Текст
ООО «ЭКОСТРОЙМА ТЕРИ АЛЫ»
г. Белгород. Михайловское iuocce.5
т. (4722)58-07-48, 8-910-320-58-49, 8-910-745-95-90
www .penostrox .in
Оборудование для производства монолитного пенобетона и мелкоштучных
изделий из пенобетона.
В продажную стоимость оборудования входит:
• Отработка технологического регламента производства пенобетона на
материалах заказчика;
• Обучение рабочего персонала и ИТР заказчика технологии производства,
лабораторному анализу и нормативному обоснованию применения
пенобетона в строительстве;
• Передача ноу-хау.
Номенклатура и технические характеристики
пенобетоносмесителей СПБУ.
Номенклатура оборудования, технические характеристики СПБУ - 125 СПБУ - 250 СПБУ - 500 СПБУ - 1000
Объём замеса, л. 125 250 500 1000
Средняя плотность пенобетона в сухом состоянии, кг/м3 250...1200
Производительность, не более, м3/час 2 3 5 7
Установленная мощность, кВт 2,2 3 5,5 11
Масса, кг 140 170 300 500
ЭТОЮИЖРЫ
ЭТРЧ
Ю. М. БАЖЕНОВ
профессор, доктор технических наук
БЕТОНОПОЛИМЕРЫ
МОСКВА СТРОПИЗДАТ 1983
ББК 36.33
Б 16
УДК 666.972-036.058
Печатается по решению секции литературы по строитель-
ным материалам редакционного совета Стройиздата
Рецензент: д-р техн, наук Б. В. Гусев.
Баженов Ю. М.
Б 16 Бетонополимеры.— М.: Стройиздат, 1983.—
472 с., ил.
Рассмотрены технология, свойства и применение бетонополимеров,
полученных путем пропитки полимерами различных видов бетона. При-
ведены сведении о свойствах бетона, определяющих параметры техно-
логии и качество бетонополимеров, данные о различных пропитываю-
щих составах Рассмотрены основы технологии бетонополимеров, раз-
личные технологические схемы производства бетонополимерных изде-
лий. последующей обработки железобетонных изделий, ремонта бе-
тонных и железобетонных конструкций, перспективы их применения в
строительстве.
Для инженерно-технических работников строительной индустрии.
_ 3203000000—317.. __ ББК 38.33
Б 047(01)—83 44-83 6СЗ
© Стройиздат, 1983
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Основных направлениях экономического и социального раз-
вития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, утверж-
денных XXVI съездом КПСС, подчеркивается, что главной задачей
капитального строительства является дальнейшее наращивание про-
изводственного потенциала страны на новой технической основе.
Развитие строительства требует повышения качества н эффективно-
сти строительных конструкций и изделий. В этом направлении боль-
шие перспективы открывают разработанные в последние годы новые
материалы — бетонополимеры и технология последующей специаль-
ной обработки бетонных и железобетонных изделий с использова-
нием полимеров и материалов на их основе.
Бетонополимеры представляют собой бетоны, поры которых за-
полнены полимерами. Наиболее часто бетонополимеры получают,
пропитывая бетон мономером с последующей его полимеризацией
непосредственно в порах бетона.*В результате уплотнения струк-
туры бетона полимером и воздействия ряда физико-химических
факторов в несколько раз возрастает его прочность, значительно
повышается морозостойкость и стойкость в агрессивных средах,
улучшаются другие свойства. Обработке могут подвергаться бето-
ны различных видов и составов; для заполнения пор бетона—ис-
пользоваться разные вещества, композиции и технологии. Изделия
йигут обрабатываться на всю глубину, отдельными зонами или
только с поверхности. Благодаря большому разнообразию возмож-
ных решений открываются широкие перспективы управления свой-
ствами материала, совершенствования строительных конструкций,
технологии изготовления изделий и строительного производства. ’
Последующая обработка бетона полимерами позволяет полу-
чить более прочные и долговечные материалы и изделия, уменьшить
их массу и материалоемкость, добиться экономии металла и цемен-
та, расширить область применения бетонных и железобетонных из-
делий, эффективно использовать в их производстве местные мате-
риалы, смешанные вяжущие, вторичные продукты промышленности,
химические добавки, получить материалы и изделия с новыми свой-
ствами, например долговечные декоративные, электротехнические,
особо износостойкие, непроницаемые, коррозионно-стойкие изделия,
разработать новые виды конструкций и изделий, в ряде случаев
повысить эффективность технологии бетонных и железобетонных
изделий, усовершенствовать их монтаж и сборку, успешно приме-
нить склеивание изделий, осуществить ремонт и усиление сущест-
вующих бетонных и железобетонных конструкций.
Разработка технологии, изучение структуры и двойств и опре-
деление рациональной области применения бетонополимеров были
начаты в Советском Союзе и других странах с середины шести-
десятых годов, хотя отдельные попытки уплотнения структуры дру-
гими материалами, например битумами или флюатами, были извест-
ны ранее. Применение для обработки бетона особых составов на
основе мономеров и полимеров и использование специальной тех-
лениГИИ познолило добиться решающего прогресса в этом направ-
НР_В настояЩсй книге автор постарался обобщить выполненные
следования и опытные работы и показать возможности и перепек-
тивы применения бетонополимерных изделий и конструкций. Не-
смотря на то, что изучение бетонополимеров начато сравнительно
недавно, количество работ и предложений в этой области быстро
возрастает н все их уже трудно полностью отразить в одной кни-
ге. Поэтому для рассмотрения были отобраны материалы, позволя-
ющие глубже понять природу бетонополимеров, особенности их
технологии, структуры и свойств; показать их разнообразие, исполь-
зуемое для их изготовления оборудование, способы контроля ка-
чества, особенности конструирования изделий, технологических рас-
четов, рациональные области и перспективы применения. Книга при-
звана помочь строителям при проектировании н производстве эф-
фективных и долговечных бетонополимерных конструкций н изделий,
Терминология в области бетонополимеров находится в периоде
становления. Автор придерживался терминов, получивших большее
признание. Под бетоиополимерами, или пропитанными бетонами, по-
нимаются бетоны, пропитанные различными веществами и при не-
обходимости прошедшие последующую обработку для придания
материалу пропитки соответствующих свойств. ТЛоэтому термин
«пропитка» часто подразумевает комплексное воздействие на бетон.
В литературе встречаются также термины «модифицирование», «пм-
прегнирование» пли «легирование» бетона полимерами.
В книге приведены результаты как собственных исследований
автора, так и работ, выполненных им совместно с другими иссле-
дователями. Автор приносит глубокую благодарность Л. А. Али-
мову, В. В. Воронину, А.'И. Грузу, Н. Н. Долгополо-
ву, В. К Егер ев у, Ю. В. Егорову, И. А. Зайдем а ну,
С. И. К а з анцев у, В. В. К а гн ер у, И. П. Калееву,
В. С. Косенко, О. И. Кочеткову, А. И. Левченко,
С. Б. Мн л ков у, Б. Г. Му джири, М. Р. Никонову,
Е. Д. Пилюгину, Г. И. Попову, Ф. 3. Райчуку. В. П. Ро-
нину, Г. А. Скобленку, М. А. Суханову, ‘3. X. Травка,
В. А. Тяиу, Д. А. Угннчусу, Г. А. Улнтниой за активное
участие в исследовании бетонополимеров.
В книге приводятся также материалы других исследователей.
Необходимо отметить большую работу по изучению и разработке
технологии бетонополимеров, выполненную сотрудниками НИИЖБа,
ВНИИЖелезобетона, МИСИ им. В. В. Куйбышева, НИФХИ
им. Л. Я. Карпова, КТБ Мосоргстройматер налов.
Широкие исследования бетонополимеров проводятся за рубежом,
В книге приведены результаты работ, выполненных в этой области
в США, Англии, Японии и других странах.
Автор приносит благодарность Г. В. Марчукайтису, Г. С. Ива-
нову н 10. В. Максимову за сотрудничество в работе иад бетонопо-
лимерами, Б. В. Гусеву и В. И. Соломатову за замечания и советы
при подготовке книги к изданию.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ БЕТОНА
МОДИФИЦИРОВАНИЕ БЕТОНА ПОЛИМЕРАМИ
Бетон является одним нз основных строительных
материалов. За последние годы успехи цементной про-
мышленности н совершенствование технологии бетона
позволили заметно улучшить его качество: в строитель-
стве начали применять бетоны М 500—М 700, повыси-
лась долговечность бетона и ряд других его техничес-
ких свойств. Однако возможности прогресса в этом,
направлении ограничены. Вместе с тем дальнейшее раз-
витие строительства требует применения более прочных
н долговечных материалов. Для получения таких мате-
риалов необходимо уменьшить количество дефектов в бе-
тоне, т. е. уменьшить его пористость, применить более
высокопрочные составляющие, повысить внутреннюю ко-
гезию и адгезию в материале. Снижение пористости бе-
тона тем нли иным путем значительно повышает проч-
ность материалов (рис. 1.1).
Однако прн обычной технологии бетона трудно зна-
чительно уменьшить его пористость, так как для при-
дания определенной подвижности бетонной смеси, тре-
буемой по условиям бетонирования конструкций, необ-
ходимо, как правило, вводить в бетонную смесь избы-
точное количество воды по сравнению с тем, которое
требуется для гидратации цемента. Кроме того, по сво-
ей природе цементный клей является пористым мате-
риалом, поскольку частицы цемента не могут быть уло-
жены абсолютно плотно, а объем новообразований в.
обычных условиях недостаточен для полного заполнения
первоначальной пустотиости твердой фазы. Высокая
прочность цементного камня и бетона, полученная в от-
дельных лабораториях [177] благодаря применению
особо высоких давлений, иагрева и ряда специальных
воздействий, в настоящее время не может быть реали-
зована в практике строительства.
Дальнейшее повышение прочности бетона, особенно
прочности при растяжении, затруднительно в связи с
тем, что этому материалу присуща весьма неоднородная
структура с большим числом дефектов, а также сравни-
тельно низкая адгезия между слагающими структуру
5
Рис. 1.1. Зависимость прочности це-
ментного камня от его пористости
1 — образцы горячего прессоаания (по
данным Роя); 2 — образцы, прессован,
ные при нормальной температуре; 3 —
вябрированные образцы
компонентами и невы-
сокая прочность их прн
растяжении.
Преодоление ука-
занных трудностей да-
ет возможность повы-
сить качество бетонных
материалов. Здесь боль-
шие возможности от-
крываются при исполь-
зовании последних до-
стижений химической
промышленности и осо-
бенно при модифици-
ровании структуры бе-
тона полимерами. При
действие на традиционные
смесь или уже готовый бетон.
этом возможны раз-
личные пути совершен-
ствования структуры н
свойств бетона: введе-
ние в состав бетона но-
вых компонентов, воз-
составляющие, бетонную
В
природе встречается много примеров материалов,
в которых успешно сочетаются органические и неорга-
нические компоненты, причем этн материалы обладают
высокой прочностью, легкостью и рядом других досто-
инств, например панцыри насекомых или кости живот-
ных. Объединение в одну систему минерального скеле-
та н полимеров позволяет получить новые строительные
композиционные материалы, отличающиеся более вы-
сокими свойствами, чем традиционные строительные ма-
териалы, в частности бетон.
В последние годы широко развернулись научные ра-
боты в этом направлении. В мировой литературе по-
явился даже новый термин «П-бетоны», объединяющий
различные разновидности бетонов, в которых в той или
иной степени используются полимеры.
В настоящее время имеется несколько путей улуч-
шения свойств бетона с помощью полимеров:
6
введение небольшого
кочичества полимерных
добавок в бетонную смесь
(бетоны с полимерными
добавками, в том числе
с суперпластнфикаторами,
н цементно-полнмерные
бетоны);
применение полимер-
ного вяжущего (полимер-
бетоны );
пропитка готовых бе-
тонных и железобетон-
ных изделий специальны-
ми полимерными состава-
ми илн мономерами с по-
следующей полимеризаци-
ей их непосредственно в
теле бетона (бетонополи-
меры);
армирование бетона
полимерными волок-
fl 0,2 0/ 06 0.8 Ъ,%
Рис. 1.2. Влияние содержания D су-
перпластифнхатора на свойства бетона
и бетонной смеси
1 — изменение подвижности смеси при
введении суперпластнфнкатора и посто-
янных расходах цемента и воды: 2 —
повышение прочности бетона при по-
стоянной подвижности смеси и расхо-
де цемента за счет сокращения расхо-
да воды; 3 — уменьшение расхода це-
мента в равнопрочных бетонах при
одинаковой подвижности бетонной сма-
си
нами;
применение в бетоне полимерных легких заполните-
лей или заполнителей, модифицированных полимерами;
введение в бетон полимерных микронаполнителей.
Каждое направление имеет свои достоинства и ра-
циональную область применения.
В последнее время расширяется применение раз-
личных видов полимерных добавок в бетоне [20]. Среди
них весьма перспективными являются так называемые
суперпластификаторы. Наибольшее применение полу-
чили суперпластификаторы на основе меламиновой
смолы (мелмент, 10-03 и др.), нафталисульфокислоты
(мэйтэй, С-3, 30-03 и др.) и модифицированных лигно-
сульфонатов.
Суперпластификаторы вводят в бетонную смесь в ко-
личестве 0,2—1 % массы цемента. Суперпластификаторы
способствуют значительному разжижению бетонной
смесн прн сохранении должной связанности бетонной
смеси н кинетики гидратации цемента (рис. 1.2). Они
являются мощным средством изменения реологических
свойств цемента. Наиболее целесообразно использо-
вать суперпластификаторы для получения особо высо-
копрочных бетонов или для совершенствования техно-
логии бетона за счет применения литых бетонных сме-
сей. В наших опытах применение суперпластификаторов
обеспечило получение бетонов марок М 700—М 800 на
цементе марки 500 и бетонов марок М800—М1000 на
цементе марки 600. Большие возможности открывает
использование суперпластификаторов в сочетании с
другими приемами модифицирования бетонов полиме-
рами, в частности с пропиткой затвердевшего бетона
полимерными материалами, что позволяет достигнуть
прочности на сжатие свыше 300 МПа.
Вводя в бетой полимерные добавки в количествах
более 2 % массы цемента, получают так называемые
цементно-полнмериые бетоны [90]. В этом случае при-
сутствие полимера в бетоне влияет на свойства мате-
риала, особенно иа прочность на растяжение и изгиб, и
поведение бетона в условиях эксплуатации, В качестве
добавок используют различные латексы и некоторые
виды смол. Эффект от применении полимерных добавок
•обычно измеряется десятками процентов по сравнению
с бетоном без добавок, однако подобные добавки пер-
спективны при массовом применении в монолитном и
сборном бетоне и железобетоне.
Полимерные добавки и суперпластификаторы могут
примениться вместе с другими химическими добавками
в составе сложных комплексных добавок, изменяющих
свойства бетоиа и бетонной смеси в нужном направ-
лении.
Полимербетоны являются другой большой группой
новых бетонов. Известно более 30 видов полимербето-
нов как тяжелых, так и легких [77—79,95]. Наиболь-
шее распространение получили бетоны на смолах ФАМ,
ПН-1, УКС. Тяжелые полимербетоны имеют прочность
на сжатие 60—120 МПа, на растяжение 5—10 МПа, в
несколько раз меньшую проницаемость, чем обычные
бетоны, высокую химическую стойкость и ряд других
положительных свойств. Легкие полимербетоны при
средней плотности 1500—1800 кг/м3 могут иметь проч-
ность 40—80 МПа, а при средней плотности 400—
600 кг/м3 — прочность 2—5 МПа.
Полимербетоны в Советском Союзе начали широко
изучать в 1958 г. под руководством д-ра техн, наук,
проф. С. С. Давыдова. В настоящее время работает
несколько заводов по выпуску полимербетоиных и ста-
s
леполимербетонных изделий, которые используются в
специальных областях строительства — прн возведении
предприятий химической промышленности, цветной ме-
таллургии, гидротехники и т.д.
Важными задачи в области совершенствования по-
лимербетонов является дальнейшее улучшение их
свойств, в частности снижение ползучести и усадкн, по-
вышение долговечности, а также уменьшение стоимости.
Применение полимерных волокон в качестве диспер-
сной арматуры только начинается. Наиболее перспектив-
но введение волокон в ячеистые и особо легкие бетоны,
а также в гипсобетоны. В этих случаях повышенная
деформативность бетонов способствует их совместной
работе с полимерными волокнами, которые также обла-
дают весьма высокой деформатнвностью. В результате
повышается прочность материала, его ударо- и трещиио-
стой кость.
Применение полимерных легких заполнителей, осо-
бенно в сочетании с полимерным вяжущим, позволяет
получить особо легкие теплоизоляционные материалы,
стойкие к воздействию влаги и мороза и позволяющие
создавать облегченные строительные конструкции.
Полимерные материалы применяют также для моди-
фицирования заполнителей, например для уменьшения
водопоглощения легких заполнителей путем создания
на их поверхности полимерией пленки нли частичной
пропитки заполнителя. Полимерные материалы могут
быть использованы, также для повышения адгезии меж-
ду заполнителем и связующим, в том числе путем при-
вивки полимера иа заполнитель (например, полиэтиле-
новых волокон на керамзит). Одна ко способы модифи-
цирования заполнителя полимерами пока не имеют
применения в строительстве, так как достигаемый эф-
фект часто ие компенсирует повышения стоимости ма-
териала н усложнения технологии. Кроме того, поли-
мерные материалы являются сегодня еще дефицитными
и использование их рационально в первую очередь там,
могут обеспечить большой техиико-экономичес-
кии эффект.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
Наиболее заметное изменение свойств бетона наблю-
даетси прн пропитке его специальными составами, т. е.
оетонополимерах. По существу, это новые строитель-
ft
ные материалы^ со своими технологией, свойствами, ме-
тодами расчета, рациональной областью применения.
Обработка бетонных и железобетонных изделий включает
сушку, пропитку специальным составом н полимериза-
цию чаще всего термокаталитическим, а иногда радиа-
ционным способом.
Пропитка бетона, асбестоцемента и других капил-
лярно-пористых материалов с целью повышения их дол-
говечности и стойкости в особых условиях битумами,
смолами и другими специальными составами известна
давно [78,80]. Однако в этом случае вследствие малой
глубины пропитки и часто недостаточной прочности
пропнточнбй композиции не удавалось существенно из-
менить прочность бетона. В 1954 г. Г. А Туркестановым
(НИС Гндропроекта) было предложено повышать проч-
ность бетона путем глубинной его пропитки стиролом с
последующей термокаталитнческой полимеризацией по-
следнего [107]. Однако вследствие ряда причин, в част-
ности из-за недостаточно отработанной технологии,
предложение не получило практической реализации.
Более всестороннее и глубокое изучение особенностей
свойств и технологий бетоиополимеров началось в конце
60-х годов в Академии им. В. В. Куйбышева, НИФХИ
им. Л. Я. Карпова, НИИЖБе. Затем в исследованиях
приняли участие НИС Гидропроекта, ВНИИЖеле-
зобетон, Харьковский отдел ВНИИ Водгео, МИСИ
им. В. В. Куйбышева и ряд других организаций. В эти
же годы началось широкое изучение бетоиополимеров за
рубежом: в США, Японии, Англии, Франции, Дании и
других странах./Наиболее широкие исследования за ру-
бежом были выполнены в США, где изучением бетоно-
полнмеров н их рационального применения в строитель-
стве занимались Брукхевенская национальная лабора-
тория, Бюро мелиорации, Корпус военных инженеров,
Научно-исследовательский центр департамента дорог и
рад других исследовательских организаций. Объем ис-
следований по бетонополимерам продолжает расТн.
К сожалению, некоторые новые исследования лишь по-
вторяют ранее проведенные и подтверждают их резуль-
тат. Возможно, это связано с недостаточной информаци-
ей по данной проблеме, и автор надеется, что издание
этой книги в какой-то мере возместит этот недостаток.
Большой интерес к бетонополимерам объясняется
тем, что в результате специальной обработки бетона по-
10
димерами прочность материала возрастает в несколько
паз резко увеличивается его долговечность и стойкость
при’ воздействии ряда агрессивных сред, а также тем,
что материалам могут быть приданы особые свойства,
недостижимые для обычного бетона Некоторые пред-
ставления об улучшении свойств бетона при его пропит-
ке метилметакрилатом — одним из возможных пропи-
точных веществ дает табл. 1.1
Таблица 1.1. Свойства бетонов и бетоиополимеров
П оказатель
Предел прочности, МПа:
при сжатии
> растяжении
» изгибе
Модуль упругости при сжатии,
МПа
Предельная деформация при сжа-
тии
Прочность сцепления с арматурой,
Динамическая прочность при рас-
тяжении (т=103 МПа-с)
Деформация усадки
Деформация ползучести
Электрическое сопротивление, Ом
В о доп огл ощени е, %
Морозостойкость, станд, циклов
Коррозионная стойкость к сульфа-
там и кислотам
Ветонополи- мер Исходный бетон
100—200 30—50
6—19 2-3
14-28 5-6
3,5-10*—5-10* 2,5.10*—3,5-10*
0,002 0,001
10—18 1—2
30 7
0—5.10-6 50-10-6
6.10-Б—8-10-5 40-10-5-
50-10—5
10“ 106
1 3-5
5000 200
Высокая Недостаточная
В действительности, изменяя структуру пропитыва-
емого бетона, пропитывающего материала и технологию
обработки, можно получать бетонополимеры с самыми
различными свойствами, необходимыми для строитель-
ных конструкций и изделий. В частности, можно полу-
чить долговечные легкие бетонополимеры, электротех-
нические бетоны н ряд других особых материалов.
В табл. 1.2 приведены свойства некоторых разновид-
ностей бетоиополимеров. Для сравнения показаны ре-
зультаты полимерной пропитки и других строительных
материалов. Эти материалы в конструкциях могут со-
четаться с бетонополимерами. Данные табл. 1.2 не ис-
черпывают всего многообразия материалов и свойств»
11
Таблица 1.2. Свойства различных бетонополимеров
Материал Привес полимера. % Прочность на сжатие, МПа Водопоглощенне, %
до обра- ботки после обрабо- тки до обра- ботки после обрабо- тки
Высокопрочный бетон Керамзитобетон со сред- ней плотностью, кг/м3; 4 76 2100 3,8 0,2
750 68 2,9 33,3 23,5 2,5
1400 19 15,2 90,3 13 0,9
Перлитобетон 58 5,5 42 36 7,5
Гипсобетон 46 22 92 36,5 3
Гипсоцемент 13 27 52 16,3 2,5
Арболит 18 9 48 17,5 2,6
Газобетон 75 7,7 75,5 30 1,5
Силикатные материалы (кирпич) 12,8 19 120 11 1,1
Керамика (кирпич) Асбестоцемент: стандартный прессованный 15,5 6 6,2 12,5 Проч на 1 78 ность згиб 42 70 18 1,8
Рис. 1.3. Влияние пропитывающего состава на кривые «напряжение—деформа-
ция»
/ — метилметакрилат (ММА); 2 — 90% ММА+10 % бутилакрилата (БА); 3 —
70 % ММА+30 % БА; 4 — 50% ММА+50 % БА: 5—бетон (контрольные образ-
цы)
12
которое может быть получено при сочетании различных
минеральных структур с полимерами.
Получение бетона, обладающего повышенной проч-
ностью н долговечностью, а также другими улучшенными
свойствами (см. табл. 1.1), открывает перспективы для
создания новых долговечных строительных конструкций.
Определенный интерес представляет возможность регу-
лирования деформативиых свойств бетонополимера за
счет изменения его состава и структуры. На рис. 1.3 по-
казано изменение деформатнвных свойств бетонополи-
мера, полученного прн пропитке бетона смесями метил-
метакрилата с n-бутнл акрилатом [173].
Важным преимуществом бетонополимеров является
то обстоятельство, что последующей специальной обра-
ботки могут подвергаться различные исходные бетоны
нлн капиллярно-порнстые строительные материалы,
обычные бетонные или железобетонные конструкции и
изделия, изготовленные традиционными или упрощен-
ными способами производства (например, приготовлен-
ные из литых смесей без вибрации). При этом можно об-
рабатывать либо весь объем бетона, либо только его
поверхность или отдельные зоны изделия с целью при-
дания нм необходимых свойств. В результате получают
широкую гамму материалов, объединяемых общим на-
званием «бетонополимеры».
Различают тяжелые бетонополимеры, получаемые иа
основе различных видов тижелого бетона и имеющие
среднюю плотность свыше 1800 кг/м3, и легкие бетоно-
полимеры, получаемые на основе различных разновид-
ностей легких бетонов, в том числе ячеистых бетонов и
бетонов на пористых заполнителях (средняя плотность
менее 1800 кг/м3).
В зависимости от вида пропитанного материала раз-
личают: бетонополимеры иа основе искусственных стек-
лообразных полимеров (стирола, метилметакрилата н
Др.); бетонополимеры, пропитанные вязкими органиче-
скими материалами типа битумов, парафина и др.; бе-
тонополимеры, пропитанные серой, и бетонополймеры,
пропитанные жидким стеклом и некоторыми другими
пецнальными составами. Хотя пропитку серой и жид-
м стеклом нельзя относить к пропитке полимерами,
3hrwK° ПОСКОЛЬКУ технология пропитанных бетонов ие-
cro«CHM0 CB01&CTB пропитывающего материала имеет
и особенности, то часто материалы, пропитанные
13
различными составами, объединяют единым названием
«бетонополимеры». Мы также будем придерживаться
этой терминологии.
По характеру полимеризации бетонополимеры под-
разделяют на материалы, получаемые термокаталити-
ческой или радиационной полимеризацией.
С По степени заполнения пор бетона полимером раз-
личают бетонополимеры с почти полной пропиткой все-
го объема бетона и материалы, в которых обработаны
только отдельные зоны и поверхность бетона, — бето-
нополимеры с зонной обработкой.
