ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Властивості полімерів як будівельних матеріалів

 

План:

 

1. Властивості полімерів як будівельних матеріалів.

2. Полімерні добавки до бетонів:

- добавки для зменшення вмісту води;

- гідроксокарбонові кислоти;

- суперпластифікатори;

- повітрязалучаючі добавки.

3. Полімербетони.

 

 

Одна з важливих переваг полімерних органічних матеріалів і виробів, що з них отримують, − низька щільність, яка становить від 15 до 2200 кг/м3. Пінопласти, що виготовляються із синтетичних полімерних матеріалів, мають щільність 15−200 кг/м3. Пластмаси, які застосовують у будівництві, в 2−3 рази легші за алюміній і в 5−8 разів менше важать, ніж сталь та мідь.

Зниження маси конструкцій при використанні у збірному домобудівництві полімерних матеріалів дає можливість в 3−4 рази зменшити товщину стін, порівняно з бетонними, легко змінювати планування квартир, відмовитися від потужного підйомно-транспортного устаткування при монтажі будинків, збільшити розмір панелей.

Полімерні матеріали і пластмаси, що одержують з них, мають високу механічну міцність. У шаруватих пластиків міцність при розтяганні вища, ніж у конструкційної сталі. Це дає змогу використовувати деревинношаруваті пластики, бакелітизовану фанеру в несучих конструкціях.

За значенням коефіцієнта конструкційної якості (коефіцієнта міцності), що дорівнює відношенню міцності матеріалу до його щільності, сполуки на основі полімерів перевершують інші будівельні матеріали. Так, у цегельної кладки цей коефіцієнт дорівнює 0,02, у бетону марки 150 − 0,06, сталі марки СтЗ − 0,51, дюралюмінію − 1,6. У той самий час для деревини сосни він складає 0,7, для скло­пластику − 2,2, для деревинношаруватого пластику − 2,5. Це дає можливість створювати міцні й легкі конструкції.

У полімерних матеріалів низька теплопровідність, що забезпечує їх ефективне використання в огороджуючих конструкціях. Коефіцієнт теплопровідності щільних пластмас складає від 0,22 до 0,68 Вт/ (м°С), у пористих пластмас значення цього коефіцієнта не перевищує 0,03 Вт/(м°С) і наближається до значення коефіцієнта теплопровідності повітря.

Важлива властивість полімерних матеріалів − їх висока хімічна стійкість, особливо − у політетрафторетилену, поліетилену, поліізобутилену, епоксидних смол, полістиролу, полівінілхлориду. Тому їх застосовують для захисту будівельних виробів від корозії та для виготовлення корозійностійких виробів.

Полімерні матеріали − стійкі до стирання, що важливо при використанні їх в якості покриття підлог. За стиранністю ці матеріали не поступаються керамічним плиткам і перевершують кам'яні плити. Так, стиранність гліфталевого лінолеуму становить 0,06, поліхлорвінілових плиток − 0,08, а граніту − 0,10 г/см2.

Пластмаси на основі полімерних матеріалів можуть мати різне забарвлення, що дозволяє використовувати вироби з них з декоративною метою. Такі вироби виготовляються високопродуктивними методами лиття, штампування, пресування й т.п., легко зварюються й скріплюються з іншими матеріалами. Всі ці якості визначили широке застосування полімерних матеріалів у будівництві.

Проте варто враховувати й небажані властивості полімерних матеріалів. Більшість серед них мають невисоку теплостійкість, часто вона не перевищує 60−80 °С. Чимало таких матеріалів є горючими і при їхньому горінні виділяються токсичні речовини.

Полімерні матеріали й вироби з них відзначаються повзучістю, тобто піддаються деформаціям під тривалим впливом механічних навантажень, особливо − при підвищеній температурі. У полімерів великий коефіцієнт термічного розширення, він в 2,5−10 разів більший, ніж у сталі, й становить від 25-10-6 до 120∙10-6 град1. Це необхідно враховувати при використанні виробів, що мають великі розміри.

Модуль пружності полімерних матеріалів набагато нижчий, ніж у металів. Так, у сталей він становить 200 Гпа, в алюмінію і його сплавів − від 50 до 70 Гпа, а в пластмас − від 1 до 10 Гпа.

