некоторых полиэфирмалеинатных смол

Показатель

ПН-1

пн-з

ПН-62

ПНС-609-22 м

Плотность при 20℃„, г/ ем3

1,12—

1,12—

1,26—

1,2Т,,3

Вязкость при 20℃ по

ВЗ-1, с

Жизнеспособность прн 20℃, мин

1,15

20—40

1,15

20—50

1,29

150—200

60—120

60—180

60—300

120—200

Объемная усадка, %.

8,5—9

9—9,5

9,5—10,5

8-9.5

Предел прочнсюти при

изгибе；. МПа

80—110

60—85

50—70

50—60

Удельная ударная вязкость, кДж/м2

Модуль упругости при изгибе, МПа-103 . $ . Теплостойкость по Мартенсу,,

6—10

7—11

3—5

3—7

2,2—2,8

2—2,5

3—3,2

2 8—3 1

45—55

45-60

55—60

50—70

Таблица 4. Состав связующего на основе смолы ПН-1, ч. по массе

Компонент

Инициатор

гипериз

перекись метилэтилкетона

Смола ПН-1

100

(1

Гипериз

3—4

Перекись метилэтилкетона

1

Ускоритель — нафтенат кобальта (10%-ный раствор в стироле)

1 8

8

Полиэфиракрилаты получают совместной конденсацией ненасыщенных двуосновных кислот с гликолями, глицерином или пентаэритритом в присутствии одноосновной ненасыщенной кислоты. В промышленности чаще применяют полиэфир акрилаты ТГМ-3 и МГФ-9.

Полиэфиракрилат ТГМ-3 ——продукт конденсации триэтиленгликоля и метакриловой кислоты. Полиэфиракрилат ТГМ-3 изготовляется в виде 96% -ного раствора в бензоле плотностью 1,06—1,12, вязкостью при 20℃ 1— 4 Па-с. Цвет полиэфиракрилата желто-коричневый.

Полиэфиракрилат МГФ-9 получают при конденсации метакриловой кислоты, триэтиленгликоля и фталевого ангидрида в кислой среде с последующей нейтрализаци*

ей продукта. Выпускается он в виде 96% -ного раствора в толуоле, имеет желто-коричневый цвет, вязкость его при 20℃ 10—35 Па -с.

Отверждение полиэфиракрилатных смол представляет собой сополимеризацию линейных полиэфиров с мономерами в сочетании с гомополимеризацией компонентов смолы. Реакция протекает по радикальному механизму. Инициаторами являются перекисные соединения в сочетании с ускорителями, в качестве которых используются нафтенаты кобальта и марганца, третичные амины, меркаптаны и другие вещества, обладающие восстановительными свойствами [36].

Преимущественно распространены при отверждении полиэфиракрилатов перекись бензоила, циклогексанон, метилэтилкетон, гидроперекись изопропилбензола. Эффективность тех или иных перекисей наилучшим образом проявляется в паре с определенными ускорителями, например: перекись бензоила с диметил анилином, перекись циклогексанона с нафтенатом кобальта, гипериз с нафтенатом кобальта и др.

Однако следует отметить, что при применении вышеперечисленных систем для отверждения полиэфиракрилатов скорость реакции отверждения при обычной температуре весьма мала и составляет несколько суток, что являлось главным препятствием для их практического применения ib 'составах полимербетонов.

Б. М. Шемердяком разработан способ отверждения ненасыщенных полиэфиракрилатов при комнатных температурах в сравнительно короткие сроки — 2—3 ч, используя отверждающую систему гипериз——нафтенат кобальта и соускоритель отверждения ——метилвинилаэро- сил (150]. Для повышения упруго-эластических свойств полиэфир акрилатных связующих был использован тиоко- ловый герметик У-ЗОм.

Приведем оптимальный состав связующего (% по массе) на основе полиэфиракрилатных смол: олигомер МГФ-9 или ТГМ-3 — 83% , тиоколовый герметик У-ЗОм— 10%, гипериз — 2%, нафтенат кобальта — 4% и метил- винилаэросил ——1 %.

Как уже отмечалось, полиэфир акрилатные смолы при комнатной температуре обычными системами отверждаются крайне медленно. Введение в состав связующего наполнителей и заполнителей еще в большей мере снижает скорость полимеризации, тзк как в этом случав

теплоты реакций полимеризаций недостаточно для само- разогрева всей массы полимербетона, т. е. отсутствует термическое ускорение реакции. При введении в состав инициирующей системы третьего компонента — метилви- нилаэросила, играющего роль соускорителя реакции, скорость полимеризации полиэфир акрилата возрастает до такой степени, что полимербетоны на их основе отверждаются при комнатной температуре, и за 1 сут набирают до 60% максимальной прочности на сжатие. Соускоряю- щая роль метилвинилаэросила объясняется, по-видимо- му, наличием в составе его молекулы большого числа ненасыщенных связей, которые легко раскрываются в присутствии перекисных соединений и выступают в роли первичных активных радикалов, интенсифицирующих процесс полимеризации ненасыщенных полиэфир акрилатов [150].

Добавка метилвинилаэросила в связующее, содержащее тиоколовый герметик У~30м, способствует улучшению контакта связующего с наполнителем и формированию более плотной структуры, что приводит к повышению прочности при растяжении и изгибе.

Фенолоформальдегидные смолы (ФФС)——продукт поликонденсации фенола с формальдегидом в присутствии катализатора. Эти смолы широко применяются в различных отраслях промышленности, о чем свидетельствует непрерывный рост их производства.

Процесс поликонденсации фенола с формальдегидом происходит в результате совокупности последовательных и параллельных реакций двух типов присоединения: полимеризации и поликонденсации. При этом могут быть получены термопластичные (новолачные) и термореактивные (резольные) фенолформальдегидные смолы. Цепные молекулы резольных смол состоят из фенольных ядер, соединенных между собой метиленовыми группами (——CH?—•) или эфирными связями (——CH?*—О——СН2——). Молекулярная масса резольных смол 300—800 [135].

Вследствие избыточного количества формальдегида, вводимого в реакцию при изготовлении резольных смол, молекулы этих смол, в отличие от новолачных, содержат свободные метиленовые группы. Чем выше содержание м-етиловых групп, тем выше функциональность смолы и способность ее к дальнейшим химическим превращениям. Помимо метиленовых групп, молекулы резольных смол содержат свободные гидроксильные группы.

Наличие бензольных ядер в фенолоформальдегидных смолах обеспечивает им стойкость к термодеструкции, а гидроксильных групп ——высокую адгезию к металлам и неметаллическим материалам.

Исследования [30J показали, что при использовании фенолоформальдегидных смол типа СФЖ-3032 (ГОСТ 20907—75) и СФЖ-40-КО (ТУ 6-05-231-169-77) могут быть получены полимербетоны с хорошими физико-механическими свойствами, в том числе с высокой химической стойкостью к ряду агрессивных продуктов:

Основные характеристики фенолоформальдегидных смол

СФЖ-3032 СФЖ-40-КО

Плотность,, г/см3 1.2161,2

Вязкость по ВЗ-4, с 50/ 55

Содержание сухого остатка, %, не менее, 7560

Содержание свободного феиола, %,..：

не более ........105

Содержание свободного формальдегида, %, не более 54

Срок хранения, мес. неменее8L5

Стоимость, руб/т 440330

Переход фенолоформальдегидных смол в неплавкое и нерастворимое состояние происходит при введении в смолу кислых катализаторов — кислот. Для полимербетонов на основе фенолоформальдегидных смол типа СФЖ-3032 и СФЖ-40-КО хорошие результаты получены при использовании бензолсульфоки слоты, вводимой в количестве 20% по массе смолы.

Ацетоноформальдегидные смолы (АЦФ)——продукт поликонденсации ацетона и формальдегида при молярном их соотношении 1:2 или 1:3 в щелочной среде. В качестве катализатора используется 5%-ный раствор едкого натра. Установлено, что эти соединения являются низкомолекулярными, но сложными по составу кетоно- спиртами [7, 39]. Реакция процесса конденсации при соотношении ацетона и формальдегида 1:2 предположительно идет по следующей схеме:

ООчиСН — СНз — С — СНз/нООчиСН — СНз — С — СНз/но о

ОО

чи

СН — СНз — С — СНз

/

н

ОО

чи

СН — СНз — С — СНз

/

н

+ 总 f НОСН2 -С —СН2 —сн2 он

При дальне卤uieii конденсации в присутствии щелочи образуются высокомолекулярные соединения с предполагаемой формулой:

ОО

U1!

НОСН2 — СН2 —С— СН2 -сн2 сн + ЕССН2—сн2 -с— о

—СН2 — СН2 ОН f НО [СН2 — СН2 — С — CI12 — сн2 — о

—О — СН2 — СН2 — С —СН2 — СН2 In он.

Водорастворимые АЦФ смолы должны отвечать следующим требованиям:

АЦФ-2

АЦФ-3

Внешний вид* 4Вязкая гомогенная

Вязкая гомогенная

жидкость от свет-

жидкость бесцвет-

ло-желтого до жел-

пая или светло-жел-

того цвета

тая

Растворимость в воде -Неограниченная Содержание сухого ос-

Неограниченная

1атка (концентрация), %85—94

Содержание гидр окси ль-

88T92

НЫХ групп, % . . . .12—16

19—25

Удельная масса при 35℃, г/см3 1,25—1,3

L22T,26

Вязкость по ВЗ-& с . .60

60-80

Исследования [107, 124] показали, что в качестве связующего полимербетонов лучше всего применять смолу АЦФ-2. Переход АЦФ смол в неплавкое и нерастворимое состояние происходит при введении в смолу аминов л едких щелочей. Таким образом, было получено новое, сравнительно дешевое связующее, имеющее светлую окраску и отверждаемое щелочными продуктами, что позволило изготовлять полимербетоны широкой цветовой гаммы, обладающие высокой стойкостью к маслам и другим видам нефтепродуктов, растворам солей и щелочей. Кроме того, полимербетоны на АЦФ смолах за счет наличия щелочных отвердителей хорошо совмещаются с цементными бетонами.

При модифицировании ацетоноформальдегидного связующего фенолоспиртами улучшаются физико-механические свойства и существенно повышается кислотостоГь кость.

Мочевиноформальдегидные (карбамидные) смолы по объему выпуска занимают одно из первых мест. Их стоимость относительно невысока по сравнению с другими видами синтетических смол. Отечественной промышленностью освоено большое количество марок карбамидных смол: М19-62, МФ-17, МФС-М, КМ, КФ-Ж и др. Из них наиболее дешевы смолы типа КМ и КФ-Ж (унифицированная карбамидная смола).

Основные свойства карбамидных смол КМ и КФ-Ж

Концентрация (содержание сухого остатка),, % . . .45—5065—70

Вязкость пи ВЗ-4, с 20—3040—80

Соотношение исходных веществ (мочевины: формальдегида), 1:21:1, ”5

Содержание свободного формальдегида, %. . 2,5―|31 — 1,5

Удельная масса, г/см31,15—1,21-26—1,3

pH . . . . ..7—r87,5—

Стоимость,, руб/т 1084 85

Мочевиноформальдегидные смолы получают в результате реакции поликонденсации мочевины и формальдегида в водной или водно-спиртовой среде. Под влиянием кислых отверждающих агентов или теплоты в сочетании с ускорителями отверждения карбамидные смолы переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, претерпевая в процессе отверждения три стадии: начальную А, промежуточную Б и конечную С. Переход в конечную стадию С связан с образованием поперечных связей.

Содержание воды в карбамидных смолах достигает 30——40%, поэтому физико-механические характеристики полимербетонов на их основе в значительной мере зависят от эффективности связывания свободной воды в системе. Для получения прочных и достаточно стойких полимербетонов часть воды химически связывают, сводя ее содержание до минимума. С этой целью в состав полимербетона вводятся фосфогипс, гипс, полиизоцианаты и другие материалы.

Исследования, выполненные в НИИЖБе, показали, что физико-механические свойства полимербетонов на смоле типа КМ значительно хуже, чем на смоле КФ-Ж： прочность при сжатии равна соответственно 40 и 65, при изгибе 10 и 17 МПа. Кроме того, смола КМ содержит меньшее количество сухого остатка и соответственно большее количество воды, что отрицательно сказывается на усадке и прочностных свойствах. Поэтому для изготов-

ления полимербетонов на карбамидных смолах в основном рекомендуются смолы типа КФ-Ж.

Катализаторами отверждения карбамидных смол являются органические (щавелевая, лимонная, уксусная) и неорганические (серная, соляная, фосфорная) кислоты, а также и некоторые соли (хлористый аммоний, хлористый цинк). Но практика показала, что для строительных целей наиболее целесообразно использование солянокислого анилина (СбН5КН-С1), хорошо растворимого в воде и смоле КФ-Ж. Это порошок серо-зеленого цвета плотностью 1,222 г/см3. Он содержит 98,9% солянокислого анилина, 0,5—-1,5% влаги и 0,1 % нерастворимых веществ.

В результате наполнения карбамидных смол фосфогипсом и гидролизным лигнином был получен весьма интересный новый вид полимербетона, в структурообразова- нии которого участвуют различные по природе материалы: полимерное связующее ——мочевиноформ альдегидная смола, фосфогипс и естественный полимер-лигнин гидролизный [57, 58]. В результате двух одновременно протекающих процессов ——гидратационного твердения фосфогипса и поликонденсации карбамидной смолы, катализированной лигнином, образуется сложная структура, в которой свойства полимерного связующего, фосфогипса и лигнина взаимно дополняют и усиливают друг друга. Кроме того, гидролизный лигнин является диспер- сно-армирующим наполнителем, введение которого существенно повышает прочность композиции. Содержание в фосфопшсе и лигнине определенного количества неорганических кислот достаточно для отверждения такой системы 11 не требует дополнител ьного введена я отвердителей.

При этом значительная часть свободной воды, содержащейся в карбамидной смоле, не только связывается фо'сфогипсом, но и сорбируется лигнином, что способствует образованию более плотной структуры и уменьшению усадочных деформаций.

Кроме низкой стоимости, к положительным свойствам полимербетоноБ на в о дораствор имых карбамидных смолах М'Ожно отнести сравнительно меньшую токсичность и более благоприятные условия груда при их изготовлении.

Мономер метилметакрилат ММА (м-етиловый эфир метакриловой кислоты)——прозрачная бесцветная жидкость со специфическим запахом, обладающая очень ма-

лой вязкостью. Содержание метилового эфира метакриловой кислоты в этом продукте не менее 99,7% , метакриловой кислоты не более 0,2%. Наличие полимера не допускается.

В качестве отверждающей системы метилметакрилата в зависимости от назначение полимербетона могут быть использованы перекиси и гидропереки'си в сочетании с различными аминами.

Основное преимущество этих мономеров как связую^ щего состоит в том, что, обладая низкой вязкостью, системы на их основе могут содержать большее количество наполнителей и заполнителей при условии хорошей удо- боукладываемости смеси, легко окрашиваются в любые цвета и в течение 1,5—2 ч после приготовления могут набрать прочность более 30 МПа.

Исследования, выполненные в НИИЖБе совместно с Институтами физической химии АН СССР и сейсмостой- ' кого строительства Госстроя ТССР позволили разработать составы полимеррастворов и полимербетонов, названных эластокрилами.

Для составов типа эластокрил-1 в качестве отверждающей системы используют перекись бензоила с ароматическим третичным амином-диметиланилином. Перекись бензоила в данной системе играет роль инициатора, а (диметиланилин является ускорителем распада инициатора на свободные радикалы. Для эластокрила-2 в качестве отверждающей системы используют гипериз, играющий роль иници атора, и полиэтиленполи амин, выполняющий роль ускорителя.

Для системы эластокрил-1 в качестве стабилизатора (загустителя) применяют дисперсные полимеры типа АБС (эмульсионный сополимер стирола с акрилонитрилом и бутадиеном) илн полистирол. Для системы эласто- J крил-2 в качестве стабилизатора используют низкомоле- jкулярные бутадиенакрилонитрильные каучуки типа

[СКН-10-1А и др., а также АБС и полистирол. Для умень-

Ж шения летучести метилметакрилата в процессе приготов- лепия в нем растворяют плепкообразователь из группы низкомолекулярных парафинов. Кроме перечисленных

компонентов, в состав связующего могут входить пластификаторы, красители и др. [10, 13].

ЭластО'Крил-1 на 100% ММА содержит 7% перекиси бензоила, 2% диметиланилина, 0,5% парафина, 10% полистирола и 3,5% дибутилфталата, который используют для получения пасты перекиси бензоила. Состав эласто- крила-2: 100% ММА, 3% гипериза, 3 % полиэтиленполиамина, 0,5 % парафина и 80% низкомолекулярного каучука.

Исследования показали, что связующее на основе мономера ММА при комнатной температуре отверждается по механизму свободнорадикальной полимеризации со значительным экзотермическим разогревом смеси.

Следует отметить, что составы типа эластокрил-1 хорошо отверждаются под водой и могут укладываться на свежеуложенный цементный бетон.

Известно, что необходимым условием усиливающего действия высокодисперсных наполнителей при их введении в полимер является близость молекулярных свойств поверхности наполнителя н синтетической смолы. В то же время большинство минеральных наполнителей обычно гидрофильного характера не может в полной мере проявить свою активность, выражающуюся в улучшении их физико-механических свойств.

В свою очередь, когезионная прочность полимера и адгезионная прочность системы полимер ——наполнитель зависит от природы молекулярного взаимодействия. При этом ионное и ковалентное взаимодействие приводит к образованию химических связей с энергией 250—— 330 кДж/моль, а гидроксильные, карбоксильные и подобные группы образуют так называемые водородные связи с энергией до 33—42 кДж/моль. Естественно, что максимальная прочность наполненных полимерных композиций может быть получена при образовании химических связей как между молекулами полимера, так и на границе раздела фаз полимер — наполнитель. Следовательно, для гидрофильных наполнителей особое значение приобретают процессы адсорбционного модифицирования, т. е. изменение молекулярных свойств поверхности частиц таких наполнителей путем ориентированной адсорбции дифиль- ных длинноцепочечных поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Специфические свойства ПАВ характеризуются особым строением их молекул. У большинства ПАВ молеку- 28

лы состоят из двух основных частей гидрофильной полярной группы и гидрофобного неполярного радикала [40]. Направленно адсорбируясь на поверхности раздела фаз, такие молекулы изменяют активность поверхности минерального наполнителя, благодаря чему повышается адгезия полимера к наполнителю, возрастает пластичность смеси, что приводит к некоторому уменьшению расхода связующего при сохранении или даже улучшении физико-механических свойств полимербетонов.

В [105] показано, что для минеральных наполнителей, обладающих кислой природой (андезит, кварцевая мука и др.), наиболее эффективны катионактивные ПАВ, а для наполнителей основного характера (доломит, диабаз в др.) —анионактивные. При этом значительное влияние обнаруживается в сравнительно узкой области концентраций. Избыток ПАВ резко ухудшает все свойства композиции.

Исследования, выполненные в Институте физической химии АН СССР, НИИЖБе и др., показали, что для мо- дифицирования поверхности кремнеземистых наполнителей в композициях на основе полиэфирных смол лучше всего использовать катионактивные ПАВ типа октадециламина и алкамона ОС-2.

Изучение действия различных видов ПАВ при введении их в полимерные композиции на основе фурановых смол [105, 117] свидетельствует, что наиболее активными из них являются катионактивные ПАВ типа катапина (алкилбензилпиридинийхлорид) в количестве 0,51 % по массе смолы.

Таким образом, для композиций на основе полиэфирных смол в качестве ПАВ можно рекомендовать октадециламин или алкамон ОС-2, а для композиций на основе фурановых смол — катапин.

Для композиций на основе фенолоформальдегидных, ацетоноформальдегидных и карбамидных смол хорошие результаты были получены при введении сравнительно небольших количеств (до 1,5%) меламиноформальдегид- ных смол совместно с фуриловым спиртом. Однако эти составы требуют дополнительных исследований, в том числе определения длительных прочности и ползучести н воздействия агрессивных сред.

22 Минеральные наполнители и заполнители

Известно, что минеральные наполнители оказывают огромное влияние на свойства наполненных полимеров. В еще большей степени это действие проявляется при Формировании структуры полимербетонов, у которых количество наполнителей и заполнителей составляет 90—— 94% по общей массе. В Советском Союзе выполнены фундаментальные исследования под руководством В. А. Каргина, П. А. Ребиндера, 11. И. Зубова, Л. А. Сухаревой, Ю. С. Липатова и других ученых в области влияния минеральных наполнителей на свойства наполненных полимеров. Однако механизм взаимодействия наполнителей и заполнителей с термореактивными смолами применительно к полимербетонам был разработан в значительно меньшей степени.

Наполнители представляют собой дисперсные порошки (минеральные или полимерные) с размером частиц менее 0,15 мм и удельной поверхностью, оптимальной для практических целей, в пределах 2500—5000 см2/г. К заполнителям относится песок с крупностью зерен до 5 мм и щебень (гравий) с крупностью зерен до 50 мм.

Высокое содержание в составе полимербетонов наполнителей и заполнителей позволяет уменьшить расход полимерного связующего, стоимость которого в основном определяет стоимость полимербетона; ограничивает температурные и усадочные деформации; регулирует плотность, прочность, твердость, физико-механические и другие свойства

Степень влияния минеральных наполнителей на те или иные свойства полимерных композиций зависит от их химического состава, дисперсности и формы частиц, состояния поверхности, процентного содержания и других факторов. Например, при введении в синтетические смолы небольшого количества наполнителей (5——10%) нарушается межмолекулярная упорядоченность синтетической смолы в связи с появлением разветвленной поверхности наполнителей. При выводе системы из равновесного состояния увеличивается ее свободная энергия, что сопровождается уменьшением плотности упаковки

[83, 84, 85]. Введение наполнителей в количестве более 200—300% также приводит к ухудшению свойств наполненной композиции из-за неполного смачивания связующим поверхности наполнителей.

В качестве наиболее распространенных наполнителей полимербетонов используют порошки андезита, диабаза, маршаллита, цемента, графита и др. Заполнителями служат андезит, базальт, графит, кварц, шунгит и другие породы в виде песка и щебня. В составе легких полимербетонов применяют аглопорит, керамзит, перлит, шунгизит, шлакоситалл, туфы, пемзы и другие искусственные и естественные пористые заполнители. Повышение тиксотропных свойств полимерных мастик и растворов обеспечивает введение в состав сажи, дисперсного поливинилхлорида или аэросила.

Для правильной оценки влияния минеральных наполнителей на свойства полимербетонов приведем основные характеристики наполнителей, наиболее часто используемых в составах полимербетонов.

Дисперсность наполнителей. Мелкодисперсные наполнители независимо от их природы всегда полидисперсны. Отсюда вытекает важность определения закона распределения диспергированной системы по размеру составляющих частиц.

Распределение частиц диспергированной системы по их размеру (радиусу) может быть представлено кривой распределений, на основании которой устанавливаются размеры самых мелких и самых крупных частиц, а также размеры частиц, находящихся в системе в наибольшем количестве [143].

Кривая распределения мелкодисперсного наполнителя строится в координатах функция распределения 尸——размер частиц г. Функцию распределения находят как производную:

F = dQo/d 八 (1)

где d Qo — количество мелкодисперсного наполнителя, размер частиц которого находится в заданном интервале dr, %;

Qo=[dQ/drk ⑵

Свободный член в уравнении касательной может быть найден из уравнения кривой седиментации:

Q = Qm i т/(т + То ), (3)

2.2.2.2.огр( В е (Ьо「 лич 94% фук К.а{ вой] мин пол лей нит ноки I мен пра пол и щНИТ| лям опр пер нос' гнеих I cod гих смо нар чес! вер. вес) чтоогр( В е (Ьо「 лич 94% фук К.а{ вой] мин пол лей нит ноки I мен пра пол и щНИТ| лям опр пер нос' гнеих I cod гих смо нар чес! вер. вес) чтоЛИ 1 терм роль 99%ЛИ 1 терм роль 99%где Q ——количество выпавшего из суспензии наполнителя за время оседания т. %; Qm — константа, % (100<Qm<200); т0~ половинное время, то=т при Qm/2.

2.2.

2.2.

огр( В е (Ьо「 лич 94% фук К.а{ вой] мин пол лей нит но

ки I мен пра пол и щ

НИТ| лям опр пер нос' гне

их I cod гих смо нар чес! вер. вес) что

огр( В е (Ьо「 лич 94% фук К.а{ вой] мин пол лей нит но

ки I мен пра пол и щ

НИТ| лям опр пер нос' гне

их I cod гих смо нар чес! вер. вес) что

ЛИ 1 терм роль 99%

ЛИ 1 терм роль 99%

После дифференцирования уравнения (3) и соответствующего преобразования получим:

Qo = т/(т + 口)2 • (4)

Еслн вместо времени т принять размер частиц 广=а и обозначить это выражение через а, т. е.

т/(т— q ) = а。/(@ —的)—ьа, (5) то можно написать интегральное уравнение распределения:

Qo = Qm [。0 /(。 。0 )]' = Qm Ct. (6)

Дифференцируя это уравнение по г, получим уравнение кривой распределения диспергированной системы по размеру частиц:

F = dQo/dr = 4Qm/100 а§{г/{а — а^\. (7) Уравнение (7) свидетельствует, что диспергированные системы не являются случайным сочетанием отдельных частиц, а подчиняются определенной закономерности и что такие системы характеризуются константами Qm и а =「2. Определение численных значений этих констант — основная задача дисперсионного анализа.

Результаты седиментационного рентгеновского и микроскопического анализа (табл. 5) показывают, что для изучаемых наполнителей характерна кристаллическая структура. Распределение частиц по размерам у различных наполнителей колеблется в довольно широких пределах. Например, максимальный размер частиц аэросила и каолина не превышает 2 мкм, молотого доломита 40 мкм, а для андезита и кварцевой муки размер частиц доходит до 150 мкм (рис. 2, табл. 5).

В соответствии с таким распределением размеров удельные поверхности частиц также различаются примерно на два десятичных порядка (табл. 6). Насыпная плотность наполнителей (за исключением аэросила) колеблется в значительно меньших пределах: от 0,35—0,4 до 1,6—1,7 г/см3.

Химический состав и химическая стойкость наполнителей. Структура и свойства наполненных полимерных композиций как гетерогенных многокомпонентных систем зависят от многих факторов. Многочисленные исследова-

ния взаимодействия наполнителей с синтетическими смолами показывают, что химическая природа наполнителя оказывает значительное влияние на различные свойства наполненной композиции. Однако во всех случаях важнейшим условием усиливающего действия наполнителей в таких системах является высокая адгезия полимерного связующего к поверхности наполнителя и, следовательно, природа связей иа границе раздела поьчимер—- твердое тело. Второе и обязательное условие — совместимость наполнителей и заполнителей с отвердителями и катализаторами. Так, наполнители и заиолкители, имеющие щелочную реакцию, не пригодны для полимербетонов на основе фурановых, фенолформальдегидных и других смол, отверждаемых кислотными катализаторами. Для полимербетонов на полиэфирных, ацетоноформальдегид- ных смолах, ММА и др. такого ограничения практически нет. Поэтому в настоящее время достаточное признание получила классификация наполнителей по их химическому составу, определяемому по общепринятой методике (табл. 7).

Рассмотренные в табл. 6 и 7 наполнители по химическому составу делятся на четыре основные группы: кремнеземистые (кварцевый песок, аэросил и др.); карбонит- ные и основные (доломит, диабаз и др.); углстрафитовые (кокс, графит); водные силикаты алюминия и магния (каолин, тальк).

Практика показала, что такое разделение существенно облегчает правильный выбор наполнителей и заполнителей для химически стойких полимербетонов, но иногда этой классификации педосъиточпо, так как минеральные наполнители, как правило, их;ею г сложный химический

w Таблица 5. Результаты определения фракционного состава минераль ных наполнителей

Наполнитель

Ферма частиц

Структура

Содержание. % частиц по фракциям, мкм

менее 2

2—5

5—10

10—30

30—50

100 и более

Андезитовая мука

I 6,53

1 11,8

43,4：

J 16,75

24,09

Баритовая 》

Изометрическая

29

34

17

20

—

—

Диабазовая 》

7,5

12,4

19,7

22,3

28,1

10

Кварцевая 》

—

3,6

6,45

27,6

18,7

11,3

32,4

Молотый аглопорит

1 Кристалли-

4

5,05

24,84

4,4

14,89

47,13

》доломит

一、

ческая

54

14

"

10

5

—

》кокс

-1

22

21

37

13

7

—

Графитовая мука (электродная)

Пластинчатая

9

12

26

24

16

13

Каолин

Гексанон — пластинки

100

--

—

—

—

—

Тальк

Пластинчатая

39

5

13

35

8

—

Аэросил-175

Изометрическая

Аморфная

100

—

Таблица 6. Основные свойства минеральных наполнителей

Влажность, %

Плотность,

Насыпная плотность, "см3

Удельная поверхность, см?/〕， определенная

Цвет

Наполнитель

на ПСХ-2

по низкотемпературной адсорбции азота

Баритовая мука

0,15

4J

1.4-1,6

6500

Белый

Кварцевая »

0,,15

2,6-2,65

1,1-1,15

2500—3200

3200—3300

Серый'

Андезитовая 》

0.18

2.6—2,7

1—1.08

2100—3300

3300—3500

》

Молотый аглопорит

0.2

2・5—2.6

1,1 — 1,15

2100—3500

35 ОЮ—4000

》

》доломит

0.2

2.9

09—1

—

8700

Белый

》кокс

0.32

],9Х

0,55—Ю,8

5850

9100

Черный

Графитовая мука (электродная)

0.21

21-3—2)(6

0155—075

3800

4100—5300

》

Электрокорунд белый

0,2

3,9-4丄

2,9—3,.(25

—

4206

Белый

Каолин

0.53

251

0,35—0,4

—

11.8 м2/г

Тальк

0.8

2,87

0,55-Ю,6

—

5,3》

Аэросил-175

0,97

2.22

0.04—0,05

—

175 м2/г

Кварцевый речной песок (люберецкий)-

0.15

2.65

1,3—1,6

—

—

Бесцветный

欧

86一26

66—86

—

IZ'O

30*0

£6'0

?0'1

НТО

比％

陽4

£1'步

8^6

£丁£

(ним

-Hsdogoiir) уоззи gOHh3d игчаэпбвд^

(BEHtodiMOEe)

ВМЛи ВЕйО1Ифв(1^

66—86

eo'o

—

—

—

89'0

66-96

унгэд

VH.<do>iodi>i9irg

g6-+6

?不0

14'0

%'0

8占'0

优

ЮИЕШ «

86—Z6

6£'£6

—

—

—

86—Z6

eo'o

—

80,0

g9'0

8S(I

99't

工£'£【

Gl'08

ZHdOLIOn? «

86—96

go'o

—

川0

его

为‘0

g广0

8/0

06 26

n4.'[；cn：dBW giq.LOJoiM

g6一^6

0Г0

犯'[

【6%

”0

第不

5*6

6力‘力1

86*21

川’££

《15E9OEUOBH'I7/

86-96

ZO'O

一

—

9Г0

8不'0

寸0

£0"

方 9'86

《К1}н;эпс1вау

£676

驼'0

8

方0'?

〃忆

匕厂岁

1干?9

вмЛи квдохпЕЭГну

^L—ХШ

1ЭОЛ ou)

% *чхэом -ИОХЭ -О1О1ГЭИ^[

огн

О0

OEN

oSw

ОЮ

?OS9J

qiraxHHLfouuH

二THO9dBM 0 AaKdEH IqlM①Irooih 二上0g S0S3 wo 工 XIG qIOHlgoo oneh 口。KFaHmoIKHEdxoJ MJ〕d①H0H03 BE ^^s,^^ ^ro-GO •dAJXAdJYrqH-dBFAXWUONBBH -ra^^ss^oc ①。卢9。 н n① h NqHhodu O3L-O9 g》KMqL о 二-DgKED xlqHaodoHOE H mo 三-0omBdgoвамфбмуонкниАС!」 ，od 口 hj =①ZHqFMHO9dBMJEHOELOHD口 owBBH9030m kitoj, IHFOLIEII OJqJOOHXdBEOUxpieХНС1МФ6『ОП = .『ml9Ng 一 ^S^H^^-^§ss^^a ① омиоьвфвтюз •ОСOWHOniOHJO OU OHJNE・dB M YHOOdGEHYFBmdEW JMm 散 HP) BOHOJgdgwM 口 он^O^O^HO^^ -SHO^S ^K-S^^OH 'ss BLR xgKHgHdu 三① KLMHWOUBH OBJOHMnlqyog-Ks^^^soxosHWEYOW3 H dMJghH 5LHm HWIqwgEKBId з ош1£口 онивAWOHHOMm ，①Be HAroHHOBTIgdoJaB AOMOo^sss 工 з=юсо SJ S^^HSKC-OC^K OHXBI ^SOH^OC ・久9一 oiAhjjoh '^^^moc о^ёа^ H^^ss xlqHqFEdgHMoJJ ，HmqF09 Wbbjjoj o^o^o^^sss^ OHhaumEd EKCIJOW。2H二THO9dBM 0 AaKdEH IqlM①Irooih 二上0g S0S3 wo 工 XIG qIOHlgoo oneh 口。KFaHmoIKHEdxoJ MJ〕d①H0H03 BE ^^s,^^ ^ro-GO •dAJXAdJYrqH-dBFAXWUONBBH -ra^^ss^oc ①。卢9。 н n① h NqHhodu O3L-O9 g》KMqL о 二-DgKED xlqHaodoHOE H mo 三-0omBdgoвамфбмуонкниАС!」 ，od 口 hj =①ZHqFMHO9dBMJEHOELOHD口 owBBH9030m kitoj, IHFOLIEII OJqJOOHXdBEOUxpieХНС1МФ6『ОП = .『ml9Ng 一 ^S^H^^-^§ss^^a ① омиоьвфвтюз •ОСOWHOniOHJO OU OHJNE・dB M YHOOdGEHYFBmdEW JMm 散 HP) BOHOJgdgwM 口 он^O^O^HO^^ -SHO^S ^K-S^^OH 'ss BLR xgKHgHdu 三① KLMHWOUBH OBJOHMnlqyog-Ks^^^soxosHWEYOW3 H dMJghH 5LHm HWIqwgEKBId з ош1£口 онивAWOHHOMm ，①Be HAroHHOBTIgdoJaB AOMOo^sss 工 з=юсо SJ S^^HSKC-OC^K OHXBI ^SOH^OC ・久9一 oiAhjjoh '^^^moc о^ёа^ H^^ss xlqHqFEdgHMoJJ ，HmqF09 Wbbjjoj o^o^o^^sss^ OHhaumEd EKCIJOW。2Hf> й obo° °ое &i ‘ ' ^ю О LO о 2 - m g z =—ю ос6 оо Z Z G己 н J-И d6 S м в Н В 口 со 工 tS'vEf> й obo° °ое &i ‘ ' ^ю О LO о 2 - m g z =—ю ос6 оо Z Z G己 н J-И d6 S м в Н В 口 со 工 tS'vElHluHds.LNBdBXo3HJLuOHhoduян 壮g『3.LsH『0UBH =d OSEnss-ffi .8 Eim『grll OHhoJBJOOU cHHO%H!f9HdiI OHqFOHOи kjox kofgjhhitohbh ^^eso ^os^ JOJG ・(8 .HgBL)在Hnamou 工 ON xHHgHKOUBH BBS ，江OBO EH J2KBiТВ OJOIB в в KBH①口HcdoBJ。BBtlxEod AXBJOHBX 曰от 0」0неЕфждм ffl^HOOO 吁30艺оввинемз eh IgKueg Ha он^ ^ё^ё^^^ -S^^^Haffi 田OHaoB OJO Hd OU KF2BHF0U ，EH HJJOHXdomou MJ30HJHE ^o^o^^sss^ ^os^^ss& KMH —OFOKOduo 口ojlow HEBOmqFomH qEq9 JO〉KOW XKEhA『J xhjg g ・OH%oweoB s^^ он wodgwHirou о ЛЙЭ eb eihohou ，ox оинкиив qlHFOUOduo и nBIJO。lHluHds.LNBdBXo3HJLuOHhoduян 壮g『3.LsH『0UBH =d OSEnss-ffi .8 Eim『grll OHhoJBJOOU cHHO%H!f9HdiI OHqFOHOи kjox kofgjhhitohbh ^^eso ^os^ JOJG ・(8 .HgBL)在Hnamou 工 ON xHHgHKOUBH BBS ，江OBO EH J2KBiТВ OJOIB в в KBH①口HcdoBJ。BBtlxEod AXBJOHBX 曰от 0」0неЕфждм ffl^HOOO 吁30艺оввинемз eh IgKueg Ha он^ ^ё^ё^^^ -S^^^Haffi 田OHaoB OJO Hd OU KF2BHF0U ，EH HJJOHXdomou MJ30HJHE ^o^o^^sss^ ^os^^ss& KMH —OFOKOduo 口ojlow HEBOmqFomH qEq9 JO〉KOW XKEhA『J xhjg g ・OH%oweoB s^^ он wodgwHirou о ЛЙЭ eb eihohou ，ox оинкиив qlHFOUOduo и nBIJO。уЭЕЭХИНЕОиРН XHH4EPd3HHW Ч1Э0ЯИ01Э BBXDOhHWHX H (%) ЯРХЭОЭ ИИМЭЭЬИИ1ИХ 2 КПИ1Г9Р1 ^

二THO9dBM 0 AaKdEH IqlM①Irooih 二上0g S0S3 wo 工 XIG qIOHlgoo oneh 口。

KFaHmoIKHEdxoJ MJ〕d①H0H03 BE ^^s,^^ ^ro-GO •dAJXAdJYrqH-dBFAXWUONBBH -ra^^ss^oc ①。卢9。 н n① h NqHhodu O3L-O9 g》KMqL о 二-DgKED xlqHaodoHOE H mo 三-0omBdgoвамфбмуонкниАС!」 ，od 口 hj =①ZHqFMHO9dBMJEHOELOHD口 owBBH9030m kitoj, IHFOLIEII OJqJOOHXdBEOUxpieХНС1МФ6『ОП = .『ml9Ng 一 ^S^H^^-^§ss^^a ① омиоьвфвтюз •ОСOWHOniOHJO OU OHJNE・dB M YHOOdGEHYFBmdEW JMm 散 HP) BOHOJgdgwM 口 он^O^O^HO^^ -SHO^S ^K-S^^OH 'ss BLR xgKHgHdu 三① KLMHWOUBH OBJOHMnlqyog

-Ks^^^soxosHWEYOW3 H dMJghH 5LHm HWIqwgEKBId з ош1£口 онивAWOHHOMm ，①Be HAroHHOBTIgdoJaB AOMOo^sss 工 з=юсо SJ S^^HSKC-OC^K OHXBI ^SOH^OC ・久9一 oiAhjjoh '^^^moc о^ёа^ H^^ss xlqHqFEdgHMoJJ ，HmqF09 Wbbjjoj o^o^o^^sss^ OHhaumEd EKCIJOW。2H

二THO9dBM 0 AaKdEH IqlM①Irooih 二上0g S0S3 wo 工 XIG qIOHlgoo oneh 口。

KFaHmoIKHEdxoJ MJ〕d①H0H03 BE ^^s,^^ ^ro-GO •dAJXAdJYrqH-dBFAXWUONBBH -ra^^ss^oc ①。卢9。 н n① h NqHhodu O3L-O9 g》KMqL о 二-DgKED xlqHaodoHOE H mo 三-0omBdgoвамфбмуонкниАС!」 ，od 口 hj =①ZHqFMHO9dBMJEHOELOHD口 owBBH9030m kitoj, IHFOLIEII OJqJOOHXdBEOUxpieХНС1МФ6『ОП = .『ml9Ng 一 ^S^H^^-^§ss^^a ① омиоьвфвтюз •ОСOWHOniOHJO OU OHJNE・dB M YHOOdGEHYFBmdEW JMm 散 HP) BOHOJgdgwM 口 он^O^O^HO^^ -SHO^S ^K-S^^OH 'ss BLR xgKHgHdu 三① KLMHWOUBH OBJOHMnlqyog

-Ks^^^soxosHWEYOW3 H dMJghH 5LHm HWIqwgEKBId з ош1£口 онивAWOHHOMm ，①Be HAroHHOBTIgdoJaB AOMOo^sss 工 з=юсо SJ S^^HSKC-OC^K OHXBI ^SOH^OC ・久9一 oiAhjjoh '^^^moc о^ёа^ H^^ss xlqHqFEdgHMoJJ ，HmqF09 Wbbjjoj o^o^o^^sss^ OHhaumEd EKCIJOW。2H

f> й obo° °о

е &i ‘ ' ^

ю О LO о 2 - m g z =

—ю ос

6 оо Z Z G

己 н J

-И d6 S м в Н В 口 со 工 tS'vE

f> й obo° °о

е &i ‘ ' ^

ю О LO о 2 - m g z =

—ю ос

6 оо Z Z G

己 н J

-И d6 S м в Н В 口 со 工 tS'vE

lHluHds.LNBdBXo3HJLuOHhoduян 壮g『3.LsH『0UBH =d OSEnss-ffi .8 Eim『grl

l OHhoJBJOOU cHHO%H!f9HdiI OHqFOHOи kjox kofgjhhitohbh ^^eso ^os^ JOJG ・(8 .HgBL)在Hnamou 工 ON xHHgHKOUBH BBS ，江OBO EH J2KBiТВ OJOIB в в KBH①口HcdoBJ。BBtlxEod AXBJOHBX 曰от 0」0неЕфждм ffl^HOOO 吁30艺оввинемз eh IgKueg Ha он^ ^ё^ё^^^ -S^^^Haffi 田OHaoB OJO Hd OU KF2BHF0U ，EH HJJOHXdomou MJ30HJHE ^o^o^^sss^ ^os^^ss& KMH —OFOKOduo 口ojlow HEBOmqFomH qEq9 JO〉KOW XKEhA『J xhjg g ・OH%oweoB s^^ он wodgwHirou о ЛЙЭ eb eihohou ，ox оинкиив qlHFOUOduo и nBIJO。

lHluHds.LNBdBXo3HJLuOHhoduян 壮g『3.LsH『0UBH =d OSEnss-ffi .8 Eim『grl

l OHhoJBJOOU cHHO%H!f9HdiI OHqFOHOи kjox kofgjhhitohbh ^^eso ^os^ JOJG ・(8 .HgBL)在Hnamou 工 ON xHHgHKOUBH BBS ，江OBO EH J2KBiТВ OJOIB в в KBH①口HcdoBJ。BBtlxEod AXBJOHBX 曰от 0」0неЕфждм ffl^HOOO 吁30艺оввинемз eh IgKueg Ha он^ ^ё^ё^^^ -S^^^Haffi 田OHaoB OJO Hd OU KF2BHF0U ，EH HJJOHXdomou MJ30HJHE ^o^o^^sss^ ^os^^ss& KMH —OFOKOduo 口ojlow HEBOmqFomH qEq9 JO〉KOW XKEhA『J xhjg g ・OH%oweoB s^^ он wodgwHirou о ЛЙЭ eb eihohou ，ox оинкиив qlHFOUOduo и nBIJO。

6В

.s^oc lEHBBOdHdo RM 口Iqjouaodu ^^&s^^^^^^^^ xlqHHOHnEIBAFSXG x0sH2rTq0u JOABS —9OUO5 HZSEdJBWEdBU HWHXUMbKdJMMIFEBa ss-so^3^ Jn ，上AdJJHOX OHHOhAKOu』2ЕВВЬ21ю2до Iqd>IENdB 江omej ^^^ lovmdHdAJEWdE s^a SS^^^O4O^ qHHKFX2aoHJdausHE JoiAmquomH — & 二 工 HHEKlqHeHwodJXDLaG EKchEa2douodlxoKG ^&S^H -йо^он ，KW0H0dJX2WG SS^^HO^Offlo HMKmcHAdKFOmHodJHgKG ss ■к^оози 3^§^ ^S^OHO^ ^S^^^^HOKO^ xlqHdo '§0^s^ KNda氏 or M .〔6一 xejhonahoxHmx』 '«s^ox XHmoIAgmBIOOJ^3"s^5^s^c кноокх^юоё olqHchJXEdEX KEBZJHbK s c宀 OJOgomolwK 上 он -qLGJHHOHmdu aHHEJ09EdBd CKHHO^OFOU ^3-SOK^O wojg dH KAmqffomHOHdAJBWdBOHqFEJJ ‘OLwdE HMBhAIO од&к^а^оюYOWJ ^ss^^^^o ^§^^0 EH KHalAdJOHOy olqHdowsrouowdB ^SOH^OC -^ososo XH1SS A -oitehb X OHqKom。口 S^SHOS^^H^^^^^- H』G ・9—0I・ ( —I co оннонйй国100。 ^os XIq ,OHEdOBOHJO BH ИОКОН^Ю^^2К§К (my) ss^^s&o^s

iquEHdaivw SHmolAdHdv .z OHOJ29d2w『ou XEEJ03xlqwoAmqKomM ^фзнкх^ос XHH2Hp dJ&dmBd UOHOgHEH EJ⑪03 DlqHEOHJO

•WKLjJMHKOUEH XXEX CKHHE092dJ, 2Ж" ЗИМЕ』К2ожкка2dli KHgatn KHBSOJ AOX3 ① hHX V IBTIXAdJJHOX s^s ^s^^ss xHqFE2d H&OHJOIfu MQJMnodu^ё^^^ 江OHSKU 江MBOSA ^s каохзи 3qIEd ，H9aoU H2》K『0B OJOdoJOX BBIJOJB〉2h=dL20宀 HEH qJioHJOKu KKHaoch dH992Tli НК5ИИ -0§ИЛ^С mem ，KOUEm OJOHUAdH aaJJOhBKQOHOJM9 dMLg a^ss

■^ssmoeso^ XHH2EOU 'Лхо^оози s ^s.^-o^s ^SK^^SSC-OE EHS依0qjEBodKxAjsd ХЕКОВ2dli XKXOdMm и -s^§s HWIqHhHLKEd J XH KEJMbco 二QKLgeoH 0名・dH ^6^^ ^^0^ XJUOIIXdoBOU oHqlfoBA cqJJOHJ.OInl 2KQllhOLwL3 江 OBJ 2H0hHHBX2，0 MHmнФ 2IqMhH=mEd H2^s^ ^^so^ OJOXJOhHNKX WOMEEdgooHmEd s LOIEhHL二。ImMH『o 二 EH ^3x^^^0§sOEBdgo WHXJ •EYOJHHL-OUBH OJqhJOHXd2goiI J §>ЛЬ^-^^0^НЛ^И azdoJOM wtlqlrox ОВВОНЕаАФ 1ЕЛ<идаоз KWBuuAdJ HWH

osi-ooi

9N

口。Hasd ^Hoedj'

o—og

9Nr"

ЕНИП

-с!ия cuoHdouA '0Ю1ГЭИМ иод

1£力

8S'O

*0f

8?'1一”1

£9'L9'I

01—8

01—力

1—6 0

8 力 0—”0

qHjgsm

И1ЧЯ0Я13Э0ЕР1

0^[—0019K

OOI—OZ

ws

чмэдэш ннао1ч1'Е£Ед

弘冶

ЕВдВИХГ-OdgQBJ

OZI—091

S9lS

qHsgsm HHHIHHEdj

HlrSXHHiroilEg

Ш1ОТНОСТ--см3

□ведем прочно， стн 二 рсжатн- МПа

^6^0-Г1 9Ь0-8%'0 丁 I-88'I "£一公’1

次％

I^I

ZLlZ

8门

Z(G

川

厂不

££T

SI

8 £-方'?

証％

8门

—

t-S*0-9r0

力 6'I—9GT

6S—SI

—

—

8'0—G'O

；6'0—G口 0

d6'0—%'O

丁 0-乔’0: G'o一忆'.0

G

удельная удар, ная вязкость- Дх〈/М2

твердость、МПа

0<~05 0t~09

ww 'зчпон

-uAdx кндатп

Hirn • J/&IVJ

'qnoHxdaaou

кенч1гэгх

порнстост-次

aalngo

oiqj,，OH

-xdouou

Hwedou

% 'эино'гпоглоиоГод

Предел прочно, стнрн растя, женнн- МПа

(KHHECb И KHgm) И9!ГЭ1ИН1ГОПЕ£ 0ХЭИОЯЭ ХИМЭЭЬИНВХЭИ-ОМИЕИф Hg咤"叩为 EtlMl/ ^

мербетонных конструкций стекловолокном являются: высокое временное сопротивление стекловолокна воздействию нагрузок (алюмоборосиликатное стекловолокно диаметром 3—11 мк имеет временное сопротивление 2— 2,5 тыс. МПа), малый КТД (К1Д стекла меньше КТД полимербетона на 15—30%, что в сочетании со сравнительно низким модулем упругости стекловолокна (70—— 80 тыс. МПа) обеспечивает возможность их совместной работы даже при значительных перепадах температур). Для ряда специальных конструкций дисперсное армирование стекловолокном — весьма эффективный способ повышения несущей способности.

Следует отметить, что исследования влияния дисперсного армирования на свойства цементных и полимербетонов полимерными волокнами показали, что эти волокна имеют высокую деформативность и в 4——5 раз более низкий, чем у бетонов, модуль упругости. Поэтому такие волокна вряд ли могут выполнять роль эффективной арматуры для полимербетонов.

Второй способ предусматривает использование стекловолокна в составе высокопрочной стеклопластиковой арматуры. Стеклопластиковая арматура—пучок продольно ориентированного стекловолокна, объединенный в стержень полимерным связующим и поперечной обмоткой. Стеклопластиковая арматура (СПА) диаметром 6— 16 мм разработана Институтом строительства и архитектуры Госстроя ВССР совместно с НИИ/КБом. Выпускае- мая арматура имеет следующие характеристики:

Плотность, т./м3 . .. . ，.1.9

Предел прочности при растяжении, МПа . . .1400

Модуль упругости при растяжении, МПа . . .(45—50) 10* Относительное удлинение при разрыве, % . . .0.0/

Коэффициент однородности 023

Стеклопластиковая арматура обладает высокой коррозионной стойкостью и является хорошим диэлектриком. Благодаря сравнительно низкому модулю упругости стеклопластиковая арматура, как правило, используется в предварительно напряженных конструкциях. Предварительное обжатие полимербетона способствует предотвращению усадочных трещин в таких конструкциях и повышает их трещиностойкость при эксплуатации.

Составы полимербетонов на основе метилметакрилата и полиэфирных смол типа ПН-1 имеют в 1,5—2 раза более высокую усадку и КТД.

ФАМ ММА ПН

(для сравнения)

Линейная усадка , % . . . . 0,1—0,15 0,15—0, 20,2—0,25

КТД/0611— 1215—1818—24

Исходя из этого они не могут быть армированы стальной арматурой.

В лаборатории НИИЖБа были проведены предварительные исследования, убедительно показавшие, что для армополимербетонов, обладающих высокой усадкой и КТД, хорошие результаты могут быть получены при использовании высокопрочной алюминиевой арматуры.

В зависимости от легирующих добавок деформируемые алюминиевые сплавы подразделяют на термически неупрочняемые и термически упрочняемые. Сплавы первой группы характеризуются относительно невысокой прочностью и большой пластичностью, хорошо свариваются и обладают более высокой коррозионной стойкостью. Сплавы второй группы в результате закалки и последующего старения резко увеличивают прочностные характеристики.

Физико-химические свойства различных алюминиевых сплавов достаточно устойчивы и в среднем составляют:

Плотность, т/м3 . . . . ■ 2，

Предел прочности при растяжении. МПа .400—500

Модуль продольной упругости. МПа:

при 70℃ .. . . .76-Ю3

» —40—+50°С 7Ы03

» 100℃ 65-Ю3

Коэффициент Пизссона 0,3

КТД ... . '(22—24)• 10-6

Арматура из алюминиевых сплавов имеет достаточно высокую стойкость при воздействии пресной воды, сернистых соединений (сероводорода, сернистого ангидрида), высококонцентрированной азотной кислоты и серной кислоты любых концентраций. Сравнительно быстрое разрушение такой арматуры происходит в щелочной среде, соляной кислоте, при действии соединений хлора, фтора и других галогенов.

Перечисленные свойства и характеристики арматуры из алюминиевых сплавов показывают, что такая арматура с успехом может применяться для многих видов полимербетонов.

Глава 3. ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИИ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАСТИК И ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

Морфология надмолекулярных структур

Вопросы, связанные с влиянием наполнителей на скорость нарастания и релаксацию усадочных напряжений, прочностные н деформативные характеристики высоко- наполненных полимерных композиций, механизм образования надмолекулярных структур, характер которых определяет вышеперечисленные свойства, достаточно подробно рассмотрено в [105]. Однако для лучшего понимания материала, изложенного в дальнейшем, необходимо привести основные положения выявленных закономерностей с учетом последних экспериментальных данных.

На основании исследований, выполненных НИИЖБом совместно с Институтом физической химии АН СССР 「63—65, 80, 132—134] установлено, что в полимерных композициях на основе олигомеров скорость протекания полимеризационных и релаксационных процессов обусловливается влиянием наполнителей и распределением активных групп в полимере. Характер возникающих при полимеризации надмолекулярных структур определяется распределением активных групп в системе.

Влияние наполнителей как зародышей структурооб- разования на морфологию надмолекулярных структур и физико-механические свойства первоначально определялось на полиэфирных смолах типа ПН-1. В качестве за- родышеобразователей использовалась кварцевая мука с удельной поверхностью 0,8 м2/г, определенной по низкотемпературной адсорбции азота [65, 133]. Структуру исследовали при помощи поляризационного микроскопа МП-7.

При небольшом содержании наполнителей (10%) около частиц наполнителя обнаруживается ориентированная и более напряженная структура. Размер полимерных чехлов, окружающих наполнитель, значительно превышает размер зерен наполнителя и достигает в ряде случаев 50 -80 мкм. Такие структуры прозрачны в поляризованном свете и являются центрами концентрации внутренних напряжений. При большем увеличении (X1800)

внутри полимерного чехла просматриваются зерна наполнителя. Окраска структуры полимера около зерен наполнителя неравномерна, она изменяется по сечению от поверхности наполнителя. Установлено, что изменение цвета связано с неравномерным распределением внутренних напряжений. При этом максимальные напряжения обнаруживаются в слоях, примыкающих к пове})х- ности наполнителя. С увеличением центров структуро- образования размер ориентированных полимерных структур уменьшается и приближается к размерам частиц наполнителя.

Обнаруженная структурная морфология позволяет предположить, что с поверхностью наполнителя взаимодействуют реакционноспособные функциональные группы не отдельных макромолекул, а вторичных надмолекулярных структур.

При исследовании надмолекулярных структур полиэфирных мастик при помощи электронного микроскопа IEM-54, для которого способом кислородного травления готовили угольно-платиновые реплики, в качестве наполнителя применяли диоксид титана рутильной формы с. удельной поверхностью 10 м2/г. Наиболее крупные надмолекулярные структуры круглой формы диаметром несколько микрон обнаружились при 10%-ном наполнении полиэфирной смолы рутилом (рис. 3, слева).

В центре таких образований наблюдается плотно упакованная глобулярная структура с переходом в последующих слоях в анизодиа метричную, ориентированную перпендикулярно к поверхности наполнителя. Анизоди- аметричная структура, вероятно, возникает в результате разворачивания глобул.

С увеличением степени наполнения до 50% ориентированная анизодиаметричная структура становится преобладающей. При этом увеличивается адгезия, повышается жесткость и, как следствие, увеличиваются усадочные напряжения.

Рис. 3, справа, убедительно подтверждает характер изменения надмолекулярных образований в зависимости от степени наполнения полиэфирной смолы минеральными наполнителями. Размер и степень упорядоченности вторичных надмолекулярных структур, возникающих около частиц наполнителя, существенно отличаются от молекулярных структур ненаполненного полимера или в объеме полимера на значительном удалении от поверхности наполнителя.

Рис, 3. Изменение характера надмолекулярных структур полиэфирных мастик в зависимости от содержания рутила. Слева — с 10%наполнителя, справа — С 50%.

Обнаруженные закономерности в изменении свойств и морфологии надмолекулярных структур оказались справедливыми и для фурановых смол. Однако особенность фурановой смолы ФАМ состоит в том, что в ее молекуле наряду с карбонильными группами, способными специфически взаимодействовать с поверхностью наполнителя, содержатся фурановые кольца.

Более детальные исследования олигомерных систем из фурановых и других смол позволили выявить основ- н ые закономерности изменения физико-механических свойств и надмолекулярной структуры материала на основе этих смол в присутствии наполнителей.

Было установлено, что наполнители, наиболее часто используемые в полимерных композициях (кварцевая мука, андезит, маршаллит, аэросил и многие другие), активны по отношению к этим смолам и способны вступить с ними в специфическое взаимодействие с образованием ковалентных или водородных связей, а также более прочных надмолекулярных структур, чем в объеме полимера. Вследствие этого такие наполненные системы всегда разрушаются в объеме полимера с сохранением около частицы наполнителя полимерного чехла.

Закономерности в изменении свойств полимеров из олигомерных систем в присутствии активных наполнителей являются общими и существенно зависят от концентрации наполнителя.

При этом было обнаружено преобладание глобулярных структур, которые в зависимости от размеров и степени упорядоченности оказывают существенное влияние на физико-механические свойства полимерных композиций.

Исследования надмолекулярных структур полимеров

a \ 6一守a \ 6一守Рис. 4. Микроструктура ФурФурол- ацетоновых мастик, отвержден

a \ 6一守

a \ 6一守

ных при 20℃

а — ненаполненных； б. в, а (Х2000) и д (Х9000) — наполненных апде- зитом в количестве соответственно 10, 50, 100 и 200%

В мастиках на основе фурановых смол подтвердили ранее полученные сведения о протекании полимеризацион- ных и поликонденсационных реакций через стадию образования глобулярной структуры (рис. 4,а). Такой характер структурообразовапия сохраняется при введении в систему различного количества активных наполнителей, при этом резко изменяется только размер структурных элементов. Например, при 10%-ном наполнении андезитом возникает сетчатая структура из наиболее крупных структурных элементов (рис. 4,6). Последующее увеличение степени наполнения до 50% (рис. 4,е) и 100% (рис. 4,г) приводит к уменьшению структурных элементов. При 50%-ном содержании андезита размер надмолекулярных образований приближается к исходному размеру этих частиц иена полненной смолы, а при 100%- ном содержании размер этих частиц становится меньше, чем в исходной смоле. Частицы наполнителя в таких системах покрыты слоем полимера с более плотной структурой и не обнаруживаются в чистом виде (рис. 4,0).

Уменьшение размеров надмолекулярных структур сопровождается повышением их жесткости, и как следствие, увеличением усадочных внутренних напряжений и скорости их нарастания.

В образцах, наполненных до 200% андезита (см. рис. 4,dj, обнаруживается структура промежуточных слоев, являющихся переходными от вторичных надмолекулярных структур, образованных около частиц наполнителя, к структуре в объеме полимера. Для этих слоев характерна структура, наблюдаемая в объеме полимера, но в отличие от последней структурные элементы в промежуточных слоях группируются в агрегаты более крупных размеров с меньшей плотностью упаковки. Такая степень наполнения резко увеличивает усадочные внутренние напряжения в системе до значений, соизмеримых с адгезионной и когезионной прочностью полимерной мастики.

С увеличением температуры формования до 80℃ глобулярные образования в системе имеют значительно меньший диаметр, чем в случае отверждения при 20℃. Уменьшение размеров структурных элементов в процессе отверждения при 80°С сопровождается увеличением жесткости и усадочных напряжений по сравнению с системами, отверждаемыми при 20℃.

Иной характер структурообразования наблюдается в

образцах мастик ФАМ, наполненных графитом, который, как было показано, существенно снижает усадочные внутренние напряжения при содержании его в системе в количестве 100% и более.

Отверждение фурановой смолы ФАМ в присутствии графита, имеющего ярко выраженную пластинчатую форму, сопровождается ориентацией крупных структурных элементов вдоль частичек наполнителя и возникновением сетчатой структуры, густота которой увеличивается с повышением степени наполнения. Пластинчатое строение частиц графита обусловливает образование вблизи его поверхности фибриллярной структуры, ориентированной вдоль поверхности частиц наполнителя. Это приводит к параллельной укладке фибрилл друг относительно друга и в последующих слоях полимера, удаленных от поверхности наполнителя. При этом необходимо отметить, что размеры надмолекулярных структур (длина фибрилл), которые в 10—100 раз больше, чем в мастиках с использованием активных наполнителей. В противоположность активным наполнителям частицы графита не являются центрами образования вторичных надмолекулярных структур, а способствуют лишь параллельной укладке друг относительно друга структурных элементов полимера.

Более низкие адгезионные связи фурановых смол с поверхностью графита по сравнению с активными наполнителями и фибриллярная, а следовательно, и более эластичная надмолекулярная структура обусловливают сравнительно низкие усадочные напряжения в таких композициях.

На основании изложенного можно сделать весьма важный практический вывод: при введении определенных количеств графитовой муки в состав полимербетонов, содержащих активные наполнители, может бьпь достигнуто существенное снижение внутренних напоя- жений.

Результаты экспериментальной проверки показали, что у полимербетонов, содержащих в качестве активных наполнителей кварцевую или андезитовую муку, введение 5% по общей массе графитовой муки снижает внутренние напряжения на 25—30% при сохранении исходных прочностных характеристик.

Фибриллярная структура может быть получена и для полимерных композиций с активными наполнителями

путем обработки поверхности наполнителя ПАВ или непосредственным введением ПАВ в полимерное связующее. При оптимальной концентрации ПАВ ранее наблюдаемая для таких систем глобулярная структура превращается в более упорядоченную фибриллярную, которая имеет ярко выраженные анизодиа метрические размеры. Такая структура приводит к значительному уменьшению внутренних напряжений в системе пои сохранении высокой адгезии и прочности наполненной ком- позни [65].

Приведенные данные овидетельствуют о том, что усиление наполненных композиций из олигомерных систем может быть достигнуто при создании в них однородной упорядоченной надмолекулярной структуры, обеспечивающей частичную релаксацию внутренних напряжений до начала и в процессе полимеризации [105, 159, 160].

Таким образом, физико-механические и химические свойства полимерных композиций можно изменять в широких пределах путем направленного изменения морфологии надмолекулярных структур и степени завершенности пространственной сшнвки полимерного связующего.

Исследования, выполненные в Институте физической химии АН СССР (П. И. Зубов, Л. А. Сухарева, Н. PL Морозова) ,позволили установить неизвестное ранее явление тиксотропного понижения внутренних напряжений в наполненных полимерных системах. Это открытие означает принципиально новый подход к раскрытию механизма возникновения и развития внутренних напряжений. Оно позволяет па метить практические пути их понижения, опровергнуть общепринятые представления о том, что повышение взаимодействия между структурными элементами полимерной системы должно приводить только к нарастанию внутренних напряжений, а также целенаправленно уменьшать внутренние напряжения при создании новых полимерных материалов, в частности полимерных покрытий, клеев и других наполненных систем.

Рнс. 5. Самопроизвольное разрушение образцов из фурфурол ацето новой смолы ФАМ под действием усадочных напряжений после кратковременного воздействия воды'

Общие закономерности развития усадочных напряжений в полимербетонах

Усадочные внутренние напряжения, возникающие в процессе формования ролнмербетонов и развивающихся во времени в процессе их последующей эксплуатации,— один из важнейших критериев, определяющих длительную прочность этих материалов.

На рис. 5 представлены образцы, изготовленные из ненаполненной фурфуролацетоновой смолы ФАМ, которые самопроизвольно разрушились под действием усадочных напряжений и сравнительно кратковременного воздействия воды. Характер разрушения (правильная шаровая полусфера) убедительно показывает, что усадочные напряжения достигают больших значений, и при незначительном ослаблении прочности на поверхности образца вследствие пластифицирующего действия воды эти напряжения вызывают самопроизвольное разрушение материала. Сферическая форма наглядно свидетельствует о характере распределения усадочных напряжений по сечению.

Появление в полимерных композициях усадочных

внутренних напряжений связано с фазовым переходом композиции из жидкой в твердую в процессе отверждения и незавершенностью релаксационных процессов. Обусловливаются они несколькими факторами, в том числе: усадочными явлениями в результате сближения молекул олигомера в процессе полимеризации и перехода из жидкого состояния в твердое; образованием жестких надмолекулярных структур полимера и их высокой адгезионной связью с частицами наполнителей; усадкой в процессе потери летучих компонентов.