Возможно получение сложных бетонополимеров, в
структуре которых сочетается полимерный каркас, об-
разованный в результате пропитки, с волокнистыми по-
лимерами, введенными при приготовлении бетона, илн
с полимерными заполнителями или микроиаполните-
лямн.
В целях повышения эффективности использования
полимеров в бетоне особого внимания заслуживает по-
верхностная или зонная пропитка. При небольшом рас-
ходе мономера (1,5—3 кг/м2 бетона) такая обработка
обеспечивает значительное ( в несколько раз) повыше-
ние морозостойкости, коррозионной стойкости н улуч-
шение других свойств конструкций н изделий, в том
числе изготовленных из монолитного и легкого бетона
н железобетона.
Определенные возможности по снижению стоимости
бетонополимеров открываются при нспользованин вто-
ричных продуктов нефтехимии или составных пропиточ-
ных композиций, включающих наряду с мономерами бо-
лее дешевые н доступные продукты
Бетонополимеры— наиболее эффективный способ ис-
пользования полимерных материалов, недостатком ко-
торых сегодня являются высокая стоимость, склонность
к старению и ползучесть, что затрудняет получение не-
сущих элементов, н в ряде случаев быстрое старение при
воздействии атмосферных факторов. При пропитке бе-
тона очень небольшим количеством полимера удается
достигнуть резкого повышения прочности и других
свойств бетона: например, I кг полимера на 1 м3 бетона
обеспечивает повышение прочности на 10 МПа (т. е. 1 кг
полимера замеииет около 10 кг цемента). Таким обра-
зом удается при небольших расходах полимера достиг-
нуть большого технического эффекта. Бетонополимеры
14
пяктически не проявляют заметной ползучести, так как
птимерная сетка сочетается с жестким минеральным
каркасом обладающим малой деформатнвностью под
„ягрузкой В бетонополимерах полимер находится внут-
ри материала, ои достаточно защищен от воздействия
солнечной радиации, кислорода воздуха н других атмо-
сферных факторов, что способствует повышению его
долговечности.
Определенным преимуществом изделии и конструк-
ций из бетонополимеров является возможность их склеи-
вания и сварки с получением шва высокой прочности.
Это позволяет использовать укрупнительную сборку
для получения эффективных строительных конструкций.
Некоторые бетонополимеры, например на основе асбес-
тоцемента и других материалов тонкоднсперсной струк-
туры, можно подвергать механической обработке, что
имеет определенное значение для некоторых специаль-
ных областей применения.
При применении любого материала необходимо учи-
тывать, что каждый материал наряду с достоинствами
обладает п недостатками. К недостаткам бетонополи-
меров следует отнести нх ограниченную термостойкость.
Путем применения более термостойких полимеров тер-
мостойкость бетонополимера может быть несколько по-
вышена, однако эти материалы необходимо применять
для конструкций, к которым не предъявляются особые
требования по термостойкости.
Пропитка бетона более термостойкими композиция-
ми. например жидкими металлами или другими высоко-
температурными расплавами, может обеспечить полу-
чение более термостойких материалов.
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
БЕТОН КАК КОМПОНЕНТ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
Бетон составляет 90—97 % массы бетонополимера,
и только при применении очень пористых бетонов, пол-
ная пропитка которых часто нецелесообразна по эконо-
мическим соображениям, относительная масса бетона
снижается до 50—80 %. .
15
При выборе бетона для получения бетонополимера
необходимо учитывать два момента: во-первых, техно-
логичность бетона с точки зрения производства бетоно-
полнмерных изделий и, во-вторых, особенности струк-
туры, определяющие конечные свойства нового
композиционного строительного материала — бетонопо-
лимера. Эти условия требуют по-новому оценить ряд
свойств бетона, причем большое значение приобретают
свойства, в меньшей мере важные при обычной техно-
логии бетонных и железобетонных изделий.
Следует особо подчеркнуть, что пропитке можно под-
вергать по существу все бетоны, хотя разные бетоны
могут требовать различных условий обработки. Однако
технология получения бетоиополимеров позволяет по-
новому подойти и к технологии бетона. С одной стороны,
для получения оптимальных результатов, например, по
прочности или другим свойствам необходимо будет ис-
пользовать бетоны соответствующих структуры и
свойств; с другой стороны, при применении специальной
последующей обработки можно упростить производство
бетонных и железобетонных конструкций, например
широко использовать литьевую технологию, и приме-
нять бетоны и материалы, которые в обычных условиях
применять нельзя, например бетоны с повышенными
дознровкамн хлористого кальция, бетоны на гипсоце-
ментных вяжущих, бетоны с щелочеиестойкнм стек-
лянным или каменным волокном н ряд подобных мате-
риалов.
Это обусловлено тем, что при пропитке мономера с
последующей полимеризацией «залечиваются» многие
дефекты бетона и его структура омоноличивается и ста-
билизируется н тем самым становится недоступной для
воздействия многих факторов и процессов, отрицательно
влияющих на прочность и долговечность обычного бе-
тона и определяющих требования к его составу, свойст-
вам и исходным материалам.
Применительно к задачам получения бетонополиме-
ра представляют интерес химический и минералогичес-
кий составы бетона, которые в известной степени будут
влиять как на технологию, так н на конечные свойства
бетонополимера: структуру порового пространства бе-
тона, его проницаемость, однородность структуры бето-
на, ее устойчивость к сушке, пропитке и другим процес-
сам, свойственным технологии бетонополимера. проч-
16
постные н дефор мативные свойства бетона, влияющие
иа свойства бетонополимера.
Требования, предъявляемые к бетону для последую-
щей обработки, могут существенно отличаться от тех,
что предъявляются к обычному бетону. Например, на-
правленная пористость, часто отрицательно влияющая
на многие свойства, в том числе долговечность бетона,
может оказаться полезной при его пропитке полимером.
В обычных бетонах наиболее слабым звеном чаще
всего является цементный камень, для которого харак-
терно наличие пор и дефектов самой разной геометрии.
Минералогический состав и строение цементного кам-
ня определяются видом использованного вяжущего,
условиями твердения и рядом других факторов. При
пропитке в первую очередь изменяются (уплотняются)
структуры цементного камня и контактной зоны с за-
полнителем. В результате повышается прочность мате-
риала, его непроницаемость, изменяются в положитель-
ную сторону другие свойства.
Роль заполнителя, обычно имеющего для формиро-
вания свойств бетона второстепенное значение, в бето-
нополимерах возрастает. Это обусловливается тем, что
омоноличенный полимером цементный камень позволя-
ет полнее использовать свойства заполнителя. Напри-
мер, в прочных бетонополимерах гранит оказывается
слабым звеном, с которого начинается разрушение ма-
териала. Используя различные заполнители, можно в
большей степени, чем в обычном бетоне, изменять свой-
ства бетонополимера.
Роль минералогического и химического состава су-
щественна для цементного камня, так как для него
характерна высокая удельная поверхность твердой фа-
зы, влияние которой проявляется как при пропитке и
полимеризации, так и при формировании конечных
свойств бетонополимера. Минералогический состав це-
мента и условия твердения предопределяют особенности
Ь[1'оз°С^О5]КТ^РЬ1 цемеитного камня и ег0 свойства
Цементный камень является сложной гетерогенной
системой, в которой представлены гидросиликаты, гид-
Роалюминаты, гндроалюмоферриты, гндросульфоалюмо-
ферриты, гидроокись кальция и клинкерные реликты
(табл. 2.1). При введении в цементы тоякомолотых ми-
2—210
Л1’ОТЕКА ч
Примечание Возможно замещение А1+++ иа Fe+++,Cr+++, Мп+++ и CaSO< или Са (ОН)аО4
Гексагональный эттрин- гит Псевдогексагональный гидрат моносульфата Кубические гидрогра- наты CSH-фазы. Возможно замещение Si4+ и Ca++ на AF+, Fe3+, S‘+, Mg4+ и включение хлоридов и щелочей
Н о н S № 1,72 1 1,95 2,02 2,55 1Л « 1
Продукт гидратации £ I I ч № СЛ - Ч Г о и п? с" Т й - = = 5? й = + 3 и Й :ь S < о и <1<Е с5’ 1 * «V* об о и о иии CjAH, CjfA.FJH, Ci (A.F)Syi(6-2n) GSH(n+o.87) + (3—л)СН 37) +- (2 н)СН
3 я 0) £ CsA + 3CS + 32H Qj (A F) + CSn+CH(4_n)+ 31Н H6I -r-SD-t-VO Hfr + VcX + “HS3V,b C.,A + CS+ I2H C2 (A.F) + CSrt -b CH2-„ + 11H СзА Ч-CHI 12H C2 (A,F) + 2CH + 11H 2СзА + 21Н <4 S>H4-“S-|-H3 + (J V)!2 HS+H3-l(a'v>'2 H9 -I V'3 СО СО СО сч ++ о и
18
ментном камне могут встречаться небольшие количест-
ва других минералов и веществ. На формирование
свойств бетонополимера будут большое влияние оказы-
вать те составляющие, которые образуют основу струк-
туры цементного камня.
Основной составляющей цементного камня являются
гидроснлнкаты кальция, создающие определенную про-
странственную структуру в виде системы глобул, которая
включает непрореагнровавшую часть зерен цемента с
оболочкой новообразований и межзерновое простран-
ство, заполненное в той нлн иной мере новообразова-
ниями. Гидросиликаты кальция имеют кристаллическое,
полукристаллическое или аморфное строение. Кристалли-
ческие продукты с различными размерами кристаллитов
чаще появляются при тепловой, особенно автоклавной,
обработке и при кристаллизации новообразований в
межзерновом пространстве н порах. В цементном камне
нормального твердения и в оболочке новообразований
вблизи границы с исходным материалом, где возможно-
сти роста кристаллов ограничены, преобладают геле-
образные субмикрокрнсталлическне продукты гидра-
тации.
Состав и строение гндросиликатов зависят от отно-
шения CaO/SiO2(C/S). Наиболее распространены гид-
роснликаты кальция тоберморитовой группы.
Продукты гидратации алита, основного минерала
цементного камня, образуют, по современным воззре-
ниям, две оболочки, «внешнюю» кристаллическую н
«внутреннюю» аморфную. Внешняя оболочка склады-
вается из кристаллов различных минералов в зависи-
мости от условий твердения и других факторов н мо-
жет содержать материалы с менее оформленной струк-
турой, особенно если поровое пространство ограничено,
внутренняя оболочка содержит слабокристаллизован-
ные продукты гидратации переменного состава, по соот-
шению С/S приближающиеся к исходному материалу.
РаннЦа между остаточным зерном C3S и внутренней
нейпйК0И чеТкая’ а граница между внутренней и внеш-
кать°&0Л0ЧК°^ Расплывчатая- R этой зоне могут возни-
вндов воздейстеЩ“ИНЫ °Т усадкн’ нагРевания н Других
CTpvKTvn«-HblS камень содержит участки с различной
строенн И’ СЛоженные разными минералами. Его
* с отличается сложностью, многообразием и не-
19
однородностью. Неоднородность строения обусловлена
тем, что цементный камень состоит иэ глобул цемент-
ных зерен с постепенно убывающей к поверхности плот-
ностью, контактной зоны между глобулами, состоящей
из различных новообразований, а также включает поры,
неплотности и дефекты структуры. Необходимо учиты-
вать и химическую неоднородность цементного камня,
т.е. то, что отдельные участки состоят нз отличающихся
один от другого минералов и в некоторых местах воз-
можно значительное увеличение содержания отдельных
компонентов по сравнению с нх средним значением, оп-
ределяемым физико-химическим анализом. Микрострук-
тура и неоднородность цементного камня значительно
влияют на его прочность и другие свойства, существен-
но важные для технологии бетонополимерных изде-
лий.
В целом химический и минералогический состав це-
ментного камня и бетона обусловливает его высокие
сорбционные свойства, что положительно сказывается
на свойствах бетонополимеров. Однако необходимо
учитывать, что характер этого влияния будет опреде-
ляться и видом пропитывающего материала. Для при-
мера можно вспомнить известные факты из теории стро-
ительного материаловедеиня. Например, применение
цемента или молотого известняка обеспечивает получе-
ние более высокой прочности асфальтобетона, чем ис-
пользование молотого кварца. При получении же поли-
мербетонов на ряде смол вляние кварцевого песка
оказывается положительным.
Адсорбцию минералов цементного камня исследовал
€. В. Шестоперов, который показал, что по отношению
к сульфитно-спиртовой бражке наибольшей адсорбцией
обладает С3А, адсорбция на C3S мала, на C2S очень ма-
ла. О. С. Попова на основе изучения адсорбции цемент-
ным камнем смол, применяемых в качестве добавки к
бетонам, установила, что влияние новообразований це-
ментного камня клинкерных минералов и тонкомолотых
минеральных добавок на это свойство весьма различно:
одна группа смол (эпоксндиые, полиамидные) преиму-
щественно адсорбируется гидратными новообразова-
ниями, а негидратированные зерна их практически не
адсорбируют; другая группа (карбамидные, меламино-
формальдегидные, сланцевые и др.) практически не ад-
сорбируется цементными новообразованиями. Этн смо-
20
лы улучшают смачиваемость порового пространства це-
ментного камня.
При производстве бетонополимеров необходимо так-
же учитывать влияние химического н минералогическо-
го составов цементного камня н заполнителя на процесс
полимеризации. Щелочная среда цементного камня соз-
дает специфические условия, которые могут отражаться
как на продолжительности процесса полимеризации, так
н на свойствах конечного продукта.
Исследование химических взаимодействий при полу-
чении бетонополимеров, влияния на эти процессы по-
верхностных сил, сорбционных, адгезионных и капил-
лярных явлений только начато. Более глубокое изучение
этих вопросов позволит повысить качество и эффектив-
ность бетонополимеров.
Структура твердой фазы гидратированного цемента
очень сложна. Только один продукт гидратации — гид-
рат окиси кальция, или портландит — образует кристал-
лы сравнительно больших размеров; кристаллиты всех
других продуктов гидратации имеют коллоидную ди-
сперсность, т е. хотя бы одно измерение их меньше
1 мкм (10-4 см). В частности, волокнистые гидросили-
каты кальция, образовавшиеся на ранних стадиях твер-
дения (до 1 сут), имеют длину 5—10 мкм и диаметр
0,1—0,2 мкм (1-=-2-10-5 см). На поздних стадиях гидра-
тации размеры таких волокон в 10—100 раз меньше.
Наибольший интерес представляет исследование агре-
гатов первичных частиц Именно такие агрегаты образу-
ют структурные элементы цементного камня, определя-
ющие его техинческне свойства. Контакты между ними
образуются ие только в результате химического взаи-
модействия. Имея коллоидные размеры и развитую
оверхность гидросилнкаты кальция — основной про-
дукт гидратации портландцемента — взаимодействуют
йо„седн?,ми частицами за счет сил адгезии, или сил
Ван-дер-Ваальса.
стал ТЭЛЬНОе исследование агрегатов первичных частиц
товлр ВОЗМ0жным благодаря развитию техники приго-
тпон НИ-Я реплик н сканирующей (или растровой) элек-
Цемеи м.икРоскопии и малоугловой рентгенографии.
рактепТИЫИ камень' как и затвердевшее тесто QS, ха-
ных ^eTc^. наличием сигарообразных и глобуляр-
тельствч™4' ”екстУРа поверхности этих частиц свнде-
ует, что они представляют собой агрегаты тон-
21
мы кривой распределения пор по размерам, характер
ным для цементного камня. Одновременно наблюдает!
и третий пик — в области 1 мкм. Его существование!
объясняется значительным увеличением макропористой
сти цементного камня в растворе. Прн равной энергии,
затрачиваемой на уплотнение, степень уплотнения рас-
твора оказывается меньше, чем цементного камня. На
характер пористости растворов оказывает влияние и на-
личие контактной зоны между заполнителем и цемент-
ным камнем. В области контактной зоны наблюдается
локальное увеличение водоцементного отношения, в ре-
зультате чего увеличиваются размеры гидратных hoboJ
образований, разрыхляется их упаковка и, естественно^
увеличивается пористость.
Пористая структура бетона имеет свои особенности.
Она представляет собой систему хаотически распреде-
ленных пор размером от 0,01 и менее до 100 мкм и
даже иногда до 0,5 см. Крупные поры образуются в ос-
новном в результате вовлечения воздуха в бетонную
смесь прн ее укладке и перемешивании. Возможны на-
рушения сплошности бетона в контактной зоне раствор-
ной части и крупного заполнителя в результате недо-|
статочной адгезии н блндннга. При всех этих обстоя-
тельствах общая пористость хорошего плотного бетону
колеблется в пределах 6—20 %, а объем пор диаметром
более 1 мкм редко превышает 2—3 % *.
Следует заметить, что значение пористости материа-
ла в ряде случаев зависит от применяемого метода из-
мерений. При сушке, как показали исследования [173],
возможно разрушение микроструктуры цементного кам-
ня, что отражается на ее проницаемости и пористости.
Ряд исследователей различают внутреннюю пористость
геля и кристаллической структуры и внешнюю межгло-
булярную пористость. Для получения бетонополимера
существенное значение имеют не только объем пористо-
сти и поперечные размеры капилляров и пор, ио и пло-
щадь поверхности твердой фазы, характеризующая ее
шероховатость, реакционноспособность, суммарные сорб-
ционные н другие свойства. По Даймонду, поверхность
внутреннего пространства новообразований составляет
* Дополнительная пористость, которая может возникнуть пр»
элементарных нарушениях технологии бетона, нами не рассматри-
вается.
24
670 м"/г, в том числе около 49 м2/г приходится
“наружную поверхность зерен и 621 м2/г —на внутри-
лойное пространство. Однако необходимо учитывать,
Сто доступность порового пространства для пропитки бу-
^ет зависеть от размера молекул пропитывающего со-
става.
Свойства цементного камня, раствора и бетона в
большей степени будут определяться объемом и харак-
тером пористости Большое влияние пористости на свой-
ства цементного камня и бетона вызвало многочислен-
ные исследования в этом направлении. В результате
предложены различные зависимости и формулы, боль-
шинство которых носит эмпирический или полуэмпири-
ческнй характер.
Для оценки связи пористости с прочностью приме-
няют трн типа формул [182):
а = а0(1-Л)л;
_ _ _ я—вп.
о = аое ;
о — D In (П9/П),
где <т0 — прочность при нулевой пористости; П— пористость; По —
пористость при нулевой прочности; А, В, D — константы.
Подобные выражения используются также для связи
модуля деформаций с пористостью.
Согласно этим выражениям, с увеличением пористо-
сти прочность уменьшается. Однако только по объему
пористости нельзя с достаточной достоверностью уста-
новить прочность, так как иа ее значение будут влиять
и другие факторы.
Ямбор [174] определил влияние пористости цемент-
ного камня разного минералогического состава на его
прочность (рис. 2.2,а). Цементный камень с одинако-
вым объемом пор может иметь разную прочность. Это
различие обусловлено размером пор: прочность на сжа-
тие возрастает с уменьшением размера пор (рис. 2.2,6).
па прочность влияют не только объем пористости и
фДмеР ПОР> но также структура и свойства твердой
крнст’ СуществУет оптимальное соотношение между
обе Таллической н гелеобразной составляющими,
камнПеЧт?аЮ1Цее максимальную прочность цементного
я- Количество геля должно быть достаточным для
25
Рис. 2.2. Зависимое
прочности це-
ментного камни
а — от отношен и
объема новообразс
ваний VH к объещ
цементного камня V
б — от среднего рг
днуса пор: 1 — тобец
морит И ПОДОбНЬ]
материалы; 2 — CS
(/); 3—смесь 70
80 % геленита и 20.
30% CSH (I): 4
смесь 70—80 % гндр
граната и 20—30
CSH (I): 5-С3Л1
и гидрогранаты
Рис. 2,3. Зависимость
предела прочности
при растяжении моно
кристаллов зттрин
гита от площади по
перечного сечения
плучения увеличенной зоны плотных контактов между
лементамн твердой фазы. В. В. Тимашев [105] пока-
3 л чт0 прн уменьшении поперечного размера нитевид-
ных кристаллов прочность их повышается (рис. 2.3).
Влияние вида вяжущего на зависимость «прочность—
пористость» изучали многие исследователи. Би до на ос-
новании изучения микротвердости установил, что при
одинаковой пористости прочность структуры цементно-
го камня выше, чем прочность затвердевшего гипса, а
повышению прочности последнего способствует введе-
ние СДБ. Фельдман н Бидо изучили прочность и модули
упругости цементного камня различного минералоги-
ческого состава н условия твердения в широком диапа-
зоне изменения его пористости [173]. Осредняя полу-
ченные результаты, они определили, что прн одинаковой
пористости цементный камень, твердевший в нормаль-
ных условиях, прочнее камня автоклавного твердения,
если общая пористость более 27%, и наоборот. Про-
питка камня серой или горячее прессование по методи-
ке Д. Роя, способствующее получению более плотной
твердой фазы, обеспечивают более резкое увеличение
прочности прн уменьшении пористости, чем у цементно-
го камня нормального твердения. В результате возра-
стает значение ожидаемой при нулевой пористости проч-
ности с 230 до 800 МПа.
Однако при оценке свойств цементного камня необ-
ходимо учитывать, что его схватывание и твердение
происходят не в блоке, а в пустотах заполнителя или в
тонких прослойках между заполнителем. Это вносит
свои особенности в протекающие процессы. Компоновка
зерен цемента, расстояние между ними, характер кон-
тактов, седиментационные явления, изменения объема
Цементного теста еще до схватывания цемента в извест-
ном мере определяются размером и структурой пустот
® заполннтеле и характеристикой его поверхности. При
хватываннн фиксируется определенная первоначаль-
ная структура, которая является интегральным итогом
тупДШеСТВОвавших пР°Цессов' последующем эта струк-
цем3 ВИД0нзменяется’ уйлотняется за счет гидратации
ннреНТа’ но ее характер оказывает определенное влия-
Пп на конечныс свойства бетона, т. е. в данном случае
Р СВЛЯется наследственный характер.
пРочн1ЦеСТВенное значение имеет н тот фактор, что на
ость материала оказывает влияние не только раз-
27
мер пустот, но н нх форма н характер взаимосвя
В зависимости от характера пористости бетона струк
ра бывает плотная, с пористым заполнителем, ячер)
тая (рис. 2.4).
Плотная структура может иметь контактное расп
ложение заполнителя, когда его зерна сопрнкасают1
одно с другим через тонкую прослойку цементного ка
ня, и «плавающее» расположение заполнителя, ког|
его зерна находятся на значительном удалении одн
от другого. Плотная структура состоит из сплошно
матрицы твердого материала (например, цементног
камня), в которую вкраплены зерна другого твердо)
Рис. 2.4. Основные типы структуры бетона
а — плотная; б — плотная с ячеистым заполнителем; в — ячеистая; г — зерня
стая; Rg — средняя прочность структуры; Я, и fe- прочности состааляюш*
бетонов
28
тернала (заполнителя), достаточно прочно связанные
г материалом матрицы. Ячеистая структура отличается
тем что в сплошной среде твердого материала распре-
делены поры различных размеров в виде отдельных
условно-замкнутых ячеек. Зернистая структура пред
ставляет собой совокупность скрепленных между собой
зерен твердого материала. Пористость зернистой струк-
туры непрерывна и аналогична пустотностн сыпучего
материала.
Наибольшей прочностью обладают материалы с плот-
ной структурой, наименьшей —с зернистой. Плотные
материалы менее проницаемы чем ячеистые, а те в
свою очередь менее проницаемы, чем материалы зер
нистой структуры. Последние обладают, как правило,
наибольшим водопоглощением.
Цементный камень в бетоне может в свою очередь
иметь различные типы структур — ячеистую, зернистую
сотовую, волокнистую или сложные структуры, состоя-
щие нз разных типов (см. рис. 2.1). Вблизи зерен запол-
нителя нарушается система упаковки цемента возника
ет сложное взаимодействие между цементным тестом и
твердой поверхностью заполнителя. В этой контактной
зоне условия формования структуры цементного камня
отличаются от условий, наблюдающихся в центре эле-
ментарного объема, т.е. в слоях цементного теста, от-
стоящего от поверхности заполнителя на большее рас-
стояние.
Известно, что введение заполнителя в цементное
тесто при постоянном В/Ц уменьшает его подвижность
нли сокращает сроки схватывания. В этом явлении на-
глядно проявляется влияние заполнителя на поведение
и формирование структуры цементного теста Для по-
лучения одинаковой подвижности или сроков схватыва-
ния в цементном камне и бетоне приходится увеличи-
аатьводоцементное отношение.
Формально вызываемое введением заполнителя
уменьшение подвижности цементного теста аналогично
У еньшенню его подвижности при понижении В/Ц, при-
ЖанВЛИЯНИе зап°лнителя тем больше, чем выше содер-
“ожц6 И сУммаРиая удельная поверхность. Условно
смесн° СЧитатЬ| чт0 ® этом случае поведение бетонной
бы опРсделяется свойствами цементного камня, как
Рения е0Щего иесколько меньшее В/Ц, чем В/Ц затво-
• определить количество воды, необходимое для
29
Рис. 2.5. Зависимость прочности бетона
Pg от относительной плотности у/р
/—для материалов ячеистой структу.
ры; 2 — для материалов зернистой
структуры
компенсации влияния заполним
теля, можно, введя понятие об I
условно-истинном Я/ДистИ
Под последним подразум ева-И
ется такое В/Ц, которое обес-||
печивает те же подвижносп
илн сроки схватывания цементного теста, что и подвнж
ность пли сроки схватывания бетонной смесн при
В/Цзатв- |Ц
Добавочное же количество воды, необходимое для
получения равноподвнжной бетонной смесн при исполь-
зовании определенного вида заполнителя, условно мож-
но назвать его водопотребностью Вз [20].