Варто враховувати й те, що властивості полімерних матеріалів можуть істотно змінюватися залежно від умов їх експлуатації чи зберігання, тобто вони з часом піддаються старінню. Це може бути зумовлено окисленням під дією кисню повітря, а також деструкцією − розривом хімічних зв'язків між макромолекулами. Такі розриви відбуваються під дією світла, тепла, радіації й т.п. Найменш стійкі до старіння полімери, що містять у молекулах подвійні хімічні зв'язки, деякі види каучуків. Значно вища стійкість до старіння у полімерів, що не мають подвійних зв'язків, − полівінілхлориду, поліхлоропрену та ін. За високих температур (від 200 до 400 °С) спостерігається деполімеризація, тобто розпад макромолекул до мономерів.

Необхідно враховувати фізіологічну дію деяких полімерних матеріалів − виділення ними шкідливих для організму людини речовин.

Оцінюючи властивості полімерів, можна зробити висновок про те, що вони є високоефективними будівельними матеріалами, використання яких дає можливість зменшити масу конструкцій, знизити трудові витрати у будівництві, розширити архітектурні можливості, застосовувати сучасні індустріальні методи проведення робіт. Використання однієї тони пластмас у будівництві дозволяє заощаджувати

5,6 т сталі, 3,4 т кольорових металів, зменшити працевитрати.

 

 

З метою поліпшення властивостей бетону (підвищення міцності, морозовитривалості й т.п.), технологічних характеристик бетонних сумішей, економії цементу при виготовленні бетону широко використовується введення домішок, які являють собою хімічні сполуки (подекуди в складі відходів виробництва) або тонкоподрібнені матеріали, такі як шлаки, золи, інші відходи виробництва. Відома чимала кількість таких домішок, їх дію буде розглянуто при вивченні будівельних матеріалів.

Найчастіше органічні сполуки вводять у бетонну суміш у якості:

1) пластифікаторів, що підвищують її рухливість і сприяють зменшенню кількості води, потрібної для одержання необхідних властивостей бетонної суміші − легкоукладанності, яка визначається її рухливістю;

2) домішок для залучення повітря, які забезпечують появу в цементному камені великої кількості дрібних повітряних включень, що сприяє підвищенню морозостійкості бетону.

Домішки, які зменшують потребу у кількості води в бетонній суміші. Такі домішки називають водопоменшувачами, пластифікаторами. Введення цих домішок сприяє зменшенню кількості води, необхідної для одержання визначеної рухливості бетонної суміші. Це, у свою чергу, сприяє підвищенню міцності й довговічності бетону. Крім того, введення домішок водопоменшувачів забезпечує ще й такі переваги при виготовленні бетону:

1) Економію цементу при збереженні легкоукладанності бетонної суміші, міцності й довговічності бетону. Водночас забезпечується зменшення усадки й тепловиділення при його тужавінні, що суттєво при зведенні масивних споруджень або бетонуванні в умовах жаркого клімату.

2) Підвищення рухливості бетонної суміші, тобто поліпшення її легкоукладанності при збереженні складу і через це міцності й довговічності бетону, що має важливе значення при виготовленні залізобетонних конструкцій з густим армуванням, коли необхідна висока рухливість бетонної суміші.

До числа розглянутих домішок належать такі сполуки. Лігносульфонати − кальцієві, натрієві чи амонієві солі лігносульфонових кислот, що утворюються при сульфуванні лігніну. Позначивши групу атомів, яка відповідає лігніну символом R, можна подати лігносульфонат кальцію формулою [(RSО3)2Ca]n. Середня молекулярна маса лігносульфонатів становить 20000—30000. Одержують їх на целюлозно-паперових комбінатах при гідролізі деревини. Здебіль­шого як домішку до бетону використовують лігносульфонат кальцію. Лігносульфонати технічні модифіковані скорочено позначаються ССТМ/ЛСТМ-1, ЛСТМ-2 і т.д.