Развитие усадочных внутренних напряжений обычно выражается характерной кривой (рис. 6), на которой ярко выражены два участка: первый соответствует развитию усадочных внутренних напряи<ений под действием названных факторов, второй отражает характер снижения усадочных внутренних напряжений, связанных с про теканнем релаксационных процессов в условиях стабильности внешних воздействий [105].

Таким образом, у^дочные внутренние напряжения условно можно разделить на временные (первый участок), действие которых проявляется от нескольких часов до нескольких суток, и остаточные ——длительные (второй участок). Временные усадочные напряжения достаточно велики и в некоторых случаях могут превышать прочность синтетического связующего. Эти напряжения чрезвычайно опасны, так как могут привести к появлению микро- и макротрещин, т. е. нарушению монолитности изделия или конструкции. Остаточные напряжения, как правило, значительно ниже временных. Опасность этих напряжении заключается в длительности их действия.

Отверждение полимерных композиций в большинстве случаев происходит примерно по следующей схеме [73, 108, 112]. В процессе полимеризации сначала образуется небольшое число поперечных связей. На этой стадии композиция еще достаточно эластична, в ней легко протекают релаксационные процессы и внутренние напряжения практически отсутствуют. По мере дальнейшей сшивки число поперечных связей растет, жесткость композиции увеличивается, и, наконец, наступает такой момент, когда образуется продукт с очень частой пространственной структурой. К этому времени усадочные деформации и временные внутренние напряжения достигают максимальных значений.

Количестбо наполнителя ? %Количестбо наполнителя ? %по массе смолыпо массе смолыРис. 7, Зависимость объемной усадки от количества н вида наполнителя1 — кварцевая мука; 2 — графитовая： 3 — андезитоваяРис. 7, Зависимость объемной усадки от количества н вида наполнителя1 — кварцевая мука; 2 — графитовая： 3 — андезитовая小 3W7

Количестбо наполнителя ? %

Количестбо наполнителя ? %

по массе смолы

по массе смолы

Рис. 7, Зависимость объемной усадки от количества н вида наполнителя

1 — кварцевая мука; 2 — графитовая： 3 — андезитовая

Рис. 7, Зависимость объемной усадки от количества н вида наполнителя

1 — кварцевая мука; 2 — графитовая： 3 — андезитовая

Рис. 6. Кинетика развития и ое- лаксации усадочных напряжений полиэфирного связующего при 80℃. Цифры на кривых — толщина полимерной пленки, мкм

В то же время следует отметить, что абсолютное значение усадки не является критерием внутренних напряжений, При большой усадке и малом модуле упругости внутренние напряжения будут незначительны. Малая усадка в материалах с высоким модулем упругости вызывает значительные внутренние напряжения.

Для наполненных полимерных композиций эта картина еще более усложняется. Увеличение степени напол-. нений системы кварцевой мукой, андезитом, маршалли-- том и многими другими минеральными наполнителями! приводит к значительному снижению усадки полимерной? композиции (рис. 7). Если предположить, что усадочные： напряжения зависят только от усадочных деформаций,, то введение минеральных наполнителей должно было) бы повлечь резкое снижение усадочных напряжений. Однако такое предположение не учитывает соответст- вующего повышения модуля упругости и более жестких адгезионных связей вследствие образования упорядоченных надмолекулярных структур,

С увеличением степени наполнения модуль упругости увеличивается значительно быстрее, чем снижается усадка (табл. 10). Так, для наполненных систем, содержащих 300% по массе наполнителя, усадка по сравнению с ненаполненной системой снизилась примерно в 2 раза, а модуль упругости увеличился в 4——5 раз.

Предельные критические значения усадочных внутренних напряжений в зависимости от вида и количества минеральных наполнителей приведены в табл. 11 {9, 10]. Введение в термореактивные смолы минеральных наполнителей независимо от их вида значительно снижает

Таблица 10, Влияние степени наполнения кварцевой мукой на усадку, модуль упругости и внутренние напряжения полимерных компо*' зиций

3

訖纟 ё «

III

1戸

u

ПН/

—

125

1 9

100

100

50

116

7,75

116

137,5

100

137

7

128,5

221

200

138,5

5,3

170

8,i

337,5

300

134

4,5

200

10,5

437,5

400

131

4

222

11,5

480

600

76

7,3

304

ФАМ

-—

142

7

100

3,1

100

3

50

146

6

116

145

3,8

100

160

5,4

127

230

5,5

200

148

4,1

175

10,5

340 I

10,6

300

132'

3,6

194

13,7

442

15,2

400

1 15

3,2

219

16,7

539

600 I

—

—

■—

9,5

306,4

Таблица 11. Влияние различных наполнителей на предельные критические внутренние напряжения мастик, МПа

Наполнитель

Содержание наполнителя, %

0

50

100

200

Смола ФАМ

Кварцевая мукаАиде-:ч!(л;а：1 》 「卩а中нтКварцевая мука Андезитовая »Графит электродныйКварцевая мукаАиде-:ч!(л;а：1 》 「卩а中нтКварцевая мука Андезитовая »Графит электродный2,8—32,8—32,8—3Смола ПН-12,5—2,7|2,5—2,7, (мука) 2,5 -2,7|2,8—32,8—32,8—3Смола ПН-12,5—2,7|2,5—2,7, (мука) 2,5 -2,7|3,8 I 5,5 3,3—3,5 4,5—5 i 2,5-2,8)2,1 —2,5|3,8 I 5,5 3,3—3,5 4,5—5 i 2,5-2,8)2,1 —2,5|10,611—11,510,611—11,53,3,2,3,3,2,6 -9 9 -6 -9 9 -

Кварцевая мука

Аиде-:ч!(л;а：1 》 「卩а中нт

Кварцевая мука Андезитовая »

Графит электродный

Кварцевая мука

Аиде-:ч!(л;а：1 》 「卩а中нт

Кварцевая мука Андезитовая »

Графит электродный

2,8—3

2,8—3

2,8—3

Смола ПН-1

2,5—2,7|

2,5—2,7, (мука) 2,5 -2,7|

2,8—3

2,8—3

2,8—3

Смола ПН-1

2,5—2,7|

2,5—2,7, (мука) 2,5 -2,7|

3,8 I 5,5 3,3—3,5 4,5—5 i 2,5-2,8)2,1 —2,5|

3,8 I 5,5 3,3—3,5 4,5—5 i 2,5-2,8)2,1 —2,5|

10,6

11—11,5

10,6

11—11,5

3,

3,

2,

3,

3,

2,

6 -

9 9 -

6 -

9 9 -

усадку полимерной композиции. В то же время такие наполнители, как кварцевая и андезитовая мука, высокоактивны и способны специфически взаимодействовать си связующим, ускоряя процессы полимеризации и вызывая значительное нарастание усадочных напряжений. Графитовая мука как неактивный наполнитель замедляет процесс полимеризации, снижает усадочные напряжения в системе при одновременном понижении адгезии:

Рис. 8. Зависимость внутренних напряжений и разрывной прочности полиэфирных мастик от содержания алкамона ОС-2 /, 2. 3 — внутренние напряжения соответственно при 25, 50 и 100 г кварцевой муки; 4— раз- рывная прочность при 30 г кварцевой мукиРис. 8. Зависимость внутренних напряжений и разрывной прочности полиэфирных мастик от содержания алкамона ОС-2 /, 2. 3 — внутренние напряжения соответственно при 25, 50 и 100 г кварцевой муки; 4— раз- рывная прочность при 30 г кварцевой муки" 仿5 / 犷" 仿5 / 犷Содержание 〃/16 ? %Содержание 〃/16 ? %Рис, 9. Зависимость прочности полимерной мастики ФАМ от вида и количества ПАВ/ — катапин Б-300： 2 —алкамон ОС-2;3 — катания БПВРис, 9. Зависимость прочности полимерной мастики ФАМ от вида и количества ПАВ/ — катапин Б-300： 2 —алкамон ОС-2;3 — катания БПВMEW - Ам ^§ ，а%КЕ0口 ин qEOOHhoduMEW - Ам ^§ ，а%КЕ0口 ин qEOOHhodu

Рис. 8. Зависимость внутренних напряжений и разрывной прочности полиэфирных мастик от содержания алкамона ОС-2 /, 2. 3 — внутренние напряжения соответственно при 25, 50 и 100 г кварцевой муки; 4— раз- рывная прочность при 30 г кварцевой муки

Рис. 8. Зависимость внутренних напряжений и разрывной прочности полиэфирных мастик от содержания алкамона ОС-2 /, 2. 3 — внутренние напряжения соответственно при 25, 50 и 100 г кварцевой муки; 4— раз- рывная прочность при 30 г кварцевой муки

" 仿5 / 犷

" 仿5 / 犷

Содержание 〃/16 ? %

Содержание 〃/16 ? %

Рис, 9. Зависимость прочности полимерной мастики ФАМ от вида и количества ПАВ

/ — катапин Б-300： 2 —алкамон ОС-2;

3 — катания БПВ

Рис, 9. Зависимость прочности полимерной мастики ФАМ от вида и количества ПАВ

/ — катапин Б-300： 2 —алкамон ОС-2;

3 — катания БПВ

MEW - Ам ^§ ，а%КЕ0口 ин qEOOHhodu

MEW - Ам ^§ ，а%КЕ0口 ин qEOOHhodu

Зависимость адгезии фурановых покрытий от содержанияграфита, %

Содержание графита, % 0 50 100

Адгезия, МПа 14—16 10,5—12 8—9

Таким образом, максимальное значение адгезионных связей и когезионной прочности полимера обусловливаются минимальным значением усадочных напряжений. Следовательно, одним из путей получения высокопрочных, надежных и долговечных полимерных композиций является изыскание возможных способов снижения временных и остаточных усадочных напряжений.

Эффективный и сравнительно простой способ снижения усадочных внутренних напряжений ——введение в состав полимерной композиции ПАВ. При этом оптимальное количество ПАВ не только существенно снижает внутренние усадочные напряжения, но и приводит к увеличению прочности (рис. 8).

Введение в состав полимерных композиций сравнительно небольших количеств катионактивных ПАВ снижает временные внутренние напряжения в 4—5 раз и повышает прочность при разрыве на 30—60% (табл. 12).

Данные табл. 12 показывают, что наиболее активным ПАВ для исследуемых мастик является катапин Б-300 и менее активным — катапин БПВ. Алкамон ОС-2 занимает промежуточное положение (рис. 9). Так как полимербетон представляет собой более сложную ком-

Таблица 12. Влииние вида и количества катйоноаятивных ПАВ на предел прочности при разрыве полимерных мастик

ПАВ

Количество ПАВ, %

Предел прочности мастнк, МПа, на основе

ФАМ

ПН-1

Каталин Б-300

11,8

23

0,25

14.3

27

0,5

,17

32

1

18,3

31

1.5

Каталин БПВ

10.4

22.9

0,25

11.2

0,5

11,3

28.3

1

13,8

26,5

1.5

7,4

21.5

Алкамон ОС-2

10

0,5

13.2

0:75

15,2

1

11.2

1,5

8

Примечание. Прочность на сжатие полимербетона ФАМ без добавки ПАВ составляет 82 МПа, с добавкой 1 % катапииа Б-300—110 МПа.

позицию, то его прочность на сжатие при введении оптимального количества Б-300 увеличивается менее значительно —на 25—30%.

Следует отметить, что при исследовании влияния ПАВ на усадочные внутренние напряжения не обращалось должного внимания на эти продукты с точки зрения их действия на пластифицирующие свойства, которые они оказывают на полимербетонную смесь в процессе ее приготовления. Работы, выполненные в последнее время, показали, что многие ПАВ являются хорошими суперпластификаторами и для полимербетон- пых смесей.

Экспериментальные исследования полимербетонов позволили установить общие закономерности развития суммарных усадочных напряжений, возникающих в процессе отверждения, определить их значения в зависимости от составов полимербетона и дать рекомендации по 54

снижению усадочных напряжений при сохранении или даже улучшении их физико-механических свойств.

Предложена общая расчетная формула для определения усадочных напряжений армированных полимербетонов Оу, Па:

_电(8)

」(1 -卩)(1十加)io?'

где gy ——усадка полимербетонов за время т, %; |3 — коэффициент пропорциональности, 1/ч, для полимербетонов на полиэфирных и фурановых смолах р —0,055;工——время отверждения, ч; £п.б — модуль упругости полимербетона за время т;屮1 ——коэффициент релаксации усадочных напряжений, 屮i = 0,4…0,6;卩——коэффициент Пуассона, ц = 0,24...0,32;

加=Еп.б5и.б/(Ест5ст) = (Сп.б/^ст) (1Л) Ю2 ,(9)

здесь Sn.6 и Sct—площадь сечения полимербетона и арматуры, см2; Ест ——модуль упругости стали, МПА; v ——коэффициент армирования конструкции, %.

Для пол и мер бетонов на полиэфирных смолах максимальная усадка составляет 3—4 мм/м, а для полимербетонов ФА/Vl—}——2 мм/'м. В этом случае для изделий н конструкций, у которых степень отверждения близка к максимально возможно自，усадочные напряжения с достаточной для практических целей точностью могут быть определены по формуле

&y.max Eng*[

°У = [(1 一卩)(1 +加)102]'('

4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

СТРУКТУРОО6РАЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СОСТАВОВ

Теория структурообразования полимербетонов

В результате комплексных фундаментальных исследований НИИЖБа и Института физической химии АН СССР разработана общая теория структурообразования полимербетонов на различных полимерных связующих [63, 73, 84, 109]. Сущность разработанной теории базируется на реально существующих закономерностях и заключается в том, что основные физико-химические взаимодействия полимерного связующего происходят на границе с поверхностью мелкодисперсного наполнителя, а

характер этого взаимодействия подчиняется правилу экстремальных значений, т, е. экстремальные значения получаемых свойств отвечают оптимальной полимероемкост и системы.

Таким образом, структурная модель полимербетона должна включать: микроструктуру клеящей мастики, мезоструктуру полимерраствора и макроструктуру системы в целом.

Экспериментально установлено, что клеящие мастики (полимер, мелкодисперсный наполнитель) с оптимальными свойствами могут быть получены при дисперсности наполнителей в пределах 3000—5000 см2/г. Оптимальная полимероемкость образуется практически при наиболее плотной упаковке наполнителей. При этом на границе раздела фаз образуются упорядоченные ориен!ирован- пые структуры полимера, состоящие из надмолекулярных образований глобулярного или фибриллярного типа, которые в зависимости от природы связей полимер —- наполнитель и надмолекулярной морфологии и определяют основные свойства микроструктуры клеящей мастики (см. рис. 3).

Исследования морфологии надмолекулярных образований микроструктуры полимербетонов на различных видах полимерного связующего и собственных внутренних напряжений выявили общую закономерность изменения характера надмолекулярных образований в зависимости от отношения полимер — наполнитель, химического состава мономера или олигомера и природы наполнителя. Одновременно разработаны и предложены способы направленного изменения морфологии надмолекулярных структур и соответствующих им усадочных напряжений путем модифицирования полимерного связующего или наполнителя поверхностно-активными веществами (ПАВ). При этом следует отметить, что большинство ПАВ являются не только модификаторами, регулирующими характер образования надмолекулярных структур и снижающих усадочные напрял;ения, но одновременно и хорошими пластификаторами.

Научно обоснованное проектирование состава полимербетона можно представить в виде ряда последова- TBjbiibix элатюв (рис. 10).

Теоретические основы подбора составов полимербетонов рассматривались исходя из условий достижения наибольшей плотности и наименьшего расхода синтети-

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ

ОНРЕДЕПЕНИЕ СВОЙСТВКОМПОНЕНТОВ СВЯЗУЮШЬГООНРЕДЕПЕНИЕ СВОЙСТВКОМПОНЕНТОВ СВЯЗУЮШЬГООПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ

ОНРЕДЕПЕНИЕ СВОЙСТВ

КОМПОНЕНТОВ СВЯЗУЮШЬГО

ОНРЕДЕПЕНИЕ СВОЙСТВ

КОМПОНЕНТОВ СВЯЗУЮШЬГО

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ

ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ

ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ СВОЙСТВ

СВЯЗУЮЩЕГО И ДИСПЕРСНЫХ' ПОДСИСТГМ

工工МИКРОСТРУКТУРАМИКРОСТРУКТУРАМЕЗОСТРУКТУРАМЕЗОСТРУКТУРАXУРАXУРА□□МАКРОСТРУКТУРАМАКРОСТРУКТУРА

工

工

МИКРОСТРУКТУРА

МИКРОСТРУКТУРА

МЕЗОСТРУКТУРА

МЕЗОСТРУКТУРА

X

УРА

X

УРА

□

□

МАКРОСТРУКТУРА

МАКРОСТРУКТУРА

УСТАНОВЛЕНИЕ ФУНКУ ИОН АЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИМЕЖду СВОЙСТВАМИ И СТРУКТУРОЙ С找СТЕМ侨

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ И ЕЕ MATEM/vГИЧЕСГОЕ ОПИСАНИЕ

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ pa,C4rFULiX ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

Рис, 10. принципРис, 10. принципполимербетоновполимербетоновнентиых систем типанентиых систем типапоследовательного определения оптимальных многокомпо-

Рис, 10. принцип

Рис, 10. принцип

полимербетонов

полимербетонов

нентиых систем типа

нентиых систем типа

ческого связующего при сохранении высоких показателей прочностных и других (Ьизико-механических свойств материала. При этом нами были сделаны следующие допущения. Так как удельная поверхность заполнителей по отношению к уделеной поверхности мелкодисперсной фракции наполнителей в большинстве случаев составляет 1—2%, то можно допустить, что первоначально образование структуры полимербетона происходит в две стадии. Вначале смешивается мелкодисперсная фракния наполнителя с ситетическсй смолой и образуется кле-

ящая мастика, которая, равномерно заполняя межзерновое пространство и обволакивая зерна более крупных заполнителей, склеивает их в прочную монолитную структуру.

Если прочность зерен заполнителя превышает прочность клеяихей мастики, кратковременная и длительная прочность полимербетона, деформативность и другие физико-механические свойства определяются адгезионными и когезионными связями этой мастики. В противном случае прочность полимербетона оценивается по прочности наиболее слабых зерен заполнителей.

В зависимости от морфологии надмолекулярных образований микроструктура обусловливает реологические характеристики полимербетонов. Свойства мезо- и макроструктуры определяются плотностью упаковки заполнителей и наличием тех или иных ее дефектов [105].

Предложенная структурная модель полимербетона позволяет изучать его основные физико-механические свойства и закономерности их изменения на более простых системах — мастиках, а затем, определив оптимальные параметры и характеристики, уточнить их для более сложных систем — полимерр а створов и полимербетонов. Кроме того, такой подход помогает более глубоко разобраться в сущности довольно сложных физико-химических взаимодействий, протекающих в процессе струк- турообразования.

Структура и свойства наполненных полимеров, в том числе и клеящих мастик как гетерогенных многокомпонентных систем, в общем виде определяются двумя факторами, Первый заложен в сам принцип получения наполненных материалов путем введения в мономеры или олигомеры наполнителей, различающихся по физической и химической структуре, размеру и форме частиц и содержанию их в системе. Второй ——результат тех изменений физических свойств и структуры полимерной матрицы, которые обусловлены взаимодействием на границе раздела полимер —твердое тело. Суммарное изменение свойств наполненной системы по сравнению с исходным полимером происходит в результате одновременного действия обоих факторов, поэтому оно не является аддитивной величиной. Однако во всех случаях важнейшее условие усиливающего действия наполнителей в наполненных системах — адгезия полимеров к поверхности наполнителя и, следовательно, природа связей на границе

раздела полимер — твердое тело [29]. Химическое или физическое взаимодействие полимера с поверхностью наполнителя определяет деформативность наполненного полимера, характер концентрации напряжений на поверхности частиц наполнителя н условия его разрушения.

Структура и свойства зависят и от межфазовых взаимодействий. Они определяются фазовым и физическим состоянием полимера, гибкостью его цепей и плотностью сшивки, и поэтому будут различны для линейных, аморфных, кристаллических и сетчатых полимеров. В то же время первичным фактором, влияющим на основные свойства, является адсорбционное взаимодействие полимера с поверхностью твердого тела, которое определяет адгезию, число возможных конформаций цепей в граничном слое и ограничения, накладываемые геометрией поверхности на конформационный набор полимерных цепей [85].

В результате адсорбционного взаимодействия вблизи частиц наполнителя образуется граничный слой с измененными свойствами. Толщина такого слоя колеблется в широких пределах в зависимости от природы полимера и поверхности наполнителя. По мере удаления от поверхности свойства граничного слоя изменяются немонотонно, и четкой границы между поверхностным слоем и полимером в объеме не наблюдается. Размывание этой границы проявляется в отсутствии резкого изменения физических свойств при постепенном переходе из одной зоны в другую.

Известно, что свойства полимеров определяются теми типами структурных единиц, которые участвуют в том или ином физическом процессе. Например, эффекты, связанные с подвижностью сегментов, проявляются в граничном слое в большей степени, чем эффекты, обусловленные взаимодействием с поверхностью надмолекулярных структур и их элементов. Поэтому влияние поверхности наполнителя может быть ил и близко, или даль- недействующим.

Исследования ИФХ АН СССР и НИИЖБа показали, что для лгшепных и сшитых аморфных полимеров в резул ьтате адсорбционного взаимодействия п конформационных ограничений, накладываемых поверхностью, изменяется молекулярная подвижность сегментов цепей ц боковых групп. Кроме того, меняется распределение

плотности полимера вблизи частицы наполнителя и на разном удалении от нее.

Свойства наполненного полимера существенно зависят и от технологических условий его получения, в том числе от температуры отверждения. Ограничение молекулярной подвижности замедляет протекание релаксационных процессов при формировании наполненных композиции и способствует образованию менее равновесной структуры. Некоторые изменения свойств граничных слоев могут быть объяснены этой неравномерностью. Однако есть основания полагать, что многие свойства наполненных полимеров являются равновесными в той мере, в какой можно говорить о равновесном состоянии аморфных полимеров. Это относится к микроструктуре полимер бетонного связующего, у которого степень наполнения соответствует оптимальной полимероемкости.

Влияние наполнителей на морфологию молекулярных образований аморфных, линейных или сетчатых полимеров значительно труднее проследить в связи со значительно меньшим разнообразием образующихся типов надмолекулярных структур по сравнению с наполненными кристаллическими полимерами. Исследования размеров глобул и характера их агрегации на различном удалении от поверхности показали, что распределение глобул по размерам и их агрегация значительно изменяются в зависимости от большинства перечисленных выше факторов. При этом влияние поверхности на надмолекулярные образования простирается на большие расстояния от поверхности, чем это предполагалось раньше, иногда эти расстояния достигают 150—200 мам [65].

Оценить свойства поверхности слоев, играющих существенную роль в комплексе физико-механических свойств наполненных полимерных композиции, можно в результате использования современных физических методов исследования. В настоящее время эксперименталь- но доступно изучение гак молекулярной, та:； и надмолекулярных структур.

По данным ИФХ АН СССР, наиболее полно влияние наполнителя на структуру полимерной композиции можно изучить путем диэлектрической релаксации, позволяющей определить молекулярную подвижность различных учасггюв цепей при разных температурах, т. е„ методом ядерного магнитного резонанса по величине и температурной зависимости второго момента или мето-

дом спинового эха по температурной зависимости времени спин решетчатой релаксации; методом молекулярного зонда, который позволяет оценивать изменение и распределение плотности полимера в наполненной системе.

Первые два метода дают информацию об изменении подвижности макромолекул под действием поверхности наполнителя и позволяют найти соответствующие значения энергии активации.

При исследовании набухания наполненных образцов в растворителе, в котором полимер только ограниченно набухает, в случае линейных полимеров можно судить о том, повышается ли при взаимодействии полимера с наполнителем плотность в результате образования дополнительных узлов физической сетки, или преобладает эффект разрыхления упаковки. Для наполненных сетчатых полимеров по данным набухания можно оценить изменение эффективной плотности полимерной сетки.

По мере усовершенствования методов исследования естественно будут уточняться и пересматриваться данные о возникновении дополнительных уровней гетерогенности в наполненных системах и морфологии надмолекулярных образований в граничных слоях, которые являются следствием межфазовых взаимодействий. Однако независимо от принятых методов исследований предложенная теория структурообразования позволила разработать научно-обоснованную методику подбора оптимальных составов полимербетонов.

Следует отметить, что поверхность наполнителя может катализировать или ингибировать процесс отверждения связующего, выступать в роли химосорбента или избирательного сорбента, ограничивать подвижность макромолекул гплимера и проявлять другие свойства. Все это приводит к изменению скорости отверждения олигомера в межфазном слое, смачиваемости наполнителя связующим, прочности адсорбционного слоя и формированию структуры, отличающейся от структуры полимера, находящегося вне сферы влияния наполнителя.

Исследования композиций на основе фурановой смо- лы ①АМ показали, что при введении различных наполнителей в течение первых 1545 мин плотность связующего уменьшается по сравнению с исходной, а затем в зависимости от поверхностной энергии наполнителя и природы адсорбционных связей устанавливается определенное равновесие. Плотность связующего в равновес-

Содержание графита^Содержание графита^尸 qEuoxfQEOOUU'L尸 qEuoxfQEOOUU'LanHa-nEods aoHHa£-ganHa-nEods aoHHa£-gРис. 11. Зависимость прочности (/) и теплостойкости (2) графи- топластов от содержания наполнителя

Содержание графита^

Содержание графита^

尸 qEuoxfQEOOUU'L

尸 qEuoxfQEOOUU'L

anHa-nEods aoHHa£-g

anHa-nEods aoHHa£-g

ном адсорбционном слое оказалась выше, чем в объеме. Разрыхление олигомерной фазы в начальный период контакта с наполнителем по всей вероятности связано с разрушением и перестройкой структуры полимерного связующего под действием энергетического взаимодействия макромолекул с поверхностью наполнителя [127].

По мере увеличения степени наполнения непрерывно возрастает роль поверхностных явлений на границе раздела фаз, так как все большая часть полимера переходит в межфазный поверхностный слой. Естественно, что упрочняющее действие имеет предел, отвечающий «предельной полимероемкости», когда все связующее или большая его часть переходит в структурированное состояние. Например, первоначальное снижение прочности графито- пластов на фенольных смолах (рис. 11) авторы [134] объясняют тем, что частицы наполнителя вызывают появление в связующем различных неоднородностей, повышение дефектности его структуры и возникновение опасных зародышей разрушения. Хотя упрочненные пленки уже появились, но еще не играют заметной роли. При более высоких концентрациях наполнителя все большая часть полимерного связующего взаимодействует с поверхностью и прочность композиции значительно возрастает.

В области закритических значений наполнения — выше предельной полимероемкости связующего не хватает для полного смачивания поверхности частиц напол- иителя, и п}эочность композиини вновь падает.

В [105, 108] показано, что процессы отверждения фурановых смол протекают через стадию образования надмолекулярных структур глобулярного типа диаметром 6?

(2—3) 10~ м с выделением некоторого количества воды. Вода же в объеме полимера способствует образованию большого количества дефектов. Поэтому отвержденная смола отличается повышенной хрупкостью и малой прочностью на разрыв, что свидетельствует о слабом межмолекулярном взаимодействии между крупными глобулярными элементами такой структуры.

Активные наполнители способствуют образованию в процессе отверждения упорядоченной надмолекулярной структуры из анизодиа метрических структурных элементов. Такая структура характеризуется более высокой прочностью, в 2—3 раза превышающей прочность на разрыв ненаполненной смолы (табл. 13).

Таблица 13. Зависимость адгезии и прочности на растяжение мастик ФАМ от концентрации наполнителя

Объемная концентрация наполнителя, %

Андезит

Графит

апгсзн% МПа

прочность на растяжение, МПа

адгезия, МПа

прочность на растяжение, МП,'а

0

2.8

5,3

2,8

5,3

20

3,2

9」

30

4,5

15,7

2,5

6,8

50

il 1,4

UL2

2*

11,4

70

一

L,8

9

Kojiti^eciTiBo наполнителй^/oKojiti^eciTiBo наполнителй^/oРис. 12. Изменение характеристик полимерных мастик в зависимости от содержания наполнителей/ — плотность; 2 ~ предел прочности при сжатии; 3 — предел прочности на растяжение при изгибе: 4 — пористостьРис. 12. Изменение характеристик полимерных мастик в зависимости от содержания наполнителей/ — плотность; 2 ~ предел прочности при сжатии; 3 — предел прочности на растяжение при изгибе: 4 — пористостьр! Mjр! Mjпредела степени на- средняя плотность, и изгибе. При этомпредела степени на- средняя плотность, и изгибе. При этомхарактеристик рас-характеристик рас-пористость и прочность при сжатии экспериментальные значения этих 一 ， пределяются в довольно узко" области (см. рис. 12).Следовательно, оптимальному содержанию в системе наполнителя соответствует определенная структура п комплекс оптимальных физико-механических сзойств, названный нами правилом экспериментальных значений [1 i7]. Из этого правила следует, что если у правильно подобранного cociaBa материала две-три определенные 'F'、К”с\т/【1С С ППГТЯТОЧНОИпористость и прочность при сжатии экспериментальные значения этих 一 ， пределяются в довольно узко" области (см. рис. 12).Следовательно, оптимальному содержанию в системе наполнителя соответствует определенная структура п комплекс оптимальных физико-механических сзойств, названный нами правилом экспериментальных значений [1 i7]. Из этого правила следует, что если у правильно подобранного cociaBa материала две-три определенные 'F'、К”с\т/【1С С ППГТЯТОЧНОИможно с достаточнойможно с достаточной

Kojiti^eciTiBo наполнителй^/o

Kojiti^eciTiBo наполнителй^/o

Рис. 12. Изменение характеристик полимерных мастик в зависимости от содержания наполнителей

/ — плотность; 2 ~ предел прочности при сжатии; 3 — предел прочности на растяжение при изгибе: 4 — пористость

Рис. 12. Изменение характеристик полимерных мастик в зависимости от содержания наполнителей

/ — плотность; 2 ~ предел прочности при сжатии; 3 — предел прочности на растяжение при изгибе: 4 — пористость

р! Mj

р! Mj

предела степени на- средняя плотность, и изгибе. При этом

предела степени на- средняя плотность, и изгибе. При этом

характеристик рас-

характеристик рас-

пористость и прочность при сжатии экспериментальные значения этих 一 ， пределяются в довольно узко" области (см. рис. 12).

Следовательно, оптимальному содержанию в системе наполнителя соответствует определенная структура п комплекс оптимальных физико-механических сзойств, названный нами правилом экспериментальных значений [1 i7]. Из этого правила следует, что если у правильно подобранного cociaBa материала две-три определенные 'F'、К”с\т/【1С С ППГТЯТОЧНОИ

пористость и прочность при сжатии экспериментальные значения этих 一 ， пределяются в довольно узко" области (см. рис. 12).

Следовательно, оптимальному содержанию в системе наполнителя соответствует определенная структура п комплекс оптимальных физико-механических сзойств, названный нами правилом экспериментальных значений [1 i7]. Из этого правила следует, что если у правильно подобранного cociaBa материала две-три определенные 'F'、К”с\т/【1С С ППГТЯТОЧНОИ

можно с достаточной

можно с достаточной

11262—68) и определяли предел прочности при разрыве. Результаты испы гании показали, что с увеличением количества наполнителя прочность на разрыв повышается, достигает своего максимума, а затем падает. Оптимальная то/жнна пленки связующего вокруг зерен наполнителя соответствует' максимальной прочности мастики (рис. 12). Аналогичная закономерность при определении прочности эпоксидных мастик в зависимости от удельной поверхности кварцевого наполнителя отмечена в [141]. Обобщенная зависимость прочности полимерией мастикл ог дисперсности наполнителя характеризовалась максимальным зн日неннем в интервале 2000—

3000 см2/г.

С увел;П1е]?ием до определениого иолнения экстремально изменяются

характеристика оптимальны, то уверенностью предполагать, что и ряд других характеристик будет иметь оптимальные значения.

Таким образом, можно сделать очень важные выводы: для каждого вида термореактивной синтетической смолы и минерального наполнителя существует строго определенная степень ианолпення, обеспечивающая максимальную прочность мастики; уменьшение или увеличение стелеял наполнения приводит к значительному

падению прочности системы； оптимальное количество наполнителя определяется не только природой синтетической смолы и наполнителя, но и дисперсностью последнего.

Зная закономерность изменения прочности в зависимости от степени наполнения, вязкость синтетической смолы и удельную поверхность наполнителя, можно вычислить математическую зависимость этих величин и дать расчетную формулу для определения минимально необходимого количества связующего при составлении рецептуры той или иной мастики.

Исходя из экспериментальных данных толщина пленки может быть рассчитана по формуле

6 == Vcb Пусл/(5н ^Н )>(11)

где 6——толщина пленки связующего, см; Vcb — объем связующего, см3; Sh ——удельная поверхность наполнителя, см3/г; /Пн — масса наполнителя, г; Пусл ——отношение фактической вязкости смолы ФАМ к вязкости этой же смолы, принятой за эталон (20 с по ВЗ-4).

После преобразования формула принимает более удобный для расчета вид:

6 = Шсв Т|усл/(*^уд ^Н рсв),(12)

где /Пен — масса связующего, г; рсв — плотность связующего, г/см3. Расчеты показывают, что для оптимальных составов полиэфирных, фурановых и других мастик приведенная толщина пленки связующего вокруг каждого зерна наполнителя составляет 1,5—2 мкм, а общая толщина пленки между зернами в монолитной композиции колеблется в пределах 3—4 мкм.

Тогда расход связующего для мастики определяют по формуле

Смает = (Sh ^н рсв 6/]усп) 1。—吗；(13)

где Смает——оптимальный расход связующего для мастики, кг; Sh ——удельная поверхность наполнителя (минеральной муки), см2/кг; тн ——масса наполнителя, кг; рсв ——плотность связующего, кг/дм3; б—толщина пленки связующего (6^0,00015 см).

Расчеты количества связующего по формуле (13) показывают, что в этом случае отношение связующее: наполнитель составляет 1:1,5—12 Мастики с таким ко- личеством наполнителей обладают максимальной прочностью и жесткостью.

Для известного гранулометрического состава сухой смеси заполнителей оптимальное количество связующего для полимербетона находят по формуле

&.6=[K Qi m{ + & 加 з + & 加 з + Snmn )рСвбт]усл]10-3, (14) где Gn.6 — оптимал.ыюе количество связующего для полимербетона принятого состава, кг; Si； S2； S3 и Sn — удельная поверхность заполнителей различных фракций (щебень крупный, щебень мелкий, песок), см2/кг； mi, ms» m3 и mn — масса заполнителей различных фракций, кг; ^ — коэффициент, учитывающий увеличение количества связующего, необходимого для раздвижки зерен заполнителя мастикой, ^= 1,05.

Для определения удельной поверхности мелкодисперсных наполнителей разработано большое количество различных приборов, методика определения достаточно подробно изложена Г. С. Ходаковым [143].

Удельную поверхность заполнителей с достаточной для практических целей точностью можно вычислить методом ситового анализа по формулам:

5уд.п = 0,06 [S 01 /рп) К[ +。2 02 /рп2) ^2 +。3(9з /pnj X

X Кз + 仪4 (% /Рм) ^4 + &5 05 /рп6) ^5 ]； (15)

Sya.m = 0,06 [«1(7i /p^ц1)^I + 〃2 @ /Рщ2) ^2 +。3 Q /Pm3) X

X Кз +。4 (% /PmJ К4 +。5 05 /PmJ K5 ], (16)

где 5уд.п и 5уд.щ ——удельная поверхность песка и щебня соответственно, см2/кг; а — пустотность заполнителей;夕储 q&, ^3, q^ — остаток заполнителя, г (при навеске 1 кг), на ситах с отверстиями соответственно 2,5; 1,2; 0,6; 0,3 и 0,15 мм для песка и на ситах с отверстиями соответственно 5, 10, 20, 30 и 40 мм для щебня; ipn и рщ — плотность песка и щебня, кг/дм3; ^l, ^2, ^з( К“ Кз — соответственно коэффициенты геометрической формы заполнителей.

Значения коэффициентов К н а могут быть приняты по таблицам, приведенным в [23].

Таким образом, зная удельную поверхность наполнителей и заполнителей, количество синтетического связующего для полимербетонов оптимального состава определяют по формуле (14). Однако она не позволяет установить в каждом конкретном случае размер зерен заполнителя и оптимальное соотношение между отдельными фракциями.

Существуют два принципиально различных способа подбора гранулометрического состава плотных смесей многокомпонентных систем: с прерывистой и непрерывной гранулометрией. Первый способ не нашел достаточного распространения при подборе составов цементных бетонов ввиду некоторой сложности определения прерывистости фракций и дополнительных расходов, связанных с рассевом щебня и песка. Кроме того, как показа-

ли исследования Б. Г. Скрамтаева, К. Г. Зеленова, В В. Кураева и других авторов, при использовании сме- сед с прерывистой гранулометрией не было получено преимуществ, оправдывающих эти дополнительные рас- ходн. Так как даже незначительное снижение расхода полимерного связующего, которое мо?кет дать сверхплотный подбор составов заполнителей, приводит к значительному снижению стоимости полимербетонов, то в этом случае экономически целесообразно пойти на подбор составов с использованием прерывистой гранулометрии.

Если рассмотреть наиболее плотную упаковку зерен заполнителей на геометрических моделях, состоящих из однородных шаров, то оказывается, что минимальным количество шаров в единице объема будет в том случае, когда центры их совпадают с узлами кубической решетки (рис. 13,а), и максимальнымпри ромбоэдрической укладке (рис. 13,6). Тогда коэффициент заполнителя объема при укладке шаров одинакового диаметра может быть определен по формуле

Кзап =矶6(1 — cosGj 1 + 2 cos 8]. (17)

Отсюда для кубической укладки шаров (0 = 90°) Кзап = 0,5236, а для ромбоэдрической (8 = 60°) Кзаи= = 0,740$. Следовательно, при изменении угла от 60 до 90° пустотность колеблется в пределах 0,4764—0,2595.

Если эти пустоты последовательно заполнять шарами соответствующего диаметра, то теоретически можно получить коэффициент заполнения, бесконечно близкий к единице.

Акад. Н. В. Белов считает, что при кубической укладке шаров одинакового диаметра образуются октаэдрические пустоты, а при ромбоэдрической ——тетраэдрические по типу геометрических фигур, образуемых шарами вокруг соответствующей едырки» (рис. 14). Для случая бесконечной укладки шаров можно рассчитать количество пустот каждого сорта, приходящихся в среднем на один шар.

Если при плотной упаковке пустоты заполнить соответствующими им по диаметру шарами, то нетрудно подсчитать, что тар, наиболее плотно заполняющий октаэдрическую пустоту, имеет диаметр, равный 0,414 диаметра основного шара, а диаметр шара для тетраэдрической пустоты составит 0,225 диаметра основного шара (рис. 15).

Для шаров одинакового диаметра наиболее вероят-

a)

б)

Рис. 13. Кубическая (а) и ромбоэдрическая (б) схемы плотной укладки шаров

Рис. 14. Размеры и геометрическая Форма пустот, образованных в результате кубической (а) и ромбоэдрической (б) укладкн шаров

Рис. 15. Схема заполнения пустот тарамн эквивалентного диаметра

ная н устойчивая форма укладки ——ромбоэдрическая. 14ная картина наблюдается при укладке шаров различного диаметра. Например, коэффициент заполнения произвольного объема гранулами полистирола случайного гранулометрического состава колеблется в пределах “58—0,62. Это говорит о том, что укладка гранул полистирола, которые являются почти идеальными шарами, более близка к кубической. Кроме того, как указывает акад. Н. В. Белов, значительная часть существующих в пр ироде минералов тоже имеет кубическую упаковку. Следовательно, с достаточным основанием можно предположить, что укладка зерен заполнителя также должна иметь кубическую упаковку. Тогда, если обозначить диаметры основных шаров через °i, а диаметр шаров, заполняющих соответствующие пустоты, через 5, °з и т. д, то для строго кубической упаковки и бесконечной укладки шаров имеется следующая математическая зависимость: 力1 :。2 ：。3= 1:1:2. При этом 4=0,41401 и Оз = 0,224£\.

При отклонениях размеров щебня от среднего размера максимальные диаметры последующих шаров не могут быть больше размеров пустот, образованных минимальными размерами основного шара. В этом случае ^2макс ~ 0,4 14£)1мин И Озмакс =0,225。“мн・

Если принять 。1 = 1, то объем, занимаемый тремя фракциями щебня, составит: Di +。2，+。3 = 0,5230+0037+ + 2(0,0057)-0,5714.

Видно, что третья фракция щебня увеличивает степень заполнения примерно на 1%. Поэтому для полимербетона с максимальной крупностью щебня до 30 мм можно рекомендовать одну фракцию щебня, а для полимер бетонов с крупностью щебня 35——50 мм ——две фракции. В этом случае одна фракция щебня D{ займет 52,3% объема, а две фракции 力 1+4=56% объема. Объем пустот составит: %=1—0,50= 0,48 и %=1-0,56 = 0,44.

Для получения плотного и достаточно пластичного в процессе укладки состава полимербетона необходимо, чтобы полимерная мастика заполнила все пустоты между зернами песка и щебня и раздвинула их на размер, равный средней крупности зерен наполнителя (муки); 1 ч. по массе полимерной мастики может заполнить пустоты песка, взятого в следующем количестве: 力

= 1 1/Рн + тСв/тн_ _ (0,375 + 0,4) _ .公 — ,3 0,4 + 0,5 ~ а®)

где Gn — расчетное количество песка, кг; 丫； — насыпная плотность песка, 丫 3 =1,3 ... 1,4 кц/л, рн — плотность наполнителя, кг/см3; гпн — масса связующего и наполнителя, кг; Vn--объем пустот в песке, Vn —0,4； л — коэффициент удобоукладываемости, а。0,5.

Таким образом, для получения плотного полимербетона с двумя фракциями щебня 1 ч по массе мастики и примерно 1,12 ч. по массе песка должны заполнить 44% пустот, образованных щебнем, т. е. 21% мастики и 23% песка.

При рассмотрении реальных систем неправильная геометрическая форма зерен заполнителей, их шероховатость, образование в процессе укладки сводов или сот значительно искажают картину и влияют на плотность упаковки. К этому необходимо добавить влияние краевого эффекта, так как в отличие от геометрической модели с бесконечной укладкой шаров реальные конструкции имеют вполне определенные размеры. В этом случае вокруг основных зерен заполнителя, граничащих с плоскостью опалубки или оснастки, группируется меньшее число зерен, эквивалентных соответствующим пустотам, или размеры этих пустот отличаются от размеров пустот в объеме изделия. Все эти отклонения практически не поддаются математической обработке. Поэтому закономерности, справедливые для идеальных систем, были приняты нами в качестве исходных. При подборе оптимальных составов полимербетонов все величины экспериментально уточнялись.

Для уточнения оптимального состава заполнителей но наибольшей нкотностн в сухом состоянии был использован достаточно простой и надежный способ, разработанный в Белорусском политехническом институте и несколько модернизированный в НИИЖБ.

Фракционированный подбор заполнителей производится в специальном приборе, предназначенном для этих целей. -

Прибор представляет собой съемный цилиндр 3, укрепленный на основании 6 (рис. 16) с внутренним диаметром цилиндра 160 и высотой 400 мм. В направляющей втулке 2, смонтированной на двух стойках 4, свободно перемещается шток / с наглухо укрепленным диском 5. Шток имеет метрическую шкалу с ценой деления 1 мм; 10 мм по штоку соответствуют 200 см3 цилиндра. Весь прибор струбцинами крепится к плите лабораторного виброетола. По разности между суммой объемов до 70

рис. 16. Схема циоиироваиного лей

прибора для Фрак- подбора заполните-прибора для Фрак- подбора заполните-смешивания и объемов, полученных после смешивания и виброуплотпепия, строится графим изменения плотности сухой смеси, который показывает, что максимальная плотность смеси получается при определенном соотношении крупной и мелкой фракции заполнителя. За постоянное значение принимают массу смеси двух ранее взятых фракций и к ней добавляют массу щебня следующей более мелкой фракции.

прибора для Фрак- подбора заполните-

прибора для Фрак- подбора заполните-

Таким образом, можно последовательно осуществить плотный подбор сухого состава заполнителей с любым количеством фракций. При этом необходимо иметь в виду, что на приборе с внутренним диаметром цилиндра 160 мм максимальный размер щебня не должен превышать 40 мм.

Как показали проведенные исследования, при получении составов с прерывистой гранулометрией основная трудоемкость падает на рассев мелкодисперсных фракций и определение их оптимального количества в смеси. При этом разница в размерах последующих и предыдущих зерен не выходит за пределы размеров стандартного набора сит, а эффект уплотнения по сравнению с эффектом уплотнения нерассеянных составов становится столь незначительным, что теряется смысл в таком фракционировании. Поэтому нами был принят способ подбора плотных составов полимербетонов с использованием «полупрерывистой гранулометрии》，который предусматривает фракционирование одного лишь щебня и выбор соответствующего модуля крупности песка. Тонкомолотые добавки имеют непрерывную грануломегрию, т. е.

они используются без рассева. Этим способом были подобраны плотные составы полимербетонов с расходом синтетической смолы от 7,5 до 8,5% (165—185 ь:г/м3) по массе наполнителей и заполнителей (табл. 14, 15) при ранее принятом расходе связующего от 220 до 240 кг/м3, а в некоторых случаях и до 320 кг/м3.

Проведенные исследования позволили разработать экспериментально-теоретичесрий метод подбора оптимальных составов полимербетонов, который имеет следующие особенности. Составы полимербетонов проектируют в три стадии: вначале экспериментально определяют оптимальный состав клеящей мастики, затем теоретически вычисляют размеры щебня для состава бетона с «полупрерывистой гранулометрией», количество фракций и их соотношение между собой, после этого состав заполнителей уточняется на приборе для подбора сухой смеси.

Структурная прочность полимербетонов

Принятая модель полимербетонов, представляющая собой сложную композицию, состоящую из микро-, мезо- и макроструктуры, является исходной предпосылкой при разработке общих положений и расчетных формул структурной прочности таких многокомпонентных систем. При

Таблица 14. Составы полимербетона ФАМ, подобранные с использованием способа полупрерывистой гранулометрии заполнителей, %

Составляющие

№ составов

теоретических

утсчнеииых на приборе для подбора сухой смесн

12

3

4 ，

Щебень фракции, мм:

30

52

52

52

52

20

15,75

18

10

И

6

2,75

3,75

7

9

Песок крупностью 0.5—2 MM

10

11; 25

9,5

12

Мука андезитовая

Н

12

Графит молотый

—

5,5

6

Фурфуролацетоновая смола

7

7,5

7,5

8,5

ФАМ

Бензолсульфокислота (БСК)

2

2

2

2

Таблица 15. Результаты испытаний полимербетонов иа сжатие

№ сост а- вов по табл. 14

Расход синтетической смолы, %

Число образцов

Среднее арифметическое значение прочности, МПа

Среднее квадратичное отклонение

Коэффициент вариации

Коэффициент однородности ^оди

этом клеящая мастика (полимерное связующее), являясь м и кроструктурой полимер бетонной композиции —— основной и важнейший компонент такой системы.

Исследуя физико-химические процессы структурооб- разования прямыми экспериментами было выявлено, что оптимальная микроструктура клеящей мастики зависит от многих свойств используемых мономеров или олигомеров, и, в первую очередь, от вязкости, клеящей способности и адгезии с минеральными наполнителями, дисперсности наполнителей, их вида и процентного содержания в системе.

Исходя из этих предпосылок в общем виде структурная прочность полимерного связующего непосредственно зависит от следующих факторов:

RcB = R@,4S,〃,ri), (19)

где Gu — отношение полимера к наполнителю; 4 — адгезия полимера к наполнителю; 5—дисперсность наполнителя; П — пористость клеящей мастики; п ——вязкость исходного мономера или олигомера.

Современное состояние соответствующих разделов математики позволяет с достаточно высокой точностью выразить приведенную поинципиальную зависимость структурной прочности полимерного связующего расчетными формулами. Однако использование таких формул даже при использовании ЭВМ оказывается практически невозможным из-за больших трудностей, которые связаны с необходимостью получения всех достаточно достоверных характеристик и соответствующих переходных коэффициентов.

+9,61,30,625+9,831,250,61+ Ю,41,450,565+ 9,71,320,604+9,61,30,625+9,831,250,61+ Ю,41,450,565+ 9,71,320,6044 6 3 86 8 2 38 8 8 84 6 3 86 8 2 38 8 8 85 5 5 55 5 5 55 5 57 7 7 85 5 57 7 7 812 312 3В то же время исходя из разработанной теории струк- турообразования полимериых композиций и предложенного автором метода подбора оптимальных составов

+9,6

1,3

0,625

+9,83

1,25

0,61

+ Ю,4

1,45

0,565

+ 9,7

1,32

0,604

+9,6

1,3

0,625

+9,83

1,25

0,61

+ Ю,4

1,45

0,565

+ 9,7

1,32

0,604

4 6 3 8

6 8 2 3

8 8 8 8

4 6 3 8

6 8 2 3

8 8 8 8

5 5 5 5

5 5 5 5

5 5 5

7 7 7 8

5 5 5

7 7 7 8

12 3

12 3

принцип подбора микроструктуры полимерного связующего основан на экспериментальном определении оптимального соотношения конкретных составляющих —— вполне определенного мономера или олигомера и cooi ■ ветствующего наполнителя. При таком подходе мы получаем реальную, максимально возможную для данной системы прочность Асв.

Получив реальную структурную прочность полимерного связующего и накопив достаточно большие и статистически обработанные данные по прочностным характеристикам полимербетонов сравнительно легко получить математическую зависимость, пригодную для расчета структурной прочности полимербетона:

Ан,6 = (Асв + К1 Азап) — (К2 Оц,6 + Rn ), (20) где Rcb ——прочность связующего; R^an — прочность заполнителя; (Тп.б一усадочные напряжения в полимербетоне; /?п.б ——потеря прочности в зависимости от пористости; К^ и ^2—коэффициенты.

В формуле (20) прочность заполнителя Азан, связующего Асв и внутренних напряжений 仃口修 получают экспериментальным путем, а потеря прочности в зависимости от пористости полимербетона Rn и коэффициенты К【 и ^2 определены статистической обработкой большого количества результатов испытаний различного вида полимербетонов.

Практическое использование формулы (20) для расчета структурной прочности полимербетонов показало сравнительно высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Определение оптимальных составов полимербетонов исходя из закономерностей физико-химического взаимодействия составляющих и наиболее плотной упаковки наполнителей и заполнителей позволило впервые получить наиболее экономичные плотные составы с минимально возможным расходом синтетического связующего, которые обладают высокой химической стойкостью. В то же время в зависимости от назначения и эксплуатационных условий требования, предъявляемые к физикомеханическим свойствам полимербетонов, весьма различны. Однако вышеизложенная методика не позволяет рассчитывать составы полимербетонов с заранее заданными прочностными и другими характеристиками. Так как полимербетоны представляют собой многокомпонентные системы и все составляющие взаимосвязанно в той или иной степени влияют на их конечную прочность, 74

Таблица 16. Средние составы полимербетона ФАМ (ФА)

Составляющие

га г

Содержание составляющих

состав / (на плотных заполнителях)

состав 2 (иа пористых заполнителях)

% по массе

кг/м3

% по массе

кг/м3

Гранитный щебень Пористый щебень Песок кварцевый*

20—40 10—20

10—20

5—10

0,15-5

50—51

3—3,5

23

1200-1220

72-84

550

21—22

15—16

31

380—400 270—290 360

Наполнитель

Фурфурол ацетоновая смола ФАМ

менее 0,15

12—12,5

8,0—8,5

288—300

190—205

18,5

11,5—12

335

208—215

(山A)

Бензолсульфокислота (БС/К) Пластификатор

1,5—1"

0,5一1

1 по .массе

1 смолы

36—41

1—2

2,3—2,4

0,5—1

по массе смолы

41—43

1,2

* Для состава 2 допускается применение песков из пористых материалов.

Таблица 17. Средине составы полимербетона ФАЭД

Составляющие

(Размер фракции, мм

Содержание составляющих

состав 3 (на плотных заполнителях)

состав 4 (на пористых заполнителях)

% по массе

кг/м3

% по массе

кг/м3

Гранитный щебень

20—40

49—50

1180-1200

10—20

1-2

24—48

—

—

Пористый щебень

10—20

20—21

360—380

5—10

—

14—15

250—270

Песок кварцевый*

0,15-5

18—19

430—460

30—31

540—560

Наполнитель

Менее

15,5—

370—400

18—19

325—340

0,15

16,5

Фураиоэпоксидиая смола ФАЭД-20

11,5-12

275—290

13—14

285—250

Полиэтиленполиамин (ПЭПА)

一

2,2—2,4

53-58

2,5—2,7

45—49

* Для состава 4 допускается прнмеиенне песков из пористых материалов.

Содержание

составляющих

состав 5 (на плотных

состав 6 (на пористых

Составляющие

фракции,

заполнителях)

заполнителях)

% по массе

кг/мз

% по массе

КГ /м3

Гранитный щебень

20—40

50—52

1200—

1250

—

—

10—12

4—4,5

96—108

Пористый щебень

10—20

—

22—23

400—415

Песок кварцевый*

5—10

—

—

15—16

270—290

0,15—5

23—24

530—570

30—31

540—560

Наполнитель

Менее 0—15

11 — 12

264—268

13—19

325—340

Полиэфирная смола ПН-3 нлн

—

8-8,5

192—204

11—12

200—217

ПН-63

Гидроперекись изо-

0,33—

8-8,5

0,45-0,5

8—9

пропнлбензола (ГП)

0,35

Нафтенат кобальта (НК)

0,66—0,7

16—18

0,9-1

16—18

Пластификатор

—

0,5-1

1—2

0,5-1

1—2

по массе

по массе

1

смолы

смолы

* Для состава 6 допускается применение песков нз материалов.

пористых

Таблица ,9- Средине составы полимербетонов на плотных заполни- телях и полиэфиракрилатных смолах

Составляющие

Размер фракций, мм

Содержание составляющих, % по массе

состав 7 (сМГФ-9)

состав 8 (с ТГМ-3)

Щебень гранитный

5-110

55

55

Песок кварцевый

0,5-2

,22

22•

Мука андезитовая

Менее

13

13

Полиэфиракрилатные

0/5

смолы:

MF69 тгм-з

Герметик У-30 м

一

&5—9,5

d,5一仇5

F идроперекнсь изопропилбензола (ГП)

Q,2

0!2

Нафтенат кобальта (НК)

Метнлвинилаэросил

т

0,4

OU

0.4

0.1

Таблица 20. Средние составы полимербетона КФ-Ж

Составляющие

Размер фракций, мм

Содержание составляющих

состав 9 (на плотных заполнителях)

состав 10 (иа пористых заполнителях)

% по массе

кг/м3

% по массе

КГ/м3

Гранитный щебень

20—40

10—20

49 —50

3—3,5

1170 —

1200 72—84

——

Пористый щебень

10—20

5—10

22—23

15-16

400—415 j 270—290』

Песок кварце-

0,15-5

22—23

530—560

27—28

485-505

вый*

Наполнитель

Менее 0,15

10-Н

240—265

17—18

305—325

Карбамидная смо-

8,5—9

205—216

11,5— 12,5 5-6

205—228

ла КФ-Ж

Фосфогипснлн

Менее

4—5

86—120

90—НО

гипс

Солянокислый

0,15

3—4

6,5—8,5

3—4

6,5—8,5

анилин СКА

по массе

по массе

смолы

смолы

* Для состава 10 попускается применение песков из пористых материалов.

Таблица 21. Средние составы полимербетона ММА

Содержание

составляющих

Составляющие

Размер фракций,

состав 11 (на плотных заполнителях)

состав /2 (на пористых заполнителях)

мм

% '

по массе

кг/м3

% по массе

кг/М» J

Гранитный щебень

20—40

46—47

1100— изо

—

Пористый щебень

10—20

10—20

5—10

3—4

70—95

22—23

15—16

^390—415 270—290

Песок кварцевый* Наполнитель

0,15—5 Менее 0,15

30—32 8—9

720—770

190—215

32—34

16—18

力 75—6i0 290-320

Метилметакрилат

7,5—8,5

190—205

10—10,5

190—205

ММА

Парафин нефтяной

—

0,5 по массе

1—1,1

0,5 по массе

0,9-1

мономера

мономера

— 口раЗиалсекие Tab儿 z/ iСодержание составляющих

广Размер состав // (на плот- состав 12 (ия пспи。

Составляющиефракций, ньгх заполнителях)тых запш!н詳^瑞

по массекг/мз口。^^кг/м3

Эмульсионный по-—丨С L

листирол"'4 35 10—12 0,5—0,55 9—10

Диметиланилин— П9понкасе

U,2—0,25 5-60,2—0,3 3,5—5,5

Паста из пере-— п а__п 7,. .„

кисн бензоила иU，D,7 14—17 0,6—0,8 11—14,5

дибутилфталата

Пластификатор—0,5-1%у 0,5-1% у

по массепо массе

(мономерамономера

扌駕署:;ва " Ласкается исЛОльЭОва„е песков из пори-

Таблица 22. Средние составы полимерсиликатных бетонов

Составляющие

Размер фракций, мм

Содержание составля ющих

состав 13

Jсостав /4

% по массе

кг/м3

по массе

кг/м3

Щебень кварцевый или гранит-

20-40

37,1

800

49

1200

ный

Песок кварцевый

0,15—5

28

600

23

570

Наполнитель

Менее 0,15

18

400

14,9

360

Жидкое стекло натриевое

14

300

11

280

(1,4—1,42)

Ь^ремнефтористый

2,3

50

1,7

натрий

42

Фуриловый спирт

0,5

ю

0,35

8,4

Каталин

—

—

0,03

0,84

Сульфанол гкж-ю

——

0,1

2

0,02

0,56

(ГКЖ-П)

—

—

78 и

Таблица 23. Физико-механические показатели полимербетонов ФАМ (ФА)

Состав / (на

Состав 2 (на

Показатель

плотных заполни-

пористых

гелях)

заполнителях)

Плотности, кг/м3

2200—2400

1500—1900

Кратковременная прочность, МПа:

при сжатии

70—90

30—60

» растяжении

5—8

3—5?5

Модуль упругости при сжатии,

〈20—32)103

(13—20)103

МПа

Коэффициент Пуассона

0.2—0я24

0,19—0,21

Удельная ударная вязкость,,

0,15—0,25

0Д-0,2

Дж/см2

Линейная усадка при отвержде-

W

Ю|, 1—0,15

НИИ, %

Водопоглощение за 24 ч, %

0„05-0„3

U» —U,4

Термостойкость по Мартенсу” ℃

120—440

120—4 40

Теплопроводность, Вт/(м-К)

Q,65—0,75

U,z5—u.,b

Морозостойкость, не ниже, циклы

300

300

Коэффициент термического рас-

12-ilO6

(11—13) 10е

шнрення,, 1/℃

Истираемость, r/см2'

0,018—0,21

0,025—0,35

Удельное электрическое сопротив-

леиие:

поверхностно^. Ом

3,7 ・'l()m

3,7 •,О。

объемное, Ом・см

3,8-Ю8

58108

Тангенс угла диэлектрических по-

0,05—0,616

0„02—0„0б

терь при 50 Гц и 65% относитель-

ной влажности

Показатель горючести

Q.,14

0,14

Таблица 24. Физико-механически ФАЭД

в показатели

полимербетонов

Состав 3(на

Состав 4 (на

Показатель

плотных заполнителях)

пористых заполнителях)

Плотность,, кг/м8

Кратковременная прочность, МПа:

2200—2400

1500—)1800

при сжатии

90—110

50—80

》растяжении

9—11

3—9

Модуль упругости при сжатия .МПа

(32-38)103

(12—18)103

Коэффициент Пуассона

0,26—0,28

0.24-0,26

Удельная ударная вязкость^ Дж/см2

0,35—0,45

0,.2-0Р3

Линейная усадка при отверждении, %

0; 05-0.08

0,06—0,1

В одопогл ощение за 24 ч„ %

aoi

0,2—iO.,5

Термостойкость по Мартенсу,, ℃

(120

120

Теплопроводность, Вт/(м-К)

0,65—0,75

0,25—0,5

продолжение табл 24

Показатель

Состав 3 (на плотных заполнителях)

Состав 4 (на пористых заполнителях)

Морозостойкость не ниже, циклы

500

300

Коэффициент термического расширения,

(10—14)10-6

(10—14)10-6

Истираемость,, г/см.2

0,005—0,01

0,01—0,02

Тангенс угла диэлектрических по-

0,04—0,05

0,03—0,05

терь при 50 Гц н 65% относительной влажности

Показатель горючести ^

1

1f

Таблица 25. Физико-механические

показатели полимербетонов ПН

Показатель

Состав 5 (на

1 Состав 6 (иа по-

плотных запол-

1 ристых заполни-

нителях)

1телях)、

Плотность, кг/м3

Кратковременная прочность. МПа:

2200-2400

1500—1800

при сжатии

80—100

50—80

》растяжении

7—9

2—8'

Модуль упругости при сжатии.

(28—36) 103

(12—18) Ю3

Коэффициент Пуассона

0.8—0.22；

Удельная ударная вязкость, Дж/ /см2

0.2—0.25

0,1-0.2,

Линейная усадка при отверждении. %

Водопоглощение за 24 ч,. %

Q.08—0,1

0.2—0.25

0,05—0.1

005—03

Термостойкость по Мартенсу. ℃

80

80

Теплопроводности. Вт/ (м-К)

0ч6-0,.7

0.25—0,5

Морозостойкость, не ниже, циклы

300

300

Коэффициент термического расширения. 1℃

(14—20) 10 т

(14—18)10-6

Истираемости, г/см2

0.015-й025

0.02—0.03¥

Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц и 65% относительной влажности.

Показатель горючести К: '

0.03—,0,06

0,01—0,04

на смоле ПН-1

>2.1

>2,1

》смоле ПН-63

0,47

Q471

Таблица 26., Физико-механические показатели полимербетонов на по- лнэфиракрилатных смолах

Показатель

Состав 7

(иа МГФ-9)

(на ТГМ-3)1

Плотность., кг/м3

Кратковременная прочность. МПа:

2100—2300

2100—Й300；

при сжатии

70-1100

80—110

» растяжении

7—9J

9—U1

Продолжение табл. 26

Показатель

Состав 7 (иа МГФ-9)

Состав 8 (иа ТГМ-3)

Модуль упругости при сжатии,

(14—15) 103

(19—20) If?

МПа

Коэффициент Пуассона

Удельная ударная вязкость, кДж/

0,22—0.24 8—21

6—18

/м2

Линейная усадка при отверждении, %1

Водопоглощен1ге за 24 ч,. % Термостойкость. ℃

Морозостойкость, не ниже, циклы Коэффициент термического расширения, 1/℃

Истираемость,, г/см2

0.09—0.12

0」1—0,15

0,05—0,12 105—1110 300

0,08—0,15 12128 300 14—116

0,007—0,018

0,006—0.015

Таблица 27. Физико-механические показатели полимербетонов КФ-Ж

Показатель

Состав 9(иа плотных заполнителях)

Состав 10 (на пористых заполнителях)

Плотность, кг/м3

Кратковременная прочность. МПа:

2200-2400

1500—1800

при сжатии

50—60

30—40

» растяжении

3-4

2,5—4

Модуль упругости при сжатии, МПа

(10—Л 4) 103

(9—10) 103

Коэффициент Пуассона

0,22-0.24

0.2—0.21

Удельная ударная вязкость, Дж/ /см2

0.15-0.25

0.1-0,2

Линейная усадка при отверждении, %

0.2—0.22

0.16-0,2

Водопоглощение за 24 ч, %

0.1—0,3

0.2—0.6

Термостойкость по Мартенсу. ℃

100-120

100-120

Теплопроводность, Вт/(м・К)

0.4-0,5

Морозостойкость не ниже, циклы

20n

200

Коэффициент термического рас- шнрения,, 1℃

(15—16) 10-6

(13—15) 10-«

Истираемость, г/см2

0.02—0,03

—

Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц и 65% относительной влажности

0,08—0f 1

0,06-0,1

Показатель горючести К

Q,2

0,2

Показатель

Сортов 11 (на плотных

Состав 12 (на пористых

заполнителях)

заполнителях)

Плотность^, кг/м3

Кратковременная прочность, МПа:

2200-^2400

1500—1800

при сжатие

70—,90

40—65

》растяжении

10—13

5—8

Модуль упругости при сжатии, МПа

(10Т5) 103

,(8-110) 103

Коэффициент Пуассона

0,21,28

0,25—0,27

Линейная усадка при отверждении,. %

0J5—&2

Q,2-0,25

Водопоглощение за 24 % %

Термостойкость по Мартенсу, ℃

0,01 60

0,05—0,2

Теплопроводности Вт/(м-К) Морозостойкость не ниже,, циклы

0,65-0/5 500

0,25т0,5 зоо

Коэффициент термического расширения, 1/℃

(12-16) 10-6

(12-Н18) 10-«

Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц и 65% относитель-

a04-0.05

0.02—0,04

ной влажности.

