Цементно-полимерный бетон, полимербетоны, бетоно-полимеры

Цементно-полимерный бетон получается на основе добавления к стандартному составу бетона различных высокомолекулярных органических соединений, так называемых водно-дисперсных полимеров. В их разряд входят такие полимеры как винилацетат, винилхлорид, стирол. Это могут быть и растворимые водой коллоиды и латексы: спирты поливиниловые, смолы эпоксидные полиамидные и мочевиноформальдегидные. Полимеры вводятся в состав цементно-полимерного бетона в процессе приготовления бетона.

Цементно-полимерный бетон приобретает свои уникальные характеристики благодаря присутствию двух активных составляющих: органического и минерального вяжущего веществ. Вяжущее вещество способствует образованию цементного камня, который скрепляет в монолит свободные частицы заполнителя. По мере удаления воды из цементно-полимерного бетона на поверхности происходит образование тонкой пленки, обладающей отличной адгезией и сцеплением внутренних частиц раствора. Это и способствует монолитности цементно-полимерного бетона, что делает его более устойчивым к повышенным нагрузкам. Кроме того, цементно-полимерный бетон приобретает такие свойства, как повышенная прочность при растяжении, высокая морозостойкость, износостойкость и водонепроницаемость.

Прочность цементно-полимерного бетона увеличивается, если бетон предварительно выдерживается в условиях сухого воздуха, при которых влажность составляет не более 40— 50%. Воздух с большим процентом влажности снижает уникальные характеристики цементно-полимерного бетона.

Технология приготовления цементно-полимерного бетона схожа с обычным бетоном. Рекомендуется применение цементно-полимерного бетона для полов, дорог, отделочных составов, коррозионно-стойких покрытий.

Полимербетон (П-бетон) – это бетон, при приготовлении которого в качестве вяжущего используются полимерные смолы или они входят в состав вяжущего в значительных количествах и существенно влияют на свойство материала. Заполнителями служат обычно песок и щебень. Для экономии дорогостоящих смол в состав материала можно вводить тонкомолотые наполнители. П-бетоны подразделяются на полимерцементные бетоны (вяжущее цемент + водо-растворимая полимерная добавка), полимер силикатные бетоны (вяжущее жидкое стекло + фуриловый спирт или диизоцианаты), бетонополимеры (бетоны, пропитанные полимерами) и собственно полимербетоны.

В свою очередь полимербетоны бывают: на термореактивных смолах (карбамидных, фенольных, полиэфирных, фурановых, полиуретановых, эпоксидных) и термопластичных смолах (инден-кумароновых метилметакрилате). Кроме того, П-бетоны делятся на сверхтяжелые, тяжелые, легкие и сверхлегкие.

Мочевиноформальдегидные (карбамидные) смолы типа «КМ» (крепитель м) и «УКС» (универсальная карбамидная смола), МФ-17, М-60, М-19-62, и другие стойкие в кислотах, но не достаточно стойкие в щелочах. Их получают в результате реакции поликонденсации мочевины и формальдегида в водной или водно-спиртовой среде. Отвердителями являются щавелевая, лимонная, уксусная, серная, соляная, фосфорная кислоты, хлористые: аммоний и цинк, лучше соляно-кислый анимит, который хорошо растворяется в воде и смоле «УКС».

К другим смолам, рекомендуемым для приготовления полимербетонов относятся:

- фурфуролацетоновая смола ФАМ или ФА (ТУ 6-05-1618-73);

- ненасыщенная полиэфирная смола ПН-1 (МРТУ 6-05-1082-76) или ПН-63 (ОСТ 6-05-431-78);

- карбамидоформальдегидная КФ-Ж (ГОСТ 14231-78);

- фурано-эпоксидная смола ФАЭД-20 (ТУ-59-02-039.13-78);

- эфир метиловый метакриловой кислоты (мономер метилметакрилат) ММА (ГОСТ 16505).

В качестве отвердителей синтетических смол используются:

- для фурфуролацетоновых смол ФАМ и ФА – бензолсульфокислота БСК (ТУ 6.1425);

- для полиэфирных смол ПН-1 и ПН-63 – гидроперекись изопропил бензола ГП (ТУ 38-10293-75);

- для карбамидоформальдегидной КФ-Ж – солянокислый анилин СКА (ГОСТ 5822);

- для фурано-эпоксидной смолы ФАЭД-20 – полиэтиленполиамин ПЭПА (ТУ 6-02-594-70);

- для метилметакрилата ММА – система, состоящая из технического диметиланилина ДМА (ГОСТ 2168) и перекиси бензоила ПБ (ГОСТ 14888).