Тогда
В8 = (В/Цб-В/Цп)/п,
где п — соотношение заполнителя к цементу, и соответственно
В/Цвст=(В-В,)/Ц.
Водопотребиость заполнителя легко устанавливается
из сравнительных испытаний цементного теста и бетона
с одинаковыми подвижностью или сроками схватывания
или путем сравнения результатов испытания бетонной
смеси разных составов.
Однако В/ЦПст не определяет однозначно свойств
бетонной смесн. Существенное значение имеет и содер
жанне в бетоне цементного теста или его концентрация.
Как показывают исследования, прн оценке поведения
бетонной смесн наибольшая сходимость результатов до-
стигается при применении понятия об условной объем-
ной концентрации С с учетом В/ЦпСт‘.
С = Д/1000 (1/рц-j-В/Цист),
где Ц — расход цемента; рц — плотность цемента.
На основе С и В/Цис? могут быть несколько уточ-
нены и зависимости для затвердевшего бетона, так как
эти характеристики лучше отражают условия формиро-
вания первоначальной структуры, которая существенна
влияет и на свойства бетона в последующем [20]. Эти
зо
яоактернстики могут использоваться и при технологи-
ческих расчетах в производстве бетонополимеров.
Пористая структура цементного камня н бетона, как
правило, изотропна, т. е. ее свойства по разным направ-
лениям приблизительно одинаковы. Однако путем осо-
бых приемов формования или введением специальных
структурообразующих элементов структуре бетона мож-
но придать анизотропность, т. е. ее свойства в одном на-
правлении будут заметно отличаться от свойств в дру-
гом направлении. Примерами могут служить получение
направленной пористости при вакуумировании бетонной
смеси или электроосмотическом воздействии на иее илн
бетон, содержащий иглообразные или волокнистые эле-
менты, ориентированные в определенном направлении.
Конечно, подразделение на приведенные типы струк-
тур условно. В действительности структура бетона отли-
чается большой сложностью: например, в плотной струк-
туре тяжелого бетона цементный камень имеет много-
численные поры, в плотной структуре легкого бетона по-
ры присутствуют не только в цементном камне, но и
в зернах заполнителя, отдельные поры в ячеистой струк-
туре могут соединяться между собой капиллярами и т. д.
Однако представление о типах структур и связанных с
ними особенностях свойств позволяет более правильно
оценивать влияние бетонной матрицы на структуру и
свойства бетонополнмера.
Если, по предложению С. И. Ицковича [40], проч-
ность конгломератных каменных материалов предста-
вить в зависимости от объемной массы, что является
косвенным выражением зависимости от пористости
R = Ri (Y/Yif.
то показатель п будет зависеть от типа структуры мате-
риала, изменяясь от 2 до 6. Для материалов ячеистой
структуры его ориентировочно можно принять равным 2,
ля материалов зернистой структуры п зависит от фор-
тя* зеРен составляющих материалов и прочности их кои-
оди°В И колеблется от 3 до 6 (рис. 2.5). Поэтому при
ЛовНаковой относительной плотности прочность материа-
пнтк3еРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ ниже, чем ячеистой. При про-
Уп от П0лнмеРизнруюгцимися составами или серой
твепдп"^6 СТРУКТУРЫ и увеличение площади контактов
повыш Фазы будет приводить к более существенному
туры енню прочности зернистой, чем ячеистой, струк-
31
Структура бетона неоднородна, что оказывает замет
ное влияние на свойства материала. Могут различатьс$
по свойствам не только цементный камень и заполни
тель, но и отдельные зерна заполнителя одно от другого,
и отдельные микрообъемы цементного камня. Как уже
отмечалось, вблизи зерен заполнителя в контактной зоне
микроструктура цементного камня несколько отличается
от структуры основной массы, но и сама контактная зо
на, как н основной массив, неоднородна, в ней имеются
более или менее дефектные места, непрореагировавшир
зерна, микротрещииы и другие элементы, снижающие
однородность материала. Поэтому прочность, проницае
мость и другие свойства материалов в микрообъемах от
лнчаются одни от других, что существенным образом
влияет иа процессы получения бетонополимера и его ко
нечные свойства. Кроме того, структура и свойства бе
тона могут колебаться в незначительных пределах в раз-
ных изделиях и образцах, даже если последние имеют
одинаковый состав и изготовлены одним и тем же спо
собом.
Неоднородность структуры и свойств требует приме
нения к оценке бетона вероятностно-статистических ме-
тодов. Однако в большинстве таких методов использует»
ся в качестве критерия прочность бетона, которая явля-
ется интегральной характеристикой. Для производства
же бетонополимера существенными являются днфферен*
циальиые методы оценки неоднородности, особенно его
пористости и дефектности структуры. Ведь при пропит»
бетона небольшая микротрещнна, мало влияющая
прочность бетона, может существенно изменить скорое®
пропитки, распределение жидкой фазы и последующи
условия полимеризации, что непосредственно скажете*
как на самом процессе обработки, так и иа конечный
свойствах продукта.
Сведения о размерах пор и доступности их жидким
средам определяют выбор пропитывающих составов и
режимы обработки, так как для каждой пористой стру>
туры целесообразен индивидуальный подход, чтобы по-
лучить наилучшне результаты. С помощью маловязкИХ
пропитывающих составов трудно обеспечить омонолнчь
вание крупных пор н дефектов, для этого необходимы
более вязкие материалы. Наоборот, последние, как пр*'
вило, не могут проникнуть в тонкие поры и капилляры
и не обеспечивают нх омоноличивание.
32
out 2.6. Зависимость модуля сдвига
Гл и упругости (2) от относительной
* ’ пористости цементного камня
Деформатнвные свойства
цементного камня, раствора и
бетона также в значительной
степени зависят от пористости,
рис. 2.6 иллюстрирует влияние
пористости на модули продоль-
ной упругости и сдвига цемент-
ного камня [104]. Пористость
во многом определяет такие
важные деформатнвные свон-
£ к*МПа
и бетона, как усадка
ства цементного камня, раствора
и ползучесть. При этом исключительно большое значение
имеет влажность материала. Изменение содержания
влаги в порах определяет силы капиллярного давления,
стягивающие скелет цементного камня При повышении
влажности этн силы ослабевают и цементный камень
расширяется, при понижении влажности капиллярное
давление возрастает, что выражается в деформации
сжатия — усадке. Определенное влияние на эти процес-
сы оказывают и осмотические явления, протекающие в
насыщенных жидкостями пористых средах. Ползучесть
растворов н бетонов зависит в основном от ползучести
цементного камня. Последняя в свою очередь в значи-
тельной мере определяется степенью заполнения пор
влагой.
^Газопроницаемость бетона определяется молекуляр-
ной диффузией, вязкостным и молекулярным потоками.
Молекулярная диффузия газов наблюдается в том слу-
чае, если поры бетона заполнены жидкостью (например,
водой) илн твердым телом (например, органическим по-
лимером).
Диффузионный перенос описывается первым законом
Фика
K = -D(SC/6X),
гач % ~~ константа проницаемости; 6с/6х — градиент концентрации
аза в веществе; D — константа диффузии.
Если поры бетона полностью нлн частично свободны
т Жидкой или твердой фазы, в микропорах (г<10"5см)
^1л_лается молекулярный, а в макропорах (г>
5 см) — вязкостный потоки.
3—гю 33
Молекулярный (кнудсеновскнй) поток наблюдается
в капиллярах, когда средняя длина свободного пробега
молекул (~10-5 см) значительно больше радиуса ка-
пилляра н молекулы газа ударяются в основном не одна
о другую, а о стенки капилляра. Этот процесс описыва-
ют уравнением Кнудсена
4яг3 1 ЛТт"
к 3 I' пЛ! I
где VK —объем газа, прошедшего через капилляр; г — радиус к
пилляра; Т — абсолютная температура; М — молекулярная массай
ДРТ — перепад давлений; т — время; I — длина капилляра.
В мнкрокапиллярах газ перемещается только в виде
отдельных молекул.
Ламинарное вязкостное течение в макрокапнллярах
(rClfr-5 см) выражается уравнением Дарсн, базирую-
щимся на принципе неразрывности потока,
I V/T = BgradP,
где V—объем флюида, прошедшего через тело; Р — давление; В
постоянная, характеризующая вязкость флюида и проницаемости
тела.
Пуазейлем показано, что для цилиндрического ка*
пилляра
В = лг4/8ц.
где г — радиус капилляра; ц — вязкость газа.
Коэффициент проницаемости k при вязкостном тече-
нии газа
k = л^/вцУ,
где # _ число капилляров на единицу поверхности тела.
В табл. 2.2 приведена приближенная классы
режимов переноса газов через бетон [115].
Таблица 2.2. Проницаемость бетона
Механизм переноса газа
Коэффициент
проницаемости.
см1-см/
/(См’-с.МПа)
г мане
Молекулярная диффузия
Молекулярный поток
Вязкостный поток
10-«
10—6—1 с-4
10—4
10—5 1
10-5—101
10—4
Перенос жидкостей через бетон также характеризу-
ется тремя основными режимами. Прн радиусе капилля-
ров Ю-5 см и незначительном испарении жидкости из
капилляров возможен диффузионный перенос в соответ-
ствии с законом Фика. Наблюдается также двухфазный
перенос жидкостей через бетон: вначале в виде жидко-
сти, а затем в виде ее паров. Капиллярный перенос в
значительной мере зависит от интенсивности испарения
жидкости нз капилляров.
Значительное количество жидкости фильтруется че-
рез бетон в вязкостном режиме в соответствии с зако-
ном Пуазейля. Расход жидкости Q можно определить по
уравнению
Q = ft[S(P1-P2)/|1&], (2.3)
где k — коэффициент проницаемости; S—площадь образца;
Р1—Р2 — перепад давлений; ц — коэффициент вязкости; b — толщи-
на образца.
Нижний предел применимости закона Пуазейля для
бетонов соответствует радиусам пор 10~4—10~3 см. При-
ближенная классификация режимов переноса жидкостей
через бетон приведена в табл. 2.3 [115].
Таблица 2.3. Классификация режимов переноса жидкости
Механизм переноса Коэффициент проницаемости, см’-см/ (СМ*-СХ ХМЛа) Г, см
Молекулярная диффузия Молекулярный поток Вязкостный поток IO-9 10-8—10-5 10-8— Ю-6 10-6 10-6—ю- 3 10-4-10-3
Прн замораживании и оттаивании водонасыщенный
оотон разрушается в результате фазовых превращений
оды в порах. Лед образуется во всех порах бетонного
НиДе?ня Не одновРеменно- С одной стороны, продвиже-
няп Фронта льдообразования лимитируется теплопровод-
водТЬЮ бетОна- С другой стороны, в тонких капиллярах
ляп 1}еРеохлажДается» чт0 объясняется теорией капнл-
меж°И кондепсацнн- Эта теория устанавливает связь
кащДУ темлеРатУР°й фазового превращения и радиусом
во иЛЯра’ в котором находится сорбированное вещест-
тЬ1ваяСХ0Дя из классического уравнения Кельвина и учи-
я то обстоятельство, что жидкость в капилляре за-
34
35
твердевает при температуре, для которой упругость пара
жидкости в капилляре и над твердым веществом будет
одинакова, В, А. Бакаев, В. Ф. Киселева и К. Г. Кра-
сильников получили зависимость
АТ =(/??/АЯ) [<р (г)],
где АГ— понижение температуры плавления; R — газовая постоян-
ная; ф (г)—функция радиуса капилляра; Т — температура плавле-
ния вещества в капилляре; А// — разность высот подъема жидкости I
в капилляре.
На основании этой зависимости И. Н. Ахвердовым
и Л. Б. Дзабневой рассчитаны температуры плавления
воды в зависимости от радиуса капилляра:
Л °C —1 —2 —3 —4 -5 —7 —10 —13 —16 —20 -22
г,°А 200 ПО 77 59 49 40 30 26 22 18 17
Постепенное продвижение фронта льда в системе пор
бетона при замораживании вызывает повышение давле-
ния в ней, приводящее к деструкции материала. Наибо-
лее полно механизм разрушающего действия замерзаю-
щей влаги объясняется термодинамической теорией за-
мерзания воды в капиллярах, в соответствии с которой
избыточное давление ДР в капилляре при росте кристал-
лов льда равно:
др = 2а/г,
где с — поверхностное натяжение на границе фаз «лед—вода»; г —
радиус капилляра.
Напряжения, возникающие в бетоне при наличии из-
быточного давления, приводят к микроразрушенням ма-
териала, которые накапливаются при циклическом воэ
действии и вызывают деструкцию материала. При по- ।
переменном замораживании и оттаивании в бетоне
возникают и осмотические явления, которые влияют иа
процесс деструкции.
Коррозия бетона в жидких средах классифицирована
В. М. Москвиным. Коррозия первого вида наблюдается
прн воздействии на бетон вод с малой временной жест-
костью, причем растворение компонентов твердой фазы
бетона непосредственно связано с одновременным отво-
дом продуктов коррозии из порового пространства бето-
на во внешнюю среду.
36
Коррозия второго вида связана с обменными хими-
сскими реакциями взаимодействия цементного камня
с растворенными в воде реагентами и образованием лег-
корастворимых ил» аморфных продуктов. В этом случае
для развития коррозионных процессов необходим доступ
агрессивной среды в поровое пространство бетона.
Коррозия третьего вида вызывается кристаллизацией
продуктов химических реакций (так называемая солевая
коррозия) в порах бетона. В этом случае механизм раз-
рушения во многом аналогичен наблюдающемуся при
кристаллизации в порах льда, однако осмотические яв-
ления, возможно, играют более значительную роль. Ско-
рость и полнота коррозионных процессов в бетоне в зна-
чительной степени определяются первым законом Фика:
j = — D (dc/dx),
где / — диффузионный поток, т. е. количество вещества, проходяще-
го через единицу площади в единицу времени; dc/dx — градиент
концентрации вещества в растворе; D — коэффициент диффузии, за-
висящий от характера поровой структуры.
Первый закон Фнка используют и при рассмотрении
коррозии бетона в газовых средах.
Если количество диффундирующего вещества, посту-
пающего извне, не соответствует количеству отводимого
вещества, необходимо учитывать скорость изменения
концентрации dc/dr, используя второй закон Фнка:
dcjdx — D (dac/dx2).
При наличии градиента гидростатического давления
скорость подвода агрессивной среды и отвод продуктов
реакции контролируются законом Дарси.
В соответствии с принципами физико-химической гид-
родинамики скорость диффузии и фильтрации влияет на
скорость растворения и кристаллизации твердой фазы,
также на скорость химических реакций.
Определенные коррективы в картину коррозионной
етрукции вносят кольматация пор продуктами реак-
зии \РазРУшенне поровой структуры в процессе корро-
ваю „обенно это касается кислотной коррозии, вызы-
HeKTLllf'" интенсивное разрушение большинства компо-
попо°В “ ^етона- В этом случае трудно судить о роли
мосвя°И стрУктУРЬ1 в процессах коррозии. Однако взаи-
матеп Ь П0Р°в°й структуры и проницаемости цементных
Риалов с их коррозионной стойкостью несомненна.
37
Чтобы охарактеризовать электрофизические свойства
такой многокомпонентной системы, как бетон, необходи-
мо оценить проводимость каждой фазы в отдельности
[102, 119]. Минеральный скелет цементного бетона об
ладает настолько большим сопротивлением (в высушен-
ном состоянии 1010—1011 Ом-см), что может быть отне-
сен к диэлектрикам. Газообразная фаза в капилляр»
также является диэлектриком с довольно высокой элеД
трической прочностью. По Ю. Н. Вершинину и В. А. Чуи-
чнну, изменение приведенного радиуса пор приводит х
изменению значения пробивного напряжения капилляр-
но-пористого диэлектрика УПр (при толщине слоя =
= 1 см и приведенном радиусе пор менее 10—15 мхм)
в соответствии с соотношением
Vnp«V0-/(lgr,
где Vo — постоянная, равная 66 кВ; К — коэффициент, равный 54;
г—приведенный радиус пор, на который приходится максимум и»
дифференциальной программе, мкм.
Таким образом, газовая фаза в обычном цементном
камне обладает электрической прочностью 250—300 кВ.
Электрическое сопротивление жидкой фазы в бетон-
значительно меньше. И именно эта фаза, являющаяся
проводником второго ряда с удельным электрическим
сопротивлением 102—1О3 Ом-см, определяет характер
проводимости цементного камня, раствора и бетона.
Экспериментальные исследования электрофизических
характеристик цементного камня позволили установить
следующую зависимость:
Рц.к. = Рж.ф (^и//7э.ф) ’
где рд.к, р>к ф — удельное электрическое сопротивление соответс»
венно цементного камня и жидкой фазы; Th ф —эффективная по-
ристость (число пор, сообщающихся одна с другой и с атмосферой^
Ди — коэффициент извилистости капилляров (интегральная харак-
теристика, учитывающая не только извилистость в буквальном смыс-
ле этого слова, но и статистические соотношения длины капилляров
различных диаметров, наличие тупиковых пор и др., т. е. факторч
оказывающие влияние иа скорость миграции ионов в электриче-
ском поле).
Таким образом, удельное сопротивление цемеитиог*
камня (при условии полного водоиасыщения последи6
го) прямо пропорционально удельному электрическом?
сопротивлению жидкой фазы, квадрату коэффициент
извилистости и обратно пропорционально эффективно"
пористости.
38
Износостойкость бетона имеет большое значение при
го использовании в гидротехнических, дорожных, аэро-
дромных и некоторых промышленных сооружениях. Раз-
пушение бетона в результате износа вызывается меха-
ническим истиранием или, что специфично для гидросо-
оружений, кавитационной эрозией. Сопротивляемость
бетона истиранию возрастает прн повышении его проч-
ности, особенно иа растяжение. Истираемость в значи-
тельной степени зависит не только от прочности, ио и от
удельного содержания в бетоне раствора и цементного
камня, от вида и гранулометрического состава заполни-
телей, состояния контактной зоны заполнителей и це-
ментного камня. Наиболее истираемый компонент бето-
на—цементный камень. Повышению его монолитности
следует уделять особое внимание.
Для обеспечения износостойкости бетона большое
значение имеет повышение его плотности. Опыты, про-
веденные в ГрузНИИЭГС и САНИИРИ, позволили уста-
новить прямую корреляционную зависимость между по-
ристостью и истираемостью цементных растворов:
Пористость, % 18 30 34
Коэффициент износа, кг/(м3-ч) 0,32 1,2 3
Износоустойчивость легких (т. е. пористых) бетонов
примерно в 8 раз меньше, чем тяжелых (плотных). Из-
иосрстойкие бетоны должны быть особо плотными — с ко-
эффициентом плотности ие менее 0,87 и маркой по водо-
непроницаемости не ниже В-4.
Кавитационная эрозия бетона — это в основном ре-
зультат механических ударов, возникающих при замы-
кании кавитационных пузырьков. Парогазовые кавита-
ционные пузырьки образуются в тех местах потока воды,
Давление понижается до уровня парообразования.
ст„еДние значения давления, возникающего на поверхно-
материала в области кавитации, достигают несколь-
25^рцТен атмосФер, а частота кавитационных ударов —
ном^ЛаДКИе поверхности менее подвержены кавитацион-
Лнчи разРУшению» чем шероховатые и неровные. При на-
лееп ВЫстУпов и впадин на поверхности материала бо-
вероятны отрыв струи потока от поверхности и об-
39
разование зои пониженного давления парогазовой смесп
Если конструкция начала разрушаться, т. е. появились
первые кавериы, ее материал будет разрушаться со все-
возрастающей скоростью. Кавитация —серьезная угроз*
для бетонных гидросооружений с большими напорами 1
скоростью воды. Особенно подвержены кавитационнЛ
эрозии такие части гидросооружений, как гасители энер.
гии потока, бачки, водосливные грани плотин и водосбро-
сов, быстротоков, отсасывающей трубы, затворные узлы
Пористость оказывает отрицательное воздействие на ка-
витационную стойкость бетона. Основные требования ц
бетону, устойчивому к кавитационной эрозии: высока!
механическая прочность, однородность, плотность, моро-
зостойкость и особенно максимально гладкая поверх
ность. Размер зерен заполнителя назначают МИНИМАЛЬ-
НЫМ.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОПИТКИ
Для пропитки бетона могут применяться самые раз*
личные материалы [78, 133]. Необходимо только, чтобы
в момент пропитки эти материалы были жидкими1, с ие*
высокой вязкостью, так как чем меньше вязкость протп -
точного состава, тем при прочих равных условиях быст-
рее и на большую глубину пропитывается бетон.
При последующем выдержнваиии, охлаждении пл!
нагреве (в зависимости от используемого для пропитки
состава) материал, проникший в поры н капилляры б<?|
тона, должен затвердеть или загустеть, что улучшает его
взаимосвязь со структурой бетона и предотвращает вы-
текание или испарение из бетона. В процессе затверде-
ния пропиточный материал может приобрести различ-
ные свойства. Одни материалы могут достигать прочие-
сти до 80 МПа и выше, другие имеют среднюю пром!
ность, третьи являются очень слабыми (0,2—1 МПа). На
основе первых получают высокопрочные бетонополпмч
ры. Слабые материалы используют главным образом для
консервации бетона, для поверхностной пропитки с цель*1
повышения долговечности, коррозионной стойкости и не
проницаемости бетона.
По своей природе материалы для пропитки подрав
деляют иа неорганические и органические. К неоргапшв
1 Обработка газами в этой книге не рассматривается. В р«1
случаев такая обработка может существенно повысить качестве
делил или конструкции.
40
гким материалам относятся сера, жидкое стекло, неко-
торые специальные растворы.
Органические вещества, используемые для модифи-
кации строительных материалов, в частности бетонов,
включают мономеры и полимеры на их основе, различ-
ные эмульсии, смолы, каучуки, битумы, гудроны, некото-
рые высокомолекулярные углеводороды и спирты, а так
же их различные сочетания друг с другом. Так, для улуч-
шения дорожных покрытий используются битумные ком-
позиции, содержащие каучук (пат. Голландии № 144645
от 16.07.75 г/, пат. Японии № 17317 и 4581306),
льняное масло с поливинилстиролом (пат. США
№ 3912669), раствор ненасыщенного полиэфира, изоцио-
натов и гудрона в этиленовом мономере (пат. Франции
№ 1498617), а также различные битумно-эпоксидные
составы (пат. США № 3326830 и Франции
№ 1543540).
Для специальной обработки пористых материалов,
например бетонов, в ряде случаев используются фури-
ловый (авт. свид. № 487866, 209732, 431133, 512221) и
фурфуриловый (пат. Франции № 1542422) спирты, высо-
комолекулярные углеводороды в смеси с карболовыми
кислотами (авт. свид. № 475349; пат. США № 3376155),
а также кремнийорганические жидкости (авт. свид.
№ 446491).
Бетонные изделия модифицируют непосредственно
полимерами (сополимерами) (авт. свид. № 523066; пат.
ФРГ № 1256130; пат. Англии № 1154910). Это поливи-
иилбутераль (авт. свид. № 417403), полиэтилен (пат.
Норвегии № 110592), хлорсульфированный полиэтилен
>авт- свид. № 487196), полипропилен в смеси с каучуком
(пат. Англии № 1134345), поливинилацетат и поливииил-
хлорид (пат. Швейцарии № 450997), полиизоционаты
(пат. Франции № 1532376), полиметакрилат полиглици-
ЛНа (авт. свид. № 256587), полиметилметакрилат (авт.
и ЛД' и 410050’ 489739; пат. ФРГ № 1253029, 1719339)
НадР’ Из сополимеров наиболее употребительны составы
соп°СН°Ве мономеР°в акрилового и метакрилового ряда:
Япл?ЛИМхРы акриловой и метакриловой кислот (пат.
□ Ни № 46-54946,50-39098), ММА4-бутилметакрилат+
№ 171*оос!Вая или метакриловая кислота (пат. ФРГ
ММди ММА+винилацетат (пат. Японии № 4230),
лоиит ЭТИлметакрилат (пат. США № 3538036), акри-
тРИл+винилиденхлорид (авт. свид. № 226073), а
41
также их водные дисперсии (пат. США № 3325436) J
эмульсии (авт. свид. №472916),
Наибольшее распространение для пропитки бетона
получили метилметакрилат и производные составы иа
его основе, так как этот материал легко проникает в
бетон и сравнительно просто полимеризуется, обеспечи
вая получение высокой прочности готового продукта. 1
Метилметакрилат представляет собой бесцветную
жидкость с температурой кипения 100 °C, плотносты-Д
0,949 г/см3, с характерным запахом [55, 69]. Структур-
ная формула его имеет вид
сн3
I
сн2=с
I
о=с-осн3.
Полимеризация имеет цепной, радикальный характер!
и может проходить под воздействием радиации, теплЛ
света, перекисей и ряда других факторов, инициирую-1
щих рост свободных радикалов.
В результате полимеризации получают полиметилмя
такрилат, плотность которого 1,18 г/см3, предел прочно-
сти при сжатии 100—160 МПа, предел прочности при
растяжении 60—80 МПа, модуль упругости 3,2—4Х
ХЮ3 МПа, удельная ударная вязкость 1,5—2 кДж/см2
коэффициент теплового расширения 8,2- 1О~5, теплое»*
кость 1,44 кДж/(кг’°C), водопоглощение за 24 ч д
0,17 %.
Прочность и модуль упругости полиметилметакрила*
та постепенно повышаются с понижением температуры,
а удельная ударная вязкость практически сохраняется
постоянной в пределах от —183 до 60 °C, что имеет су-
щественное значение для долговечности различных бе-
тоиополимерных конструкций, в том числе испытываю-
щих динамические воздействия.