Показатель горючести

2」

2,1

Таблица 29. Фнзнко-механнческне бетонов

показатели подимерснлнкатных

Показатель

Состав 13

Состав 14

Плотность, кг/м3

210J2300

2300—2500

Кратковременная прочность, МПа:

при сжатии кубов

28「30

25—35

》》 призм

21—23

20-25

» растяжении1

2,5—3

3,5—4

Модуль упругости^ МПа

25000

25000

Коэффициент Пуассона

0$22

0,2

Уд.ельная ударная вязкостц, Дж/см2

(М6

0J5

Линейная усадка при отверждении, %|

0,15

0J5

Водопоглощение за 24 ч„ %

6

В

Термостойкость по Мартенсу, ℃

300—350

300—350

Теплопроводность,,, Вт/(м・К)

0.5

05

Морозостойкость, циклы

801

60

Коэффициент термического расши-

8・10-б

8-10-®

рения, 1/℃

определение и прогнозирование последней обычньши методами чрезвычайно сложно. Для таких систем измене- ние прочности в зависимости от состава необходимо рас- сматривать как взаимосвязанный многофакторный процесс.

В связи с этим при исследовании в подборе составов полимербетонов были использованы математические методы планирования экспериментов, применение которых обеспечивает возможность получения наиболее полной и достоверной информации об изученном процессе при значительном сокращении экспериментальных работ {41, 96]. Учитывая, что составы полимербетонов следует подбирать исходя из условий применения оптимального состава связующего, процентное содержание смолы и наполнителя принималось постоянным.

Результаты расчетов математический моделей на ЭВМ позволили установить рецептуры составов полимербетонов с использованием различных связующих и для различных условий эксплуатации. Эти составы полимербетонов, обладающие максимальной прочностью, практически совпадают с составами, полученными с учетом теории плотной упаковки наполнителей и заполнителей и минимально допустимого количества связующего [12, 15, 18, 22, 128].

Номограммы равного выхода позволяют прогнозировать прочность различных составов полимербетонов и проектировать составы с заданной прочностью.

В табл. 16—22 приведены усредненные составы полимербетонов, которые в настоящее время достаточно широко распространены в строительной практике, а в табл. 23——29 ——усредненные показатели физико-механических свойств этих бетонов.

Глава 5. ПОЛИМЕРБЕТОНЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Полимербетоны с высокими диэлектрическими характеристиками

Известно, что диэлектрические характеристики большинства полимерных материалов обусловлены их молекулярной и надмолекулярной структурой (табл. 30).

Таблица 30. Диэлектрические характеристики некоторых видов пп- лимерных материалов

Материал，

Диэлектрическая проницаемость Е

Тангенс угла диэлектрических потерь tg б

Удельное электрическое соцротнвление поверхностное, Ом

Удельное.- электрическое сопротивление объемное, Ом-см

Полистирол эмульсионный

2,6—3

0,001-Д.002

10J135

10М—135

Полистирол обычный

2,6

0,00045

1016 — 1018

Поливинилхлорид

3,5

0,03—Q,05

—

1014—[(Jie

Метилметакри-

3,2—3,6

0,02—&06

S

лат

Полиэтилен

2,2—2,3

0,0002-0,0004

1017

1017

Диэлектрики на основ启 полимеров в основном применяют в виде наполненных термопластов или паст и мастик на основе термореактивных олигомеров для изготовления сравнительно легких деталей и изделий. Максимальная степень наполнения таких композиций в большинстве случаев не превышает 40—50%.

Новое и весьма перспективное направление — создание специальных видов полимербетонов, отвечающих по диэлектрическим свойствам современным требованиям научно-технического прогресса. Использование в их составе соответствующих олигомеров, отвердителей и наполнителей1 с оптимально подобранным зерновым составом способствует получению полимербетонов с высокими физико-механическими, диэлектрическими свойствами и химической стойкостью. В этом случае полимеры наиболее эффективны, так как степень наполнения повышается до 85——90%, материал приобретает конструкционные свойства, из него можно изготовлять крупногабаритные изделия и конструкции.

Следует иметь в виду, что у полимербетонов высокая степень наполнения минеральными наполнителями и заполнителями существенно изменяет характер диэлектрических потерь. Как уже отмечалось, введение в систему минеральных наполнителей и заполнителей приводит к образованию характерных видов надмолекулярных структур полимерного связующего. В таких композициях появляются электрические потери, связанные с существующей неоднородностью полимербетонных смесей, и структурные потери — следствие некоторой поля-

ризации молекул связующего вблизи поверхности наполнителей и заполнителей. Поэтому одной из важнейших задач, связанных с подбором составов полимербетонов с высокими диэлектрическими параметрами, является изыскание путей, способствующих уменьшению влияния вышеперечисленных факторов на диэлектрические и физико-механические свойства таких высоконапол- ненных композиций-

Рациональное применение полимербетонов как эффективных диэлектриков связано не только с разработкой соответствующих составов и знанием их диэлектрических параметров, но и с необходимостью тщательного изучения закономерностей изменения их свойств в зависимости от технологии изготовления, режимов тепловой обработки и условий эксплуатации.

Известно, что у диэлектриков и полупроводников, помещенных в электрическое поле, происходит поляризация (смещение) заряженных частиц (атомов, молекул, ионов). Такое смещение у диэлектриков хотя и незначительно, но весьма важно для характеристик таких материалов. Поляризация создает дополнительное электрическое поле в материале, силовые линии которого направлены против линий внешнего электрического поля и ослабляют их. Кроме того, в результате трения частиц друг о друга поляризация сопровождается потерями энергии поля и вызывает дополнительные потери, приводящие к тому, что молекулы не успевают ориентироваться за внешним полем и поляризация отстает от него. Смещение орбит и угол поворота полярных молекул будет тем больше, чем больше напряженность электрического поля £. Количество смещений орбит и поворотов диполей в единицу времени будет непосредственно связано с частотой колебаний электрического поля f. Следовательно, основными параметрами электрического поля являются напряженность Е (кВ/см) и частота / (МГц). В то же время в одном и том же электрическом поле с определенной частотой у разных материалов будут разные потери, которые непосредственно зависят уже от свойств самого материала- Основные электрические параметры, определяющие свойства диэлектрического материала ——диэлектрическая проницаемость е, тангенс угла диэлектрических потерь tgb и электросопротивление R. Чем меньше в и tg6 и выше R, тем лучше диэлектрические характеристики данного материала. Таким образом, задача создания новых ви*

д.0 в диэлектриков сводится к получению таких материалов, у которых при сохранении высоких физико-механических характеристик диэлектрическая проницаемость е и tg6 будут иметь минимально возможные значения.

При разработке составов полимербетонов с высокими диэлектрическими параметрами в качестве полимерного связующего были опробованы карбамидные, фенолофор- мальдегидные, полиэфирные, фурановые, эпоксидные и другие смолы в сочетании с различными минеральными наполнителями (табл.31).

Материал

Диэл ектри- чсская проницаемость 8

Тангенс угла диэлектрических потерь

Электрическое сопротивление

R, Ом

Фурановая смола*

以5—3

0.05—0,06

2—ЗХ

Эпоксидная смола ЭД-16 Фураново-эпоксидная смола (40 : 60)

Щебень гранитный**

Песок кварцевый

Керамзит

Андезитовая мука

Фенольная смола

Полиэфирная смола ПН-1

3.5—6

2,157,3

0,,01—0,03 0,05—(01,06

ххю8—109)

10 J]” 5—6Х

L9T2 1,9-2,2 1,5—L“8 3.5-3.,8 4.. 5—5

2.8-6,2

0,04-0,05 0,025—0,03 0.03—<0,05

0,045—0,05 Q，015「0,03

0.011—0.035

Х(Ю8—1011)

ЮЛ” ЮН—]”

Таблица 31. Диэлектрические параметры полимерных минеральных наполнителей

связующих и

* После тепловой обработки олигомеров при f=80°C в течение 24 ч.

** Наполнители высушены до постоянной влажности.

Предварительные исследования этих полимербетонов показали, что на их диэлектрические параметры влияют не только вид полимерного связующего, выбранных наполнителей, процентного соотношения между ними, но и вид и количество отвердителя, способы приготовления, формования и отверждения полимербетонных смесей [50, 129].

Лучшие диэлектрические параметры оказались у легких полимербетонов на основе фурановой смолы ФАМ. и керамзитовом заполнителе. Недостаток этих полимербетонов—сравнительно низкая прочность и резкое ухудшение диэлектрических параметров после 30-суточной выдержки в воде (табл. 32),

-ПоИазател.ьПолимербетонлегкий ФАМтяжелый ФАМтяжелый ФАЭДПлотность, КГ/М3Предел прочности при ежа-1600—11800 25—302200—2300802200—2300120тин, МПаМодуль упругости1. Mila28-103 240,2-0,22З'0-Ю342Предельная растяжимостьКоэффициентпоперечных0,29деформации4Диэлектрическая проница-3,1емостьТангенс угла диэлектриче-0,0440,050x045скнх потерьТангенс угла диэлектрических потерь, после 30-суточ-Q0410(,26QQ5-ПоИазател.ьПолимербетонлегкий ФАМтяжелый ФАМтяжелый ФАЭДПлотность, КГ/М3Предел прочности при ежа-1600—11800 25—302200—2300802200—2300120тин, МПаМодуль упругости1. Mila28-103 240,2-0,22З'0-Ю342Предельная растяжимостьКоэффициентпоперечных0,29деформации4Диэлектрическая проница-3,1емостьТангенс угла диэлектриче-0,0440,050x045скнх потерьТангенс угла диэлектрических потерь, после 30-суточ-Q0410(,26QQ5у тяже-у тяже-ного выдерживания в воденого выдерживания в водеТаблица 32. Основные характеристики легких и тяжелых полимербе-Таблица 32. Основные характеристики легких и тяжелых полимербе-Хорошие характеристики оказались также _ лых полимербетонов на фурановой смоле ФАМ и фура- ново-эпоксидном компаунде ФАЭД. При весьма высоких прочностных показателях в сухом состоянии их диэлектрические параметры примерно одинаковы, а после 30- суточного водонасыщения полимербетоны на основе связующего ФАЭД практически не изменили диэлектрических характеристик, тогда как у полимербетонов на основе фуранового связующего значения tg6 увеличилось в 5 раз (см. табл. 32) [70, 79].

-

ПоИазател.ь

Полимербетон

легкий ФАМ

тяжелый ФАМ

тяжелый ФАЭД

Плотность, КГ/М3

Предел прочности при ежа-

1600—11800 25—30

2200—2300

80

2200—2300

120

тин, МПа

Модуль упругости1. Mila

28-103 24

0,2-0,22

З'0-Ю3

42

Предельная растяжимость

Коэффициентпоперечных

0,29

деформации

4

Диэлектрическая проница-

3,1

емость

Тангенс угла диэлектриче-

0,044

0,05

0x045

скнх потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь, после 30-суточ-

Q041

0(,26

QQ5

-

ПоИазател.ь

Полимербетон

легкий ФАМ

тяжелый ФАМ

тяжелый ФАЭД

Плотность, КГ/М3

Предел прочности при ежа-

1600—11800 25—30

2200—2300

80

2200—2300

120

тин, МПа

Модуль упругости1. Mila

28-103 24

0,2-0,22

З'0-Ю3

42

Предельная растяжимость

Коэффициентпоперечных

0,29

деформации

4

Диэлектрическая проница-

3,1

емость

Тангенс угла диэлектриче-

0,044

0,05

0x045

скнх потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь, после 30-суточ-

Q041

0(,26

QQ5

у тяже-

у тяже-

ного выдерживания в воде

ного выдерживания в воде

Таблица 32. Основные характеристики легких и тяжелых полимербе-

Таблица 32. Основные характеристики легких и тяжелых полимербе-

Исходя из характера изменения диэлектрических параметров этих трех видов полимербетонов в зависимости от длительности выдержки в воде можно сделать вывод, что легкие полимербетоны ФАМ могут эксплуатироваться только в сухих условиях или они должны быть надежно защищены водостойкими непроницаемыми для воды покрытиями. Тяжелые полимербетоны ФАМ менее чувствительны к действию воды, но при длительной эксплуатации во влажных условиях они также требуют надежных защитных покрытий. У полимербетонов ФАЭД максимальные прочностные характеристики и стабильные диэлектрические параметры и они не требуют защитных

покрытий.

Ухудшение свойств полимербетонов при увлажнении имеет обратимый характер. При удалении влаги диэлектрические параметры восстанавливаются [79].

Рис. 17、 Соединительные муфты электоиче- скик кабелей из полимербетонов ФАЭД. Общий вид и схемаРис. 17、 Соединительные муфты электоиче- скик кабелей из полимербетонов ФАЭД. Общий вид и схема/ — полимербетон； 2 — кабель; 3 н 4 — разделительные жилы; 5 — металлические гильзы; 6 н 7 — металлический кожух и гидроизоляция/ — полимербетон； 2 — кабель; 3 н 4 — разделительные жилы; 5 — металлические гильзы; 6 н 7 — металлический кожух и гидроизоляция

Рис. 17、 Соединительные муфты электоиче- скик кабелей из полимербетонов ФАЭД. Общий вид и схема

Рис. 17、 Соединительные муфты электоиче- скик кабелей из полимербетонов ФАЭД. Общий вид и схема

/ — полимербетон； 2 — кабель; 3 н 4 — разделительные жилы; 5 — металлические гильзы; 6 н 7 — металлический кожух и гидроизоляция

/ — полимербетон； 2 — кабель; 3 н 4 — разделительные жилы; 5 — металлические гильзы; 6 н 7 — металлический кожух и гидроизоляция

Разработанные составы полимербетонов с высокими- диэлектрическими параметрами отвечают современным требованиям, расширяют номенклатуру материалов, ио пользуемых в электро- и радиотехнической промышленности, они эффективны для изготовления различного вида изоляторов, кабельных муфт, распределительных щитов, траверс для опор электропередач и т. д. (рис- 17).

52 Электропроводящие52 Электропроводящиеполимербетоныполимербетоны

52 Электропроводящие

52 Электропроводящие

полимербетоны

полимербетоны

Ускорение научно-технического прогресса требует непрерывного расширения производства средств автоматики, вычислительной1 техники, радиоэлектронных приборов и оборудования, используемых в радиоастрономии, радиолокации, радиовещании, рентгеновских уста二 новках, промышленных установках электронно-лучевой сварк% ТВЧ 订 СВЧ и т. д. Резко возросла и продолжает расти насыщенность околоземного пространства излучениями радиотехнических, электронных и тому подобных установок. По литературным данным, число различных источников излучений удваивается, а излучаемые 88

мощности электромагнитной энергии увеличиваются в цесятки раз за каждое десятилетие [50, 74, 90]. Электромагнитные излучения в настоящее время вполне обоснованно относят к одному из видов загрязнения окружающей среды. Они оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека, так как при эксплуатации таких установок обслуживающий персонал подвергается длительному и систематическому воздействию электромагнитных и других излучений. Кроме того, они являются помехами一 при работе различных радиоэлектронных устройств. Таким образом, функционирование радиоэлектронных устройств без ухудшения качественных показателей становится все более сложным, а защита окружающей среды все более актуальной [74, 90].

К настоящему времени разработаны и освоены достаточно надежные средства защиты от неблагоприятного воздействия электромагнитных излучений на обслуживающий персонал н соответствующее оборудование. Однако вопрос об эффективной борьбе с излучениями такого рода остается весьма важным. Наиболее рациональные способы такой защиты ——инженерно-технические решения, непосредственно направленные на снижение интенсивности электромагнитных излучений до допустимого уровня. К этим мерам относятся экранирование и устройство защитных фильтров. Защитные фильтры уменьшают помехи, проникающие в устройства через питающие сети. Экранирование эффективно защищает электронную аппаратуру от внешних помех и одновременно является надежным способом борьбы с собственными излучениями в окружающую среду. Экранирование помещений с электронной аппаратурой осуществляется путем облицовки их стен специальными токопроводящими материалами.

Хорошими экранирующими свойствами обладают различные металлы, они обеспечивают надежное экранирование в широком диапазоне интенсивности электромагнитных полей. Однако использование металлических обшивок для экранирования помещений имеет определенные недостатки: сравнительно высокая стоимость, ограниченный срок службы, так как многие металлы подвержены коррозии, снижение комфортности помещений и т. д-

Поэтому во многих странах ведутся работы по замене металлических экранов другими электропроводящими материалами, в том числе и на основе полимеров. При

этом решение проблемы заключается в том, чтобы получить такие материалы, которые в наибольшей' степени должны соответствовать основной характеристике экрана ——степени ослабления энергии электромагнитного поля, проникающего за экран. Степень ослабления или эффективность акранмровани兄 представляет собой отношение напряженности поля электрической £\ или магнитной /Л составляющей в данной точке при отсутствии экрана к напряженности поля Е2 или 〃2 в той же точке при наличии экрана:

Э = Е\ /£2 или Н\ /Н2.

Эффективность зкраннрованн兄 непосредственно зависит от электропроводности используемого материала. Поэтому только такие неметаллические материалы, которые им-еют сопротивление не более Ro=lO Ом могут конкурировать с металлическими экранами. Создание электропроводящих материалов на основе полимеров является более сложной задачей по сравнению с разработкой диэлектриков на основе полимеров.

Однако сравнительная простота переработки и нанесения защитных покрытий способствовали тому вниманию, которое было уделено использованию полимеров для создания электропроводящих материалов типа эмалей, мастик, паст и клеев [51]. При разработке перечисленных электропроводящих материалов были опробова- иы многие выпускаемые промышленностью термопластичные и термореактивные мономеры, олигомеры и полимеры. Среди них наиболее полно были изучены электропроводящие материалы на основе каучуков и эпоксидных смол. Менее подробно изучены электропроводящие композиции на основе полиэфирных, фенолоформальде- гидных, фурановых и полиуретановых смол, поливинилацетата, поливинилхлорида, полистирола и других полимер ов.

Известно, что большинство полимеров ——хорошие диэлектрики, т. е. имеют очень высокое электрическое сопротивление в пределах от 108 до 1016. Поэтому при создании электропроводящих материалов на основе полимеров необходимо было преодолеть значительные трудности и, в первую очередь, подобрать наполнители, обладающие высокими электропроводящими свойствами. Естественно было предположить, что такими наполнителями окажутся порошки различных металлов ——серебра, меди, никеля, олова, алюминия, железа, ферромаг- 90

нитных сплавов и др. Однако исследования показали, что введение в полимерную композицию большинства из перечисленных металлических порошков не дало ожидаемого эффекта. Это объясняется тем, что на поверхности мелкодисперсных частиц сравнительно быстро образуются оксидные пленки, и сопротивление таких порошков резко возрастает. Очень хорошие результаты были получены при введении в полимерную композицию порошков серебра с частицами чешуйчатой формы или никеля, но порошки этих металлов чрезвычайно дороги и дефицитны, поэтому вряд ли такие составы найдут практическое применение. В дальнейшем в качестве наполнителей электропроводящих композиций были опробованы графитовая или коксовая мука, сажа, карбонизированные вискозные волокна типа углена и др.

Природа связующего также оказывает существенное влияние как на электрические, так и на физико-механи- чески'е и эксплуатационные свойства электропроводящих композиций1. Исследования показали, что на электрическое сопротивление полимерной композиции полимерное связующее оказывает непосредственное и доминирующее влияние только при сравнительно небольшой степени наполнения электропроводящими наполнителями, т. е. до тех пор, пока в системе не образуется электропроводящая структура. При дальнейшем наполнении фактором, определяющим электропроводность композиции, является не электрическое сопротивление связующего, а плотность упаковки наполнителя, способствующая максимально большему числу контактов его зерен, которые и определяют электропроводность композиции в целом.

Физико-механические свойства электропроводящих материалов зависят от способности полимерного связующего хорошо смачивать частицы выбранных электропроводящих наполнителей с образованием достаточно высоких адгезионных связей. В свою очередь, частицы наполнителей должны хорошо диспергироваться в выбранном полимерном связующем. При плохой совместимости связующего и наполнителя частиц последнего агрегатируются в смеси, что затрудняет образование сплошных электропроводящих структур и ухудшает физико-механические свойства конечного продукта.

Для улучшения совместимости с электропроводящими наполнителями и равномерного их распределения в смеси, в ряде случаев в состав вводят поверхностно-активные вещества, а для улучшения контактов между

зернами наполнителей ——растворители или разбавители полимерного связующего. Большое влияние на свойства электропроводящих материалов оказывает и технология их приготовления-

Несмотря на большое количество выполненных исследований, электропроводящие материалы на основе полимеров применяют в основном для изготовления нагревательных элементов, клеев, мастик и лакокрасочных покрытий при отводе статического электричества. В последнее время разработан весьма интересный электропроводящий материал на основе минеральной ваты и полиакриламида, наполненного сажей [90]. Основные характеристики этого материала приведены в табл. 33. Полученный материал имеет сопротивление Ro=lO Ом. Принцип действия экрана из такого материала аналогичен принципу действия металлического экрана. Затухание энергии электромагнитных волн обусловлено преимущественно ее отражением от пов'ерхности экрана и лишь незначительная часть энергии рассеивается в виде теплоты в самом экране.

Таблица 33. Основные свойства электропроводящего материала на основе минеральной ваты и полимерного связующего

Технология

изготовления

Показатель

пастовая

отливом

Плотность, кг/м3

450—500

450—550

Предел прочности при изгибе；. МПа

0,8-1,2

1.7—2.5

Затухание энергии электромагнитной волны при 3000 М「& ДБ/см

24—28

26—3。

Сопротивление. Ом

ю

10

Водопоглощение., %

2—3

2—3

Принципиально новое направление по созданию электропроводящих материалов на основе электропроводящих полимербетонов разрабатывается в НИИЖБе. Такие материалы имеют много преимуществ по сравнению с существующими- Электропроводящие полимербетоны сравнительно легко перерабатываются (формуются) в изделия и конструкции сложной формы/ Высокие прочностные характеристики обусловливают создание несущих и самонесущих конструкций'. Они обладают высокой коррозионной стойкостью и менее дефе- цитны по сравнению с цветными металлами, могут ис- 92

пользоваться в качестве экранирующих материалов не только от электромагнитных волн, но и различных излучений [129].

Для изготовления электропроводящих полимербетонов были применены те же смолы, которые использовались для получения диэлектриков. В качестве заполнителя применяли кокс и графит фракции 1——5 мм, а в качестве наполнителей ——графитовую муку с удельной поверхностью 3000 см2/г, сажу с удельной поверхностью 20 м2/「и металлический порошок с удельной поверхностью 2000——3000 см2/г. Перечисленные наполнители характеризуются следующими значениями удельного объемного сопротивления (Ом -см): металлический порошок 10-2—10-3； графит—10~2; сажа — 10—10-1; кокс — 10—10-1.

Предварительные исследования электропроводящих полимербетонов на основе различных олигомеров показали, что при использовании карбамидных смол можно получить сравнительно высокие электропроводящие характеристики (объемная удельная электропроводность 8——9 сименс-см). Однако предел прочности на сжатие таких полимербетонов довольно низкий и лежит в пределах 6——6,5 МПа.

Значительно лучшие результаты были получены у полимербетонов на основе фурановых, эпоксидных и фено- лоформальдегидных смол (табл. 34), из которых наиболее высокие показатели электропроводности имеют полимербетоны на основе фенолоформальдегидных, а минимальные —на основе фурановых смол. Полимербетоны на эпоксидных смолах занимают промежуточное положение.

Анализ выполненных исследований показывает, что потенциальные возможности таких полимербетонов далеко не исчерпаны. В ближайшие 2——3 года могут быть получены полимербетоны со значительно более высокими электропроводящими и прочностными характеристиками.

Радиационная стойкость полимербетонов

Способность материалов после радиационного облучения до определенного уровня (пороговой дозы) сохранять свои свойства называется радиационной стойкостью. Мерой радиационной стойкости является пороговая доза,

—_ _ ^олимербетон на связующемПоказательФАМЭД-20СФЖПлотность, кг/м3Предел прочности при сжатии. МПа1280 13—141113016 T 7'1350 8—9Электросопротивление об- 粤3111a куба с ребром 50 мм,2,0LJQ.65Объемная удельная электро-1017—18'25проводимость,, сименс|—_ _ ^олимербетон на связующемПоказательФАМЭД-20СФЖПлотность, кг/м3Предел прочности при сжатии. МПа1280 13—141113016 T 7'1350 8—9Электросопротивление об- 粤3111a куба с ребром 50 мм,2,0LJQ.65Объемная удельная электро-1017—18'25проводимость,, сименс|::黑嚣 34. Основные характеристики электропроводящих полимер-::黑嚣 34. Основные характеристики электропроводящих полимер-при которой происходитпри которой происходитсущественное изменение определенных свойств материала.

—_ _ ^олимербетон на связующем

Показатель

ФАМ

ЭД-20

СФЖ

Плотность, кг/м3

Предел прочности при сжатии. МПа

1280 13—14

11130

16 T 7

'1350 8—9

Электросопротивление об- 粤3111a куба с ребром 50 мм,

2,0

LJ

Q.65

Объемная удельная электро-

10

17—18

'25

проводимость,, сименс|

—_ _ ^олимербетон на связующем

Показатель

ФАМ

ЭД-20

СФЖ

Плотность, кг/м3

Предел прочности при сжатии. МПа

1280 13—14

11130

16 T 7

'1350 8—9

Электросопротивление об- 粤3111a куба с ребром 50 мм,

2,0

LJ

Q.65

Объемная удельная электро-

10

17—18

'25

проводимость,, сименс|

::黑嚣 34. Основные характеристики электропроводящих полимер-

::黑嚣 34. Основные характеристики электропроводящих полимер-

при которой происходит

при которой происходит

Известно, что в цементных бетонах количество воды не превышает 20—25% по массе цемента, или 3—4% по массе бетона. В то же время у полимербетонов содержание полимерного связующего может составлять от 8 до 12% обшей массы полимербетона. Расчеты показывают, что вода и полимерное связующее примерно эквивалентны по эффекту дозового фактора накопления частиц проникающих излучений- Это дает основание предполагать высокую эффективность полимербетонов как защитных материалов.

Так, мелкозернистый полимербетон плотностью 3230 кг/м3 на основе полиэфирной смолы ПН-1 и баритового песка фракции 5 мм, превосходит цементный бетон по защитным свойствам от ^-излучения в 1,5 раза [86].

Расчеты показывают, что содержание числа ядер водорода в 1 см3 у полимербетона в 1,5 раза больше, чем цементного бетона — 0,67-1022 и 43* 1022 соответственно.

Испытания на нейтронном генераторе НГ = 15 м полимербетонов на полиэфирных смолах и цементного бетона класса В45 на гранитном щебне (20% по массе цемента химически связанной воды) свидетельствовали, что для полимербетонов кратность ослабления дозы для нейтронов с различной энергией в среднем на 40% выше.，

В то же время в результате воздействия ионизирующего излучения на атомном и молекулярном уровне происходят (.ачественные изменения микроструктуры полимерного связующего. При этом эти воздействия могут приводить как к улучшению, так и ухудшению характе-

ристики материала. Известно, что при определенных уровнях у-облучения мономеров типа метилметакрилата радиоактивным Со60 происходит так называемая радиационная полимеризация. При такой полимеризации степень сшивки и соответственно прочностные характеристики полученного полимера значительно выше, чем при использовании термокаталитической полимеризации. Воздействие ионизирующего облучения на термопластичные полимеры при определенных дозах также приводит к увеличению их прочностных характеристик за счет дополнительной сшивки и появления в полимере поперечных связей-

Высокое содержание водорода и в термореактивных полимерах предопределяет их повышенную радиационную стойкость. Однако при больших дозах облучения и у этих материалов происходят существенные структурные изменения.

В Гидропроекте и МИСИ были выполнены исследования радиационной стойкости полимербетонов на основе фурановых и эпоксидных смол [151]. Испытания проводились на гамма-установках, ускорителях протонов и линейном ускорителе электронов. В гамма-установках источником излучений являлся радиоактивный Со60, мощность дозы составляла от 1 до 555 рад/с, температура облучения 20——30℃ поддерживалась специальной системой охлаждения. Радиационные нагрузки на образцы при облучении определились с помощью дозиметрических систем полного поглощения излучения.

Радиационную стойкость оценивали по изменению упругопрочностных свойств образцов после их облучения при различных дозах. В качестве образцов использовали призмы размером 40X40X160 мм, которые испытывались на сжатие с определением призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

В результате исследований было установлено, что при облучении полимеррастворов ФАМ дозой до 5-109 рад прочность не изменяется, а модуль упругости возрастает примерно на 50%. У полимеррастворов на эпоксидной смоле при дозах облучения до 109 рад прочность снижается на 38%, а при 5- 10э на 76%, модуль упругости при этом увеличивается в 2 раза-

Увеличение модуля упругости и повышение хрупкости у полимеррастворов ФАМ связано с дополнительной сшивкой полимера. Более высокое увеличение модуля упругости и снижение прочности у полимеррастворов на

- 95

эпоксидном связующем объясняется более интенсивной сшивкой полимера и одновременным началом его деструкции.

Характер изменения прочности и модуля упругости при облучении полимербетонов аналогичен, однако при этом прочностные и деформационные свойства более стабильны, так как увеличение степени наполнения крупными фракциями заполнителей способствует повышению радиационной стойкости.

Результаты исследований позволили установить порог радиационных повреждений, которые для полимербето- нов на основе ФАМ находятся в пределах (2—3,5) 108рад и для полимербетонов на основе ЭД-20—(1——2) 108рад [151]. При использовании в составах полимербетонов тяжелых, в особенности барийсодержащих заполнителей и металлических включений их радиационная стойкость может быть существенно повышена.

Глава 6. ПОЛИМЕРСЕРНЫЕ БЕТОНЫ

Предпосылки применения серы в строительстве

Использование серы в строительстве в виде серных мастик и растворов было известно еще в XIX в. В 1859 г. А. X. Райт получил патент на применение серных растворов для заливки фундаментных болтов [103]- Серные мастики и растворы использовались в прошлом веке и в России для заливки швов каменных кладок и особенно эффективно ——для заделки металлических стоек перил лестничных маршей и металлических связей каменных конструкций взамен расплавленного свинца.

В дальнейшем, с развитием антикоррозионной службы, серные мастики и растворы, получившие название серных цементов, применяли для заливки швов при футеровке различных емкостей, аппаратов и строительных конструкций штучными кислотоупорными материалами, эксплуатируемых в условиях агрессивного воздействия.

В настоящее время при приготовлении серного цемента применяют товарные сорта серы (ГОСТ 127—76). В качестве наполнителей используют кислотоупорный цемент андезитовую муку, кварцевый песок и другие кислотоупорные минеральные наполнители. Диабазовая мука для приготовления серных цементов непригодна. Пла-

стификаторами служат тиокол-резенит, термопрен или нафталин [54] (табл. 35).

КомпонентСоставIIIHIКомпонентСоставIIIHI6767311—L2311—L2Таблица 35. Усредненные составы серных цементовТаблица 35. Усредненные составы серных цементовальные наполнителиальные наполнителиПластификаторыПластификаторы6036二6036二

Компонент

Состав

I

II

HI

Компонент

Состав

I

II

HI

67

67

31

1—L2

31

1—L2

Таблица 35. Усредненные составы серных цементов

Таблица 35. Усредненные составы серных цементов

альные наполнители

альные наполнители

Пластификаторы

Пластификаторы

6036二

6036二

Предел прочности серных цементов при сжатии не ниже 30 МПа, при растяжении 2—2,5 МПа. Серные цементы стойки в большинстве кислот (за исключением плавиковой и азотной) и растворах минеральных солей, но не стойки в щелочах и некоторых органических растворителях.

Несмотря на сравнительно высокую эффективность серных цементов в производстве антикоррозионных работ, их общее потребление по сравнению с другими материалами было весьма незначительным, в то время как потребность в химически стойких футеровочных и конструкционных материалах непрерывно возрастала. Поэтому внимание многих исследователей было уделено дальнейшему изучению серы с целью расширить ее применение в различных областях строительства-

Необходимо добавить, что производство природной и вторичной серы непрерывно возрастает. В 1982 г. мировое производство серы составило 50,97 млн, т, в том числе в США — 10,76, Канаде — 6,25, Польше — 5,08, Советском Союзе —4,66 млн. т. В ряде стран (Канада, Польша) производство серы постепенно превышает ее потребление, что приводит к значительному снижению ее стоимости. К 1990 г. производство серы в нашей стране должно быть доведено до 10——11 млн. т, в то время как прогнозируемое потребление составит 10,2— 10,5 млн. т [98, 154]-

Перспектива увеличения производства и снижения стоимости связана не только с увеличением добычи природной серы, но и резким увеличением получения серы при очистке нефти, природного газа, топочных газов и других промышленных выбросов. Акад. М, П. Воронков

отмечает, что утилизация серы и серных продуктов является важнейшей и неотложной задачей современности как с экономической, экологической, так и энергетической точки зрения.

По данным ВНИПИсера (Львов), к 1990 г, ожидается избыток серы в количестве 680 тыс. т. что при расходе около 300 кг серы на 1 м3 бетона позволит изготовить около 2 млн- м3 серного бетона. Уже в настоящее время наметилась перспективность некоторых регионов страны, в которых накапливаются излишки серы. Это в первую очередь районы Норильска и Астрахани. На Норильском горнометаллургическом комбинате установлены две сероочистительные установки при переработке медио-никелевых руд, которые позволяют получать около 100 тыс. т серы, области примененм兄 которой до настоящего времени не полностью определены.

По окончании строительства Астраханского газоконденсатного завода (ГКЗ) предполагается получать около 2 млн. т попутной серы. Таким образом, и в этом районе появятся избытки серы. Значительные запасы серы (которые в настоящее время недостаточно полно используются) имеются на Камчатке. Следовательно, для отработки заводской1 технологии изготовления серных бетонов и определения наиболее рациональной номенклатуры конструкций и изделий уже в настоящее время возникла необходимость организации опытно-промышленных производств в этих регионах.

Определились два основных направления применения серы: смешивание серы с минеральными заполнителями и получение серных или полимерсерных бетонов по асфальтовой технологии и применение серы для пропитки порового пространства цементного бетона, асбестоцемента, древесины и других пористых строительных материалов.

Основные свойства серы

Сера ——химический элемент VI группы периодической системы элементов Менделеева с атомной массой 32,06 и плотностью 2,1 г/см3. Температура плавления 117— 119℃, кипения 445℃. Плохо проводит теплоту и элек-

трический ток, нерастворима в воде и большинстве неорганических кислот, хорошо растворяется в безводном аммиаке, сероуглероде, анилине и других органических растворителях.

Коэффициент объемного расширения и электрическое сопротивление серы существенно зависят от тем перату ры (табл. 36).

Таблица 36. Влияние температуры на коэффициент объемного расширения и электрическое сопротивление серы

Показатель

15*/20

100/110

121,1/130

151,7/300

Коэффициент объемного расширения (на ГС) Электрическое сопротивление. Ом

17，10一6

1,91-1017

35-Ю-6

7,39,а

426.10-6

2-101°

493.10-6

2,8-103

* До черты указана температура,, ℃„ для коэффициента объемного расширения, после черты ——для электрического сопротивления.

Теплопроводность тв'ердой и жидкой1 серы незначительна, поэтому для ее расплава и подогрева требуются значительные энергетические затраты в пределах 190 кДж/г на 1 кг твердой серы.

Известно, что молекулярная структура серы отличается очень большим разнообрази'ем полиморфных модификаций. В настоящее время выделено более тридцати аллотропов серы, большинство аллотропов недостаточно изучены, и пока еще отсутствует их единая классифика- ция-

Из большого разнообразия полиморфных аллотропов, содержащих от десятков до сотен тысяч атомов в молекуле, наиболее изучены около десяти, в том числе: S。 ——ромбическая, лимонно-желтого цвета плотностью 2,07 г/см3 и температурой плавления 112,8℃, устойчива при температуре ниже 95,5°С; 8^ — призматическая моноклинная, медно-желтого цвета, плотностью 1,96 г/см3 и температурой плавления 119,3℃, устойчива в интервале температур 95,6 — i 19}3℃; ——циклическая кольцевая и SM —полимерная (рис. 18), которые представляют наибольший интерес для строительной практики. В зависимости от температуры расплава вязкость серы изменяется в широких пределах (рис. 19).

9595120120160160180180220 °C220 °Cаа匚匸0 'gsaxpsgаа匚匸0 'gsaxpsgРнс. 18. Аллотропические изменения серы в зависимости от температуры

95

95

120

120

160

160

180

180

220 °C

220 °C

аа匚匸0 'gsaxpsg

аа匚匸0 'gsaxpsg

Рнс. 19. Изменение вязкости оас- плавлениой серы в интервале температур 122—400℃

Полученная из расплава твердая сера всегда содержит в определенных количествах смесь различных аллотропов, в том числе три основные фракции: кристаллическую часть, состоящую в основном из циклооктасеры, активных аллотропических разновидностей и полимерной серы. Соотношения этих фракций зависят от термической предыстории твердой серы (температуры расплава к моменту охлаждения) и режима отверждения [98]. Основы ые свойства серы приведены в табл. 37.

Полимерсерные бетоны

Серные бетоны обладают рядом положительных свойств, к которым, в первую очередь, относятся: быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания серобетонной смеси, высокая прочность, химическая стойкость к ряду агрессивных продуктов, низкое водопоглощение и соответственно высокая морозостойкость (табл. 38).

“点Основные свойства технической серы

Т аолиЦл'--—-

—-—

Цоказатель

Температура, ℃

20'

122

150

Плотность, г/см3

Прочность при сжатии, МПа

Твердость по1 шкале Мосса Вязкость,, MKMi

12.1 14

U—2

1,96Т“99

(П=2)Х XI0—5

1,6—1 ：81

(6,5 二7)义 Xio-5

Поверхностное натяжение,

—1

0.055

Н/м

Теплоемкость,, кДж/кг

0,7

1,47

184

Технология получения серных бетонов незначительно отличается от технологии асфальтовых бетонов, и производство таких бетонов, обладающих высокими прочностными характеристиками может быть налажено на существующих асфальтовых заводах, что подтверждено производственными испытаниями.

Таблица 38. Сравнительные характеристики серного и цементного бетонов

Показатель

Серный бетон

Цементный бетон

Прочность цри сжатии, МПа

62

34,5

То же, при изгибе Модуль упругости,. МПа

9*3 4,14-Ю4

.2,

Коэффициент линейного температурного

8,5-10 6

8,5 ■ 10 6

расширения, ℃

Плотность, кг/м3

2400

,2400

Расход связующего, кг/м3

297

3 /1

В райо-не Калгари (Канада) успешно эксплуатируются участки скоростной шоссейной дороги и отбойные ограждения, выполненные в виде армированных сборных элементов из серного бетона. После 6 лет эксплуатации ограждения имеют хороший внешний вид.

Разработан способ нанесения облицовок на стенки земляных ирригационных каналов путем торкретировав ния горячих серных растворов непосредственно на грунт. Покрытие наносится слоями толщиной 5——6 мм. В зависимости от вида и степени уплотнения грунта общая толщина защитного покрытия составляет от 20 до 40 мм. Для нанесения таких защитных облицовок служит специальное передвижное оборудование, приспособ- ленное для работы в полевых условиях. По сравнению с бетонными облицовками нанесение защитных покрытий путем торкретирования серных растворов уменьшает фильтрацию воды и значительно сокращает сроки строительства.

Вспененные серные композиции, имеющие при небольшой плотности сравнительно высокие физико-механические характеристики, применяют для теплоизоляции основания автомобильных дорог в зонах вечной мерзлоты.

Серные бетоны, по мнению канадских ученых, перспективны в условиях арктического климата для изготовления сборных и монолитных конструкций различного назначения, в том числе свай, водорезов, труб, опор и фундаментов, емкостей, покрытий для закрепления земельных откосов.

Серный бетон с полимерной добавкой «сульфуркрит» в настоящее время используется в Канаде для получения коррозионно-стойких строительных конструкций промышленного и гражданского назначения, в том числе как материал для защиты и ремонта покрытий цементного пола и изготовления новых коррозионно-стойких и непроницаемых покрытий полов толщиной от 8 до 20 см. Впервые такие полы из《сульфуркрита» были выполнены на ряде промышленных предприятий 6 лет назад в объеме около 1000 м2. Технология формования изделий из горячих смесей ссульфуркрита» позволяет производить формовку при отрицательных температурах до —40℃. Удачно применяют серный бетон и для пригру- зов нефте- и газопроводов при их прокладке через болота и реки. Пригрузы армированы стальной арматурой 102

диаметром 20 мм. Масса блоков таких пригрузов 5— 0 2 т. В настоящее время выпущено уже более 20 000 т различных изделий и конструкций из «сульфуркрита» [154].

Следует отметить еще одну особенность серного бето- на — повторное использование бракованных конструкций путем их дробления, вторичного расплава и формования. • Отходы серного производства используют в СССР для приготовления сероасфальтобетонных смесей, что позволило улучшить качество асфальтового бетона, уменьшить водопасыщение и набухание и увеличить коэффициент водоустойчивости.

На одном из асфальтовых заводов треста Облмеж- колхоздорстрой была изготовлена партия сборных несущих конструкций из серобетона. Кроме того, серный бетон был уложен на проезжей части одного из участков автомобильной дороги. Производственные испытания подтвердили возможность использования оборудования асфальтовых заводов для приготовления серных бетонов и конструкций на их основе.

Иоследования, выполненные в НИИЖБе и параллельно во Львовском политехническом институте (Е. В. Козловой) под руководство'м автора, показали, что в зависимости от степени наполнения расплавленной серы мелкодисперсными минеральными наполнителями предел прочности отвержденных образцов на сжатие изменяется в среднем от 18—20 МПа без наполнения до 50—60 МПа при 200——250% наполнении. Дальнейшее увеличение степени наполнения приводит к резкому снижению прочности (рис. 20). Ярко выраженный экстремальный характер изменения прочности в зависимости от степени наполнения в общем виде подтверждает аналогичные зависимости, полученные ранее для полимерных мастик, хотя механизм упрочнения у них различен. В случае получения серных мастик на поверхности минеральных наполнителей в процессе остывания серы формируются однородные кристаллы, размеры которых значительно меньше, чем в объеме свободной серы. При оптимальной степени наполнения практически вся сера переходит в более однородное и мелкокристаллическое состояние, что и обусловливает столь значительное повышение прочности.

Таким образом, была обнаружена весьма важная закономерность, которая позволяет использовать теорети- 103

Рис. 20. Зависимость нзмененн口 предела прочностн прн сжатия серных мастик от степени наполнения кварцевой мукой

/ — по данным НИИЖБа; 2 — по данным Львовского политехнического ннстнтута

ческие предпосылки и основные положения разработанной ранее теории структурообразованля полимербетонов для подбора оптимальных составов серных бетонов. Использование этой теории позволило существенно сократить расход серы и подобрать составы серных бетонов с высокой плотностью и пределом прочности на сжатие 50—60 МПа (табл. 39).

Таблица 39. Основные составы серных бетонов

Материал

Состав /

Состав 2

% по массе

кг/м3

% по массе

кг/м3

Сера.

12

288

15

360

Щебень

50

1200

50

1200

Песок

24

576

22

528

Минеральная мука

12

288

11

244

Модифицирующие добавки

2

48

2

48

Примечание. Состав

2 обладает более

высокой

подвиж-

ностью смеси серного бетона

в процессе формования.

Для изготовления химически стойких серных бетонов в качестве крупных заполнителей по аналогии с полимербетонами должны использоваться химически стойкие щебень и песок и мелкодисперсные наполнители —— кварцевая или андезитовая мука, зола-унос и др. Удельная поверхность наполнителей должна быть в пределах 2 500—3000 см2/г.

Известно, что под действием температурных перепадов, изменения солнечной радиации и других атмосфер-

пгчпействий структурное состояние серы может из- нь1Хат, гя за счет перехода ее молекул из одного алло- ме累:爲 состояния в другое. Такие изменения вызывают 嚅;енне опасных внутренних напряжении, которые мо- п привести к нарушению целости материала и сокра- :долговечности конструкций. Кроме того, сера яв- 黑ется хрупким материалом, а серные бетоны на ее ос- нове обладают более высокой хрупкостью по сравнению 「ттементными бетонами.

пля устранения перечисленных недостатков в серное вяжущее вводят различные пластифицирующие и структурирующие добавки. В настоящее время при изготовлении серных мастик, растворов и бетонов сера в чис- тем виде практически не применяется.

В качестве пластифицирующих и структурирующих добавок в большинстве случаев используют различные полимерные материалы (тиокол, термопрен, резиновую коошку атактический полипропилен, хлор-парафин и по) Поэтому при употреблении в качестве вяжущего серных бетонов серы, модифицированной полимерными добавками, такие бетоны следует называть полимерсерными бетонами. Полимерсерные бетоны могут быть получены и при использовании в качестве вяжущего полимерной серы, получаемой по специальной технологии (см. раздел 6.5).

Для снижения горючести серных бетонов и повышения огнестойкости конструкций из этих материалов в состав серного вяжущего вводят различные антипирены {полифторсодержащие фосфиты, пятихлористыи фосфор, хлор-парафин и др.).

Полученные результаты показывают, что по прочно^ стным характеристикам серные бетоны занимают промежуточное положение между цементными бетонами классов В25-В30 и высокопрочными полимербетонами. По химической и диэлектрическим характеристикам в сухом состоянии они не уступают большинству видов полимербетонов, а по стоимости значительно ниже наиболее дешевых из них.

Исследования сохранности стальной арматуры в течение 2 лет показали, что серный бетон надежно предохраняет арматуру от коррозии в условиях качественно изготовленного плотного бетона. Для повышения уаар- ной прочности, прочности при растяжении и изгибе в серный бетон можно вводить обычное стекловолокно, в

自

i§a& BH'II KHHB.LHII BIBJ ① CklB 0弓① IHIIOXBH’EdBXHAgи ojojg ①七。on s ^ss^ssra sxxo&^o-oe s xHUAdy B①工。KMN IqJoxodJ BH- KOIOIKMapdllpH mho wodojpn各g 且 pm ・HKM① jpjhu HWZHhoIH ①『HMHodos ①IqHhomxdJEm ^^эй^га^^фганооо fflOHBd 工IqHd ① ФJOIBgou OHqyoE ‘mpd xh s^s cOIdoIr?HBdlHqMgmuB hmh xbh 2BKJXWmp 夂 djmpdowpu MI noMPHd ① Jw xHIdoH.H 口 PMX。 вн ^й^к^оок qH ① g① m s xo①n HSOMOHX ① j 0М0-5ЙЮ xHd ①。dWHUOII 江НИХАайноу нHM ①口 m0 pI口onmHodn OJOHH ① Irrnzwodll KHJOMOHXOI BHPJOgBdmpd ① gMMH MZII口 p 匚 hi bBo8Pm cuon ，ОД5ШРФР OJOWrpxoAmqn OK^K^O PJMOOdn ①OHo —НН ^одл^йо^ьо XK』PM9O xlqHhHMmpd M BOHO』① g xlqHdoo KHHPnomqMOIKm qlooHBH』① iwdon JXHAmHd ① ixadex 0HBkim — BH Jlqllo h §X^M0530K OZHHOHVCmlqq

•logpd xlqHJHOWad XPBHn xlqHhHumpd S^K ① жхр』pH'nyAdsHOH xlqHJHMOHOW и он CXIqlldog。oxqlf。』① нHH ① MOJOJms& д^том^^ок -OK qj9 j ① ЖОHo』① 9qHd ①。0』h £HJ ①J0 一①4口① M хнжрн ①УОМ9 -зю^& -^sso^ -к^^о^- -S^MO -swo^-ю ①н 乙 н ①工 РВН1Ф 石 0H0.LD9 xHd ①mHKH'nxAdloHOX pdAIPMXH①w —OH kphE ① d① hood ①u p№口① duo P5q9 cwompdo whxpj

•sqwolroy 《PM&PHDOOdJy ① B —opm pmHMOdlx ① kg ① MJOPhAPH XHH ① жомАн 江odlodormox •no^^oioo BJ①dph XHH ①七OJOJ —mH -3 gxogxog w-od ① wmpdHyn xlqHdJodJ к no ogax xo^xo^od ①wmpd хомвд ХКНПОЮА xlqHdxJEII^ss^. ■OK HnpJPJquAm ① d- ZH ① вжсь.ЕВОs-^эю KHHPBO①ум

•KHWPX OJO huh① ① OH ，holf ① m KsraHo^^soffl ① JPJqFAm ① d м ошн ① mxdmpd KUI ① PJg ，аоинмохо① охр』XPHO』① g XZHJH ①工① П м мех KWEdn OJ

•И xlqmoloj EmlJahBX KUOUIHOM к нм 9AlTBUUBd Ksaraaosao^ SXJJBhA ——IIXL 工 IX •X знгоаен —XI 三 OJJOUgHm—XIннетопиофоаднт 工。IJBhA —XI00в 工 ，(孑工 x_qHdA.LEWUe н sao^ HJmoloJHOU 工。кегс 丨 III> Iwo。。当od工 WHHQahHJOUOH ，XOI KHHaumEUUA OJ。工。QhH.LBWO.LmB iquAuIIIA工ueniow KBWOBmadJogo 丨1> 二二 UOIE8。—IA 三月合工匚0^工，％^、——А -HJGWJ0HH0.L990dQJ енн9ко^ •Hull 工。JOPhA丨 IA0dolвхнфниои! KH1IB80UHS0H KHHQIfmoIQJHd=工 OIQBhA —Q 」qdo。OHHBtgFUUUBd -^^OHrabss—AIorMGOd——AI 二 qdQ。KmEUIIVd NO.LJBh， I AI 己①當 honqwGBmsu-Iog。— ziile9BdB9qHq0HHlA。一I II 三工【口尸工旺 ，BhA-I -^фчфьжг§-гах osxramous^orf-1 ^'^ s 6，II 八SFOIHHIfolleos_sffioas^ —II H-KHHemodHLO工。JJBhA— IIННВ8ОС1ННОННВС1Ф II -о--х^ч^^й —I -mo^ras_.-OHras k二匚Uohh UEIf工 j—I -HOSIHHUOUBuymo-LOJUOU NoluBhK—1

EH0-LQ9 OJQHaB。EK ^5^^ 工 KSX^R.«OHOU»S Bagtloau OUOS^^SUOR-OXMVP ВП9Х。BaHqIrBHUHHHau -^ QHd

g

X013VhX Гх

зюю^ьл X

>iO13VhX 衍

L-vzas^Mo.nvuxn

"川

m 乙 zlloV

У0丄gh人Л1 I

3Si3ty>iO13vhX м

xo丄3Vh人［

УО丄3Vh4欣

C=3 三:

I Wuxi 掌

'^ 31/MOlOVhX П7

S%P廿 IfOlOVhX 近

I.

乙力

MOlOVhX К

I市

Ннй барабан Ш-1. Температура заполнителей при вы- ходе из барабана должна быть 160°С±5.

Из сушильного барабана заполнители подают горя- ' чим элеватором VI-4 в дозировочный бункер VIJ. Одновременно сера со склада Ш-2 и наполнитель из склада 1-2 поступают в бункера-иако'пителн IV-1.

Приготовление полимер.серцого бетона осуществляют в горячем смесителе VI-3, в который подаются дозированные песок, щебень и минеральная мука.

Расплавленная сера с полимерными модифицирующими добавками подается в смеситель VI-3 через объемный дозатор V-4. Расплав серы получают в шлавителе V-1. Перекачку расплавленной серы производят специальными насосами V-3 типа «Раздол-3» или «Раздол-4».

В горячем смесителе VI-3 серобетонная смесь перемешивается при температуре 150±5°С в течение 2—3 мин и выгружается в нагретую металлическую опалубку IX-2, установленную на вибростоле IX-1, Виброформование серного бетона производится на типовом вибростоле с частотой колебаний 50 Гц и амплитудой 0,3——0,5 мм в течение 1,5—2 мин.

После виброформования изделие направляют на участок X, где производят распалубку и приемку ОТК. Распалубку можно производить после охлаждения изделий до 40—50℃.

Подготовка опалубки и арматурных каркасов производится на участке VIII и заключается в смазке внутренних стенок форм машинным маслом, установке (при необходимости) арматурных каркасов и закладных деталей и нагреве формы до температуры 140——150℃. Бракованные издел1ия направляются на участок переработки XI для повторного использования при приготовлении серного бетона.

Управление и контроль за технологическими параметрами осуществляются с пульта автоматического управления всего производства XII.

Бетоны, пропитанные серой

В последнее время как у нас в стране, так и за рубежом значительное взимание исследователей уделяется способу уплотнения порового пространства бетона путем его пропитки мономерами или олигомерами с последующей их полимеризацией в поровой структуре бетона. В 108

зультате пролит к и получают бетонополимеры с высо- ^нмн прочностными характеристиками, плотностью, мо- гзОСТойкостью и повышенной стойкостью к некоторым агрессивным средам '[26, 42, 55, 88, 89. 97* 101, 114, 115J, Одцако высокая стоимость мономеров, их дефицитность и сЛожная технология получения бстопополиме])ов сдерживают их практическое применение. Кроме того, мономеры и олйгомеры обладают рядом недостатков. Олигомеры имеют сравнительно высокую вязкость, а мономера повышенную токсичность и летучесть, что связано с возможностью образования взрывоопасных смесей. Поэтому разработка новых, более дешевых и недефицитных пропиточных композиций является важной и актуальной задачей.

Сера менее дефицитна и значительно дешевле мономеров, используемых для пропитки бетонов. Бетоны, пропитанные серой, по своим физико-механическим свойствам незначительно уступают бетонополимерам. Кроме того, с технологической точки зрения, процесс кристаллизации серы значительно проще и доступнее, чем полимеризация мономеров в поровое пространстве бетонов.

Первые эксперименты по пропитке бетонов расплавленной серой были проведены в начале 70-х годов в США и Канаде, а затем в СССР, Франции, Японии и других странах. В Канаде исследования ведутся канадским центром по технологии разработки полезных ископаемых и тр.иродных энергетических ресурсов (CANMET). Национальной комиссией по исследованиям и Канадским институтом по использованию серы (SUDIC), во Франции ——Научно-исследовательским центром промышленности бетонов (CERIB), в США — Юго-западным научно-исследовательским институтом и др.

Юго-западный научно-исследовательский институт в течение нескольких лет проводит натурные исследования бетонных канализационных труб диаметром 250 и 300 мм, пропитанных расплавленной серой, состав которой был улучшен специальными добавками для предотвращения воздействия бактерий около 2% дициклопеп- тадиена или 0,5% бактерицида типа пентахлорофенат.

В четырех городах штата Техас было уложено около 427 пропитанных труб. Первый участок был построен на коллекторе, отводящем сточные воды завода по производству аккумуляторных батарей, второй — на коллек-

Таблица 40. Зависимость прочности тяжелых пропитанных бетонов от количества поглощенной серы

Содержание воды в бетоне, % по трассе

Количество поглощенной серы, % по массе

Глубина пропитки*, мм

Прочность на изгиб, МПа

Прочность прн сжатии, МПа

Контрольные

*

21,5

6.3

5

8

29.6

1.4

7

,14

40

0

7.8

17

53.3

питке бетонов без применения вакуумирования или избыточного давления в процессе пропитки. По данным японских авторов, использование вакуумирования изделий и прошитки при повышенном давлении позволяет получать бетоны, пропитанные расплавом серн, с прочностью на сжатие до 177 МПа.

По сравнению с технологией пропитки мономерами или олигомерами пропитка расплавом серы имеет ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при назначении технологических параметров. При пропитке расплавом серы достигается более глубокая сушка исходного материала, так как оставшаяся в бетоне после сушки влага испаряется при пропитке в горячем расплаве серы.

После пролитки изделия извлекают из пропиточной камеры)и охлаждают до температуры окружающей среды. Процесс охлаждения сопровождается кристаллизацией расплава в поровом пространстве. Температура кри1сталлизации серы является физической константой и всегда происходит при охлаждении ниже 119℃. Этот процесс зависит от температуры, и вся сера, вошедшая в поровое пространство, прк охлаждении кристаллизуется. Потерь серы из изделия при охлаждении практически не пр о исходит. Процесс кристаллизации идет начиная с поверхности изделия, что также снижает потери серы. Бетоны, пропитанные серой, могут использоваться для изготовления дорожных и тротуарных плит, бордюрных камней, виноградных стоек, лотков, труб, тюбингов, секций опреснительных установок, элементов морских причалов, каркаса градирен, блоков се<пажпых башен и многих других конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и морозостойкости к агрессивным средам (рис. 26, 27).

бетонов,бетонов,рис. 23, Водопоглощение□ропитаииых серойУ — образцы, пропитанные серой； 2 — контрольные образцырис. 23, Водопоглощение□ропитаииых серойУ — образцы, пропитанные серой； 2 — контрольные образцыРис. 24. Зависимость привеса сеиы от времени пропитки/ — цементно-песчаный раствор; 2 — тяжелый бетонРис. 24. Зависимость привеса сеиы от времени пропитки/ — цементно-песчаный раствор; 2 — тяжелый бетонРис. 25. Изменение массы (а), прочности при сжатии (б) и прочности при изгибе (в) золобетона в зависимости от продолжительности пропитки

бетонов,

бетонов,

рис. 23, Водопоглощение

□ропитаииых серой

У — образцы, пропитанные серой； 2 — контрольные образцы

рис. 23, Водопоглощение

□ропитаииых серой

У — образцы, пропитанные серой； 2 — контрольные образцы

Рис. 24. Зависимость привеса сеиы от времени пропитки

/ — цементно-песчаный раствор; 2 — тяжелый бетон

Рис. 24. Зависимость привеса сеиы от времени пропитки

/ — цементно-песчаный раствор; 2 — тяжелый бетон

；—30% золы； 2 — 50% золы： 2 — 80% золы по массе цемента

Основные характеристикиОсновные характеристикиразличных видов бетонов, пропитанных серой, приведены в табл. 41, 42. Их данные подтверждают достаточно высокую эффективность при-

Основные характеристики

Основные характеристики

менения серы.

НИИЖБ совместно с ТашПИ разработали технологию пропитки расплавленной серой фундаментных башмаков и стоек для лотков оросительных систем, которые

I Таблица 41. Основные характеристики тяжрлыу “к

К) Рекн тяжелых и wmx бетон叫 пропитанных серой

Показатель

Тяжелые бетоны

Легкие бетоны

до пропитки

лоеле пропитки

до пропитки

после пропитки

Плотность, кг/м3

Предел прочности МПа: прп сжатии 丫 изгибе

也садусь упругости при сжатии,, 13 МПа

•Морозостойкость. ЦИКЛЫ

Водспоглощение (по массе),, %

Водовепрон1ицаемо'сть (класс)

Сульфатостойкость Кст

Таблица 42. Основные характеристики золобетон

2000—2400

20Tg

5i

2—2.5 200—300

6—*8 W2—W4 Нестоек

OB

2100—12500

60—.100 1476 3—4 1000

0,1 W10—WI2

0.9—Ю.95

1200^1700

>15—30

2—4

0.9-1,..6 100—200

6Т10 W2—W4 Нестоек

1300—d 800

40—70 6—10 17—2,4

8000

Менее 2 W8—W10 385—0,9

Показатель

—содержании золы, % 口。м^!^^""

—до пропитки

6。15n

/30

50

80

Плотность, кг/м3

Предел прочности при сжатии. МПа

Мсщ\ль упругости при сжатии ХЮ4 МПа

Морозостойкость, циклы Водопоглощение (по массе). % Водонепроницаемость (класс) Сульфатостойкость Кст

2300—2400 35—40 23Т4

50

4.5—5 W2—W3 Не стоек

2 300- 24010 20—25

2,3—24

50

5,5—6 H'2~W3 Не стоек

2250-2300 10—15 1,.4--L5

20

5,5—6 iy2—W3 ЬЬе стоек ,

24СЮ—250Ю 85—90

5,2—В,4

100 0,03—0.04 WI0—W12 0.85—Q9

2500—2550 250 J2550 75—8060—70

5,5―»65„6—5.8

750500

0.06—0.07&」5—0.2

W8—W10W6—W8

0.9—0,95 1 0.85—0.9

PH-26・ тротуарное ПЛНТЕ“ пропитанные cepos

PH-27- Сена 快 н£е 6аЕН 产 стенЕсмонтнровангнз блоков- пропнтаннЕх по^аэ 6bsнзготовленн нз золобетона с расходом 3Gmbi 5。步 по массе цемент После пропитки ОЛЕНХЕ^ конструкцнн 6blлн смонтирована w ^^s^s^3 сеть орошения* 06, cme^QBaHHe Показал。》ито после иетнрех лет эксплуата— ин огштнопэ участка лотков в зоне с внсокнм засоле， ннем Поив признаков коррознонвопэ разруЕеннн стоек н фуннаментннх башмаков не наблюдалось* Завнс0Moeть 1Vly6ИНпропитки и прочностных харак— тервстнк тротуарных плит нз тяжелого бетона от време， нн Прмвепень- в Та6=・ 43・

二 5

汽 образцаМассаДо с у 山 кн АГ1Масса после 24 ч сушки, KiВреди про нитки, часГлубина Пропитки, ммМассо- поглоще- ние серы, %1 (контрольный)3456728,528,8528,728,8527,42727,2 27,8 26,5 27,05 26,4511,4113,5171718,519—2,93,55,25,45,45,8汽 образцаМассаДо с у 山 кн АГ1Масса после 24 ч сушки, KiВреди про нитки, часГлубина Пропитки, ммМассо- поглоще- ние серы, %1 (контрольный)3456728,528,8528,728,8527,42727,2 27,8 26,5 27,05 26,4511,4113,5171718,519—2,93,55,25,45,45,84,74,77,67,57,67,5Прочность пРи изгибе, МПаПрочность пРи изгибе, МПаТаблица 43. Влияние времени на глубину пропитки и прочностные характеристики тротуарных плит размером 500X^00X^0 мм (по данным В. П. Мзнзнх [94J)Таблица 43. Влияние времени на глубину пропитки и прочностные характеристики тротуарных плит размером 500X^00X^0 мм (по данным В. П. Мзнзнх [94J)1010

汽 образца

Масса

До с у 山 кн АГ

1

Масса после 24 ч сушки, Ki

Вреди про нитки, час

Глубина Пропитки, мм

Массо- поглоще- ние серы, %

1 (контрольный)

3

4

5

6

7

28,5

28,85

28,7

28,85

27,4

27

27,2 27,8 26,5 27,05 26,45

11,41

13,5

17

17

18,5

19

—

2,9

3,5

5,2

5,4

5,4

5,8

汽 образца

Масса

До с у 山 кн АГ

1

Масса после 24 ч сушки, Ki

Вреди про нитки, час

Глубина Пропитки, мм

Массо- поглоще- ние серы, %

1 (контрольный)

3

4

5

6

7

28,5

28,85

28,7

28,85

27,4

27

27,2 27,8 26,5 27,05 26,45

11,41

13,5

17

17

18,5

19

—

2,9

3,5

5,2

5,4

5,4

5,8

4,7

4,7

7,6

7,5

7,6

7,5

Прочность пРи изгибе, МПа

Прочность пРи изгибе, МПа

Таблица 43. Влияние времени на глубину пропитки и прочностные характеристики тротуарных плит размером 500X^00X^0 мм (по данным В. П. Мзнзнх [94J)

Таблица 43. Влияние времени на глубину пропитки и прочностные характеристики тротуарных плит размером 500X^00X^0 мм (по данным В. П. Мзнзнх [94J)

10

10

внедрениявнедренияконструк~конструк~Экономическая эффективность…

внедрения

внедрения

конструк~

конструк~

ций из золобетонaf пропитанного серой, составляет около 39 руб/м3, а тротуарных плит, пропитанных серой,—— около 31 руб/м*.