В качестве ускорителя твердения полиэфирных смол используется нефтенат кобальта НК (МРТУ 6-05-1075-76).

В качестве пластифицирующих добавок следует применять:

- катапин (ТУ 6-01-1026-75);

- алкамон ОС-2 (ГОСТ 10106);

- меламино-формальдегидную смолу К-421-02 (ТУ 6-10-1022-78);

- сульфированные нафталин формальдегидные соединения – пластификатор С-3 (ТУ 6-14-10-205-78).

Полимербетоны очень плотные и стойкие в различных агрессивных средах материалы. Наибольшей прочностью и универсальной стойкостью обладают полимербетоны на эпоксидных смолах к эпоксидным смолам относятся ЭД-5, ЭД-6, ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 и компаунды с каучуками, фурановыми (фурано-эпоксидная смола ФАЭД-20) и другими смолами. Для пластификации композиции в качестве пластификатор применяют диметилфталат, дибудилфталат и другие, которые вводятся в количестве 15-20% от массы смолы. Катализаторами твердения являются третичные амины, хлористая сурьма, фтористые соединения и другие. Для холодного отверждения применяют полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин или жидкие полиамиды.

Фурановые смолы (ФА, ФАМ, 2-ФА и другие) получают конденсацией фурфурола и фурфурилового спирта с фенолами и кетонами. Они являются наиболее дешевыми. Наибольшее распространение в строительстве нашел мономер ФА, получаемый при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде.

Исходными продуктами для получения фурфуролкарбамидных смол служат фурфурол, мочевина и наполнители из кислостойких пород. В качестве катализатора применяют хлорное железо, а ускорителя твердения – анилин.

В качестве крупного заполнителя для тяжелых полимербетонов может применяться щебень из естественного камня или щебень из гравия. Щебень и щебень, дробленный из гравия, должны отвечать требованиям ГОСТ 8267, ГОСТ 8268, ГОСТ 10260-74.

Применение щебня из осадочных горных пород не допускается.

В качестве крупных пористых заполнителей для полимербетонов следует применять керамзитовый гравий, шунгизитовый гравий и алгопоритовый щебень, соответствующие требованиям ГОСТ 9759, ГОСТ 19345, ГОСТ 11991.

Для приготовления тяжелых полимербетонов высокой плотности следует применять щебень следующих фракций:

- при наибольшем диаметре, равном 20 мм., следует применять щебень одной фракции 10-20 мм.;

- при наибольшем диаметре равном 40 мм., следует применять щебень из двух фракций 10-20 и 20-40 мм.

В качестве крупного заполнителя для тяжелых полимербетонов может применяться щебень из естественного камня или щебень из гравия. Щебень и щебень, дробленный из гравия, должны отвечать требованиям ГОСТ 8267, ГОСТ 8268, ГОСТ 10260-74.

Применение щебня из осадочных горных пород не допускается.

В качестве крупных пористых заполнителей для полимербетонов следует применять керамзитовый гравий, шунгизитовый гравий и алгопоритовый щебень, соответствующие требованиям ГОСТ 9759, ГОСТ 19345, ГОСТ 11991.

Для приготовления тяжелых полимербетонов высокой плотности следует применять щебень следующих фракций:

- при наибольшем диаметре, равном 20 мм., следует применять щебень одной фракции 10-20 мм.;

- при наибольшем диаметре равном 40 мм., следует применять щебень из двух фракций 10-20 и 20-40 мм.

Состав полимербетона подбирают опытным путем. В соответствии рекомендациями Ю.М. Баженова, вначале, экспериментальным путем подбирают наиболее плотную смесь заполнителей и наполнителя и лигнимальной пустотностью, а затем определяют расход смолы и отвердителя. При этом количество смолы устанавливают таким, которое обеспечивает получение заданной подвижности бетонной смеси. Обычно расход смолы превышает объем пустот микронаполнителя на 10-20%.

Лучше состав полимербетона устанавливать с применением метода математического планирования эксперимента, варьируя содержание песка, наполнителя, смолы и отвердителя.

После выполнения эксперимента, обработки полученных результатов на ЭВМ и получения зависимостей свойств полимербетона от вышеуказанных факторов, можно рассчитывать оптимальный состав материала с требуемыми характеристиками (табл. ).

