Полимербетон

2 слайд Полимербетон (или «искусственный камень») – это современный вид бетонной смеси, в которой вместо традиционного для обычного бетона вяжущего вещества (цемента либо силиката) используется полимер. Полимер представляет собой вязкую жидкость, иначе именуемую синтетической смолой. В производстве полимербетонов в основном применяют эпоксидные, фурановые и ненасыщенные полиэфирные смолы. Наполнителями для смеси могут служить гранитный или базальтовый щебень, кварцевый песок или измельченный песчаник. Полимербетон был создан в США и широко используется за рубежом. Сегодня этот материал приобретает все большую популярность и в России. Он применяется в строительстве, скульптуре, изготовлении мебели, ритуальном производстве. толешницы для кухни; 3 слайд Благодаря своему составу полимербетон обладает рядом существенных достоинств и часто выручает там, где велика вероятность разрушения или деформации обычного бетона. Достоинства полимербетона: 1) Высокая водонепроницаемость и устойчивость материала к перепадам температур. Эти качества обеспечивают быстрое испарение капель воды с поверхности изделий из полимербетона и препятствуют возникновению трещин и других дефектов в холодное время года. 2) Способность к реабилитации участков, подвергнувшихся механическим повреждениям. 3) Хорошая сопротивляемость материала влияниям агрессивных химических компонентов. Это дает возможность использовать полимербетон без нанесения на него специальных покрытий в самых разнообразных условиях. 4) Сочетание высокой прочности и сравнительно небольшого веса материала. Такая комбинация свойств полимербетона позволяет создавать из него простые в эксплуатации изделия с небольшой себестоимостью. 5) Гладкая и нескользкая поверхность материала. Благодаря этому качеству продукция из «искусственного камня» долго не пачкается, а любые загрязнения удаляются легко. 6) Многообразие расцветок. В своих внешних проявлениях полимербетон способен имитировать натуральный камень, например, мрамор, гранит, малахит, что создает широкий спектр вариантов его применения. 7) Возможность переработки материала с последующим возвратом в производство. Недостатками полимербетона по сравнению с традиционным бетоном можно считать: горючесть материала, более высокую цену, связанную со стоимостью вяжущих компонентов. Условно полимербетон подразделяется на три типа: полимерный бетон (ПБ), полимер-модифицированный бетон (ПМБ) или цементнополимерный бетон (ЦПБ) или латексо-модифицированный бетон (ЛМБ) и полимернопропитанный бетон (ППБ). Первым композитным материалом на основе бетона и полимера, получившим широкое коммерческое распространение является ППБ. Было выяснено, что он проявляет заметные преимущества перед обычным бетоном в прочности и долговечности путем улучшения структуры бетона. Физические свойства, такие как пористость и износостойкость были улучшены на сотню процентов относительно обычного бетона. В 1977 году Фелдман и другие сообщили, что пористые тела, пропитанные расплавленной серой, имеют более высокую твердость и модуль эластичности. Портландцементные бетоны в предыдущих исследованиях в первую очередь просушивались в печи и затем заполнялись эпоксидной смолой при использовании техники вакуумного пресса. Полимерный бетон, скомбинированный с металлическими подшипниками, был использован для машинных инструментов для достижения необходимой гибкости. Большая часть ППБ используется для сборных конструкций, включая мосты, паромы, дорожные покрытия, тоннели. Пересматривая предыдущие изучения, несколько исследователей сфокусировались на различном времени промокания и температурах полимеризации, которые являются двумя важнейшими факторами в процессе пропитки бетона полимером и могут примечательным образом влиять на свойства ППБ. Если говорить о составе полимербетонов, то можно выделить следующие составляющие: -полимерное связующее; -грубодисперсные наполнители; -отвердители; -тонкодисперсные наполнители (графит, сажа, фарфоровую муку, барит и др.), повышающие прочность, модуль упругости, а в некоторых случаях и химическую стойкость полимербетона; -пластификаторы (дибутилфталат, синтетические каучуки), способствующие повышению эластичности изделий из полимербетона; -растворители и разбавители (например, фурфурол в фурановые смолы, толуол или ацетон в эпоксидные смолы), повышающие пластичность композиции и облегчающие ее формование; -порообразователи и другие добавки. Полимербетоны, предназначенные для изготовления несущих строительных конструкций, изготавливают на основе термореактивных смол. Термопластичные полимеры в большинстве случаев используются для полимербетонов, которые применяются в защитных облицовках и в виде декоративно-отделочных материалов. В настоящее время наибольшее распространение находят полимербетоны на фурановых, фенольных, полиэфирных, карбамидных смолах. Основные свойства полимербетонов определяются химической природой синтетической смолы, видом и содержанием мелкодисперсной фракции наполнителей, видом армирования. 