Лігносульфонати, як і інші речовини подібного призначення, є поверхнево-активними. їх молекули мають полярну і неполярну групи атомів. Адсорбуючись на поверхні частинок цементу, молекули лігносульфонатів полегшують їх переміщення відносно один одного. Через це кількість води для одержання потрібної рухливості бетонної суміші зменшується.

Лігносульфонати вводять у бетонну суміш у невеликій кількості − 0,1−0,3% маси цементу. Перевищення цієї кількості небажане, тому що може призвести до уповільнення тужавіння цементу і набирання міцності бетоном. Іноді лігносульфонати вводять разом із прискорювачами тужавіння бетону − хлоридом або форміатом кальцію чи деякими іншими солями.

Гідроксикарбонові кислоти та їх солі. Карбоногідрогени. Гідроксикарбонові кислоти застосовують у якості водопоменшувачів, а також сповільнювачів схоплювання бетону з п'ятдесятих років XX ст.. Їх молекули містять кілька гідроксильних груп −ОН і одну або кілька карбоксильних груп −СООН. До того ж карбоногідрогеновий ланцюг їх досить короткий. Найчастіше і3 цих сполук засто­совують глюконову кислоту СН2ОН(СНОН)4СООН; іноді − лимонну НООССН2С(ОН)СН2СООН, малеїнову НООССН=СНСООН, саліцилову

СООН НОС6Н4СООН та деякі інші. Ці речовини можуть міститися у відходах виробництва, що використовуються як добавки у- бетон.

Для підвищення рухливості бетонної суміші використовують також природні карбоногідрогени, такі як сахароза і глюкоза, а також гідроксильовані полімери, що одержують шляхом часткового гідролізу поліцукридів, які містяться у природних матеріалах. Властивості водопоменшувачів мають й інші органічні сполуки − полівініловий спирт, гліцерин і т.д.

Суперпластифікатори. Розглянуті в попередньому розділі домішки дають змогу зменшити необхідну кількість води у бетонній суміші на 10−15% за умови збереження її рухливості. Більш істотне зменшення цієї кількості (на 30%) досягається при введенні нового класу домішок, що різняться за своєю природою від розглянутих вище. Такі домішки одержали назву суперпластифікаторів. їх ви­робництво вперше було розпочато в Японії, згодом − у ФРН.

Застосування суперпластифікаторів дає можливість одержувати бетонні суміші з високою рухливістю із збереженням міцності бетону, їх введення, при збереженні властивостей бетону, дає змогу одержувати більшу економію цементу − найзатратнішого компонента бетонної суміші. При введенні суперпластифікаторів для того самого складу за рахунок значного зменшення вмісту вологи можна істотно збільшити міцність бетону.

Найефективніші суперпластифікатори − це продукти конденсації сульфованого нафталіну або сульфованого меламіну з формальдегідом. Нафталін C10H8 містить у молекулі конденсовані бензенові кільця:

Його одержують з кам'яновугільної смоли. Меламін C3H6N6:

одержують із сечовини, або диціанаміду. Вітчизняні пластифікатои виготовляють на основі нафталенсульфокислоти (добавки С-3) або меламінсульфокислоти (домішки 10-03, КМ-30).

Введення суперпластифікаторів сприяє диспергуванню частинок цементу, поділу їх, оскільки у водній суспензії вони, зазвичай, сполучені в агрегати. Наявність молекул суперпластифікатора полегшує переміщення частинок цементу, знижує необхідну кількість води при подібній рухливості суміші.

Застосування суперпластифікаторів є найефективнішим при виготовленні густоармованих залізобетонних конструкцій, укладанні бетонної суміші у фундаменти, міжповерхові перекриття, настили покрівель, прогони мостів. Застосування цих домішок істотно полегшує перекачування бетонної суміші, її накачування при проведенні реставраційних робіт, закладанні тріщин і т.п.

Дозування суперпластифікаторів становить 0,3−1% маси цементу, їх дія ефективніша, якщо вони вводяться через кілька хвилин після затворення цементу водою. Це зумовлено тим, що при введенні суперпластифікаторів безпосередньо з водою затворення значна частина домішки вступає у взаємодію з продуктами реакції трикальцієвого алюмінату і гіпсу.