Наряду с метилметакрилатом для пропитки широко
используют стирол и материалы иа его основе. Стирол
в 2 раза дешевле метилметакрилата и производится Л
больших объемах. Его недостаток—более высокая тем-
пература полимеризации в последнее время преодолевав
ется применением смешанных систем, в которых стиро
является одним из компонентов [118].
Стирол (СбН5СН-СН2) — непредельное ароматичен!
кое соединение с ненасыщенной боковой цепью |
42
Это бесцветная жидкость, обладающая слабым слад-
ким запахом. При хранении на воздухе в мономере об-
разуются альдегиды и кетоны, сообщающие ему резкий
запах. Температура кипения стирола 145 °C, плотность
0,906г/см3. В результате свободно-радикальной полиме-
ризации получают полистирол — стеклообразный мате-
риал с плотностью 1,04—1,06 г/см3, прочностью на сжа-
тие 80—110 МПа, на растяжение 35—60 МПа, удельной
ударной вязкостью 1,2—2 кДж/см2, коэффициентом ли-
нейного термического расширения 6—8-106, удельной
теплоемкостью 0,109 кДж/(кг-°С) и водопоглощением
за 24 ч — 0,04 %.
Свойства полистирола, распределенного в бетоне
(так же как и полиметилметакрилата), зависят от усло-
вий полимеризации, систем инициирования, молекуляр-
ной массы, структурных особенностей бетонополимера.
Для пропитки применяют растворы некоторых смол
в стироле — составы, включающие стирол и метилмета-
Таблица 2.4. Основные свойства мономеров и полимеров
Мономер Вязкость при 2О°С, МПа • с И и ib Предел прочности полимера, МПа Модуль упругости полимера Е .10—'МПа
прн сжатии при растя- жении
Стирол «УТИЛСТИрол Ппп,ох£ористиР°л ЭплТ^ИрстиР°л 1===.. «'’’•’метакрилат 0,73 0,82 0,84 0,78 0,57 0,59 0,62 0^50 145 218 180 300 37 72 100 80 100 78 100 85 160 180 153 53 102 75 56 80 70 47 31 35 67 50 3,1-3,3 3,2—3,4 3,6-3,7 3,4-3,6 2,8-3
43
крилат, стирол и эпоксидную смолу, и ряд других. В ре
зультате сополимеризации стирола с другими мономе
рами получают модифицированные материалы с повб
шенными ударопрочностью, теплостойкостью ил
другими свойствами. Свойства некоторых материале
для пропитки приведены в табл. 2.4 [133].
Для отверждения органических вяжущих использ^
ют целый ряд отверждающих агентов, основным, требе
ванием к которым является обеспечение высоких физ*
ко-механических свойств готовых изделий при сравне
тельно коротком времени полимеризации. Активное^
системы инициирования при прочих равных условия
главным образом зависит от химической природы ка
органического вяжущего, так и инициатора. Для отверз
дения эпоксидных смол наиболее активным является, н;
пример, полиэтиленполиамин (ПЭПА) (авт. сви
№ 510495, 443013, 492503, 474516, 464562, 47790
510495), а для отверждения ФАМ — бензосульфокисло^
(авт. евнд. № 294814, 465388, 512192) или парохлорбе^
зосульфокислота (авт. свид. № 201948).
Мочевииоформальдегидные смолы отверждаются ка1
боловыми кислотами, например щавелевой (авт. сви1
№ 487860), амииоальдегидиые смолы — солянокислы
анилином (авт. свид. № 477968), инденкумароновая см(
ла — гидроперекисью кумола в сочетании с нафтеиато
кобальта (авт. свид. № 231363, 473691), а для отвержд<
ния полиэфирных смол наиболее активными инициирук
щими системами являются смеси, состоящие из окисло
ванадия-|-перекись метилэтилкотоиа (МЭК) (авт. евщ
№ 336308), а также смесь из октоата кобальта+п ер (
кись (МЭК) (пат. Франции № 1560361) и гипериз-|
+нафтснат кобальта-]- диэтиленгликольтриметакрила!
фталат (авт. свид. № 237384). Органические соединени
металлов, олова, ртути, свинца (или их смесь) успешн
применяют для отверждения ароматических диизолне
натов, модифицированных каучуками (пат. Англй
№ 134345), а раствор нафтената кобальта в МК —дЛ
отверждения акриловой и метакриловой кислот (пап
США № 3376155), алкидных (пат. США № 3376155) I
алиидных (пат. США № 3928266) смол.
Высокотемпературная каталитическая полимериза
ция мономеров акрилового и метакрилового ряда легм
осуществляется под воздействием различных оргаииче!
ких перекисей [4], из которых наиболее широкое примени
11
иие получили перекись лаурила (ПА), перекись бензоила
и порофор [133]. Одиако для получения самоотвериздаю-
щихся составов, полимеризация которых протекает на
холоде без подвода тепла извне, как правило, использу-
ются инициирующие системы, состоящие из органической
перекиси и третичного амина, например диметиланили-
на (пат. Франции № 1498617, 1719339). Наилучшие
результаты показывают системы порофор+гипериз и
ПБ+ДМА.
ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ
БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
ПРИ ПРОПИТКЕ БЕТОНА ПОЛИМЕРАМИ
Основными операциями в процессе приготовления бе-
тонополимера являются сушка бетона, пропитка его мо-
номером и полимеризация последнего в теле бетона. При
пропитке бетона термопластами процесс в ряде случа-
ев упрощается, так как отсутствует операция полимери-
зации.
Физико-химические основы сушки материалов доста-
точно полно освещены в специальной литературе [52,53].
Применительно к бетону интерес представляют количе-
ственные зависимости, рассматриваемые в гл. 4.
В процессе же пропитки и полимеризации проявляют-
ся сложные физико-химические явления, ранее не изу-
чавшиеся. Эти явления обусловливают как оптимальные
параметры процесса, так и конечное качество материала
и поэтому заслуживают особого рассмотрения.
Пропитка обычного бетона, который является типич-
ным капиллярно-пористым телом, происходит главным
образом под действием капиллярного давления. Допол-
нительное давление в этом случае малоэффективно, так
как в капиллярах с радиусом 10“* см, характерных для
Цементного камня, всасывающие давления достигают
15 МПа и более, что намного превышает давление, кото-
рое может быть создано в современных промышленных
аппаратах строительной индустрии. Однако при пропит-
45
ке бетонов с крупными порами или микротрещинами
влияние внешнего давления возрастает, а роль капил- I
лярного давления резко падает. В этом случае примене-
ние внешнего давления, особенно при использовании
вязких пропиточных составов или суспензий, является
целесообразным, а в некоторых случаях необходимым
для обеспечения достаточной глубины и качества про-
питки (рис. 3.1).
Действительно, с определенным приближением мож- I
но полагать, что высота поднятия жидкости в капилля- »
pax h, которая определяет и капиллярное давление, мо-1
жет быть найдена из выражения
h = 2<т12 cos 0/г£?ж ,
где (Ti2 — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; г
радиус капилляра; уж — плотность жидкости.
Для воды 012 при 18 °C равно 76,23-10-3 Н/м, для
мономера метилметакрилата в зависимости от вида и
содержания инициатора, по данным С. И. Казанцева
(рис. 3.2), изменяется от 34 до 42-10-3 Н/м. В соответст-1
вин с этими данными построены кривые на рис. 3.3, по-1
казывающие обший характер зависимости. В реальных
материалах возможны значительные отступления от I
теоретических моделей. Необходимо учитывать, что в
цементном камне и в бетоне капилляры имеют, как пра- I
вило, неточное строение (рнс. 3.3,а), что существенно
сказывается как иа высоте подъема жидкости, так и па
капиллярном давлении, которое меняется в ходе про-
цесса.
Радиус неточных капилляров периодически увеличи-1
вается и уменьшается. Если неточный капилляр погру-
зить в смачивающую жидкость, то она поднимается на
высоту соответствующую высоте подъема жидкости
в цилиндрическом капилляре с большим радиусом л.
Если же неточный капилляр заполнить весь жидкостью,
а затем оставить в жидкости только нижний конец, то и
уровень жидкости в капилляре опустится до отметки hi,
соответствующей высоте поднятия жидкости в цилиндри-
ческом капилляре с меньшнм радиусом л, соответствую^
щим радиусу сужения четочного капилляра. Цементный
камень и бетон содержат капилляры и поры различных
размеров, соединенные между собой, поэтому высота
подъема жидкости в условном единичном неточном ка-
пилляре может оказаться выше, чем можно было бы
46
Рис. 3.1. Зависимость капиллярного
давления Рк от радиуса капилляра
1 — для воды; 2 — для метилмета-
крилата
e/О’’н/м
Рис. 3.2. Зависимость коэффициента
поверхностного натяжения метилме-
такрилата от пида и концентрации
С нн инициатора полимеризации
/ — пеоекиси бензола; 2 — перекиси ла-
урила; 3 — гипернза; 4 — порофора
Рис. з.з. Равновесие жидкости в различных капиллярах
а — в неточных и линейных; б — в сообщающихся
ожидать (выше h\), за счет ее поступления из соседних
более тонких капилляров (рис. 3.3,6). Но тогда снизит-
ся скорость пропитки. Вакуумирование способствует ус
коремию пропитки, так как обеспечивает более глубокук
сушку материала и удаление водяных пробок из тонких
капилляров н перегородок между ячейками. Механизм
переноса вещества, поглощенного капиллярио-пористы
мн телами, подробно рассмотрен в работах П. А. Ребнн-
дера, А.В. Лыкова и дру.
гих исследователей [8,
51, 88]. Однако необходи-
мо кратко остановиться
на некоторых вопросах,
еще не получивших долж-
ного освещения в литера-
туре.
Большое влияние на
скорость, глубину и пол-
ноту пропитки будет ока-
зывать как структура бе-
тона, так и состав пропи-|
тывающих материалов.
Многообразие факторов,
влияющих иа пористость,
прочность пронипае-
Рис. 3.5. Схема пропитки бетона мономером (а) и относительная степень за-
полнении пор бетона мономером ^Упор « определенному моменту време-
ни (б)
/ —тонкие капилляры; 2 — более крупные капилляры; 3 — мииротрещнны; 4 —
микрообъем, в котором наиболее вероятно защемление воздуха
48
гТЬ цементного камня
м бетона, затрудняет по-
лучение количественных
зависимостей для оценки
физико-химических про-
цессов, происходящих при
пропитке бетона мономе-
ром и его полимеризации
в теле бетона.
Известно, что каждый
способ испытаний имеет
свои методические осо-
бенности, которые влияют
на показатели свойств.
Для сравнительной оцен-
ки влияния структуры бе-
Рис. 3.6. Кинетика пропитки бетона
мономером
I — капиллярная пропитка при нормаль-
ном давлении; 2 — пропитка с вакуу-
мированием
Рис, 3.7. Перераспределение относи-
тельного содержания Ум/И пор мо-
номера во фронте пропитки
/ — в момент окончания пропитки; 2 —
после полимеризации
тона на характер его вза-
имодействия с мономером
в процессе пропитки и по-
лимеризации оказался
удобным способ водовоз-
душной порометрии [117,
196]. Этим способом оп-
ределяли эффективный
радиус пор, обеспечиваю-
щий основной вклад в пе-
ренос вещества при про-
питке бетона. Эта услов-
ная интегральная харак-
теристика порового про-
странства и проницаемо-
ти бетона позволяет по-
Учнть некоторые физико-
химические закоиомерио-
опРеДеляющие про-
вес пропитки.
^ера^Р00113 пРОпитки изменяется в зависимости от раз-
еа кап°Р И капилляров (рис. 3.4). При увеличении радиу-
Ровой стЛЛ.Яра пР°питка ускоряется. Неоднородность по-
та npori КТУры бетона обусловливает размытость фрон-
КОтоРырНТКИ' Особенное значение имеют микротрещины,
для дпи авляЮтся как бы магистральными капиллярами
Ле пРоису ИЯ мономеРа (Рис- 3.5). В результате внача-
ходнт как бы быстрое насыщение более крупных
4^210
49
пор и капилляров и прилегающих к ним участков, а за)
тем постепенное заполнение мельчайших капилляров J
пор. Это находит свое отражение на типичных кривы!
кинетики капиллярной пропитки (рис. 3.6), на который
как правило, имеются два участка; быстрое насыщен»
на первой стадии и медленное — па второй. '
Размытость фронта пропитки, более быстрая пропит-1
ка по отдельным направлениям могут привести к защем-J
лению воздуха в некоторых микрообъемах и мельчайшиЛ
порах, что будет как тормозить общий процесс пропиткиI
так и снижать полноту заполнения пор мономером. В этой
связи повышение интенсивности и полноты пропитки до
стигается с помощью предварительного вакуумирования,]
Объем полимера, необходимый для заполнения мели
чайших пор и капилляров, незначителен по сравнению Л
общим объемом полимера, однако его вклад в формиро-1
вание прочности и других свойств, как будет показано в
дальнейшем, более значителен, чем объем полимера|в
крупных порах. Поэтому досрочное прекращение пропит-1
ки в ряде случаев ие позволяет получить высокопрочный
бстонополнмер. Однако, если требования к прочности ог-1
раннчеиы и главное внимание уделяется плотности я
долговечности, сроки пропнткн могут быть сокращена 1
С рассмотренным явлением и неоднородностью бето
на по пористости непосредственно связано перераспреде-1
ленне мономера в бетоне после окоичаиия пропитки. |
В капиллярах переменного сечения или в соединяю-
щихся порах разного размера мономер или другая жиЛ
кость стремится перемещаться в сторону меньшего се-
чения капилляра или меньшей по размерам поры. По-
этому, если мельчайшие поры и капилляры не успели за-
полниться мономером во время пропитки, этот процесс]
будет продолжаться после окончания пропитки. В этом
случае будет уменьшаться содержание мономера в мик-
рообъемах с более крупными капиллярами и порами if
увеличиваться с более мелкими.
Подобное перемещение будет постепенно замедляться
после начала полимеризации, в результате которой ук-1
рупияются молекулы вещества, повышается его вязкость]
и уменьшается способность проникать в мельчайшие пу-
стоты и поры. Необходимо отметить, что даже при срав-1
иительно полном заполнении пор и капилляров моно-1
мером может наблюдаться его перемещение на первой
стадии полимеризации, когда начинается заметная усад-1
50
мономера, т. е. появляется свободное поровое прост-
каиство, а сам он еще не теряет способности к переме-
щению.
Процесс перераспределения мономера в ряде случаев
является положительным фактором, так как в результа-
те его заполняются более мелкие поры и капилляры, а
именно их заполнение более эффективно влияет на повы-
шение прочности материала. С другой стороны, чрезмер-
ное обеднение полимером крупных пор, капилляров и
микротрещип может в некоторых случаях привести к по-
вышению проницаемости бетонополимера и ухудшению
его долговечности.
Перераспределение мономера заметно проявляется
прн поверхностной пропитке бетона, когда процесс про-
питки прекращается после достижения фронтом мономе-
ра определенной глубины. В этом случае после оконча-
ния пропитки часть мономера перемещается в тонкие
поры и капилляры перед фронтом пропитки и содержа-
ние мономера в пропитанном слое уменьшается
(рис. 3.7). С одной стороны, это явление положительное,
так как вследствие размытости фронта пропитки и пере-
распределения мономера после пропитки на границе про-
питанного слоя возникает переходная зона с постепенно
убывающей в глубину степенью насыщения мономером и
соответственно с постепенно изменяющимися свойствами.
Наличие этой зоны обеспечивает хорошую совместную
работу пропитанного слоя и основного массива бетона
н предохраняет первый от скалывания в процессе нагруз-
ки и эксплуатации.
С другой стороны, отмеченное явление затрудняет
максимальное насыщение мономером пропиточного слоя
и получение его наибольшей прочности и плотности. Од-
нако в большинстве случаев это не имеет столь важного
значения, так как цели поверхностной пропитки обычно
достигаются, а получение максимальной прочности в
этом случае не требуется.
Процесс поверхностной пропитки можно сочетать с
процессом полимеризации. При этом движение фронта
Пропитки прекращается после заметного повышения вяз-
кости мономера и последующего перераспределения мо-
номера не наблюдается. Однако сохраняется размы-
тость фронта пропитки, которая даже может возрастать,
Так как при укрупнении молекул способность мономера
к пропитке меняется постепенно: вначале теряется спо-
4* 51
собность к заполнению мелких капилляров и пор, а за-
тем более крупных. Здесь в известной мере проявляется
роль бетона как молекулярного сита. Размытость фрон-
та фиксируется в процессе полимеризации. Одиако пере,
ходная зона имеет несколько иную структуру, чем в слу. ।
чае, когда процессы пропитки н полимеризации выполня-
ются отдельно. Если в последнем случае на внешней
границе пропитки вследствие перераспределения мономе-
ра после ее окончания заполняются мельчайшие поры н
капилляры, то в первом случае заполняются, наоборот, бо-
лее крупные поры и капилляры. В результате уменьша-
ется глубина переходной зоны, и более резко изменяются
свойства при переходе от пропитанного слоя к основно-
му бетоиу.
Уменьшение объема мономера при полимеризации
может вызвать его стягивание в определенных микро-
объемах на первой стадии полимеризации, когда фор!
полимер обладает значительной подвижностью. В ре-
зультате в полимере, расположенном в крупных пора',
бетона, образуются усадочные поры и микротрещины,
также возможно появление разрывов в полимерной фа-
зе. Это оказывает некоторое влияние на свойства бето]
иополимера. Чем тоньше в бетоне капилляры н порЛ
тем сильнее взаимодействие мономера и полимера с твер|
дой минеральной фазой и тем в меньшей мере проявля-
ется возможность возникновения разрывов полимера
в большей степени эффект преднапряжения (см. с. 85)
Соответствен но в меньшей мере снижается предельно до-
стижимая прочность бетонополимера. Поэтому в бетона!
с тонкими порами и капиллярами полимер используете!
прн пропитке более эффективно, чем в бетоне с крупны-
ми порами1.
Для получения бетонополимера высокого качества!
важно не только осуществить качественную пропитку, но
и сохранить достигнутую степень насыщения бетона при
полимеризации. Необходимо еще раз подчеркнуть, чтя
неправильные режимы полимеризации нередко приводя!
к получению недобракачествеиного бетонополимера. Эта
связано с высокой способностью мономеров к испарению!
вследствие малого парциального давления их газов.
На рис. 3.8 показана зависимость интенсивности ис-
парения от радиуса пор, полученная в опытах С. И. Ка-
1 Это положение с точки зрения сорбционных явлений и дей-
ствия поверхностных сил рассмотрено ниж?.
52
занцева и А. В. Новико-
вой. Наличие тонких пор
и капилляров несколько
повышает интенсивность
испарения, однако нали-
чие в бетоне пор разных
размеров и полимериза-
ция мономера вносят су-
щественные коррективы в
процесс испарения. Преж-
де всего испарение моно-
мера с поверхности из
тонких пор бетона сопро-
вождается их наполнени-
ем за счет отсоса моно-
мера из более крупных
пор. И этот процесс длит-
ся вплоть до момента по-
тери мономером способ-
Рнс. 3.8. Зависимость интенсивности
испарения qn от эффективного радиу-
П°Р гэф
Рнс. 3.9. Зависимость потерь ДМ моно-
мера от аффективного радиуса пор и
вида инициатора полимеризации
/ — перекись бензоила 1,2%; 2 — поре-
фор 0.3%; 3— порофор 0.4 %
ности к перемещению.
В результате оказывают-
ся обедненными затвер-
девшим полимером круп-
ные поры, капилляры и
микротрещины. В некото-
рых из иих наблюдается
почти полное отсутствие
полимера, так как наря-
ду с испарением из мел-
ких пор происходит и ис-
парение из крупных пор и
мнкротрещии.
При начале полимери-
ризации укрупняющиеся
молекулы полимера теря-
ют подвижность в первую
очередь .в более мелких порах. В результате эти поры
оказываются закупоренными и испарение из иих резко
сокращается. При термокаталитической реакции к этому
добавляется и возможный эффект закупорки подобных
пор и капилляров более крупными молекулами инициа-
тора. В результате при полимеризации из бетона с бо-
лее крупными порами может испариться больше моно-
мера, чем из бетона с бол^е мелкими порами, или в ре-
53
зультате противоположного влияния рассмотренных фак-
торов интенсивность испарения из бетона с разным раз-
мером пор количество испаренного мономера может ока-
заться приблизительно одинаковым (рис. 3.9). Однако
вследствие более быстрого уменьшения испарения в про-
цессе полимеризации из бетона тонкопористой структу-
ры потери мономера будут меньше.
Потери мономера уменьшаются и при проведении по-
лимеризации в закрытых сосудах особенно с небольшим
объемом свободного пространства, так как последнее
быстро насыщается парами мономера и испарение за-
медляется. При радиационной полимеризации потери
мономера при прочих равных условиях оказываются
меньше, чем потери при термокаталитической полимери-
зации, когда нагрев материала резко интенсифицирует
процесс испарения. Для предотвращения нежелательных
потерь мономера необходимо предусматривать специаль-
ные меры. Одной из таких мер является полимеризация
в жидкой среде — воде, глицерине и т.д. С точки зрения
физико-химии здесь необходимо остановиться иа эффек-
те, названном нами условно мембранным. Большинство
сред, используемых для полимеризации, способно раст-
ворять мономер, хоть и в очень незначительных количе-
ствах. Вследствие этого, если слой защитной среды иад
образцом имеет малую толщину, мономер, растворен-
ный в среде, испаряется с ее поверхности, а на место
испарившегося мономера поступает новый нз образца
или изделия. Происходят, хоть и незначительные, поте-
ри мономера из поверхностных слоев бетона. Эти потерн
возрастают с увеличением растворимости мономера в
среде, его лучшей испаряемости и площади среды, с ко-
торой мономер может испаряться. Вследствие конденса-
ции мономера на внешней поверхности образца возмож-
но появление небольших участков пленок полимера иа
поверхности изделия. Поэтому следует применять за-
крытые контейнеры и при использовании изолирующих
жидких сред.
На рис. 3.10 показан срез образца цементного кам-
ня после пропитки и полимеризации. На фотографии
видно расположение пропитанного слоя, который огибает
микротрещины, облегчавшие пропитку. Заметна пере-
ходная зона.
Поверхностные явления, наблюдающиеся при пропит-
ке, проявляются в деформациях образца, которые как бы
54
отражают интегральную картину воздействия ряда фак-
торов на материал образца. Автором совместно с
С. И. Казанцевым и В. В. Кагнером проводилось изме-
рение деформации цементного камня и бетона при про-
питке на специальной установке (см. гл. 10) (рис. 3.11).
Эти опыты показали, что существенное влияние на де-
формации оказывают эффективный радиус пор, содер-
жание инициатора и тот
факт, свежим мономером
или мономером повторного
использования проводится
пропитка. Очевидно, в по-
следнем случае проявляет-
ся избирательная адсорбция
мономера и инициатора или
эффект молекулярного сита.
Деформации материала
при пропитке могут иметь
отрицательное и положи-
тельное значения, однако
чаще всего при пропитке мо-
номером в отличие от про-
питки водой наблюдается
усадка образца, возрастаю-
6)
К
Рис. 3.10. Срез цементного камня
после пропитки н полимеризации
Рис. 3.11. Деформации цементного
камня и бетона в процессе пропитки
а — деформации цементного камня
при пропитке метилметакрилатом с
добавкой перекиси бензоила 0.8%;
б — то же, с добавкой порофора
0,3%; в — деформации бетонов раз-
аых составов при пропитке метил-
метакрилатом с добавкой порофора
0.4 %; 1, 2, 3 — последовательные
пропитки образцов-близнецов в од-
ном н том же мономере без его
очистки после пропитки; 4 — бетон
на гранитном щебне с расходом це-
мента 320 кг/м’, Л/Ц=0,5; 5 — то же,
Ц—415 кг/м3, В/Ц=0,54; б —то же;
14=575 кг/м’, В/Д=0.3; 7 - то же,
Ц=645 кг/м3, б/Ц=0,38
И-------Г
40 80
щая с увеличением расхода цемента и уменьшением эф.
фективного радиуса пор. Усадка от пропитки может сум-
мироваться с усадкой от сушки. В результате в цемент-
ном камне могут возникать заметные внутренние напря-
жения. При сушке в цементном камне возникают ослаб-
ленные зоны, в которых при пропитке возможно появленю.
трещин. В опытах приходилось наблюдать появлИ
Рис. 3.12. Внешний вид образца цементного камня с трещинами, ооявнвшими* |
ся при пропитке
Рис. 3.13. Зависимость структурного критерия К от среднего радиуса пор ад-
сорбента
о —адсорбаты —вода qh бутниол; б — адсорбаты — вода и ММА; /-снлика.
гель КСМ (гср=9,8 А); 2 — силикагель КСС (гср -=29,6 А); 3 — силикагель
КСК (гср --66 А); 4—6 — образцы цементного камня
56
ие трещин при пропитке цементного камня (рис. 3.12),
если обработка проводилась по интенсивным режимам,
а прочность камня была низкой. В растворах и бетонах
подобное явление ие наблюдалось. Однако в изделиях
больших размеров необходимо учитывать влияние усад-
ки на свойства материала, так как усадка от сушки и
пропитки может суммироваться с усадкой от полимери-
зации.
При пропитке высокоплотных бетонов мономерами с
растворенными в них катализаторами возникают опре-
деленные трудности, связанные с тем, что бетой (точнее,
гидросиликатный гель, 80 % объема пор которого со-
ставляют поры размером 20—40 А) обнаруживает свой-
ства молекулярного сита,
Наличие молекулярно-ситового эффекта у силикат-
ных материалов установлено нами с Д. А. Угинчусом с
помощью метода десорбционного термического анализа
в опытах с водой и бутанолом. Для исследования струк-
туры цементных материалов был предложен безраз-
мерный структурный критерий, являющийся отношением
адсорбционных объемов:
К = (^Н,0 “ ^СД]„о)/^Н,О- (3 •1)
Изменение характера пористой структуры цементных
материалов моделировалось серией силикагелей с воз-
растающим средним радиусом пор (9,8; 29,6; 66 А).