В ИСМиС ГрузССР также выполнен значительный объем исследаваний и изготовлена опытно^промышлен- пая установка для пропитки расплавленной серой железобетонных виноградных стоек и решеток для животноводческих комплексов. Характерной особенностью разработанного технологического процесса является отсутствие сушки бетона как самостоятельной о>перации. Виноградные стойки или решетки естественной влажности загружают в емкость с расплавленной серой, имеющей температуру 175—180℃, и выдерживают при этой температуре около 1 ч. За это время, учитывая малое сечение этих изделий, происходит практически полное испарение свободной воды, после чего температуру серы снижают до 130℃, при которой осуществляется пропитка серой.

Результаты (испытаний показали, что при малых сечениях бетонных и деревянных изделий совмещение операций сушки и пролитки позволяет получить бетон с пределом прочности на сжатие до 70 МПа. Серийный выпуск виноградных стоек, пропитанных серой, организован (1984 г.) на двух заводах, уже выпущено более 500 тыс таких стоек.

g 5. Перспективы развития и применения серных бетонов с использованием полимерной серы

Выполненные исследования показали, что потенциальные возможности серы как материала для получении полимерсерных бетонов, бетоно>в, пропитанных серой, и других пористых материалов далеко fie исчерпаны.

Полимерная сера, молекулы которой образуют длинные спирали, содержащие 104——105 атомов серы и имеющие молекулярную массу от 18 до 73 тыс.? обладает рядом положительных свойств.

Физико-механические свойства полимерной серы значительно отличаются от обьгчной ромбической и призматической. Такая сера нерастворима в органических растворителях, имеет более высокие прочностные характеристики, лучшую адгезию к минеральным наполнителям и бетону при его пропитке. При твердении полимерсерных бетонов и в поровой структуре цементного бетона в такой сере практически не возникает внутренних напряжений.

По данным Анохина В. В., полимерная сера является аморфно-кристаллическим полимером и подобно каучуку ее можно вулканизировать мышьяком, фосфором и др. [3j.

При 122℃ сера полностью расплавляется и основная масса жидкой серы состоит из модификации S^ с вязкостью (11—12 Па-с. С повышением температуры до 145— 155℃ содержание S^ уменьшается, а 暂入 возрастает и вязкость уменьшается до (6,5——7) Па-с. При 155℃ происходит разрыв колец, и сера начинает перестраиваться в полимерные цепи модификации 5И. Повышение температуры до 190℃ приводит к полной перестройке в модификацию Sp. и резкому увеличению вязкости, которая при этом достигает (12—55) 10-7 мкм. Нагрев выше 210℃ приводит к уменьшению длины полимерных цепей и увеличению их подвижности и при 400℃ сера вновь становится жидкотекучей, имея вязкость около 16 Па-с (см. рис. 18).

Твердую полимерную серу можно получить, если расплавленную серу с температурой 190—200℃, при которой практически вся сера перешла в полимерное состоя- ние, резко охладить. Однако полимерная сера ——термодинамически неустойчивый материал, при нормальной температуре она постепенно переходит в обычную ром-

бическую серу. Таким образом, переход из мономерного в полимерное состояние в сере является фазовым, он носит флуктуационный, межфазный характер, как и в кристаллических полимерах. Процесс полимеризации серы протекает по радикальному механизму, доказательством чего служат парамагнитные свойства расплавов такой серы, свидетельствующие о большой концентрации неспаренных электронов [3].

Для стабилизации полимерной серы в твердом состоянии используют различные стабилизаторы структуры. Например, фирма «Стауффер Кэмикэл Компани》 (США) применяет для этих целей галогены, терпентин, сосновое масло, сосновый деготь и др.

Во ВНИПИсера сравнительно недавно разработан способ получения полимерной серы, который заключается в том, что расплавленную серу, содержащую 3—4% фо-сфора, нагревают до 190——200℃, а затем резко охлаждают в холодной воде. В полученном продукте содержится до 90% полимерной серы. По данным ВНИПИ- серы стабилизированная фосфором полимерная сера может использоваться в качестве высокоэффективного вяжущего полимерсерных бетонов, покрытий и заливочных композиций, а наполненная асбестом или стекловолокном как электроизоляционный и конструкционный материал.

Во Львовском филиале НИИСМИ совместно с НИИЖБом разработаны основы технологии получения бетонов, пропитанных полимерной серой, которая включает следующие операции: расплав серы» содержащий 3—4% по массе фосфора, нагревают до 150—155℃ и интенсивно перемешивают. Затем в расплав погружают высушенные до постоянной массы бетонные изделия, □осле пропитки в течение 3 ч излишек серы сливается из пропиточной камеры и температуру в камере поднимают до 190——200℃. При этой температуре изделия выдерживают в течение 1 ч, а затем охлаждают в проточной воде.

Результаты испытаний показали, что образцы, пропитанные стабилизированной полимерной серой, во всех случаях имели показатели прочности, истираемости и стойкости в толуоле выше, чем у образцов, пропитанных обычной серой. Эти интересные данные подтверждают необходимость ускоренного выполнения комплексных исследований и апытно-лромышленной проверки бетонов 118

на полимере叩ном вяжущем и цементных бетонов, пропитанных полимерной серой.

Использование полимерной серы позволит получить новые, весьма эффективные материалы, которые во мно- гих случаях не будут уступать полимербетонам и бето- нополимерам на основе синтетических смол и найдут достаточно широкое применение не только в строительной практике, «о и во многих других отраслях промышленности.

Глава 7. ПОЛИМЕРСИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ

Предпосылки применения жидкого стекла в строительстве

Водорастворимые силикаты натрия и калия использовались в виде клея еще в начале XX в. Однако в отечественной промышленности бетоны на основе жидкого стекла получили распространение только в 30-х годах после фундаментальных исследований, выполненных как в Советском Союзе, так и за рубежом [25, 119, 120, 131]. Например, фирма《Хехст》(ФРГ) разработала плотные, воао- и кислотостойкие мастики и замазки на основе щелочных силикатов и полимерных добавок. В некоторых случаях в качестве вяжущего применяют порошкообразные силикаты натрия и калия. Для растворения силикатов используют воду или водные растворы эфиров (бутирата, бензомата, поливинил ацетата и др.). Инициаторами твердения служат циамиды двухвалентных металлов——цинка, свинца и др. Некоторые виды таких мастик умеренно стойки в щелочах.

По данным [158], применение алкил-эфиров жирных кислот в качестве полимерной добавки позволяет получить полимерсиликатпые мастики, непроницаемые для различных кислот. Аналогичные мастики получены в США, Франции и других странах.

Известно, что бетоны на основе жидкого стекла, об- ладая рядом положительных свойств, имеют высокую пористость (до 18——20%), низкую прочность и недостаточную водостойкость. Поэтому они не могут быть использованы как кислотостойкие материалы для несущих конструкций.

Такими кислотоупорными материалами являются по-

лимерсиликатные бетоны на основе натриевого жидкого стекла и полимерных добавок [8, 11, 19, 21].

Полимерные материалы, применяемые для модификации кислотостойких бетонов на жидком стекле, могут ' быть разными как по природе, так и по механизму их воздействия на составляющие кислотостойкого бетона, в том числе: уплотняющие или диспергирующие (фурановые, фенольные и другие смолы), водосвязующие (соединения с группами NCO и др.), снижающие усадку (олигоэфиры), замедляющие твердение (сульфанол, кремнийорганические жидкости) и кольматирующие (канифоль, сера и др.).

Для получения комплексного эффекта модифицирующие добавки могут вводиться самостоятельно или в различном сочетании. В результате выполненных исследований удалось значительно улучшить физико-механические свойства и водостойкость кислотостойких бетонов. Практически непроницаемые для кислот полимерсиликатные бетоны используются в настоящее время для несущих ар мир ованных конструкций.

В последнее время ведутся существенно важные исследования, связанные с изменением механизма отверждения жидкостекольного вяжущего. Основой этих работ является то, что щелочь, находящаяся в системе, не нейтрализуется с образованием рыхлых продуктов, а вступает в химическую реакцию с термодинамически неустойчивым компонентом ——тетр а гидросиликатом. Твердение полимерсиликатного бетона по такому принципу обусловливает т ер м од ин а м ич &с кую устойчивость связующего, повышение прочности (в 2——3 раза), водо- и ще- лочестойкости бетона. При стехиометрическом соотношении жидкого стекла и активного наполнения бетон становится кислото-, водо- и щелоченепроницаемым.

Механизм уплотнения и составы полимерсиликатных бетонов

В работах [25, 131] достаточно подро6бо анализируется механизм уплотнения бетонов на основе жидкого стекла. При этом под уплотнением понимается способность силикатного материала после добавки полимера препятствовать проникновению через них растворов кислот, а механизм у плотней vis рассматривается исходя из современных представлений о твердении силикатных си- 120

стем на основе растворимых щелочных силикатов [21, 25/31].

Жвдкостекольные композиции, как известно, являются гетерогенными системами и до, и после отверждения, причем малоустойчивыми. Обладая большим запасом свободной поверхностной энергии, силикатные системы самопроизвольно отдают часть свободной энергии, совершая работу по сжатию системы. При этом уменьшается суммарная поверхность дисперсной фазы? и система переходит в более устойчивую форму. Как известно, наиболее устойчива система с выпавшим осадком дисперсной фазы. Процессу выпадания о-садка предшествует процесс образования геля и агрегации.

С энергетической точки зрения самопроизвольный процесс агрегации коллоидных систем выгоден, так как устанавливается равновесие за счет запаса энергии свободной поверхности. При этом система сжимается, выдавливая растворитель, являющийся носителем большого запаса поверхностной энергии. Процессы, связанные с обжатием и выдавливанием растворителя, приводят к образованию микро- и макродефектов в твердеющих силикатных системах. Отсюда разрыхленность и пористость структуры.

Для уменьшения количества дефектов в структуре искусственного силикатного камня необходимо по во?~ иожпости ограничить процесс синерезиса, гидрофобизи- ровать снстему, закрыть сквозные поры，и связать излишки воды. Введение фурановых, фенольных и других полимеров способствует диспергированию жидкого стекла, крупные структурные элементы размером (20—30) X Х10-7 мкм дробятся на более мелкие, не превышающие 3-10~7 мкм. Такая структура сохраняется и после отвер- ждения, причем эффект диспергирования проявляется не только в том, что исчезают крупные структурные элементы и сопутствующие им крупные поры, но и в существенном снижении внутренних напряжений в системе.

В полимерсиликатных системах процесс твердения качественно не отличается от процесса твердения силикатных систем без добавок полимеров: гель^ агрегация Дисперсной фазы-^ уплотнение геля с возможной перекристаллизацией SiOs. Однако количественная характеристика отдельных этапов процесса превращения силикагеля, очевидно, будет значительно изменяться, если в силикатную систему вводить фуриловый спирт или

巾ур巾уро』. Эти добавки практически не меняют скорости образования геля в по л им epic и л и к атн ой системе. Полимерные добавки, обволакивая частицы геля, препятствуют их сближению ——агрегации. Такое явление в коллоидной химии называют «защитным действием» гидрозолей.

Так как полимерная добавка препятствует сближению частиц геля, то сжатие системы, а следовательно, и выделение воды из геля ограничивается, и усадка ком- позиции значительно уменьшается. Обычно полимерная добавка вводится в количестве 3——5% по массе жидкого стекла, и этого количества не хватает на полное обволакивание частиц геля. Следовательно, процесс агрегации происходит, но не столь активно.

Обволакивание частиц крем-негеля полимерными добавками происходит сорбциошю, т. е. фуриловый спирт и фурфурол имеют концевые полярные группы ОН и СНО соответственно, которыми они ориентируются в сторону кремнегеля. Радикалы этих полимерных добавок, обладающие гидрофобными свойствами, ориентируются наружу. Такая ориентация полимерных добавок вызывает эффект гидрофобизации системы 必 увеличивает плотность композиции.

Важным свойством фур.илового спирта, фурфурола и других органических соединений с активными радикала- MiH является их способность отверждаться кислотами. Поэтому при действии растворов кислот добавки поли- меризуются, что приводит к дополнительному уплотнению системы.

Таким образом, механизм уплотнения полимерсили- кагных бетонов при введении фур.илового спирта или фурфурола можно рассматривать как результат нескольких процессов: диспергирования жидкого стекла, защитного действия кремнегеля от чрезмерного обжатия, гид- рофо|бизации и полимеризации (пол иконденс ации) добавок под воздействием раствзр&в кислот.

Описанный механизм уплотнения полимерсиликатов не раскрывает многих физико-х<имических процессов, происходящих на границе раздела фаз. Однако даже такое упрощенное объяснение позволяет ответить на вопрос, каким образом добавки в количестве 3—5% по массе жидкого стекла обесценивают практическую не- проницаемость полим ерсиликатных бетонов для растворов кислот. Максимальная проницаемость за длительное

время составляет 3——5 мм в зависимости от концентрации кислот. При этом чем выше концентрация кислоты, тем меньше глубина проницаемости.

Полимерсиликатные бетоны состоят из вяжущего, от- вердителя, полимерной добавки, наполнителя и заполнителя. В качестве вяжущего применяют водорастворимое натриевое или калиевое стекло плотностью 1,38—1,4, Отвердителем в большинстве случаев является технический кремнефтористый натрий.

Наполнителями и заполнителями служат природные или искусственные материалы с кислотостойкостью не ниже 90%, в частности диабазы, базальты, граниты, андезиты, кислые шлаки, аглопорит и др. Полимерсили- каты в зависимости от гранулометрического состава наполнителей и заполнителей могут быть приготовлены в виде мастик, растворов или бетонов.

В качестве полимерных добавок адогут быть использованы такие соединения, которые хорошо совмещаются с жидким стеклом и отверждаются кислотами ——по возможности малолетучими:

Усредненный состав полимерсиликатного бетона

Щебень крупностью 10—20 мм . . в % кг на 1 м3

Песок крунностью I—3 мм . . .44970

Мука андезитовая или диабазовая24525

круппостъю до 0,15 мм15,4240

Жидкое стекло плотйостью 1,4 кг/дц313,6300

Кремнефтористый натрий . . .2,555

Фуриловый спирт или фурфурол . 3——5 по мае- 11

се жидкого стекла

Составы полимерсиликатного бетона подбирают исходя из условий паимеиьшего расхода жидкого стекла, соблюдения хорошей удобоукладываемости и высокой плотности бетона. Учитывая повышенную вязкость жидкого стекла, для пр|Иготовления полимерсиликатных бетонов, как правило, применяют бетономешалки принудительного действия, Способы формования изделий и конструкций из полимерсиликатпых бетонов такие же, как и для обычных цементных бетонов.

Полимерсиликатные бетоны характеризуются значительно меньшей жизнеспособностью по сравнению с портландцементными бетонами. В среднем жизнеспособность их около 45 мин. Допустимое уменьшение количества кремнефтористого натрия приводит к увеличению 123

жизнеспособности не более чем на 10—15 мин. Начавший схватываться полимерсиликатный бетон не пригоден для изготовления 'из него изделий или конструкций.

Твердение поли мерс ил икатных бетонов при нормальной температуре продолжается 28——30 сут. Для ускорения твердения используют сухой прогрев при 70——100℃ в течение 8—10 ч.

Свойства полимерсиликатных бетонов

Свойства полимерсиликатных бетонов в значительной мере зависят от вида и количества составляющих, технологии приготовления и режима твердения. При этом критериями оценки таких бетонов служат 'прочность, кис- лотостойкость и ки'слотонепроницаемо'стъ. Важными свойствами полимерсиликатных бетонов являются также их адгезия к различным материалам (цементному бетону, кислотоупорному кирпичу, каменному литью и т. д.)， жизнеспособность, усадка, температурные деформации и другие характеристики.

Полимерная добавка

Прочность на изгиб. МПа, при содержании 辽обавкн, % по массе жидкого стекла

0

3

5

фУРФУРол

26

31,5

27

28

Фуриловый спирт

26

24

25

25

составовсоставовСостав мастики, %Состав мастики, %Таблица 44. Прочность на изгиб полимерсиликатной мастики в зависимости от вида и количества полимерной добавкиТаблица 44. Прочность на изгиб полимерсиликатной мастики в зависимости от вида и количества полимерной добавкиВлияние полимерных добавок на прочностные характеристики первоначально определялось на мастичных составах (табл. 44). Результаты испытаний показали, что

составов

составов

Состав мастики, %

Состав мастики, %

Таблица 44. Прочность на изгиб полимерсиликатной мастики в зависимости от вида и количества полимерной добавки

Таблица 44. Прочность на изгиб полимерсиликатной мастики в зависимости от вида и количества полимерной добавки

прочность на сжатие и изгиб фурола вышепрочность на сжатие и изгиб фурола вышеМолотый маршаллит 53,7; жидкое стекло 40.2 Кремнефтористый нат- I рий 6,1I

прочность на сжатие и изгиб фурола выше

прочность на сжатие и изгиб фурола выше

с добавкой фур- прочвости аналогичных составов с добавками фурилового спирта. При этом более высокие прочностные характеристики мастик были получены для составов с 3% добавки фурфурола или фурилового спирта по массе жидкого стекла (табл, 45).

Влияние добавок на более сложную композиционную систему полимерсиликатных бетонов проявляется в мень- 124

шей степени, .и при введении 3% фурфурола прочность полим&рсиликатного бетона практически ‘не отличается от прочно'сти контрольных образцов без добаво*к, а добавки фурилового сп-ирта даже приводят к некоторому снижению прочности (см. табл. 45).

Таблица 45., Прочность на сжатие полимерсиликатного бетона в зависимости от количества и вида полимерной добавки

-—

Прочность на сжатие, MRa“ при содержании добавки, % по массе жидкого стекла

Полимерная добавка

0

3

5

7

10

фурфурол

Фуриловый спирт

36

36

36

31,5

27

25

27

27

29

18

Хорошие результаты были получены при введении в композиции на основе растворимых силикатов комплексных добавок, состоящих из фурилового спирта и полиэфирной смолы типа ПН-1. Под влиянием щелочи, содержащейся в силикате, происходит разложение полиэфиров, при этом нейтрализуются образующиеся из полиэфира малеиновая и фталевая кислоты [119, 120]. В результате реакци-и между щелочью и образовавшимися кислотами выделяется малеинат и фталат натрия, которые практически нерастворимы в воде. Следовательно, при введении в жидкостекольные системы полиэфирной смолы реакция образования геля не может быть обратимой, к тому же малеинат натрия в определенных условиях способен к полимеризации за счет наличия в нем ненасыщенных двойных связей. Учитывая, что пол.иэфир- ная смола ПН-1 плохо растворяется в жидком стекле, ее перед введением в вяжущее растворяли в фуриловом спирте или кубовых остатках фурилового спирта. При таком способе введения совместимость полиэфирной смолы с жидким стеклом была вполне удовлетвори- гельная.

Необходимо отметить, что кислота, образовавшаяся в процессе омыления полиэфира, не только нейтрализует щелочь, но и выполняет функцию катализатора при отверждении фурилового спирта. Дизтиленгликоль, образующийся в процессе омыления полиэфира, способствует стабилизации, диспергации и уплотнению полимерсили- катннх бетонов.

на основена основеВ результате исследований, выполненных в НИИЖБе совместно со Ср ед неази атски м научнО'Исследователь- ским институтом ирригации (САНИИРИ) разработаны составы пол им ер сил икатных бетонов с комплексной добавкой (состав 3, табл, 46), у которых не только проз Таблица 46. Составы мелкозернистых бетонов на основе жидкого стекла (ч. по массе)

на основе

на основе

響"嗎严к』。натриевое плотностью Кремнефтористый натпий

1 :

100

уов譬 остатки фурилового Полиэфирная смола^ПН-!

Кварцевый песок

спирта

^°тый кварцевый песок с нои поверхностью 2 000—25 00

удель- СМ2/г

350

225

350

225

Компонент

раство-раство-ностные характер'истики, но и стойкость в воде н * рах солей значительно выше по сравнению с образцами без добавок и добавками фурилового спирта (табл. 47). Таблица 47. Свойства полимерсиликатных бетонов

раство-

раство-

Прочность на сжатие,, МПа 丿 ° же, на изгиб36—40沙。？?' У"РУгост% МПа-102^эффициент стойкости 7<стпосле12-13 250!8° сут выдерживания：в водопроводной водев минерализованной 》0.60,45Прочность на сжатие,, МПа 丿 ° же, на изгиб36—40沙。？?' У"РУгост% МПа-102^эффициент стойкости 7<стпосле12-13 250!8° сут выдерживания：в водопроводной водев минерализованной 》0.60,450,74 0,760,74 0,76ПоказательПоказатель232345—50 16—19 28445—50 16—19 28442—48 14—16 26842—48 14—16 268Состав по табл. 46Состав по табл. 462 78 82 78 8

Прочность на сжатие,, МПа 丿 ° же, на изгиб

36—40

沙。？?' У"РУгост% МПа-102

^эффициент стойкости 7<ст

после

12-13 250

!8° сут выдерживания：

в водопроводной воде

в минерализованной 》

0.6

0,45

Прочность на сжатие,, МПа 丿 ° же, на изгиб

36—40

沙。？?' У"РУгост% МПа-102

^эффициент стойкости 7<ст

после

12-13 250

!8° сут выдерживания：

в водопроводной воде

в минерализованной 》

0.6

0,45

0,74 0,76

0,74 0,76

Показатель

Показатель

2

3

2

3

45—50 16—19 284

45—50 16—19 284

42—48 14—16 268

42—48 14—16 268

Состав по табл. 46

Состав по табл. 46

2 7

8 8

2 7

8 8

значительнойзначительнойВВАдгезионные свойства связующего

значительной

значительной

В

В

степени определяют не только прочностные характеристики композиционных, материалов, но и возможность их совместной работы с цементным бетоном или другими материалами.

В первую очередь проверялась адгезия полимерсиликатных бетонов к цементному бетону и полимербетону ча фурановых смолах. Для этого формовали полувосьмерки мз цементного бетона или полимербетона, после 126

твердения к н,мм приформовывали полувосьмерки из по- лимерсил'икатного бетона. Испытания на отрыв проводили через 7, 14 и 30 сут. Результаты испытаний показали, что адгезия полимерсиликатного бетона к цементному бетону в возрасте 14 сут достигает максимума и лежит в пределах 2,5—3 МПа.

Полимерсиликатный бетон практически не имеет адгезии к полимербетону на фурановых смолах. Образцы разрушались при подготовке их к испытанию. В то же время полимерсиликагные композиции имеют хорошую адгезию к кислотоупорному кирпичу, каменному литью, шлакоситаллам и т. п.

Химическая стойкость полимерсиликатных бетонов

Предпосылками, надежной работы конструкций из полимерсиликатных бетонов, особенно наливных сооружений, являются их плотность и химическая стойкость.

Испытания на водонепроницаемость показали, что образцы .из пол'имерсиликатного бетона выдерживают давление 0,6 МПа в течение 8 ч, в то время как силикатные бетоны без по-лимерных добавок оказались проницаемыми после 3——3,5 ч испытания при давлении в 0,1 МПа.

Водонепроницаемость полимерсиликатных бетонов при обычном давлении исследовалась по специально разработанной методике, основанной на измерении омического сопротивления слоя материала между проводниками, уложенными на различной глубине, и по мере проникания к ним жидкости.

Кр.ивые (изменения омического сопротивления полимерсиликатных бетонов подтверждают, что процесс пр。、 иицаемости в первом приближении можно принять за диффузионный. Образцы из поЛ|Имерсил41катного бетона толщиной 25 мм насыщались за 9 сут. Образцы из силикатного бетона без полимерных добавок три той же толщине оказались проницаемыми через 10 ч, что подтверждает наличие открытых пор в таком материале.

Кислото'поглощение пол1имерсил'икатных бетонов определялось методом погружения образцов в растворы соответствующих кислот с последующим периодическим взвешиванием. Испытания показали (рис. 28), что поглощение -имеет экспоненциальную закономерность. С уменьшением концентрации растворов кислот поглощение воз-

ez'o

GZ'O

比'0

I8'0

28'0 £8'0 £Z'O 烬'0

d8'0

【8'0

S8'0

8*0

/'0

SN'O

9N'O

69'0

38*0 〃'O ez'o

ZO'l

8*0

to11

69*0 ZZ'O 92'0 U*0 红'0 IZ'O 28*0

06

0£

06

09

0£

081

06

ЭИ1ВЖЭ

BIC /Ф %

Э101ГЭИМ

WOHioce goH-%01 a

axoiroHM

И0НВ1Г0Э 目而-%oi a

01

3

z'o

sifos a

axXHfoa eh

'винвичиэи виэбд

аинЕХниэру

% 'HHtlEdlHSllHOH Э101ГЭИМ WOHdOD я

июоньоби HOHqifBhBH я кинвяижс!э1Пчя airaou nuoHhodu эинэгпонхо

8- —OIAdMII氏фшовки xHmH』y?0HJ3HX0u ① H』①hB〉I a LBHHUHDd① wmuou qOWBB口 BITMO90 HA qiMmhAiM ohhbh '^^^ ①H9000o CHyB90 口 ①HmoJAdHIIHeluoBIlH ^ssrasH гувффб оннонвзо 口 qIBd9口 ou iq9 OWHmoxgo ① HAWEGOU .§XK^rao&s^^os& к ^зд§ноо^§^ онн ① 90 芯HlIXAds •HON HHHBmowdadu mo-OH 口Adi ① lqHHBFBBu-0 i ① BFmoQ oih •OIq3HM<B0^oc-^s KOJCHAmHd① JXBdBX BFX ①й снох 口няс s^oo^^s ^о^оойга ^'sНО1① 9 ①HByHImd ① WFO 二

WHIG У ss^s^ ，ouwoy qlooyHOIJснвгптгАУА ① н HMmBgoB ①MX —江01。BwqQ①①泛 bB dlqgcHOH 心口① dn оюкн'^о^л^O^^OHO ①н ①①'шАжкн §д§доо ншв 一qlQOHd①纟ойоувт KJJBBHMCdBml '§е 6-0=0109 XZHIHBWB'n KFa к- мву -^^ увхнн к『и ・xo ，В9О 口 XBHd ① wwfou mёё^ so-^^s-^ вн IqmBIQOO s XBH CKZCHBrnAdmBd ZHO』①9 ^SXH^SSO^^SSHOE xbhof①m g S^^OH^ ①① HBW s XBIOSHM-OHKFOQ sOHd ①3K_^^OHU ①① Fog ZIBMHUHOd ① whfou woig匚・MomBgoa XZHd ① whfou mBg hw ，BHO① 9IqHByF5 Q omHBHm-BdJOIr 0IqQ0y03① h —HWHX ^o^-oosffi ①①09 Н2ЛЭНЮ-О HHO OJh с (8寸・F9BI) HFHH —dBmlaouOFy XHHhHumBd XBdomIQBdёё^^ xlqHIBX 二TFSdawH-FOU OJqsoyHOS Hoy。① hww一 x KHHBHOg① E ・XBB①do XZFUHy 宙 ^s^os S^S^SM ①①『09 qBW ZHMCFOF -H03-SS- §^-о£ил^ KFF ssoo^^^^s^o^c ^oh^s KBFBFg。CZHOJ ① 9 ^3SH^^S§^SS^OEQEBdgonHXBJ XHXBI 3 khh①HB(IX 3①z ① Irnou- MModdoy HoyBnmHdu bf①wh ① H ^^^^^01 §3 O^OXHS^d^^ ^ = S^^OH к 営 ① гп ZIOmHy 吞 O-Hd ① з ннттвн ①TIHOX nd 二.moTIEBdgo XZHlIEmod —HwdB WBHHBJJquQH s KZOWMCd①H№ ^SEX^^ SH^ -ss g IgBUHmBSO〉Hxod。аж aKH-H ①ОНМ0一二odBH0965 咕он '^0^в gi ^HSra^HQOO ккйфгао^йкко^к bi59AlM ①JQF 江QHd ①з 江OINA3。9 ①HBh ①I M §s^^ s^c ‘omsBd §S^§X^S§^R BH9AlM 5S^§ §&-^га^ 0① BIQBd

щих добавок первоначально были опробованы нефтяньк сульфокислоты (контакт Петрова), неионогенные 口АВ типа ОП-7 и ОП-10, суперпластификатор С-3 и пластифи катор ВС на основе меламиноформальдегидной смолы

Изменение вязкости жидкого стекла при введениг пластификаторов определяли на капиллярном стеклян ном вискозиметре ВПЖ-4, а полимерсиликатных сме сей — по осадке конуса и расплыву. Численное значение расплыва определялось как отношение площади нижнегс основания бетонной массы после встряхивания к площади -нижнего основания усеченного конуса (табл. 49).

Таблица 49. Изменение удобоукладываемости полнмерсиликатной смеси в зависимости от вида пластифицирующей добавки

Добавка

Колнче- [ство добавки, % по массе жидкого стекла

Вязкость жидкого стекла, с

Осадка конуса, см

Диаметр расплыва, см

Степень расплыва

Без добавки

—

28

0,5

19

3,6

Контакт Петрова

1

20

1,6

24

5,8

5

18

6,5

29

8,4

Пластификатор: ВС

1

22

1

24

5,8

5

20

3,3

27

7,3

(С-3

1

25

1,4

24

5,8

5

24

2,5

25,6

6,1

К

1

22

1

23

5,3

5

24

U

24

5,8

Исследования показали, что пластифицирующие добавки снижают вязкость неналолненного жидкого стекла незначительно, в то время как подвижность бетонной смеси существенно увеличивается при введении ряда добавок. 11аибольший эффект увеличения подвижности бетонной смеси наблюдается при введении нейтрализованного контакта Петрова, а также суперпластификаторов ВС и С-3.

Выполненные исследования позволили предположить, что в составах на жидком стекле механизм действия пла- стифиаирующих добавок связан с адсорбцией ПАВ как на межфазной поверхности структурных элементов вяжущего, так и на поверхности наполнителя.

В результате исследований жизнеспособности поли- мерсиликатных смесей, прочностных характеристик и хи-

кой стойкости полимереиликатных бетонов (табл. 鵠 были установлены характерные особенности влияния

Таблица 50. Влияние пластифицирующих добавок на свойства полимерсиликатлых бетонов

-

Свойства

Без пластификатора

Пластификатор — контакт Петрова 5%

27,86.80.72127,86.80.721Дизнеспособность смесн, мин

27,86.80.72

1

27,86.80.72

1

Предел прочности, МПа:

при сжатии 》изгибе

Стойкость в воде Кст“

Стойкость в растворе серной кислоты Кст

* До черты указано начало схватывания, после черты — конец.

ПАВ на эти свойства. Введение ПАВ в полимер силикатный бетон существенно увеличивает подвижность и удо- боукладываемость смеси 诅 одновременно (практически в 2 раза) увеличивает ее жизнеспособность. Пластифицирующие добавки не снижают прочностных характеристик и стойкости полимерсиликатного бетона при воздействии воды и растворов кислот.

Строительные конструкции из полимерсиликатных бетонов

В номенклатуру строительных изделий и конструкций из полимер силикатного бетона включены конструкции, уже применяющиеся в строительстве ——плиты пола, фундаменты под оборудование, футеровочные блоки, пли' ты для газоходов и др., а также изделия, намечаемые к освоению — балки, колонны, ригели, плиты перекрытий, ваннь】 электролиза и другая баковая аппаратура.

Для изготовления конструкций из полимерсиликатных бетонов в Лениногорске построен специальный цех, принципиальная технологическая схема которого приведена на рис. 29.

Расчет и проектирование сборных конструкций из армированного полимерсиликатного бетона ведется соглас-

EB-JC-DTd^-^g^sdz -Э^^^ИЕ^ЯаH°ou 丨8 ^^ч^но^еоаюки i ^чфняощзоояонщ^ I gs4Mg.Lo£ssg§4ss3c

I ga『/H E I aoIEgoB — N-HBgEdBgglqHqKHmAQ-g -KHom BI^Hau Ed£HK9 — N -ExqoHEIOA Kgho0odIudo?OHqIrH9odK— ) hohoi ① g XNHIexHIfHudawHlrou BHH3KaoOJH EwaxQKEXQahHJOlroHXOI.Sa JHd

требованиям СНиП 11-21-75 и «Руководства по проек- ^янию и изготовлению сборных конструкций из кис- чогостойкого бетона» (М„ НИИЖБ, 1980). Для конст- рукций из полимере,иликатного бетона предусматрива- ^ся следующие классы по прочности на сжатие: В15, В25 ВЗО. Для несущих армированных конструкций класс бетона должен быть не менее В15.

для испытаний были выбраны две конструкции: бал- ки размером 200X250X3950 мм, армированные шестью продольными стержнями периодического профиля (два стержня в верхнем сечении балки и четыре стержня в нижнем) диаметром 22 мм класса А-Ш с хомутами из арматуры класса A-I диаметром 6 мм, и плиты размером 1300X2340 мм толщиной 80 мм, армированные арматурной сеткой из арматуры класса АШ диаметром 8 мм (рис. 30).

Для определения нарастания прочности во времени пол-имерсиликатного бетона одновременно с изготовлением вышеуказанных конструкций формовались образцы—к у бы и призмы, которые отверждались в условиях, аналогичных условном отверждения конструкций.

Результаты испытания контрольных образцов (табл. 51) показывают, что при отверждении в обычных темпе- Таблица 51. Изменение прочности полимерсиликатного бетона во времени

Показатель

Продолжительность твердения при комнатной температуре, сут

Прогрев при 120° С 24 ч

7

14

21

30

90

Кубовая прочность, МПа

250

270

250

260

260

340

Призменная прочность.

—

—

—

170

260

Модуль упругости, 103

МПа

一

—

—

24

—

26

Продольные деформации

120

80

Поперечные 》

27

25 •

Остаточная влажность, %i

6

—

4

2,5

1,9

ратурно-влажно-стных

В15

условиях

класс

достигается

этом остаточная дальнейшей вы-этом остаточная дальнейшей вы-к 7-суточному возрасту, однако при

этом остаточная дальнейшей вы-

этом остаточная дальнейшей вы-

влажность составляет более 6% • При 一_

держке до 90 сут прочность практически не изменяется, а остаточная влажность уменьшается до 2,5%.

Рис. 30, Полимерсиликатные балки в процессе испытаний

Термообработка при 120℃ в течение 24 ч обеспечивает получение полимерсиликатного бетона класса не ниже В25 при о-статочной влажности около 2%. При этом повышается модуль упругости и снижаются продольные и поперечные деформации.

Основные характеристики термообработанных псшр мерсиликатаых бетонов классов В15 и В25 приведены в табл. 52.

Таблица 52. Основные характеристики полимерсиликатиых бетонов

Класс

бетона

Показатель

В15

В 25

Прочность,. МПа:

кубиковая

20—25

801—35

лр изменная

18—20

27—30

при осевом растяжении

2—2」

3—3.1

на растяжение при изгибе

5—6

7—9

Модуль упругости при сжатии, МПа

20-Ю3

(23—25) 10з

Коэффициент поперечных деформаций

0.21

0,23

Коэффициент температурных деформаций

0.8-10-5

0810-5

Рис. 31. Схема нагружения при испытании балок

для оценки качества конструкций по показателям прочности, жесткости и треиииностойкости, а также проверки принятых расчетных предпосылок были проведены испытания промышленных образцов из полимерсиликатных бетонов на испытательном стенде в соответствии с расчетной .схемой путем кратковременного силового воздействия. “

При испытании балок передача усилий от сосредоточенной нагрузки с помощью распределительной траверсы осуществлялась в третях пролета через две опоры, одна из которых свободно перемещалась вдоль траверсы (рис. 31). При испытании контролировались нагрузка, прогибы и деформации сжатой и растянутой зоны.

Нагрузки определяли по показанию манометра насосной станции в соответствии с тар'ировочной таблицей. Нагружение производили гидравлическим домкратом ДГ-25. Прогибы определяли с помощью лрогибомеров системы Максимова. Деформации верхнего и нижнего

волокна в середине пролета производили с помощью индикаторов часового типа (цена деления 0,01 мм) на базе 500 мм. Ширина раскрытия трещин определялась с использованием трубкн Брюнелля.

Предельно допустимый прогиб балки, равный 21 мм, наблюдался пр(и нагрузке около 130 кН. Первые трещи- нь>1 появились при нагрузке 70 кН. Начало разрушения сжатой зоыы наблюдалось при нагрузке до 100 кН. Дальнейшее увеличение нагрузки до 140 кН привело к разрушению балки по сжатой зоне.

Испытания плит проводили на той же силовой уста- Новке, на которой испытывались балки. Плиты нагружа-

%н через одну продольную и две поперечные траверсы. Усилия от домкрата передаваЛ|Ись на плиту в четырех точках ступенями по 5 кН. В процессе нагружения про- изводил1И замеры прогибов на опорах и в середине пролета.

Первые трещины в плите наблюдались при нагружении до 30 кН, при этом ширина их раскрытия была в пределах 0,4—0,5 мм. Разрушение плиты произошло при нагрузке 50 кН по сжатой зоне бетона в середине пролета. Ширина раскрытия трещин при этом составила 5 MM. После снятия нагрузки трещины закрылись до 0,15—— 0,2 мм.

Испытания о*пытно-промышленных балок и плит перекрытия этажерок вентиляторных градирен показали, что конструкции из полимерсиликатного бетона при твердении в нормальных температурно-влажностных условиях в течение 30 <сут 'или пр；и термообработке при 120℃ в течение 24 ч набирали прочность, соответствующую классам В15 и В25.

Несущая способность балок при кратковременном на- груженнн двумя сосредоточенными силами была достаточна. Разрушающее усилие превышало расчетное зна- чение на 10——15% при воздейстеии нагрузки, равной нормативной. Жесткость балок, оцениваемая по величнне прогиба, была в до'пустимых пределах.

Расчеты этих конструкций, выполненные Гипроцвет- метом, показали, что они обеспечивают необходимую прочность и жесткость. Для повышения трещинокгтойко- сти таких конструкций их необходимо выполнять с предварительно напряженной арматурой.

Высокопрочные полимерсиликатные бетоны

Обычные пол'имерсиликатные бетоны наряду с преимуществами имеют и существенные недостатки как технологического (многокомпонентпо-сть, токсичность крем- нефтористого натрия, невнсская термодинамическая устойчивость тегр а гидр ос и л и к атов и д,р.), так и конструктивного характера (невысокая прочность, значительная усадка и др.).

Известно, что ко,мпозиц,ии на О'снове жидкого силикатного стекла (мастики, растворы, бетоны) обладают большими потенциальными возможностями для улучшения их физ,ико-механических свойств и стойкости в агрессивных средах, О'Собенно в воде и щелочах.

Результаты исследований, выполненных в НИИЖБе, и анализ литературных данных показывают, что меха- 136

вепжДения таких систем сопровождается нейтра- НИЗмей щело-чи с образованием геля кремневой кисло- ЛТи нейтральной соли. Практическое отсутствие^щело- ть идает этим материалам высокую кпслотостойуость. Опнако талие составы из-за содержания большого коли- е'тва гидроксильных групп гидросиликата характери- ^ отся пониженной водостойкостью и щелочестойкостыо. Водостойкость этих составов может также снижаться за счет растворения нейтральной соли. Термообработка композиций не создает условий, при которых могут ^быть существенно улучшены физико-механические свойства н химическая стойкость материала.

Качественно новым шагом в дальнейшем развитии кис- лотоупо'рпых бетонов явилась разработка автоклавного кремпебетона [72]. Высокая прочность и коррозионная стойкость кремпебетона позволяет применять его в несущих армированных строительных конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах. Однако широкое применение кремнебето'на в строительстве сдерживается рядом существенных причин: отсутствует база промышленного производства высокомодульного (/п-10) кремнеземистого стекла, значительные трудности^связаны с достижением высоких температур (до 1580℃) при варке такого стекла и необходимостью использования дефицитной щелочи.

Теоретической предпосылкой получения полимерои- ликатных растворов нлн бетонов повышенной прочности, плотности и стойкости в агрессивных средах служит образование в процессе отверждения продукта типа природного минерала «морденит», образующегося в результате реакции между тонкодисперсным наполнителем из группы перлитов или вулканических пенсов, растворенным силикатом щелочного металла и кварцевым песком.

Поскольку образование кристаллогидрата типа 《морпе- ннта》происходит при повышенной температуре и избыточном давлении, то необходимо было определить оптимальные параметры уплотнения и термообработки, а также разработать оптимальный состав высокопрочных поли мер силикатных бетонов. Соотношение между тонко- Дисперсным перлитом, жидким стеклом, песком и щеб- нем подбиралось из условия возможно близкого стехи-

ометрического соотношения активных составляющих и наиболее плотной у；па<ковки компонентов системы.

Исследования показали, что минералы типа перлита и обоидиаиа три размере частиц 0,01 мм и ниже могут быть химически активными компонентами бетонов на основе жидкого стекла. Активность их проявляется при повышен 1гой температуре (150——190℃) и особенно при избыточном давлении в автоклаве.

Предполагается, что процесс отверждения в такой системе активизируется наличием большого количества полуторных оксидов, особенно AU-Оз, и оксидов щелочных металлов. В результате отверждения в композиции не остается свободного тетрагидросиликата, так как он при повышенной температуре вступает в химическое взаимодействие со щелочью.

Отверждение смеси, по всей вероятности, происходит в три стадии с образованием промежуточных продуктов реакции. На первой стадии в результате взаимодействия кислых оксидов наполнителя и шелочи происхоимт перемена заряда м.ицеллярной жидкости, что цривод,ит к коагуляции раствора с выделением геля кремневой кислоты. Реакция протекает при 80——100℃ при наличии большого количества свободной воды в системе. Такая реакция протекает тем быстрее, чем выше дисперсность активного наполнителя. Как показали исследования, дисперсность наполнителей должна быть в пределах 5000—8000 см2/г.

На второй стадии П'р.и 100——120℃, видимо, происходит химическое взаимодействие щелоч-и с тетрагидросиликатом с образованием низкомолекулярного (〜2,8) силиката натрия. Инициируют реакцию свободная вода и AI2O3.

На третьей стадии гидратная вода тетрагидросилика- та в результате химической реакции превращается в молекулярную, образуя кристаллогидрат. На этой стадии возможно также образование гидроксида алюминия по мере израсходования свободной щелочи.

Было установлено, что количество свободной воды в системе должно быть строго ограничено. При большем, чем требуется для образования кристаллогидрата, содержании жидкого стекла, система при 120—200℃ вспучивается и разрыхляется. Недостаток жидкого стекла приводит к образован1ию пор и недостатку связующего для связывания наполнителей и заполнителей.

Оптимальное количество жидкого стекла обеспечива- актическое отсутствие пор в материале, так как в ет ,т^ме Не остается летучих продуктов. А переход гид- 黑;ноН воды в молекулярную препятствует усадочным поснесеам. Сродство кристаллогидрата с заполнителем с£；开ает условия высокой адгезионной прочности в контактной зоне.

В результате автоклавной термообработки полимер- силикатной смеси на основе натриевого жидкого стекла и перлита при 170—190℃ ,и давлении 0,9—1,3 МПа были получены полимерсиликатные бетоны с высокими проч- но'стными характеристиками:

Прочностные характеристики перлитополимерсиликатныхбетонов

Предел прочности при сжатии,, МПа100—110

То же, на растяжение при изгибе20—25

Модуль упругости,, МПа' 103 . . 30—35

Коэффициент стойкости в серной кислоте 30%-ной

концентрации . . « .Q*9—1

Коэффициент стойкости в воде 0,8

Морозостойкость,, циклы . . .500

Однако пр^и оптимальном количестве жидкого стекла полимерсиликатная сме^ь имеет высокую жесткость (полусухая смесь) и недостаточно хорошую удобоукла- дываемость. Для получения необход1имой плотности образцы формовали методами трамбования, вибропрессо- вания、или виброформ1О1ван1ием с пригрузом.

Сложность формования изделий и конструкций из высокопрочного полимерсиликатного бетона и автоклавная обработка лри высокой температуре сдерживают практическое применение таких бетонов.

Известно, что наиболее удобным и легко осуществи- мнм способом улучшения удобоукладываемости бетон- ннх смесей является введение пластифицирующих доба- вок. В лаборатори(и полимербетонов НИИЖБа были вы- полнены комплексные -исследования по выбору эффек- тивных пластифицирующих добавок и их влиянию на технологические и физико-механические свойства высо- копрочных полимерсиликатных бетонов.

бнл。исследовано более десяти ПАВ различной при- ^1н. Испытания показали, что оптимальное количество 11АВ лежит в пределах 1% по массе ж)идкого стекла, од- нако некоторые пластифицирующие добавки, например катионоактив^ая САФА, существенно снижают прочность

полимер силикатных бетонов, а добавка СДБ приводит к снижению коррозионной стойкости.

Введение в состав перл>итасиликатного бетона пластифицирующих добавок ГКЖ-11, OFIJO и НИС (нейтрализованная нефтяная сульфокислота) существенно увеличивает подвижность смеси 1и позволяет производить ее укладку и уплотнение методом обычного в^иброформова- ния. При этом добавка ГКЖ-11 увеличивает прочность, вод о- и кислотостойкость. Добавки ОП-10 и НИС практически не изменяют прочностных и других характеристик таких бетонов (табл. 53).

Таблица 53. Влияние ПАВ на основные характеристики перлитосиликатных бетонов

Добавка

Предел прочности, МПа

Коэффициент морозостойкости после 400 циклов

"ст после 360 сут

при ежа-

при изгибе

в воде

в 10%-ной H£SO4

Без добавки

97

24

0,81

0,6

0,8

СДФА

56

17

—-

СДБ

88

23

—

ОП-10

83

23

0,85

0,65

НИС

91

24,5

0,9

0,88

гкж-и

98

28

0,9

0,73

0,88

Таким образом, новый вид химически стойкого поли- мерсиликатного бетона обладает высокой прочностью, кислото- и морозостойкостью и достаточной для практических целей технологичностью.

Г л а в а 8. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

Воздействие агрессивных сред на строительные конструкции

По своему агрегатному состоянию агрессивные среды могут быть газообразными, жидким.и или твердыми, а во многих случаях и многофазными.

Агрессивное воздействие газовой среды на строительные конструкции обусловливается их природой, концентрацией и относительной влажностью воздуха. Наличие агрессивных по отношению к строительным конструкцм，

32. Повышение с увеличением

агрессивности их влажностиагрессивности их влажностирис. газоврис. газовО 20 4夕 60 80 7处

агрессивности их влажности

агрессивности их влажности

рис. газов

рис. газов

Относительная Ьлтноспи^ rm газовыделений характерно для многих отраслей промышленности —цветной металлургии, основной химии, коксохимии, нефтехимии, искусственного волокна и ряда других производств. Наиболее распространена и одновременно наиболее атфеоснвян оксиды азота, хлор и хлористый водород, фтористый водород, сернистый газ, сероводород.

Все газы, за исключением аммиака и кислорода, кислые 1или кислотообразующие. Образование из них кислот происходит только при наличии в воздухе 1или на поверхности конструкций капельно-жидкой влаги (тумана или конденсата). Поэтому усиливающим фактором коррозионных процессов, возникающих в поверхностных слоях строительных конструкций, является повышенная влажность воздуха [27].

При этом довольно отчетливо различают три степени влагонасыщения в зависимости от «порога увлажнения»: зона сухих газов (/) при влажности воздуха до 60%; порог увлажнения (2) при влажности воздуха 60—75%; зона влажных газов (3) при влажности выше 75% (рис. 32).

Первой степени насыщения свойственно сравнительно низкое влагосодержание воздуха—до 60% относительней влажности, при котором кислые газы практически не действуют разрушающе на цементные бетоны, а в некоторых случаях даже уплотняют их. Известно, например, уплотняющее，и упрочняющее действие на цементный бе- ^н углекислого газа, или так называемая карбонизация. Еще более благоприятное воздействие на цементный 6е・ тон оказывает газообразный четырехфтористый кремний.

Вторая степень повышенного влагонасыщения (60— 75%) считается уже агрессивной, а третья степень отно-

сится к наиболее агрессивной ——интервал влагосоде；рх<а> ния 75—95%.

Кр|итический порог влагонасыщения снижается на 10—12% при наличии в воздухе гигроскопической пыли. Адсорбируя влагу из воздуха и осаждаясь на поверхности конструкций, такая пыль создает у поверхности зону повышенной влажно-сти. Этот процесс особенно характерен, например, для цехов по производству магния при наличии карналлитовой пыли. В помещении с 40——50% относительной влажности стены и потолки могут быть мокрыми.

Аналогичное местное увлажнение характерно при действии паров хлористого водорода на бетон или штукатур.： ку. Образующийся при этом на поверхности гигроскопи- ■ ческий хлористый кальций жадно поглощает влагу на ■ воздуха.

Действие газа на пористые строитель!!ые материалы ■ (бето.-н, кирпич, древесину ：и т. д.) отмечается не только, на поверхности. По имеющимся данным, в бетон невысокой плотности может газ проникать на глубину 10 см, а в плотный бетон — до 1—2 см.

Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, а также кислотности или щелочности. Обычно вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 300—500 мл/л. Грунтовые и подземные воды содержат минеральные соли и другие примеси. Морская вода может содержать до 3500 мл/л солей, из них: хлористого натрия 78%, хлористого магния 11, сернокислых магкия, калия и кальция соответственно 4,7; 3,6 и 2,5%.

Промышленные стоки могут содержать самые различные п,римеси, в том числе растворы солей, кислот и щелочей.

Следует отметить, что и совершенно чистая, немине- рализованная вода может быть агрессивной в отношении ряда строительных материалов, вызывая выщелачивание извести и других раствор1имых компонентов из цементных бетонов или бензол сульфокислоты из полимербетонов ФАМ. Кроме того, попадая в микропоры материала вода вызывает адсорбцио'нное понижение прочности.

Кислоты—наиболее агрессивны по отношению ко многим строительным материалам (цементные бетоны, силикатный кирпич, осадочные горные породы — извест- 142

доломит к т. д.). Керамические материалы и бе- н'К? на жидком стекле стойки в кислотах, но относи- ；М：но быстро разрушаются щелочами.

Агрессивность кислот определяется их природой, концентрацией, pH водных растворов, наличием окислитель- свойств и температурой среды, Разрушительное действие кислот и кислых газов обусловливается также растворимостью образуемых продуктов коррожи при их взаимодействии с металлами или бетонами.

Минеральные кислоты в большинстве случаев °6ла- дают большей коррозионной активностью, чем органические. Из органических кислот наиболее агрессивны уксусная, молочная и масляная кислоты. Особенно сильные разрушения наблюдаются при переменном воздействии смесей различных кислот, что характерно для цветной металлургии (табл. 54).

Наибольшее разрушающее действие на многие металлические конструкции, бетоны и органические материалы оказывают окислители. Не разрушаются при действии окислительных сред только сил!икаты.

Фторсодержащие кислоты, наоборот, разрушают си- ьпикат'НЫ1е материалы. В этих кислотах не разрушаются графитовые материалы и полимербетоны на основе фурановых смол с графитовыми наполнителями и заполни-

телями.

Окисление может происходить не только па воздухе, но и в кислой, нейтральной или щелочной среде, содержащей кроме кислорода и другие окислители (табл. 55).

Практически из газообразных окислителей^наиболее распространен кислород, постоянно1 находящийся в воздухе. Хлор, содержащийся в воздухе некоторых промышленных предприятий, обладает значительно большей окислительной способностью, чем кислород, однако распространение его в природе и допустимые концентрации в воздухе промышленных предприятий в сотни тысяч раз меньше, чем кислорода.

Из жидких окислителей наибольшее значение и рас- ^ространение имеют азотная и концентрированная (бо- лее 70%) серная кислоты, перекись водорода и щелоч- нне гипохлориды, которые характерны легкостью отде- "ени只 атомарного кислорода.

Концентрированные растворы щелочей, особенно при повышенных температурах, разрушающе действуют на Многие металлы, каменные материалы и бетоны.

E叩。端黑н露六諾嚣X 駕記需зм нанбоаее характерных аппаратов в сильноагрессивных средах

Цех

Аппаратура

Состав среды в аппарате,

Температура среды в аппарате, ℃

Состав внешней: среды, мл/м3

Температура внешней среды, ℃

Относительная влажность внешней среды, в %

Цинковое производство

Электролизный

Выщелачи- вательный

То же

汾

Ванна для электролиза цинка

Сгуститель

Пачук

Бак-мешалка с плос-

<им или конусным днищем*

Н2s。4 — 150—240；

Zn —35—J60;

01 — 100-300 Н2sО4 —

0.5—，80; Zri — 40—140;

Cu—QJ—2; Fe —2—2“5;

Cl — до 0,.5; F — до 0,1;

Мп — до 10

H2SO4 2「50;

Си 0,1—2； Fe 5—25；

Zn 40—140

“SOl 2—200； Zn —

-40—140; Си — 1—2； 定一2—25 F — до 0,1;

"2-до 0..5; мп 一 до 10

60

80—85

50—60*

85—95

60—70*

85—95

50—60*

Аэрозоль H2SO4. НС1; пыль, содержащая Zn

С「0.0001;

А3Н3 — 0,0005;

аэрозоль H2SO4;

атмосферные осадки

С12 — 0,0001;

А3Н3 — 0,0005;

аэрозоль H2SO4； возможны проливы; атмосферные осадки

СВ — 06СЮ1

АзН3 — 0,0005;

аэрозоль H2SO4； возможны проливы;

атмосферные осадки 1

18

18

от—-20 до +36*

18

от —20 до+30*

18

—20 до 36*

W75

W75

W75

W75

Бак-мешалка со сферическим днищем

Форбашня, промывная и увлажнительная башни

H2SO4 — 160—175;

Zn — 115; Си — 1,3;

Cd — 1.15; Fe — 14.5;

As — 0,55; Sb — 0,08

F —50—150; Fe—20—

-150; H2so4— 30-75 (в орошающей кислоте)

90—95

50—70*

^70*

С12- 0.0001;〔

Д3Н3 — 0,0005;1

аэрозоль Н2so4； возможные проливы; атмосферные осадки

Zn、Few Cl

Туман H2SO4 (0.05%);

(пары 0,2

18 \ от -20

ДО 36 1

от —20

до 30

<75

Медное производство

Сернокислотный

Электролизный

Реактор, промывная башня

Сборник к форбашне сборник к промывным башням

Отстойник

Ванны для электролиза меди

H2SO4 — 30—75 (в орошаемой кислоте);

As^7; F — 2— 15 H2SO4 —30—75; AsW7;

F — 2—15

H2SO4 — 30—75; AsW7;

F—2 — 15;

：H2S04— 115-140;

，Cu — 40—456; Ni 一

— 11 — 27

W70*

<70

W70

<80

1 1

Туман H2SO4 (QQ5%);

пары 0.2,

SO2 — 0.003;

аэрозоль H2SO4；

Аэрозоль H2SO4;

so2

Аарозоль H2SO4； пыль содержащая CuSO4

от —20 до 30

18

18

18

<60

&75

W75

&75

—* Данные относятся к аппаратам, находящимся вне здаадя.

容** Для бак-мешалки с конусным днищем содержание Си — 40—14J, /п — n—/з, ге —

1—2.

Таблица 55. Основные окислители

Среда

Окислители

Газы и пары (при слабокислой нли нейтральной реакции в водном растворе)

Галогены: хлор С12> пары брома Вг2 и йода J2, кислород О2; О3 и азот № (в составе воздуха)

Сильнокислая

Кислоты: азотная HNO3, хромовая Н2СГ2О&,, серная (концентрация более 70%) H2SO4, иадсерная Н2s8°8

Слабокислая

Азотистая кислота HNO2

Хлорноватистая кислота НОС1

Бихроматы Н2Сг2О7 • 2Н2О; КС12О7

Персульфаты К2sQg

Перекись водорода Н2О2

Щелочная

Гипохлориты- натрия NOC1, калия КОС1, кальция CaOCl

Различные соли действуют на металлы, бетоны, керамику и полимерные материалы менее агрессивно, чем кислоты или щелоч，и. Разрушающее действие растворов^ солей во многих случаях определяется их способностью iB3аимодейство'Вать с водой с образованием водородных (кислых) .или гидроксидных (щелочных) ионо®, при этом разрушение материала происходит так же, как и при действии кислот или щелочей.

Агрессивны по отношению к цементным бетонам и другим строительным материалам многие органические продукты мясо-молочной, консервной, винодельческой и других отраслей пищевой промышленности. Например, растворы сахара, фруктовые соки, патоки при взаимодействии с известью цементного камня образуют растворимые сахараты кальция. Растительные и животные масла и жиры представляют собой сложные эф-иры глицерина и жирных кислот, которые при воздействии воздуха и влаги окисляются и разлагаются на глицерин и жирные кислоты [144, 148].

Разрушения строительных материалов и конструкций под воздействием различных излучений (гамма-радиационного, нейтронного н др.), бактерий и других раститель- 146

ннх и животных организмов относятся к специальным видам воздействия.

В результате коррозии во всех странах мира теряется более 100 млн. т стали в год. Например, в США, по сведениям Национального бюро стандартов, только на замену про№рродировавшего оборудования идет 40 ,млн. т стали [2]. В нашей стране потери металла из-за коррозии составляют около 9 млн. т в год. В странах-членах СЭВ из-за воздействия различного вида коррозии теряется около 10% производимого металла [2].

В результате обследования было установлено, что разрушающему воздействию атмосферных и производственных агрессивных сред подвергается от 15 до 75% строительных зданий и сооружений (табл. 56 и 57).

Таблица 56. Распределение агрессивных сред в производственных зданиях

.

Характеристика производственной среды

Отрасль промышленности

неагрес-

слабоаг-

среднеаг-

сильноаг-

снвная

ресси'гп^

pCCCHLHd*

Пищевая и легкая

70

10

15

20

25

20

20

Целлюлозно-бумажная

30

30

15

Химическая и нефтехимиче-

40

ская

Цветная металлургия

25

20

30

25

Таблица 57. Ориентировочная оценка воздействия агрессивных сред на незащищенные строительные конструкции

Металлические конструкции

Бетонные н железобетонные конструкции

Степень агрессивности среды

скорость коррозии поверхности металла,, мм,/год

среднегодовая пот&ря несущей способ

ности, %

глубина раз- рушения поверхностного с/оя бетона, мм/год

среднегодовая потеря несущей способ

ности, %

Слабая Средняя Сильная

До 0.05 0,1—0.5 более 仇5

5

15

До 0.4 0.4—1.2

Более L2

5

10

15

По ориентировочным данным, площадь поверхности строительных конструкций производственных зданий и сооружений, подвергаемых воздействию агрессивных сред, составляет около 1 млрд, м2, из которых более

500 млн. м2 приходится на долю железобетонных конструкций.

В Советском Союзе с каждым годом увеличивается число предприятий химической, пищевой, целлюлозно- бумажной, полиграфической промышленности, цветной металлургии и многих других, связанных с использованием самых разнообразных агрессивных продуктов — органических и неорганических кислот, растворителей и щелочей. Действие агрессивных продуктов во многих случаях сможет сочетаться с высоким давлением или глубоким вакуумом, токами вььсокой частоты, высокими или НИЗКИМ1И температурами. Т@к, электролиз меди проводится в 20%-ном растворе серной нислоты при 65——70℃ и плотности тока 250 А/м2. Некоторые аппараты гидролизного производства работают при температуре от 80 до 175℃, давлении до, 0,8 МПа с последующим разрежением до 0,05 МПа. Гидролизат содержит серную кислоту и пр'имеси органических кислот — муравьиной и уксусной. Производство пластмасс, искусственного волокна и многих других материалов связано с применением различных растворителей, кислот или щелочей.

Обследование многих предприятий показало, что коррозионному разрушению подвергаются не только аппараты .и оборудование, но и несущие строительные конструкции—колонны, ригели, фермы, -плиты перекрытия, фундаментные башмаки и другие части промышленных зда*

Рис. 34. Аварийное разрушение железобетонной емкости маточных растворов калийных солейРис. 34. Аварийное разрушение железобетонной емкости маточных растворов калийных солей

Рис. 34. Аварийное разрушение железобетонной емкости маточных растворов калийных солей

Рис. 34. Аварийное разрушение железобетонной емкости маточных растворов калийных солей

ний (рис. 33, 34). По данным НИИЖБа, Гипроцветмета, ЦНИИПромзданий, Гип'ро1пласта> Ростовского Пром- сгройНИИпроекта и других организаций, в некоторых случаях затраты на ремонтно-восстановительные работы промышленных зданий и сооружений в течение 4—5 лет достигают полной стоимо>сти строительства. Так, в цехе аммиачной селитры Днепродзержинского химического комбината из-за отсутствия надлежащей химической защиты строительных конструкций затраты на ремонт составили за 2 года эксплуатации около 80% балансовой стоимости (2,105). При проектировании прядильных цехов Киевского комбината химического волокна не были .предусмотрены соответствующие меры защиты строительных конструкций. В результате часть зданий через 4 года эксплуатации пришла в аварийное состояние и производство было временно остановлено. Стоимость ремонтно-восстановительных работ со'ставила около 1,5 млн. руб. [105].

Обследования показали, что в ПО 《Стнрол》 (б. Горловский химкомбинат) на ремонт строительных конструкций затрачивается ежегодно 600 тыс. руб.; на Кон- стантиновс；ко!М заводе — 500 тьге. руб.; Березниковском азотно-TyiKciBOM заводе 300 тыс. руб.; Балхашском горно- металлург,иче1ско>м комб/ннате — 250 тыс. руб. Цех по производству уксусной кислоты и уксусного ангидрида Ро- шальского химического комбината, введенный в эксплуатацию в 1963 г., уже в 1966 г. нуждался в капитальном ремонте в результате разрушения железобетонных элементов перекрытий и каркаса здания.

Серьезные повреждения строительных конструкций были обнаружены в цехе ионообменных смол Нижне-Та-

148

149

гильского завода пластмасс, в цехе дистилляции производства полиэтилена Куйбышевского завода синтетического спирта, Ереванского ПО «Поливинил ацетат», Щекинского ПО 《Азот》，Алмалыкского и Балхашского горнометаллургических комбинатов и многих други?； предприятиях.

Общие потери в результате коррозии строительных конструкций зданий и сооружений, подвергающихся действию агрессивных сред, в народном хозяйстве оцениваются в размере более 1,5 млрд. руб. в год [2]. Народнохозяйственные потери от коррозии не ограничиваются лишь стоимостью затрат на ремонтно-восстановительные работы. К ним должны относиться и потери, связанные с простоем оборудования и снижением выпуска продукции в результате этих простоев.

Анализ наиболее распространенных агрессивных сред и деструвдионных процессов, наблюдаемых в полимер- бетонных конструкциях, показал, что по роду воздействия на полимерные материалы все внешние воздействия можно разделить на две основные группы. К первой группе относят воздействие воды и некоторых растворителей, которые вызывают в полимере обратимое адсорбционное понижение прочности; ко второй — воздействия, вызывающие необратимые деструкционные процессы.

В свою очередь, воздействия, вызывающие необратимые деструкционные процессы в полимерных материалах, можно разделить на три основных подгруппы: растворение полимера различными растворителями; ускорение образования свободных радикалов и атомов; химическое взаимодействие с агрессивными продуктами, связанное с разрушением молекул полимера.

Для связующего на основе термореактивных смол, имеющих пространственную сшивку, воздействия первой подгруппы проявляются в ограниченных пределах. Хотя следует отметить, что для каждого вида связующего могут быть найдены весьма активные растворители.

Для полимербетонов на основе термопластичных полимеров интенсивность воздействия растворителей может значительно возрастать, в этом случае необходимо более тщательно подходить к условиям эксплуатации и видам допустимых растворителей, воздействующих на такие полимербетоны.

Во вторую подгруппу объединены деструкционные процессы, связанные с воздействием теплоты и различ- 150

них излучений. Известно, что во многих случаях актив- нОе участие в деструкции полимеров принимают свобод- Hbie радикалы и атомы, которые появляются в полимере по工 действием теплоты, солнечной радиации и радиационного излучения. Будучи агрессивны по своей природе, свободные радикалы и атомы разрушают полимерные молекулы, осколки которых образуют новые радикалы, и они также включаются в процесс разрушения. Структура полимера, его химический состав и молекулярная масса изменяются, а вследствие этого изменяются и Физико-механические свойства полимера.