4 слайд. В качестве связующих для полимербетонов могут быть использованы как неорганические вещества, например жидкое стекло и сера, так и органические соединения, разнообразие которых с каждым годом увеличивается. Важнейший фактор, определяющий свойства полимербетонов, - как раз вид полимерного связующего, а их совместимость и высокие адгезионные связи с бетонами на основе неорганических вяжущих определяется не только видом связующего, но и видом отверждающей системы. Например, полимербетоны на фурановых смолах, отверждаемых кислотными катализаторам, нельзя совмещать с цементными бетонами, так как в процессе отверждение кислый катализатор успевает разрушить сопрягаемую поверхность цементного бетона. Вернемся к органическим связующим, которые могут быть представлены следующими типами соединений: смолы, эмульсии, каучуки, латексы, битумы, спирты, гудроны и высокомолекулярные углеводороды. На последнем виде связующих остановимся подробнее. Для полимерных связующих можно ввести свою классификацию, разделяющую все связующие ВМС на три группы: 1) вязкие жидкости: олигомерные (эпоксидные, полиэфирные и др.) и мономерные (фурфурольные, фурфуролацетоновые и др.) связующие; 2) водные дисперсии полимеров (латексы синтетических каучуков, поливинилацетатная и полиакрилатная дисперсии и др.); 3) порошки и блочные продукты (гранулы, листы, пленки): полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат. Обратимся к таблице, представленной на слайде. Она несет в себе информацию о прочности при сжатии и изгибе для полимербетонов с 2 различными матрицами: эпоксидной и полиэфирной и различным содержанием асбофрикционных отходов в композите. Видно, что для «чистого» полимербетона с эпоксидной матрицей предел прочности на растяжение превышает численное значение аналогичной характеристики у полимербетона с полиэфирной матрицей. Обратная ситуация наблюдается для предела прочности при сжатии. Однако интересно отметить, что при увеличении содержания доли АФО в композите наблюдается обратная ситуация: предел прочности при сжатии полимербетона с эпоксидной матрицей становится выше предела прочности при сжатии ПБ с полиэфирной матрицей. Данный факт свидетельствует о возможности целенаправленной модификации полимербетонов с целью изменения их физико-химических характеристик. 5 слайд. Раствор и бетон, изготовляемые из портландцемента, известны во всем мире в качестве строительного материала уже в течение 160 или более лет. Однако цементный раствор и бетон имеют некоторые недостатки, такие, как замедленное твердение, низкая прочность при изгибе, большое трещинообразование при высыхании и низкая химическая стойкость. Для преодоления этих недостатков пытались использовать полимеры. Рассмотрим, какие группы полимерных материалов могут быть использованы в качестве связующих и обратимся к первой большой группе полимерных связующих – полиэфирным смолам. В качестве связующего применяют эпоксидные смолы. Эпоксидная смола - это полимерное вещество линейного строения, содержащие эпоксигруппу. Для полимербетонов наиболее пригодны жидкие эпоксидные смолы ЭД—5 и ЭД—6. Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют полиэтиленполиамин (10-12% от массы смолы), а также высокомолекулярные вещества – полиамиды, полиэфиры и др. Для улучшения деформативной способности в смолу вводят пластификаторы – дибутилфталат в количестве 15-20% от массы смолы. Эпоксидные смолы имеющие ряд неоспоримых преимуществ, таких как: - высокая адгезия ко многим материалам; - отсутствие выделения побочных веществ - способность отверждаться в широком диапазоне температур; - хорошие физико-механические и электроизоляционные свойства; - химическая стойкость; - малая ползучесть под нагрузкой; - универсальность процессов переработки Эпоксидные связующие в отвержденном состоянии обладают значительной хрупкостью. Для снижения хрупкости связующего, а также для целенаправленного изменения/улучшения ряда других его свойств, в состав связующего могут вводиться пластификаторы и модификаторы : фталаты, масла, каучуки, битумы, полиэфиры, отходы ряда производств и пр. Кроме того, пластифицирующие и модифицирующие добавки могут значительно снижать стоимость связующего. Введение различных растворителей и разбавителей позволяет по необходимости