Установлена четкая корреляция между структурным
критерием и средним радиусом пор адсорбента (рис.
3.13, а). Аналогичные результаты получены при исполь-
зовании в качестве адсорбатов воды и ММА [21] (рис.
3.13,6). Характерно, что экспериментальные точки для
различных образцов цементного камня на рис. 3.13 со-
ответствуют средним радиусам пор 20—40 А, что хорошо
согласуется с данными, полученными независимыми
методами.
В процессе дальнейших исследований сорбционных
свойств цементного камня были определены структурные
критерии идентичных образцов цементного камня с ис-
пользованием в качестве адсорбатов воды и ряда орга-
нических жидкостей (метанола, бензола, бутанола,
ММА, гексана, стирола, гидроперекиси кумола и гепта-
На) с монотонно возрастающим размером молекул.
Не располагая данными о радиусах молекул этих
57
соединений, усредненных по всем возможным конфор-
мациям, мы использовали в расчетах полуэмпирическую
модель межмолекулярных взаимодействий в жидкости,
предложенную Л. Оизагером.
В соответствии с этой моделью исследуемая молеку-
ла рассматривается как условный точечный диполь, рас-
положенный в центре полой сферы радиуса (так назы-
ваемый онзагеровский радиус), находящейся в иепре-;
рывиой среде диэлектрика. Использование модели
Оизагера позволило предложить довольно простые и до-
ступные для экспериментальной проверки зависимости,]
в которых размеры молекул определяются по макроско-
пическим свойствам жидкостей. Хорошим приближением
для расчета оизагеровского радиуса ах молекулы X яв-
ляется соотношение
где р и М — плотность и молекулярная масса жидкостей.
Онзагеровский радиус бензола С6Нб принят равным
3,5 А.
Результаты расчетов а0 и измерений Л’, а также зна-
чений вязкости т] и дипольных моментов ц жидкостей|
приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Влияние вида адсорбата на критерий К
Адсорбат м р т), МПа - с а0. А н. D К 1
НоО 18,02 1,0000 1,000 2,34 1,84 0
СН4О 32,04 0,7928 0,597 2,48 1,71 0,441
74,12 0,8098 2,950 3,53 1,63 0,707
С,н, 78,12 0,8790 0,649 3,50 0 0,743
84,16 0,7785 0,949 3,68 0 0,766
с,н„ 100,20 0,6838 0.417 3,96 0 0,857
100,12 0,9360 0,767 3,66 1,67 0,729
с,н, 104,15 0,9060 0,768 3,73 0-0,37 0,755
СдН12С>2 152,19 1,0590 1,020 3,95 1,81 0,851
Значения К для метанола, гексана и гептана нахо-
дятся в хорошем соответствии с расчетами по литера-
турным данным. Вязкость ММА, стирола и гидропереки-
си изопропилбензола рассчитаны по данным [43].
Данные табл. 3.1 свидетельствуют, что для исследо-
ванных жидкостей отсутствует зависимость между вяз-
58
КОСТЬЮ или дипольным
моментом и критерием К,
количественно характе-
ризующим степень адсор-
бции адсорбата иа це-
ментном камне. По-види-
мому, это объясняется
тем, что вязкость изменя-
ется в сравнительно узких
пределах и ее значение
существенно сказывается
только иа кинетике про-
цесса, но не на его полно-
те, а также тем, что взаи-
модействие «адсорбент —
адсорбат» в данной серин
жидкостей в основном оп-
ределяется дисперсион-
ными и индукционными, а
не ориентационными си-
лами Ваи-дер-Ваальса
[50].
В то же время уста-
новлена корреляция меж-
ду структурным критери-
ем К и онзагеровским ра-
диусом молекул «о (рис.
3.14), свидетельствующая
о наличии молекулярно-
ситового эффекта. 'В част-
ности, гидроперекись ку-
мола (а0=3,95 А) про-
никает в структуру це-
ментного камня; в значи-
тельно меньшей степени,
Рис. 3.14. Зависимость между структур-
ным критерием К цементного камня н
онзагеровским радиусом молекул а,
адсорбатов
1 — метанол; 2 — бензол; 3 — бутанол;
4 — ММА; 5 — гексаи; 6 — стирол; 7 —
гидроперекись кумола; 8 — гептан
Рис. 3.15. Зависимость между относи-
тельным увеличением площади полосы
на ИК-спектрах с частотой 3440 см-1
и минимальным радиусом пор, фильт-
рующих раствор гидроперекиси кумола
в ММА
чем стирол (3,73 А) и тем более ММА (3.66 А).
Для подтверждения этих результатов нами для
Исследования сорбционных явлений применен метод
ИК-спектроскопии [35, 83]. Дозированные порции ММА
с 3 %-ной концентрацией гидроперекиси кумола продав-
ливали в идентичные образцы цементного камня при
Давлениях 0,5—12 МПа в течение 1 ч.
Радиусы пор, доступных для адсорбата при опреде-
59
леиных давлениях, рассчитывали по формуле Уошберна
[24]. Изменение концентрации гидроперекиси кумола в
остатке ММА определяли по изменению площади era
полосы с частотой 3440 см-1 (характерной частоты ассь.
циированной О—Н связи).
Рис. 3.15 демонстрирует четкую корреляцию между!
относительным увеличением площади полосы с частотой
3440 см-1 и минимальным радиусом пор, в которые пре.
давливали мономер.
Автором и С. И. Казанцевым для оценки влияния
сорбционных явлений на степень заполнения пор монете
мером был использован критерий, названный коэффнци-1
еитом степени насыщения пор мономером Кя;
^a=(Vs-W)/Vnof (3-3)
где Упор — объем общей доступной пористости цементного камня; =,
У в — максимальное водопоглощеиие под вакуумом; Умма—°бъеи 1
поглощенного мономера.
В опытах одновременно фиксировали значения Л» I
поверхностное натяжение, кинетику пропитки, деформа-
ции, внутренние напряжения и изменение температуры |
в образце, пропитываемом метилметакрилатом с различ-1
нымн инициаторами.
После пропитки образцы-балочки 4X4X16 см под-И
вергали термокаталитической полимеризации и нспыта-И
иию на сжатие и изгиб.
Таблица 3.2. Влияние вида и концентрации инициатора
иа свойства бетонополимера
Вид инициатора Концентрация инициатора, % а Деформации усадки!Д/, % а, Н/м я 4> О 5§ в Е ж 5? Ой с и о » 1 ЕясЖ
Перекись бен- зоила 1,2 1.6 0,33 0,55 0,022 0,011 37,3 45,4 15,6 29,9 52 1 86
Перекись лау- рила 3 4 0,52 0,45 0,01 0,09 36,1 39,2 12,1 6,5 91 120
Гипериз 7 9 0,52 0,38 0,016 0,014 36,9 36,6 4,2 5,6 118 I 165
Порофор 0,1 0,3 0,41 0,39 0,008 0,004 38,4 38,0 7,1 5,7 176 1 222 |
60
Выборочные резуль-
таты этих опытов пред-
ставлены на рис. 3.16
и В табл. 3.2, из кото-
рых следует, что про-
цесс пропитки образ-
цов можно условно раз-
делить па трн периода.
Первый является пе-
риодом ннтеисивного
насыщения, когда де-
формации образца наи-
более значительны.
Этот период наступает
сразу же после погру-
жения образца в жид-
кость н снятия вакуума
и характеризуется тем,
что образец впитывает
до 80—90 % всего объ-
ема насыщаемой жид-
кости, по всему сече-
нию образца поннжа-
Рис. 3.16. Взаимосвязь изменения ха-
рактеристик образца в процессе про-
питки цементного камня метилметакри-
латом
I — относительные деформации А/; 2 —
объемное насыщение ДК; 3 — измене-
ние температуры Л/; 4 — ток индукции
в датчике ЦНИИСКа для измерения
внутренних напряжений о; 1 — началь-
ный период: // — переходный период;
III — период перераспределения жид-
кости
ется температура, а в
образце развиваются напряжения усадки. Второй пери-
од можно условно назвать переходным, когда отмечен-
ные выше процессы ослабевают; в некоторых случаях
наблюдается частичное набухание бетона, что в свою
очередь вызывает снижение внутренних напряжений и
некоторое повышение температуры образца. Эти явле-
ния связаны с постепенным возрастанием взаимодейст-
вия мономера и мельчайших элементов структуры бето-
на. Наиболее заметно это проявляется в третьем перио-
де, когда крупные поры и капилляры оказываются за-
полненными н главенствующее значение приобретает пе-
рераспределение жидкости в мельчайшие гелевые поры
Цементного камня. В этот период деформации усадкн
вначале проявляются, а затем постепенно затухают, а
также уменьшается изменение объемного насыщения н
температуры.
Конечно, возможны определенные отклонения от опи-
санного выше процесса, что будет вызываться изменени-
ем Условий пропитки, структуры и состава цементного
камня и другими факторами. Но в общем виде явления,
61
наблюдаемые при пропитке, будут соответствовать опц.
саниой последовательности.
Объемное насыщение цементного камня водой в на-
ших опытах составило 26—26,8 %, что практически со-
ответствовало значениям общей доступной пористости
камня. Степень насыщения образцов мономером без
инициатора определялась видом ингибитора и составила
23,3—23,8 % для ММА с дифенилпропаном и 22,4—,
22,6 % для ММА с гидрохиноном. Значения Хн для ме-
тилметакрилата приблизительно оказались равными
0,1—0,16, что свидетельствует о проникании мономера в
мельчайшие поры и высокой адсорбции мономера це-
ментным камнем. Введение же инициаторов существенно
повысило значения Хн, т.е. повлияло на процессы, про-
исходящие при пропитке, и отразилось на конечной проч!
ности бетонополимера (см. табл. 3.2).
Как уже указывалось, при пропитке мономерами1с
различными инициаторами чаще всего наблюдалась
усадка образцов; при пропитке водой набуханию образ-
цов предшествовала небольшая усадка, значение и про,
должительиость которой зависели от вида воды и давле-
ния при насыщении. В частности, при использований
вакуума усадка уменьшалась и набухание возрастала
При пропитке бензином наблюдалась интенсивная уса|
ка, которая достигала 0,3 %. Степень деформации пр»
пропитке мономером с различными инициаторами опрр
делились видом инициатора (см. табл. 3.2).
Изменение концентрации инициатора влияет на кое
эффициент поверхностного натяжения жидкости и иа
молекулярно-ситовый эффект. Поэтому увеличение Кн Я
большинстве случаев сопровождается уменьшением дг
формаций усадки. Это объясняется тем, что на послеЯ
нюю решающее влияние оказывают сорбционные явле-|
ння, а увеличение Кн свидетельствует о меньшей адИ
сорбции мономера с инициатором поверхиостио-твердоЯ
фазы бетона и менее полном заполнении мельчайших пор!
и капилляров.
С другой стороны, казалось бы, с увеличением КI
должны были бы уменьшаться прочность бетонополимеЯ
ра, так как в этом случае как бы уменьшается объемЯ
полимера, сорбированного твердой фазой, н число тонЯ
ких волокон полимера, т. е. объем той части полимера,!
вклад которой в повышение прочности бетона при про-1
пнтке наиболее существен. А в опытах наряду с подоб-1
62
м эффектом наблюдалось и обратное явление. Этот
парадокс объясняется двумя факторами.
п с одной стороны, оптимальные дозировки инициато-
ра в бетоне несколько большие, чем при полимеризации
^номера в блоке, вследствие сорбции инициатора твер-
дой фазой бетона и наличия молекулярно-ситового эф-
фекта. С другой стороны, адсорбция инициатора в тонких
капиллярах, размер которых близок к размеру его моле-
кулы, вызывает нх кольматацию. В результате стано-
вятся менее доступными для инициатора и частично для
мономера более глубокие участки капилляров н даже от-
носительно крупные поры н капилляры, сообщающиеся
между собой через узкие горла кольматированных мнк-
рокапилляров, что приводит к снижению степени насыще-
ния образца мономером, а главное — наблюдается нерав-
номерное распределение инициаторов в мономере: более
высокое в поверхностных слоях с постепенным уменьше-
нием в глубину образца, т. е. заметно проявляется моле-
кулярно-ситовый эффект. Вследствие этого явления иа
определенной глубине нли в определенных объемах об-
разца инициатор может отсутствовать и проникший
сюда мономер при нагреве не заполимеризуется и со
временем испарится. Тем самым потери мономера при
полимеризации могут косвенно оценивать молекулярно-
ентовый эффект (рис. 3.17).
При небольшой концентрации инициатора он сорби-
руется в поверхностных слоях бетона и его оказывается
недостаточно для проникания иа всю глубину образца,
что приводит к заметным потерям мономера, увеличению
пористости конечного продукта и снижению его прочно-
сти. Увеличение концентрации инициатора хотя и вызы-
вает видимое увеличение К», однако обеспечивает более
глубокое проникание инициатора, уменьшение потерь
мономера и соответственно повышение прочности бето-
вополимера.
Определенное значение имеет также влияние инициа-
тора на процесс полимеризации: оптимальное содержа-
ние инициатора обеспечивает полноту превращения и
высокую прочность получающегося полимера.
Результаты опытов показывают условность коэффи-
циента Хн, который заметно зависит от размеров образ-
ца. Видимое увеличение Ки может быть связано ие толь-
Но с изменением свойств пропитываемой жидкости н ее
взаимодействием с твердой фазой бетона, ио и с тем, что
63
Рис, 3.18. Зависимость прочности на
сжатие пропитанного цементного камня
от относительных деформаций
Рис. 3.17. Влияние коэффициента степени насыщения Кн иа потери мономер
(а) и прочность бетонополимера прн изгибе (б)
I — перекись бензола; 2 — перекись лаурила; 3 — порофор; 4 — гипериз 1
прн увеличении концентрации инициатора возраста^
относительный объем бетона, насыщенного мономером
с инициатором, н убывает объем бетона, насыщенного
только мономером, что естественно сказывается на опре-
деляемом в опытах Хн, который является в известном!
смысле интегральной характеристикой.
На значение Хн и характер распределения мо
номера с инициатором по
сеченню образца заметь
ное влияние оказывав*
вид инициатора. Напрн
мер, в образцах, пропИ-<
тайных метилметакрнла
том с перекисью бензои
ла, наблюдается монотон-
но убывающее к центру
распределение полимера в
цементном камне с наич
большей плотностью по
периметру образца н
наименьшей в центре, чтЛ
очевидно, вызвано соот-
ветствующим распред еле!
нием инициатора прн про-
питке. В образцах с псре-
64
ьисью лаурила пропитанная зона резко отличается от ие-
пропитаннон, причем возникшие в процессе сушки и про-
питки микротрещины и трещины образуют сложную
картину распределения полимера. При пропитке метил-
метакрилатом с гипернзом распределение имеет вид по-
ля с нерегулярно чередующимися светлыми и темными
v частками случайной площади (темные участки соответ-
ствуют более полному насыщению полимером, светлые —
менее полному). Наилучшее и более однородное насыще-
ние достигается при применении порофора, когда срез
образца имеет ровный одинаковый цвет.
С повышением концентрации инициатора увеличива-
ются глубина пропитанного слоя и насыщение его поли-
мером вследствие уменьшения потерь мономера, более
равномерно распределяется полимер. Соответственно по-
вышается прочность бетонополимера.
Таким образом, поверхностные явления, наблюдаю-
щиеся при изготовлении бетонопо ли мерных изделий, ока-
зывают большое влияние как на сам процесс, так и иа ко-
нечные свойства бетонополимера. Поэтому нх необходи-
мо учитывать прн выборе технологических режимов и
прогнозировании свойств материала.
В процессе производства трудно непосредственно кон-
тролировать глубину и равномерность пропитки, которые
в известной мере будут определять свойства бетонополи-
мера. Обычно этн характеристики устанавливают кос-
венными методами. В этой связи определенный интерес
может представлять зависимость свойств бетоиополиме-
ра от деформаций образца прн пропитке, полученная в
опытах С. И. Казанцева н В. В. Кагнера (рис. 3.18).
Вместе с тем необходимо отметить, что эта зависимость
является ориентировочной, она проявляется при опреде-
ленных условиях пропитки и в ряде случаев от нее воз-
можны заметные отклонения. Это объясняется тем, что
изучение поверхностных явлений прн пропитке н полиме-
ризации бетона началось сравнительно недавно и многие
вопросы здесь еще ждут своего решения. В частности,
еЩе не выяснено влияние минералогического состава це-
мента на этн явления, не раскрыты избирательность ад-
сорбционных свойств минералов цементного камня по от-
ношению к разным мономерам и инициаторам, влияние
температурного фактора н ряд других вопросов, изучение
которых будет способствовать повышению эффективно-
сти производства и качества бетоиополимеров.
>—2Ю
65
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
УПРОЧНЕНИЯ БЕТОНОВ
ПРИ ПРОПИТКЕ ПОЛИМЕРАМИ
Прн пропитке бетона мономером с его последуюц
полимеризацией в порах и капиллярах бетона проис»
дят сложные физико-химнческне процессы, в результи
которых в несколько раз возрастает прочность матер»,
ла. Увеличение прочности и стойкости бетона в эт
случае обусловлено рядом факторов, наиболее сущест
вениыми из которых являются: уменьшение общей'порщ
тостн материала за счет заполнения пор и капилляроЕ
бетона полимером; «залечивание» дефектов в структур
бетона и снижение вследствие этого концентрации на-
пряжений; наличие объемного полимерного каркаса, об
жимающего бетонный скелет н работающего совмес ло |
с бетоном; увеличение сцепления между цементным кам
нем и заполнителем; физико-химическое взаимодействие
полимера и высокоразвитой твердой поверхности И
ментиого камня в бетоне; наличие полимерной пленки
иа поверхности порового пространства, затрудняющей
образование микротрещнн, н многочисленных тонких во-
локон полимера, образующихся в капиллярах бетон!
обладающих повышенной прочностью и модулем упру-
гости.
В процессе пропитки бетона мономером с его после-
дующей полимеризацией резко уменьшается пористое»
материала, хотя не все поры бетона полностью запели*
ются, так как мономер не может проникнуть в замкгм-
тыс поры и мельчайшие капилляры. Кроме того, вслв
ствие усадки мономера прн полимеризации возникал
усадочные поры. Поэтому в бетопополнмере имеется не-
которое число замкнутых пор, практически не сообща-
ющихся между собой. Объем этих пор зависит от струя
туры бетона и свойств пропитывающей жидкости. Умен;
шеиие пористости бетона должно вызвать повышение ei'
прочности, причем степень этого повышения будет О’1'
ределяться рядом факторов.
Автором совместно с Р. С. Угинчусом и Г. А. УлитР"
ной была изучена зависимость прочности пропнтаииотЧ
бетона от объема пор, оставшихся не заполненными п<1-
лнмером.
Объектом исследования служили кольцеобразны*
образцы — фрагменты труб, формуемых методом осевЯ
66
Таблица 3.3. Составы мелкозернистого бетона
Яр. «Па Расход материалов на 1 м1 бетона В/Ц
портландцемента 500, кг песка кварцевого 4- +гранитного отсева, кг
2 3,5 350 1870 0,53
450 1730 0,49
4,5 550 1620 0,40
5,5 600 1570 0,38
7 700 1460 0,34
го ротационного прессования, с внутренним диаметром
00 мм н толщиной стенки 14 мм. Составь» бетонных
смесей приведены в табл. 3.3. Пропиточный материал —
.метилметакрилат (ММА), способ отверждения— термо-
каталитический, инициаторы полимеризации — гидропе-
рекись кумола и перекись бензола.
Прочность кольцеобразных образцов на растяжение
определяли с помощью прибора, состоящего из цилинд-
рической герметичной резиновой камеры, служащей для
передачи внутреннего гидростатического давления, и
винтового пресса. Растягивающие усилия на внутренней
и наружной поверхностях образцов определяли по фор-
муле Ляме, осреднеиное значение Р'г — по формуле
для толстостенных цилиндров:
/?;=р[24/(г2-4)];
ЯрР = [ гвн/(гн ~ гвиЯ ’
гн. 'пн — наружный и внутренний радиусы кольцеобразного об-
разца; р — внутреннее гидростатическое давление.
После пропаривания бетонных образцов их высуши-
®а"’1и до постоянной массы прн 150 °C. Затем определяли
пористость бетона методом десорбционного термического
налнза. По завершении процесса полимеризации с по-
°Щью аналитических весов определили приращение
ассы образцов в результате пропитки ПММА. На ос-
°ваиин этих данных вычисляли пористость бетона, про-
"Итанного ПММА:
ЛБПМ = ЛБ — (^пммд/рпммл).
5*
67
Результаты исследований приведены на рис. 3.19.
Зависимость /?р=/(П) хорошо описывается фор^у
лой Е. Рышкевича
а = ст0<?~пП,
где п — коэффициент, изменяющийся симбатно коэффициенту к .
центраиии напряжений на концах пор, т. е. определяемый в кои*
ном счете конфигурацией пор.
По А. Гриффитсу и Е. Ороваиу, наибольшее part |
гивающес напряжение иа конце щелеобразиой поры рав-
но:
’макс - 2о VT77.
где с —половина ширины поры; р —радиус кривизны края пг/ы.
Физический смысл п0 достаточно ясен — это пр -ч-
ность межпоровых перегородок, которые в некотори
приближении рассматриваются как тела, лишенные пор.
На рис. 3.19 приведены данные, полученные нами тля
мелкозернистого бетона, пропитанного ПММА (/?₽—
=42 ,зП), а также данные Р. Кондо и М. Даймона
(ЙР=23,8 е_1°’6п) и Д. Рой и Г. Гоуды (/?р=8,5е~1;"5
обобщающие многочисленные зависимости для цемен^
иого камня.
Характерно, что коэффициент п в формуле (3.4) Л
материалов, полученных литьем или спеканием (ме«в
0,0/ 0,0* 007 0,1 0,73 П,отнеВ
Рис. 3.19. Зависимости =ДП)
/ — мелкозернистый бетон, пропитан-
ный ПММА; 2. 3 — цементный камень
по данным [105]
лов, керамики), фор*
пор которых значитеД-ио
ближе к сферической, чех
у цементных материалов,
колеблется в предел»
4—7, а для цемеитиЫ»
материалов он значите.»
ио больше (15—18). ।
Можно констатир*
вать, что роль пор кв
концентраторов напря*г‘
ний при пропитке цеме,
ных материалов полип*"
рами в определенной ci*
пени снижается (п==
= 12,6). Таким образ»1’
очевидны два факторе
упрочнения материала
68
олнспие порового пространства н изменение конфн-
за°ации (увеличение сферичности) пор.
пР^ некоторой долей условности примем о0 в формуле
„41 эквивалентной прочности межпоровых перегородок.
По полученным данным, для мелкозернистых бетонов,
ппопитанных ПММА, прн осевом растяжении Оо =
7.42 МПа. Многочисленные экспериментальные данные
Тад цементного камня свидетельствуют о значительно
меньшей прочности минерального скелета (ао=8...
'24 МПа). Наиболее вероятным фактором, обусловли-
вающим упрочнение минерального скелета, является
сопротивление пленки полимера раскрытию микротре-
щин.
В этом случае жесткость полимера должна быть со-
измерима с жесткостью минеральной матрицы; однако
хорошо известно, что модуль упругости ПММА в блоке,
как минимум, на порядок ниже модуля упругости це-
ментного камня'и бетона.
С другой стороны, известно, что свойства системы
«цементный камень (бетон)—ПММА» не аддитивны по
отношению к свойствам компонентов. В частности, экс-
периментальные значения модуля упругости цементного
камня пропитанного ПММА, в 1,7—1,3 раза выше рас-
считанных по мнкромехаинческому уравнению Халь-
пина — Тсая, аналитически описывающему аддитивность
механических свойств двухфазной системы [108] Причи-
ны этого явления могут быть объяснены с позиций хими-
ческой н физико-химической гипотез.
Химическая гипотеза основана на предположении о
взаимодействии макромолекул полимера с матрицей с
возникновением химических связей; естественно, химиче-
скому процессу (хемосорбции) предшествует физическая
адсорбция, но в основе своей данная гипотеза лостули-
РУет химическое взаимодействие. В результате химичес-
кого взаимодействия возрастает адгезия, в частности,
пРи наличии доиорно-акцепториых пар [32]. Кроме того.
в процессе отверждения полимера происходит потеря
Водвнжностн его сегментов у активных центров поверх-
ности, что вполне может привести к изменению морфо-
логии и свойств пограничного полимерного слоя.
В соответствии с физико-химической гипотезой струк-
уРа граничных слоев полимеров меняется в результате
Дорических эффектов, ограничивающих подвижность
Макромолекул или их сегментов из-за ориентирующего
69
влияния твердой поверхности [49]. Немаловажное значе-
ине придается энтропийному и энергетическому вэаимо.
действию полимера с твердой поверхностью [54], а так-
же давлениям в адсорбционных слоях [106].
Впервые вопрос о возможных химических реакциях
между цементным камнем и пропитывающими его моно-
мером н полимером исследовали Дж. Гебауэр и Р. Коу.
дин [144]. Предметом исследования служила система
<Са(ОН)г—метилметакрилат». По их данным, в бето-
не, пропитанном полиметилметакрилатом, отсутствует
портландит (по данным ДТА). По этому косвенному
признаку исследователи пришли к выводу, что Са(ОН);
вступает в реакцию с метилметакрилатом и его полиме-
ром. II
Автор и С. Милков на рентгенограмме продуктов! I
взаимодействия ММА-гСа(ОН)24-Н5О (в соотношенииI
10:5:1) также ндентифицировалн гидрат метакрилатов
кальция (межплоскостиые расстояния 12,8; 7,03; 6,35. I
8,52; 5,56; 4,57 А). В безводной системе новообразова-11
ний ие обнаружено. I
По данным А. Оскерна [144], на термограмме смеси'I
Са(ОН)г с метилметакрилатом обнаруживается новы»||
эффект прн температуре около 430°C, который можно!!