Как правило, такие деструкционные процессы наиболее интенсивно протекают у термопластичных полимеров, имеющих линейную структуру. В этом случае деструкцию полимеров можно существенно замедлить, блокируя свободные радикалы — как те, что возникают первоначально, так и те, что образуются в качестве вторичных продуктов реакций. Для этого в полимер вводят различные стабилизаторы на основе производных фенолов, аминов, сульфидов, фосфорорганических и других соединений в количестве 0,1——3% •

Третья подгруппадеструкция полимеров, связанная с ионными и молекулярными процессами разрушения, которые в большинстве случаев происходят под действием кислот, окислителей и щелочей.

Классифицируя все многообразие агрессивных сред и внешних процессов по их характерным воздействиям и обобщив результаты лабораторных исследований и материалы обследований полимербетонных изделий и конструкций, эксплуатирующихся в различных агрессивных средах, мы можем выделить четыре основные вида деструкции полимербетонов. По сумме ведущих признаков может быть определен каждый из этих видов.

К первому виду могут быть отнесены все обратимые процессы, которые возникают в полимербетонах под Действием воды и некоторых растворителей. Вследствие Диффузии жидкости в глубь материала происходит увеличение массы и адсорбционное понижение прочности. При высыхании, т. е. удалении жидкости из материала, первоначальная масса и прочность практически восстанавливаются.

К。второму виду можно отнести процессы, которые вЬ1зывают растворение полимера и его вымывание из

— JLOBmpdx ① du ВИНРХЕН оо^^о^к OJO s Echwhirou OJOmoipxEH §^юо SH^^ms^x^^m^ cwomEdgo SS^^H .Ed —OWHFOUSPJOdJP ① ZHdEIncyalrowtrEH s SIfxM ①三 0s 亠 GJ因口 —mPa WZEm Л -S^SE xlmow OSKWO-^00^^ K^ms^Ksm^ PIIGKHEJPIEEmEd -K^H^^^O^G Озх5юот^ KKHPOUBm1 VAX —05s xHdo『oEKEHdoJE^^Аюо m SEXHHOdu ^soo^s^ xlqHdKFAyalrowoymHH ^^^^0^ 00m —АФФНOIPIqlrAmod.ВННОНИ 口 00^SX^K^.^^^OSO^OOSm н0』oy 口 аж xlqHhHFmEd И0ФФМ 口 EQJOnodll quoHmA ЕНО!гЕодх^тохооюо OHhoIEIQO 口0 口 OIQW ХЮЮОЬИМРН 'S^OS^^H s ^S^O^^KH^^S^ 02H0S0C・ХЕ£40н^s^o^^ss ，EX ①—ох00ф s ORFAdlX0 9。0Hl 石 IfnE』？① du EH BHE — 0H30 mo&ss^oc HJLJON①吕PIHOdu KHdoo』KEHHQWOdHO。

江 аьиомвмж ХННННЗЗЗЕ КММАФФМи ・8 ■тохон^ю^^^к^ос mom^HOOO ^зток 39EdmEddu ”口 OXHOII АмондмЕноннра 00『09 01 二HLrnEIEAIrmyGkHBOF 10 SGOSSOSm^^ m EHOkogdownFOH BaHH AdoqAWOHqlrHM ，Edu OOF09 oyqlrok ^x й^тноюооосо ^s§ S3-S0KO0 s^ qloh ОС MOHOIagdswHIrou HHHKAdloo 口 EHHEyHeHJOEIry xlqHsmoJE SHOOS^^^SXC^E0mx今今 иЕ ннножино oiqir ①口MSOHSIru ^OK^OS^Om щокоь^ю&й ，M『OU HHHOhxu!! £ xlqHmpIJJGdJE ，汇① Egoм ojom 江。』j 00§OS^X O^OX^^^SSG 0qM WOHqKHmpdu m K3J0Bbol『yBm HImyAd.2 口 mo§m xo出 BE 亠 ompdyads^x SHOOXmsox^^xs 0H0mqH0=> О0сн AIZA IIOAwo н 口0H 江0moiEHE『900du ^Hss^^m одйо^OEhA『omJHHrnqFog « он -ss ojohhof乡 oduo 0Hlroum EhyAd 5①口 Ksph ① dsEBJ ①OH axHIXEdu EH

・(8g E9EI) LuooHhodu ①HHOEHHOU н evaud Л-H^s oHE氏HQ ① d&Bd- -soo^^ OHHOhHKeMA』OBIqmIqHn ,^^^ss §д SIG wbholrom s ^s^-s^ys^o -S3S ssso '^ssom adu pdoH№『AXOFOJV8H0mAdEd о HpmKEO O^OX^^^S«-OG HHtlyKdsoa p9 wudasiah ，N9EH ① H W』G Hdu EFEHdgLEW 3^^ ^SX^K^S^S OJOH :G2FB ・Н5УЕОСН 2HH齡货HHOU H ECEHd①JEW qJQOMHXdx 」3SSHmIqm MHHXAd』30 口 口0M』OJ.G ZOWOIE s EOIrEy0Ed XH LrogogDNOHHOFEKOUJOIqHHEmBgDgoIncHAmEgD o』OHdonFF ■OK ss^r^HO^^ зоо^^о^с ss^ss 6PB hwaqiadi E -HIJOHhodu OESSSXOK s ^S^^H^^ Z3QPW 管m —qHGWK JHEOXQUOdu WO&G Hdu.EHaL ① 9dgMH『ou Jqddl。

ииТпо1Хеиаэ wi4HdawHifoii з 隐心 хннниэээёлЕ аиа -лэиэгоиивеа ^олээниигих

EHti^xCdioav ввнноиа'рп вип

-xXd丄 331r ИеИЧЕ91ИГЭИЯ0

KHTiMj^dioair кен，о!гзяу

аинажиноц

HiooHhodu

'ниЕзс!丄 aiiHairsBon '^irend

аинэниЕ9а^

-aiBJM 1ЧЭЗВИ

' эинкою

-оз ооннэжк(1пвн 加，3dз HoHSHooadjB няпеНхнзК -ноя 'иие.^ффиС qioodo^3

иинэкл^еи олонноипвис

flOHhaHEOQ ЭИ01ЭИЭГ

-ed и иипеигеЦ

■iqdXxEdauwai

ЭИМЭЭНПЕиф

'iqooanodu

И91ГЭ1ис1оа

-laed 0ян丄3g0U£o& Ччооэп

-odu эи^ээниких-о^иеиф

ИЯВС^э HJV/4HSH333dj

-R3H, икиякиж ЭИН91ПНЭ ■BH *14039110(111 9И>10ЭН1'ецф

ВИЙ13Н91ГЕОЙ BKodHdu

III

II

I

ииттуЛйхо

КЕ^оаьиьмих-оииеиф

-air

аинажиноцэинаниггэя^

HI3OHhOdlI ;ииоипХс!х

кин

-1ЭИЭ1Г£09 Ч1ЭОНЗИЭНЭХНР|

озапкиХекаэ oj

-он^эии^оц anHadoeiOB^

иион аинэжинои •еевис! 1чээвиг эииэшчнаи^

仙工 ojoirdaai

HHjdaHG HOHiooHxdaaou аинэжиноп и иипрс1оэ1Гу

ихэон эин^жиноп TErend нээЕи: аинаьикаа^

-hddu

-9J,EW

-hodu

-aiEw

ВЭЭ911ОЙ1I

ojOHHoHliMXdioair bmhoIiq j waoKodu эпинои11мХс11Э917| ^^wHiron mm

…9d°iug

эиниохэоэ аоинажкс!ц

-ен ■ииеХффик Ч1эос!о^э

ЗЛНКОЕЗОЗ ЭОННЭЖВ(111

-ен 'ииеАффи!? quodoxn

HHlrxKd丄jor Ayhjohhx aHlnaiKirgVacfno gdose①

ся после полного заполнения межмолекулярного пространства полимера низкомолекулярной жидкостью.

Поскольку жидкость диффундирует с небольшой скоростью и неравномерно распределяется по толщине материала, в нем возникают напряжения даже в том случае, если деформация не ограничивается жесткими внешними связями. Наружные набухшие слои материала стремятся расшириться и тянут за собой внутренние 《сухие》 слои, которые сопротивляются этому растяжению, ограничивая деформацию растяжения. Поэтому по сечению, перпендикулярному фронту диффундирующей жидкости, в материале возникнут влажностные напряжения, неодинаковые по значению и знаку. Набухшие слои окажутся сжатыми, а внутренние—растянутыми. Естественно, что эпюры распределения влажностных напряжений будут меняться во времени в зависимости от глубины проникания низкомолекулярного вещества и в результате релаксационных процессов. Кроме того, вследствие пластифицирующего действия жидкости модуль упругости увлажненного материала также будет изменяться.

Для определения коэффициентов диффузии агрессивных жидкостей в полимерные материалы используют микроскопический, радиационный, сорбционный, амперометрический и другие способы.

Наиболее распространен сорбционный метод, сущность которого заключается в регистрации скорости поглощения жидкостей плоскими полимерными образцами, помещенными в агрессивную среду. При погружении в жидкость благодаря молекулярному тепловому движению количество вещества Q переносится за время т через площадь образца S перпендикулярно сечению потока от места с большей концентрацией жидкости к месту с меньшей концентрацией. Агрессивная жидкость движется до тех пор, пока не установится ее подвижное равновесие в образце.

Процесс выравнивания концентрации удовлетворяет основному уравнению диффузии Фика для нестационарного потока:

d c/(dt) — D(P c/(d%2). (21)

В начальный момент времени концентрация жидкости в образце зависит от толщины c = f(x). Внутри об- 154

разца она минимальна, а на поверхности максимальна. Отсюда устанавливаются граничные условия:

!；рн「二 0 dc/(dx) = 0 при х = ± 6/2, dc/dx — 0.(22)

Исходя из граничных условий И. Ф. Канавец получил уравнение, доступное экспериментальной проверке:

QT=QMaKc/l—e-4*”/叱(23)

где Qmahc—привес образца в равновесном состоянии; Q^ ——привес образца за врем я его пребывания в жидкости； D — коэффициент диффузии, см2/с； 6—толщина образца, см (для двустороннего процесса S/2).

В полулогарифмических координатах выражение (23) имеет вид прямой:

lg (Qmhkc — Qe )/^макс ~ ~ 4 ~2 D T/32 .(24)

Для решения этой задачи необходимо знать значение равновесного насыщения, т. е. QMaKC. Его можно найти графически, так как все точки функции Qe = /(t) лежат на прямой с тангенсом угла наклона, равным 4л2Рт/62>.

Определив 2мйкс графическим способом, по уравнению (24) находят коэффициент диффузии. Однако этот метод довольно трудоемок.

В ряде работ приведено уравнение, более удобное для определения коэффициента диффузии:

D = АУ/14400^ , (25)

^^[ (一 I" (Рмакс 一 Qt ) &макс)Т，] где 入=.上2 (26)

24 IX

Для полимербетонов коэффициент диффузии в большинстве случаев определялся сорбционным методом на образцах-дисках диаметром 160 и толщиной 16 мм. Метод этот при сравнительно высокой точности довольно трудоемок и требует длительных испытаний в течение нескольких месяцев.

Сравнительно простой метод определения коэффициента диффузии основан на измерении электропроводности образцов. Сущность этого метода заключается в том, '【то по мере насыщения образца диффундирующей жидкостью объемное электрическое сопротивление образца

рис. 35. Схема прибора для определения коэффициента диффузии / — образец; 2 — электролит; 3 — стеклянные алоижи; 4 — платиновые электроды

падает. Пользуясь графиком зависимости изменения силы тока от времени (/=/(т), можно рассчитать коэффициент диффузии. Благодаря активирующему действию электротока этот метод позволяет резко сократить время испытания.

Прибор для таких испытаний (рис. 35) представляет собой две алоижи с платиновыми электродами, наполненные одинаковым количеством электролита. Между алоижами на менделеевской замазке укрепляют испытываемый образец. При замыкании цепи сила тока / регистрируется миллиамперметром, а напряжение У на клеммах источника тока——вольтметром.

Электросопротивление образца определяют по формуле

R = rg)S),(27)

где г — удельное сопротивление образца; ё—толщина образца; S — площадь поперечного сечения образца.

Отсюда

r = RS/b.(28)

Если принять, что удельное сопротивление материала образца обратно пропорционально количеству поглощенного раствора

r=l/(QQ,(29)

где У — эквивалентная электропроводность, тогда

Q =飢RSY) или Q = / b/(USY).(30)

Так как раствор в алонжах представляет собой электролит, то при прохождении электрического тока к полимерному образцу с двух сторон поступает одинаковое количество противоположных зарядов или заряженных ионов и для равновесного состояния концентрация электролита в образце остается постоянной. Поэтому эквивалентная электропроводность У также будет постоянной.

Тогда

6/。S F) = const = К.(31)

Подставляя это выражение в формулу (23), получим Q = KI・ Используя полученную зависимость в формуле

(32)(32)(24), получим:

(32)

(32)

1П (/макс — /т )〃макс = ― 4 Т,

D = — 62 1пD = — 62 1п(/макс — h )〃макс _ §2 ]п(/макс — h )〃макс _ §2 ]п4 л2 т4 л2 т/макс 4 d Т/макс 4 d Т(33)(33)

D = — 62 1п

D = — 62 1п

(/макс — h )〃макс _ §2 ]п

(/макс — h )〃макс _ §2 ]п

4 л2 т

4 л2 т

/макс 4 d Т

/макс 4 d Т

(33)

(33)

Экспериментальные данные различных авторов подтвердили преимущества этого метода и достаточно высокую надежность полученных результатов (табл. 59, 60, 61, 62) [33].

Таблица 59. Зависимость коэффициента диффузии (D-10^9) полимерных мастик от степени наполнения (среда——10%-ный раствор Н2so4)[36]

Количество наполнителя, %

Состав мастики

0

20 ]

50

100

150

200

300

400

ПН-Н-квар-

1,05

0,973

0,927

0,88

0,856

0,898

0,94

цевая мука ПН-Ц-гра-

1,05

0,994

0,85

0,884

1,075

—

—

фит ПН-1-Ганде-

—

-一

—

—

—

0,71

0,68

0,75

ЗИТ

ФАМ-анде-

—

—

—

—

1,384

1,405

1,49

знт

Таблица 60. Зависимость коэффициента диффузии (D-10~8) от со става полимербетонов и вида агрессивной среды

№ состава по табл. 24

10%-иый раствор

H2SO4

NaOH

1.24

0,63

1,43

2,41

При сорбционном методе абсолютные значения коэффициентов диффузии, полученные различными авторами, практически совпадают. В то же время по сравнению с амперометрическим методом они несколько завышены. По всей вероятности, эта погрешность объясняется по-

Таблица 6L Зависимость коэффициента диффузии (D-10~8) от со- става полимербетона и концентрации кислоты

V состава 」о〃нмер6е- тона по табл. 24

Концентрация н2so4, %

IQmhkc

9、］ 川

%, I/ч

1

10

1066.95

0,00098

1.75

3

Ю

776

0,0007

1.3

3

30

706,98

0.00065

1,17

3 1

50

487.05

000045

0.81

Примечание. Сумма квадратов времени прохождения агрессивной жидкости в исследуемый материал Ет% составляет 45278.

Таблица 62. Зависимость коэффициента диффузии (D-10~8) от со- става мастики ФА и концентрации нитрата аммония

Концентрация нитрата аммония, %

Наполнитель

маршаллит

графит

4.53/7.6

0.8/1.19

183.12

0,38/1.23

1/2,99

0.33/1,26

Примечание. До черты приведены данные по амперометри- ческому методу, после черты — по сорбционному.

терей части раствора, поглощенного образцом, при осушении его фильтровальной бумагой. Амперометрический метод, видимо, более точен из-за непрерывности процесса.

При одинаковой степени наполнения полимерных мастик (300% андезита) коэффициент диффузии в 10%-ной серной кислоте для мастики ФАМ примерно в 2 раза выше, чем для мастики ПН-1. При введении в полимерное связующее мелкодисперсного наполнителя коэффициент диффузии вначале уменьшается, а затем вновь увеличивается. При этом оптимальная степень наполнения для графита составляет 150%, а затем андезита—200% (см. табл. 59).

Коэффициенты диффузии полимербетонов гораздо выше коэффицие!!тов диффузии полимерных мастик, особенно резко это различие сказывается для полимербетонов с пористыми заполнителями (состав 4, табл. 60). 158

Зная коэффициент диффузии, можно определить время прохождения жидкости на заданную глубину материала Тдц®：

тдиф = 62 /(к2 £)3600). (34)

Временная зависимость перемещения фронта диффундирующей жидкости может быть описана уравнением, предложенным в [81]:

%а = "(1 — ©Н ), (35) где ha——глубина проникания жидкости за время т; Н ——толщина образца при односторонней диффузии, см; а — эмпирическая постоянная, в которую входит коэффициент проницаемости (табл. 63).

Таблица 63. Значение коэффициента проницаемости (а-10~9) для мастики на фурановой смоле ФА в зависимости от вида наполнителя и среды, г/(см с)

Агрессивная среда

Андезит

Маршаллит

Г.рафит

10%-ный раствор H2SO4

Q,84

—

10%-ный раствор NaUH

Q*562

—

Насыщенные растворы: мочевины

0J77

0,143

нитрата аммония

—

0”88

0,18

сульфата аммония

|0,51

0,78

Поимечание. В 10%-ном растворе H2SO4 для

состава на

смоле ПН-1 без наполнителя

а = 0,4* lu~9,

для мастики

с наполните-

л ем а=2,66・10-9.

Химическая стойкость полимербетонов'

в агрессивных средах

Одно из важнейших свойств полимербетонов по сравнению с обычными бетонами на минеральных вяжущих—— высокая сопротивляемость действию различных агрессивных продуктов. Поэтому наиболее рационально использовать изделия и конструкции из полимербетонов в условиях воздействия различных агрессивных сред без дополнительной химической защиты [105, 122].

Многочисленные исследования коррозионной стойкости тяжелых и легких полимербетонов различных составов, выполненные в лаборатории полимербетонов НИИЖБа, показали, что с повышением концентрации кислоты в пределах неокисляемости полимербетонов их коэффициент стойкости, как правило, повышается. Сер- 159

g

Агрессивной с(реды

券 й

Хст (не менее) при /=20℃ для полимербетонов

ФАМ

ФАЭД

пн

КФ-Ж

мм А

籌

плот-

порис-

ПЛОТ-

порис-

плот-

^порис-

плот-

порис-

илот-

порис-

Минеральные кислоты:

азотная'

3

н

н

н

н

0,5

0,5

н

н

0,8

0,8

0,7

50

н

н

н

н

Н

н

н

н

н

Н

0,8

серная'

3

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,7

30

0,8

0,8

0,5

0,5

0,8

0,8

Н

Н

0,8

0,8

0,8

70

0,8

0,8

0,3

0,3

0,5

0,5

Н

Н

0,5

0,5

0,8

96

Н

Н

Н

н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

0,8

соляная

5

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,7

36

0,8

0,8

0,5

0,5

0,8

0,8

н

Н

0,8

0,8

0,8

фосфорная

5

0,8

0,8

0,6

0,6

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,7

Органические кислоты: молочная_

35

0,8

0,8

0,6

0,6

0,8

0,8

0,5

0,5

0,8

0,8

0,8

「лимонная

10

0,8

0,8

0,6

0,6

0,8

0,8

0,5

0,5

0,8

0,8

0,8

уксусная ；-

5

0,7

0,7

0,6

0,6

Н

Н

Н

Н

0,8

0,8

Н

Таблица 64. Химическая стойкость различных видов полимербетонов после 12 мес испытания

оо

о

о

6

ы

Соли и основания:

водный раствор аммиака

10

0,8

0,8

0,8

0,8

0,6

0,6

0,6

0,6

0,8

0*8

0,5

едкий натр

1

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,3

10

0,8

0,8

0,6

0,6

0,6

0,6

Н

Н

0,8

0,8

Н

медный купорос

5,30

0,8

0,&

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8丿

0"

Хлористые растворы солей;

Насы

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,6

0,6

0,8

0,8

0,7

железа, кальция, магния, натрия

щен

ная

Растворители:

ацетон

100

0,7

0,6

0,7

0,7

0,8

0,8

0,8

0,8

Н

Н

0,8

бензол, толуол

100

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,7

0,7

0,8

этиловый спирт

96

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

Нефтепродукты |(дизельное топливо, бензин, керосин, мазут)

100

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

«Н» — применение материала в этих средах недопустимо.

ная кислота по отношению к полимербетонам агрессивнее, чем соляная, но наибольшее снижение прочности наблюдается при действии на полимербетоны воды (табл. 64). Объясняется это тем, что с увеличением концентрации кислоты уменьшается количество воды в растворе и соответственно уменьшается эффект адсорбционного понижения прочности полимербетонов.

Определяющим критерием при оценке стойкости был принят показатель прочности, так как он выражает четкую связь механических и физико-химических свойств материала. Коэффициент стойкости Кст определяется отношением прочности полимербетонов после выдержки в агрессивных средах к первоначальной прочности:

Кст = 0”Оо. (36)

Экспериментальные исследования показали, что зависимость между снижением прочности и временем испытания полимербетона в агрессивных средах в прямоугольных координатах имеет криволинейный характер и может быть описана уравнением

Кс『= т%Ь, (37) где т и b ——постоянные коэффициенты; т ——время выдержки в агрессивной среде, мес.

В области длительного воздействия агрессивных сред эта зависимость в логарифмической системе координат устойчиво линейна для всех видов исследованных полимербетонов и агрессивных сред и хорошо аппроксимируется уравнением

IgKcT = а + big т. (38)

Вычисляя по экспериментальным данным коэффициенты a = lg〃z и Ь, можно для большого отрезка времени определить срок службы полимер бетонных конструкций. Однако обычная методика определения коррозионной стойкости полимербетонов трудоемка, так как требует изготовления большого числа образцов. Более прогрессивным и достаточно надежным является неразрушающий метод определения коэффициента стойкости по изменению динамического модуля упругости:

К〃 =£g"4o -(39) где Eg.o и Egp —динамические модули упругости соответственно в начальный момент и в момент времени т.

Определение динамического модуля упругости полимербетона основано на измерении скорости распростра- нения упругой волны, связанной с модулем упругости следующей зависимостью:

% = V2 р/к, (40)

где р — плотность материала; К — коэффициент, для образца размером 40X40X160 мм К=1・

Экспериментальные исследования динамического модуля упругости с использованием ультразвукового прибора ДУК-20 показали, что динамический коэффициент стойкости Кд подчиняется зависимости, аналогичной для Кст, определяемой обычными способами:

/<д = /г тк , (41)

1g Кд =lg« + /<lgT, (42) где 几 и ^ — постоянные коэффициенты, т ——время с момента начала испытаний.

Корреляционная обработка результатов испытаний показала, что корреляционный коэффициент г близок к единице, т. е. наблюдается хорошее совпадение зависимости lg Kg——Igt с прямой линией. Следовательно, зависимость IgKcr — IgKg должна также носить прямолинейный характер, что подтверждается рис. 36.

Для того чтобы по изменению динамического модуля упругости определить изменение прочности материала, необходимо получить уравнение, связывающее Кд с коэффициентом СТОЙКОСТИ Кст：

1ёКет-^КдС^С2, (43) где Ci и Сг ——коэффициенты, зависящие от вида полимербетона и концентрации кислоты.

На рис. 37 представлены графики изменения коэффициентов Ci и С2 для легких полимербетонов на полиэфирной смоле в зависимости от концентрации серной кислоты, полученные путем математической обработки дан- ных.

Уравнения, описывающие изменение С)и С?, имеют вид:

С1 = 3,75 — 0,0583 С; (44) С2 = 0,075 — 0,01165 С, (45) где С — концентрация Н2so% %.

На основании формул (44) — (45) были построены графики изменения Кст во времени (рис. 38). Расхожде-

—Рис. 36. Зависимость коэффициента химической стойкости Кст от ди* намического коэффициента стойкости К д

/ — в 30%-ном растворе H2SO4; 2 — в 10%-ном растворе Н2s6； 3 — в воде

Рис. 37. Зависимость коэффициен-

{ тов & и С2 от концентрации кислоты

Рис. 38. Зависимость коэффициента стойкости от времени выдержки/ — в 30%-ном растворе H2SO4； 2 — в 10%-ном растворе Н2s0公 3 —в воде;—экспериментальные данные;— расчетныеРис. 38. Зависимость коэффициента стойкости от времени выдержки/ — в 30%-ном растворе H2SO4； 2 — в 10%-ном растворе Н2s0公 3 —в воде;—экспериментальные данные;— расчетныеКсЕ

Рис. 38. Зависимость коэффициента стойкости от времени выдержки

/ — в 30%-ном растворе H2SO4； 2 — в 10%-ном растворе Н2s0公 3 —в воде;

—экспериментальные данные;— расчетные

Рис. 38. Зависимость коэффициента стойкости от времени выдержки

/ — в 30%-ном растворе H2SO4； 2 — в 10%-ном растворе Н2s0公 3 —в воде;

—экспериментальные данные;— расчетные

ние между данными, полученными по формуле (43) и экспериментальными, не превышают 3—5%, т. е. они соизмеримы с точностью эксперимента.

Биостойкость полимербетонов

Помимо неорганических коррозионно-активных сред большую разрушающую активность по отношению к строительным материалам и конструкциям зданий и сооружений проявляют органические агрессивные среды,

животные и растительные организмы и их производные —— органогенные агрессивные среды. В настоящее время ежегодные прямые потери, официально учтенные как биогенные, составляют около 2% стоимости производственной промышленной продукции [148].

Биоповреждения материалов, как известно, сопровождаются разрушительным воздействием органогенных агрессивных сред, выделяемых организмами и растениями (корневой сок, экскреты, экскременты и др.). Разрушительное воздействие органогенных агрессивных сред, в свою очередь, сопровождается жизнедеятельными микроорганизмами, что позволяет считать органогенную коррозию разновидностью биоповреждений. Особенно большая разрушительная деятельность биоорганизмов и органогенных агрессивных сред проявляется на предприятиях пищевой, легкой, химической, медицинской промышленности, в пр оизводственн ых сельскохозяйственных, гидротехнических и других зданиях и сооружениях [192].

Например, асфальтобетонные полы в жировых цехах мясокомбинатов разрушаются после 2—3 мес эксплуатации. Долговечность полов из керамических плиток в других производственных цехах мясокомбинатов не превышает 2,5—3 лет. На Пензенском мясокомбинате после 2 лет эксплуатации около 50% фундаментов под оборудование, выполненных из цементного бетона, имели повреждения (раковины диаметром до 100 и глубиной до 80 мм), а 10% фундаментов в период обследования находились в аварийном состоянии [148]. Имеются сведения, что бетонные ограждающие конструкции и особенно полы в животноводческих комплексах разрушаются за 3—4 года эксплуатации. Поэтому в системе мероприятий, направленных на повышение биостойкости строительных материалов и конструкций, проблема химически стойких полов достаточно важна.

Установлено, что органогенные агрессивные среды чрезвычайно коррозионно активны к цементному бетону. Так, при ежедневном контакте со св ин ы м жиром, нагре- тнм до 70℃, цементные бетоны разрушаются в течение 1—2 мес. Довольно интенсивно цементные бетоны корродируют при контакте с растительными маслами, молоч- НЬ1 ми продуктами, фруктовыми и овощными соками и Другими пищевыми продуктами. Введение различных до- баво% в том числе полимерных эмульсий, латексов, снн、 тетических смол, почти не повышает биостойкости цементных бетонов [148],

Кроме биохимических разрушительных воздействий, при органогенной коррозии наблюдаются биомеханические, биофизические и биоэлектрические коррозионные процессы. Вместе с тем в органогенных агрессивных средах развиваются различные микроорганизмы, что усложняет способы повышения биостойкости материалов и требует придания им соответствующей бактерицидности. Таким образом, механизмы биоповреждений и органогенной коррозии более сложны и многогранны по сравнению с коррозионными процессами, обусловленными неорганическими агрессивными средами.

Как показали исследования, наиболее коррозионностойкими по отношению к органогенным агрессивным средам являются полимербетоны, в том числе на фурановых, эпоксидных и других смолах. Полимербетоны на основе фурановых, фенолоформальдегидных, мочевино- формальдегидных смолах обладают не только значительно большей биостойкостью по сравнению с цементными и асфальтовыми бетонами, но и высокой бактерицид- ностью; 2% -ный водный раствор фурфурола полностью приостанавливает брожение; фурфурол, формальдегид п другие составляющие полимерного связующего убивают или приостанавливают рост бактерий.

Наряду с повышенной биостойкостью некоторым видам полимербетонов присущи и определенные недостатки: наличие в ряде полимерных связующих свободных экзогенных биологически активных веществ, которые оказывают на биосферу и продукты питания негативные химико-биологические воздействия; содержание в связующем свободной воды, которая уменьшает биостойкость фенольных и карбамидных полимербетонов. Поэтому для улучшения эксплуатационных характеристик, и в том числе биостойкости полимербетонов, следует использовать модифицирование минеральных наполнителей поверхностно-активными веществами, введение в полимер- бетонную смесь бактерицидов и фторсодержащих минеральных наполнителей.

Кроме улучшения смачиваемости повышения удобо- укладываемости и конечной плотности полимербетонов, ПАВ при введении в полимербетонную смесь интенсифицируют процессы освобождения полимерного связующего от низкомолекулярных биологически активных веществ (ацетона, фурфурола, дифурфурилдиацетона и др.), что способствует улучшению химико-биологиче- ских характеристик полимербетонов.

Наиболее распространенными бактерицидами в настоящее время служат органические и неорганические соединения. К органическим соединениям относятся фе- нОл и его производные, нафтолы, галоген производные, органические соединения ртутн и др., к неорганическим —галогены, хлориды и др. В качестве фторсодержащих добавок к минеральным наполнителям используют фтористый аммоний, фтористую медь и др.

Влажностные напряжения

Для изучения напряжений, возникающих в полимербетонах при всестороннем увлажиении, полимербетон- ный образец размером 25X25X300 мм устанавливали в специальный алюминиевый стакан, который закрепляли в зажимах специальной установки. В стакан заливали воду, затем всю систему настраивали на нулевые показания.

В процессе всестороннего увлажнения наружные увлажненные слои стремятся растянуть образец на величину £, это вызывает отклонение конца компенсирующего плеча рычага. Контакты замыкаются и реверсивный двигатель перемещает груз до тех пор, пока рычаг не возвратится в исходное положение. Таким образом, любая деформация образца компенсируется приложенным к нему внешним усилием, соответствующим среднему влажностному напряжению в образце [81, 109]. При измерении усилий, возникающих в увлажняемых образцах, погрешность установки составляет ±0,5%.

При настройке установки на нужный диапазон необходимо учитывать угловую поправку, которая определяется зависимостью между временно допускаемой (сигнальной) деформацией образца 9 и рабочим перемещением конца рычага А

8 = (A/L)[/±8tg(a/2)], (46) где L ——длина рычага; / ——расстояние между шарнирами; В——расстояние от верхнего шарнира до продольной оси рычага; а — угол поворота рычага при сигнальной деформации образца.

Знак «+» в формуле ставится при увлажнении образца, «—》при высыхании.

Принимая во внимание малое значение угла а, указанную зависимость можно представить в более удобном Для практических расчетов виде:

6-(A/L) [l±B^/2 L)]. (47)

При всестороннем увлажнении в зависимости от степени свободы образца эпюры влажностных напряжений в поперечном сечепии будут различны.

Эпюры влажностных напряжений для жестко закрепленного образца в зажимах прибора и всестороннем увлажнении показаны на рис. 39. Средние напряжения сжатия могут быть рассчитаны по формуле

Оср ~- Pi /S —屮， (48) где dcp ——влажностные напряжения в наружных слоях полимербетона, МПа; Pi—усилие, зафиксированное на приборе; S — площадь, насыщенная низкомолекулярной жидкостью, см2； “一релаксация напряжений к данному моменту времени, МПа.

Зная глубину проникания жидкости в материал /?а, легко определить площадь насыщения S. Значение /га определяется по формулам (35) или (54). По среднему напряжению с учетом геометрического построения эпюры легко вычислить максимальное влажностное напряжение, возникающее в поверхностном слое.

Для незакрепленного образца, который может свободно деформироваться по длине, эпюра напряжений будет иметь вид, показанный на рис. 39,6. В этом случае напряжения растяжения в средней части можно подсчитать по формуле

ор — 8т £ср/(1 —卩)一屮， (49) где % —оптимальное удлинение образца в данный момент времени; £Ср ——средний модуль упругости материала, МПа; ц — коэффициент Пуассона.

Из геометрического noci роения эпюры видно, что

& = 2 S ,

& = ор (// — 2 Zia) (50)

S = Осж 力а /2 (51)

Откуда

Осж = op {Н — 2 /?а )/ha —屮. (52)

Результаты экспериментального определения влажностных напряжений полнмербетонных образцов других составов (рис. 40, табл. 65) показывают, что после 720 q всестороннего увлажнения сжимающие напряжения на поверхности образца составляют от 2,6 до 3,1 МПа, а растягивающие в средней части сечения ——25——30% сжимающих. -

Рис. 39. Эпюры влажностных напряжений в образцах из полимербетона при всестороннем увлажнении для закрепленного (а) и незакрепленного (6) образца

Если полимербетонные конструкции будут эксплуатироваться в условиях центрального сжатия, то, учитывая масштабный фактор, такие напряжения практически не опасны. А в растянутой зоне изгибаемых элементов сжимающие напряжения будут препятствовать преждевременному раскрытию трещин.

Таблица 65. Влажностные напряжения при всестороннем увлажнении образца, МПа

№ состава полимербетона (по табл. 24)

Время, сут

10

20

30

3

0.8

1,9

3.1

I

0,7

1.6

2,75

2

0,65

1,5

2,6

При одностороннем увлажнении полимербетонов влажностные деформации набухшего Слоя будут стремиться преодолеть сопротивление сухих слоев и вызвать изгиб образца. Кроме того, элементы натурных конс1рук- Ций, как правило, жестко связаны и ограничивают воз-

Рис, 40. Изменение влажностных напряжений полимербетона составов 2 и ,; во времени

никающие деформации. Поэтому в полимербетоне появ ляются внутренние напряжения, сопутствующие изгибу.

Моделировать указанный процесс можно жестким за~ креплением концов образца исследуемого материала так. чтобы при одностороннем увлажнении не происходила деформация изгиба. Зная моменты, которые необходима приложить к концам образца, можно расчетным путем установить значения влажностных напряжений и их изменение по толщине материала [81].

Первоначально кинетика деформаций изучалась на незакрепленных образцах размером 15X25X250 мм, свободно лежащих на двух опорах и погруженных в жидкость нижней плоскостью. При этом прогибы в центре образца замеряли индикаторами часового типа с точностью до 0,001 мм, а их относительное удлинение фиксировали при помощи механических тензометров Гугенбер- га с базой 100 мм.

С увеличением продолжительности воздействия жидкой среды скорость развития деформаций А/ уменьшается и примерно через 300 ч становится равной нулю, а затем деформации изгиба развиваются с противополож- ным знаком (рис. 41). К этому времени фронт диффундирующей жидкости проникает на такую глубину, при которой увлажненный слой материала может растягивать весь образец. Поэтому относительное удлинение 8口

2004U0600 г2004U0600 гDuc. 4L Кинетика деформаций на・ гИба 6 и относительного удлинения прИ одностороннем увлажнении по- лимербетонных образцов, свободно лежащих на двух опорах

2004U0600 г

2004U0600 г

поверхности, не соприкасающейся с жидкостью, непрерывно увеличивается, а деформации изгиба А/, перейдя через максимум, уменьшаются.

Для построения эпюр распределения нормальных внутренних напряжений, возникающих в материале при одностороннем контакте с жидкостью, были приняты следующие положения: материал изотропен и толщина его в реальных конструкциях в 10 раз меньше длины, поэтому давлением разбухающих слоев по толщине, которое вызывается касательными напряжениями, можно пренебречь.

Эпюра нормальных напряжений по толщине свободно деформируемого образца показывает, что при проникании низкомолекулярной жидкости на глубину % и на* бухании увлажненных слоев сухие неувлажненные слон не позволяют деформироваться наружным слоям. Поэтому в наиболее набухших слоях возникнут напряжения сжимающие(Уз, а в менее набухших и сухих слоях — растягивающие а Набухшие слон изгибают образец н тем самым сжимают вышележащие сухие слои материала, в которых также возникают напряжения сжатия о. Обоснование связи перегиба эпюры с глубиной проникания жидкости в материал и сдвига нейтральной оси изгибаемого образца в сторону неувлажненной части приведено в [136].Указанный сдвиг нейтральной оси определяется ее расстоянием 財，см, до неувлажненной части материала.

Перечисленные параметры характеризуют очертание эпюры нормальных напряжений, возникающих при одностороннем контакте полимербетона с жидкой средой.

Для незакрепленного образца эти параметры определяются следующими выражениями:

% (/2 + 4Д/)2/[8Д/(1-еп)], (52) где еп — относительная деформация образца на увлажняемой пс - верхности; / — длина образца между опорами; Л/ —размер прогр ба в середине образца со стороны неувлажняемой поверхности:

йа = " (1 —- е-а) ИЛИ 儿="(1 —已4ng/勺， (54) где /га — глубина проникания жидкости, см; Н — толщина образца см; t ——время, с; а ——коэффициент проницаемости, см/с; Д ——коэф фициент диффузии жидкости в исследуемом материале, см2/с;

М =ЬМХ /(& Я2), (55) где Мх — изгибающий момент в рассматриваемом сечении образц.1 на расстоянии х от начала координат при условии, что оно совпадает с опорным шарниром; b — ширина образца;

62 ——济("—% 一力a )也； (56 i

. 5з — - © 力 I 一 闻力 2 )/2 Aa +

十 /(6( h\ 十 §2 力2 )2 /4 /Za — @2 力2 © + §2 ) — б?"】/九a , (57) где力2 ="——%——九2 .

Для определения влажностных напряжений при одностороннем увлажнении закрепленных образцов была использована установка Л. О. Лепарского [81]. Установка позволяет автоматически изменять прикладываемые к противоположным концам образца изгибающие моменты при сохранении заданного размера прогиба продольной оси образца.

Установка (рис. 42) скомпонована из двух идентичных блоков, в которых закрепляют концы образца 1 из 172

полимербетона. Каждый блок выполнен в виде двухплечевого рычага 2, качающегося относительно опорной оси 3. По компенсирующему плечу рычага под действием механического привода, подключенному к реверсивному электродвигателю, перемещается груз 4. Другое плечо рычага несет противовес 6, уравновешивающий рычаг перед установкой образца. Концы образцов закрепляют в П-образцом коромысле 5.

В процессе набухания при одностороннем увлажнении и росте влажностных напряжений в образце возникает изгибающий момент, который повернет двухплечевой рычаг 2 и замкнет контакты Ki и Кз. При этом включаются электродвигатели, которые перемещают грузы 4 до тех пор, пока образец не вернется в исходное положение. Таким образом, изменение прогиба продольной оси образца будет компенсировано приложенными к его концам изгибающими моментами Л1Ь значение которых может быть зафиксировано. Погрешность при измерении изгибающих моментов М составляет ±0,5%.

Для закрепленного образца, деформация изгиба которого стеснена, сжимающие о； и растягивающие о； напряжения определяют по формулам:

а； = — 6i (〃一瓦 + 优)伙1 +(12Мх/6 〃)3(〃/2 — Ла ); (58) §3 = — ® h\ — &2 力2 )/2 /za + V(6( h\ + &2 力2 )2 /4 從>

—[62 (61 + 62) + 62 H\/ha + 6 Mx /6〃з .(59)

При построении эпюры напряжений ^для закрепленного образца следует иметь в виду, что о； = 0.

В приведенные формулы расчета влажностных напряжений входят значения продольных деформаций и изгиба образца, свободно деформирующихся при увлажнении.

Результаты экспериментального определения изгибающих моментов М, а также напряжений о；н о ；, развивающихся в образцах, закрепленных в зажимах прибора, показали, что кинетика изгибающего момента аналогична изменению деформации изгиба незакрепленного образца.

Напряжения о£, возникающие в увлажненном слое материала, резко уменьшаются с увеличением глубины проникания низкомолекулярной жидкости. Растягивающие напряжения о； достигают своего максимального

значения примерно через 80——90 q и затем уменьшаются.

Анализ результатов испытаний полимербетонных образцов при одностороннем увлажнении показывает, что влажностные напряжения наиболее опасны в начальный период контакта полимербетона с жидкими средами, когда скорость диффузии жидкости и, как следствие, интенсивное набухание сравнительно велики, модуль упругости еще достаточно высок, а значение релаксации напряжений еще мало.

Наиболее опасно увлажнение изгибаемых элементов в растянутой зоне, так как оно способствует интенсивному развитию деформаций. В сжатой, наоборот, оно сдерживает развитие деформаций. Однако когда жидкости, проникает на значительную глубину, напряжения ежа тия, изменив знак, перейдут в напряжения растяжения

Приведенные результаты исследований диффузион ной проницаемости и химической стойкости полимербетонов, а также исследований коррозионной стойкости сталь ной арматуры в тяжелых полимербетонах (выполнень1. Берманом Г. М.) и легких полимербетонах на аглогюри- товых заполнителях (выполнены Лучининой Ф. А.) показали, что при правильном подборе составов и достаточной толщине защитного слоя коррозии стальной ар- матуры практически не происходит. Ста л еполимер бетонные конструкции длительное время могут эксплуатироваться в условиях интенсивного воздействия жидких агрессивных сред.

Коррозионная стойкость арматуры в полимербетонах

Известно, что стальная арматура в плотном железобетоне не корродирует в течение длительного времени. Отсутствие коррозии стали в цементных бетонах объясняется ее пассивностью в щелочной среде таких бетонов. Основные условия пассивности стали в цементных бетонах——ее постоянный контакт с поровой жидкостью, имеющей pH 12, при этом наблюдается полное торможение анодного процесса. Коррозия арматуры в цементных бетонах обычно начинается в карбонизированном бетоне, когда создаются условия для более или менее свободного протекания анодного процесса растворения металла.

В полимербетонах механизм защитного действия и возможные процессы коррозии арматуры будут существенно отличаться от аналогичных процессов в цементных бетонах.

В технической литературе сравнительно мало данных 0 коррозионной стойкости арматуры в полимербетонах, к тому же некоторые из этих данных противоречивы. Поэтому необходимо привести хотя бы краткие результаты исследований, выполненных в этой области.

По методике, разработанной в лаборатории полимербетонов НИИЖБа, прямые испытания на коррозионную стойкость арматуры проводили на шлифованных до 7 класса чистоты, обезжиренных стальных стержнях из стали класса Ст 5, которые укладывались по три стержня в полимербетонные образцы с толщиной защитного слоя у арматуры 7, 15, 20, 25, 30 и 35 мм. Диаметр стержней составлял 6 и 8 при длине 100 мм. Защитный слой толщиной 7 мм был принят для получения количественной оценки за сравнительно короткие сроки.

Полностью отвержденные полимербетонные образцы устанавливали на коррозионные испытания в наиболее характерных средах: воздушно-сухой, атмосферной, воде, растворах кислот Н2sО4 и НС1 и производства электролиза меди. В ряде жидких сред испытания проводили при повышенных температурах； По истечении намеченных сроков полимербетонные образцы тщательно осматривали, разбивали и извлекали из них арматурные стержни.

Состояние стальной арматуры оценивали по следующим показателям: площади распространения коррозии—визуально, % к площади образца; потери массы от коррозии — взвешиванием стержней на аналитических весах с точностью до 0,001 г; глубине проникания коррозии мкм, определяемой на измерительном микроскопе МИС-11, при значительной глубине язв, индикатором с иглой; скорости коррозии, г/м2, определяемой по формуле-

V^=\G/(S т), (60) где AG—— потеря массы образца арматуры, г; S ——площадь поверхности стержня, м2; т ——время испытания, ч.

Перечисленные показатели одновременно определялись не менее чем на 3 параллельных образцах арматуры.

В отличие от стальной коррозионная стойкость стеклопластиковой арматуры (СПА) характеризовалась коэффициентом стойкости Кст, который показывает изме- ненне прочности при изгибе стеклопластиковых арматурных стержней диаметром 6 и длиной 100 мм А& после ис-

пытания в полимерных образцах по сравнению с прочностью контрольных образцов А"

Кеш = Rt /R。• (61)

При определении концентрации водородных ионов pH в водных вытяжках растворной части различных полимербетонов установлено, что полимербетоны на полиэфирных и эпоксидных смолах имеют значения pH, соответствующие нейтральным растворам. Значение pH растворной части полимербетонов на фурановых смолах имеет кислый характер. При этом с увеличением количества вводимого отвердителя БСК pH уменьшается.

Прямые испытания в агрессивных средах показали, что в полимербетонах на полиэфирных и эпоксидных смолах при толщине защитного слоя более 20адм коррозия арматуры практически отсутствует во всех исследованных средах, кроме горячей кислоты. В растворах горячей кислоты, обладающих высокой проникающей способностью и агрессивностью по отношению к стали, наблюдается коррозия, которая примерно соответствует коррозии арматуры в полимербетонах ФАМ, испытанных в растворах кислот при обычной температуре (табл. 66).

Таблица 66. Значение pH для различных полимербетонов

Полимербетон

Количество кислого отвердителя, %

pH

На связующем ПН-1

7—8

На связующем ЭД

7—8

ФАМ

20

4,5—5

30

3,8-4

В полимербетонах ФАМ, испытанных в воздушно' сухих условиях, коррозии арматуры не наблюдалось. В жидких средах обнаружено поражение стальной арматуры независимо от вида среды. Однако величина коррозионного поражения колеблется в очень широких пределах и зависит от следующих причин: состава полимербетона, толщины защитного слоя и температуры агрессив- ной среды.

Испытания показали, что с увеличением толщины защитного слоя происходит существенное замедление коррозионных процессов стальной арматуры, а с повышением температуры агрессивной среды коррозионные

процессы протекают более интенсивно (табл. 67), так как при этом повышается скорость диффузии жидких сред через защитный слой полимербетона.

Таблица 67. Коррозия стальной аоматуоы в тяжелом полимербетоне ФАМ

Агрессивная среда

Толщина защитного слоя, мм

Продолжительность испытания,

Площадь коррозии, %

Потеря массы, г/ м2

Скорость коррозии г/м2 -Ч ■ 104

Наибольшая глубина коррозии, мкм

10%-ный

15

6

0,9

0

—

раствор

18

30

13,3

10,4

36

H2SO4

/=18—^0℃

20

—

1

0

—

18

5

4,8

3,7

—-

30

—

0,9

0

—■

18

—

0,9

0

—

35

—

1

0

—

18

—

0,9

0

—

10%-ный

15

20

нл

26,4

42

раствор

18

70

27,3

18,5

88

H2SO4

/ = 50℃

20

6

10

7,2

16,5

80

18

30

22,6

17,8

90

30

6 ■

3,2

7,4

-•

18

25

14,2

13

86

35

6

1,8

4,1

18

20

10,8

10,5

70

В полимербетонах с кислыми отвердителями существенное влияние на коррозию арматуры в жидких агрессивных средах оказывает вид наполнителей и заполнителей. Наиболее высокими защитными свойствами по отношению к арматуре обладают полимербетоны на гранитном и андезитовом наполнителях и заполнителях. Введение в состав полимербетонов пористых заполнителей приводит к некоторому увеличению коррозии арматуры.

Исходя из опасения, что у полимербетонов на пористых заполнителях коррозия арматуры будет проходить значительно интенсивнее, чем у тяжелых полимербетонов, длительность испытаний арматуры в образцах полимербетонов на пористых заполнителях была увеличена до 36 мес. Испытания показали (табл. €)8), что при одинаковых условиях агрессивного воздействия скорость коррозии стальной арматуры у термообработанных об-

разцов в среднем на 18—30% меньше соответственно для толщин защитного слоя 25 и 15 мм, чем у полимербетонов, отверждаемых в нормальных условиях.

Таблица 68. Коррозия стальной арматуры в легком полимербетоне ФАМ на аглопорнте

Агрессивная среда

Режим твердения

Толщина защитного

Слоя, мм

Проницаемость, ММ./ГОД

Потеря, массы, г7M2

1О7о-ный раствор

Нормальный

15

Q.0031

66

H2SO4

25

аооп

28

/ = 18—20℃

Термообработка

35

0,0012

11,9

15

0,0027

53,3

25

0.0012

19

30%-ный раствор

Нормальный

15

0.0013

10,2

H2SO4

25

0

0,46

35

0

0,5

/=18—20℃

Термообработка

15

О.ООН

8,45

25

0

0,5

Скорость коррозии у полимербетонов ФАМ на агло- поритовом щебне и кварцевом песке в 1,5 раза ниже, чем у полимербетонов ФАМ на аглопоритовом щебне и пористом песке.

При испытании армированных образцов третьего состава (табл. 66) в 30% -ном растворе серной кислоты в течение 3 лет у арматурных стержней с толщиной защитного слоя 25 и 35 мм обнаружены слабые следы коррозии металла (~0,5 г/м2).

Такая незначительная величина коррозионного разрушения после 3 лет испытаний в весьма жестких условиях убедительно показывает, что полимербетоны ФАМ на пористых заполнителях при правильно подобранном составе также обеспечивают вполне надежную защиту арматуры.

Наибольшему разрушению подвергается стальная арматура в полимербетонах при наличии в их составе графита, хотя стойкость самих полимербетонов с графитом весьма высока. Это объясняется тем, что графит в сочетании с арматурной сталью образует электрохимическую пару, в которой графит является катодом, а сталь ——активным анодом. Коррозия протекает в основном за счет образования локальных микроэлементов на поверхности арматуры, приводя к интенсивной язвенной коррозии и,

3 конечном итоге, к полному разрушению арматурной стали.

Результаты испытаний свидетельствуют, что в воздушно-сухих и атмосферных условиях среда полимербетонов, в том числе при использовании кислых отвердителей, не влияет на прочность стеклопластиковой арматуры. Через 18 мес испытаний Кст практически не снизился.

При испытании полимер бетонных образцов со стальной и стеклопластиковой арматурой в жидких агрессивных средах было установлено, что полимербетонные образцы, армированные стальной арматурой, имеют большие повреждения. Это объясняется нарушением сплошности полимербетона продуктами коррозии стали, которые образуются на поверхности арматуры с увеличением ее объема и создают значительные расклинивающие усн- лия. После испытания полимерных образцов в жидких средах снижение прочности стеклопластиковой apмaтy^ ры менее значительно, чем под действием щелочной среды в цементных бетонах.

При испытании полимербетонных образцов, армированных стеклопластиковой арматурой, в среде электролизных ванн было установлено, что стойкость такой арматуры, обладающей диэлектрическими свойствами, значительно выше, чем стальной.

Таким образом, существующие в настоящее время полимербетоны по виду отвердителей можно разбить на три основные группы (см. табл. 4, глава 1): отверждаемые различными кислотами; отверждаемые перекисями; отверждаемые аминами и щелочами.

У третьего вида полимербетонов стальная арматура находится в наиболее благоприятных условиях, так как щелочная среда отвердителя должна способствовать пассивации стали, а высокая плотность полимербетона достаточно надежно защищает ее от контакта с агрессивными средами. В наименее благоприятных условиях будет находиться арматура в полимербетонах, отверждаемых различными кислотами. Вторая группа полимербетонов занимают по этим признакам промежуточное положение (табл. 69).

Принятая нами классификация полимербетонов по виду отвердителя и стойкости арматуры в зависимости от вида отвердителя и вида наполнителя и заполнителя позволяет прогнозировать поведение арматуры и в зависимости от условий эксплуатации более правильно выби-

Таблица 69. Классификация полимербетонов по виду отвердителя и стойкости арматуры

Отвердитель

Стойкость арматуры в зависимости от аид.а наполнителей и .заполнителей

числые породы (граниты

.и др.)

средние поро- ды (андезит и др.)

пористые

углеграфитовые

Кислоты

Полиамиды и щелочи Перекиси

Хорошая

》

》

Хорошая

》

Удовлетворительная Хорошая

Неудовлетворительная Удовлетворительная

рать вид полимербетона в каждом конкретном случае.

Прямыми коррозионными испытаниями было установлено, что коррозия стальной арматуры начинается через некоторое время (время запаздывания) после контакта армополимербетона с агрессивной жидкостью. При этом скорость коррозии можно условно разделить на три области. В первой области наблюдается увеличение скорости коррозии в связи с диффузионным накоплением агрессивной жидкости и увеличением ее концентрации у поверхности металла.

Для второй области характерно снижение во времени скорости коррозии, что связано с возрастанием электрохимического торможения коррозионного процесса за счет образования плотного слоя продуктов коррозии на арматуре и экранирования ими поверхности металла.

Третья область» характерная в основном для полимербетонов низкой стойкости и для малых толщин защитного слоя, — область вновь возрастающей скорости коррозии за счет язвенного поражения арматуры.

Для полимербетонов с графитовым наполнителем характерно отсутствие второй области. У полимербетонов на гранитном заполнителе и андезитовом наполнителе отсутствует третья область. Для таких полимербетонов при толщине защитного слоя 30 мм и постоянном действии 10%-ной серной кислоты при 20℃ скорость коррозии во второй области составляет примерно 0,003—0,004 мм/ /год. При такой скорости коррозии арматура может вполне надежно эксплуатироваться не менее 25 лет.

Глава 9. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОЛИМЕРБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

9.L Механизм разрушения полимерных материалов

Сопоставляя экспериментальные данные, характеризующие кратковременную и длительную статическую прочность, ползучесть, деформации вязкого течения, остаточные деформации, длительную прочность полимербетонов при многократных пульсирующих нагрузках и т. д., можно обнаружить общие закономерности для всех видов механических испытаний и режимов нагружения. Например, при быстром загружении до определенного уровня напряжений и разгружении наблюдается прямая зависимость между напряжениями и деформациями, причем в полимербетоне отсутствуют остаточные деформации. При длительном приложении сравнительно малых нагрузок деформации затухают, при больших — вначале затухают, а затем ускоренно возрастают. Можно предположить, что общность этих закономерностей является проявлением некоторого единого физического механизма, связанного с процессами изменения структуры материала при загружении.

Аналогия кривых ползучести при длительном статическом и многократном пульсирующем загружении на разных уровнях дает основание считать, что механизм разрушения в обоих случаях имеет общую физико-механическую природу. Знание этой природы дало бы возможность объяснить временные и деформативные явления с единой точки зрения и более уверенно прогнозировать поведение материала с учетом характера и истории нагружения.

Известно, что с точки зрения механики деформирования существуют два типа полимеров [48, 49, 71] — линейные и пространственно сшитые.

К линейным полимерам относится большинство термопластичных полимерных материалов, деформации ползучести которых складываются из упругих а, высокоэластических b и вязких с деформаций (рис. 43). При этом основную часть общей деформации составляют деформации высокоэластическая и вязкого течения, а упругая деформация заметно проявляется только при быстром загружении или относительно низких температурах. Полимеры этого типа не имеют равновесной деформации., так как под действием постоянных внешних нагрузок вы-

Рнс. 43. Характерные кривые деформаций термопластичных (а) и термореактивных (б) полимеров

сокоэластические деформации экспоненциально затухают, а деформации вязкого течения необратимо увеличиваются пропорционально времени загружения. При разгрузке высокоэластические деформации восстанавливаются во времени, а значение остаточных деформаций определяется деформацией вязкого течения [49, 71].

К пространственно сшитым полимерам принадлежит большинство термореактивных смол. Макромолекулы этих полимеров имеют общую пространственную сшивку, и полимерное изделие, по существу, представляет собой единую гигантскую молекулу. Если это верно, то деформации ползучести у этих полимеров проявляются только в результате упругих и высокоэластических деформаций. Для полимеров этого типа должны быть характерны только обратимые деформации и отсутствие остаточных деформаций после разгрузки (см. рис. 43, б).

На основании этих положений в [149] отмечается, что равновесная деформация и вязкое течение взаимоисключают друг друга: либо материал имеет равновесную деформацию, тогда нет вязкого течения и вызываемых им остаточных деформаций (пространственно сшитые полимеры), либо в материале есть вязкое течение и вызываемые им остаточные деформации, но тогда для него не существует равновесной деформации (линейные полимеры). Проявление у сшитых полимеров остаточных деформаций может быть объяснено только частичным разрушением поперечных связей.

Однако даже теоретически трудно предположить возможность полной пространственной сшивки всех макромолекул в блоке полимера. В реальных системах степень полимеризации олигомеров в лучшем случае составляет 97—98%, а практически не более 95—96%. В крупногабаритных изделиях, характеризуемых значительными

температурными перепадами по сечению в процессе отверждения, суммарная степень полимеризации оказыва- еТся еще ниже. К этому необходимо добавить, что для многих термореактивных смол отверждение происходит в присутствии катализаторов, которые не вступают в хи- мкнескне соединения с молекулами полимера, но остаются в объеме материала.

Поэтому естественно предположить, что в таких системах пространственно сшитые молекулы могут чередоваться с непрореагировавшими молекулами олигомера н включениями катализаторов. В этом случае сшитые полимеры могут иметь ограниченные деформации вязкого течения без разрушения поперечных связей, а их значения будут определяться объемом вязкой фазы в блоке полимера.

Разрушение большинства реальных материалов вызывается постепенным возникновением и развитием мик- ротрещии. Вопрос этот рассматривался в работах П. А. Ребиндера, И. Н. Ахвердова, С. Н. Журкова, М. И. Бессонова, Н. В. Михайлова, А. И. Слуцкера, В. С. Куксен- ко, В. Е. Гуля и многих других авторов. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, на основании которого предложены различные гипотезы кинетики разрушения материалов. Однако до сих пор нет единого мнения о физической сущности разрушения [24, 35, 49, 53].

Так, с помощью оптической микроскопии было установлено, что микротрещины образуются по всему объему полимерного материала спустя некоторое время после его загружения независимо от приложенной нагрузки. При выдержке образца под нагрузкой образуются новые трещины, а старые разрастаются. Микротрещинообразо- вание является процессом необратимым, длительный отдых материала после разгружения не приводит к《зале- уиванию》трещин, и после очередного загружения они снова начинают расти.

В ряде работ показано, что в вершине трещины разгруженного образца идет процесс самозалечивания, приводящий к увеличению прочности за время «отдыха». Прочность увеличивается с повышением температуры, и особенно резко вблизи температуры стеклования и текучести полимера.

Весьма интересные исследования кинетики образования и развития субмикроскопических трещин выполнены акад. С. Н. Журковым и его сотрудниками. С помощью

метода рассеивания рентгеновских лучей под малыми углами были обнаружены мельчайшие трещины при одноосном растяжении полимеров, имеющие форму дисков диаметром от нескольких десятков до сотен ангстрем и ориентированные плоскостями перпендикулярно оси нагружения. Эксперименты показали, что при постоянном напряжении субмикроскопические трещины зарождаются весьма неравномерно: вначале скорость их образования очень велика, с течением времени она постепенно затухает, а с ростом нагрузки увеличивается по экспоненциальному закону.

Общая концентрация трещин перед разрушением независимо от вида полимера и нагрузки имеет практически одно и то же значение, равное 10й—10"' см-3. При этой концентрации и обнаруженных размерах трещин появляется возможность такого их сближения, когда a/L^3, где о — расстояние между ближайшими концами трещин, L — длина (диаметр) трещины.

Теоретические расчеты показывают [118], что под действием растягивающих напряжений при отношении a/L<^3 происходит слияние мелких трещин в более крупные вследствие разрыва перемычек между ними. Этот процесс слияния трещин, случайно возникших в каком-то месте, и оказавшихся близко расположенными друг от друга, начнет ускоряться и в результате приведет к возникновению магистральной трещины и разрыву образца.

К сожалению, все испытания авторы проводили в основном на полимерах, относящихся к первой группе, и при сравнительно высоких напряжениях (от 60 до 200 МПа). Поэтому характер возникновения и развития трещин у просаранственно сшитых полимеров и при малых напряжениях оказался недостаточно выясненным.

При изучении кинетики разрушения отвержденных ненаполненных термореактивных смол под действием усадочных напряжений нами также были обнаружены чешуйчатые микро- и макротрещины, имеющие правильную форму дисков, которые, прорастая, могут наблюдаться даже невооруженным глазом (рис. 44). По всей вероятности при соответствующем уровне напряжений механизм разрушения таких полимеров аналогичен ранее описанному.

Следует отметить практически полное отсутствие работ, связанных с изучением механизма процесса разрушения вы соконаполненных полимерных материалов на основе термореактивн^х смол.

Рис. 44. Чешуйчатые трещины, возникающие в призмах из полиэфирной смолы ПН-1 в результате внутренних напряжений

Совместная работа синтетического связующего и наполнителя

Известно, что высокие показатели физико-механиче- ских свойств наполненных полимерных композиций могут быть получены при условии достаточной прочности адгезионных связей синтетического связующего с поверхностью наполнителей. Прочность адгезионных связей многих термореактивных смол с поверхностью минеральных наполнителей (силикаты, карбонаты и др.) может достигать 10—15 МПа [6, 83].

Исходя из этих предпосылок, некоторые исследователи считают, что при напряжениях в связующем, превышающих прочность адгезионных связей, происходит отслоение полимерной оболочки-матрицы от поверхности наполнителя, и тогда разрушающие напряжения определяются только напряжениями, возникающими в оставшемся сечении полимера. Однако экспериментальные исследования кинетики развития деформаций и характера разрушения при различных режимах нагружения не подтверждают принятых предпосылок.

Диаграммы о ——е, записанные шлейфовым осциллографом [61, 82] при быстром нагружении образца со скоростью более 60 МПа в 1 мин, доказывают наличие линейной зависимости между а и 8 до определенного уровня напряжений (g<Ru) . При g<Rk после первого цикла быстрого нагружения и разтружения обнаружены незначительные остаточные деформации, при семикратном повторении таких циклов остаточных деформаций не наблюдалось (рис. 45). Это дает основание предположить, что при подобных режимах нагружения адгезионные связи между связующим и наполнителем не нарушаются, и наполнитель, принимая на себя соответствующую на-

Рис. 45. Деформации при кратковременном нагружении и разгруже- нии (по осциллограмме)Рис. 45. Деформации при кратковременном нагружении и разгруже- нии (по осциллограмме)Рис. 46. Схема развития трещин в зоне зерна наполнителя/ ——зерно наполнителя; 2 — надмолекулярные образования адгезионного слоя； 3 — микро- и мак、 ротрещиныРис. 46. Схема развития трещин в зоне зерна наполнителя/ ——зерно наполнителя; 2 — надмолекулярные образования адгезионного слоя； 3 — микро- и мак、 ротрещиныРис. 47. Характерная кривая деформации полимербетонов на основе термореактивных смол

Рис. 45. Деформации при кратковременном нагружении и разгруже- нии (по осциллограмме)

Рис. 45. Деформации при кратковременном нагружении и разгруже- нии (по осциллограмме)

Рис. 46. Схема развития трещин в зоне зерна наполнителя

/ ——зерно наполнителя; 2 — надмолекулярные образования адгезионного слоя； 3 — микро- и мак、 ротрещины

Рис. 46. Схема развития трещин в зоне зерна наполнителя

/ ——зерно наполнителя; 2 — надмолекулярные образования адгезионного слоя； 3 — микро- и мак、 ротрещины

а — упругая деформация; в — высокоэластическая деформация; с — ограниченная деформация вязкого течения

грузку, деформируется совместно с полимерной оболич- кой-матрицен пропорционально своему модулю упругости (например, для полиэфирной смолы ПН-1 модуль упругости составляет примерно 2,5- 103, а для кварцевого песка — 5 -104 МПа).

Выполненные с помощью оптического и электронного микроскопа исследования образцов, наполненных такими прочными наполнителями, как кварц, гранит, андезит и др., не обнаруживали нарушения адгезионных связен связующего с поверхностью наполнителя. Во всех случаях при испытаниях на одноосное растяжение, растяжение раскалыванием, изгиб и сжатие разрушение происходило с разрывом наполнителей и по дефектным местам в объеме полимера. При этом неразрушенные частицы наполнителя, выходящие на поверхность разлома, всегда оказываются покрытыми полимерным чехлом.