снизить начальную вязкость связующего. Наиболее часто для полимербетонов используются термореактивные смолы: фурановые, эпоксидные и полиэфирные. Фурановые смолы являются наиболее дешевым полимерным вяжущим. В строительстве наибольшее распространение получил мономер ФА, получаемый при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде. Отверждение мономера ФА происходит в присутствии катализатора – бензосульфокислоты, оптимальное количество которой составляет 20-30% от массы ФА. Фурановый полимербетон относится к самым стойким полимерным материалам. Он стабильно сохраняет свои свойства в растворах серной и соляной кислоты, хлоридов, щелочей, а также жирах, маслах и нефтепродуктах. Слабо сопротивляется действию окислителей (азотная, уксусная кислота) и некоторых растворителей (ацетон, бензол, спирт). Однако самым большим достоинством фурфурольной смолы является ее низкая стоимость. В качестве отвердителей для фурфурольных смол применяют: - безводные ароматические сульфокислоты и - сульфохлориды (толуолсульфокислота), - минеральные кислоты (H2SO4, H3PO4, HCl), - хлориды металлов (AlCl3, FeCl3). Варьируя соотношение монофурфурилиденацетона и дифурфурилиденацетона в ходе синтеза может быть получено связующее с различными свойствами. 6 слайд Бетоны с добавками водных дисперсий (эмульсий и латексов) являют собой наибольшую группу ЦПБ. Этот тип бетона обычно изготавливается с применением портландцементов обычных марок (400, 500, 600), а также глиноземистых и магнезиальных цементов, в качестве вяжущих используются гипсовые и известковые вещества. При использовании термопластов в ПЦБ в качестве добавок используются высокомолекулярные эмульсии на основе винильных соединений: поливинилхлорид, поливинилацетат, поливинилпропионат, полистирол, полиакрилат и различные сополимеры. Во всех перечисленных соединениях наблюдается наличие реакционно-способных групп в молекулярной цепи. Упомянутые ранее полимеры при высокой прочности на растяжении (15-78 МПа) имеют невысокую плотность (950-1380 кг/м3). Среди достоинств эмульсий в качестве связующих выделим следующие аспекты: - высокая диэлектрическая проницаемость - оптическая прозрачность - водо- и хемостойкость. Недостатками данных соединений является: - низкая теплостойкость (до 700с) - низкая ударная вязкость, хрупкость - стабилизаторами являются соединения свинца, соли жирных кислот 7 слайд Первый патент на применение полимербетона был выдан Крессону в 1923 г. Он касается материала для покрытий с природными каучуковыми латексами, при этом запатентованный цемент был использован в качестве основы. Первый патент такой системы, модифицированной полимерным латексом, был опубликован Лефебром в 1924 г. По-видимому, он — первый исследователь, который намеревался создать растворы и бетон, модифицированные латексом, используя природные каучуковые латексы, путём подбора состава при смешивании. Этот патент важен с исторической точки зрения. Подобная идея была запатентована Кирпатриком в 1925 г. В 20-е и 30-е годы были разработаны раствор и бетон, модифицированные полимерами, с использованием природных каучуковых латексов. С другой стороны, в 1932 г. был выдан патент Бонду, который впервые предложил использовать синтетические каучуковые латексы для систем, модифицированных полимерами. В 1933 г. был выдан патент Родвеллу, который первый применил латексы синтетических смол, включая поливинил-ацетатные, для модифицированных систем. Другими словами, 1930-е годы стали поворотной точкой в использовании латексов в качестве модификаторов цемента (от природных каучуковых латексов до латексов синтетического каучука или смол). В 1940-х годах были опубликованы некоторые патенты на системы, модифицированные полимером, с такими синтетическими латексами, как латексы полихлоропренового каучука (неопрен) и полиакрил-эфирные латексы. Для-практического применения были разработаны растворы и бетоны, модифицированные поливинилацетатом. С конца 40-х годов модифицированные полимерами растворы и бетоны стали использоваться для покрытий палуб кораблей, настилов мостов, мостовых, полов, а также в качестве антикоррозионных покрытий. В Великобритании Гриффитсом и Сти-венсом были проведены исследования по использованию систем, модифицированных природным каучуком. В то же время большой интерес вызвало использование синтетических каучуков в модифицированных полимерами системах. В 1953 г. Гэйст и др. опубликовали детальное исследование о растворах, модифицированных поливинилацетатом, и внесли ряд ценных предложений относительно развития модифицированных полимерами систем. В 60-е годы бутадиен-стирольный каучук, полиакриловый эфир и поливинил иденхлоридвин ил хлор ид были применены для модификации растворов и бетонов. С этого времени практические работы по исследованию и развитию модифицированных растворов и бетонов значительно продвинулись в различных странах, в частности в США, СССР, ФРГ, Японии и Великобритании. Соответственно появилось значительное число публикаций, включая патенты, книги, статьи и доклады. На сегодняшний день наиболее часто используемыми каучуками, применяемыми в качестве связующих являются: • дивинилстирольный • дивинилакрилонитрильный • полихлоропреновый • полисульфидный каучук При стандартных температурах каучуки имеют малый модуль упругости (ниже 10МПа) и высокую скорость релаксации и растяжимость до 200 %. 8 слайд Если осуществляется последующий прогрев изделий, то возможно вводить в бетонную смесь термопластичные полимеры в виде порошков. В результате прогрева полимер расплавляется в теле бетона, что приводит к тому, что он заполняет капилляры и микропоры. Существует опыт в области применения полиэтилена, мягкого поливинилхлорида, полиметилметакрилата и полистирола. В результате было выяснено, что оптимальной концентрацией термопластов является около 20 %. Более хорошие результаты получаются при применении полистирола. Обработка полимерами заполнителей - один из способов модификации бетона. поливинилхлорид (пвх) - это твердое белое вещество, представляющие из себя сыпучий, капиллярный, пористый, хорошо перерабатывающийся порошок (частицы размером 100-200 мкм), который получают с помощью полимеризации винилхлорида в массе, эмульсии или суспензии. поливинилхлорид (пвх) вырабатывается двух видов: · твердый, не пластифицированный - винипласт (без пластификаторов) · мягкий, пластифицированный - пластикат (с пластификаторами) Рассмотрим поливинилхлорид в качестве связующего для полимербетона. Его основными качествами является: 1. универсальность. Поливинилхлорид имеет привлекательный внешний вид, может быть как жестким, так и гибким, легко подвергается резке, сварке, формованию, склеиванию. 2. долговечность 3. огнезащищенность. Из-за наличия в молекуле хлора , пвх является трудновоспламеняемым материалом, благодаря чему изделия из него не поддерживают горения. 4. экологичность. 5. возможность вторичной переработки. Пвх больше, чем остальные полимеры, подходит для вторичной переработки 6. безопасность. Поливинилхлорид совершенно безопасный материал и это доказано скрупулезными научными исследованиями. 7. высокая водо- и хемостойкость. 8. возможность эксплуатации при низких температурах до -500с. Недостатки: 1. трудность переработки. 2. невысокая температура эксплуатации -15 - +65?с 9 слайд Перейдем к наполнителям полимербетонов. Наполнители в композиционных материалах благодаря большой удельной поверхности в значительной мере влияют на создание пространственной структурной сетки отвержденных материалов. Они, наряду с обеспечением совместимости, должны удовлетворять таким требованиям, как чистота, отсутствие механических и химических включений, низкое водопоглощение, высокая химическая стойкость. Наполнители для композиционных материалов делятся на активные и инертные. Для композитов на карбамидных и фурановых смолах, отверждаемых кислотными катализаторами, следует использовать заполнители, стойкие в кислой среде. Применение материалов, имеющих щелочную реакцию (известняки, доломит, цементы), недопустимо, так как они обусловливают резкое снижение прочности полимербетонов. В научных работах описана зависимость прочности от степени наполнения, имеющая, как было обнаружено, экстремальный характер. При этом она может принимать различные значения, на что влияют прилагаемое напряжение и размер частиц наполнителя. Свойства микроструктуры значительно изменяются в зависимости от дисперсности наполнителя. Известно, что в отвержденных полимерных композициях на границе раздела наполнитель – полимер из-за разницы модулей упругости и коэффициентов термического расширения частиц и матрицы возникают структурные напряжения, которые являются источником трещинообразования. Однако частицы наполнителя не только играют роль инициаторов образования трещин, но и способны при определенной крупности тормозить и останавливать начальную трещину. Теоретически и экспериментально установлено, что оптимальный средний диаметр частиц наполнителя превышает толщину оптимальной пленки полимера приблизительно в 7 раз. Технология получения полимербетонов заключается в том, что создаются две фазы, наполнителя и связующего (мономерной либо же полимерной природы), на основе заранее заданной и рассчитанной комбинации. Существует два варианта создания ПБ. Первый заключается в