отнести за счет диссоциации кальциевой соли метакри-41
ловой кислоты. Аналогичное мнение было высказан1
Л. Кукачкой с сотрудниками. В более поздней работе'
Брукхейвеиской национальной лаборатории диссоциация!
кальциевой соли метакриловой кислоты ядеитнфициру-J
ется по эффекту при 470 °C [133].
При исследовании безводных систем «Са(ОН)г-И
ММА (ПММА)» образования новых соединений не на-1
блюдалось. Детальное исследование таких систем метод
дом ДТА проведены В, Ромачандрой н П. Середой!1
[182]. Установлено отсутствие взаимодействия между 1
гидратированным цементом и ПММА в процессе нмпре-И
гнирования н полимеризации.
Уменьшение интенсивности пика диссоциации!
Са(ОН)г эти исследователи относят за счет возможного!
взаимодействия между ПММА и Ca(OHh в процессе на- 1
грева пробы в печн прибора.
Аналогичные результаты получены Я. Коошем [105].!
Образец портланднта через год после пропитки ПММА!
обрабатывали бензолом. Исследование вытяжкн в бензо- I
70
е на кварцевом спектрометре присутствия кальция не
обнаружило. Нерастворимый остаток, по данным дери-
патографнческого анализа, содержал 99,9% Са(ОН)2.
Взаимодействия между ММА (ПММА) и другими
минералами цементного камня не наблюдалось [133].
При полимеризации ММА в контакте с гидратиро-
ванными клинкерными минералами в присутствии воды
идентифицирован гидрат метакрилата кальция (дифрак-
ционные отражения 12,8; 7,03; 6,42; 5,56; 4,19; 3,63;
3.37 Л). Указанное соединение обнаруживается только
при наличии воды. Возможность образования подобно-
го соединения в присутствии волы обсуждается в работе
[105].
Резюмировать вышеизложенные соображения отно-
сительно взаимодействия ММА н Ca(OH)s можно сле-
дующим образом.
В присутствии воды реакция между метиловым эфи-
ром метакриловой кислоты н гидратом окиси кальция
протекает с образованием кристаллогидрата метакрила-
та кальция н метанола:
СН, СН,
2СН,=С—С=О+Са (ОН),+п Н,0-»СН,=С-С=0+2СН3ОН
О-СН, О,
TCa-mHjO
I
сн,=с-с=о
сн,.
Эта реакция, по данным [133], может идти только в
том случае, если вода присутствует в количестве не ме-
чет 5 % (по объему) количества ММА. Реакция доста-
точно быстро протекает при комнатной температуре н
вполне вероятна в нмпрегннрованных цементных матери-
алах в процессе полимеризации.
При меньшем удельном объеме воды в системе в
принципе возможна реакция с образованием безводной
с°лн и метанола:
СН, сн,
СН,= С—С=О+Са(ОН),->-СН!-С-С=О+СН,ОН.
ОСН, dcaOH
71
Эта реакция прн температурах до 105 °C имеет
ие малую скорость и в условиях производства импреЯ
рованных цементных материалов практического знача
иметь не может. Однако она вполне может быть при.?
ной исчезновения пика Са(ОН)а на дифференциальна,
термограммах, так как в печи прибора создаются зи«а
те.тьио большие температуры. Это обстоятельство мол
привести к ошибочному выводу об образовании метаю.,
лата кальция в системе «высушенный цементный м.
мель — ММА».
Реакция Са(ОН)2 с ММА обнаруживается прн изуц
нии индивидуального минерала —портландита. В гклц
минеральных композициях «цементный камень —ММА,
удельный объем портландита мал ((2—5 %), метакри-
лат кальция трудно идентифицировать иа рентгеногра
мах из-за интерференции эффектов клинкерных минера-
лов и их гидратов [101, 105], а также слабых лия]
ПММА, и о полноте реакции Са(ОН)2 —ММА исследо-
ватели вынуждены судить в основном по относительно*
уменьшению пика диссоциации Са(ОН)е) иа криви!
ДТА, что может быть обусловлено и методикой нспы~,
ний.
По нашему мнению, эта легко растворимая в в< ле
соль, даже если она образуется при полимеризации ММА
в порах цементного камня при наличии воды, составлки
малый удельный объем системы «цементный каменья
ПММА» и не может внести существенный вклад в cl*
тез свойств композиционого материала, где нсклкм;
тельио большую роль играют другие химические и
бенио физнко-химнческие факторы.
Ю, А. Спирин, А. Г. Ольгинский, Д. А. Угннчус про-
вели ИК-спектроскопическне исследования продукт-»!
взаимодействия ММА (ПММА) и гидратированных й5‘
дивидуальных клинкерных минералов. _ 1
Прн съемке ИК-спектров на спектрофотометре UR-1*
применяли метод таблеток [83].
Спектры снимали в диухлучевом режиме с примене-
нием четырехщелевой программы н при усилении в Дй‘
пазоие 400—3800 см-1. Я
На ИК-спектре портландита, пропитанного ПММ*
(рис. 3.20), помимо характеристической полосы поглЧ
щения портландита при 3624 см-1, набора полос ПМ"'
(755, 845, 1000, 1153, 1200, 1243, 1275, 1455, 1488, ИЧ
2957, 3000, 3400, 3530 см-') была обнаружена новая Я'
72
поглощения прн
,560см-1- ИК-спектрысн-
рМ иа основе тобермо-
и гипса кроме полос
Елглошеиня исходных ма-
ралов и ПММА харак-
теризуются появлением
«.большого пика в обла-
чи 1550—1560 см-1, луч-
ше разрешенного на ИК-
слектре гнпса. Появляет-
ся новая полоса при
1650 см-1 н на ИК-спект-
ре цементного камня,
пропитанного полимером.
Данная полоса погло-
щения, не относящаяся к
ИК-спсктрам исходных
Рис. 3.20. ИК-спектри области 1М0—
1800 см"1
I — исходных компонентов: а — ПММА:
б — портландит; в — тоберморит; г —
гипс: б —цементный камень; // — сис-
тем «исходные конпоненты+ПММА»,
в процессе полимеризации контактиро-
вавших с водой: III — тех же систем,
контактировавших с глицерином; IV —
систем е н-амннацетатом (АА): а — АА;
б —порт лай днт+АА; в — портландит+
+АА (после испарении эфира); в —то-
берморит+АА; д — гипс+АА
компонентов, свидетель-
ствует о существовании
химического взаимодей-
ствия между компонента-
ми исследуемых систем.
Взаимодействие ПММА с
минералами цементного
камня может определять-
ся его спецификой как по-
яяэфира. Наиболее реак-
ционноспособным цент-
Р'1 в молекулах ПММА является карбонильная груп-
и. поэтому естественно ожидать, что взаимодействие
пР°ходить именно по этой группе. Наличие
Уча елснных электР0ННЫХ паР У атома кислорода,
«вующего в карбонильной связи, обусловливает его
eecrnTDa как доиоРа электронов н возможность в соот-
связь л с этим образовывать доиорно-акцепториую
Кого Акцептором электронных пар в минералах цемент-
ом к0Е,а'мня м°жст выступать ион кальция с образовани-
э°вани екса или ВОДОРОД гидроксильной группы с обра-
евязи м воД°родиой связи. Прн образовании водородной
йабЛис карбонильной группой на ИК-спектрах должны
значительные смещения полос поглощения
нЫх г ТИпа ХН, Одиако заметных смещений гндроксиль-
^в, Нп Пп’ вх°Дящих в структуру исследуемых минера-
е отмечено.
7а
Способность минералов цементного камня образец
вать различные комплексы обеспечивается коордиив
оннымн возможностями иона кальция. При возбужден
атома кальция происходит Sp-гнбридизация н остаток
незанятыми две 4d- и пять Зй-орбиталей, на кото>*.
возможен переход электронных пар от донорных ио»лЕ
илн молекул.
При образовании комплекса за счет донорио-акл-.п
торного взаимодействия между ионом кальция крпсЖ.
лической решетки минералов н кислородом карбоик|ь
ной группы ПММА электроны связи С—О должны
сместиться к атому кислорода. Это вызывает понпжеик
кратности двойной связи, выраженное в увелнчеим;
межатомного расстояния между углеродом н кнслЛ
дом и уменьшении частоты валентных колебаний xapto-
ннльной группы. Таким образом, понижение кратиосг
связи С—О представляет собой вторичный эффект, to
провождающий образование координационной cslfci
О—Me.
Таким образом, новую полосу поглощения прн 155U-
1560 см-1 следует отнести на счет колебаний «полуЛ
иой> связи С+ + +О, характеризующей донорно-акш
торное взаимодействие между ионом кальция и кислоро-
дом карбонильной группы ПММА. Этот вывод подтв®
дается существованием обратной зависимости меМ
интенсивностями полос поглощения карбонильной гр|
пы прн 1734 см-1 и новой полосы прн 1550—1560 см"*
случае перехода от одной среды полимеризации к дрЯ®1'
(от воды к глицерину).
В том случае, если заключение о существова*
взаимодействия между исследуемыми минералами*
ментиого камня н ПММА справедливо, эти же минеру
должны образовывать подобные комплексы н с ДрУгПГ
аналогичными карбоннлсо держащими соединения**
Были исследованы суспензии минералов в сложных *
рах иа окошках из хлористого натрия [83]. Системы
метилметакрилатом обнаруживают на ИК-спектрах Т
бое поглощение в области 1540—1560 см~1, которое IM
зает по мере испарения эфира, что можно объяснить»
первых, неустойчивостью комплексов, образующих®,
легколетучнм метилметакрилатом, во-вторых, возД
ной конкуренцией образования комплексов за сче^и
норно-акцепторного взаимодействия по месту дв°
связи.
74
При использования менее летучего и-эмилового эфн-
а уксусной кислоты, не имеющего двойной связи в уг-
Ееродиой цепи, на ИК-спектрах изучаемых систем появ-
ляются довольно сильные полосы при 1550—1560 см-',
свидетельствующие об образовании устойчивого амии-
ацетатного комплекса на поверхности минералов цемент-
ного камня даже при отсутствии эфира.
Таким образом, методом ИК-спектроскопии установ-
лено, что прн пропитке цементных материалов полиэфи-
рами наблюдается химическое взаимодействие послед-
них с минеральной матрицей с образованием комплексов.
Подобного типа комплексы образуются на поверхности
кальциевых минералов и прн взаимодействии с другими
сложными эфирами.
Наиболее интенсивно и полно взаимодействует ММА
с портлаиднтом, менее полно — с тоберморитом, ксонот-
литом н гипсом, н практически отсутствует взаимодейст-
вие с кальцитом. Отчетливо наблюдается взаимодейст-
вие цементного камня и ММА.
Свойства наполненных систем, в частности модуль
упругости, определяются как взаимодействие иа грани-
це «полимер—минеральная матрица», так и наличием
граничного слоя полимера, причем усиление наполнен-
ных систем объясняется именно изменением свойств в
пограничных слоях. Для оценки роли граничного слоя в
синтезе свойств композита «цементный камень —
ПММА нами проведены мнкрореологические исследова-
ния.
Используемые для исследования наполненных систем
Реологические методики основаны на применении пред-
ставлений и зависимостей микрореологии [86, 112]. В от-
ичис от реологии, рассматривающей материалы как
Диородную среду, микрореология устанавливает взаи-
мосвязь между реологическими характеристиками слож-
вил снстемы и ее компонентов. Микрореология раз-
хим Сь на ®азе Д°стнженнй и представлений коллоидной
задИ и использует (в несколько упрощенном виде) ее
ВДсимостн н терминологию.
роп ММсння свойств поликомпонентной системы мик-
Ных 'ЛОгня рассматривает путем изучения отиоситель-
Реологическнх характеристик Мотю
гДе „ А^оти= Мс/Мср, (3.5)
®У»1Ла' ''.реологическая характеристика системы; Мор — соответст-
н ей характеристика дисперсионной среды.
7?
Впервые простейшая задача аналитического от
ления относительной реологической характерно!!*'
(вязкости) разбавленных суспензий решена Л. Эйит-'
ном. В связи с тем, что все последующие работы и Я
мальный аппарат теории в основном базируются на ni
ставленник и допущениях Эйнштейна, кратко излгЖ
их сущность.
1. Частицы дисперсной фазы являются жесткими гА,
рами, иесонзмеримо большими, чем молекулы лиспе X!
онной среды. Прн этом размер частиц должен быть |
чительно меньше разрешающей способности приб л
на котором производится измерение реологической ц
рактернстикн. Таким образом, при выводе формулы I
ется набежать рассмотрения «пристенного эффекта 7
2. Деформация (по Эйнштейну — иевозмущенное гр
чение суспензии в вискозиметре) настолько медленна
что можно пренебречь инерционными эффектами. ]
_3. Между днсперснонной средой и частицами дисшас-
ной фазы наблюдается полная адгезия (скольжеш I
границе сред отсутствует).
4. Частицы дисперсной фазы невзаимодействуюто.'
с другой; действие частиц на свойства системы аддитиЖ
Уравнение Эйнштейна, полученное аналитический^-,
тем с перечисленными допущениями на основе уравн-али
Навье — Стокса, имеет вид
^4-jth = Perт)л = 1 4"2,5ф, . о
где т)с, т)я — вязкость соответственно двухфазной и дисперсной#
сред; Ф —объемная концентрация дисперсной фазы в системе.
В самом общем виде можно сказать, что относима-
пая реологическая характеристика, определяемая #
уравнению (.3.6), характеризует стеснение потока дпси*
сиоиной среды в результате введения дисперсной фа-
(гидродинамический эффект).
Уравнение (3.6) справедливо только для разбаыг*'
них суспензий в тех случаях, когда взанмодейст»Я*
суспензированных частиц можно пренебречь благом1’
большим расстояниям между ними. Для концентр
ванных суспензий Е. Гут, Р. Симха и О. Голд полув
Уравнение, в основном учитывающее взаимное влия8'
частиц; на начальное распределение скоростей налы’
лись дополнительные течения для компенсации возмУ’1'
ний на границе между частящей и дисперсионной срч-И
вызванных присутствием соседних частиц [112]. В Я
зультате было получено уравнение, дополняющее УР8Ч|
Эйнштейна (3.6) квадратичным членом. Это уравне-
ние называемое уравнением Гута — Симхи — Голда,
^етвпд
(3.7)
Мотн = Чс/йд = 1 +2.5ф+ 14,1ф2.
Уравнение Гута—Симхи—Голда имеет исключитель-
важное значение для исследования реологических ха-
Н°ктернстнк композиционных материалов, поскольку оно
справедливо и для концентрированных дисперсий в твер-
дых телах.
Реологические исследования многочисленных напол-
пенных систем показали, что в уравнении (3.7) реологи-
ческой арактернстикой дисперсий наполнителей в твер-
дых полимерах может служить модуль упругости Е [106].
В этом случае гидродинамическое уравнение Гута—Снм-
хп—Голда принимает вид
Ек/Е„ = 1 + 2.5Ф+ 14ф«, (3.8)
где £к —модуль упругости композиции; £в— модуль упругости дис-
персионной среды (полимера); ф — объемная концентрация напол-
нителя
Уравнение (3.8) инвариантно по отношению к приро-
де поверхности наполнителя и матрицы и поэтому удоб-
но в качестве эталона сравнения прн исследовании
свойств полимера в граничных слоях [106].
Физнко-химнческое взаимодействие в системе «поли-
мер — минеральная подложка» выражается в увеличе-
нии (или уменьшении) относительной реологической ха-
рактеристики (в том числе модуля упругости) по срав-
нению со значением этой характеристики, рассчитанной
по Уравнению Гута—Симхн—Голда (т. е. с учетом гид-
родинамического эффекта).
Д. А. Угинчусом было проведено определение дина-
мического модуля упругости ПММА, наполненного по-
рошками цементного камня и продуктов твердения инди-
видуальных минералов (гидратированных C3S, C2S, С3А,
L<AF, портландита, двуводного гипса и кальцита). В ка-
честве эталона использовался хорошо исследованный в
^полненных полимерных системах стандартный снлнка-
сти __
Различных объемных соотношениях (гр=0.1—0,5) на ла-
ораторных вальцах в течение 15 мин, после чего под-
ергали термообработке прн 85°С до окончательной
Исследуемые материалы размалывали до дисперсно-
20—50 мкм емогпчвялн с Фопполпмспом ММА В
76
77
ких листиков н воло-
кон. Наибольший диа-
метр агрегатов 0,3 мкм
[105]. Пористые уча-
стки цементного теста
содержат неупорядо-
ченные игольчатые но-
вообразования заме-
щенного геля С—S—Н.
Иногда иглы ветвятся
и становятся древовид-
ными (так называемые
дендритовые формы),
приобретают также и
форму снопов пшени-
цы. Наблюдаются гек-
сагональные пластинки
С4АН13 и C4ASH12 и
призмы эттрингита. Ши-
рина пластин составля-
ет примерно 5—15 мкм,
толщина — менее 0,05
мкм, длина призм до-
стигает 30 мкм, однако
толщина — не более
0,05 мкм. Безусловно,
различные гидратные
новообразования в не-
одинаковой степени от-
ветственны за форми-
рование технических
свойств портландце-
меитного камня. Ос-
Рис. 2.1. Различные типы микрострук-
туры цементного камня (слева) и
контактной зоны цементного камня н
заполнителя (справа) -»
новными структурными
элементами твердой
фазы затвердевшего це-
ментного теста явля-
ются гель С—S—Н,
кристаллы гидрата окиси кальция и клинкерные релик-
ты. Естественно, что такая гетерогенная хаотическая
структура по самой природе является пористой.
На рис. 2.1 показаны некоторые типы микроструктур
цементного камня, полученные на электронном скани-
рующем микроскопе. Эти фотографии иллюстрируют
22
большое разнообразие
поровой структуры це-
ментного камня, кото-
рую весьма условно мо-
жно относить к системе
пор разных размеров.
Действительная геомет-
рия микроструктуры
обладает большим раз-
нообразием и микро-
неоднородностью. Как
правило, она носит
смешанный характер и
включает как ячеистые
элементы, так н линей-
ные и неточные капил-
ляры.
Размеры пор и ка-
пилляров весьма раз-
личны и зависят от ви-
да вяжущего и условий
твердения. Распреде-
ление пор по размерам
в цементном камне нор-
мального твердения ха-
рактеризуется двумя
максимумами — в об-
ласти около 0,01 мкм
(100 А) н в области
0,06—0,07 мкм (600—
700 А). Поры более
0,1 мкм сравнительно
редки. Первый максимум соответствует преобладающе-
му размеру пор гидросиликатиого геля. Пористость ги-
Дросиликатиого геля может достигать (по объему) 28%.
Более крупные поры образованы в результате испарения
воды затворения, вовлечения воздуха, контракции и не-
достаточного уплотнения. Следует отметить, что пори-
стость цементных материалов может существенно изме-
няться в результате изменения температуры и влажно-
сти среды твердения и водоцементного отношения,
Пористость цементных растворов носит несколько
Другой характер. Отчетливо прослеживаются максиму-
23
конверсии ММА в течение 3 ч. Размер образцов 40X40
X160 мм.
Динамический модуль упругости определяли ультра
звуковым методом [113] с помощью прибора
ИЧМК-ЛЭТИ. Коэффициент вариации значения мод»],,,
упругости прн измерениях 8 %.
Параллельно были рассчитаны значения относите:.,
ного модуля упругости исследованных композиций при
различных объемных концентрациях наполнителя с да.
пользованием гидродинамического уравнения Гут» -
Симхи—Голда причем для учета различной пористо!:»
наполнителя уравнение (3.8) было представлено в с.,
дующем виде [106]:
Гк/£ч = 1 + 2.5Ф+14.1Ф’, И
где ф = Гл I?" <’ -6"
Ф/Он Т 1 — ф/рп
(здесь ф —содержание наполнителя по массе; бя — средняя пл’г-
ность наполнителя; рп — плотность пблимера; 1ГДОст—объем гар
Наполнителя, доступных для полимера).
Уравнение (3.9) дает возможность учесть изменен е
Концентрации наполнителя в системе за счет того, что
Часть полимера проникает в поры, не изменяя размем
зерна наполнителя. Эта поправка оказывается весы»
существенной, так как все исследованные наполнители
обладают развитой пористостью. ТГдост определяли мето-
дом десорбционного термического анализа [65].
Установлено, что гидродинамический эффект макси-
мален для наиболее пористых наполнителей. Активпости
всех исследованных наполнителей, выражающаяся •
Увеличении относительного модуля упругости компози
Дий, значительно превышает гидродинамический эффект,
Что свидетельствует об изменении жесткости полимер
в объеме и объясняется изменением надмолекулярно!
структуры полимерной матрицы.
Для количественной оценки активности каждого
Исследуемых минералов в отношении влияния на на-*
Молекулярную структуру ПММА, в соответствии с мето-
дикой [106], на основе полученных данных использова-т
зависимость
Хр-/(о/Фп). Р-1И
гДе Кр=Ек/Етсг (К;: называемый коэффициентом реорганизации
показывает степень отклонения экспериментальных зависимостей °
зависимости Гута—Симхи—Голда); £к— модуль упругости компо*
78
с —модуль упругости композиции, определенный из
9япИИ яГута—Симхи—Голда; а —адсорбция красителя (тиази-
уравнен сиого) образцами изучаемых минералов, определенная
н0?°лпмгтрическнм методом [113] с помощью фотоэлектрокалори-
не$„ лчк-ЗМ; Фп является характеристикой поверхности материя-
Обработка экспериментальных результатов способом
аиМеиьших квадратов показала, что исследуемые зави-
симости с достаточной степенью достоверности аппрок-
симируются уравнением прямой
/Ср = Д + В(аЮ’/Фп)- (3.11)
Основные характеристики минерального скелета при
взаимодействии с ПММА представлены в табл. 3.4.
Таблица 3.4. Оценка взаимодействия минерального скелета
с ПММА
Состав минерального скелета Объем пор, дос- тупный ДЛЯ ПММА Адсорб- ция о Коэффициенты уравнения (3.11)
А в
Гидратированный CjS 0,118 0,32 1,051 0,174
Гидратированный C3S 0,046 0,307 1,056 0,145
Цементный камень 0,04 0,229 1,018 0,131
Кальцит 0,046 0,149 0,99 0,107
Портландит 0,28 0,127 1,107 0,097
Гидратированный C4AF 0,092 0,12 0,166 0,08
Гидратированный СзА 0,198 0,142 1,134 0,055
Двуводный гипс 0,391 0,13 1,118 0,048
Силикагель КСК 0,814 0,676 1,189 0,021
Здесь В — угловой коэффициент, характеризующий
скорость изменения коэффициента реорганизации
ПММА при введении единицы поверхности минеральной
фазы в результате образования жестких граничных сло-
ев полимера. Величина В в табл. 3.4 является мерой фи-
зико-химической активности минеральной фазы в компо-
зиционном цементно-полимерном материале [106].
Нетрудно заметить, что активность физико-химичес-
кого взаимодействия минеральной фазы с ПММА не за-
висит от степени химического взаимодействия ее с поли-
мером. В частности, наиболее активный в отношении до-
Норно-акцепторного взаимодействия портландит имеет
коэффициент В, близкий к аналогичной характеристике
ПмЬЦИта’ не образующего комплексных соединений с
^ММА. Этот вывод находится в хорошем согласии с ре-
79
Рнс. 3.21. Зависимость критерия В от
константы С уравнения БЭТ
J — силикагель КСК: 2 — двуводный
гипс; 3 — гидратированный СзА; 4 —
гидратированный C«AF; S — цементный
камень; 6 — кальцит; 7 — портландит;
8— гидратированный CaS; 9 — гидра-
тированный C;S
зультатамя, полученными
в опытах с полимером
ПММА и стирола, иапоД
нениым модифицирован,
ним и немодифицирован- I
ным аэросилом [49].
Одновременно можно
констатировать, что опре-
деляюшую роль в откло-
нении механических
свойств нм премирован-
ного ПММА цементного
камня от аддитивности .
свойств силикатной мат-
рицы и ПММА играе!
именно фнзико-химичес-!
кое взаимодействие с об-
разованием граничных^
слоев полимера. Физике! •
химическая активность |
минеральной фазы по отношению к полимеру определи-1
ется, по-видимому, ее адсорбционной активностью.
Убедительным подтверждением последнего положе-И
ния является наличие четкой корреляции между коэффи-
циентом В в уравнении (3.11) и константой С в уравне-1
иии БЭТ [24], являющейся термодинамической характе- ;
ристнкой адсорбционной активности адсорбента (рис.
3.21).
Константа С (определенная по адсорбции метанола)
для гидросиликатов кальция находится в пределах 60—1
80, для гндроалюминатов, гидросульфоалюминатов каль-
ция и гипса — в пределах 40—50. Аналогичная константа
для силикагелей [106] равна 20.
Большой теоретический и практический интерес пред-1
ставляет вопрос о природе повышения жесткости и проч-
ности полимерных граничных слоев вблизи твердой по- I
верхиости [54]. Химически инертная поверхность воздей-
ствует на поверхностные слои полимеров межмолеку-
ляриыми силами притяжения н отталкивания; наблюда-
ется как адсорбционное взаимодействие между компо-
нентами системы, так и чисто геометрическое ограниче-
ние пространства, в котором возможно перемещение ки-
нетических единиц вещества (макромолекул илн сегмен"
тов) в пристенном слое.