На основе карбамидных и других смол и легких заполнителей (перлита, бисипора ячеистого стекла и других) можно получать особо легкие полимербетоны с средней плотностью от 70 до 500 ^кг/_м³ и с прочностью до 5 МПа.

 

Таблица11 - Характеристики полимербетонов.

Наименование показателей	Вяжущие
ФАМ	ФА	ФАЭД	ПН	ЭД-6
тяжелый бетон	легкий бетон	тяжелый бетон	тяжелый бетон	легкий бетон	тяжелый бетон	легкий бетон	тяжелый бетон
Средняя плотность, кг/м3
Кратковременная прочность, МПАна сжатие на растяжение	70-90 5-8	30-65 3-5,5		90-110 9-11	50-85 3-9	80-100 7-9	50-85 2-8
Модуль упругости, МПА Е.10-3	20-32	13-20	11,7	32-38	12-18	28-36	12-18	¾
Линейная усадка, %	0,1	0,1-0,85	0,5	0,05-0,08	0,06-0,1	0,02-0,25	0,2-0,25	0,2
Коэффициент термического расширения, a*106, оС-1	12-15	11-13		10-14	10-14	14-20	14-18
Объемное электрическое сопротивление, 10-8 Ом. см.	3,8	5,8		¾	¾		¾
Морозостойкость, не менее	F300	F300	F300	F500	F300	F300	F300	¾
Стойкость к нагреву, оС	120-140	120-140
Водопоглащение, %	0,05-0,3	0,1-0,4		0,01	0,2-0,5	0,05-0,1	0,05-0,3	0,02

 

Твердение отформованных изделий должно происходить при температуре не менее 15^оС и нормальной влажности окружающего воздуха в течении 28 суток, для изделий из полимербетонов ММА – в течение 3+1 сут.

Для ускорения процесса твердения изделия из полимербетонов должны подвергаться термообработке, которую следует проводить в камерах сухого прогрева. Сухой прогрев должен осуществляться электронагревателями, паровыми регистрами.

Длительность выдержки в формах полимербетонных изделий до распалубки и последующей термообработки должна быть при температуре окружающей среды:

17+2^оС………………12 ч.

22+2^оС………………8 ч.

более 25^оС…………..4 ч.

Распалубленные полимербетонные изделия должны подвергаться термообработке по следующим режимам:

- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: подъем температуры до 80+2^оС – 2 ч., выдержка при температуре 80+2^оС – 16 ч., спуск температуры до 20^оС – 4 ч.

- для полимербетонов ФАЭД: подъем температуры до 120+5^оС – 3 ч., выдержка при температуре 120+5^оС – 14 ч., спуск температуры до 20^оС – 6 ч.

Термообработку полимербетонных изделий объемом не менее 0,2 м³ допускается производить в формах по следующим режимам:

- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: выдержка при 20^оС – 1,5ч., подъем температуры до 80+2^оС – 1ч., выдержка при температуре 80+2^оС – 16ч., спуск температуры до 20^оС – 4ч.

- для полимербетонов ФАЭД: выдержка при 20^оС – 1,5ч., подъем температуры до 120+5^оС – 2ч., выдержка при температуре 120+5^оС – 14ч., спуск температуры до 20^оС – 6ч.

Изделия из полимербетона ММА запрещается подвергать термообработке.

- для полимербетонов ФАМ (ФА), ПН, КФ-Ж: выдержка при 20^оС – 1,5ч., подъем температуры до 80+2^оС – 1ч., выдержка при температуре 80+2^оС – 16ч., спуск температуры до 20^оС – 4ч.

- для полимербетонов ФАЭД: выдержка при 20^оС – 1,5ч., подъем температуры до 120+5^оС – 2ч., выдержка при температуре 120+5^оС – 14ч., спуск температуры до 20^оС – 6ч.

Изделия из полимербетона ММА запрещается подвергать термообработке.

При соответствующем технико-экономическом обосновании полимербетоны целесообразно применять для изготовления конструкций, работающих в условиях сильно агрессивных сред (химические предприятия) (химически стойкие полы, лотки, сточные каналы, травильные ванны, сливные колодцы, химически стойкие трубы и т.д.) или находящихся под воздействием электрических токов (траверсы ЛЭП, контактных опор и подобных конструкций с высоким электро - сопротивлением).