наполнении уже готового полимера, второй в первоначальном формировании полимерной матрицы из низкомолекулярных компонентов с присутствием наполнителя. Наибольшую роль в обоих типах формирования полимерного бетона и особое влияние на свойства ПБ оказывают процессы, происходящие на разделе фаз твердое тело-полимер. Вклад же этих межфазных явлений определяется поверхностью границы раздела фаз, ее величиной, то есть, фактически, размером частиц, например, если говорить о волокнах, то таким размером будет их диаметр. По этим величинам, а также по размерам частиц определяется величина предельного наполнения или заполнения полимерной фазы. Наполнение полимеров заполнителями как твердой, так и жидкой природы, является универсальным принципом при создании композиционных материалов на основе полимеров. Естественно, распределение наполнителя должно быть равномерным, а также иметь четкую границу раздела фаз с полимером, а для ПБ наполнителем являются твердые вещества. В зависимости от наполнителя получаются полимерные композитные материалы с заданными технологическими свойствами. Стоит также отметить, что введение наполнителя осуществляется с целью создания принципиально нового материала, а не для модификации свойств ПБ. То есть, исходя из этого можно сделать вывод, что связующие влияют на свойства конечного композитного материала в той же степени, что и наполнители, если не в большей степени. Наполнитель упрочняют матрицу, однако, это зависит от типа наполнителя (дисперсный, волокнистый, пластинчатый), а также их собственных свойств и химической природы поверхности. Помимо этого, при введении наполнителя изменяются и термические, электрические, теплофизические, фрикционные и другие свойства. В качестве наиболее свежий тенденций в области использования новых материалов в роли наполнителей для полимербетонов можно выделить следующие: наночастицы аморфного кремнезема, фуллероиды, нанотрубки, наночастицы гидросиликатов, различных оксидов, TiO2. 10 слайд Добиться упрочнения материала, в данном случае бетона, можно не только путем модификации структуры бетона, но также и используя измельченный песок. Оказалось, что максимально заполнить пустоты в бетонном камне можно при использовании трех фракций наполнителя: Н1 = 6–7 мкм, Н2 = 0.6–0.7 мкм, Н3 = 50–90 нм. При этом эффект упрочения достигается не только за счет заполнения пор, на поверхности частичек песка под электронным микроскопом отчетливо видны игольчатые наросты длиной 0,1–0,3 мкм. Их наличие может свидетельствовать об увеличении прочностных характеристик материала, т.к. они выполняют ту же роль, что и металлическая арматура. Это позволило в лабораторных условиях при введении нанодисперсных составляющих в количестве до 30 кг/м3 или 2–3 % от массы цемента получить бетон с прочностью при сжатии в 3–4 раза больше обычного. И это еще не предел. По мнению специалистов, в течение ближайших 5 лет за счет применения нанотехнологий прочность бетона может быть доведена до 300 МПа, что почти в 10 раз превышает среднюю прочность современных бетонов. Такие материалы должны выдерживать более 3000 циклов замораживания и оттаивания и даже в морской воде служить более 100 лет. Еще одну возможность для упрочения бетона подсказала природа. Оказалось, что добавление в бетон анаэробных микроорганизмов определенного вида позволяет повысить его прочность на 25 %, а также улучшить его гидроизолирующие свойства. Это происходит потому, что микроорганизмы, продолжая жить внутри гибридного биоматериала, заполняют поры продуктами своей жизнедеятельности. Конечно, способов создания высококачественных бетонов найдено уже довольно много, подходы эти весьма разнообразны, и они позволяют реализовать инновационные конструкторско-технологические решения, полезные для самых различных областей строительства. Еще на одном применении нанотехнологий в области производства бетона, также уже использующемся на практике, нужно остановиться особо. В настоящее время добавки наночастиц TiO2 широко применяются в красках, специальных цементах и других строительных материалах. Дело в том, что под воздействием солнечного света наночастицы оксида титана работают как фотокатализатор, преобразуя атмосферный кислород и пары воды в атомарный кислород. Выделяющегося активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий. На данном слайде представлены наиболее популярные способы модификации бетона, конечно, способов создания высококачественных бетонов найдено уже довольно много, подходы эти весьма разнообразны, и они позволяют реализовать инновационные конструкторско-технологические решения, полезные для самых различных областей строительства.