Таким образом, прямые опыты не подтвердили су-

ществующей точки зрения и показали, что при любых напряжениях, возникающих в наполненных полимерных композициях, в том числе и в полимербетонах, такие системы работают как единое целое вплоть до разрушения без нарушения адгезионных связей между связующим и зернами наполнителей и заполнителей. Следовательно, у большинства видов полимербетонов прочность адгезионных связей всегда оказывается выше прочности наиболее часто применяемых наполнителей и заполнителей и когезионной прочности полимера. Эти положения хорошо согласуются с данными [28, 134] и многих других.

Условия для разрывов связей между молекулами полимера и последующего образования субмикроскопических и микроскопических трещин в наполненных полимерных композициях на основе термореактивных смол существенно отличаются от условий, характерных для полимеров первой группы или ненаполненных реактопластов. В этом случае разрывы химических связей и образование субмикроскопических трещин наблюдаются прежде всего в дефектных местах, находящихся в объеме полимера на значительном удалении от поверхности наполнителя. Слияние мелких трещин в более крупные в результате разрыва перемычек между ними будет происходить в более сложных условиях, так как рано или поздно вершины этих трещин попадут в зону более упорядоченных структур вблизи поверхности наполнителя. Дальнейшее увеличение такой трещины может происходить или вокруг поверхности наполнителя, или путем разрыва полимерного чехла и самого наполнителя (рис. 46), что и подтверждается прямыми наблюдениями характера излома наполненных композиций. Как в первом, так и во втором случаях работа, затраченная на разрушение в зоне наполнителя, увеличивается, что служит дополнительным доказательством проявления эффекта упрочнения полимеров минеральными наполнителями.

Деформирование наполненных полимерных композиций на основе термореактивных смол под действием внешне приложенных усилий можно представить следующим образом. В первый момент приложения нагрузки в материале возникнут упругие деформации, затем начнут проявляться ограниченные деформации вязкого течения, пропорциональные количеству вязкой фазы, и высокоэластические деформации (рис. 47). До тех пор, пока не будут закончены деформации вязкого течения, трудно предположить, что в материале могут возникнуть микро-

разрушения. Если такие микроразрушения и возникнут, то они будут носить сублокальный характер, не определяющий поведения материала под нагрузкой. Только после окончания вязкого деформирования в материале могут проявиться процессы микроразрушения, которые, достигнув критического значения, приведут к его разрушению.

Так как деформации вязкого течения необратимы, то отсюда должно вытекать два следствия: 1) после снятия нагрузки полимербетонные образцы могут иметь остаточные деформации» не связанные с процессами микроразрушения; 2) при последующем нагружении при сжатии или при изгибе таких образцов должен наблюдаться эффект уплотнения и некоторого упрочнения, и при одинаковых повторных нагрузках деформации этих образцов должны быть меньше на величину деформации вязкого течения.

Экспериментальные исследования достаточно убедительно подтверждают описанный механизм деформирования и процесс разрушения полимербетонов.

Исследования деформаций полимербетонных призм размером 100Х100X400 мм при ступенчатом испытании на сжатие, выполненные Ф. А. Лучининой и Г. К. Соловьевым, показывают, что уже при сравнительно небольших нагрузках достаточно четко проявляется эффект уплотнения.

Зависимость изменения объема AQ = [—Аеп.прод (2Аеп.попер)]105 от приложенной нагрузки в процессе уплотнения представлена на рис. 48, а (Аеп.попер и Аеп.прод) — приращение полных поперечных и продольных деформаций.

В этом случае участок кривой АВ наглядно отражает уменьшение объема полимербетона, т. е. уплотнение материала, а затем появление и развитие микротрещин приводит к увеличению объема. При этом характерно практически полное совпадение R? и R^ , определяемых по скорости прохождения ультразвука и по изменению объема AQ полимербетонных образцов в процессе испытаний.

При исследовании длительной прочности и деформа- тивпости двухслойных балок, верхняя часть которых выполнена нз цементного бетона, а нижияя из полимербетонов на эпоксидной и полиэфирной смоле, В. В. Фридман отмечает, что при повторном загружении таких балок

a)a)Рис. 48. Определение границ мнк- роразрушения полимербетонов ФАМ на аглопорнтовом щебне а — изменение объема： 6 — изменение времени прохождения ультразвука т, %, первоначального времениРис. 48. Определение границ мнк- роразрушения полимербетонов ФАМ на аглопорнтовом щебне а — изменение объема： 6 — изменение времени прохождения ультразвука т, %, первоначального времени

a)

a)

Рис. 48. Определение границ мнк- роразрушения полимербетонов ФАМ на аглопорнтовом щебне а — изменение объема： 6 — изменение времени прохождения ультразвука т, %, первоначального времени

Рис. 48. Определение границ мнк- роразрушения полимербетонов ФАМ на аглопорнтовом щебне а — изменение объема： 6 — изменение времени прохождения ультразвука т, %, первоначального времени

полные деформации уменьшаются [142]. Таким образом, экспериментальные данные полученные в НИИЖБе, и исследования других авторов [142, 149] убедительно отражают проявление двух процессов, протекающих в полимербетонах под нагрузкой. Вначале в основном за счет деформации вязкого течения полимербетон уплотняется, а затем на определенном уровне напряжений появляются и развиваются микротрещины, что приводит к увеличению объема материала и последующему его разрушению.

Температурно-временная зависимость длительной прочности полимербетонов

Применение полимербетонов в качестве несущих конструкций промышленных зданий и сооружений в условиях воздействия различных агрессивных сред не только рациональное и экономически оправданное, но в некоторых случаях и единственно возможное решение. В то》ке время широкое внедрение в практику строительства полимербетонов сдерживается рядом причин, главными из которых являются отсутствие надежной и практически

удобной оценки длительной прочности и деформационных характеристик полимербетонов и методов расчета несущих конструкций на их основе.

Специфические свойства полимерных материалов определяют всю сложность разработки единой теории и методов расчета длительной прочности и деформатив- ности конструкционных элементов на их основе {28, 48, 71, 100, 145].

Известно, что реальная прочность большинства технических материалов на несколько порядков ниже теоретической, рассчитанной исходя из сил межмолекулярного взаимодействия. Объяснение зтого расхождения впервые было дано А. Гриффитом. Он предположил наличие ,в твердом теле зарсдышевых трещин и показал, что напряжения в их вершинах совпадают с теоретической прочностью материала, а средние напряжения, приложенные к материалу в момент разрушения, являются мерой его технической прочности.

На основании этих представлений была предложена статистическая теория хрупкой прочности. Однако в соответствии с этой теорией трудно объяснить зависимость прочности от продолжительности действия нагрузки и составить представление о критическом характере разрушения. В более поздних работах показано, что полимерные материалы разрушаются в результате процесса, развивающегося непрерывно во времени, а время до полного разрушения в значительной степени зависит от продолжительности действия нагрузки и температуры среды.

Для определения длительной прочности полимерных материалов, имеющих хрупкий разрыв, С. Н. Журков предложил уравнение:

т = Т0 £%—丫6/〈Kt), (62)

из которого вытекает, что при постоянной температуре

ё — ё0 — const 1g т/то , (63)

где т—время до разрушения материалов при папряжепии ст; U。и то ——константы, характеризующие материалы; 丫 ——структурный коэффициент; Т ——абсолютная температура; К — универсальная газовая постоянная; и。——абсолютный предел прочности полимерного материала, oro~t7oV-

Уравнение (63) показывает, что прочность существенно зависит от времени действия приложенной нагрузки: чем больше это время, тем меньше конечная прочность.

Из формулы (62) следует, что с повышением температуры прочность полимеров также падает. При заданном времени действия, приложенной силы влияние температуры до определенного предела носит линейный характер:

ё ё0 — const Т. (64)

Хотя зависимость (62) и позволила избежать противоречий, характерных для статистической теории прочности, однако она не лишена и некоторых недостатков. Если о->0, длительная прочность образца ограничена, а если o=oo=Uo/T, длительная прочность оказывается независимой от температуры, что нарушает физический смысл формулы (62). В [29, 46] дана теоретическая зависимость, освобождающая формулу (62) от физических парадоксов.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что величина то лежит в пределах от 10-12 до 10~1з (Табл. 70). Это значение очень близко к периоду колебаний атомов в твердом теле. Поэтому при прогнозировании длительной прочности константу То, как правило, можно не определять. Отсюда вытекает весьма важный вывод о том, что длительная прочность при прочих равных условиях характеризуется лишь двумя коэффициентами О。и у, которые можно назвать константами материала. Следовательно, для прогнозирования долговечности полимербетонов необходимо экспериментально определить эти коэффициенты.

Таблица 70. Константы полимерных материалов и полимербетонов на основе КФ-Ж и ПН-1

Материал

То, С

Uo, кДж/моль

V, кДж (моль-Н)

Капроновое волокно

10-12

189

18

Полипропилен

ЮТ

235

26,9,

Полистирол

ю-13

235

Поливинилхлорид

ЮТ

202

24,8

Полиметилметакрилат

10~13

1130

Полимербетон на КФ-Ж

IL?

—

Полимербетон на ПН-1

10-13

149

440—490

Приведенные выше формулы, характеризующие длительную прочность, справедливы только в том случае, если у исследуемых материалов закончились все физико-

химические превращения и они обладают стабильнымг； свойствами.

В процессе отверждения крупногабаритных полимер бетонных изделий и конструкций в материале возникают значительные температурные и временные усадочные внутренние напряжения, приводящие в некоторых слу чаях к нарушению его монолитности. Положение у сугуб ляется тем, что такие конструкции предназначены дл5 использования в условиях воздействия различных агрес сивных сред, которые, в свою очередь, нарушают ста бильность структурного состояния материала. Поэтом) необходимо подробнее рассмотреть физическую сущност: математического выражения температурно-временной за-( висимости прочности таких материалов.

Известно, что в стабильных температурно-влажностных условиях для каждого вида материала и характера напряженного состояния все члены, входящие в форму-〔 лу (62), кроме структурного коэффициента у, имеют од- । нозначное конкретное значение. Структурный коэффи-； циент у = Во)(со — флуктуационный объем элементарно- ! го акта разрушения, р — коэффициент концентрации | напряжений) характеризует структурное состояние мате-： риала и равномерность распределения напряжений внешнего силового поля. Коэффициент В, в свою очередь, зависит не только от температуры, но и от приложенного напряжения, так как эти параметры определяют скорость релаксационных процессов. Таким образом, даже I в стабильных условиях коэффициент В изменяет свое значение.

Например, начальное отверждение натурных конструкций из полимербетонов во многих случаях происходит при обычной температуре окружающей среды, т. е. в изотермических условиях с выделением значительного количества теплоты в окружающую среду. В этом случае в начальный момент по всему сечению изделия имеется равномерное температурное поле Оо (рис. 49, а). С началом процесса отверждения вследствие экзотермиче- ского саморазогрева, теплообмена с окружающей средой и относительно низкой теплопроводности полимербетонов температурное поле становится неравномерным по сечению с максимумом в центре сечения (рис. 49,6). По мере развития процессов полимеризации (или поликондеН' сации) этот эффект усиливается и разность температур Af между наружными поверхностями изделия и его центром быстро возрастает (рис. 49, в).

С повышением температуры изделие должно расширяться в результате температурных деформаций. Образование в процессе полимеризации химических связей сопровождается развитием усадочных деформаций. Естественно предположить, что к моменту достижения максимальных температур эпюры внутренних напряжений будут выглядеть так, как это показано на (рис. 50), и температурные напряжения будут компенсироваться усадочными напряжениями. Однако опыт показывает, что в ряде случаев разрушение происходит под действием температурь^ых напряжений.

В работе [105] установлено, что усадочные деформации запаздывают и отстают по времени от температурных деформаций. Отсюда вытекают весьма важные следствия: 1) усадочные деформации развиваются несколько позже температурных; 2) при высоких температурах экзотермического саморазогрева температурные деформации и соответствующие им внутренние напряжения могут приводить к нарушению монолитности изделий; 3) несовпадение по времени температурных и усадочных внутренних напряжений позволяет определять их раздельно.

Таким образом, нельзя допустить, чтобы в реальных конструкциях в процессе формования и отверждения возникали высокие температуры и соответствующие им температурные напряжения. До начала организации выпуска каждого изделия или конструкции необходимо предварительно определять максимально возможные температурные напряжения. Формулы для определения температурных напряжении известны. Однако при выводе указан- ных формул предполагалось, что модуль упругости и коэффициент температурных деформаций материала остаются постоянными.

Нелинейное распределение температуры по сечению изделия, переменные модуль упругости и коэффициент температурных деформаций, наличие релаксационных процессов настолько усложняют предложенную методику расчета, чго ее практически невозможно использовать для расчета температурных напряжений полимербетон- ных конструкций.

Нами показано, что модуль упругости полимербетонов существенно зависит от температуры и может быть описан экспоненциальной зависимостью:

(65)(65)£ = (1 — е"),

(65)

(65)

a)a)S)S)6)6)Рис. 50. Эпюры внутренних напряжений по сечению изделияа — под действием температурных деформаций; 6 — то же, усадочных; 8 — суммарная эпюра внутренних напряжений ,Рис. 50. Эпюры внутренних напряжений по сечению изделияа — под действием температурных деформаций; 6 — то же, усадочных; 8 — суммарная эпюра внутренних напряжений ,

a)

a)

S)

S)

6)

6)

Рис. 50. Эпюры внутренних напряжений по сечению изделия

а — под действием температурных деформаций; 6 — то же, усадочных; 8 — суммарная эпюра внутренних напряжений ,

Рис. 50. Эпюры внутренних напряжений по сечению изделия

а — под действием температурных деформаций; 6 — то же, усадочных; 8 — суммарная эпюра внутренних напряжений ,

где Е± — модуль упругости полимербетона при нормальной температуре; a — коэффициент, для полиэфирных и фурановых смол а = 0,055; / — температура полимербетона.

Исследования свидетельствовали, что в пределах от нуля до 100℃ кратковременная прочность и модуль упругости полимербетонных призм уменьшаются пропорционально повышению температуры. Следовательно, в процессе отверждения полимербетонов предельное значение модуля упругости характеризуется температурой саморазогрева и не может быть выше соответствующего модуля упругости для отвержденных образцов.

Коэффициент температурных деформаций полимербетона при изменении температуры от 20 до 100℃ также изменяется линейно в пределах 19- 10~4—13- 10~4.

На основании статистической обработки результатов испытаний нами предложена сравнительно простая формула, позволяющая с достаточной для практических целей точностью определять максимальные температурные напряжения:

6/ — (Ео — К /мак) 1 О3 (ее /мак — Ct f i )屮/( 1 — Ll), (66) где Gt——максимальные температурные напряжения; Ео — модуль упругости при 0°С; ^ ——коэффициент пропорциональности,女= = 0,9 Па •℃; h н /Мак — температура саморазогрева соответственно на поверхности и в центре сечения; а — коэффициент температурных деформаций； ц — коэффициент Пуассона, ц —0,22...0,275; -ф — коэффициент релаксации температурных напряжений, 0,6...0,7.

Таким образом, изменения структурного состояния полимербетонов могут быть учтены только в том случае, если коэффициент р будет отражать алгебраическую сумму всех напряжений, возникающих в материале:

6 = 61 十①十 бу + б» , (67) где В — суммарный коэффициент концентрации напряжений; р；—— напряжения от внешних силовых нагрузок; о〉；(7У; о'ь ——напряжения соответственно температурные, усадочные н влажностные.

Следовательно, в структурный коэффициент 丫 должен входить суммарный коэффициент р.

Меньшей однородностью и значительными собственными напряжениями можно, по всей вероятности, объяснить то, что козффнциент т для полимербетонов более чем на порядок выше аналогичных величин для ненапол- ненных термопластичных материалов (см. табл. 70).

Уравнение (62} можно записать в виде:

6 = Uo /Y — (К T/Y)1口 (т/т0). (68)

При условии Т=7\ = соп5t из выражения (68) следу- ет, что действующие в материале напряжения линейно связаны с логарифмом долговечности материала. Таким образом, для прогнозирования долговечности материала в условиях совместного воздействия нагрузки и температуры необходимо определять величины Uo и у.

С точки зрения кинетической концепции прочности, процесс разруидения при совместном воздействии нагрузки и агрессивной среды надо рассматривать как процесс, развивающийся в материале во времени. Поэтому характеристикой разрушения может быть скорость накопления микроразрушений от нагрузки 17H и от действия агрессивной среды Va. Результирующая скорость разру-

Рис. 51. Установка для испытания полимербетонов на длительную прочность при изгибе/ — образец； 2 — рычаги； 3 — грузРис. 51. Установка для испытания полимербетонов на длительную прочность при изгибе/ — образец； 2 — рычаги； 3 — груз

Рис. 51. Установка для испытания полимербетонов на длительную прочность при изгибе

/ — образец； 2 — рычаги； 3 — груз

Рис. 51. Установка для испытания полимербетонов на длительную прочность при изгибе

/ — образец； 2 — рычаги； 3 — груз

Рнс. 52. Изменение долговечности в зависимости от напряжений и температуры

/ — легкий полимербетон ПН-1 при 20℃; 2, 3 н 4 — легкий почимербетсн КФ'Ж при 20, 60 и 8(ГС соответственно

шения Ucyv в каждый момент времени т в первом приближении можно определить по формуле:

VcyM(T)-VH (r) + Va (т), (69) где Vn (т) — скорость разрушения материала от действия нагрузки; Va (т)—скорость разрушения материала от действия агрессивной среды.

Предположение, что результирующая скорость разрушения определяется суммой скоростей от каждого воздействия в отдельности, является наиболее простым, однако оно не подтверждается экспериментальными данными.

Для соответствующих долговечностей имеем

1/Тсум = 1/Гн 十 I/% ИЛИ ТСуМ = Та Тн /(Та 十 Тн ). (70)

Экспериментальное определение долговечности полимербетонов под действием нагрузки и температуры окружающей среды при растяжении при изгибе проводилось на специальных установках (рис. 51). Варьируя нагрузку и температуру с помощью специального приспособления, прослеживали изменение долговечности в широких пределах от секунд до нескольких месяцев.

Полученные экспериментальные данные в координатах 1g т — о приведены на рис. 52. Их математическая обработка показала наличие линейной связи как при растяжении, так и при изгибе. Уравнения связи для рассматриваемых полимербетонов приведены в табл. 71.

Экстраполяция зависимостей 1g т ——о для полимербе-

Таблица 71. Основные константы исследованных полимербетонов

Показатель

Полимербетон

на смоле КФ-Ж (при растяжении)

на смоле ПН-1 (при изгибе)

Уравнения связи для / = 20°С для / = 60°С для f = 80℃

Энергетический барьер Vo, кДж/моль

То. с

Коэффициент у, кДж-МПа

lgr = 8,9...0,98а lgT = 7,8...0,93cr 1g 工=6,56... 0,87g

130

10-13

6.1

lgT= 12,96...0,8a

147

io-13

4,2

тона КФ-Ж показывает, что все три прямые пересекаются в одной точке с ординатой 1g t = 13 или то= Ю-13 с, что не противоречит имеющимся данным (рис. 52).

Зная Ро=1О-'з с, можно определить U° и у, входящие в уравнение (62). Из уравнения (62) следует:

仆=丫6 = 2,303КТ(1gIgF )•(71)

Величины, входящие в первую часть уравнения (71), известны, следовательно, для различных значений °о —— 70 можно вычислить и Результаты расчета по формуле (71) для состава на К①-Ж приведены на рис. 53. Найденные величины при различных температурах достаточно хорошо легли на прямую, отвечающую уравнению U = =Uo — уа, из которого можно определить % и у (см. табл. 71).

Получив значения то； °о и у, можно определить долговечность Тп, пользуясь формулой (70).

В условиях действия агрессивных сред большинство полимерных материалов, в том числе и полимербетоны, с течением времени снижают свою прочность. Изменение прочности полимербетона при растяжении, изгибе в зависимости от времени пребывания в агрессивной среде та может быть представлено в виде

За /6о ='"г£ '(72)

где и。——условная прочность при скорости нагружения 0,1——0,2 МПа в 1 с; та ——время пребывания в агрессивной среде, с; п и m ——постоянные, зависящие от вида материала и вида агрессивной среды; Оа ——прочность материала после пребывания в агрессивной среде в течение времени т, МПа.

При этом зависимость (72) применима прита^ЗО сут.

Рис. 53. Зависимость энергии активации от напряжения для полимербетонов КФ-Ж• □ н △ — результаты получены При 20℃； 2, 3 н 4 — легкий полимербетон КФЖ при 20°, 60° и 80°С со ответ ствеииоРис. 53. Зависимость энергии активации от напряжения для полимербетонов КФ-Ж• □ н △ — результаты получены При 20℃； 2, 3 н 4 — легкий полимербетон КФЖ при 20°, 60° и 80°С со ответ ствеииоРис. 54. Изменение долговечности полимербетона ПН-1

Рис. 53. Зависимость энергии активации от напряжения для полимербетонов КФ-Ж

• □ н △ — результаты получены При 20℃； 2, 3 н 4 — легкий полимербетон КФЖ при 20°, 60° и 80°С со ответ ствеиио

Рис. 53. Зависимость энергии активации от напряжения для полимербетонов КФ-Ж

• □ н △ — результаты получены При 20℃； 2, 3 н 4 — легкий полимербетон КФЖ при 20°, 60° и 80°С со ответ ствеиио

/ — в H2SO4 10%-ной концентрации: 2 — в воде; 3 — в Н2sО4 30%-ной концентрации; 4 — при действии механической растягивающей нагрузки; 5 一 прн совместном действии механической нагрузки и Н2sCh 10%-ной . концентрации; 6 — при совместном действии механической нагрузки н воды

На основе формулы (72) долговечность полимербетона в условиях воздействия агрессивных сред и при отсутствии внешних нагрузок можно выразить в виде

(73)(73)% = Р^а /(И 瓦)•

(73)

(73)

Это выражение позволяет, задавшись допустимым снижением прочности материала, вычислить его долговечность в этих условиях.

Для полимербетонов КФ-Ж н ПН-1 были определены

постоянные『〃 и п при воздействии воды и растворов “]5。乙 10%- и 30%-ной концентрации (табл. 72).

Таблица 72, Изменение коэффициентов 〃 и /〃 в зависимости от вида агрессивной среды

Полимербетон

Агрессивная среда

п

т

ПН-1 (при изгибе)

Н2sО4 10%-ной кон-

—0,116

4.6

центрации

То же. 30%-иои

-0 04

1 73

концентрации 1ЬО

—J 83

11.73

КФ-Ж (при растя-

Н2sО4 10%~ной кон-

-0.105

4.18

жени и)

центрации

То же. 30%-ной

-0,143

6,89

НСО

—0 089

2.94

Анализируя полученные зависимости суммарной долговечности (рис. 54) от Тн и Та следует отметить, что графи?, и суммарной долговечности имеют переломы при иеьогорых уровнях напряжений 0P В области о> >0「卩 определяющее влияние на долговечность оказывают механические нагрузки, так как ти<^та, а в области о<о「р определяющее влияние на общую долговечность оказывает агрессивная среда, так как Тн》та.

Предложенная методика была использована при расчете долговечности полимербетонных колонн подванных эстакад цехов электролиза меди, эксплуатируемых в условиях совместного действия нагрузок, повышенных температур и проливов растворов серной кислоты. Многолетний опыт эксплуатации несущих полимербетонных конструкций доказал，правомочность использования данной методики для прогнозирования аналогичных конструкций из различных видов полимербетонов.

Экспериментально-теоретические исследования по определению методики расчета и прогноза долговечности химически стойких полимербетонных конструкций, выполненные в лаборатории полимербетонов НИИЖБа, подтверждаются успешной многолетней эксплуатацией многих конструкций и сооружений из полимербетонов. Так, на Балхашском горно-металлургическом комбинате одна из ванн Электролиза меди из полимербетона на связующем ФАМ. эксплуатируется около 20 лет и до насто-

ящего времени находится в хорошем состоянии. Так же, как и полимербетонные тротуарные плиты размером 500X500X30 мм на основе полиэфирной смолы ПН-1, уложенные на опытном участке НИИЖБа в 1967 г.

Изготовленные в 1968——1970 гг. 16 полимербетонных травильных ванн размером 2000Х1200 мм. Их практически не ремонтировали в течение 10—12 лет (Днепропетровский 1рубопрокатный завод).

Корецкий В. 11. [77], проводя тщательные натурные обследования полимербетонных облицовок водоскатов семи эксплуатируемых гидротехнических сооружении Средней Азии (четыре из них построены в 1962—1964 гг.) установил, что для водозаборных сооружений на предгорных участках рек характерны короткие паводковые периоды, когда через гидросооружения сбрасывается 60—80% годового стока и донных наносов. В межпаводковые периоды сооружения, как правило, свободны от воды, в это время разрушительное действие наносов и воды сменяется атмосферным воздействием и высокой солнечной радиацией.

На основании результатов натурных обследований н испытания кернов, взятых из полимербетонных облицовок после 12—13 лет эксплуатации, были получены убедительные данные и высокой надежности и долговечности полимербетона, воспринимающего весьма жесткие внешние воздействия. Напрпь ер, на Сары-Курганском, Беш- Ллышском, Караспансьом и других гироузлах за год проходит 40——100 тыс. м3 нансссш со средней крупностью 40—50 мм. При гаком интенсивном воздействии наносов полимербетонные облицовки изнашиваются в значительно меньшей степени по сравнен尸飞)с облицовками из железобетона и каменного лить% [77].

Расчеты по предложенной в НИИЖБе методике показывают, что прогнозируемая юлговечность полимербетонных конструкций в зависимо ли от вида полимербетона и условий эксплуатации мол-е г составлять от 20 до 40 лет. По данным Корецкого В. I L. прогнозируемая долговечность облицовок на основе нолимербегона ФАМ равна 30—40 лет, т. е. результаты в обогх случаях практически совпадают. Расчет производило? в сооз зетсгвии с методикой, приведенной в Г ОС Г 258^1--83.

Исследования А. И. Чебаненко 丨145| позволили уста новить четко выраженные релаксационные и гистерезисные свойства полимербетонов, обусловленные активным проявлением энтропийной упругости полимерной м^три-

цы. На основании этих исследований А. И. Чебаненко разработал основы теории расчета армополимербетон- ных конструкций, основные положения которой заключаются в следующем:

в методике расчета учитывается комплексная оценка механических и деформационных свойств полимербетонов, которая осуществляется с помощью структурных диаграмм. Контуры этих диаграмм устанавливаются по четырем признакам: кратковременной и длительной прочности, начальному модулю упругости и предельной равновесной деформации;

учитывается влияние физической нелинейности механических характеристик полимербетонов, которые предварительно получили строгую математическую интерпретацию;

оцениваются реологические свойства материала исходя из параметрической теории ползучести;

учитываются особенности предварительно напряженных армополимербетонных конструкций с металлической и неметаллической напрягаемой арматурой. При этом расчетные формулы базируются на общепризнанной методике по I и П группам предельных состояний, гарантирующих надежность эксплуатационных характеристик.

Базируясь на теории расчета армополимербетонных 'конструкций В. Е. Беляевым [34] предложена теория расчета армополимербетонных конструкций, которая учитывает одновременное воздействие внешних нагрузок и температуры. Основные положения этой теории отражены в «Руководстве по проектированию полимербетонных конструкций на полиэфирных смолах».

Глава 10. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ и ОГНЕВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛИМЕРБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Повышение огнестойкости полимербетонов

К числу недостатков полимерных материалов и пластмасс на их основе относятся сравнительно низкая термо-

стойкость и горючесть. Степень наполнения пластмасс различными неорганическими материалами, как правило, лежит в пределах от 30 до 60% по массе. Естественно, чем выше степень наполнения и соответственно меньше количество полимера в полимерной композиции, тем в большей степени увеличивается термостойкость и уменьшается возможность возгорания такого материала. Но даже при такой степени наполнения большинство пластмасс хорошо горит.

Долгое время армополимербетонные конструкции рассматривались как пожароопасные, имеющие низкий предел огнестойкости, что являлось одной из причин, сдерживающих их широкое применение.

Как отмечалось выше, полимербетоны содержат в своем со-ставе от 4 до 10% полимерного связующего, а остальную часть (90——96%) составляют негорючие минеральные заполнители и наполнители. Таким образом, сама композиционная структура полимербетонов обусло- * вливает минимальную возможность возгораемости и го- ? рючести таких материалов.?

Синтетические мономеры и олигомеры, наиболее ча- ； сто используемые в качестве связующего при изготовлении полимербетонов, имеют различную температуру воспламенения и удельную теплоту сгорания, которые в зависимости от вида полимера могут отличаться между собой в 1,5—2 раза (табл. 73).；

Применение в качестве связующего фурановых, карбамидных и фенолоформальдегидных смол, обладающих сравнительно высокой температурой воспламенения, позволяет предположить, что конструкции из полимербетонов на их основе будут обладать достаточно высокой огнестойкостью.

Таблица 73. Температура воспламенения н удельная теплота сгорания ненаполненных отвержденных полимеров

Полимер

Температура воспламенения, °C

Удельная теплота сгорания, кДж/кг

Полиэфирматеинатные

250

29300

Полиметил метакрилатные

280Т00

264CI0

Эпоксидные

400

—

Полиуретановые

400 -440

24360

Фенолоформалъдегидные

500

21000

Мочевиноформальдегидные

450

17640

ФурФУРошацеюновие

400Т50

24360

За последние годы появилось много работ, связанных с проблемой горючести и огнестойкости полимерных материалов и пластмасс на их основе. Исследования в области деструкции и горения полимерных материалов [38, 43, 44, 61, 93], снижения их горючести и разработки способов повышения огнестойкости строительных конструкций [44, 110, 140] показали, что характерной особенностью горения полимерных строительных материалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания. Анализ этих работ позволяет рассматривать горение полимерных материалов как непрерывный процесс, состоящий из ряда стадий: аккумуляции тепловой энергии от источников зажигания, разложения материала, воспламенения и горения летучих продуктов пиролиза.

Выявленные закономерности процессов пиролиза и горения полимеров позволяют определить возможные пути снижения их горючести и повышения огнестойкости путем замедления реакций на стадии пиролиза, снижения теплообмена в массе композиции и ингибирования процессов горения. Этого можно достичь введением антипиренов, негорючих наполнителей и химическим модифицированием полимеров.

Исследования показали, что для снижения горючести полимерных строительных материалов без существенного снижения эксплуатационных показателей наиболее эффективны фосфорсодержащие реакционноспособные соединения. Механизм действия этих антипиренов обусловлен повышением термоокислительной стабильности полимеров, которая связана со снижением количества выделяемых горючих летучих продуктов деструкции и увеличением выхода коксового остатка, препятствующего тепло- и массообмену при горении.

Воробьев В. А., например, считает, что фосфорсодержащий реакционноспособный антипирен фосфакрилат при введении в полиэфирную смолу ПН-1 не только существенно снижает горючесть, но и способствует увеличению термостабильности отвержденного полимера [44].

Введение антипиренов и направленную модификацию полимерных строительных материалов можно с успехом применять и для мономеров или олигомеров, используемых в качестве связующего в полимербетонах, что в сочетании с высокой степенью наполнения обеспечит наибольшую их эффективность.

Результаты исследований горючести полимерных строительных материалов могут быть использованы при разработке составов полимербетонов на стадии выбора вида связующего. .

Влияние температуры на прочность и начальный модуль упругости

Влияние температуры на прочность и начальный модуль упругости тяжелых полимербетонов ФАМ в НИИЖБе определяли на образцах-призмах размерами 70X70X280 мм и 100X100X400 мм при 20, 40, 60, 80 и Ю0℃. Для каждой температуры и каждого размера призм испытывали по три образца.

Плавный подъем температуры осуществлялся со скоростью 20℃/ч в специальных муфельных печах при помощи регулятора напряжения РНО-250. Для равномерного прогрева по всему сечению призмы выдерживали при заданной температуре 4 ч. Распределение температуры по высоте призм контролировали тремя термопарами, подключенными к потенциометру.

Деформации замеряли на базе 100 мм при помощи индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм, установленных с четырех сторон призмы при помощи специальных рамок и удлинителей.

Результаты испытаний показали, что в интервале температур до 100℃ предел прочности и модуль упругости уменьшаются пропорционально повышению температуры. При дальнейшем увеличении температуры происходит более интенсивное снижение прочности и модуля упругости, связанное с началом термической деструкции полимерного связующего. В пределах до 100℃ снижение прочности и жесткости полимербетона ФАМ является процессом обратимым, т. е. при снижении температуры до 20℃ прочность и модуль упругости принимают первоначальное значение (рис. 55).

Увеличение времени выдержки образцов при 60℃ до 100 ч практически не оказывает влияния на изменение прочности и модуля упругости полимербетонов ФАМ.

Выполненные исследования позволили получить коэффициенты снижения предела прочности и модуля упругости полимербетонов в зависимости от температуры при кратковременном действии нагрузок (табл. 74). Аналогичные результаты были получены в ВИСИ и МИИТе 204

при испытании не только полимербетонов, но и полимер- растворов [60, 76].

Таблица 74* Коэффициенты снижения прочности и начального модуля упругости полимербетона ФАМ в зависимости от температуры

Температура, ℃

Коэффициенты снижения предела прочности

Коэффициенты снижения начального модуля упругости (по данным авто-

по данным автора

по данным ВИСИ

ра и

ВИСИ)

20

1

il

1

40

.0,9

Ц9

0,9

60

州

Q.3

80

0"

0/5

07

100

0.6

0Ь65

0,6

При нагреве полимер бетонных образцов до 150, 200, 300 и 400℃ и последующем охлаждении до 20℃ прочность оказалась равной соответственно 0,8; 0,6; 0,36 и 0,2 凡工卩(20℃), что говорит о наличии необратимых изменений в структуре материала, но даже при нагреве до 400℃ материал сохраняет 20% первоначальной прочности (рис. 56).

По данным Федорова В. С. [182], прочность на сжатие полимербетонов при кратковременном нагреве можно учитывать соответствующим коэффициентом ^пб： при % до 100℃ ^М= 1,12...0,600 /; при t= 100,..400℃ 团口6 = = 0,7...0,018

С. Н. Журков, Г. Л. Слонимский, А. Л. Рабинович и многие другие отмечают, что прочность термопластичных полимеров, каучуков и резин повышается прямопропорционально понижению температуры, и абсолютная прочность этих материалов может быть получена при температуре — 200℃ и ниже.

Исследования прочностных характеристик полимерных композиций на основе термореактивных и, в первую очередь, фурфурол ацетоновых смол в зависимости от влияния низких температур практически не проводились. Поэтому эти принципиально важные свойства необходимо было проверить применительно к полимербетонам ФАМ. Прочностные характеристики определялись при ：пониженных температурах от 0 до —195°С, на тех же образцах, что и при повышенных температурах, При этом охлаждение до 0 и —20℃ проводили в морозильных ка・

400℃400℃7 — после охлаждения до 20℃： 2 — в нагретом состоянии7 — после охлаждения до 20℃： 2 — в нагретом состоянии

400℃

400℃

7 — после охлаждения до 20℃： 2 — в нагретом состоянии

7 — после охлаждения до 20℃： 2 — в нагретом состоянии

Mqpax НИИЖБ; до ^40 и —60℃ — в термобарокамере ТБК-1000 и до 一195℃ — в специальных термостатах — контейнерах при использовании жидкого азота.

Образцы из морозильных камер к испытательным машинам транспортировались также в термосах-контейнерах. Для снижения теплопередачи от металлических плит пресса в процессе испытаний между рабочими гранями образцов и плитами пресса укладывали пластинки из стеклопластика.

Испытания полимер бетонных образцов при пониженных температурах показали, что с понижением температуры до нуля происходит пропорциональное увеличение прочности. При понижении температуры до —20°С прочность не только не возрастает, но даже падает, и только при дальнейшем понижении температуры она стабилизируется или незначительно повышается (рис. 57). Таким образом, с понижением температуры линейного увеличения прочности для полимербетонов ФАМ не наблюдается.

Обнаруженные закономерности изменения прочности полимербетона можно объяснить тем, что смола ФАМ содержит до 0,8% воды, и поликонденсация этой смолы также сопровождается выделением 0,4—0,5% воды. В интервале температур от 0 до —20℃ вода, находящаяся в порах и капиллярах, замерзает, вызывая появление в

Рнс. 57. Общая зависимость прочности полимербетона ФАМ от температуры в пределах от 100℃ до — 200℃

полимербетоне микротрещин. Поэтому, несмотря на увеличение прочности, связанное с понижением температуры, наличие локальных микротрещин приводит к общему понижению прочности. При дальнейшем уменьшении температуры, хотя и происходит некоторый рост прочности, но наличие микротрещйн сказывается и в этом случае.

Горючесть полимербетонов

В НИИЖБе совместно с ВНИИПО исследовалась возгораемость и горючесть полимербетонов на различных видах, связующего, содержание которого колебалось в пределах 8—-12% по массе [110].

Испытания на горючесть первоначально проводили в огневой трубе (рис. 58) по методике, которая представляет собой экспресс-метод, позволяющий получить предварительную оценку степени горючести материалов. Результаты испытаний (табл. 75) свидетельствовали, что принятая методика не учитывает специфические особенности полимербетонов.

По этому методу материал относится к группе сгораемых, если потеря массы образца после испытаний составляет более 20% и самостоятельное пламенное горение или тление продолжается более 60 с. Так как содержание полимерного связующего в полимербетоне ниже 20%, то по принятой методике все виды полимербетонов будут относиться к группе трудносгораемых. Кроме того, по методу огневой трубы можно испытывать образцы размером (10X35X150 мм). Наличие же в полимербетоне зерен щебня определяет минимальное сечение изготов-

Рнс. 58. Схема прибора «Огневая труба»

/ — стальная труба; 2 — образец; 3 — горелка； 4 — зеркало： 5 — штатив： 6 — крючок для крепления образца

Рнс. 59. Схема прибора «Керамическая труба»

J — керамический короб; 2 — га- зовая горелка； 3 — металлическая подставка; 4 — автоматический по- тенциометр; 5 — образец; 6 — держатель образца; 7 — термопара; 8 — зонт

Рис. 60. Установка для испытания на возгораемость по методу калориметрии / — вакуум-насос; 2 — промывные бутылки для отходящих газов; 3 — реометры или ротаметры; 4 — фильтр; 5 — калориметр; 6—электромотор; 7 — регулятор мощности нагревателя； 8 — раттметр; 9— манометр; /Q — воздуходувка

Таблица 75. Потеря массы образца после испытаний в огневой трубе

Бетон

Количество полимерного связующего, %

Потеря массы образца, %

Цементный класса ВЗО

0,15

Полимербетон на смоле ЭД-20

15 ,

77

То же, на карбамидной смоле (КФ-Ж)

12,

0,29

То же；, на фурановой смоле ФАМ

8

0」7

ляемых образцов не менее 40X40 мм. Таким образом, для огневой трубы образцы могут быть изготовлены или из полимер растворов, что связано с увеличением содержания полимерного связующего, или выпиливаться из более крупных заготовок из полимербетона, что связано I с определенными трудностями.

Поэтому в дальнейшем испытания на горючесть про- I водились в керамической трубе (рис. 59), в которой можно испытывать образцы размером 40X40X160 мм. При этом потерю массы после испытания относили не к общей массе образца, а к массе полимерного связующего. Совместно с ВНИИПО было установлено, что при поте- I ре массы более 9% полимербетоны относятся к группе :сгораемых (горючих), менее 9% —к группе трудносго- £ раемых материалов.

:После огневого воздействия в керамической трубе

призмы можно испытывать на изгиб и определять сниже- j ние прочности по сравнению с контрольными образцами. I Метод калориметрии был принят в Советском Союзе f для определения группы горючести относительно одно- ! родных твердых материалов (рис. 60). Распределение материалов по группам возгораемости при испытании по методу калориметрии производится количественно на основании показателя возгораемости К, который представляет собой безразмерную величину отношения теплоты, выделенной образцом в процессе опыта ^тэо, к количеству теплоты от источника зажигания 7н ： K=q^lq^ Классификация материалов по возгораемости по методу калориметрии представлена в табл. 76.

广 Результаты испытания в керамической трубе и мето- ；卜 дом калориметрии достаточно объективно характеризу- ；：ют группу возгораемости образцов из различных видов г полимербетонов (табл. 77),/

Из табл. 76 и 77 видно, что полимербетоны на основе эпоксидных смол относятся к сгораемым материалам, к которым, по литературным данным, можно отнести и полимербетоны на смолах ПН-1 и ММ А. Полимербетоны на полиэфирных смолах ПНС-609, ПН-62, ПН-63 относятся к группе трудновоспламеняемых, и только полимербетоны на карбамидной смоле КФ-Ж и фурановых ФАМ относятся к группе трудносгораемых.

В настоящее время в ряде зарубежных стран для испытания строительных материалов на горючесть принят метод ИСО (рекомендован Международной организацией по стандартизации).

Сущность этого метода заключается в следующем: образец цилиндрической формы диаметром 45 и высотой 50 мм помещают в испытательную печь, в которой поддерживается температура 750℃. Если в течение 20 мин тепловая характеристика печи или образца не изменится или изменится незначительно (до 50℃) и при этом отсутствует горение материала, то такой материал считается негорючим.

К положительным сторонам метода ИСО следует отнести то, что материал испытывается в условиях, наиболее близких к условиям пожара. Образцы после испытания в печи можно использовать для сравнительной характеристики по изменению прочности. Однако этот метод

Таблица 76. Группы возгораемости материалов (по методу калориметрии)

Группа

К

Характеристика возгораемости

Несгораемые Трудносгораемые Трудновоспламеняемые

Сгораемые

Легковоспламеняющиеся

Да 0,1 0」一口5 Q,5-2,l

Свыше 2,1 То же

Не горят

Не поддерживает горение Затрудняет распространение горения

Горят

Распространяют горение по горизонтали

имеет и существенные недостатки, которые ставят под сомнение целесообразность его использования применительно к полимербетонам： при принятой массе образцов и очень высокой температуре практически все полимерные композиции независимо от вида полимера и степени наполнения будут относиться к горючим; метод ИСО дает два ответа——горит или не горит материал — и не

Таблица 77. Результаты испытаний полнмербетонных образцов на горючесть

Бетон

Потеря массы, % в керамической трубе

Остаточная прочность после испытаний, %

К

Группа

общая

по массе полимерного связующего

Цементный класса В 30.

2,38

■——

100

0,06

Несгораемый

Полимербетон на смоле эпоксидной ЭД-20 полиэфирной НПС-609-22с

3,2

9,7

Полная потеря прочности

Сгораемый

0,49

3,3

83

0,53

Трудновос- пламеня- емый

ПН-63

0,77

5,1

84

0,47—

0,54

》

КФ-Ж

0,52

4,33

88,5

0,2

Трудносгораемый

ФАМ

0,133

1,63

92,7

0,14

》

позволяет классифицировать материалы по степени горючести, как это принято при использовании других методов; образец в печи подвергается резкому тепловому удару, отсутствующему при обычных пожарах. Результаты испытаний полимерных образцов по методу ИСО подтвердили вышеизложенные недостатки этого метода.

Огнестойкость полнмербетонных конструкций

Практика показала, что испытания экспресс-методом ；в керамической трубе и методом калориметрии могут I служить только в качестве предварительной оценки го- ；рючести материалов. Окончательные данные об огнестой^ ：.КОСТИ КОНСТРУКЦИЙ МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ТОЛЬКО ПРИ ИСПЫТЗ' :нии натурных конструкций под нормативной нагрузкой. 1 Для огневых испытаний были изготовлены четыре ко- лонны сечением 400X400 мм и длиной 3,5 м. Арматура :колонн состояла из четырех продольных стержней перио- ；дического профиля диаметром 16 мм из стали класса А-П, связанных между собой хомутами из арматурной прово- :локи диаметром 8 MM класса A-I с шагом 300 мм. На при- j опорных участках на длине 320 мм были установлены

сетки с шагом 60 мм из проволоки 8 мм с ячейками 70Х Х70 мм.

При изготовлении колонн использовали полимербетон ФАМ следующего состава, %: смола фурфуролаце- тоновая ФАМ——10; бензолсульфокислота БСК — 2; мука андезитовая — 12; песок кварцевый — 23, щебень гранитный——53; кремнефтористый натрий—1,5 по массе смолы.

Испытание контрольных кубов показало, что средняя прочность полимербетона у трех колонн составила 72,5 МПа, а у четвертой колонны из-за некачественного изготовления ——50 МПа. Поэтому в дальнейшем только первые три колонны были испытаны на огневое воздействие.

Методика огневых испытаний основывалась на требованиях максимального приближения условий эксперимента к реальным условиям работы конструкции при пожаре. Испытания проводили в специальных печах при температурном режиме, определяемом стандартной кривой «температура — время пожара». Одновременно с нагревом создали условия опирания и нагружения, соответствующие условиям эксплуатации их в сооружениях.

Колонны имели шарнирное опирание по концам и испытывались на центральное сжатие под нормативной нагрузкой, приложенной в геометрическом центре их поперечного сечения.

Измерение температуры печи производилось термопарами, расположенными v обогреваемой поверхности колонн. Показания термопар регистрировались с интервалом 5 мин с начала и до конца испытаний.

Визуальное наблюдение через смотровое окно печи в процессе испытаний показало, что все три колонны имели одинаковый характер результатов на огневое воздействие, через 4—8 мин происходило загорание продуктов разложения полимербетона на поверхности; через 5—— 10 мин начиналось взрывообразное разрушение поверхностного слоя, которое сопровождалось легким потрескиванием и образованием воронок диаметром 6—8 и глубиной 5—-7 мм, В некоторых местах обнажался крупный заполнитель, разрушение продолжалось 15—25 мин, не представляя опасности для несущей способности конструкции в целом. Через 20—35 мин с начала испытаний на поверхности образовалась коксовая корка и появилась сетка трещин, раскрытие которых увеличивалось в про*

цессе дальнейших испытаний. Горение продолжалось вдоль трещин до конца испытаний. После окончания огневого воздействия процесс горения продуктов распада полимербетона продолжался вдоль трещин в течение 15—20 мин.

Первые две колонны испытывались под нормативной нагрузкой 130 т, которая соответствовала четырехкратному запасу длительной прочности. Огнестойкость, определяемая временем до потери несущей способности, у этих двух колонн оказалась практически одинаковой (2 ч 7 мин и 2 ч 6 мин), следовательно, они могут быть рекомендованы для промышленных зданий 2-й степени огнестойкости.

Третью колонну испытывали в тех же условиях при нагрузке 100 т, при которой колонна выдержала огневые испытания 3 ч 2 мин. Минимальный предел огнестойкости несущих конструкций для зданий 1-й степени огнестойкости составляет 2,5 ч.

Таким образом, результаты испытаний на огневое воздействие несущих колонн из сталеполимер бетона ФАМ подтвердили их достаточно высокую огнестойкость и показали, что такие конструкции могут применяться для промышленных зданий первой и второй степени огнестойкости.

По аналогичной методике в МИИТе были проведены испытания на огневое воздействие изгибаемых элементов. Балки (рис. 61) сечением 150X500X3200 мм готовили из полимербетона ①АМ следующего состава, %: смола фурфуролацетоновая ФАМ — 8; бензолсульфокислота БСК — 2; мука андезитовая — 10; песок кварцевый——28; щебень гранитный ——52. Средняя прочность контрольных призм 70X70X280 мм составляла 70,9 МПа.

Испытания армополимербетонных балок показали, что в зависимости от толщины защитного слоя и армирования огнестойкость составляет от 80 до 135 мин. Так, увеличение защитного слоя полимербетона на 10 мм позволило повысить предел огнестойкости с 80 до 100 мин, т. е. на 25%, а повышение армирования в 2 раза увеличило предел огнестойкости до 135 мин, т. е. в 1,7 раза.

Кроме армополимербетонных балок, были испытаны комплексные балки с жестким трубобетонным арочным вкладышем (см. рис. 61). Однако применение жесткого трубчатого вкладыша не оправдало возлагаемых надежд. Огнестойкость такой конструкции составила 80 мнн, Сравнительно низкую огнестойкость комплекс*

a)a)7爲噴7爲噴Рис. 61. Схема армирования полимер бетонных балокa — обычное армирование; б — комплексная конструкция с трубобетонным вкладышемРис. 61. Схема армирования полимер бетонных балокa — обычное армирование; б — комплексная конструкция с трубобетонным вкладышем

a)

a)

7爲噴

7爲噴

Рис. 61. Схема армирования полимер бетонных балок

a — обычное армирование; б — комплексная конструкция с трубобетонным вкладышем

Рис. 61. Схема армирования полимер бетонных балок

a — обычное армирование; б — комплексная конструкция с трубобетонным вкладышем

ной конструкции, вероятно, можно объяснить неудачно выбранной толщиной полимер бетонного защитного слоя — 11 мм [140].

Таким образом, лабораторные и натурные испытания полимер бетонных конструкций позволили выявить принципиальные особенности характера их разрушения в процессе температурного и огневого воздействия.

Снижение прочности цементных бетонов начинает заметно сказываться при температуре 300—400℃ и выше. При этой температуре начинаются необратимые изменения в цементном камне в результате дегидратации и разложения гидр оси ли хатов и гидроалюминатов кальция и других новообразований.

У полимербетонов при 100—150℃, а для полимер бетонов на полиэфирных смолах при 80—100°С, проявляется различие коэффициентов температурных деформаций у полимерного связующего и минеральных компонентов полимербетона и существенно повышаются высокоэластические и вязкого течения деформации. Далее при 150—200℃ начинаются процессы деструкции полимерного связующего. При этом выделяется значительное количество горючих газообразных продуктов, и процесс горения, а следовательно, и разрушения полимербетонов стимулируется за счет экзотермического эффекта термоокислительной деструкции полимерной составляющей связующего.

рис. 62. Зависимость призменной прочности ^叩 полимербетонов на основе полиэфирных и фурановых смол от температуры

/ 一 на смоле ПН-1; 2 — на смоле НПС-609-2[М; 3 — на смоле ПН-63;

4 — на смоле ФАМ

В то же время следует отметить, что малая теплопроводность полимерного связующего и интенсивное газо- выделение в поверхностном слое снижают время прогрева глубинных слоев и препятствуют горению в толще материала. В результате в наружном слое, непосредственно подвергающемся тепло-огневому воздействию, происходит разложение, а затем и выгорание полимерного связующего. После этого процесс горения распространяется на более глубокие слои до полного выгорания и потери прочности полимербетона.

Выполненные экспериментальные исследования, предложенные методики расчета предела огнестойкости армо- полимербетонных балок и прогибов изгибаемых элементов с учетом изменения модуля упругости и упругопла- стических свойств арматуры и полимербетона в результате воздействия высокой температуры позволяет более обоснованно проектировать такие конструкции и назначать категорию их огнестойкости.

В Липецком политехническом институте под руководством В, Е. Беляева и А. Т. Оболдуева выполнены значительные исследования по изучению влияния повышенной температуры и огневого воздействия применительно к полимербетонам на основе различных полиэфирных смол {34, 99].

У полимербетонов на основе полиэфирных смол типа ПН-1 наблюдалось резкое снижение прочности даже при незначительном повышении температуры (рис. 62), и интенсивное горение при испытании образцов в огневой трубе. При использовании в качестве связующего полиэфирных смол типа ПНС-609-21М, ПН-63; ПН-62 и некоторых других, по данным [99], наблюдается менее интенсивное снижение прочности под действием повышен-

нои температуры, а при огневом испытании в керамической трубе образцы практически не изменили массы и внешнего вида.

На основании этих данных полимербетоны на полиэфирных смолах ПНС-609-21М, ПН-63, ПН-62 могут быть рекомендованы для использования в несущих конструкциях на промышленных предприятиях с температурой окружающей ср еды не выше 60℃.

Для более правильного расчета полимер бетонных конструкций в условиях температурно-огневого воздействия А. Т. Оболдуев пр едложил ввести оценку тер мо- устойчивости полимербетонов в конструкции путем определения величины деструктирующего слоя на первом этапе горения.

При таком подходе повышение тепло- и огнестойкости полимер бетонных конструкций достигается путем компенсации неизбежной потери несущей способности в наружной части сечения в процессе горения соответствующим увеличением сечения на толщину деструктирующего слоя.

Анализ результатов температурных и огневых испытаний, выполненных различными исследователями практически по единой методике, позволил В. Е. Беляеву разработать теорию расчета армополимербетонных конструкций .с учетом одновременного воздействия нагрузок и температур, а А. Т. Оболдуеву и В. С. Федорову в нест и соответствующие уточнения в методику расчета армополимербетонных конструкций с учетом возможного огневого воздействия при пояса ре.

Глава ". ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Отечественный опыт. Первая опытная партия поли- мербетонных тюбингов, элементов крепи подземных выработок и безарматурных труб была выпущена в 1959 г. [51, 94].

Пол им ер бетонные трубы имел и внутренний диаметр 900, толщину стенки 18 и длину 1200 мм. В возрасте 3 и 10 сут кубиковая прочность контрольных образцов составила 30 и 50 МПа соответственно. При гидростатическом испытании трубы в возрасте 3 суток разрушились при 0,5—0,7 МПа, а в возрасте 5 суток — пои 1 1 — 1,2 МПа. ，

Длина тюбингов по дуге была 1570 мм, толщина стен- ,<и 70 мм. Масса тюбинга 48 кг, в том числе масса арматуры 20 кг. После изготовления один из тюбингов находился в течение 5 лет на открытом воздухе, подвергаясь солнечной радиации и атмосферным температурно-влажностным воздействиям. Последующие обследования и испытания показали, что атмосферные воздействия не пр ив ел и к трещинообразованию в материале и не увеличили водопоглощения полимербетона.

По результатам испытаний на Скуратовском экспериментальном заводе был построен цех для изготовления несущих конструкций из армированного полимербетона ФА армополимербетонных стоек и перемычек для крепления шахтных выработок.

Стойки типа ОШС-1 представляли собой пустотелый стержень сечением 155X160 мм, длиной 2——3 м. Стойки армированы четырьмя продольными стальными стержнями периодического профиля диаметр ом 12 мм и поперечными хомутами в виде непрерывной спирали из холоднотянутой проволоки диаметром 4 мм с шагом 50 мм у опор и 100 мм на остальной длине. Для облегчения массы в стойке было устроено сквозное отверстие диаметром НО мм. При испытании на центральное сжатие разрушение произошло при нагрузке 40 т в результате концентрации напряжений в торцевых частях, т. е. стойки данной конструкции обладали примерно той же несущей способностью, что и железобетонные центрофугированные, используемые для крепления пород средней твердости. В то >ке время масса их была в 2 раза меньше.

Верхние перемычки таврового сечения длиной 2300—— 2500 мм для опирания на стойки имели на концах плоские усиленные участки. Продольная арматура выполнялась из двух стержней периодического профиля диаметром 16 мм. Применение более легких стоек и перемычек позволило значительно облегчить условия работы и повысить производительность труда при проходке штреков.

На основе накопленного опыта изготовления конструкций из ста леполим ер бетона в г. Коммунарске был построен цех для серийного выпуска стоек и перемычек. За сравнительно короткий срок в этом цехе было изготовлено более 21 тыс. элементов крепи для Донбасса [94].

Опытные образцы сталегюлимерных опор контактной сети длиной 13,6 м, изготовленные на Батайском ЗЖБИ по проекту МИ И Та, пр едназначались для эксплуатации в условиях почвенной и атмосферной коррозии. При из-

готовлении таких опор учитывали не только высокую химическую стойкость полимербетона, но и его диэлектрические свойства.

На Киевском 3/КБИ были изготовлены шпалы из полимербетона, армированного предварительно напряженной стальной арматурой. На одном из участков сортировочной горки железной дороги было уложено 40 таких шпал. Испытания показали, что трещиностойкость сталеполимербетонных шпал по сравнению с железобетонными оказалась выше на 20―30%, через 6 лет эксплуатации была отмечена их высокая надежность в условиях интенсивного движения [52, 96].

Сталеполимер бетонные плиты размером в плане 1200X5680 мм выпущены трестом Запхимремстроймон- таж для перекрытия технических тоннелей Светлогорского завода искусственного волокна [32].

Днепропетровский инженерно-строительный институт разработал для одного из целлюлозно-бумажных комбинатов вихревые очистители из полимербетона вместо традиционных очистителей из износостойких сплавов.

В цехе электролиза одного из химических комбинатов четвертая часть подванных эстакад выполнена из армо- полимербетонных сборных коррозионностойких конструкций. Балки пролетом 6 м представляют собой комбинированные конструкции из железобетона и армированного полимербетона, а колонны изготовлены целиком из ста л еполимер бетона [32].

На Солигорском калийном комбинате в течение нескольких лет успешно эксплуатируются загр узочные бункера кз армополимербетона. Размеры этих бункеров 3X1 и 2X1,5 м при толщине стенки 80 мм. Металлические бункера с толщиной сменки 8——10 мм, которые применялись ранее, из-за коррозии металла выходили из строя через 6--10 мес [32].

В НИИЖБе в содружестве с Гипронисельхозом разработаны решетки для перекрытия центральных стоков животноводческих ферм (рис. 63). На Алмалыкском медеплавильном заводе изготовлено более 300 подобных решеток для перекрытий сточных каналов агрессивных жидкостей, которые успешно эксплуатируются. В совхозах -^Ладожский» и «Дзержинский» Краснодарского края построены два небольших цеха по производству «теплых» и химически стойких полимербетонных плит для полов животноводческих помещений. В этих цехах 218

Рис. 63. Полимербетонные решетки н плнты, улоя^енные в животноводческом помещении

изготовлено более 150 тыс. м2 таких плит [52, 66, 116, 104^138].

Хорошие результаты получены при изготовлении плит для предприятий полиграфической промышленности из полимербетонов на ацетоноформальдегидных смолах, отверждение которых происходит в щелочной среде под действием аминных отвердителей [107].

Водоскаты плотин на Беш-Алышском, Сары-Курган- ском, Караспанском и других гидроузлах вместо базальтовых или чугунных плит, стального или деревянного настила были облицованы полимербетоном ФА толщиной 100——150 мм. Общая площадь покрытия на пяти плотинах ирригационных сооружений составила около 900 м2. Более чем 20-летний опыт эксплуатации этих плотин показал их высокую износостойкость, долговечность и экономическую целесообразность [56].

В НИИЖБе совместно с Гипроцветметом и ВИСИ разработана, изготовлена и испытана опытная партия несущих химически стойких конструкций из сталеполи- мербетонов ①AAQ для промышленных зданий с интенсивным воздействием жидких агрессивных сред, Колонны подванных эстакад сечением 300X300, длиной 3500 мм имели продольную арматуру в виде четырех стержней периодического профиля диаметром 16 мм и поперечные хомуты из холоднотянутой проволоки диаметром 8 мм.

При испытании на центральное сжатие в прессе (мощ. ностыо 120 II) разрушающая нагрузка на колонну со- ставила (^50 Н). При внецентренном сжатии с эксцентриситетом 75 мм разрушающая нагрузка составила 20 Н. Как в первом, так и во втором случае отношение расчетной нагрузки к разрушающей дает значительный запас прочности.

Испытания натурных конструкций сталеполимербе- тонных колонн, а также фундаментных башмаков, блоков и плит подтвердили принятые при проектировании основные расчетные предпосылки. Гипроцветмет на основании полученных данных разработал рабочие чертежи этих конструкций, крупная серия которых была изготовлена и смонтирована на Джезказганском горно- металлургическом комбинате (ГМК). Внедрение армо- полимербетонных конструкций подванных эстакад позволило отказаться от дорогостоящих и дефицитных футеровочных материалов, снизить стоимость строительства, улучшить защиту от воздействия электрокоррозии, сократить трудоемкость изготовления в 3 раза, увеличить срок службы конструкций в 5 раз и получить годовой экономический эффект около 480 тыс. руб. После 15 лет эксплуатации колонны каких-либо признаков разрушений не имеют.

Трестом Казмедьстрой освоено изготовление химически стойких полимер бетонных плит для футеровки полов у ливненакопителей. Всего при строительстве объектов на Джезказганском ГМК изготовлено и смонтировано более 5000 м3 армополимербетонных конструкций.

Первые опытные участки химически стойких монолитных. полов на основе полимеррастворов и полимербетонов выполнены в начале 60-х годов. Проверка показала, что для монолитных покрытий полов обычные составы на фурановых, полиэфирных и даже эпоксидных смолах не могут обеспечить требуемой надежности и долговечности. Были разработаны специальные составы модифицированных композиций, в том числе в НИИЖБе типа эластокрил, слокрил и др. В период с 1974 по 1980 г. только при непосредственном участии сотрудников НИИЖБа и КТ Б НИИЖБ было изготовлено 125000 м2 монолитных химически стойких полов.

Среди химически -стойких армополимербетонных конструкций особое место занимают трубы, емкости и различная баковая аппаратура.

Первые опытно-промышленные канализационные

кольца из полимербетона ФА были изготовлены на Ску- ратовском экспериментальном заводе (1961 г.), Внутренний диаметр кольца 1680 мм, толщина стенок 150 и длина 1200 мм, его масса 2270 кг, в том числе арматурной стали ——252 кг Арматура колец состояла из двух цилиндрических сеток из горячекатаной проволоки диаметром 5 мм с размером ячейки 100Х 100 мм, соединенных между собой поперечными стержнями. Полимер- бетонные коллекторные кольца изготовляли в специальной оснастке методом вертикального виброформования. При испытании колец первые трещины появились при нагрузке, в 1——2 раза большей, чем у аналогичных колец из железобетона класса В40. Разрушающая нагрузка для этих колец достигала 2,5—3 Н/м.

Первая опытная проходка коллектора длиной 38 м способом проталкивания полимербетонных колец была осуществлена под насыпью Новорязанского шоссе. При помощи проталкивающей установки был выложен аналогичный участок коллектора длиной 72MB районе Царицыно-В ид ное в 1962 г. Через месяц после проходки опытный участок на всю длину был подвергнут испытаниям на эксфильтрацию. Однослойный кольцевой коллектор из полимербетона вполне удовлетворительно выдержал испытания. При зтом герметичность его была в 2 раза лучше, чем у железобетонного коллектора с футеровочной защитой.

В САН И ПРИ (Аликулов П. У.) совместно с НИИЖБ выполнены большие работы по подбору и исследованию составов и технологии изготовления дренажных и водоводных полимер бетонных труб на основе карбамидных смол. Был разработан полимербетон следующего состава, % по массе: щебень фракции 5—10 мм — 47—49; пе・ сок фракции 0,15—5 мм — 15—17; наполнитель 10—12; фосфогипс 5——6; карбамидная смола УКС 13——16; отвердитель ——солянокислый анилин (СКА) 0,6——0,8.

Технология изготовления полимербетонных труб заключается в приготовлении полимербетонной смеси в бетономешалке принудительного действия, в которую загружается дозированное количество смолы, наполнителя, фосфогипса и СКА, смесь перем'еши1вается 2——3<мин. Затем загружается песок и щебень и вся масса перемешивается еще 3—4 мин, Общее время перемешивания 5——7 мин. Готовая смесь подается в бункер ленточного питателя. При атом подвижность ее по осадке стандар-

Tiioro конуса должна составлять 3—5 см. Жизнеспособность смеси указанного состава 30—40 мин при температуре окружающего воздуха в пределах 15——25℃.

Для изготовления труб применяются ременные центрифуги, предназначенные для изготовления железобетонных труб. Формование производится в стандартных металл и ческих разъемных формах, состоящих из двух полуформ и раструбных колец. Подготовленная форма при помощи траверсы н подъемного механизма устанавливается на ремни центрифуги раструбной частью к питателю. Полимер бетонная смесь загружается в форму в два приема с помощью ленточного питателя. Распределение смеси по периметру формы происходит в течение 2—3 мин при частоте вращения формы 150—200 об/мин для малых диаметров и 75—100 об/мин для больших диаметров, уплотнение длится 4--5 мин при скорости 800—850 об/мин для малых диаметров и 500—550 для больших. Остановка формы осуществляется при постепенном снижении оборотов центрифуги в течение 1—1,5 мин. Форма со свежесформованной трубой снимается с центрифуги и переносится в горизонтальном положении в камеру термообработки. Термообработка производится по следующему режиму: выдержка 0,5—1 ч, подъем температуры до 80℃ со скоростью 0,5℃/мин, изотермический прогрев при 80℃—6—8 ч. Охлаждение до 2СГС — 2 ч. Распалубку труб производят на специальном стенде, на котором после освобождения от формы производят зачистку торцов и контроль ОТК.

Принципиальная особенность формования методом центрифугирования полимер бетонных труб на основе смолы УКС заключается в том, что в процессе уплотнения происходит частичное удаление свободной воды и отсутствует выделение связующего на внутренней поверхности. Частичное удаление воды улучшает структуру полимербетона и его физико-механические свойства, а отсутствует выделение связующего на внутренней поверхности трубы не требует продувки горячим воздухом.

Трубы полимербетонные УКС предназначены для строительства оросительных систем в закрытых коллекторах. Такие трубы могут применяться в агрессивных средах с pH ог 3 до 10, водоводах с напором до 0,2 МПа при глубине заложения до 5 м. Опытные участки труб диаметром 600 мм, заложенные на территории Сырдарь-

Рис. 64. Фрагмент трубы с теплоизоляцией из вспененного полимербетона

инской области в 1977 г. после 5 лет эксплуатации нарушений не имели.

Известен опыт изготовления партии труб диаметром 600 мм на Светлогорском опытном цехе полимербетонов из полимербетона ФАМ. Технологический процесс изготовления таких труб принципиально не отличается от вышеописанного [32].

В НИИЖБе при участии Н. А. Азистаева получен новый вид легкого вспененного полимербетона на основе полиизоцианата марки К для теплоизоляции трубопроводов горячего теплоснабжения [14]. Такой полимербетон плотностью 400—500 кг/м3 и прочностью на сжатие 3—4,5 МПа имеет в поперечном сечении переменную (интегральную) плотность, увеличенную в периферийных слоях, что позволило отказаться от антикоррозионного покрытия стальных труб и нанесения гидроизоляционного покрытия на наружную поверхность теплоизоляции (рис. 64). Теплоизоляционный слой прочностью 3——4 МПа, обеспечивая хорошую антикоррозионную защиту стальной трубы, делает возможным использование таких трубопроводов для бесканалыюй прокладки.

На опытно-промышленной установке «Узремстрой- треста》(г. Ташкент) труба диаметром 114 MM и длиной 12 м укладывается в металлическую форму с внутренним диаметром 219 мм. Полимербетонная смесь готовится в турбулентном циклическом растворосмесителе тип а СБ-43Б. Розлив смеси в фор му осуществляется с помощью передвижной металлической рамы, установленной

вдоль eopMbL Вспениваниеsотверждение смеси пром' ходит в форме прн нормальных воздушных условиях* На 9TOустановке BbmyEeHO более 700 м теплонзо. /шрованнЕХ трур которые уложены бесканамьннм СП? собом в засоленннх грунтах на участке теплотрасса вЯНГН，ЕР・

институтом ссмостонкого строительства Госстроя СССР (「• Ашхабад) разработана технология серенного производства aHaJIOSUHOit теплоизолнинн трубопроводов вспененном ao^s^s^^oHO^OS- ко на основе фенольнЕХ смол・ Тепломзоляцня может наноситься на трубьл дна метром от 80 ё 400 мм" длиной до 12 м (PHP 65) Производительность лнннн 10 НЕО- м в год* БОЛЬЕО寸 интерес й^22й§2 отнят нримененин полимербетона 6А для крепления Еахтннх стволов》 ПРОХОДНМЕХ в замороженных породах。На Михайловском железорудном комбинате был забетонирован зкенернмен， тальньучасток Еахтного ствола BblcoTOE 20 м прн толщине стенкн 500 мм・ После бетонирования заданного объема проверялась температура разогрева улеженного полнмербетона* герез 2030 мин после укладки на рас— стояннн 250 мм от заморсженноНстенкн грунта темпера— тура полимербетона поднималась по 50——52ССУ что указь вало на нормально хоп процесса полнмернзаини* все— го в ствол 6bmо уложено 118 芸3 полимербетон戸 Спустя месяи=осле прекращения работы замораживаютустановки полимер бетонная крепь имела плотную н однород— ную структуру без раковнн S треЕНН* контрольные о Разин,КУ6Е показали прочность 40——45 МНР ито пример— ко в 22“5 раза ВНЕнем у Образцов из цементного бетона*

Полнмербетонную смесь готовили в смесительном узле на поверхности и по ЕарнирнЕМ трубам подавали к месту уклапкн* Хорошая УАО6оуклапваемость О6УСЛО— вливалась больным расходом фурановое смсиш (15— 16*% по массе)，ВЕСОКНН расход смолы》хотя н обеспе， инвал ВЕСОКУЮ подвижность смесодновременно СУЕе— ственно повышал стоимость полимербетона* В дальне тем полимербетон 6А использовали прн бетоннрованнн затюбннгового пространства многих EaxTHblx стволов калрных рудлнков в Солнгорске и березниках，В зтн СТВОЛЕ 6bmо уложено несколько TCHq кубических мет— ров полимербетона。

Производство тюбингов для крепн в ^зь^кй щах— 224

рис. 65. Схема изготовления теплоизоляции труб из вспененного полимербетона

/—склад исходных материалов; 2 — дозаторы жидких компонентов; 3 — дозатор песка； 4 ливки смеси; 5 — монорельс для передвижения заливочного механизма; о -—

тележка с

—механизм для приготовления и за* -мс.с…；：一степnа*

для выдерживания теплоизолированных труб; 8

—установка для гидроизоляции вспененного

формующим устройством;

полимербетона

тах из полимербетона на основе фенолоформальдегидных смол было налажено в объединении «Прокопьевскуголь» в цехе производительностью 1,5 тыс. м3 в год.

Баковая аппаратура занимает особое место во многих отраслях промышленности, в особенности в цветной металлургии, химической, нефтехимической и многих других. Весьма интересен опыт изготовления емкостей на основе полиэфирных смол на Калушском ПО «Хлорвинил». Такие емкости собираются из отдельных полимербетонных царг диаметром 1,6—2 м, армированных преднапряженной стальной арматурой, что позволяет существенно упростить технологию изготовления крупных химически стойких емкостей.

Следует отметить, что конструкции баковой аппаратуры эксплуатируются в очень тяжелых условиях как по агрессивному воздействию среды, так и по воздействию различиых температур и нагрузок. Проблема усугубляется тем, что многие конструкции баковой аппаратуры имеют очень большие размеры. Диаметр сгустителей составляет от 9 до 18 мм при высоте более 4 м. Увлажнительные башни при диаметре до 6 м имеют высоту 14—68 м и выше.

Первые опытно-промышленные полимербетонные ванны для электролиза меди, армированные стальной арматурой, изготовлены в 1960 г. на Московском медепла- вилыю'М и медеэлектролитпом заводе, Балхашском и Алмалыкском горно-металлургических комбинатах.

На Московском медеплавильном и медеэлектролит- ном заводе изготовляли монолитные электролизные ванны размером 2,46X1,02X1,2 м из полимербетона на основе смолы ФАМ, а также сборные полимербетонныеванны, с вкладышами из винипласта или полипропилена. Высокая коррозионная стойкость таких ванн обеспечивала длительный срок их эксплуатации без ремонта.

Однако опыт эксплуатации монолитных сталеполи- мербетонных ванн показал, что они имели ряд существенных недостатков. Как в процессе изготовления, так и при эксплуатации в них появлялись трещины, раскрытие которых приводило к просачиванию электролита и потере эксплуатационной пригодности конструкции. ■

Были установлены следующие причины появления трещин в монолитных ваннах: первые сталеполимербе- тонные ванны изготовляли в той же опалубке, что и железобетонные. Из-за усадочных процессов и возникно- 226

вения значительных сжимающих усилий после формования было трудно вынуть внутреннюю часть опалубки. При снятии опалубки появились микротрещины, которые во время эксплуатации расширялись. Возникали высокие напряжения в стенках и днище и углах ванны из-за высокой жесткости опалубки и стальной арматуры. Была отмечена также недостаточная жесткость конструкции ванны в целом и отсутствие методики расчета таких конструкций.

Для избежания образования трещин была изготовлена специальная опалубка с податливым сердечником и откидывающимися бортамн и разработана методика расчета [67, 69]. Конструкция ванны была усилена, для уменьшения напряжений внутренние углы ванны выполнены с радиусом 125 м.

Применение стальной арматуры для армирования электролизных ванн также связано с возможностью образования трещин. При диффузионной проницаемости электролит со временем вступает в контакт со стальной арматурой и при наличии электрического потенциала на стальной арматуре осаждается цветной металл (медь, цинк), который приводит к нарушению целостности полимербетона и образованию трещин [123].

Армирование электролизных ванн преднапряжен- ной стеклопластиковой арматуры повышает трещино- стойкость конструкции в процессе изготовления и эксплуатации. Предварительное напряжение стеклопла- стиковой арматуры составляет 630 МПа, т. е. 45% ее кратковременной прочности.

Таким образом, была создана надежная конструкция монолитных электролизных ванн, серийный выпуск которых был налажен в тресте Казцветметремонт. С 1976 г. изготовляют ванны только со стеклопластиковой арматурой. Такие ванны по многим показателям значительно лучше, чем армированные стальной арматурой.

Осваивается производство различных армополимер- бетонных емкостей и баковой аппаратуры — сборников кислот, мешалок и др., проводятся работы по изготовлению несущих конструкций подванной этажерки цехов электролиза цинка [32].

Внедрение баковой аппаратуры и строительных конструкций из армополим ер бетона дало возможность отказаться от различных химически защитных футеровок,

2272278* Зак. '251'

227

227

сэкономить 1500 т свипца, значительное колнчссгвэ графитовых блоков и других дефицитных материалов и, что не менее важно, повысить качество получаемых цветных металлов.

Общий объем внедрения армополимербетоппых конструкций на предприятиях цветной металлургии составляет более 20 тыс. м3, а годовой экономический эффект от их внедрения около 10 млн. руб. [92, 116].

Крупногабаритные травильные ванны длиной около 12 м и массой до 80 т действуют на Днепропетровском трубопрокатном заводе имени В. И. Ленина. При изготовлении таких емкостей внутренняя часть опалубки имела податливые компенсаторы усадочных деформаций. Толщину и количество эластичных прокладок определяли расчетным путем с учетом линейной усадки полимербетона. Кроме того, для снижения усадочных напряжений в состав полимербетона вводили пластификаторы.

Для предотвращения образования трещин между фундаментом и днищем травильной ванны предусматривался разделительный слой из двух слоев рулонного гидроизоляционного материала и графитового порошка между ними. Графитовый порошок обеспечивает свободное скольжение днлща ванны по основанию во время усадочных деформаций и в результате температурных деформаций в процессе эксплуатации [59].

В травильном отделении завода все травильные ван- ны с металлическими корпусами и многодельной футеровкой из кислотоупорного кирпича на андезитовой замазке были заменены на полимербетонные. Эксплуатация травильных полимербетоиных ванн, содержащих 20%-ную серную кислоту с температурой 45—50℃ показала, что полимербетон принятого состава обладает высокой химической стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию и ударным воздействиям. На этом же заводе внедрены технологические резервуары для горячей (до 70°С) серной кислоты до 40% -нои концентрации.

Па Солпгорском калийном комб1Н1атс более 3 лет \тпешш) ^кгплуагпруютсй загрузочные бупке]＞；1 из ар- мопо^нмербетсна размерами 3\1 и 2/. 1,5 м при толщине стенок 80 мм. Ранее использовалггсь металличес- кне бункера из стали толщиной 8 — 10 мм. Из-за ннтен- 228 '

Рис. 66. 03Mef“iTej】LULic п^иты из полимс[ бсюпа на основе ФЛЭД

(UBi pxv) и мет1кчмет；1К|н[ла(;) (внизу )

сивпой коррозии металлические бункера приходилось менять через 610 мес эксплуатации.

Исследования, выполненные в НИП/КБе совместно

с ЭНИМС, показали, что для изготовления базовых деталей станков и измерительных плит с успехом могут быть использованы полимербетоны типа ФАЭД и особенно перспективны полимербетоны на основе метилметакрилата. Однако в последнем случае потребовалась специальная доработка связующего путем направленной модификации выпускаемого промышленностью метилметакрилата.

Измерительные полимербетонные плиты (рис. 66) как на основе ФАЭД, так и па основе ММ А по своим характеристикам не уступают аналогичным плитам, изготовленным из монолитного гранита, а базовые детали опытных станков (рис. 67) отвечают техническим требованиям [15, 16, 17].

Зарубежный опыт. Промышленное производство но- лимербетонных изделии и конструкций в зарубежных странах сначала развивалось в направлении выпуска декоратмвно-отделочных и облицовочных материалов и изделий, применяемых в строительстве жилых и общественных зданий. При этом изготовление декоративно- отделочных плит, подоконных досок, лестпичных маршей и тому подобных изделий осуществлялось несколькими, принципиально различными способами: 1) приготовление полимербетонной смеси, непрерывное формование плоской лепты заданной толщины, термообработка, обрезка продольных кромок по ширине и разрезка па заданную длину с последующей шлифовкой и полировкой лицевой стороны плитки; 2) приготовление поли- мербетонно!! смеси, формование плит в вертикальных многосекциопных кассетах, термообработка, шлифовка и полировка лицевой поверхности; 3) приготов,пение полимербетопной смеси в смесителях периодического действия, фо;)мсвапие блоков длиной 1500——2000 мм с заданными геэмсгрическпми размерами по сечению, термообработка, распиловка блоков на многопильпых станках на необходимую толщину плиток с последующей шлифовкой и полировкой лицевой поверхности.

В настоящее время третий способ находит все большее распространение. При этом некоторые фирмы для снижения пористости и улучшения физико-механических свойств блоков и соответственно готовых плиток при- мен51ют новый способ формования, заключающийся в том, что в опалубку загружают сухую смесь заполнителей с последующим нагнетанием в закрытую форму по-

Рис. 67. Станина станка из полимербетона на основе смолы ЭД-22

лимерного связующего, состоящего из смолы, отвердителя и наполнителя.

Представляет интерес опыт французской фирмы «Передо», которая спроектировала и изготовила полуавтоматическую линию (рис. 68) для массового производства листового полимербетона толщиной от 8 до 25 мм, имеющего фирменное название «Берок». Листовой полимербетон при толщине 8——10 мм используется в качестве наружного облицовочного слоя трехслойных па- неле11, а при толщине от 12 мм и выше — для пространственных несущих конструкций таврового или коробчатого сечения, склеиваемых из плоских элементов.

Промытый кварцевый песок со склада / конвейером подается в сушильный барабан 2 (/= 150℃), а затем в охладигельнып барабан 3 (I- 80℃). Из второго барабана песок элеватором направляется в бункер-накопитель 4. Во втором бункере 5 хранится кварцевая мука. Песок и кварцевая мука (73% по массе песка и 20% по массе кварцевой муки) при помощи весовых дозаторов 8 подаются в специальный смеситель 9. Сюда же одновременно поступает эпоксидная смола (5%) и амиипый

Рнс. 68. Принципиальная схема поточной линии по производству листового полимербетона

7 — склад песка； 2, 3 — барабаны для сушки и охлаждения песка; 4, 5 —бункера для песка и муки； 6, 7 — емкости для смолы и отвердителя； 5 — дозаторы； 9 — смеситель и распределительное устройство; 10 — валки калибровки смесн по толщине; 11 ~ валки для прессования смеси; /2 — термокамера； /3— yuacioK продольной и поперечной распиловки

отвердитель (2%), которые хранятся в бункерах 6 н 7. Перемешанная масса выгружается в распределительный бункер 10, из которого она равномерно шириной примерно 3 м распределяется на бумажном листе, укладываемом на стальные плиты конвейера. Затем масса калибруется двумя парами валков И и обжимается третьей парой валков /2 с удельным давлением 1 6 МПа. Сформованный лист попадает в камеру термообработки /3. Термообработка проводится при 80℃ в течение 1,5— 2 ч. После камеры термообработки алмазными пилами обрезаются боковые кромки. Далее лист разрезают на нужные размеры и с помощью вакуумных захватов снимают с конвейера. Скорость движения конвейера 1 — 2 м/мин. Меньшая скорость предусмотрена для плит тое- тиной более 12 мм. Производительность линии при игп- рине листа 2,7 м 160—320 м2/ч.

Техническая характеристика листовою полимербетона «Берок»

Плотность, кг/м3 2200

Предел прочности, МГП1：

при сжатии120—150 '

》изгибе .27To

》растяженнп12…27

Модуль i'ujjyroci 11 при с?ка 1 ни45-10'1

Коэффициент температ)'риых деформаций .(12.5--15.6) 10~6

Долговечноеib (ни данпым 5'CKopeiiiii>ix ис

пытании) ,год!；!20

13 последние годы фирмы Японии, США,①PF н 冲「 гих В1ясо!<оразвнтых зарубежных стран приступили к промышленному производству полимер бетонных строительных конструкций [102, 157, 162]. Так, японские фнрмм《Aleflxan резин коцкрит иидустриз», «Чуо козаи». «Нишинихоп ко зап» и др. оргаиизовс: ли промышленный выпуск колодцев для набельмых линий из полимербетонов на полиэфирных смолах (рис. 69, а). Их суммарное производство составляет 20 000 т в год. Полимербе- тоншяе трубы (69,6) выпускают фирмы «Хокусаи Резин- кон», «Куримато айрон уорикс» н др. При этом производство пол им ер бетонных труб осуществля етси двумя способами: центрифугированием и методом экструзии. Трубы, изготавливаемые метод10M экструзии, представляют в поперечном сечении слоистую конструкцию из полимерраствора, армированного стекловолокном [108]. Выиуск таких тр у б достигает 30 000 т в год.

В Японии построены три станции для измерения земного магнетизма с использованием по л и м ер бетоыных панелей, армированных стеклопластиковой арматурой. Осваивается также производство лотков, крышек для люков колодцев телефонных кабелей и водосточных желобов, тротуарных плиток, черепицы и других изделий н конструкций из полиэфирных полимербетонов.

Западногерманская фирма «Гралитбетои» разрабо- та ла новый вид мелкозернистого полимербетона с расходом полимерного связующего около 5% и освоила промышленное производство строительных изделий и конструкций довольно широкой номенклатуры, начиная от стеновых блоков, панелей и перегородок и кончая тротуарными и отделочными плитками и другими изделиями.

Техпологическиц процесс получения изделий и кон- струкнн^ нз 1'ралитбстоиа состоит из следующих основных операци!!： песок, полимерное связующее и, при необходимости, краевгели смешиваются в турбулентном смесителе. Затем в специальных формах, имеющих на-

рис. 69. Полимербетонные конструкции, выпускаемые японскими фиомами *ер\у - колодцы для кабельных линий, внизу - трубы для промышленных

гревателъпые устройства, смес!> виброформуется н пресекается. Время термообработки после виброформоваиия соегавляет 20—30 мнн. Г])алитбетои имеет следующие основные характеристики: плотность 1600 кг/м3, прочность на сжатие 35—40 МПа, прочность на изгиб 11 — 12 МПа. Недостаток этого вида полимербетона — высокое водопоглощепие — до 16% и, как следствие, низкая морозостойкость, поэтому фирма в основном ориентируется на производство изделий и конструкций из гралитбетона в странах Ближнего Востока (Саудовская Аравия, Кувейт, Израиль и др.). Гралитбетон представляет несомненный интерес для использования на юге

Советского Союза и, в первую очередь, в Туркмении и Узбекистане.

В США полимербетоны применяются во многих отраслях строительства, но наиболее распространены полимербетоны на полиэфирных и фенольных смолах и мономерах винилового ряда [157, 161 166J. Например, фирма《Амоко Течейт» выпускает полимербетонныетрубы диаметром от 300 до 3000 мм с толщиной стенки 8—— 15 мм. Исходными материалами для труб являются полиэфирная смола с соответствующими отвердителями (26—35% ), кварцевый песок фракции 0,2—0,5 мм (40—45%) и стекловолокнистые армирующие материалы——стекложгут, стеклохолст и др. (30——35% по массе).

Основная операция при производстве труб фирмы «Амоко Течейг» ——процесс послойного нанесения на вращающийся стальной сердечник в поперечном направлении стекложгутов и в продольном ——стеклохолста, предварительно пропитанных полиэфирным связующим. В процессе намотки полиэфирная смола наполняется сухим песком путем его непрерывной посыпки из специального бункера. В качестве противоадгезионного слоя на стальной сердечник перед намоткой стеклоар- матуры навивают целлофановую или лавсановую пленку.

Термообработка труб осуществляется в течение 60—— 90 мин при 160—170℃ в термокамерах вместе со стальными сердечниками. После термообработки металлические сердечники извлекают с помощью гидродомкратов с предварительной подачей во внутреннюю полость сердечника сжатого воздуха при давлении 3—5 МПа, через отверстия, имеющиеся в цилиндре, для отрыва внутренней стенки трубы от сердечника.

Готовые трубы проходят гидравлические испытания при давлении до 20 атм. При гидравлическом испытании до разрушения трубы выдерживают от 4 до 6 МПа. —

В зависимости от диаметра и напорности стоимость труб колеблется примерно от 30 до 100 долларов за 1 м.

В среднем в пересчете на трубы диаметром 1500 и длиной 6100 мм производительность завода составляет 100 м труб в смену. По данным фирмы, долговечность таких труб не менее 50 лет. Выпускаемые трубы успешно конкурируют со стальными, асбестоцементными и железобетонными. Трубы этой фирмы используются в напорных магистралях, для сброса агрессивных стоков в очистные сооружения и перекачки рапы (рис. 70),

^«ВорОМр^'Ь1)ВЬ"'УСКаеМЫС аМер"Ка，，СКИМН Фомами ДЛ1, „ерекачки солевых^«ВорОМр^'Ь1)ВЬ"'УСКаеМЫС аМер"Ка，，СКИМН Фомами ДЛ1, „ерекачки солевых

^«ВорОМр^'Ь1)ВЬ"'УСКаеМЫС аМер"Ка，，СКИМН Фомами ДЛ1, „ерекачки солевых

^«ВорОМр^'Ь1)ВЬ"'УСКаеМЫС аМер"Ка，，СКИМН Фомами ДЛ1, „ерекачки солевых

скважин, в трубопроскважин, в трубопрокак обсадные трубы при бурении

скважин, в трубопро

скважин, в трубопро

водах для перекачки нефти.

Компания 《ГЗон^еСт》 разработала и выпускает от- делочные плиты и стеновые панели из полимербетона на основе фенольных смол и органических наполнителей в виде древесиых опилок, скорлупы орехов, шелухи риса и т. п. Полимербетоны на органических наполнителях имеют небольшую плотность при прочности на сжатие до 40 МПа. В этой же фирме разработаны технология и специализированное оборудование для производства полимербетонных дренажных труб, радио- пепрозрачных плиток к блоков с углеродсодержащим и наполнителями, а также полимербетона на основеММА для объектов военного назначения, в том числе для строительства спецпомещений и оперативного ремонта взлетно-посадочных полос аэродромов.

Электроизоляторы из полимербетонов на основе полиэфирных смол взамен фарфоровых выпускает компания «Линдсеи Ипдастрис». Испытания таких изоляторов показали, что они выдерживают напряжение до 250кВ, в то время как у фарфоровых изоляторов аналогичных размеров при 235 кВ наблюдается электропробой.

В Брукхейвенской национальной лаборатории разработаны новые термостойкие составы полимербетона на основе комплексного связующего следующего состава, %: стирол ——50, акрилонитрил ——35, акрилоамид — 5 и

дпвпнплбензол ™ 10. В качестве наполнителя использовали песок. Такие полимербетоны обладают высокой прочностью и термостойкостью. После выдерживания в солевом растворе при 225”(： в течение 240 сут образцы не только не снизили п|»<»ци(к' гцых хар.чктсристлк, по даже увеличили. Контрольные образцы имели прочность на сжатие 181 МПа после испытаний 204 МПа.

Американские специалисты считают, что одной из рациональных областей применения термостойких полимербетонов могут быть трубы для геотермальных установок с температурой подземных вод, содержащих большое количество минеральных солей, до 350℃ [157, 159].

Во многих странах большой интерес вызывает применение полимербетонов в электротехнической промышленности, машино- и станкостроении для замены фарфора и других изоляционных материалов, серого чугуна или стальных сварных конструкций. Например, в электротехнической промышленности полимербетон как материал, обладающий высокими диэлектрическими характеристиками, используют для изготовления различного вида изоляторов, кабельных муфт, смотровых колодцев, плит для распределительных щитов, шкафов для разводки электрических сетей, ящиков для счетчиков и др.

В машиностроении из полимербетона на основе полиэфирных смол изготовляют корпуса редукторов, центробежных насосов и других корпусных конструкций взамен серого чугуна [78]. При достаточно высоком качестве оснастки гнезда под подшипники формуются с высокой точностью и не требуют дополнительной ме- ханической обработки. Использование полимербетонов в машиностроении существенно упрощает технологию, позволяет резко сократить трудоемкость, так как отпадают операции механической обработки, а использование 1 т полимербетона обеспечивает экономию около 4 т литейного чугуна.

Однако наибольший эффект был получен при использовании полимербетонов для изготовления станин высокоточных ——прецизионных станков. Это объясняется тем, что при значителььюм увеличении скорости резания и соблюдении, а во многих случаях и значительном повышении точности обрабатываемых деталей одним из сдерживающих факторов является низкая демпфирую-

Щая характеристика чугунных или стальных станиц станков [163, 164].

Многочисленные исследования швейцарских и западно-германских специалистов показали, что многие виды полимербетонов обладают очень высокими демпфирующими характеристиками (рис. 71), а их использование в корпусных деталях станков позволяет резко повысить точность и производительность.

Швейцарская фирма 《ПГтудер》одна из первых организовала изготовление станин шлифовальных станков из полимербетонов на основе эпоксидных смол. Затем полимербетоны на различных смолах стали использоваться для изготовления базовых деталей шлифовальных, фрезерных, координатно-расточных и других точных станков, а также измерительных плит в ФРГ, Англии и Японии [160].

Комплексные исследования полимербетонов для использования в станкостроении проводятся в ФРГ в следующих основных направлениях: разработка и совершенствование полимерных материалов для полимербетонов (фирма《Рем》)； совершенствование машин и оборудования для приготовления качественного полимербетона (фирмы 《Респекта» АДМ и др.); исследования различных видов полимербетонов (технологические институты в Дармштате и Ахене).

Различные фирмы и организации, участвующие в этих работах, довольно тесно связаны между собой на основе научно-технических и коммерческих интересов.

По данным вышеуказанных институтов ФРГ, наиболее перспективны полимербетоны на основе полиэфирных смол и особенно на основе мономера метилметакрилата. Эти виды полимербетонов имеют по сравнению с цементными и другими видами полимерных бетонов следующие преимущества: более высокий предел прочности на сжатие и растяжение, возможность изготовления базовых деталей без стальной арматуры, более краткий цикл изготовления деталей; возможность использования полимербетонов непосредственно на рабочих поверхностях, например, в измерительных плитах, высокую стойкость к воздействию внешней среды (масла, смазочно- охлаждающих жидкостей и т. д.) и, как следствие, отсутствие их специальной защиты; возможность крепления стальных направляющих и закладных деталей как в процессе формования базовых деталей, так и путем при-

Рнс. 71. демпфирующие характеристики “угунн。# ⑷ « полимербетонной (6) станины станкаРнс. 71. демпфирующие характеристики “угунн。# ⑷ « полимербетонной (6) станины станкасти новых видов скне достижения.сти новых видов скне достижения.ЭтиЭтиотвечают возможности 、 зоВых деталей станков [165|.отвечают возможности 、 зоВых деталей станков [165|.

Рнс. 71. демпфирующие характеристики “угунн。# ⑷ « полимербетонной (6) станины станка

Рнс. 71. демпфирующие характеристики “угунн。# ⑷ « полимербетонной (6) станины станка

сти новых видов скне достижения.

сти новых видов скне достижения.

Эти

Эти

отвечают возможности 、 зоВых деталей станков [165|.

отвечают возможности 、 зоВых деталей станков [165|.

клеивания к готовым станинам, высокие демпфирующие

характеристики.

Фирма《Респекта》приступила к серийному выпуску второго поколения машин типа ДВ-31, ДВ-71 и ДВ-101, для непрерывного приготовления полимербетонных смз- сей, в которых учтен многолетний опыт эксплуатации ранее выпускавшихся машин, технологические особенно- полимербетонов и последние техниче- машины в наибольшей степени качественного изготовления ба-

В отличие от ранееВ отличие от ранеевыпускавшихся у этих машин пульт управления упрощен и смонтирован в верхней части, что позволило существенно уменьшить габаритные размеры. Шнековое устройство выполнено нз специальных сталей и твердых сплавов, позволяющих ис- 239

В отличие от ранее

В отличие от ранее

пользовать горные породы высокой твердости вплоть до корунда, карбида кремния и стальных фибр длиной до 30 мм. Кроме того, машины типа ДВ-71 снабжены специальным устройством для резки стекложгутов и подачи стеклофибр в шнековое устройство, что обеспечивает возможность при необходимости осуществлять дисперсное армирование полимербетона. Производительность машин ДВ-31, ДВ-71 и ДВ-101-30, 70 и 100 кг/мин соответственно.

Значительное внимание полимербетонам уделяется и в странах социалистического содружества Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Чехословакии и др. Например, в Болгарии исследовались легкие и тяжелые полимербетоны на полиэфирных смолах, в Румынии — мелкозернистые полимербетоны на основе фурановых смол и не лимеррастворы для монолитных химически стойких полов на основе модифицированных эпоксидных смол, в Чехословакии—полимербетоны на основе фурановых смол и фурилового спирта. К наиболее интересным работам в Чехословакии относят изготовление трубопроводов для сброса агрессивных промышленных стоков из полимер- бетонных колец диаметром 1350, длиной 3000 н толщиной стенки 40 мм, а также двухслойных труб диаметром 1800 и длиной 2000 мм с внешним слоем из цементного бетона и внутренним слоем толщиной 20——30 мм из полимербетона, выполненных методом последовательного центрифугирования или вертикального виброформования.

Полимербетон был применен при строительстве нового магистрального канализационного коллектора, пересекающего Прагу с юга на север [156]. Общая длина этого коллектора более 11 км. Внутренний диаметр коллектора на различных участках 2000—3600 мм. На специализированном предприятии методом вибропрессования изготовляли сегменты заданной кривизны из полимербетона на фурановых смолах длиной 1490 и шириной 900—1000 мм. Масса каждого сегмента 60—70 кг.

Эти сегменты собирали на специально разработанной сборно-разборной металлической опалубке длиной до 3000 мм, наружный диаметр которой соответствовал внутреннему диаметру запанного участка коллектора. Сегменты стягивали проволокой, стыки между сегментами заделывали нре\!снными резиновими прокладками. Затем опалубку вместе с сегментами устанавливали на место монтажа краном, если коллектор проходил в от-

крьп'о自 траншее, или перемещали с помощью специальных тележек, если коллектор прокладывали в туннеле. Смонтировав две-три секции опалубки, производил и бетонирование коллектора цементным бетоном.

После набора бетоном достаточной прочности конструкцию опалубки переводили в транспортное положение и с помощью автокара вывозили из коллектора. Затем резиновые прокладки убирали и стыки между сегментами заделывали иолимерраствором на основе эпоксидных смол.

По сравнению с первоначальным вариантом проекта, в котором защитная облицовка внутренней поверхности коллектора предусматривалась из кислотоупорного кирпича, в принятом варианте трудоемкость строительства уменьшилась в 3 раза при прокладке коллектора в туннеле и в 6 раз при прокладке в траншеях. Экономия рабочей силы составила 70%.

Далеко не полный обзор применения полимербетонов в Советском Союзе и в развитых зарубежных странах -показывает, что эти новые и прогрессивные материалы используются в различных областях строительства. При этом номенклатура изделий из полимербетонов непрерыв^ но расширяется.

Глава 12. ЗАВОДСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Изготовление полимербетонных изделий и конструкций малыми сериями

Комплексные экспериментально-теоретические исследования в области физико-химических основ структуре- образования и рациональной технологии высокоэффективных полимербетонов, в том числе исследования модели образования клеящей мастаки ——микроструктуры и макроструктуры полимербетона, морфологии надмолекулярных образований в зависимости от состава, температуры и усадочных напряжений, основных параметров приготовления, виброформо-вания ,и термообработки, выполненные лабораторией полимербетонов НИИЖВа совместно с Институгим физической химии АН СССР, позволили получ и it онгимальные составы ntj.iHMepoeioiiOB и их расчетные характеристики. В настоящее время дей-

ствует О'Коло 12 производств армополимербетонных конструкций и изделий. В Джезказгане выпускают поли- мербетонные блоки, колонны, фундаментные башмаки и др., в Светлогорске — фундаменты под 'насосы, плиты перекрытия, пл*иты для покрытия пола, в Ашхабаде и Таллине — декоративно-отделочные пол.имербетонные плиты, в Краснодарском крае — теплые и химически стойкие полимербетонные плиты для полов животноводческих помещений, Прокопьевске — полимербетонные тюбинги для шахтной крепи, Усть-Каменогорске ——элек- трол'изные ванны и другие химически стойкие конструкции.

Цех по производству полимербетонов в Усть-Каменогорске производительностью онколе 1,5 тнс. м3 в год различных химически стойких армополимербетонных конструкций, и в первую очередь электролизных ванн, состоит из следующих отделений: дробильно-сортпровоч- ного, ■сушильночгакопмтельного, изготовления полнмер- бетонных конструкций, склада материалов и готовой продукции. Кроме того, в цехе введена в эксплуатацию автоматизированная линия по изготовлению стеклопластиковой арматуры годовой производительностью 10 т [138, 139J.

Крупный заполнитель (кварц, андезит) поступает на площадку дробильно-сортировочного отделения, где подвергается двухстадийному дроблению: вначале на щековой дробилке, затем на валковой дробилке для окончательного дробления до нужных фракций. Полученный щебень по фракциям подается конвейером в бункера сушильно-накопительного отделения. В бункерах установлены паровые регистры для сушки наполнителей и заполнителей. При необходамости заполнители дополнительно сушат во вращающейся барабанной печи.

Наполнители и заполнители по фракциям из сушильно-накопительного отделения питателем и элеватором подают в бункера для щебня； песка и андезитовой муки. Смолу ФАМ загружают в накопительную емкость, бензол сульфокислоту——в бак с водяной рубашкой для расплавления. Щебень, песок и андезитовую ：муку с помощью дозаторов подают в бетоносмеситель. Смолу ФАМ и бензолсульфоки-слоту дозаторами подают в смеситель для перемешивания в течение 15——20 с. Затем полученное связующее поступает в бетоносмеситель, где пер емеш^в ается с наполнителями и заполнителями.

Сборку опалубки и натяжений стеклопласТиковой арматуры осуществляют на стенде. Затем опалубку устанавливают на тележку и лебедкой подают под бетоносмеситель для загрузки полимербетонной смесью, после чего мостовым краном ее ставят па вибростол для зиброуплотнения. Для более качественного виброуплот- нения крупногабаритных изделий типа электролизных ванн на боковых стенках опалубки предусмотрены навесные вибраторы. Сформованное изделие вместе с опалубкой помещают в термокамеру, в которой осуществляется термообработка.

Стеклопластиковую арматуру изготовляют на авто- |матизи'рованн1ой линии, которая состоит из шпулярника, [узлов пропитки и термообработки, намотки готовой про l^yKUw-H и пульта управления.

‘ Однако перечисленные предприятия, в том числе и цех в Усть-Каменогорске, уже не отвечают современным требованиям. Поэтому разработан проект высокомеха- низирован'ного завода, конвейерная система которого позволяет выпускать полимербетонные 'изделия и конструкции широкого профиля для промышленного, сельскохозяйственного и гражданского строительства,

122 Серийное производство на поточных линиях

При разработке технологии и проекта завода использован опыт работы действующих цехов в Усть-Каменогорске, Джезказгане, Московского медеплавильного и медеэлектролитного завода, а также опыт изготовления полимербетонных конструкций на Алмалыкском и Балхашском горно-металлургических комбинатах [138, 139].

Особенностями разработанной технологии являются: возможность получения полимербетонных изделий с однородной структурой и постоянными физико-механическими свойствами;

цикличность или непрерывность технологического процесса, которые определяются габаритами изготовляемых изделий 1И видом связующего. Операции виброфор- мовання, термообработки, нанесения защитного покрытия осуществляются на движущемся напольном конвейере. При этом тепловая обработка изделий осуществляется по ускоренному режиму в специальных печах аэродинамического прогрева ПАП;

универсальность. На одном конвейере можно изго-

// /" %

□

м

IBBUEOU ggmtHAEKBaodH hfh (WV6) УФ EFOO qHBQXOBdlaBUAIou но Я5НЛНКС ^3§§e-9 madoH Eg loqHO0HaBHqlfalHWPQO и KzapBOU WOIdo=3HpdIOW .sac ан&9 ① tnqHHQHqFOWBX .WHW 。寸от йкнол^ н&он —dy 0口 bs^^^ssm^ OJg 0= CAnHIHqua2^кед^&- oiAh •^OHOiHO^EH wauaipiHiiHhoIH3F KzapBOU ww m—N ннпураф KHgatn лнил^ раемнАд QJOHhoLA 痴awodu m EdBXHAg QHBOXEd 8 icheuai。！！ qHBgzn к yoQU Edo~E8 曾OHtnoiuWOIBmOOE он 5£&^^^ё『PHdaJBW NodoioMCH9Pdp9IqHqualHFPUX。^so^ qH^gatn SQ^E ЛЖЛЮЛЛЛЮ OJOHqK0mAms。。oiroxo ЛКЛ0ЙЛЛ0 OJOHqFHnTmH aBOXIqn Hdu- PFPalpw BdIpdBIInal .зклюл^лю QWHqlfHmA8 H2W4^&^K bgfpB h aioxodjH loJEmuodu н Hs^tf-OK BdoKE 翳fg и pda20IHOH OJOHHOIHau ^^S^^HSK ^ss§ madah ©Hagatn s HOQau ©odayHAgM

•pda出H8 ioipkou K35H ■sc OJOHhOIHQF 2^_3OSOEqH^gotnyou①I! s^s "^^^ -alHHITOIIEm 3ME『H0 ph wo^2^^^m^^ h WOIdouoHpd』WBH ■qlfHgowoIBP HUH- 3qH^<odo口онтоуаж НОЙК^НООЕ л§ю^_з н H02u ^S^^OHOOHO5X^ .HSS2K§rtHQOQ ExOSJBOU •(az .0^^ AHLOgBdeoowd①xн 江 HlrgBmH gsHBHSIHTAOd —9Нн анн-оаоф csawoOHHOLagdowHFOU OBHaFA-OIOJ ，Hdu ^S._S2W^»^HOOO AyBOSU 口 ou ^з^^ё- ^зхи-охо-0 ad』 ,ah JephoJUHnхгшноюапниои KUJOFOHKal ・「6岂 ・dB h PIPUHdHPIawRHFaw CXIqHqFodd’OH •口 HrwgapH—HLI Рин』xlqHdGHmQIIаф нинаф вин』 FowхпшэнвсЦф зшжювн ибкон^ю-^^к^ое mHHHHyxd』 ，ном qJPMDAEqsj OH*OHJ0IT0HX3.L 江OHHEO9E dmpd 0=

•KHHE80BAd090^0H§3& SH00^23H 言 OBmHodu H8I2h-F0y Ho KHOOSSCSW^m 8 口 OJ/ООО 0a 000Ю Ho luDOHqlmHEOgMHOd-u ^oss^^m QH-HQhamogo

百HMAdoo。 н 皿 HHBMm KH当①0mo0HMQs SG^SHSO^S ehBAdI NJEdlpm qlHIEdHOQ IgKFQqmou OIG EIQ0H80I0J ЙЛХ^Е^НО ^о^оози 0 田H-F 当xHdowdoHUAdy aHHOFAOIOJmH

(паоф QylDPIOODdau ОС

・Em H3q=q3JJ?gH§^ssnFORg= S^^H^3-0^03 -ss 000m BLU3Iq0^0^ EHHIHI WOONI PHHIR WHLCFS thNmEd ^ssss^^ •(①①SHI/OUEE SOWOH ，ndouo!MB HH WOAOIHmwpdoN PH) OJOHJOHFH EHOSgdBW ■S§E 23s^^^ Ms olqlmBAJQHPdlrwdualqjsdgad ^3= ‘0—dHaodjwmpd XWHHHEpd HPI践 qwBImoI

ha склад материалов в бочках или железнодорожных цистернах, где их переливают в горизонтальную цельносварную емкость объемом 25 м3. Со склада смолу перекачивают по теплоизолированному трубопроводу центробежными насосами в расходную емкость объемом 2 м3 производственного отделения, откуда он самотеком поступает на дозаторы узла смешения.

Бензол сульфокислоту со склада в производственное отделение транспортируют расплавленной. Для этого предварительно вскрытые барабаны с БСК устанавливают отверстиями вниз в камеры с подогревом, где кислоту нагревают и плавят. По мере расплавления она из барабанов вытекает в обогревательный бак-накопитель. При накоплении 1,5—1,8 т и дО|Стижении температуры расплава 50—60℃ кислоту перекачивают по обогреваемому теплоизолированному трубопроводу лабиринтным насосом в вертикальную обогреваемую расходную емкость объемом 2 м3, откуда она самотеком поступает на дозаторы узла смешения производственпого отделения.

Температура ФАМ при подаче в дозаторы должна быть не более 25—30℃, БСК — 40—45℃. Камеры для разогрева, бак-накопитель, насосы, арматуру, трубопроводы -и расходную емкость для БСК выполняют из кислотостойкой стал и 12Х18Н1 ОТ.

Составляющие дозируют серийными дозаторами, ко торые используют при изготовлении цементного бетона. Точность дозировки： ФАМ, БСК и микронаполнитель — ±1%; заполнители средней и крупной фракции (песок, щебень) —士2% по массе.

Приготовление полимербетонной смеси происходит в два этапа: на первом готовят связующее, смешивая смолу, микронаполнитель, пластификатор -и отвердитель, на втором — перемешивают готовое связующее с крупным и мелким заполнителями в бетономешалках принудительного действия.

Связующее приготовляют смешением отдозированных микронаполнителя, пластификатора, смолы и отвердителя в непрерывно работающем турбулентном смесителе. Время перемешивания загруженных компонентов не более 30 с.

Полимербетонную смесь готовят последовательным смешением сухих заполнителей (песка и щебня), затем в непрерывно работающий бетоносмеситель подают связующее. Время смешения заполнителей (сухой смеси) 246

1,5——2 мин; сухой смеси заполнителей со связующим — 2 мин; выгрузки полимербетонной смеси ——0,5 мин. Песок и щебень подаются в бетоносмеситель дозаторами. Смеситель должен быть оборудован термодатчиками н аварийным устройст1вом для подачи воды при внезапной аварии или при нарушении технологического процесса, когда необходимо остановить реакцию структурообразо- ватя полимера.

Запорная арматура аварийной подача воды должна быть подлостью герметичной, исключающей попадание воды в смеситель.

Формование и уплотнение полимербетонной смеси. Полимербетонную смесь подают в бетоноукладчик подвесного типа с передвижным бункером и заглаживающим устройством, который равномерно распределяет полимербетонную смесь по форме изделия.

Уплотняют полимербетонную смесь на резонансной виброплощадке с горизонтально направленными колеба-' ииями. Амплитуда колебаний 0,4—0,9 мм по горизонтали, 0,2—0,4 мм по вертикали, частота 2600 кол/мин. Время виброуплотиения 2 мнн.

Укладку и виброуплотнение смеси производят в закрытом помещении, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией. Одновременно с формованием полимербетонных конструкций формуют контрольные образцы размером ЮОХЮОХЮО мм для определения прочности полимербетона на сжатие. На каждое изделие из полимербетона объемом 1,5—2,4 м3 изготовляют три контрольных образца.

Термообработка полимербетонных изделий. Для по- лучения изделий с заданными свойствами в более короткие сроки их направляют с помощью напольного конвейера в камеру термообработки. Термообработку изделий проводят в печи аэродинамического нагрева, типа ПАП, обеспечивающей равномерное распределение температуры по всему объему.

После тепловой обработки готовые изделия автоматически перемещаются конвейером в технологический пролет, извлекаются из формы >и направляются на склад готовой продукции. Освободившуюся форму очищают от посторонних предметов и остатков полимербетона и готовят к формованию очередного изделия.

Весь завод обслуживают 20 человек при работе в две смены. Все операции в соответствии с принятой техно-

логией максимально механизированы и автоматизировав ны. Мощная приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает нормальные условия работы в цехе. Отходящие газы на специальной установке сжигаются. Производственные стоки направляются в очистные сооружения, запыленный воздух подается на тонкую очистку в систему пылеулавливания.

предусмотри ампул дляпредусмотри ампул дляВ цехе могут быть предусмотрены отделения для получения стеклопластиковой арматуры, приготовления поли меррастворного компаунда на основе смолы ФАМ в виде двух упаковок: сухой смеси микронаполнителя, песка и отвердителя и смолы с модифицирующей добавкой. Полимерраствор из этих двух упаковок гото1вится непосредственно на строительной площадке путем их перемешивания. В цехах системы Минцветмета ны отделения приготовления специальных крепления горных выработок.

предусмотри ампул для

предусмотри ампул для

меди из иона дежн остьмеди из иона дежн остьЭксплуатация ванн электролиза цинка и лимербетонов в течение 15 лет показала применяемого материала в емкостных сооружениях. Это позволило разработать конструкции баковой аппаратуры сгустителей, баков-мешалок, пачуков, отстойников, башен и сборников сернокислотного производства, причем особое внимание было обращено на конструктивное решение стыков и их герметизацию. Отдельные элементы между собой соединяют стальными болтами или арматурными преднапряженными стержнями. Для герметизации стыков служат резиновые прокладки. В целях повысить трещиностойкость конструкций отдельные элементы аппаратов выполняют предварительно напряженными.

меди из иона дежн ость

меди из иона дежн ость

При проектировании баковой аппаратуры особое внимание уделяют расчету на воздействие -повышенных температур, которые вызывают значительно большие усилия, чем механические. Строительные конструкции и баковую аппаратуру рассчитывали на ЭВМ.

Для повышения долговечности и экономии металла в изделиях полностью исключены стальные закладные элементы, выступающие на поверхности конструкций. Соединение последних между собой н их крепление в полимербетоне предусмотрело на арматурных штырях и с помощью полиэтиленовых болтов.

Для строповки конструкций использованы специаль-

ме полиэтиленовые закладные детали, позволяющие грмменять съемные строповочные элементы.

В последнее время все больший интерес проявляется к строительным отделочным материалам из полнмсррас- □зоров п полимербетонов на основе полиэфирных смо(т, метилметакрилате и других связующих. Особенно значителен этот интерес в тех районах, в которых отсутствуют запасы мрамора и других природных отделочных материалов. Например, в Туркменской ССР имеются практически неограниченные запасы каракумских барханных песков и весьма ограничены месторождения природных отделочных материалов. Поэтому один из первых цехов для получения полимербетонных отделочных плит был построен на Ашхабадском комбинате строительных материалов 必 конструкций. В разработанный состав входит более 50% барханных песков, такой поли* мербетон получил название «барханлит». Это мелкозернистый полимербетон, состоящий из местных наполнителей, заполнителей и синтетического связующего.

По разработанной технологии из барханлита можно получать изделия с однородной структурой, постоянными физико-механическими свойствами, широкой цветной гаммой. Формование, виброуплотнение и термообработка изделий осуществляются на движущемся конвейере. Тепловая обработка изделий по ускоренному режиму i производится в специальных камерах полимеризации. На поточной линии можно изготовлять детали различных размеров и конфигурации из тяжелого или легкого по лимербетона. Максимальный размер изделий 120Х80Х Х20 см_ Изменение номенклатуры изделий связано с незначительными затратами на переоснастку форм.

Производительность цеха от 25 000 до 50 000 м3 изделий в год. Разработанная технология позволяет получать изделия из барланлита на основе полиэфирных смол и метилметакрилата. Технология включает четыре основных передела: подготовка составляющих приготовление барханлитовой смеси, формование, уплотнение изделий и их термообработка.

Компоненты барханлита ——горномытый и барханный песок доставляют железнодорожным или автомобильным транспортом и выгружают в приемный бункер, из которого раздельно инертные материалы лепточиым кои-

вейером подают в сушильный барабан, температура материала при выходе из барабана 'составляет 100——115℃- Из сушильного барабана с помощью элеватора заполнители поступают на просеивание в снто-бурат, а после просева ——в бункеф-накопитель. Из бункера-накопителя ковшовым элеватором заполнители направляются в расходные бункера отдельно по фракциям. Микронаполнитель (барханный песок) после помола в шаровой мельнице тоже через элеватор поступает в расходный бункер. Сухие компоненты отвешивают весовыми дозаторами и подаются ленточным конвейером и элеватором в смеситель принудительного действия емкостью 250 л для предварительного перемешивания. После перемешивания с помощью ленточного конвейера сухие компоненты транспортируют в расходный бункер смесительной установки.

Полиэфирную смолу ПН-1 или другое связующее, а также отвердитель со склада матер налов по трубопроводу насосом перекачивают в расходные емкости ——для смолы, инициаторов полимеризации и ускорителя твер- дения.

Приготовление полимербетонной смеси осуществляют в смесительной установке《Респекта〉〉 (ФРГ) непрерывного действия со шнековой смесительной головкой. Режим подготовки компонентов и приготовления смеси регулируют с пульта управления. Полимерное связующее (ПН-1 или ПН-3) перед подачей в смесительную головку нагревают до 50—60℃ в самой установке,

полимербетонной размеров изделия головки.полимербетонной размеров изделия головки.ииВ смесительную головку установки отдельно подают полимерное связующее, сухую смесь сыпучих компонентов, инициатор полимеризации, ускоритель и пигмент. По ходу шнека связующее непрерывно перемешивается сначала со смесью сыпучих компонентов, инициатором полимеризации и ускорителем, а в конце смесительной головки ——с пигментом. Готовая полимербетонная смесь заливается в подготовленную форму непосредственно со смесительной головки установки. Непрерывная подача смеси в одну форму зависит от типо-

полимербетонной размеров изделия головки.

полимербетонной размеров изделия головки.

и

и

производительности смесительной

выравнивают вручную специаль- шпателем и вибрированием непо-выравнивают вручную специаль- шпателем и вибрированием непо-Поверхность плит ньш фторопластовым

выравнивают вручную специаль- шпателем и вибрированием непо-

выравнивают вручную специаль- шпателем и вибрированием непо-

средственно в форме па горизонтальном вибростоле с частотой колебаний 2500——3000 и амплитудой 0,5 мм в течение 15—20 с.

Фактурный слой барханлитовых облицовочных плит наносят до формовки смеси на специальном посту путем заливки фактурной композици1и на поддон формы с последующим выравниванием ее фторопластовым шпателем и частичным отверждением в камере непрерывного действия при температуре 50±10℃ в течение 25—30 мин. Форма с фактурным слоем с помощью рольганга подается на ПО'СТ формовки. С поста формовки формы с уплотненными барханлитовыми смесями по рольгангам поступают в камеру полимер|Нзации> по которой они непрерывно движутся в течение 4560 мин. Температура в камере полимеризации для плит на основе полиэфирных смол 80± 10℃, а для плит на основе метилметакрилата —30±Ю℃.

После камеры полимеризации из форм извлекают готовые изделия. Затем плиты сортируют и отправляют на посты маркировки, технического контроля, упаковки и далее на склад готовой продукции. Освободившиеся формы подают на пост подготовки, где их чистят, смазывают и направляют через камеру иа пост формовки. На пост формовки изделия формы поступают, подогретые до 30——40℃ для ускорения полимеризации полимер- бетопной смеси.

В настоящее время изготовление полимербетонных отделочных плит организовано многими зарубежными ,фирмами. Однако следует отметить, что независимо от принятой технологии (формование .непрерывной ленты заданной толщины с последующей разрезкой на необходимые размеры алмазными пилами или формование монолитных блоков с их разрезкой на многопильных станках) лицевая сторона полученных плит подвергается шлифовке и полировке. Отличительная особенность технологии барханлитовых плит — формование полимербе- тониой смеси в горизонтальных формах со стеклянным или шлифованным до 7 класса металлическим поддоном. Специально разработанная разделительная смазка в сочетании с такими поддонами позволяет получить лицевую поверхность плит, не требующую шлифовки н полировки.

Весь цех обслуживает 12 человек при односменной работе. В соответствии с принятой технологией все операции максимально механизированы и автоматизированы. Приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает нормальные условия работы. При производительности цеха 251

25000 м‘ изделий из бархаплита экономический аффект составляет 650 тыс. руб. в год [146, 147J.

Аналогичный цех с использованием смесительной уз тановки《Респекта» построен СКТБ «Дезинтегратор» (Таллин). В отличие от ашхабадского цеха здесь используется бесстирольыая полиэфирная омола типа НПС- 609-21М.

На основе инструктивно-нормативных документов, опыта проектирования и эксплуатации различных конструкций НИИЖБ, МИИТ, Гипроцветмет и др. разработали рабочие чертежи типовых конструкций из ар- мопол и мер бетон а, а также конструкинн промышленных зданий для экспериментального строительства, ванн электролиза цинка и меди, различной баковой аппаратуры для гидрометаллургических цехов, подванных эстакад и встроенных этажерок для цехов электролиза нннка и меди, фундаментов под технологическое оборудование, блочных футеровок баковой аппаратуры.

Почти 20-летний опыт разработки и внедрения армо- полимербетонных конструкций в промышленности показал весьма высокую экономическую целесообразность применения таких конструкций, значительное снижение трудоемкости и затрат на ремонтнонвосстановительные работы.

Перспективы развития технологии полимербетонных изделий и конструкций

Анализ опыта крупносерийного производства армопо- лимербетопных изделий и конструкций, выполненный в НИИЖБе и Гипроцветмете, позволил определить основные направления разработки более современной техно- vTorHH изготовления армополимербетонных изделий и конструкций.

В двенадцатой пятилетке будут продолжены исследования по получению полимербетонов па новых видах связующих и отвердителей, в том числе по разработке более эффективных отвердителей для фурановых, карбамидных и фенолоформальдегидных связующих. В более широких объемах будут применяться различного вида с^чтерпластификаторы, что позволит снизить продолжительность операции виброформования, а в ряде случаев перейти на литую технологию формования. Использование новых видов отвердителей и суперпластц- 252

фикагоров позволит в более широких диапазонах регулировать жизнеспособность полимербетонных смесей, снизить расход полимерного связующего, получить более плотную стр) к гуру и соответственно более высокие физико-механические характеристики.

Практика показала, что широко используемые во многих случаях серийные бетономешалки принудительного действия не отвечают предъявляемым требованиям как по производительности, так и по качеству получаемых -полимербетонных смесей. Для этих целей более целесо- образнь! установки фирмы《Респекта》，работающие по j принципу непрерывного приготовления полимербетонных I смесей, и аналогичные установки, разработанные в СССР, I обеспечивающие более качественное приготовление по- [-лимербетонных смесей на полиэфирных, карбамидных, ；фенолоформальдегидных и других смолах. Работа такой 'установки, совмещенной с ЭВМ, позволит перейти на ■ новый уровень приготовления полимербетонных смесей. < Виброформование в настоящее время является одним ! из основных способов получения армополимербетонных :изделий и конструкций, при этом на производстве, как + правило, используют стандартные виброплощадки с ча

стотой 50 Гц и амплитудой 0,3——0,5 мм.

во многихво многихТак как синтетические смолы обладают рядом специфических свойств: высокой вязкостью (во много раз превышающей вязкость воды, используемой в цементном вяжущем), значительной липкостью и когезионной прочностью,—то частота, амплитуда, длительность и направленность колебаний, наиболее часто применяемые при виброформовании цементного бетона, менее эффективны при формовании изделий из полимербетонов и при использовании стандартных виброплощадок, случаях необходимо применять пригруз и увеличивать время виб-роформования. Это приводит к усложнению технологии и увеличению энергозатрат,

во многих

во многих

Н. Б. Урьев и Н. В. Михайлов показали, ито для качественного уплотнения необходимо создать в высокона- полненных полимерных композициях скорость и напряжения сдвига, соответствующие наименьшему знамению уффектнвпой вязкости [137]. Ош; считают, что с позн- ппи физпки-хцмпческой механики [(аиболее эффектив//ый способ создания таких условий — высокочастотное виброформование с частотой до 10 000 ко〃/мнн и амплитудой 0,2 мм. Однако развитие промышленности сборного

железобетона показывает, что общая тенденция вибро- формования направлена на применение низкочастотного виброформования на виброплощадках типа ВРА-8, ВРА-15, имеющих частоту от 600 до 900 кол/мин и амплитуду от 3 до 10 мм.

Исследования низкочастотного виброформования вы- соконаполненных композиций свидетельствуют, что такое формование достаточно эффективно для армополи- мербетонных конструкций и должно найти более широкое применение на вновь строящихся цехах и заводах.

Анализ различных способов отверждения полимербетонов показывает, что отвердение полимербетонов в обычных условиях при температуре 18—20°С в течение 28—30 сут не может обеспечить максимально возможную полноту полимеризации полимерного связующего. Прогрев конструкций или изделий в течение 6——10 ч при 60一70℃ после суточной выдержки в обычных условиях также не обеспечивает необходимую полноту отверждения [105].

Предложенный автором способ ——суточное отверждение при 18——20℃ и 20——24-часовой сухой прогрев при 80℃ — позволил получить максимально возможную на практике степень полимеризации для широкой номенклатуры армополимербетонных изделий и конструкций. Этот способ нашел применение на большинстве действующих предприятий по производству таких конструкций. Однако общее время отверждения составляет 44——48 ч, что существенно усложняет технологический процесс и удорожает стоимость полимербетонных конструкций.

На основании многочисленных исследований предложен новый способ термообработки, который заключается в следующем: после окончания формования полимербетонные нзпелн兄 выдерживаются в форме при 18—■ 20℃ в течение 1,5—2 ч. К этому времени под действием тепловыделения за счет экзотермической реакции полимеризации полимерного связующего температура полимербетон ной смеси повышается до 60——70°С. Разогретое изделие вместе с формой помещают в камеру термообработки, в которой температуру поднимают до 80°С. При этой температуре изделие выдерживается 16——18 ч, после чего температура плавно снижается до 20——25℃ в течение 3—4 斗(рис. 73).

Рис. 74. Характерные кривые кинетики тепловыделения цементных бетонов (/) и полимербетонов (2)Рис. 74. Характерные кривые кинетики тепловыделения цементных бетонов (/) и полимербетонов (2)Рис. 73. Термообработка полимер- бетонных конструкций с использованием теплоты саморазогрева / — зона саморазогрева; 〃 一 зона подъема температуры до 80℃; III — зона выдержки； /У — зонаРис. 73. Термообработка полимер- бетонных конструкций с использованием теплоты саморазогрева / — зона саморазогрева; 〃 一 зона подъема температуры до 80℃; III — зона выдержки； /У — зона

Рис. 74. Характерные кривые кинетики тепловыделения цементных бетонов (/) и полимербетонов (2)

Рис. 74. Характерные кривые кинетики тепловыделения цементных бетонов (/) и полимербетонов (2)

Рис. 73. Термообработка полимер- бетонных конструкций с использованием теплоты саморазогрева / — зона саморазогрева; 〃 一 зона подъема температуры до 80℃; III — зона выдержки； /У — зона

Рис. 73. Термообработка полимер- бетонных конструкций с использованием теплоты саморазогрева / — зона саморазогрева; 〃 一 зона подъема температуры до 80℃; III — зона выдержки； /У — зона

Предложенный способ позволил сократить общее время отверждения более чем в 2 раза и существенно сннзнть расход энергии на разогрев остывших изделий при их помещении в камеру термообработки после суточной выдержки по ранее принятому режиму. При таком способе полнота отверждения практически не отличается от показателей, характерных для ранее предложенного режима отверждения. Необходимое условие применения этого способа — масса полимербетона, укладываемая в одну форму, не должна быть меньше 450— 500 кг (〜0,2 м3)・

Для тонкостенных конструкций, имеющих большую поверхность теплоотдачи, и конструкций с небольшой массой полимербетона этот способ не имеет ограничений, но менее эффективен.

При производстве полимербетонов одним из наиболее энергоемких процессов является термообработка. Переход па термообработку с использованием теплоты, получаемой в результате саморазогрева полимер бетонной смеем, позволил сократить расход электроэнергии на

25—30%. Однако потенциальные возможности полимер- бетонных смесей далеко не исчерпаны, и первостепенное значение приобретает разработка такого процесса от верждення, который позволит полностью <>iказаться qi термообработки в специальных камерах при сохранении всех необходимых характеристик полимербетонов.

Известно, что термореактивные синтетические смолы в процессе отверждения в зависимости от вида смолы выделяют от 250—300 до 420—580 кДж на 1 кг нена- полненной смолы ад и от 60 000 до 140 000 кДж на 1 м3 тяжелого полимербетона.

Саморазогрев цементных бетонов растянут во времени и происходит плавно в течение нескольких суток, что затрудняет использовать метод термоса лри отверждении цементных бетонов. У полимербетонов реакции полимеризации нлн поликонденсации полимерного связующего протекают очень интенсивно и время саморазогрева составляет 1,5——2 ч (рис. 74).

Такой характер кинетики саморазогрева полимербе- тонных смесей и значительное количество теплоты, выделяемой при этом, позволяют весьма эффективно использовать метод《термоса》для отверждения полимербетон- ных изделий и конструкций [ИЗ].

Результаты экспериментальной проверки показали, что при отверждении полимербетонов на основе ФАМ и ПН-1 объемом 0,15—0,20 м3 в форме, изолированной фенольным пенопластом толщиной 100 мм, в результате саморазогрева температура полимербетонной смеси подымалась до 90—100℃ ,и сохранялась на этом уровне более 24 ч. При формовании изделия объемом больше 0,2 м3 и отверждении с использованием метода «термоса» температура саморазогрева может превышать 100℃. При такой температуре саморазогрева в изделии возможно появление температурных трещин.

Для исключения трещинообразования предложен следующий способ отверждения с использованием метода 《термоса》. Изделие объемом более 0,2 м3 формуют в обычной металлической форме и выдерживают в ней 1,5—2 ч. К этому времени в основном заканчиваются процессы экзотермических реакций полимерного связующего, и смесь разогревается до максимально возможной температуры для данного вида nOv4MMep6eTOHa и принятой массы. После этого форму устанавливают на тер- моиз^тпроваицый поддоп, накрывают крышкой «термо- 256

са》(термоизолированным кожухом) и выдерживают в 《термосе» 16—18 ч. Затем крышку снимают и изделие остывает до температуры 20—25℃ (рис. 75).

Физико-механические свойства полимербетонов, отвержденных методом《термоса》，практически не отличаются от аналогичных свойств полимербетонов, прошедших термообработку по вышеописанным режимам.

Внедрение этого способа отверждения на вновь строящихся заводах позволит существенно снизить себестоимость полимербетонных конструкций, сократить расход электроэнергии и снизить капитальные затраты на строительство, так как отпадает необходимость в камерах термообработки.

Высокие диэлектрические характеристики полимербетонов (см. 5 главу) обусловливают высокую эффективность использования энергии токов высокой частоты (ТВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ-энергии) для ускоренного отверждения мелкоштучных полимербетонных изделий. При этом нагреваемый материал характеризуется в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью е и тангенсом угла диэлектрических потерь tgb. Электрическая энергия, выделяемая в виде теплоты, пропорциональна произведению этих величин, и называется фактором или коэффициентом потерь К：

K=：8tg3・ (74)

Удельная мощность, Ps, Вт, выделяемая в каждом кубическом сантиметре материала вследствие возникновения диэлектрических потерь, определяется по формуле:

Ps=5,56.E2%tg》10—7, (75)

где Е—напряженность электрического поля в материале, кВ/см; / — частота, Гц.

Из выражения (75) следует, что если материал однороден и электрическое поле в нем равномерно, то выделение мощности, а следовательно, и нагрев будут проходить равномерно во всей массе материала. Мощность, выделяемая в материале, пропорциональна квадрату напряженности и частоте электрического поля, т. е. зависит от параметров поля. Но она пропорциональна также диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь материала, т. е. зависит от электрических свойств материала.

Следует иметь в виду, нто для каждого материала

имеется предельное значение напряженности поля, и если ее превысить, то может произойти электрический пробой. В практике во избежание пробоев рабочую напряженность принимают в 1,5——2 раза меньше пробивной.

Экспериментальные ' -исследования, выполненные в ЦНИИСКе, ЦНИИПодземшахтострое и НИИЖБе [75], показали, что при использовании серийных генераторов ТВЧ время полного отверждения полимербетонных кубиков с ребром 50 мм составляет 25—30 мин. К недостатку этого способа относится сравнительно большой расход электроэнергии, поэтому использование генераторов ТВЧ в промышленности можно рекомендовать в основном для отверждения контрольных образцов.