80
Экспериментальные исследования влияния твердой
поверхности на локальную подвижность акриловых по-
лимеров позволили установить, что для всех акриловых
соединений наблюдается более свободное вращательное
движение наиболее подвижных боковых групп — С= О
что связано с определенной ориентацией полимерных
цепей около твердой поверхности. Это явление наблюда-
лось на стеклянной подложке при толщинах слоя поли-
мера до 0,8 мкм. Столь большая толщина пристенного
слоя вполне объяснима.
В отличне от низкомолекулярных жидкостей, где тол-
щина пристенных слоев, как правило, не превышает до-
лей микрометра, гигантские размеры полимерных моле-
кул н наличие надмолекулярных образований приводят
к тому, что пристенные слон полимеров достигают 20 мкм
[54], а по некоторым данным — даже 165 мкм [50]. Есте-
ственно, представления о пристеииом слое такой толщи-
ны несколько иные, чем о пристенном слое воды н других
низкомолекулярных жидкостей. Энергетическое влияние
твердой фазы на полимермолекулярные слон полимеров
благодаря их цепочечной структуре распространяется
непосредственно на звенья контактирующих с поверхно-
стью макромолекул, далее через химические связи — на
надмолекулярные образования, причем ие только на те,
куда эти молекулы входят, ио и иа соседние, и т. д. В ре-
зультате толщина пограничного слоя оказывается зна-
чительно больше, чем можно себе представить, исходя
из теории адсорбции.
Таким образом, существуют две причины ограничения
подвижности макромолекул полимера у поверхности твер-
дого тела: первая— связана с изменением энтальпии в
результате адсорбционного взаимодействия, н вторая —
связанная с уменьшением энтропии в связи с тем, что мо-
лекула не может иметь такое же число конформаций, как
в массиве, из-за чисто геометрических препятствий.
Адсорбционное взаимодействие в свою очередь связа-
ло с повышением жесткости, а также плотности упаков-
ки молекул полимера. Толщина адсорбционного слоя
ПММА, на основе независимых адсорбционных и виско-
о
“Иметрических данных, составляет 7200 А (7,2 10-5 см).
Гакнм образом, поры цементного камня, имеющие радч-
Ус порядка 10_< см, практически содержат только полн-
е—210 81
мер в адсорбированном состоянии. Поверхностные дву.
мерные давления ПММА в мономолекулярном слое прн
использовании различных растворителей колеблются в
пределах (2—5)1О~4 Н/см.
Площадь, занимаемая мономерным звеном (или пло-
щадь, приходящаяся иа макромолекулу), при формиро-
вании слоя ПММА в процессе полимеризации будет ми-
нимальной, так как при образовании адсорбционное
слоя ПММА в присутствии растворителя слой оказыва-
ется разрыхленным из-за присутствия растворителя. При
поверхностном давлении /?=5-10~4 Н/см, воспользовав-
шись формулой Я. Де Бура [31],
P==5,lf3/’,
где Р — трехмерное давление; I7 —двумерное давление,
получим Давление в адсорбционном слое 180 МПа.
На рис. 3.22 представлена экспериментальная зави-
симость E'E-=f(P) для ПММА [50]. Относительное уве-
личение модуля упругости ПММА при указанных давле-
ниях достигает 3 и более.
Следует отметить, что граничный (пристенный, слой
ПММА в порах цементного камня значительно толще
адсорбционного. На рис. 3.23 приведены результаты из-
мерения микротвердости ПММА в цементном камне в
зависимости от расстояния до силикатной матрицы (по
данным А. Г. Ольгииского, Д. А. Угиичуса).
По мере приближения к силикатной матрице микраВ
твердость существенно повышается. Только на расстоя*
нии 20 мкм от границы раздела «силикат — полимер»
микромеханические свойства ПММА соответствуют 8л
значениям в массиве. Таким образом, в порах цементно-
го камия с радиусом до 20 мкм ПММА также имеет не-
сколько повышенную микротвердость, жесткость, а так-
же прочность — между микротвердостью полимеров и
прочностью (в частности, на изгиб и растяжение) суще-
ствует прямая корреляция.
Результаты физико-химических исследований цемент-
ного камня, пропитанного ПММА, можно резюмирован
следующим образом.
Неаддитивность свойств силикатной матрицы и по-
лимера по отношению к свойствам цементного камня
объясняется в основном не химическим, а физико-хими-
ческим взаимодействием органического и минерального!
компонентов. Определяющим фактором этого взаимо-|
действия является повышение жесткости и прочности!
82
Чу1,мпа
Рис. 3.23. Зависимость микротвердо-
сти Нц ПММА от расстояния I до
силикатной матрицы
Рис. 3.22. Зависимость мгновенного
модуля упругости ПММА от прило-
женного давления
ПММА в граничных (пристенных) слоях, особенно в ад-
сорбционных.
Таким образом, иа основе проведенных исследований
можно сформулировать следующие модельные представ-
ления об упрочнении бетонов в результате их пропитки
полимерами.
Процесс упрочнения бетона при пропитке органичес-
ким полимером описывается экспоненциальной зависи-
мостью Е. Рышкевича (3.4). Коэффициент р в формуле
(3.4) отражает процесс упрочнения бетона в результате
заполнения его пор полимером. При этом жесткость и
прочность полимера в адсорбционных слоях (~1 мкм)
и в порах с радиусом до 20 мкм превышает этн показа-
тели полимера в блоке в результате геометрических
(конформационных) ограничений и адсорбционного дав-
ления в процессе полимеризации иа 1,5—3 порядка.
Коэффициент п количественно характеризует роль пор
а материале как концентраторов местных напряжений
(по Гриффитсу). Увеличение сферичности пор при про-
питке полимером в значительной степени снижает нх
Деструктивную роль как концентраторов напряжений (по
Различным данным, иа 20—30 %). Повышенная по
оравнению с цементным камнем прочность минерального
скелета материала Оо (по различным данным в 1,5—
5 раз) обусловлена сопротивлением, создаваемым поли-
мером, раскрытию мнкротрещин в минеральной матрн-
•>’ 83
це. Необходимая жесткость полимерной пленки, соизме-
римая с жесткостью минерального скелета, обеспечива-
ется конформационными ограничениями и адсорбцион^»
ным давлением в процессе полимеризации мономера. 1
Предложенное объяснение повышения прочности бе
той а при пропитке полимером учитывает ие все факто-
ры, в той или иной степени влияющие на синтез прочно-
сти композиций. К неучтенным факторам относятся: II
1) прочность контактной зоны цементного камня, про-
питанного полимером, и заполнителя; 1 I
2) заполнение («залечивание») полимером существо! I
вавших до пропитки мнкротрещнн в минеральной матри! .
це;
3) деформированное (растянутое) состояние полимы 1
ра в результате усадки;
4) термические напряжения в полимере.
Первый из перечисленных факторов объяснением ие! I
учитывается, т. е. предполагается, как и в модели Эйнш- |
тейна, полная адгезия между фазами. Следует отметить^ I
что обычные бетоны, где такое допущение несправедли-1
во, не могут быть удовлетворительно описаны завнсимо-И
етью Е. Рышкевича; к такому выводу приводит анализ
экспериментальных данных [105].
Появление микротрещии носит случайный характер,
а проведение нх «залечивания» часто требует особых
технологических режимов, поэтому оценка этого фактора
в модели затруднена. Можио полагать, что подобное за- ’
лечивание будет способствовать получению более высо-
кой прочности бетонополимера. Обусловленная моделью I
полная адгезия между фазами предполагает и соответст- I
вующее «залечивание» микротрещии1.
Так как процесс полимеризации обычно эизотермичен 1
(конверсия метилметакрилата в полимер сопровождается
выделением тепла в количестве 5,46 кДж/моль [55]), то
нз-за низкой теплопроводности полимера в объемных об-
разцах (в блоке) могут возникать существенные темпера-
турные градиенты. Теплофизическая гипотеза, в опреде- I
лениой степени справедливая для армированных пласти-
ков, для бетоиополимерных материалов, по нашему I
мнению, не представляет интереса, так как в сравнитель- I
но тонких полимерных слоях условия протекаиня процес- I
са полимеризации приближаются к изотермическим.
1 Влияние деформаций полимера на свойства бетонополимера!
рассматривается далее.
$4
Предлагаемые нами модельные представления приво-
дят к логическому выводу, что наиболее рациональное
использование ПММА как армирующего средства дости-
ГЗстся в том случае, если ММА практически весь будет
полимеризоваться в адсорбционных слоях. Это условие
будет соблюдено, если радиус пор цементного камня
(и бетона) не будет превышать 10~4см (I мкм). С физи-
ко-химических позиций наибольший технологический и
экономический эффект будет достигнут в том случае, если
концентрация полимера будет близка к критической
[106], т.е. практически весь полимер будет вовлечен в
граничные слои. При наличии в бетоне пор радиусом более
1 мкм следует иметь в виду, что граничные слои ПММА
на силикатной подложке имеют толщину 20 мкм. Естест-
венно, что понятие критической концентрации полимера
имеет смысл в том случае, если технологически достижи-
мо получение сетчатой структуры материала [20]. Такой
подход не может быть распространен иа все виды бего-
иополимерных материалов; он справедлив и получил
экспериментальное подтверждение для одного вида ком-
позитов высокопрочных бетон ополи меров для тонкостен-
ных несущих конструкций [78, 101]. Такие материалы с
прочностью на сжатие более 200 МПа н на растяжение
более 20 МПа могут быть получены только пропиткой
высокопрочных тонкопорнстых (в основном плотных мел-
козернистых) бетонов.
В других случаях эффективность использования по-
лимера с точки зрения повышения прочности материала
будет уменьшаться в соответствии с изменением соотно-
шения объема полимера, адсорбированного на поверхно-
сти твердой фазы, н общего объема полимера. Чем мень-
ше это соотношение, тем ниже эффективность использо-
вания полимера. Однако эффективность использования
полимера в других целях: для повышения непроницаемо-
сти материала, его долговечности, коррозионной стойко-
сти, электрической прочности и др. — часто оказывается
весьма высокой и при обработке менее плотных бетонов
самой различной структуры.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
БЕТОНОПОЛИМЕРА
Бетонополимер является композиционным материа-
лом, н его свойства зависят от свойств отдельных состав-
ляющих и от их взаимодействия, в частности от свойств
85
бетона и полимера и нх поведения при его изготовлении.
Весьма существенное влияние на свойства конечногопргч
дукта оказывают явления, протекающие при полимеризД
ции мономера. При приготовлении бетонополимера поль
меризацня протекает непосредственно в теле бетона,
однако сущность процесса при этом ие изменяется. При
полимеризации легкоподвижная жидкость (мономер)
переходит в твердое состояние (полимер). При этом по-
степенно повышается вязкость материала. Возникновение
новых химических связей, рост молекул н соответствую-
щее увеличение снл межмолекуляриого взаимодействия
изменяют не только свойства материала, но и его объем]
Вещество уплотняется, наблюдается его усадка. В бетоне]
полимеризация протекает в соприкосновении с твердой
фазой, имеющей развитую удельную поверхность. Вслед!
ствне адгезии, препятствующей усадке полимера, в нем
возникают большие внутренние напряжения растяжения,
которые сразу же начинают релаксировать. Соответст-!
венно в твердом минеральном скелете бетоиа возникают
сжимающие напряжения.
Физические свойства мономера при переходе в поли-
мер более быстро изменяются на начальной стадии полив
меризацин. Скорость изменения зависит от способа поли* I
меризацин, его режима и ряда других факторов и опре-
деляет продолжительность полимеризации, возникающие]
напряжения и степень их релаксации. Увеличение вре-
мени полимеризации нлн длительное выдерживание при I
повышенных температурах иа завершающей стадии тер-
мокаталнтической полимеризации приводит к большей 1
релаксации напряжений и соответственно к ослаблению]
эффекта преднапряжения.
При остывании образцов или изделий, что наблюдает- I
ся прн термокаталитнческой, а часто и при радиационной I
полимеризации, проявляется температурная усадка. Как I
правило, коэффициент температурного расширения aT.n I
полимеров в несколько раз больше сст.б бетона: для по- I
лиметнлметакрилата аТп=(7±2) 10~5, для полистирола I
(7±1) 10“5, для бетона ат.б = 1-10~5. Из-за разности ко- I
эффициентов температурного расширения в полимере по- I
являются растягивающие напряжения, а в бетоне — ежи- 1
мающие. Эти напряжения суммируются с напряжением
от полимеризации и соответственно релаксируют во вре-
мени.
Суммарная химическая и термическая усадка стирола I
достигает 16 %, а метилметакрилата — 24 %, что в ряде
случаев может вызвать заметные внутренние напряже-
ния. В большинстве случаев преднапряжение способст-
вует повышению прочности материала. Однако при не-
правильно выбранных технологических режимах значи-
тельные деформации, возникающие при сушке, пропитке
н полимеризации, особенно прн заметной неоднородности
бетона и малой прочности и большом насыщении моно-
мером, могут привести к появлению трещин в готовых
изделиях и образцах (рис. 3.24).
Наличие преднапряжения в бетонополимере под-
тверждают опыты по изучению внутренних напряжений
н деформаций образца в процессе обработки и при по-
следующем выдерживании и нагружении. В ряде опытов
наблюдалось набухание образцов после окончания поли-
меризации, хотя водопогло-
щен ия материала прн этом
практически ие наблюда-
лось. Подобное явление мо-
жно объяснить, полагая, что
в результате релаксации на-
пряжений в полимере, воз-
никающих в процессе обра-
ботки, уменьшается обжатие
бетона и постепенно восста-
навливаются его первона-
чальные размеры.
Представляет интерес
оценка возможной степени
преднапряжения бетонопо-
лимера. Г. В. Марчукайтнс
Рис. 3.24. Ветонополимерные образ-
цы с трещинами
Рис. 3.25. Модели структуры бетонополимера
ы — реальная с хаотическим неупорядоченным расположением волокон поли-
мера; о —регулярная с упорядоченным расположением полимерных элементов;
е — расчетная схема элементарной ячейки
87
(59] предложил проводить такую оценку на основе рас.
четной модели, в которой хаотическая система структура
бетонополимера заменяется упорядоченной (рис. 3.25).
Такая модель с известной степенью приближения позво-
ляет оценить предиапряжение в достаточно хорошо про-
питанном бетоне, когда полимер пронизывает структуру
бетона по всем направлениям и образует непрерывную
дисперсную арматуру.
В такой структуре физико-механические свойства ма-
териала периодически повторяются в пространстве, что
позволяет выделить для расчета элементарную ячейку,
моделирующую свойства всей структуры (см. рис. 3.25).
При расчете принимают следующие допущения: бетон
считают однородным материалом, по всему объему про-
низанным порами и капиллярами различного размера и
формы, одинаково распределенными по всем направле-
ниям; ползучестью бетона пренебрегают ввиду малости
напряжений и деформаций, возникающих в нем при усад-
ке полимера; бетон н полимер считают работающими сов-
местно, проскальзывание по границе раздела исключают;
распределение полимера в бетоне по всем направлениям
принимают одинаковым; сосредоточенный объем полиме-
ра в элементарном объеме рассматривают как предвари-
тельно-напряженный элемент, вызывающий обжатие бе-
тона; ползучесть полимера принимают линейной. Эти до-
пущения вытекают нз особенностей структуры бетонопо-
лнмера н свойств его компонентов.
В элементарной ячейке объем полимера Vn=3fna,
объем бетона Ив=аа. Относительное содержание поли-
мера
Рп = 1'п/Ув“ЗДп/Дб.
Напряженное состояние бетона, вызванное укорочени-
ем полимера прн полимеризации, теперь можно рассмат-
ривать в любой плоскости как напряженное состояние
преднапряженного неоднородного элемента с учетом про-
явления неупругих деформаций полимера в течение лю-
бого промежутка времени. Однако при определении объ-
емного напряженно-деформированного состояния такого
неоднородного тела необходимо учитывать тот факт, что
усилия и деформации всех направлений взаимосвязаны.
Любое изменение напряженного состояния в любом на-
правлении вызывает изменения в напряженных состояни-
88
ях других направлений, а в результате соответствующим
образом изменяется напряженное состояние и первого
направления. Поэтому напряженное состояние таких не-
однородных систем определяют методом приближений,
последовательно учитывая взаимосвязь усилий и дефор-
маций всех направлений иа основании решения системы
уравнений:
Ап = Лпр + Лук’» 1
N6 = Nn, J
где Дп — свободные деформации полимера; Дпр—деформация рас-
тяжения полимера; Дук — укорочение бетонного элемента с учетом
ползучести полимера и взаимосвязи напряжений и деформаций по
разным направлениям,
Г. В. Марчукайтнсом получены формулы для опреде-
ления деформаций объемного обжатия (укорочения) бе-
тона 8ук(т) н напряжений в бетоне ао(т) в определенный
момент времени:
еук(т) = еп(т)^(т)[1-нпх;. (Е)]1 (3.12)
as = ea(T)EsK^T). (3.13)
При этом:
Q (т) = Хь (») (1 - Нб) + 2 [хд (т)]'2 [|*J (2 - нв) - мо1;
U.W = М3*с„ (’) + М = ₽„ ег(т)/зе„;
КОп(т) = £6/Ег(»).
где еп(т) — общие свободные температурно-химические усадочные
деформации полимера; цв, рп— коэффициенты Пуассона соответст-
венно бетона и полимера; Еб, £п —модули деформации бетона и
полимера; £г(т) — модуль релаксации полимера.
Модуль релаксации полимера может быть определен
из выражения
1/£,(т) = 1/£0 + С(т), (3.14)
где £г(т), Ео и С(т) —- соответственно модуль релаксации, модуль
пругости и мера ползучести полимера.
На рис. 3.26 приведены кривые деформации материа-
ла, возникающие в процессе его полимеризации, и их ре-
лаксация при последующем хранении образцов илн из-
делий, а иа рис. 3.27 — кривые изменения максимальной
деформации усадки, возникающие при полимеризации, в
зависимости от степени насыщения бетона полимером и
модуля упругости бетона. В соответствии с теоретичес-
кими предпосылками при снижении модуля упругости
89
Рис. 3.26. Деформации усадки бетоно-
полимера при полимеризации и их из-
менение во времени вследствие релак-
сации полимера
} — k = V полимер IV пор =0,07; Е р—
=3-10’ МПа; 8-i»0.07, Е б=2Х
Х101 МПа; 3 — 6=0,17, £б=3-104 МПа
увеличиваются дефорщм
ции усадки. Соответст-
венно увеличиваются де-
формации усадки прп
увеличении степени на-
сыщения бетоиа полиме-
ром или при более глубо-
ком и полном заполнении
его пор полимером. Эта
вполне соответствует pacJ
смотренным выше физи-
ко-химическим основам
упрочнения бетоиополи-i
мера при его пропитке
маномером с последую!
щей полимеризацией.
Расчетные значения
подтверждаются резуль-.
татами ряда опытов, в
частности опытами В. Н.
Баженовой [101], Г, В.
Марчукайтиса [57] и
японских ученых [180]. В
опытах В. Н. Баженовой
усадка бетонополимера в
процессе полимеризации
достигала (30—60) lO^J
В опытах Г. В, Марчу-1
кайтиса обнаружена хо*1
рошая сходимость расчет J
иых и опытных результа-
Рис. 3.27. Зависимость деформации ТОВ В процессе ДЛИТеЛЬч
Н0Г0 хРаНеиИЯ беТОНОПО-
ром (Л и модуля деформации бето- ЛИМера При ПрОПНТКе Мб*
на 15) тилметакрилатом и сти-
ролом н выдерживании образцов до 300 сут. Японски*
ученые наблюдали усадку от полимеризации, составив-
шую (10—30) 10~s в зависимости от условий обработки
и состава бетона.
Вместе с тем в расчетной модели, принятой Г. В. Мару
чукайтисом для определения деформаций и напряжении
от усадки полимеров в процессе полимеризации, ие уч-
тен ряд факторов, которые могут существенным образом
изменить наблюдаемые деформации. В том числе модель
90
Jie учитывает тонкости пор и различного поведения по-
лимера в сорбционных слоях и внутри крупных пор, а
также различия, которое может создаваться разной тон-
костью волокон полимера и площадью их взаимодейст-
вия с твердой фазой бетона. Этот фактор может ввести
определенные поправки в значение наблюдаемых дефор-
маций. В частности, в некоторых опытах наблюдались
большие деформации, чем это можно было предположить
на основании расчета. Возможно, здесь проявляется вли-
яние особых условий полимеризации мономера в теле бе-
тона (ориентирование звеньев молекул, их связь с твер-
дой фазой и ряде других). Одиако этот вопрос нужда-
ется в специальном исследовании и в настоящее время
еще ие получил своего разрешения.
Другим неучтенным фактором является то, что поли-
меризация происходит в бетоне, нагретом до определен-
ных температур, и прн этом частично фиксируется то
положение твердой фазы, которое наблюдается при дан-
ной температуре образца. Суммарные деформации, оп-
ределяемые как деформации, вызываемые полимериза-
цией полимера, и деформации расширения твердой фа-
зы при нагревании, могут оказаться различными в зави-
симости от того, какова способность полимера и твердой
фазы к закреплению той структуры, которая имелась
при нагреве, Очевидно, эта способность будет зависеть
от структуры бетона, свойств полимера, режимов поли-
меризации и ряда других факторов. В результате наблю-
даемые деформации усадки могут оказаться меньше тех,
которые предполагались рассмотренным выше расчетом.
При расчете не учтен также интересный факт, кото-
рый можно наблюдать при некоторых режимах полиме-
ризации бетонополимера. При пропитке не полностью
высушенных бетонов в них сохраняется некоторое коли-
чество воды. При полимеризации мономера структура
бетона приобретает определенную непроницаемость. По-
этому возникающие при иагреве, особенно при темпера-
ТУрах, приближающихся к 100 °C, внутренние напряже-
ния от возможного парообразования в порах и капил-
лярах бетона могут привести к появлению деформаций
Расширения, Эти деформации, особенно заметные при
пропитке высоко пор истых материалов с повышенным со-
держанием воды, могут уменьшить наблюдаемые дефор-
мации усадки бетона при полимеризации в его теле мо-
номера. Более того, суммарное влияние рассмотренных
91
выше причин (фиксации твердой фазы в нагретом сосн
яини, деформаций от расширения газообразной фазы]
парообразования н некоторых других) могут привести!
тому, что в бетоне в некоторых случаях будут наблв
даться не деформации усадки, а деформации раешкре
ния. Так, в опытах В. Н. Баженовой [101] подобные де
формации были зарегистрированы прн полимеризации
мономера в теле цементного камня. Отмечались подоб!
ные деформации в наших опытах с газобетоном, грунте
бетоном и некоторыми другими материалами.
Таким образом, рассмотренные представления о npej
напряжении бетона являются приближенными. Больше
влияние иа состояние конечного материала оказываю
структура и состав бетона, режимы обработки, состав
свойства пропитывающей жидкости. Многие из рассмот
ренных выше вопросов нуждаются в уточнении, для ря1
да из иих требуется получение новых количественны»
зависимостей для расчета необходимых поправок, учи-
тывающих влияние тех пли иных факторов. Одиако эти
положения показывают и раскрывают сущность физике
химических явлений, наблюдаемых при получении бете
нополимера и определяющих конечные качества мате
риала.
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ
БЕТОИОПОЛИМЕРОВ
Технология бетоиополимеров включает процессы под
готовки бетона, т. е. освобождение порового пространен
ва бетона от влаги с целью его заполнения мономеро!
или специальным пропитывающим составом, процесс!
пропитки бетона и последующей полимеризации монй
мера непосредственно в теле бетона.
УДАЛЕНИЕ ВЛАГИ ИЗ БЕТОНА
Как было показано в гл. 2, бетой, как всякое капи;
лярно-пористое тело, может содержать различное коли
чество влаги, которое определяется его структурой и со
ставом, условиями выдерживания и рядом других фак-
торов. Для получения бетонополимера необходимо, чтобы
мономер заполнил поры и капилляры бетона. Поэто-|
му необходимо предварительно освободить их от влаги
92
Вода обладает большим химическим сродством с компо-
нентами цементного камня, чем мономеры, обычно ис-
пользуемые для пропитки, поэтому вытеснение ее из те-
ла бетона тем или иным образом с помощью мономера
нс дает удовлетворительных результатов.
формы связи влаги с бетоном могут быть различны-
ми. Поэтому при разных способах удаления воды нз^бе-
тона степень обезвоживания может быть различной, а
от этого будут зависеть н степень последующей пропит-
ки материала мономером, и окончательные свойства го-
тового бетонополимера.
Для удаления влаги из материалов используют суш-
ку. Известна естественная и искусственная сушка, вклю-
чающая рид способов: контактный, конвективный, ради-
ационный, вакуумный, токами высокой частоты —и их
сочетания.
Естественная сушка иа воздухе или на солнце явля-
ется очень длительным процессом, неприменимым в за-
водских условиях. Кроме того, прн такой сушке бетон
всегда будет иметь остаточную влажность, которая бу-
дет зависеть от влажности и температуры воздуха к
структуры н состава бетона. Добиться наиболее полного
заполнения порового пространства бетона полимером в
этом случае затруднительно. Одиако подобный прием
может .использоваться как наиболее экономичный при
некоторых видах обработки монолитного бетона (на до-
рогах, в гидротехнических и других сооружениях).
Для ускорения и углубления процесса обезвожива-
ния бетона применяют искусственную сушку бетона. Тео-
рия сушки капиллярно-пористых тел, к которым отно-
сится бетон, достаточно разработана [53], однако при-
менительно к обычному бетону этот вопрос раньше
специально не рассматривался, так как сушить обычный
бетон было вредно, поскольку это тормозит процессы
гидратации цементного камня (имелись лишь отдельные
Работы по уменьшении влажности ограждающих конст-
рукций из легких бетонов и по первоначальной сушке
Жаростойких бетонов). Вследствие недостаточной изу-
ченности процесса сушки бетона были проведены экспе-
риментальные работы.