Ефективність дії суперпластифікаторів залежить від їх молекулярної маси, що може бути неоднаковою, а також від питомої поверхні цементу і кількості у ньому трикальцієвого алюмінату, гіпсу, лугів. Варто мати на увазі, що рухливість бетонної суміші, що містить суперпластифікатори, досить швидко втрачається (за 1–2 години) після затворення, особливо − при підвищеній температурі (40°С і більше). При використанні цих домішок постає потреба у пом'якшенні режиму теплової обробки бетону.

Повітрязалучаючі домішки. Такі домішки сприяють отриманню великої кількості дрібних повітряних пухирців, розподілених у цементному камені, що з'єднує зерна й шматки заповнювача. Ефект дії цих домішок встановлено наприкінці 30-х років XX ст. у США. Нині у США близько двох третин всього бетону виготовляється з повітрязалучаючими домішками.

Залучення повітря зменшує розшарування й водовідділення бетонної суміші, підвищує її рухливість, зменшує необхідну кількість води, тобто ці добавки є й водопоменшувачами (пластифікаторами). Хоч щільність бетону за рахунок залучення повітря може трохи зменшитися, головний результат використання таких домішок − істотне збільшення морозостійкості бетону, тобто його довговічності при заморожуванні й розмерзанні по черзі.

Повітрязалучаючі домішки належать до поверхнево-активних речовин. Адсорбуючись на межі розподілу вода−повітря, їх молекули орієнтуються полярними групами до води, неполярними − до карбоногідрогенних ланцюгів, у бік газової фази, що забезпечує зменшення поверхневого натягу води й стабілізацію повітряних пухирців. Власне, залучення повітря в бетонну суміш відбувається при

її перемішуванні, наявність повітрязалучаючих домішок забезпечує стабілізацію повітряних пухирців та їх досить рівномірний розподіл у цементному камені, що утворюється.

До числа повітрязалучаючих домішок, що є разом і водопоменшувачами, належать солі органічних сульфокислот, солі кислот, які отримують з нафти та інші. Розглянемо приклади таких домішок, що вводяться в бетонну суміш у кількості 0,05−0,2% від маси цементу.

До них належать натрієві солі смоляних кислот, наприклад, абіетинової С19Н29СООН (входить до складу каніфолі), яка присутня в складі каніфолі. Домішка, що містить абіетат натрію, називається смолою нейтралізованою повітрязалучаючою (СНП). До таких домішок належать і нафтенові кислоти, що мають загальну формулу СпН2п-1COOH (зазвичай, 8 ≤ п ≤ 13), їх водорозчинні солі, а також синтетичні жирні кислоти та їх солі, розчинні у воді. Нафтенові кислоти одержують із лужних відходів, що виникають при очищенні їдким натром дистилятів нафти. Ці відходи являють собою натрієві солі нафтенових кислот і називаються милонафтами. У якості повітрязалучаючих і пластифікуючих домішок при виробництві бетону використовується також змилена розчинна смола, пластифікатор адипіновий (ПАЩ-1) і силіційорганічні сполуки − етилсилікат натрію (ГКЖ-11) та ін. Звичайно, повітрязалучаючі домішки застосо­вують у вигляді розведених розчинів, які мають щільність меншу за 1,1 г/см3.

Як відзначалося вище, основне призначення залучення повітря − підвищення морозостійкості бетону при його циклічному заморожуванні та розморожуванні. Збільшення кількості повітря в ньому спричиняє різке збільшення кількості циклів заморожування − розморожування, потрібних для руйнування структури бетону. Це пов'язують із тим, що за рахунок залучення повітря утворюється достатній обсяг вільного простору пор, що сприяє зменшенню тиску, що виникає при перетворенні води в лід, коли об'єм її зростає на 9%. Крім того, у дрібних порах значна частина води не замерзає і може переміщуватися в сусідні повітряні пухирці, внаслідок чого тиск всередині бетону при заморожуванні частини води не збільшується.

Залучення повітря впливає лише на цементний камінь, збільшуючи його морозовитривалість. Крупна фракція заповнювача бетону має бути достатньо морозовитривалою.