Возможно изготовление из полимербетонов износостойких покрытий плотин, шахтных стволов, кольцевых коллекторов подземных сооружений, емкостей для хранения агрессивных жидкостей и других аналогичных сооружений.

Длительные испытания показывают, что предел длительной прочности мелкозернистых полимербетонов на основе смолы ФА составляет 0,45, на основе ФАМ – 0,5, а ФАМ-д-0,6.

Бетонополимер –это материал, получаемый в результате пропитки традиционного бетона полимерами с последующей их полимеризацией.

Бетонополимеры получают путем пропитки бетонов полимерами эпоксидная и полиэфирная смолы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, стирол и др.) и сополимерами, из которых наибольшее распространение получили составы на основе мономеров акрилового и мет акрилового ряда. На прочность бетонополимера влияют структура и прочность исходного бетона, вид, состав и свойства пропиточного состава, режимы сушки, вакуумирования, пропитки материала и полимеризации мономеров.

В заводских условиях наиболее целесообразна искусственная сушка бетона до влажности 0,1…0,2% по массе при температуре 105…150^оС (конвективная, радиационная, высокочастотная, электрическая, комбинированная). Неполная сушка исходного бетона снижает прочность бетонополимера.

С целью наиболее полной пропитки бетона после сушки его вакуумируют при остаточном давлении в вакуум-камере 6,67…1333 Па в течение до одного часа. Режим вакуумирования устанавливается опытным путем для каждого вида бетона. Чем больше при вакуумирования из бетона удаляется влаги, воздуха, пара, тем плотнее будет его пропитка и больше прочности.

Важнейшей операцией является пропитка бетона мономерами. Пропитка материала с мелкими капиллярами происходит главным образом под действием капиллярных сил. Пропитку бетона с крупными порами капиллярами. Лучше вести под давлением до

1 МПа. Чем больше пористость исходного бетона и большей степени из него удалены воздух, пар и влага, тем полнее его насыщение мономерами и выше прочность бетонополимера. Влияют на этот процесс свойства мономера (вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания), его температура и характер пористости.

Для полной пропитки тяжелого плотного бетона необходимо мономера 2…6% по массе, для пропитки легкого бетона на пористых заполнителей – до 30…68%, ячеистого бетона - до 102…117% (табл. ).

Завершающей операцией является полимеризация мономера в бетоне (термокаталитическая и радиационная). Наиболее широко в производстве бетонополимеров применяется первый способ.

Возможно при необходимости поверхностная пропитка бетона, а также пропитка отдельных участков конструкций с целью уплотнения и упрочнения бетона, повышение плотности защитного слоя арматуры и ее сохранности.

По структуре бетонополимер представляет собой капиляро – пористое тело, в котором поры и капиляры заполнены затвердевшим полимером, имеющем хорошее сцепление с твердой фазой и объемно армирующим силикатную основу. Его структура зависит от структуры исходного бетона, свойств полимера и режима обработки. Поры бетонополимера замкнутые по форме близки к сферической. В порах с размером 200…600 мкм. наблюдается не заполненная центральная шаровидная зона. Полимер заполняет все поры, трещины и неровности на поверхности заполнителя, проникая в цементный камень и заполнитель, что значительно повышает их сцепление между собой, прочность материала на растяжении и изгибе, поскольку прочность на растяжение затвердевшего полимера намного больше такового бетона (для полиметилметакрилата до 80, а полистирола до 60 МПа (табл. ). По этой же причине величина сцепления бетонополимера с арматурой возрастает в несколько раз (табл. ).

Полимер как бы заклеивает дефекты структуры бетона и связывает различные его участки, повышая плотность и прочность материала. Бетонополимер на метилметакрилате характеризуется малым числом макропор. Число макропор также меньше, как у бетона. В контактной зоне “полимер – цементный камень” не наблюдается усадочных трещин. Таким образом создается плотная, монолитная с меньшим количеством дефектов структура материала, которая определяет характер его разрушения под нагрузкой. Бетонополимер разрушается почти мгновенно с громким треском и разлетом удлиненных осколков. Характер разрушения хрупкий. Так как обработанный полимером раствор оказывается прочнее крупного заполнителя, то разрушение происходит по раствору и заполнителю.

Прочность бетонополимера на сжатие зависит в основном от прочности исходного бетона, вида и свойств мономера, режимов сушки, вакуумирования, степени пропитки и полимеризации. Чем выше прочность исходного бетона, тем меньше степень его упрочнения.

В значительной степени прочность бетонополимера зависит от содержания полимера в паровом пространстве бетона. Чем выше степень пропитки бетона, тем больше прочность бетонополимера. С увеличением количества цементного камня в исходном бетоне степень упрочнения его повышается. В высоко прочном бетонополимере крупный заполнитель является слабым звеном. А поэтому более высокую прочность имеют мелкозернистые Бетонополимеры (до 200 МПа).

При охлаждении нагретых до +150^оС образцов до +20^оС их прочность полностью восстанавливается. А при охлаждении нагретых до +200^оС с образцов до +20^оС их прочность становится меньше первоначальной на 10%. Для получения бетонополимера, который мог бы сохранять свои свойства при температуре +200^оС и выше, необходимо применять специальные термостойкие композиции.

Прочность на растяжение бетонополимера повышается по сравнению с исходным бетоном в 3…16 раз и с увеличением количества мономера в бетоне (до 19 МПа).

Таблица 12 - Влияние начальной прочности бетона на прочность бетонополимера.

Прочность бетона до пропитки, МПа	Содержание полимера в бетоне, %	Прочность бетонополимера, МПа	Коэффициент упрочнения.
			2,75
	5,5
			6,5

Введение в бетон золы и других аналогичных добавок мало отражается на прочности бетонополимера, что позволяет экономить до 50% цемента.

В исходный бетон с целью существенного ускорения твердения можно вводить до 5% CaCl₂, что не опасно для арматуры после пропитки бетона полимером, так как последний хорошо защищает сталь от коррозии.

Модуль упругости бетонополимера на 30…60% выше, чем у исходного бетона. Предельные деформации бетонополимера в 2 раза, а трещиностойкость в 2…5 раз выше, чем у исходного бетона. Ползучесть и усадка бетонополимера в несколько раз меньше чему бетона. Средняя плотность бетонополимера больше, чем у бетона на привес мономера - на 3…10% для тяжелых бетонов и на 10…70% - для легких на пористых заполнителях.

Водопоглащение бетонополимера оптимального состава в 5…6 раз меньше чем у традиционного бетона (примерно до 1%), а коэффициент размягчения близок к единице. В связи с этим морозостойкость бетонополимера возрастает в несколько раз и может достигать 5000 циклов замораживания и оттаивания. Однако это зависит от вида полимера.

Бетонополимер оптимального состава стоек в сульфатных, магнезиальных, щелочных и солевых средах, а так же в разбавленных кислотах, за исключением фтористо-водородной. Но концентрированные кислоты (серная, соляная, азотная) разрушают его.

Пропитка полимером легкого бетона на пористых заполнителях, ячеистого и гипсобетона значительно улучшает их свойства, в частности, повышает их плотность, прочность и снижает водопоглащение.

Таблица 13 - Данные о прочности легких бетонов и бетонополимеров.

Средняя плотность бетона, кг/м3	Прочность исходного бетона, МПа	Привес полимера, %	Прочность бетонополимера, МПа.
керамзитобетон
Газобетон	2,4 1,1
Гипсобетон Бетона на ГЦПВ		-

Таблица 14 - Улучшение свойств различных бетонов после пропитки полимерами.

Виды бетонов	Прочность на сжатие МПа.
До обработки	После обработки
Обычный бетон	10…40	80…150
Высокопрочный бетон	50…70	150…200
Керамзитобетон	3…15	30…90
Газобетон	1…8	15…90
Гипсобетон	15…22	80…92
Гипсоцементобетон
Силикатный бетон	30…50	100…200

 

Таблица 15 - Свойства бетонов и бетонополимеров.

Показатель	Исходный бетон	бетонополимер
Предел прочности, МПа	30…50 2…3 5…6	100…200 6…19 14…28
При сжатии При растяжении При изгибе
Модуль упругости, МПа	(2,5…3,5)*104	(3,5…5)*104
Прочность сцепления с арматурой, МПа	1…2	10…18
Относительные деформации усадки	50*10-5	5*10-5
Относительные деформации ползучести	(40…60)*10-5	(6…8)*10-5
Водопоглощение, %	3…5
Электрическое сопротивление, Ом	105	1014
Морозостойкость	F200	F5000
Коррозионная стойкость	Недостаточная	Высокая

 

При соответствии технико – экономическом обосновании и с учетом приведенных характеристик бетонополимер в первую очередь можно использовать для изготовления конструкций, работающих в агрессивных или суровых климатических условиях.