Исследования влияния СВЧ-нагрева на скорость отверждения полимербетонов, выполненные И. Д. Маслаковым, свидетельствуют, что общее время СВЧ-нагреня полимербетонных смесей не превышает 3——4 мин (рис. 76). Характерная особенность СВЧ-нагрева — возможность получения достаточно высокой прочности при минимальном количестве отвердителя. Более продолжительное воздействие СВЧ-нагрева (более 3——4 м-ин) снижает прочностные характеристики, особенно для составов с повышеныым содержанием отвердителя, что свидетельствует о появлении в образцах термической деструкции.

На рис. 77 показаны результаты испытания полимербетонных образцов, которые формовались в обычных формах и после распалубки через 8——10 ч подвергались СВЧ-пагреву. Максимальные значения прочностных характеристик и модуля упругости полимербетонов были получены уже при трехминутном воздействии СВЧ-нагрева. При использовании СВЧ-нагрева расходуется значительно меньше электроэнергии по сравнению с нагревом ТВЧ. К недостатку этого метода следует отнести отсутствие промышленных установок, пригодных для использования на предприятиях по производ>ству полимербетонных изделий и конструкций.

В настоящее время изготовлена и проходит промышленные испытания первая самоходная установка для ускоренного отверждения полимербетонных покрытий в дорожном и аэродромном строительстве с помощью СВЧ-нагрева [151].

Вышеприведенные способы термообработки полимербетонных изделий и конструкций показывают пути

Рис. 76. Зависимость предела прочности при изгибе от продолжительности воздействия токов СВЧ 丿 н 2 — полимербетон с содержанием отвердителя соответственно 14 и 20%Рис. 76. Зависимость предела прочности при изгибе от продолжительности воздействия токов СВЧ 丿 н 2 — полимербетон с содержанием отвердителя соответственно 14 и 20%Рис. 77. Зависимость прочности и модуля упругости полимербетона от продолжительности воздействия токов СВЧ/ — кубиковая прочность; 2 — модуль упругостиРис. 77. Зависимость прочности и модуля упругости полимербетона от продолжительности воздействия токов СВЧ/ — кубиковая прочность; 2 — модуль упругости

Рис. 76. Зависимость предела прочности при изгибе от продолжительности воздействия токов СВЧ 丿 н 2 — полимербетон с содержанием отвердителя соответственно 14 и 20%

Рис. 76. Зависимость предела прочности при изгибе от продолжительности воздействия токов СВЧ 丿 н 2 — полимербетон с содержанием отвердителя соответственно 14 и 20%

Рис. 77. Зависимость прочности и модуля упругости полимербетона от продолжительности воздействия токов СВЧ

/ — кубиковая прочность; 2 — модуль упругости

Рис. 77. Зависимость прочности и модуля упругости полимербетона от продолжительности воздействия токов СВЧ

/ — кубиковая прочность; 2 — модуль упругости

существенного снижения энергозатрат на этой энергоемкой операции. В то же время следует отметить, что для тонкостенных конструкций, имеющих небольшую массу и большую поверхность теплоотдачи, большинство из приведенных способов термообработки (кроме СВЧ-нагрева) недостаточно эффективно. К числу таких полимер- бетонных конструкций относятся декоративно отделочные плиты, подоконные доски, лестничные марши, малые декоративные формы и др. Поэтому изыскание принципиально новых путей экономии энергозатрат на стадии термообработки весьма актуально.

Для решения этой проблемы весьма перспективно использование солнечной энергии в южных районах страны. Не останавливаясь подробно на принципиальных возможностях и экономической целесообразности использования энергии солнца для термообработки цементных бетонов, так как они достаточно подробно освещены в ряде работ, необходимо отметить, что в отличие от цементных бетонов полимербетоны требуют сухого прогрева, и в этом отношении использование энергии солнца наиболее предпочтительно.

В нашей стране наибольшее количество солнечной

Рнс. 78. Принципиальная схема гелнокамеры

/ — обшивка; 2 — теплоизоляция; 3 — трубчатые электронагреватели; 4 — конвейер; 5 — формы с изделиями; 6 — двухслойная светопрозрачная пленка

энергии поступает в районах широт между 37 и 50° параллелями.

В солнечные дни на 1 м2 земной поверхности количество солнечной энергии составляет на широте 37° ■~■ 4,2 кВт-ч и на широте 50° — 3,3 кВт*ч. Таким образом, в юипшх регионах страны практически на протяжении 8 мес можно получать значительное количество солнечной энергии.

Исследования в области использования энергии солнца для термообработки полимербетонных изделий еще недостаточно широко распространены. Однако испытания разработанной под руководством К. Ч. Чощшиева гелиокамеры для конвейерной термообработки полимер- бетонных изделий показали ее высокую эффективность и универсальность, а также хорошие физико-механические характеристики получаемых изделий.

Гелиокамера (рис. 78) состоит из корпуса, оснащенного теплоизоляцией, двухслойного прозрачного покрытия, конвейера и электронагревателей. В течение солнечного дня температура в такой камере колеблется от 60

утром до 90°С днем. Такая температура вполне доста- точна для отверждения тонкостенных изделий за время движения формы внутри камеры.

Контроль качества полимербетонных изделий и конструкций

Качество полимербетонных изделий и конструкций непосредственно зависит не только от качества исходных материалов, но и не в меньшей степени от тщательного соблюдения установленных режимов технологического процесса. Поэтому контроль качества полимербетона должен предусматривать проверку качества всех составляющих, правильность дозировки, режимов перемешивания, уплотнения и твердения.

Признаками нормального качества полимер бетонной смеси служат цвет смеси при перемешивании и формовании, разогрев в процессе отверждения. Признаки нормального качества полимербетона — нарастание твердости и прочности в процессе отверждения, прочностные характеристики и однородность после отверждения.

После введения бензолсульфокислоты и качественного перемешивания полимербетониая смесь на смоле ФАМ должна иметь темно-фиолетовый цвет. Желтизна или изумрудные пятна являются признаком плохого перемешивания. Полимер бетонные смеси на полиэфирной, карбамидной, фенолоформальдегидной и других видах смол после введения соответствующих отвердителей и качественного перемешивания должны иметь однородный цвет и отсутствие комковидных образований.

Через 15—20 мин после укладки в опалубку полимер- бетонная смесь начинает разогреваться. В конструкциях объемом от 0,2 м3 и выше температура саморазогрева достигает 70—90℃. Слабый разогрев или отсутствие разогрева свидетельствует о плохом качестве смолы, отвердителя, неправильной дозировке или высокой влажности наполнителей и заполнителей.

Для оперативного контроля качества полимербетонов, в первую очередь его прочностных характеристик, обычно принятая термообработка (18——24 ч) не пригодна, так как в этом случае получаемые результаты испытаний не могут быть использованы для корректировки технологического процесса. Для сравнительно быстрой термообработки в крупных цехах и заводах рекоменду-

ется использовать генераторы токов высокой частоты (ТВЧ) типа ЛГС-ЗБ, мощностью 2 кВт, ЛД1-4 мощностью 4 кВт или печи СВЧ^нагрева.

Особенность отверждения полимербетонов токами высокой частоты заключается в том, что прогрев материала происходит равномерно по всему объему, а время для полного отверждения полимербетонных кубиков с ребром 50 мм составляет 25—30 мин для ТВЧ или 3—— 4 минуты для СВЧ. После охлаждения кубики испытывают, по полученным результатам судят о технологическом процессе и при необходимости его корректируют.

Для определения прочности и однородности выпускаемой продукции одновременно с укладкой полимербетона в опалубку формуют 6 кубиков с ребром 100 мм и 5 призм размером 70Х 70X210 мм. При этом кубики испытывают после термообработки с использованием генераторов ТВЧ, печи СВЧ-нагрева или в соответствии с режимами, принятыми для производственной продукции.

Для проверки набора прочности во время отверждения, определения модуля упругости однородности полимербетона призмы размером 70X70X210 мм проверяют на ультразвуковом приборе типа ДУК-20. Все испытания должны проводиться в соответствии с инструкцией СН- 625-80 и руководствами по методам испытаний.

Для контроля прочностных характеристик готовых бетонных и полимербетонных конструкций, в том числе и в процессе их эксплуатации, в Таллинском научно-исследовательском институте строительства разработан весьма оригинальный прибор склерометр СММ-2 и аналого-цифровой преобразователь ВЕМ-4 {125].

Склерометр СММ-2 ——ударное устройство, снабженное магнитоупругнм преобразователем и противовесом. В отличие от других преобразователей (например, пьезоэлектрических) магнитоупругий преобразователь преобразует в электрический сигнал скорость изменения контактного усилия в момент удара, что позволяет получить на выходе датчика значительно больший по величине сигнал Х?・，который имеет высокую корреляцию с прочностью бетона.

Склерометр СММ-2 подключают к аналого-цифровому преобразователю ВЕМ-4 для регистрации и одновременной статистической обработки измеряемой информации о прочности бетона, согласно запрограммированным операциям.

Прибором СММ-2 осуществляются многочисленные удары на контролируемых участках конструкции. После завершения_^даров, согласно заранее установленной зависимости R = R(XQ, вычисляется среднее арифметическое значение прочности бетона R и коэффициента а Значения 火 п и могут определяться как для одного участка контролируемой конструкции, так и для конструкции в целом.

Склерометр СММ-2 совместно с прибором ВЕМ.-4 предназначен для определения прочности и однородности тяжелых бетонов и полимербетонов в диапазоне 10—■ 90 МПа. Масса склерометра СММ-2—1,2 кг, ВЕМ-4—■ 3 кг. Питание приборов как автономное (12 В), так и от сети переменного тока (220 В).

Трудоемкость контроля прочности и однородности бетонов приборами СММ-2 и ВЕМ-4 по сравнению с эталонным молотком и ультразвуковыми приборами в несколько раз меньше, при этом повышается эффективность и оперативность контроля. Например, для получения результатов измерения и статистического анализа качества бетона по прочности и однородности при проверке 10 участков конструкции (100 измерений) требуется не более 0,25 чел.-ч [125J.

Техника безопасности

При проектировании цехов и заводов по производст. ву полимербетонных изделий и конструкций необходимо предусматривать соответствующие мероприятия, в том числе по вентиляции, очистным сооружениям, утилизации отходов и противопожарным мероприятиям, учитывая токсичность, огне- и взрывоопасность, а также предельно допустимые концентрации (ПДК) этих веществ в воздухе (табл. 78).

В целях защиты от загрязнения воздушного бассейна, отсос от камер термообработки следует направлять на утилизацию или на сжигание. Остальные вентиляционные выбросы необходимо выводить на высоту, достаточную для рассеивания их до 0,3 ПДК от концентрации в воздухе рабочей зоны производственных помещений, а также до ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов.

При производстве работ по изготовлению полимербетонных изделий и конструкций необходимо соблюдать

Габлица 78. Характеристики вредных веществ, выделяющихся в процессе производства полимербетонов

Вещество

ПДК паров, мг,/м3

Концентра-

Температу-； иноннне ра вспыш- 1 пределы ки, паров, 1 !!(>С11'Паме-

С! нения на-

〔ров. % по ] объему

Агрессивность к металлу

в воздухе рабочей зоны произ- водстиен- ных поме

щений

в атмосферном воздухе

населенных пунктов

Полимербетон ФАМ (ФА)

Фурфурол

100,05

61

1,8-3,4

Неагрессивен

Монофурфурилиде- нацетон

0,10,001

80

Ацетон

2000,35

—20

2,55—

12,8

»

Серна>я кислота

10,1

Агрессивен

Бензол

50,8

Полимербетон

10,7

ПН

1,5-8

Неагрессивен

Стирол

50,003

34

1)1一6,1

»

Нафтенат кобальта

50,003

34

1,1一6/

»

Гипериз

10,001

Полимербетон

УКС

—■

Формальдегид

0,50,001

—

7—72

Неагрессивен

Солянокислый анилин

30,03

Полимербетон

МЭД

Агрессивен

Эпихлоргидрин

10,02

35

1,2—13,3 Неагрессивен

Толуол

500,6

4

1,3—7

То же

Фурфурол

100,05

61

1,8 -3,4

»

Ацетон

Полпэтиленполи- амин

2000,35

1一

Полимербетон

—20

ММА

2,55—

12,8

Метилметакрилат

50 J 0,110

Все виды полимербетонов

2,1—12,5

Пыль, содержащая до 70% свободного SiO2

20,15

»

все действующие правила, предусмотренные СНиП III- 4-80 «Техника безопасности в строительстве» и требования инструкции по технологии приготовления полимербетонов и изделий из них, СН 525-80.

В производственных помещениях электрооборудование и электроосвещение должны быть заземлены. Во время производства в помещениях запрещается разводить огонь, пользоваться паяльными лампами, производить сварочные и другие работы, при которых возможно образование искр и возникновение пламени.

Рабо1Ы необходимо проводить только при включенной приточно-вытяжной вентиляции. При аварийной остановке вентиляции работы должны быть прекращены. В камерах термообработки после их загрузки полимербе- тонными изделиями или конструкциями вытяжная вентиляция должна работать круглосуточно. В рабочих помещениях необходимо систематически следить за состоянием воздушной среды.

При поступлении на работу рабочие должны пройти медицинский осмотр. Периодические медицинские осмотры рабочих должны производиться не реже 1 раза в год. Перед допуском к самостоягельной работе рабочие должны пройти курс обучения, инструктаж по технике безопасности и пожарной опасности.

Рабочие должны иметь спецодежду и индивидуальные защитные средства: комбинезон из плотной ткани, прорезиненный фартук, резиновые сапоги, перчатки и фильтрующий противогаз марки 《А》 для аварийных ситуаций.

На производстве должны быть оборудованы гардеробные для хранения чистой одежды и белья и отдельного хранения спецодежды, медицинские аптечки, умывальники и душ с горячей водой. Выполнение операций, связанных с приготовлением и формованием полимер- бет он пых смесей, должно производиться в резиновых перчатках. После окончания работы необходимо принять горячий душ.

Глава 13. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В настоящее время стоимость синтетических смол и мономеров все еще довольно высока, поэтому стоимость полимербетонов в основном определяется стоимостью

полимерного связующего. По мере развития химической промышленности и увеличения производства мономеров и олигомеров их стоимость будет непрерывно уменьшаться. Улучшается и качество выпускаемых продуктов, что позволило разработать ряд новых видов полимербетонов на более дешевых фенолоформальдегидных, карбамидных и других смолах. Работы в этом направлении будут продолжаться и в дальнейшем. В то же время, судя по опыту ценообразования на мировом рынке, это снижение имеет определенные пределы и цены на смолы останутся в 10--20 раз выше цен на минеральные вяжущие. Как показала экономическая оценка, сравнение стоимости синтетических смол со стоимостью портландцемента или других вяжущих приводит к неправильным выводам. Так как в полимербетонах количество связующего составляет не более 10% по общей массе, а трудозатраты на изготовление примерно те же, что и при изготовлении цементных бетонов, более правильное представление дает отпускная стоимость конструкций, выполненных из тех и других материалов (табл. 79).

Таблица 79. Стоимость конструкций, выполненных из различных бетонов

Вяжущее илн связующееВяжущее илн связующееСтоимость I м3 конструкций, руб.

Вяжущее илн связующее

Вяжущее илн связующее

легкие бетоны | тяжелые бетоны

60—80160—180180—200200—22060—80160—180180—200200—22060—8080—Я СЮ200-4220220—250250—30060—8080—Я СЮ200-4220220—250250—300Портландцемент

60—80160—180180—200200—220

60—80160—180180—200200—220

60—8080—Я СЮ200-4220220—250250—300

60—8080—Я СЮ200-4220220—250250—300

Карбамидная смола типа У КС Фенолоформальдегидная ①урановая типа ФАМ Полиэфирная типа ПН-1

Расчеты показывают, что конструкции из тяжелых армополимербетонов дороже аналогичных железобетонных в 2——4 раза. В то же время более высокая прочность армополимербетонов позволяет значительно сократить материалоемкость. В некоторых случаях объем армопо- лимербетонных конструкций можно уменьшить в 1,5— 2 раза по сравнению с железобетонными. При этом отпадает необходимость в многодельной и дорогостоящей химической защите железобетонных конструкций. С учетом снижения материалоемкости и стоимости химической защиты исходная стоимость армополимербетонных

конструкций приближается к стоимости железобетонных конструкций, а в некоторых случаях она может быть и ниже. Если учесть, что в условиях интенсивного воздействия агрессивных сред долговечность армополимербе- тонных конструкций в 3—5 раз выше железобетонных с химической занятой, то станет очевидна высокая их надежность и рентабельность.

Анализ внедрения конструкций и изделий из армо- полим ер бетонов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства, выполненный НИИЖБом, Гип- роцветметом, Донецким ПромстройНИИпроектом, Институтом сейсмостойкого строительства и другими организациями, показал высокую экономическую эффективность таких конструкций.

Например, при внедрении легких, химически стойких полнмербетонных плит для покрытия пола в животноводческих комплексах Краснодарского края в зависимости от вида используемого связующего экономическая эффективность составляет 2,5——9,6 руб/м2； Внедрение декоративно-отделочных плит из полимербетона на полиэфирных смолах, изготовляемых в Ашхабадском цехе обеспечивает годовой экономический эффект 25 руб/м2. Годовой экономический эффект от внедрения тюбингов из полимербетонов на основе фенолоформальдегидных смол на шахтах объединения «Прокопьевуголь» около 40 руб/м3. Анализ показал, что наибольшая экономия была получена при внедрении армополимербетонных конструкций и баковой аппаратуры на предприятиях цветной металлургии. Применение полимербетонов при изготовлении баковой аппаратуры только на двух предприятиях дало возможность отказаться от различных футеровок, сэкономить около 1000 т свинца и большое количество графитовых блоков, уменьшить трудоемкость изготовления аппаратуры в 5—15 раз, увеличить срок службы конструкций в 5 раз, снизить расход электроэнергии при эксплуатации каждой ванны примерно на 1000 кВт-ч в год, сократить утечку блуждающих токов в 10 раз, а также повысить качество получаемого цветного металла [116]. Внедрение полимербетона в цехах с сильноагрессивной средой обеспечивает годовую экономию от 200 до 600 руб. на каждый кубометр полимербетона.

Приведем пример расчета экономической эффективности внедрения армополимербетонных ванн в цехах электролиза меди средней мощности в сравнении с тра-

дициОнньтм вариантом, когда ванны изготовлены из железобетона, а в качестве химической защиты используются вкладыши из винилпласта.

Годовая экономическая эффективность определялась по формуле:

Э — (Сс 十丛 Кс) 一 (Сн + Ен Кн),(76)

где 以 и Сн — годовые эксплуатационные расходы по старым (эталонным) и новым конструкциям ванн; ^c и Кн ——капиталовложения по старым (приведенным) и новым конструкциям ванн; Ен —— нормативный коэффициент для предприяти[[ медной промышленности, £w = 0,l 5.

. Капитальные затраты К

. Стоимость изготовления и установки армополимербетонной ванны, руб.:

стоимость изготовления ванны■—672

《арматуры— 27

《установки (монтаж) ванны— 24

Итого— 723

Начисления 25,08% —182

Кн = 905 руб. • 2472 шт.二 2337160 руб.2. Стоимость изготовления и установки железобетонной ванны сКн = 905 руб. • 2472 шт.二 2337160 руб.2. Стоимость изготовления и установки железобетонной ванны сВсего— 905

Кн = 905 руб. • 2472 шт.二 2337160 руб.

2. Стоимость изготовления и установки железобетонной ванны с

Кн = 905 руб. • 2472 шт.二 2337160 руб.

2. Стоимость изготовления и установки железобетонной ванны с

вкладышем из винипласта, руб.：

стоимость изготовления ванны—215

установки ванны—16

обеспыливания и окраски бетонной по

верхностибитумным лаком № 177 (в 3слоя)—9

оклейки наружных стен ванныстекло-—114

тканью эпоксидной мастикой (в 2 слоя)

футеровки в айны винипластом一 445

Итого— 799

Начисления25,08% —200

Всего— 999

Так как срок эксплуатации полимербетонных ванн “в 3 раза больше, чем у железобетонных, а затраты на капитальный и текущий ремонт в 3 раза ниже, приведенные капитальные затраты по старым конструкциям вани составят：

Кс = 999 руб. • 3 • 2472 = 7408584 руб.

//. Общие годовые эксплуатационные расходы С

В соответствии с «Методикой и нормами для определения стоимости эксплуатации промышленных зданий на стадии их проектирования» (НнНИпромзданнй. — М.:1971) годовые эксплуата

ционные расходы определяют по формуле：

С = Сам + Стп + Сст + Сс.(77)

Годовой объем амортизационных отчислений

5м = Сор (%ем + "кр)/10"(78)

где Сор ——сметная стоимость сооружения (приведенная); "рем — норма отчислений на полное восстановление сооружения, Ярем = 10; 〃кр — норма отчислений на капитальный ремонт, Якр=4.

Годовой объем амортизационных отчислений при эксплуатации . новых конструкций ванн (；11)мополнмербетонных)

唸=2337160 (10 + 4)/100 = 313204 руб.

Годовой объем амортизационных отчислений при эксплуатации старых конструкций ванн:

优м = 7408594 (10 十 4)/100= 1037201 руб,

Годовой объем текущих расходов

Стр = ККтр/100,(79)

где Ктр ——показатель годового объема текущих ремонтов, Ктр = = 2,3%

Годовой объем текущих расходов при эксплуатации новых конструкций ванн:

% =КнКтр/100 = 2337160 ■ 2,3/100 = 51454,7руб.

Годовой объем амортизационных отчислений при эксплуатации старых конструкций ванн:

С；р=Кс Ктр/100 = 7408584 • 2,3/100= 170397,4 руб.

Годовой объем расходов на эксплуатацию санитарно-технических систем Стр и санитарно-гигиенические работы Ссг принимают в размере 1 % сметной стоимости СОр

Тогда для новых конструкций ванн:

С* + С* = 2337160/100 = 23371 руб.

Для старых конструкций ванн:

С^т + С^г - 7408584/100 = 74086 руб.

Общий объем годовых эксплуатационных расходов составляет： Сс = 10372 01 + 170397+74086 = 1281684 руб.;

Сн = 313204+51454+22371 =387029 руб.

///. Годовая экономическая эффективность от внедрения 〃о~ лимербетонных ванн в данном цехе:

3= [1281684 + (0,15 • 7408584)] — [387029 + (0,15 .2337160)]==1655368 руб.

Таким образом, замена железобетонных ванн с винипластовым вкладышем на полимербетонные в действующем цехе электролиза меди средней мощности обеспечивает ежегодную экономическую эффективность более 1,6 млн. руб.

В Гипроцветмете выполнены расчеты экономической эффективности для большинства армополимербетонных конструкций, которые применяются в цветной металлургии. Основные виды этих конструкций и их экономические показатели приведены в табл. 80.

При строительстве нового цеха электролиза цветных металлов такой же мощности, в котором кроме электролизных ваин будут использованы и другие виды армополимербетонных конструкций, годовая экономия составит около 7 млн. руб.

Следует отметить, что учет экономических факторов при разработке и внедрении новых производств, а также новых материалов и конструкций на их основе может 口ать реальную картину экономической эффективности лн!пь при условии, что он опирается на достаточно обоснованные закономерности, отражающие реальную взаимосвязь между затратами труда, материалов, энергии, качеством и стоимостью конечного продукта.

Таблица 80. Экономическая эффективность внедрения конструкций мз армопол имербетонов

Вид зданий и сооружений

Конструкция

Количество элементов конструкций на цех средней мощности, шт.

Годовая экономическая эффективность

уменьшение трудоемкости на цех, чел.-дн.

по стоимости

на элемент конструкции, руб.

на цех средней мощности, тыс. руб

Одноэтаж-

Свая

2976

1331

2,9

8,6

ные промыш-

Фундамент

а 24

4484

570

70,7

ленные

Колонна

124

485

172

21,4

здания

Подкрановая балка

120

362

322,4

38,7

Покрытие

7-5

18000

7268

545

Баковая аппаратура

Увлажнительная башня

1

720

43640

43,64

До недавнего времени вопросам конкретной экономики в строительстве не уделялось должного внимания, и это во многих случаях приводило к тому, что действующие цены не отражали фактических затрат труда на производство того или иного изделия и не учитывали их срока службы. Следовательно, такие цены не могли быть положены в основу строгого экономического расчета или анализа.

Существовавшая методология ценообразования, учитывала лишь затраты труда и стоимость материала при изготовлении изделия, принимала заключенный в оборудовании труд овеществленным, т. е. бесплатным, и не учитывала качество выпускаемого изделия и его срок службы. Такая методология порождала ряд экономичен ских противоречий между интересами конкретных предприятий и народным хозяйством в целом.

Сущность этих противоречий можно показать на следующем примере. Замена железобетонных колонн под- 270

ванных эстакад с многодельной химзагцитой на армо- полимербетонные не только резко снижает материалоемкость и трудозатраты на их изготовление и монтаж, но и приводит к значительному повышению качества и долговечности таких конструкций. Однако эффект повышения качества и срока службы не только не представляет интереса для строительных трестов, поскольку действующая система ценообразования не предусматривает дифференциации цен в зависимости от их качества и срока службы, но во многих случаях снижает для них показатели выполнения плана в рублях.

Мы остановились на этих вопросах потому, что при дальнейшем экономическом анализе нам придется столкнуться с недостаточно обоснованными ценами на исходные материалы и калькуляциями заводской себестоимости, которые составлены с учетом интересов только данного предприятия» но не всего народного хозяйства в целом. 。

Технологический процесс изготовления изделий и конструкций из бетонов в зависимости от типа производства, вида принятого связующего и применяемого оборудования может иметь различные варианты. Поэтому при организации производства и разработке технологии исходя из реальных условий необходимо выбрать такой процесс, который будет обеспечивав необходимую производительность при наименьшей себестоимости и высоком качестве выпускаемой продукции.

Известно, что для конкретного цеха или предприятия, приступающего к выпуску новой продукции из полимербетонов, организация производства начинается с проведения необходимых научно-исследовательских работ, проектирования комплекса из стандартного и нестандартного оборудования, его изготовления, наладки и завершающей стадии ——пуска промышленного предприятия. Для определения экономической эффективности и целесообразности всех произведенных затрат лучше всего воспользоваться методиками расчета, предложенными АН СССР и акад. В. А. Трапезниковым. Для правильного использования этой методики применительно к нашим конкретным случаям необходимо остановиться на основных положениях и предпосылках, которые заключаются в следующем.

Экономический эффект от внедрения нового прогрессивного оборудования или строительной конструкции обусловлен несколькими источниками. Их следует рас-

сматривать как с точки зрения интересов предприятия, так и с точки зрения интересов всего народного хозяйства.

Первым источником экономии является увеличение производительности предприятия. Дополнительный эффект от этого источника получит и народное хозяйство, поскольку увеличение производительности предприятия эквивалентно строительству добавочной производственной мощности.

Вторым источником эффективности является экономия материалов и энергии. Кроме экономии, получаемой предприятием, народное хозяйство также получит дополнительный эффект, так как уменьшение потребления материалов и энергии эквивалентно строительству новых производственных мощностей, производящих материалы и энергию.

Третьим источником экономии является экономия рабочей силы, которая особенно ощутима в отдаленных районах.

Четвертым источником эффективности является улучшение качества продукции. Если себестоимость продукции непосредственно зависит от качества, то предприятие реально ощущает этот эффект. В большинстве случаев цена продукции от ее качества не зависит. При такой системе предприятие, стремясь к снижению себестоимости продукции, оказывается заинтересованным скорее в ухудшении качества, чем в его улучшении. С позиции народного хозяйства качество определяет ценность изделия для потребления, так как улучшение качества увеличивает надежность и срок службы конструкции. В конечном итоге качество оказывается эквивалентным количеству. Взаимную связь количество ——качество можно характеризовать коэффициентом качества.

Непременным условием экономической эффективности внедрения нового промышленного предприятия является определенный срок окупаемости капиталовложений. При правильно выбранном технологическом процессе и соответствующем оборудовании срок окупаемости, как правило, ниже нормативного времени и составляет не более двух ——трех лет.

При расчете экономической эффективности необходимо учитывать также фактор времени, который сказывается в том, что экономия, полученная в разные сроки, неэквивалентна: чем позднее получен экономический эффект, тем меньше его ценность. Например, 1 руб., сэко- 272

номленный через 10 лет, эквивалентен 39 коп., сэкономленным сегодня, а через 20 лет эквивалентен лишь 15 коп. Чтобы учесть это обстоятельство, необходимо разновременные экономические эффекты привести к одному моменту при помощи функции выгод. В простых случаях функцию выгод определяют по формуле сложных процентов:

日⑴=(1 +а)т.(80)

Коэффициент а рекомендуется принимать равным 0,1.

За начало времени отсчета (т = 0) может быть принят момент пуска предприятия, тогда время т до пуска системы следует принимать с отрицательным знаком. За начало отсчета времени можно считать и момент вложения средств. В этом случае т всегда положительно. Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Доходы или расходы могут быть единовременными, пропорциональными времени и со сложной зависимостью от времени. В первом случае доходы (расходы) равны 2R(8)T, где R 一 единовременный доход (расход) при

0.

Второй случай характеризует, например, эксплуатационные издержки. Пусть их экономия составит Я руб. в год. Суммарная экономия издержек за время т, приведенная к моменту пуска предприятия:

R = ["(1+а)-4,(81)

О

где R'——текущий доход (расход) в единицу времени в момент т. Обозначив (1/1п) (1-|-а), из формулы (81) можем найти

R = "т(1 — е—屮).(82)

При а&0,15 и=1：02/сс (погрешность в пределах ±3%).

Третий случай характеризуется затратами, например, на создание оборудования. Тогда стоимость оборудования, приведенная к моменту пуска системы С[ согласно выражению (81), будет

С； = Су (1 + а)°"у ,(83)

где Су——общая стоимость комплекса оборудования (без учета процентов) .

Расчет эффективности использования комплекса оборудования для изготовления армополимербетонньгх кон-

Рнс. 79. Диаграмма экономической эффективности внедрения новых видов по- лимербетонных конструкций

струкций можно характеризовать диаграммой экономической эффективности (рис. 79).

На диаграмме линия Л характеризует затраты, связанные с созданием и пуском оборудования. С момента ввода в эксплуатацию оборудования оно начинает давать определенный экономический эффект, который на диаграмме показан линией Д. Одновременно с этим предприятие начинает вести расходы на содержание (обслуживание, ремонт и амортизацию), показанные линией 5. Линия В изображает капитальные затраты на оборудование. Сложив линии Б и В^ мы получим линию Г, которая характеризует общие затраты на оборудование. Исключив расходы на содержание оборудования из соответствующих сумм экономического эффекта, определяют экономию эксплуатационных издержек — линия И. Эта линия получается в результате вычитания линии 5 из линии Д.

В течение определенного времени после пуска оборудования получаемый доход (экономия издержек) идет на покрытие капитальных затрат. Исключение капиталь- 274

ных затрат из дохода обусловливает перемещение основания линии И из точки 2 в точку 1, после чего она займет положение, обозначенное на диаграмме линией Э. Эта линия характеризует окончательный экономический эффект, получаемый предприятием в результате внедрения нового оборудования и прогрессивных строительных конструкций. Точка 3 в месте ее пересечения с осью времени т характеризует срок окупаемости данного предприятия То.пр, годы, который может быть определен по формуле:

Т°з = С/И・ (84)

Еще более ощутимые результаты будут получены, если рассматривать эту систему с позиций народного хозяйства, В этом случае в большей степени повышается экономия эксплуатационных издержек и значительно сокращаются сроки окупаемости капитальных затрат.

Из приведенных технико-экономических расчетов видно, что переход на изготовление химически стойких ар- мополимербетонных строительных конструкций, особенно баковой аппаратуры для промышленных предприятий с наличием высоко агрессивных сред, вместо железобетонных с многодельной химической защитой позволяет сократить до минимума расход пока еще дорогих и дефицитных полимерных материалов, снизить общую материалоемкость конструкций, в 2—3 раза уменьшить трудоемкость, в десятки раз сократить утечку электротока и в 3——5 раз увеличить срок службы. Перечисленные преимущества позволили на действующих предприятиях получить реальный экономический эффект от 200 до 600 руб. на 1 м3 внедренного армополимербетона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Аверченко В. П., Дубровский В. Б. Изменение прочности эпоксидных компаундов при облучении нейтронами//Тр. МИСИ.—— М., 1972. вып. 99. — С. 98—104.

Агаджанов В. И. Экономика повышения долговечности и коррозионной стойкости строительных конструкций.——М.: Строй- издат, 1976. — 112 с.

Анохин В. В. XiMia ф1зико-х1м1я полумертв. — Киев： В ища школа, 1971.一370 с.

Абдужабаров X. С., Елшнн И. М・，Маматов Ю. М. Некоторые свойства фураноэпоксидных компаундов и материалов, полученных на их основе // Гидролизное производство. 1973. 一 № 2. — С. 24.

Альшиц И. М. Полиэфирные стеклопластики для судостроения.——Л.: Судостроение, 1964,——288 с.

Андриевская Г. Д. Физико-химия и механика ориентированных стеклопластиков.——М.: Наука, 1967.——С. 3—14.

7. А. С. 366208 (СССР). Способ получения водорастворимых АЦФ смол/Н. И. Бородкина, А. В. Варламова,//БИ. 1963. № 3.

А. С. 184690 (СССР). Кислотостойкий материал / В. Я. Долматов, И. П. Ким//БИ. 1966, № 5.

А. С. 241790 (СССР). Устройство для измерения внутренних объемных усадочных напряжений / Л. О. Лепарский, В. В. Пату- роев//БИ. 1969. № 14.

А. С. 375536 (СССР). Устройство для определения интегральных усадочных напряжений при отверждении материалов / Л. О. Лепарский, В. В. Патуроев./,/БИ. 1973. № 16.

А. С. 539005 (СССР). Кислотостойкая композиция / В. В. Патуроев, И. Е. Путляев, Н. Ф. Шестеркина и др.//БИ. 1976. № 46.

А. С. 562535 (СССР). Полимербетонная смесь / В. В. Патуроев, И. Е. Путляев, Г. Н. Сыпченко и др.//БИ. 1977. № 23.

А. С. 697451 (СССР). Полимербетонная смесь / М. Г. Ченте- миров, И. Е. Путляев, В. В. Патуроев и др.//БИ. 1979. № 42.

А. С. 717106 (СССР). Полимерная композиция для тепло- и гидроизоляции теплопроводов / И.- Е. Путляев, В. В. Патуроев, А. С. Красовмцкий м др.//БИ. 1980. № 7.'

А. С. 729986 (СССР). Полимербетонная смесь / И. Е. Пут- ляев, В. В. Патуроев, И. Б. Уварова и др.//БИ. 1980. № 9.

А. С. 740725 (СССР). Полимербетонная смесь / В. В. Пату- роев, И. Е. Путляев, И. Б. Уварова н д,р.//БИ. 1980. № 22.

А. С. 796220 (СССР). Полимербетонная смесь / М. Г. Чен- гемиров, В. В. Патуроев, И. Е. Путляев н др. // БИ. 1981. № 2.

但4.：.Путляев, 5.但4.：.Путляев, 5.А. С. 800162 (СССР). Полимербетонная смесь/В. В. Патуроев, И. Е. Путляев, В. А. Клевцов и др.//БИ, 1981.*

但4.

：.Путляев, 5.

但4.

：.Путляев, 5.

А. С. 903339 (СССР). Бетонная смесь / И, Н. Ф. Шестеркина, В. В. Патуроев и др.//БИ. 1982. №

шин ишин иА. С. 922129 (СССР). Клеевая композиция для оклеивания бетонных конструкций / В. В. Патуроев, И. Е. Путляев, В. А. Яку- др.//БИ. 1982. № 15.

шин и

шин и

А. С. 1046223 (СССР). Полимерсиликатная смесь для изготовления кислотостойких изделий / В. В. Патуроев, Н. Ф. Шестер- кина, Л. А. Сухарева н др. // БИ. 1983. № 37.

А. С. 1073212 (СССР). Полимербетонная смесь / В. В. Па- тур оев, О. М. Сысоев, Г. К- Соловьев и др.//БИ. 1984. № 6.

Аракелян А. А. и др. К вопросу определения прочности и деформативности бетона при растяжении // Тр. координационного совет, по гидротехнике. — Л.: Энергия, 1968. Вып. 41. — С. 48—51.

Ахвердов И. Н, и др. Моделирование напряженного состояния бетола л железобетона.——Минск, 1973.——231 с.

Бабушкина М. И. Жидкое стекло в строительстве.——Кишинев: Картя молдовеняскэ, 197L —223 с

Баженов Ю. М. Бетонополимеры. М., Стройнздат, 1983.— 472 с.

Балалаев Г. Л., Медведев В. М., Мещанский Н. А. Защита строительных конструкций от коррозии.——М., Стройиздат, 1966.—— 224 с.

Бартеньев Г. М・，Зуев Ю. К- Прочность и разрушение вн- сокоэластических материалов.——М., Химия, 1964.——387 с.

Басин В. Е., Берлин А. А. Проблемы адгезионной прочно- стн//Мсханика полимеров. 1970. № 2. — С. 303—310.

Банриев С. Составы и свойства легких полимербетонов на основе фенолформальдегидных смол: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. кана. техн. наук.—М., 1981. 一19 с.

X. Байнхауэр, Э. Шмакке. Мир в 2000 году. — М.: Прогресс, 1973.— С. 3—25.。

Белканов А. Ф. и др. Применение полимербетонов в цветной металлургии/ЦНИИцветмет экономики и информ.М., 1980.——70 с.

Белов А. В. Исследование влияния жидких агрессивных . сред на изменение физико-механических свойств составов на основе терморсактивных смол: Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн, наук.一М.: 1970.— 19 с.

Беляев В. Е. Особенности расчета армополимербетонных конструкций при различных температурах // Исследование строительных конструкций с применением полимерных материалов. / Во- роиеж!ский политехнический ин-т, 1980.——С. 14——33.

Берг О. Я. Некоторые вопросы теории деформаций и прочности бетона Ц Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1967. № 10.— С. 41—55.

Берлин А. А. и др. Полиэфир акрилаты. — М.: Наука, 1967.— 372 с.

Берлин А. А., Басина В. Е. Основы адгезии полимеров.— М.: Химия, 1974. — 391 с.

Берлин А. А. Термическая деструкция фенолформальдегидного резита в изотермических условиях Ц Высокомолекулярные соединения. 1968. Т. 10. № 8.—С. 1913—1920.

Бородкина Н. И., Вахтангова Е. А. н др. Получение, применение и модифицирование АЦФ смол // Пластические массы. 1971. № 4.— С. 11—15.

Бородина В. Н. Исследование закономерностей адсорбционного модифицирования минеральных наполнителей и пигментов и его влияния на структурно-механические свойства полимерных материалов: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. кавд. техн. наук.— М., 1966. — 15 с.

Вознесенский В. А. н др. Современные методы оптимизации композиционных материалов. — Киев: Буд1вельник, 1983. — 144 с.

Волгушев A, H.t Патуроев В. В и др, Применение серы для

пройитки Поровой структуры строительных материалов//Бетон й железобетон. 1976. № 11. — С. 38—39.

Воробьев В. А. и др. Трудновоспламеняемый стеклопластик ФАС//Строительные материалы, 1973. № 2. — С. 22—23.

Воробьев В. А. н др. Горючесть полимерных строительных ма- тернаров. — М.： Стройиздат, 1978.—225 с.

органическогоорганическогоВоронков NV П., Трофимов Б. П. Будущее синтеза//Наука и жизнь. 1977, № 9. — С. 112—117.

органического

органического

Гольдман А. Я-, Рабинович А. А. О прочности и закономерностях деформаций при сдвиге некоторых сетчатых полимеров//Ме- ханика полимеров. 1966. № 2. — С. 214—228.

Готлиб Е. М., Киселева Р. С. Исследование устойчивости при старении эпоксикаучуковых связующих полимеррастворов//Полимер- ные строительные материалы. — Казань, 1978. Вып. 2. — G. 66—67.

Гуль В. Е. Структура и прочность полимеров.——М.: Химия, 1978. — 328 с.

Гуль В. Е., Кулезнев В. Н. Структура и механические свойства полимеров. — М.: Высшая школа, 1972. — 320 c.

Гуль В. Е. и др. Электропроводящие полимерные материалы.—М.: Химия, 1968. — 218 с.

Давыдов С. С. и др. Армополимербетон в строительных кон- струкциях//Строительство и архитектура. 1976. № 4. — С. 3—20.

Давыдов С. С., Мощанский Н. А., Патуроев В. В., Чебанен- ко А. И. Химически стойкие конструкции из полимербетонов// РИЛЕМ： Материалы и конструкции. — Париж, 1972. № 26.—С. 99— 104.

прочности и де-деформативностьзащита аппара-промышлепность,прочности и де-деформативностьзащита аппара-промышлепность,Десов А. Е. Некоторые вопросы структуры, формативности бетонов//Структура, прочность н бетонов.—М., 1966. — С. 4—58.

прочности и де-деформативность

защита аппара-промышлепность,

прочности и де-деформативность

защита аппара-промышлепность,

Дерешкевич Ю. В. и др. Антикоррозионная тов и строительных конструкций.——М,： Лесная 1967.— 505 с.

Джабаров В. М. Разработка технологии и изучение свойств бетонополимеров для применения в условиях сухого и жаркого климата: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук.—М., 1979. —21 с.

Елшин И. М. Полимербетоны в гидротехническом строительстве.—М.: Стройиздат, 1980. — 192 с.

Жаврид С. С. и др. Использование отходов химических предприятий для создания строительных изделий и конструкций// Строительство и архитектура Белоруссии. 1978. № 1. — С. 34—36.

Жаврид С. С. и др. Полимерфосфогипс ——новый строительный материал//Сельское строительство Белоруссии. 1978. № 2.—— С. 14—15.

комп-строи-комп-строи-Зайченко А, Р. и др. Новые конструктивные решения лекса травильных ванн из полимербетона//Промышленное тельство. 1975. № 4. — С. 41—42.

комп-строи-

комп-строи-

мелко-ползу-мелко-ползу-Залан Л. М. Исследование конструктивных свойств зернистого фурфоролацетонового полимербетона с учетом , чести: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. — Воронеж, 1969.-14 с.

мелко-ползу-

мелко-ползу-

Зайцев Н. Б., Поддубный И. Я. Изучение термической деструкции полистирола методом пиролитической газовой хроматогра- фии//Высокомолекулярные соединения. 1975. Т. 17. № 5.—С. ИЗО— 1135.

Зубов П. И., Киселев А. В. и др. Исследование влияния можмолекуляриого взаимодействия полимер ——твердое тело на механические свойства полимерных покрытий р Докл. АН СССР. 1966. Т. 17 0. № —С. 139—142.

Зубов П. И. и др. Исследование кинетики формирования ненаполненных полиэфирных покрытий//Коллоидный журнал. 1966. Т. 2& — С. 645—647.

Зубов П. И. и др. Исследование механизма структурооб- разования наполненных полиэфиров//Коллоидный журнал. 1968. Т. 30. № 3. — С. 375—378.

Зубов П. И., Сухарева Л. А. Структура и свойства полимерных покрытии. — М.: Химия. i982. ― 256 с.

Иванов А. М. Фурфуролацетоновый полимербетон — конструкционный строительный материал//Конструктивные и химически стойкие полимербетоны. — М.: НИИЖБ, Стройиздат, 1970. — С. 35 — 53.

Иванова И. И. Исследование и разработка конструкций емкостей из армополимербетона для получения цветных металлов с учетом влияния агрессивных сред: Автореф. дис. на соиск. уч. степ, капд. техн. наук. —-М., 1980.—24 с.

Ильюшии А. А., Огибалов А. М. О критерии длительной прочности ночимеров.——Механика полимеров. 1966, № 6.——С. 828—— 832.

Инструкция по проектированию и изготовлению баковой аппаратуры нз армополимербетона, ВСН—01一78/МЦМ СССР, 1979.— 94 с.

Калинин Н. Н. и др. Твердые органические диэлектрики// Электро-радио-материалы.——М.： Высшая школа, 1981. — С. 110—— 133.

Каргин В. А., Слонимский Г. Л. Краткие очерки по физико- химин полимеров.—М.: Химия, 1967. — 227 с.

Кирилишин В. П. Кремнебетон. 一Киев： «Буд1вельник», 1975.— 110 с.

Киселев М. С., Сухарева Л. А., Патуроев В. В., Зубов П. И. Исследование физико-механических свойств армированных покрытий. Физико-химия и механика ориентированных стеклопластиков. М.; Наука, 1967.—С. 187—194.

Князев А. Д., Сапунов М. В. О классификации электромагнитных помех//Радиотехника. 1976. т. 31. № 6. — С. 106—109.

Ковальчук Л. М., Баскакин Е. Н., Патуроев В. В. Изготовление конструкций и деталей из древесных материалов и пенопластов.—М.: Лесная промышленность, 1971. — С. 82—95.

Козлов П. М. Прнмеиенне полимерных материалов в конструкциях, pciGoTi；юидих под нагрузкой. — М.: Химия, 1966. — 361 с.

Корецкий В. П. Исследование долговечности фуранового полимербетона защитных облицовок гидросооружений: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.——Л., 1977.——25 с.

Крайс Р. Полимербетоны и области их применения в ФРГ// Бетой и жслезобеюн. 1983, № 4. — С. 27 — 28.

Красильникова О. М. Полимербетоны с повышенными диэлектрическими характеристиками: Автореф. дис. на соиск. уч. степ, каид. техн. наук. — М., 1982. —23 с.

Крылова Л. М. и др. Исследование влияния взаимодействия на границе полимер—твердое тело на механические свойства алкидных покрытий//Механика полимеров. 1967. № 1. — С. 19—23.

Лепарский Л. О. Установка для изучения остаточных влажностных напряжений//3аводская лаборатория. 1966. № 12.—— С. 1520—1521.

Лещинский М. Ю. Испытание бетона (справочное пособие).—М.: Стройиздат, 1980. — 360 с.

Липатов Ю. С. Физико-химия наполненных полимеров.——М.: Химия, 1977. — 304 с.

Липатов Ю. С., Сергеева Л. М. О некоторых закономерностях адсорбции макромолекул из растворов.——Коллоидный журнал. 1965.— Т. 27, № 2. — С. 217—223.

Липатов Ю. С., Сергеева Л. М. Адсорбция полимеров.— Киев: Наукова думка, 1972. — 196 с.

Логинов В. С., Кашковская Е. А., Астафьев Н. А. Тяжелый пластобетон ——материал для защиты от излучений//Бетон и железобетон. 1968. № 4. — С. 20—21.

Лосев И. П., Тростянская Е. Б. Химия синтетических полимеров.—М.: Химия, 1971. — 615 с.

Манзий В. П. Разработка технологии и изучение свойств бетонных изделий, пропитанных расплавом серн: Автореф. дис. па соиск. уч .степ, канд. техн. наук.—М., 1983. — 22 с.

Марчукайтис Г. В. К вопросу расчета объемного напряженного состояния бетонополимера во время полимеризации//Железо- бетонные конструкции: Тр. Вильнюсского ИСИ. — Вильнюс, 1979. Вып. 9. —С. 69—75.

Микалаускене А. В. Разработка и исследование электропроводящего материала на основе минеральной ваты и синтетического связующего: Автореф. канд. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн, наук. — М., 1980. — 21 с.

Микульский В. Г-, Козлов В. В. Склеивание бетона.—М・： Стройиздат, 1975. — 240 с.

Михайлов К- В., Патуроев В. В” Седлов М. Г., Фанта- лов А. М. Применение химически стойких строительных конструкций в цветной металлургии // Бетон и железобетон. 1980. №4.—— С・ 14-19. '

Моисеев В. Д. и др. Термическая деструкция конденсационных смол //Пластические массы, 1962. № 6.——С. 11——15.

Мощанский Н. А., Патуроев В. В. Конструктивные и химически стойкие полимербетоны.——М.: Стройиздат, 1970.——194 с.

Мощанский Н. А., Путляев И. Е. и др. Химически стойкие мастики, замазкк и бетоны на основе термореактивных смол.—М.: Стройиздат, 1968. — 184 с.

Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования экстремальных экспсримеитов. — М.: Наука, 1965.— &4П с

Никонов М. Р., Патуроев В. В. Бетонополимеры и характерные особенности их структуры//Бетои и железобетон. 1974. № 8 — С. 21—24.

Новый вид химической продукции ——полимерная сера: Обзор. информ./НТИ НИИТЭХИМ, —М., 1982. —37 с.

Оболдуев А. Т. К вопросу повышения термоустойчивости лолимербетонпых конструкцнй//Промышлснное строительство. 1980. № 6. — С. 13—14.

Огибалов П. М., Суворова Ю. В. Механика армированных пластиков. — М., 1965.— 479 с.

Орловский Ю. И. Свойства пропитанных серой бетонов// Бетон и железобетон. 1979. № 2. — С. 9—10.

1980. № 3.—1980. № 3.—Е. Охама. Состояние и перспективы развития полимербетонов и бетонополимеров в Японии//Бетон и железобетон. 1329.〉士 ?.

1980. № 3.—

1980. № 3.—

С. 34—36.

Патент США, № 25074, 1959/Райт А. X.

конструкции.конструкции.ввПатуроев В. В. Прнменеш1е пОлимербетинных конструкций строится ьст ве//Сталенолимербетоппые строительные 1小”心？ 了巾才”

конструкции.

конструкции.

в

в

М.: Ст рой изд :i г, 1972. — С. 263—277.…

Патуроев В. В. Технология полимербетонов. — М.: Строй-

издат, 1977. — 240 с.

Патуроев В. В., Путляев И. Е. Мастики, полимербетоны и полимерсиликаты.—М.: Стройиздат, 1975. — 219 с.

Патуроев В. В., Сариицкая С. 3. Цветной полимербетон для покрытий полов//Строительство и архитектура Узбекистана. 1978. № 10. —С. 40—41.

Патуроев В. В., Сухарева Л. А. — Зависимость внутренних напряжений в клеевых соединениях от режимов склеивания/,/Изго- товлеиие строительных конструкций на основе ппастмасс/1ДНИИСК・—— М.: Стройнздат, 1966. — С. 99—105.

Патуроев В. В. Основные виды полимербетонов и перспективы их развития // Бетон и железобетон. 1984. № 8. — С. 4——5.

Патуроев В. В., Красильникова О. М. и др. Возгораемость полимербетонов и огнестойкость конструкций из них // Бетон и железобетон. 1976. № 3. — С. 25—26.

Патуроев В. В., Серых Р. Л. и др. Влияние армирования на напряженно-деформированное состояние бетонополимера //Бетон и железобетон. 1980. № 5. 一 С. 25—26.

Патуроев В. В., Соловьев Г. К-, Красильникова О. М. Optimization of Dielectric Properties of Polymer Concrete. //Plasties in of Material and Structural enginering. — Praque, 1981.— C. 321—324.

Патуроев M. В., Свиридов В. Г., Мурзаев М, Термообработка полимербетонных изделий и конструкций //Химически стойкие полимербетоны / НИИЖБ.——М・：Стройиздат, 1983.——С. 50——53.

Патуроев В. В., Волгушев А. Н. и др. Разработка режимов технологии пропитки золобетона в расплаве серы // Строительство и архитектура Узбекистана. 1978. № 11.—С. 42—44.

Патуроев В. В., Орловский Ю. И., Манзий В. П. Технология пропитки беюнных изделий расплавом серы//Бетон и железобетон. 1983. № 7. — С. 28—29.

Патуроев В. В., Фанталов А. М. и др. Опыт применения полимербетонов при строительстве гидрометаллургических цехов медного, цинкового и свинцового производстваЩБТИ Минтяжстроя СССР. — М., 1972. —22 с.

Патуроев В. В. Длительная прочность полимербетонов // Конструктивные и химически стойкие полимербетоны/НИИЖБ —— М.: Строниздат, 1970.—С. 21—34.

Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с тп-- щинами. — Киев: Наукова думка, 1968. — 246 с.

Путляев И. Е., Шестеркина Н. Ф. и др. Влияние модифицирующих добавок на процесс отверждения и свойства полимерсиликатных композиций // Строительные материалы. 1976. № 2. — С. 32—33.

Путляев И. Е. и др. Трубы из полпмерсиликатного раство-

ра для Коллекторных сетей//Строительство и архитектура Узбекистана. 1979. № 9. —С. 12—21.

Пустовойтов В. П. и др. Стеклопластики в строительстве.—— М.: Стройиздат, 1978. — 212 с.

Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. Химия в строительстве.—М.: Строкиздат, 1977. — 220 с.

Расчеты н применение конструкций из армоиолимербетонов в строительстве / Цветметинформация. — М., 1975. —238 с.

Сарницкая С. 3. Разработка и исследование химически стойких полимербетонов на основе ацетоноформальдегидных полимеров: Автореф. канд. дне. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.——М., 1979.— 21 с.

Саммал И. Ю. и др. Склерометрический магнитоупругий метод для определения прочности бетона Ц Бетон и железобетон. 1983. № 2. —С. 18—20.

Скуп ин Л. Полимерные растворы и пластбетоны. — М.: Стройиздат, 1967.——175 с.

Сагалаев Г. В., Симонов-Емельянов И. Д. Оценка свойств межфазного слоя в наполненных полимерных системах//Пластиче- ские массы. 1973. № 2. — С. 48—52.

Соловьев Г. К., Алиев Б. А., Патуроев В. В. Влияние вида синтетической смолы на свойства легких полимербетонов // Бетон и железобетон. 1976, № 8. — С. 17 —19.

Соловьев Г. К. и др. Диэлектрические свойства полимербе- бетонов // Исследование бетонов с применением полимеров.—М.: Стройиздат, 1980. — С. 16—24,

Соломатов В. И., Клюкин В. И. и др. Армополимербетон в транспортном строительстве. — М..： Транспорт, 1979. — С. 232.

Субботкин М. И., Курицина Ю. С. Кислотоупорные бетоны и растворы на основе жидкого стекла.——М.: Стройиздат, 1967.— 135 с.

Сухарева Л. А., Патуроев В. В. и др. Влияние модифицирующих добавок на механические и защитные свойства полиэфирных покрытий//Строитс.1Ьные материалы. 1965. № 3.—С. 23—24.

Сухарева Л. А. и др. Исследование влияния зародышей структурообразоваиия на механические и теплотехнические свойства полимерных покрытий // Высокомолекулярные соединения. 1966. Т. 8. № 11. — С. 1857—1859.

Сухарева Л. А. Влияние структурных превращений на свойства полимерных покрытий: Автореф. дне. на соиск. уч. степ, д-ра техн. наук. — М., 1969. — 35 с.

Темкина Р. 3. Синтетические клеи в деревообработке.——М.: Лесная промышленность, 1971. — 286 с.

Уголев Б. Н. и др. Контроль напряжений при сушке древесины.一 М.: Лесная промышленность, 1980. — 203 с.

Урьев Н. Б., Михайлов Н. В. Склеивание твердых поверхностей высоконаполненными полимерными клеями при вибрации // Строительные материалы. 1968. № 5.—С. 10 —11.

Фанталов А. М., Патуроев В. В. Высокомеханизированное изготовление полимербетонных конструкций//Бетон и железобетон. 1979. № 8.— С. 16—18.

Фаиталов А. М.—Разработка и внедрение конструкций на основе полимеров в цветной металлургии // Проектирование предприятий цветной металлургии. —М.: Металлургия, 1979. — С. 223—231.

Федоров В. С. Армополимербетонные конструкции повышенной огнестойкости: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. —М., 1980, —22 с.

Филатова С. И. Исследование стойкости цементных и полимерных бетонов в агрессивных средах кондитерского производства: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. 一М.: НИИЖБ, 1968, —20 с.

Фридман В, В. Статистический метод в исследовании состава полиэфирного полимербетона // Строительные материалы. 1970, № 6. 一 С. 28—29.

Ходаков Г. С. Основные методы дисперсного анализа порошков—М.; Стройиздат, 1968.— 199 с.

Чехов А. П. Защита строительных конструкций от коррозии.—Киев, Высшая школа, 1977.—214 с.

Чебаненко А. И. и др. Реологические свойства армированного полимербетона Ц Исследование строительных конструкций с применением полимерных материалов / Воронежский политехи, ин-т, 1980.— С. —С. 7—14.

Чощшиев К- "•, Патуроев В. В., Путляев И. Е. Изготовление отделочных плит на поточной линии Ц Бетон и железобетон. 1980, № 9. — С. 23—24.

Чощшиев К. Ч. Технология полимербетонов с использованием барханных песков. — Ашхабад изд-во, 《Нлнм》АН ССР, 1983.— 329 с.

Чуйко А. В. Органогенная коррозия. — Саратов, 1978.— 230 с.

Чуйко П. К. Исследование механических свойств полимербетона для конструкций шпал: Автореф. дис. соиск. уч. степ. канд. техн. наук. — М., 1969.—21 с.

Шемердяк Б. М. и др. Антикоррозионные покрытия на предприятиях калийной промышленности: Обзор, информ. НИИТЭХИМ.— М., 1977.— 24 с.

Швидко Я. И., Марьянов Э. Л. Аэродромные покрытия с применением полимерных материалов.——М.： Транспорт, 1982.—С. 88.

Энциклопедия полимеров. Т. 2. — М.., 1974. — С. 325—332.

Minke G. Schweffelbeton-Experiniente mit einem neuen Bau- stoff. ■《Deutsche Bauzeitschrift». 1978. N 10. S. 1385—1388.

Proceedings of: Sulphur—81 an International Conference on Sulphur. — Calgari, Alberta, Canada, 1981. P. 731.

Antiacid cement, Farbwcrke llolesht A. C. Fr. Pat N 1135065, 1957.

Bares R. A. Furane Resin Concrete and its Application to Large Diameter Sewer Pipes. «Polymers in concrete» International Symposium, Publication SP—58, American Concrete Institute.— Detroit, 1978.

Kukacka L. £ and De Puy G. K. Concrete-Polymer Materials一Fourth Topical Report, Brookhaven National Laboratory.— New York, 1972, Series 50328.

Improvements of concretes with oilymers, Brit., Pnt N 5511408, 1942.

Polymers in concrete. Third International Congress on Polymer in Concrete.'—Koriyama, Japan, 1981>

Polymers i Concrete. Fourth International Congress.— Darmstadt, BRD, 1984.

L. Czarnecki. Introduction to material model of Polymer Concrete. Fourth International Congress, 1984, p. 59—64.

. H. Schorn. Theoretical comparison between resin Concrete 警n modified Concrete and resin impregnated Concrete. Fourth International Congress, 1984, p. 3—10.

H.丄 Dey. Bonded Joints at machine tool frames of Polymer Concrete. Fourth International Congress, 1984, p. 129—133 ,• 164・ Tanner. Application of Polymer Concrete' in the machine design. Fourth International Congress, 1984, p. 139-^143.

R Kreis. The industrial production of units made of Polv- 吗ete. Fourth International Congress, 1984, p. 283—288.

Zeldin A., K^ukacka L.t Carciallon. Polymer Systems in Ged- thermal Applications. — Journal of Applied Polymer Sciens v 23 1979. p. 3179—3191.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Глава 1. Полимербетоны — новые конструкционные материалы 5

Общие сведения о П-бетонах 5

Классификация П-бетонов 7

Глава2.СИм^вные характеристики исходных материалов .13

СгЬтхические смолы, .мономеры, отвердители и добавки / ....弋 13

Минеральные заполнители и заполнители . .30

Армирующие материалы 39

Глава 3； Влияние морфологнн надмолекулярных структур на физнко-механические свойства полимерных мастнк н полимербетонов 42

Морфология надмолекулярныхструктур ...42

Общие закономерности развития усадочных напряжений в полимербетонах 49

Глава 4. Общие закономерности структурообразования полимербетонов и физико-химические основы проектированиясоставов 55

Теорияструктурообразования полимербетонов55

Расчетсоставов полимербетонов 63

Структурная прочность полимербетонов...72

Глава 5. Полимербетоны, обладающие специальными свойствами 83

Полимербетоны с высокими диэлектрическими характеристиками 83

Электропроводящие полимер бетоны. .88

Радиационная стойкость полимербетонов...93

Глава 6. Полимерсерные бетоны 96

Предпосылки применения серывстроительстве96

Основ<пые свойства серы 98

Полимерсерные бетоны 100

Бетоны, пропитанные серой 108

Перспективы развития и применения серных бетонов с использованием полимернойсеры.117

Глава 7. Полимерсиликатные бетоны119

Предпосылки применения жидкого стекла в строительстве 119

Механизм уплотнения и составы полимерсили- катпых бетонов 120

Свойства иолимерсилякатиых бетонов . . .124

Химическая стойкость полимер силикатных бетонов 127

Строительные конструкции из полимерсиликатных бетонов 131

Высокопрочные полимероиликатные бетоны .136

Глава 8. Химическая стойкость полимербетонов 140

Воздействие агрессивных ср ед на строительные 'Конструкции 140

Диффузия агрессивных жидкостей . . .153

Химическая стойкость полимербетонов в агрес-

сивных средах 159

Б'иостойкость полимербетонов164

Влажностные напряжения 165

Коррозионная стойкость арматуры в полимербетонах174

Глава 9. Долговечность полимербетонных конструкций181

Механизм разрушения полимерныхматериалов 181

Совместная работа синтетического связующего

и наполнителя 185

Температурно-временная зависимость длительной прочности полимербетонов 189

Глава 10. Температурные и огневые воздействия на полимер- бетоиные конструкции 201

Повышение огнестойкостиполимербетонов.201

Влияние температуры на прочность и началь

ный модуль упругости 204

Горючесть полимербетонов207

Огнестойкость полимербетонныхконструкций212

Глава 11. Применение полимербетонных изделий и конструкций в строительстве 216

Глава 12. Заводская технология полимербетонных изделий и конструкций 241

Изготовление п о ли м ер бетон ных изделий и конструкций малыми сериями241

Серийное производство на поточныхлиниях243

Перспективы развития технологии полимербе-

тониых изделий и конструкций 252

Контроль качества полимербетонных изделий и конструкций 261

Техника безопасности263

Глава 13. Технико-экономическая эффективность применения полимербетонов в строительстве265

Список литературы276

Производственное издание

Патуроев Василий Васильевич

ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Редакция литературы по строительным материалам и конструкциям

Зав. редакцией И. X. Паназашвили

Редактор Н. 5. Либман

Технический редактор М. Г. Ангерт

Корректор £. А. Степанова

ИБ № 4094

Сдано в набор 15.06.87Подписано в печать 23.10.87

Формат 8'4Х 108/32 Бумага книжно-журнальная Гарнитура Печать высокаяУсл. печ. л. 15,12 Усл. кр.-отт. 15.33

Тираж 7800 экз.Изд. № ИVI-4 453Зак. 2 51

Т-17380 «Литературная» Уч.-изд. л. 16,0 Цена 80 коп.

Стр。总 изд,ат. 101442, Москва, Каляевская,

23a.

Подольский филиал ПО «Периодика» Союзполиграфпрома

прм Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии

И книжной торговли. 142110, г. Подольск, ул. Кирова, 25

Научно-исследовательский институт бетона и железобетона

НИИЖБ

В. В. Патуроев

доктор технических наук, профессор

ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Москва [31Ь1 Стройиздат 1987

Печатается ио решению секции Научно-технического совета НИИЖБ Госстроя СССР

Патуроев В. В.

П 20 Полимербетоны / НИИ бетона и железобетона.——М,: Стройиздат, 1987. — 286 с: ил.

ISBN 5-274-00089-4

Приведены основные сведения о полимербетонах и их классификации. Даны основные характеристики исходных материалов, освещены общие закономерности структурообразования полимербетонов и физико-химические основы проектирования их составов. Описаны полимербетоны, обладающие специальными с во й.ствами. Уделено внимание вопросам технологии полнмербетонных изделий и конструкций. Обобщен опыт их применения в строительстве. Показана техникоэкономическая эффективность использования полимербетонов.

Для инженерно-технических работников промышленности строи- тельных материалов.

ББК 38.33© Стройнздат, 1987ББК 38.33© Стройнздат, 19873203000000—712

ББК 38.33

© Стройнздат, 1987

ББК 38.33

© Стройнздат, 1987

П129—88

047(01)—87

ISBN 5-274-00089-4