 

 

До числа недоліків бетону − матеріалу, який широко використовується у будівництві, − належить велика кількість дефектів структури, у першу чергу − пор і капілярів різного розміру. Вони значно зменшують механічну міцність бетону, його довговічність і стійкість до дії агресивних середовищ. Для усунення цього недоліку можуть бути використані полімери. При цьому, очевидно, найбільш ефек­тивне просочення вже готових бетонних і залізобетонних виробів і конструкцій відповідними сполуками.

Просочення бетону полімерами. Для цієї мети використовуться рідкі полімерні матеріали (епоксидні, поліетерні смоли, немодифіковані, а також модифіковані синтетичними смолами, бітуми і т.д.), мономери (стирол, метилметакрилат) і композиції на базі цих матеріалів.

Глибина просочення бетону в'язкими речовинами, такими як бітуми, невелика й становить 1−3 см. Рідкі мономери просочують бетони на глибину 10—20 см і за більш короткий час. Заповнення пор у бетоні, що просочується мономером, буде тим більшим, чим менша вологість бетону. Полімеризація мономерів здійснюється безпосередньо у бетоні. Для цього застосовують, наприклад, термокаталітичний метод.

У мономер перед просоченням бетону вводять ініціатори полімеризації. Після просочення бетон нагрівають до температури 70−120 0С, при якій мономер перетворюється у твердий полімер, який заповнює пори й капіляри бетону.

Внаслідок просочення й полімеризації мономера в бетоні виникає особлива структура, у якій полімер зв'язує різні ділянки бетону. Відбувається своєрідне дисперсне армування бетону. Оскільки при полімеризації об'єм мономера прагне скоротитися, то виникає обтиснення мінеральної основи матеріалу (попередньо напружений стан, що сприяє підвищенню міцності виробу). Через це властивості бетону значно поліпшуються.

Властивості полімербетонів. Порівняно з вихідними сполуками, міцність при стисканні полімербетону зростає у 2−10 разів. Це збільшення тим більше, чим вищим є вміст полімеру в бетоні. Міцність при вигинанні й розтяганні також істотно збільшується.

Для важкого бетону введення кожного процента полімеру має наслідком збільшення міцності на 10−20 МПа. Менш ефективне зміцнення легких бетонів, бо вони включають велику кількість великих і середніх за розміром пор, при заповненні яких полімерна сітка в бетонах товщає і використання полімеру стає менш ефективним. У цьому випадку один відсоток введеного полімеру спричиняє збільшення міцності бетону на 0,4−4 МПа.

Через просочення полімерами значно підвищується стійкість бетонів до дії агресивних середовищ, оскільки запобігає їх доступу всередину виробу. Матеріал стає водо- і газонепроникним, зростає його довговічність.

Просочення полімерами доцільне для бетонів, які працюють в агресивних середовищах або в суворих кліматичних умовах. Ця обробка може бути використана й для додання бетону спеціальних властивостей (підвищення електроопору, газонепроникності, декоративного забарвлення тощо), а також при ремонті й відновленні виробів з бетону й залізобетону.

 

Властивості бетонів і полімер бетонів

 

Показник Вихідний бетон Полімербетон
Межа міцності, МПа: при стисканні при розтяганні при вигинанні 30 − 50 2 − 3 5 − 6 100 − 200 6 − 19 14 − 28
Модуль пружності при стисканні, МПа (2,5−3,5)104 (3,5−5,0)104
Гранична деформація при стисканні 0,001 0,002
Міцність зчеплення з арматурою, МПа 1−2 10−18
Деформація усадки 5010-5 (0−5)10-5
Деформація повзучості (40—60)10-5 (6—8)10-5
Водопоглинання, % 3−5
Морозовитривалість стандартних циклів
Корозійна стійкість до сульфатів і кислот Недостатня Значна

 

Література: 1. §16.7 – 16.9

1. §

 

 

Список літератури

Основна

 

3. Б.М. Ємельянов, Г.І.Бердов, О.О. Бондар, П.С. Шилюк «Хімія». «Фенікс», Київ, 2010.

 

Додаткова

 

2. Н.В. Романова «Загальна та неорганічна хімія». «Перун», Київ, 2002.

3. А.В. Домбровський, В.М. Найдан «Органічна хімія». «Вища школа»,

Київ, 1992.

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти