Попов - Полимерные и полимерцементные бетоны растворы и мастики

Попов К. Н.

П58 Полимерные и полимерцементные бетоны, растворы и  мастики: Учеб. пособие для СПТУ. - М.: Высш. шк., 1987. - 72 с: ил.

Изложены достижения в области модификации бетонов и растворов полимерами. Описаны свойства и область применения полимерных  связующих; теоретические основы и практика приготовления и применения полимерцементных бетонов, растворов и мастичных составов; особенности свойств и технологии изготовления полимерных бетонов и растворов. Учебное пособие может быть использовано при профессиональном обучении рабочих на производстве.

© Издательство «Высшая школа» 1987

ПРЕДИСЛОВИЕ

Химия и новая технология все больше входят в повседневную практику строителей. И даже в таких традиционных строительных материалах, как бетоны и растворы, все чаще применяют  специальные полимерные добавки или даже полностью заменяют  минеральное вяжущее полимерным. Однако применение новых полимерных и полимерцементных материалов, во-первых, требует более высокой культуры производства и, во-вторых, каждый вид таких .материалов имеет свою определенную экономически и технически рациональную область применения.

Необходимость высокой культуры производства при  использовании полимерных материалов объясняется тем, что качество  полимерных материалов зависит от точности соблюдения технологических параметров: дозировки компонентов, температуры отверждения и т. п. Часто незначительные отклонения от технологических  требований приводят к необратимому изменению свойств готового  материала.

Правильный выбор областей применения полимерных и полимерцементных материалов диктуется высокой стоимостью полимерных продуктов. Они дороже портландцемента в 20...200 раз. Свойства полимерцементных и полимерных материалов довольно  специфичны и во многом определяются свойствами полимерного вяжущего.

Предлагаемая книга состоит из трех частей. В первой части  описаны полимерные продукты, используемые в качестве вяжущих, - это общая часть, на которой базируются последующие части; во второй — рассмотрены основы теории и практика применения  полимерцементных материалов, в третьей - материалы на чисто  полимерных связующих. Книга должна помочь учащимся разобраться в  особенностях технологии и свойств полимерцементных и полимерных бетонов, растворов и мастик и показать их рациональные области применения.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

В Основных направлениях экономического и социального  развития СССР на 1986 - 1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС, большое внимание уделяется развитию строительства. В промышленности строительных материалов намечено улучшить структуру применяемых строительных конструкций и материалов, расширить использование эффективных видов металлопроката, пластмасс, смол, полимеров, прогрессивных изделий из древесины, керамических и других неметаллических материалов. Для выполнения решений XXVII съезда строители должны шире использовать новые материалы, новые химические продукты и в том числе смолы и пластмассы, производство которых к 1990 г. планируется довести до 6,8 - 7,1 млн. т в год.

Индустриализация строительства предъявляет к материалам новые требования, которым традиционные строительные материалы, такие, как бетоны, растворы и т. п., уже удовлетворить не могли. На помощь строительству пришла химия. Так появилось новое направление в  технологии строительных материалов: модификация материалов, получаемых на основе минеральных вяжущих, полимерами путем направленного изменения структуры и соответственно свойств этих материалов.

Традиционные материалы на основе минеральных вяжущих -  бетоны и растворы — по физико-механическим свойствам типичные каменные материалы, характеризующиеся высокой прочностью при сжатии и низкой - при изгибе и растяжении. У них высокий модуль упругости и малая деформативность, низкая адгезия к другим материалам и невысокое сопротивление ударным воздействиям. Наличие пор в затвердевшем бетоне и растворе и химический состав затвердевшего вяжущего предопределяют их ограниченную морозостойкость и невысокую химическую стойкость (особенно в кислых средах).

Полимерные материалы в большинстве своем, напротив, обладают высокой прочностью при растяжении и изгибе, у них более низкий модуль упругости и большая деформативность, хорошие адгезионные свойства и высокая химическая стойкость. Многие полимеры горючи; их теплостойкость обычно не превышает 1ОО...15О°С. Под действием солнечных лучей и кислорода воздуха они „старятся", изменяя  физико-механические свойства. Фактором, ограничивающим применение полимеров в строительстве, является их высокая стоимость и  относительная дефицитность.

Уже много лет тому назад (в 20 - 30-х годах нашего века)  строители делали попытки получить материалы на основе сочетания  минеральных вяжущих и полимеров, с тем чтобы максимально использовать лучшие качества каждого компонента и свести к минимуму его отрицательные свойства, т. е. модифицировать традиционные материалы на минеральных вяжущих добавками полимеров. Модификация бетонов и растворов может идти двумя путями: либо полимер вводят в  бетонную или растворную смесь, либо им обрабатывают затвердевший  бетон.

В первом случае, если полимер вводят в смесь как  дополнительное вяжущее помимо основного - минерального (цемента, гипсового вяжущего), получают так называемые полимерцементные материалы.

В полимерцементных материалах основную структурообразующую роль играет минеральное вяжущее, а полимер, оказывая влияние на свойства смеси, на процесс твердения минерального вяжущего и на структуру затвердевшего материала, существенно изменяет свойства готового материала. Так, например, добавляя в смесь полимер в  количестве 10...15% от массы минерального вяжущего, можно придать раствору или бетону высокую водонепроницаемость, стойкость к износу, низкую электропроводность, сильно повысить его адгезию к другим материалам. Если же минеральное вяжущее целиком  заменяется в бетонной смеси полимером, то такой материал называют полимербетоном.

Во втором случае, при пропитке затвердевшего бетона (или раствора) полимером, получают бетонополимер — бетон, в порах которого образовалась пространственная сетка затвердевшего  полимера. Обычно в качестве полимерного компонента в этом случае применяют жидкие мономеры. Бетон пропитывают ими после  предварительной сушки и вакуумирования. Для отверждения  (полимеризации) мономера, вошедшего в поры бетона, применяют  тепловую или радиационную обработку. Этот довольно сложный вид модификации бетона полимерами в данной книге не  рассматривается.

Большим достоинством полимерцементных и полимерных  бетонов и растворов является то, что технология их получения и обработки мало отличается от технологии бетонов и растворов на минеральных вяжущих. Например, для них используется  стандартное оборудование для приготовления и укладки бетонных и растворных смесей. Твердеют полимерцементные и полимерные бетоны и растворы при нормальных условиях; ускоряют  твердение тепловой обработкой.

Рациональные области применения полимерцементных материалов зависят от вида и свойств полимера и его дозировки. Из-за относительно высокой стоимости и дефицитности полимеров полимерцементные материалы целесообразно применять в виде тонкослойных покрытий (отделочные материалы, материалы для полов), склеивающих  составов при отделочных и ремонтных работах, для гидроизоляции и  герметизации, получения электроизоляционно-омоноличивающих составов и т.п.

Полимербетоны и полимеррастворы из-за того, что в них нет минерального вяжущего, а его роль выполняет полимер, значительно дороже обычных и полимерцементных бетонов и растворов. Однако благодаря некоторым, не присущим обычным и полимерцементным бетонам свойствам (например, высокой и универсальной химической стойкости), полимербетоны успешно применяются в специальном строительстве: конструкциях зданий химической и пищевой промышленности, при устройстве полов промышленных и общественных зданий с тяжелыми условиями эксплуатации и др.

ГЛАВА I

ПОЛИМЕРНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

Полимерные связующие - это синтетические или природные  органические вещества, способные самопроизвольно или под действием различных факторов (веществ-отвердителей, температуры и др.)  переходить из жидкого состояния в твердое, и как в жидком состоянии, так и после отвердевания имеющих хорошую адгезию к другим  материалам. Полимерные связующие в исходном состоянии могут быть высокомолекулярными веществами, веществами со средней  молекулярной массой (в пределах 100...1000) — так называемыми олигомерами или низкомолекулярными мономерными веществами. Однако все они в процессе отвердевания переходят в высокомолекулярные полимерные вещества.

Основной вид полимерных связующих — синтетические полимеры, получаемые из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией или поликонденсацией. Среди синтетических полимеров  отдельную группу составляют каучуки и каучукоподобные полимеры,  характеризующиеся очень большой деформативностью и высокозластичными свойствами, из-за чего их называют эластомерами.

Природные смолы и высокомолекулярные вещества применяют как в естественном состоянии, так и после химической модификации, придающей им необходимые свойства — модифицированные природные полимеры.

В зависимости от отношения к нагреванию и потенциальной  способности к укрупнению (сшивке) молекул различают  термопластичные и термореактивные полимерные вещества. Термопластичные вещества при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают, причем такие переходы могут повторяться много раз. Термопластичность объясняется линейным строением молекул, их химической  инертностью и довольно слабым межмолекулярным взаимодействием. По этой же причине большинство термопластов способно растворяться в соответствующих растворителях. К термопластам относятся многие широко распространенные полимеры: полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, модифицированная целлюлоза (метилцеллюлоза,  нитроцеллюлоза) и природные смолы: канифоль, копал, битумы, дегти.

Термореактивными называют вещества, у которых переход из жидкого состояния в твердое происходит необратимо; при этом у них меняется молекулярная структура: линейные молекулы  соединяются в пространственные сетки — гигантские макромолекулы. Такое необратимое твердение происходит не только под действием нагревания (именно отсюда пошел термин „термореактивность"), но и под  действием отвердителей, ионизирующего излучения и других факторов.

Отвержденные термореактивные полимеры, как правило, более  термостойки, чем термопластичные, и практически не растворяются, а только набухают в растворителях. ,

Термореактивные полимерные вещества, используемые в  строительстве в качестве связующих, обычно представляют собой вязкие жидкости, называемые не совсем правильно „смолами". В химической технологии зти продукты частичной полимеризации (с молекулярной массой в пределах 100..Л000), имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, получили название олигомеров. К термореактивным олигомерным связующим относятся,  например, эпоксидные и полиэфирные смолы, олифы, каучуки в смеси с вулканизаторами и т. п.

В зависимости от агрегатного (физического) состояния  полимерные связующие могут быть: вязкими жидкостями: олигомерные (эпоксидные, полиэфирные и др.) и мономерные (фурфурольные, фурфуролацетоновые и др.) связующие; водными дисперсиями полимеров (латексы синтетических каучуков, поливинилацетатная и полиакрилатная дисперсии и др.); порошками и блочными продуктами (гранулы, листы, пленки): полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат.

Один и тот же полимер в зависимости от метода синтеза может иметь различное физическое состояние. Так, полистирол может быть в виде гранул, тонкозернистого порошка, раствора в органических растворителях и водной дисперсии.

Для получения полимерцементных материалов наиболее удобны водные дисперсии полимеров и водорастворимые порошкообразные полимерные продукты; для полимербетонов и полимеррастворов — жидковязкие олигомеры и мономеры, реже для этой цели применяют  водные дисперсии полимеров.

Полимерные связующие существенно отличаются от минеральных вяжущих. Адгезия полимерных связующих к другим материалам (в частности, к заполнителям) значительно выше, чем минеральных  вяжущих. Скорость и условия твердения полимерных связующих можно варьировать в широких пределах; в целом они твердеют значительно быстрее цементов. Прочность при сжатии, а особенно при растяжении и изгибе у полимерных связующих выше, чем у минеральных  вяжущих. Но при использовании термопластичных полимеров необходимо помнить, что прочность их быстро снижается при повышении  температуры. В целом у отвержденных полимерных связующих довольно  низкая термостойкость, зависящая от состава и строения полимера и  находящаяся в пределах 6О...25О°С. Полимерные связующие в  подавляющем большинстве водостойки и химически стойки: они хорошо противостоят действию кислот, щелочей, солевых растворов, растворителей.

Для каждого вида полимерных связующих существуют свои  рациональные области применения, выбираемые с учетом всех его свойств. Большая часть синтезируемых полимеров используется в  производстве пластмасс, которые применяются в самых различных областях современной жизни. Для получения полимерных и полимерцементных бетонов, растворов и мастик используется пока небольшой объем  полимерных продуктов, но промышленность уже выпускает для этих целей специальные марки полимеров и олигомерных продуктов.

Высокая стоимость полимерных связующих требует снижения полимероемкости, т. е. достижения требуемого результата при  минимальном расходе полимера. Поэтому полимерные связующие  применяют для получения тонких облицовочных изделий (плиток, пленок), защитных химически стойких9 покрытий, лицевых покрытий полов, отделочных слоев, приклеивающих материалов, гидроизоляционных покрытий.

§ 2. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ

Термопластичность полимеров обусловлена линейным строением молекул. При нагревании взаимодействие между молекулами  ослабевает и полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем  нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве основываются различные способы формования изделий из термопластов, а также соединение их сваркой. Но не все термопласты нагреванием можно перевести в вязкотекучее состояние, так как температура начала термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести.

Однако, используя различные технологические приемы, можно снизить температуру текучести (например, вводя пластификатор) либо  оттянуть начало разложения полимера (введением стабилизаторов,  переработкой в атмосфере инертного газа).

Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и растворяться в соответствующих растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы  полимера. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации B 5%, отличаются довольно высокой вязкостью вследствие  больших размеров полимерных молекул по сравнению с молекулами  обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя  полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано  использование растворов термопластов в качестве клеев и вяжущего компонента в мастиках и строительных растворах.

К недостаткам термопластов относятся низкие теплостойкость и поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием  солнечных лучей и кислорода воздуха.

Однако при использовании термопластов в составе бетонов,  растворов и мастик, т. е. в сочетании с большим количеством  минеральных компонентов (заполнителей, наполнителей, вяжущих), эти отрицательные свойства не проявляются столь резко и не входят в число  основных свойств. Например, старения полимеров под действием солнечного света практически не происходит из-за экранирующего действия  минеральных частиц. Мягкость и эластичность полимеров часто играют в таких материалах положительную роль. И при оценке качества полимера как связующего на первый план выходят другие свойства: хорошая адгезия к минеральным материалам, водостойкость и др., зависящие от конкретного вида материала (полимерный или полимерцементный бетон, раствор или мастика) и области его применения.

Наибольшее применение в строительстве имеют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат, перхлорвинил, полиизобутилен. Для получения полимербетонов и полимерцементных материалов из этих полимеров чаще всего используют поливинилацетат и его сополимеры, перхлорвинил, поливинилхлорид и полистирол. Ниже описаны основные  термопластичные полимеры.