В дальнейшем сушка бетона рассматривается с уче-
том результатов этих работ и общей теории сушки.
В соответствии с классификацией П. А. Ребиндера
влага, удаляемая нз пористого тела в процессе сушки,
93
состоит из влаги, механически связанной с твердым те-
лом (влаги, удерживаемой капиллярными силами в мак-
ро- и микропорах), и влаги физико-химической связи
(удерживаемой полем сорбционных сил в моно- и поли-
молекулярных слоях).
Различным видам и формам связи влаги с бетоном
соответствуют различные значения энергии связи с твер-
дой фазой. Энергетическая характеристика связи влаги
с телом —это тепловой эффект связывания воды А/У,
измеряемый количеством тепла, выделяющегося в про-
цессе присоединения влаги к телу, н удельная свободна!
энергия связи влаги ДГ, равная химическому потенциа
лу. Зависимость между этими величинами определяется
выражением Гиббса — Гельмгольца
A/7 = AF+7AS,
где AS — изменение энтропии; Т — абсолютная температура.
Следовательно, соотношение между свободной энер-
гией связи влаги и теплотой зависит от энтропии этой
связи и поэтому неодинаково для влаги, удерживаемой
гравитационными, капиллярными и адсорбционными си-
лами.
Теплота испарения влаги из капилляров пористого
тела в значительной степени зависит от кривизны менис-
ка, которая в свою очередь определяется размерами ка-
пилляра. Удельная теплота испарения влаги из микро-
капилляров превышает удельную теплоту испарения
свободной воды, причем с ростом кривизны мениска
(уменьшением радиуса капилляра)
испарения растет.
Кинетический процесс испарения можно условно раз-1
бить на два периода. В начальный период испаряется
свободная вода, удерживаемая в структуре механическн.1
Интенсивность испарения в данном случае определяется
явлениями тепло- и массообмена между поверхностью!
материала н окружающей средой (разностью парциаль-1
иых давлений) н пропорциональна разности температур!
воздуха и поверхности материала.
После удаления свободной воды влияние окружаю
щей среды на указанные процессы значительно ослабе- *
вает и интенсивность испарения влаги в основном харак-
теризуется интенсивностью ее связи с материалом. Энер-
гию связи влаги с материалом (адсорбционный
потенциал) в общем виде определяют по формуле
е = /?Т(Р/Р5), (4.1)
удельная теплота
94
где R — универсальная газовая постоянная; Т—абсолютная темпе-
ратура; Р — давление насыщенного пара; Рд — равновесное давле-
ние пара.
С уменьшением размеров капилляров прн увеличении
давления насыщенного пара над поровой жидкостью
энергия связи увеличивается. Используя классическую
формулу Кельвина, описывающую зависимость между
давлением насыщенного пара над мениском воды и ра-
диусом капилляра, по формуле (4.1) можно приближен-
но" определить энергию связи влаги в капиллярах опре-
деленного радиуса:
Радиус ка- пилляра, см 10~4 5-10-6 ю—5 5-Ю-» Ю“в
Энергия свя- зи влаги в капилляре, Дж/моль 0.76Х Х10-4 0.38Х ХЮ-4 7.28Х ХЮ-4 14,41-Ю-4 72,5-10—*
Цементный камень, раствор и бетон характеризуются
большим удельным объемом микропор в области 1 мкм.
Поэтому сушка цементных материалов требует значи-
тельных энергетических затрат.
Оптимизация процесса сушки бетона заключается в
проведении процесса в кратчайшие сроки при исключе-
нии или сведении к минимуму деструктивных явлений в
материале. Оптимальный режим должен обеспечивать:
достаточную жесткость процесса (интенсивность ис-
парения);
эффективность процесса (сокращение продолжитель-
ности) ;
безопасность процесса (в отношении действия внут-
ренних напряжений, массопереноса н температуры на
структуру и фазовый состав).
В обычном бетоне, приготовленном на плотных проч-
ных заполнителях, основное количество влаги содержит-
ся в цементном камне. Поэтому вначале рассмотрим кри-
вую удаления влаги из цементного камня в условиях
квазистатической сушки, когда перепады влагосодержа-
ния на поверхности и внутри образцов остаются ничтож-
но малыми в течение всего процесса сушки (рис. 4.1).
На кривой, характеризующей особенности процесса
сушки цементного камня, "имеются два участка — ОК и
КЛМ. Участок ОК (при постоянной скорости сушки) со-
95
Рис. 4.1. Кривая сушки цементного
камня
Рис. 4.2. Зависимость между влаго-
содержапием и усадкой цементного
камня
ответствует периоду удаления влаги из макропор и маг-
рокапилляров. При этом начальное водосодержание №н
материала должно быть больше максимального гигро-
скопического влагосодержания 1Гг. На участке
скорость сушки уменьшается. Когда достигается равно-
весное влагосодержание цементного камня (бетона), со
ответствующее влажности окружающей среды, сушка
прекращается, т. е. скорость сушки dWIdx становится
равной 0.
В условиях квазистатической сушки влага из цемент-
ного камня удаляется в последовательности, соответст-
вующей возрастанию энергии связи ес с твердым скелЯ I
том.
Начальный участок К—Л соответствует периоду уда-
ления влаги из переходных капилляров и мнкрокапилля-
ров. Энергия капиллярной связи А определяется радиу-
сом капилляра г и не зависит от природы стенок (капил
ляров) в условиях полного смачивания и от количества!
воды в них:
А (г) = 2пУ0/г,
где а—коэффициент поверхностного натяжения; У о— удельный!
объем.
После удаления из цементного камня капиллярно-1j
связанной воды будет испаряться адсорбционно-связан-
ная влага. Причем после удаления слабосвязанной вла- |
гл, адсорбированной иа поверхности кристаллов, будет
испаряться межплоскостная вода, находящаяся между I
слоями кристаллической структуры гндросиликатов I
кальция (в тоберморитовом геле).
96
Удаление воды из цементного камня в процессе суш-
ки вызывает в ием деформации усадки. Это явление име-
ет большое значение для технологии бетоиополимеров,
так как важно не только провести сушку в минимальные
сроки, но при этом ие допустить появления значительных
дефектов и микротрещин от усадки цементного камня
(бетона). Следует заметить, что в последующих опера-
циях (при пропитке мономером и его полимеризации)
будет наблюдаться дополнительная усадка материала.
Если даже при сушке не возникает микротрещин, ио соз-
даются ослабленные вследствие усадки микрообъемы
материала, то в них могут возникнуть микротрещииы в
процессе последующих операций. В ряде случаев эти
мнкротрещины не удается должным образом «залечить»
и прочность бетонополимера снижается. Поэтому при
проведении сушки бетона необходимо обращать соот-
ветствующее внимание на процессы усадки.
На рис. 4.2 в координатах «усадка — изменение вла-
госодержания цементного камня» приведена типовая
кривая усадки цементного камня в условиях квазиста-
тической сушки. Точка на оси абсцисс в начале коорди-
нат соответствует максимальному влагосодержаиию це-
ментного камня. В начальный период сушки удаляется
влага из пор и крупных капилляров, при этом снижение
водосодержаиия цементного камня не сопровождается
уменьшением его объема, т. е. усадкой (участок А — см.
рнс. 4.2 или О—К— см. рис. 4.1). Затем удаляется вла-
га нз капилляров с меньшим радиусом. Этот этап сушки
соответствует участку Л’—Л иа типовой кривой скоро-
сти сушки (см. рис. 4.1) или участку 5—В (см. рис. 4.2).
Участок Г характеризует этап исчезновения менис-
ков при полном обезвоживании капилляров. В этом слу-
чае также не зафиксирована усадка цементного камня.
После удаления капиллярной влаги испаряется адсорб-
ционно-связанная влага. На типовой кривой (см. рис.
4.2) участок Д соответствует периоду испарения меж-
плоскостной воды из гидросиликатов тоберморитовой
группы.
С. В. Александровский [2] для количественной оцен-
ки усадки ввел понятие об «эффективной» и «критичес-
кой» влажности. «Критическая» влажность— это пре-
дельная «эффективная» влажность, при которой гель
имеет максимальную влажность при отсутствии в бето-
не свободной воды. Удаление критической влаги сопро-
7-210
97
вождается усадкой бетона, в то время как удаление I
тальной части влаги — «меры свободной воды бетона.,
не вызывает усадки бетона. Этн представления могу?
быть использованы при изучении сушки бетона.
Состав и строение бетона, размеры изделия, условия
теплообмена оказывают большое влияние как на см
рость сушки, так и на возникающие при этом усалочьи
деформации. Автором совместно с В. В. ВороннныД
Л. А. Алимовым были проведены опыты по изучен»»)
процесса высыхания бетона в зависимости от его хара<
теристик строения —концентрации цементного камня!I
B/Цист (см. гл. 2), так как построение зависимости от
обычно используемых параметров—расхода цемента*
водоцемеитного отношения — давало большой разбм
результатов.
Как известно, процесс высыхания протекает различ-
но для образцов с испарением влаги по всем направле-
ниям и для образцов с удалением влаги по одному на-
правлению. В первом случае из-за неравномерного уда-
ления влаги по сечению образца возникают напряжения
которые могут способствовать возрастанию свободно!
влажностной усадки. В производственных условиях
когда сушатся большие изделия, процесс более прибли-
жается к направленному удалению влаги. Поэтому в
опытах исследовали усадку бетонов в условиях направ-
ленного осевого высыхания образцов. Для этого изгото-
вили образцы (табл. 4.1) размером 7><7Х22 см, твер-
девшие 3 сут в нормальных условиях.
Таблица 4.1. Составы бетонов и расходы материалов, кг I
на 1 м3 бетона
£ц.К 5^затв Цемент Вода Песок Щебень
0,2 0,2 0,37 385 143 я»» 600 1350 1
0,2 0,3 0,5 322 163 635 13Ю
0,2 0,4 0,63 278 177 660 1275 |
0,3 0,2 0,29 577 170 405 13Ю I
0,3 0,3 0,42 484 202 520 1180
0,3 0,4 0,54 416 224 555 1140 1
0,4 0,2 0,25 768 194 200 1275 I
0,4 0,3 0,37 646 240 355 1110 |
0,4 0,4 0,48 556 269 386 1075 I
1 0,2 0,2 1920 384 — — I
1 0,3 0,3 1615 485 — —' №
1 0,4 0,4 1390 556 — - К
98
После 3 сут тверде-
„,,я боковые поверхности
образцов изолировали
тпемя слоями парафина
‘помещали в воздушно-
сухие условия в автома-
тическую термокамеру.
На протяжении всего эк-
сперимента относитель-
ную влажность воздуха
поддерживали постоян-
ной и равной 30+5%, а
температуру 60+3 °C.
Влажностные дефор-
мации измеряли на ры-
чажном дилатометре
[ИЗ]. Массу и относи-
тельную деформацию
усадки каждой призмы
определяли через 1, 2, 3
и 7 сут после 3 сут твер-
дения, а затем ежене-
дельно до установления
равновесного состояния.
Массу и влажностную
усадку бетона определя-
ли на трех образцах-
близнецах.
К 28 сут хранения бе-
тонных образцов при от-
носительной влажности
воздуха около 30 % и
температуре около 60 °C
высыхание с торцов об-
разцов практически пре-
кратилось.
£ 10 5. мм/и
Рис. 4.3. Зависимость усадки бетона от
его структурно-технологических харак-
теристик
Рис. 4.4. Зависимость критической
влажности от структурно-технологиче-
ских характеристик бетона
Существенное влияние на усадку бетона оказывают
Расход цемента и В/#. Однако четкие зависимости усад-
Ки от этих показателей удалось установить при исполь-
зовании в качестве критерия структурных характеристик
<Рнс. 4.3).
С увеличением расхода цемента при постоянном B/ZZ
Увеличивается усадка бетона. Это можно объяснить тем,
Что с повышением содержания цементного камня в бе-
7*
99
тоне увеличивается и количество критической вла,,
Однако чем выше значение В///,,-- при постоянной ксц.
центрацни цементного камня в бетоне, тем выше и jtl
ка. Связано это с тем, что с повышением пористое^
бетона уменьшается его прочность, кроме того, при гц
вышении пористости интенсифицируется влагообмен Ж
тона с окружающей средой, а со снижением прочности
ослабляется сопротивление кристаллического сростя
объемным изменениям геля.
Критическую влажность бетона определяли по фор.
муле
Q7 _ _L W7
"кр ~ "кр 1 Р'
где 07’р—избыточная сверх равновесной влаги критическая влая-
ность бетона по массе, г/г:
Кр = ткр-тр/то
[здесь ткр — масса влажного образца в момент выявления свобод-
ной усадки; тр — равновесная влага образца при данной влажнисв
и температуре воздуха, которой соответствует равновесная влаЛ
ность бетона (07Р); т0 — масса сухого образца (определялась путем
досушивания образцов до постоянной массы)].
Критическая влажность, так же как и усадка бетонк
зависит от расхода цемента и В/Ц.
Четкие зависимости критической влажности бетона
от расхода цемента и В/Ц (рис. 4.4) получаются только
с использованием в качестве критерия структурных хг*
рактеристик. Эти зависимости похожи на зависимости
усадки бетона от таких же характеристик.
Был изучен также процесс сушки бетонов при 170 °C
в зависимости от их строения. Для этого выбрали со-
ставы бетонов, отличающиеся различным содержание
н качеством цементного камня (табл. 4.2). В качестве
заполнителя применяли кварцевый песок и гранитный
щебень.
Таблица 4.2. Составы бетонов и расходы материалов на 1 м3
____ бетона
№ соста- ва сц.к Расход, кг
цемента воды песка щебня
1 1 0,3 1610 482 0,3 1
2 0,5 0,3 806 330 1125 —- 0,41 1
3 0,4 0,3 645 303 1350 — 0,47
4 0,3 0,3 486 270 1580 —, 0,56 |
5 0,3 0,2 576 242 1580 — 0,42 |
6 0,3 0,4 418 295 1580 — 0,705 1
7 0,2 0,3 323 200 725 1195 0,62 I
100
Рис, 4.Б. Зависимость деформаций образца от его температуры (номера кри-
вых — номера составов по табл. 4.2)
Рис. 4,6. Изменение влагосодержання образца в процессе сушки (номера кри-
вых — номера составов по табл. 4.2)
Были изготовлены образцы размером 4Х4Х'6 см.
твердели они в течение 28 сут в нормальных условиях.
Потом их насыщали водой до постоянней массы и опре-
деляли первоначальные деформации и влажность (табл.
4.3). Затем образцы помещали в сушильный шкаф с
температурой 170°C и высушивали до постоянной массы.
При этом измеряли деформации, массу и температуру
в середине образца (рис. 4.5, 4.6, табл. 4.3).
Анализ полученных данных показывает, что продол-
жительность высушивания зависит от концентрации це-
ментного камня в бетоне и его В/ЦИот. С увеличением
количества цементного камня в бетоне увеличивается и
®Ремя высушивания. При снижении значения В/Цист
вРсмя высушивания для бетонов с постоянной объемной
Концентрацией цементного камня увеличивается, несмот-
ря на то что общая пористость снижается. По-видимому,
101
ез
102
gTo можно объяснить изменением характера пор: при
сИижении B/Z/ист образуются более мелкие поры, затруд-
няющие высушивание бетона.
Чем больше объемная концентрация цементного кам-
ня в бетоне, тем больше его начальная влажность (см.
табл. 4.3) и для достижения заданной остаточной влаж-
ности после сушки потребуется больше времени.
Из кривых «уменьшение влажности — температура» и
«деформации— температура» для изученных составов
видно, что каждая из них состоит из двух участков — до
95—100 °C и после этой температуры. Во время первого
периода сушки влага в основном испаряется с поверх-
ности материала, а влага из толщи материала подводит-
ся к поверхности его в виде жидкости. Считается [52],
что в этот период происходит удаление влаги из макро-
пор и макрокапилляров (г>10~7 м). Вода, заполняю-
щая эти поры, является свободной и испаряется при лю-
бой относительной влажности окружающего воз-
духа.
В первый период сушки (до 100 °C) из бетона удаля-
ется незначительное количество влаги (всего около 20 %)
н деформации образцов растут. По достижении 100 °C
в середине образца начинается интенсивное удаление
влаги, при этом температура в образце не меняется, уда-
ляется еще около 20 % влаги, а деформации образцов
резко уменьшаются.
Затем температура в середине образца начинает по-
вышаться, в этот момент связанная влага из толщи об-
разца перемещается к поверхности по капиллярам (г<
<Ю-7 м) в виде пара. При этом процесс сушки идет
очень медленно, влага удаляется равномерно и дефор-
мации образцов плавно уменьшаются до тех пор, пока
вся влага не удалится из бетоиа.
Исследование процесса сушкн силикатных бетонов,
проведенное автором и С. Б. Мнлковым [10], в зависи-
мости от количества вяжущего и вида заполнителя так-
^е подтвердило, что кривые сушки различных составов
состоят из двух частей— линейной части, характеризу-
ющей постоянную скорость сушки, и нелинейной, харак-
теризующей процесс периода падающей скорости сушки.
а продолжительность высушивания автоклавных бе-
т°нов, так же как и обычных бетонов, зависит от концен-
трации вяжущего: повышение ее затрудняет высушива-
ние бетона.
103
Рис. 4.7. Кинетика сушки бетона
1 — при 125 ’С; 2 — при 150 ’С
Важным фактоплЯ
определяющим эфф. t.
тивность сушки, яВЛэ-
ется температура J
ружающей среды: <
вышением ее увелиЛ
вается влагопромИ
ность бетона и со it.
ветственно интеисЛ
ность высушивании
(ряс. 4.7).
В технологии бель
нополимеров паибаЛ
широко применякт
сушку при температу-
рах от 105 —150 °C. В
зависимости от темпе,
ратуры среды, плотней
стн и состава б стоим
размеров изделия t.
типа сушильного обе-
рудования продоля Ф»
дельность сушки можем
колебаться от 1,5 ди
100 ч. Повышение тем*
пературы сушки сйа)
собствует заметно^!
уменьшению ее для
тельности. Например
Рис. 4.8. Влияние температуры сушки
на прочность бетонополимерных образ-
цов, приготовленных из раствора 1 :3
при ЛЩ=0,45 и пропитанных метилме-
такрилатом с добавкой 0,1 % лорофора
1 ~ прочность образцов, подвергнутых
прямой сушке при указанной темпера-
туре; 2 — прочность образцов, подверг-
нутых сушке по двухстадийному режи-
му; 3 — привес полимера в образцах,
прошедших двухстадийную сушку
при прочих равных yv-
ловиях эффект выси
шивапия плотных бе-
тонов при 150 °C в те-
чение 8 ч равен эф-
фекту высушиванжв
при 105 ПС в течение!
100 ч.
Для некоторых ви
дов изделий возможно
применение более высокотемпературной сушки — пр»
200—300 °C. Такая сушка способствует более глубокому,
обезвоживанию цементного камня и соответствен»
обеспечивает более полную его пропитку в последующем.
В наших опытах высушивание при 300 °C на 5—10 w
104
,„елпчивало количество удаленной влаги и соответст-
венно несколько повышало содержание полимера в бе-
тонополимере. В результате несколько повышалась проч-
ность материала,
Однако окончательный эффект зависит от правильно-
го назначения режима сушки, чтобы не вызвать в мате-
риале значительного температурно-влажностного гради-
ента и заметных деструктивных явлений. В этой связи
представляет интерес двухстадийная сушка, при которой
вначале образцы высушивают при 105—115 °C, а затем
подвергают нагреву и изотермической выдержке при бо-
лее высокой температуре—200—400°C.
Опыты, проведенные автором, В. В. Кагнером и
Е. Д Пилюгиным, показали, что прямой прогрев в высо-
котемпературной среде может вызывать снижение проч-
ности бетонополимера из-за деструктивных процессов
при сушке (рис. 4.8, кривая 7). Двухстадийная сушка
обеспечивает получение менее дефектной структуры бе-
тона и более глубокое насыщение его мономером, в ре-
зультате чего повышается прочность бетонополимера
(кривая 2). В обычных бетонах на портландцементе по-
вышение температуры сушки свыше 400°C нецелесооб-
разно вследствие значительной деструкции бетона при
высоких температурах, что отражается на прочности ко-
нечного продукта.
Следует заметить, что с повышением температуры
уже свыше 150 °C возрастает опасность деструкции бето-
на и требуется особо внимательный подход к назначению
режимов сушки. Имеется ряд примеров, когда из-за не-
правильных режимов высокотемпературная сушка не
Давала должного эффекта и даже приводила к сниже-
нию прочности бетонополимера. При высокотемператур-
ной сушке необходим специальный контроль за деструк-
тивными явлениями в материале, который может быть
выполнен акустическим способом (см. гл. 10).
Кроме указанных факторов на скорость сушки бето-
нов влияет относительная влажность окружающей сре-
Ды- Можно увеличить скорость сушки, ускоряя отвод
влаги с поверхности образца в окружающий воздух пу-
тем создания тяги или сочетания сушки с вакуумирова-
нием.
Сушку следует начинать при достижении бетоном за-
данной прочности. Недопустима сушка свежеотформо-
Ванного бетона. При 40°C в первые сутки твердения уп-
105
лотненная вибрированием бетонная смесь теряет 50-.
60 % воды затворения. Такая потеря влаги препятств^»
протеканию процессов гидратации, формированию плг.
ной структуры и отрицательно влияет иа рост прочное?*
бетона и свойства бетонополимера. *
В технологии бетонополимеров могут быть использо.
ваны разные способы сушки бетона: конвективная, ра
днационная (в том числе инфракрасная), контактная
(в основном электрическая) и микроволновая (высокоча
стотная).
Конвективную сушку чаще всего выполняют в струе
нагретого воздуха. Влага испаряется в результате paj-
ностн парциальных давлений водяных паров у поверие
ности бетона и в горячем воздухе. Интенсивность сушкн
во многом определяется конвективной теплоотдачей. При
такой сушке по толщине изделия возникает перепад
влажности, когда влага перемещается от внутренних сло-
ев к периферийным, что может вызвать неравномерную/
усадку бетона при высушивании и поэтому лимитирует
безопасную скорость сушкн. Наблюдается и значитель-
ный перепад температур по толщине изделия в начале
процесса. В период прогрева температура на поверхно-
сти бетона оказывается выше, чем внутри, в результате
чего возникает термоднффузнониый поток влаги, нап-
равленный внутрь изделия.
Одновременное воздействие термодиффузионного по-|
тока и испарения влаги с поверхности бетона может вы-
звать еще больший перепад влаги по толщине изделия и
при неоправданно жестких режимах сушки — появление!
усадочных трещин.
Несмотря на эти недостатки, конвективный способ
сушки — наиболее распространенный иа предприятиях^
промышленности строительных материалов благодаря
своей простоте. Оптимальный режим сушки бетона еле- 1
дует определять с учетом размеров модуля поверхности
бетонного изделия, его плотности и начальной влажно-
сти.
При радиационной сушке влага испаряется за счет
излучения тепла от нагретых поверхностен или источни-
ков инфракрасного излучения. Количество тепла, погло-
щаемое телом, в общем виде определяется из выражения
г~Спфй[( 100 ~ 100) ]’
108
^„ — приведенный коэффициент излучения, зависящий от сте-
г^ни черноты тела и излучателя; <ри — угловой коэффициент излуче-
ния зависящий от взаимного расположения тела и излучателя; Тп,
^ — температура соответственно излучателя и тела.
В процессе облучения температура поверхности из-
делия повышается, вследствие этого увеличивается раз-
ность парциальных давлений пара у поверхности мате-
риала и в окружающей среде, повышающая скорость
сушки в несколько раз. Скорость окружающего воздуха
не влияет на скорость сушки. Как и при конвективной
сушке, в начале процесса наблюдается интенсивный тер-
моднффузионный перенос влаги в направлении к центру
изделия и градиент влажности достигает максимума.
Обеспечить равномерный прогрев массивных изделий
таким способом сложно, поэтому радиационная сушка
перспективна для обезвоживания сравнительно тонко-
стенных бетонных изделий, таких как трубы малых диа-
метров, лотки и скорлупы, тротуарные плиты. При срав»
нительно невысокой температуре сушки бетона целесооб-
разно использовать недефицитные низкотемпературные
металлические или керамические панельные излучатели.
Контактную сушку выполняют, пропуская через бетон
переменный электрический ток. Электрическое сопротив-
ление водонасыщениого бетона значительно, и при про-
хождении тока температура последнего повышается.
При этом температура в середине образца оказывается
выше, чем иа поверхности, за счет испарения и охлажде-
ния влаги. Возникает температурный перепад по толщине
изделия, причем тепловой поток направлен от внут-
ренних к наружным слоям изделия. Достоинство контакт-
ного метода — совпадение знаков градиентов температу-
ры и влажности. Изменяя параметры тока, можно регу-
лировать интенсивность перемещения влаги и испарения
без изменения параметров окружающей среды. Другими
словами, контактную электросушку можно вести вообще
без сушильных камер. Регулирование и контроль режи-
ма электрической сушки легко автоматизировать, так
как электрическое сопротивление бетона обратно пропор-
ционально влажности изделия. Последнее обстоятельство
имеет и отрицательное последствие — удаление адсорб-
ционной влаги требует больших расходов электроэнер-
гии. Определенные сложности возникают и при установ-
ке электродов — необходимы токопроводящие пасты
(графитовые на различных связующих, например на пнк-
тнновом клее).
107
Перспективна сушка токами высокой частоты. Пе„
менное электрическое поле высокой частоты возбужд|(1
колебательное движение ионов, полярных и нсполяриЗ
молекул в поровой жидкости бетона. За счет инерцноц.
кого запаздывания этих колебаний возникает молекуляр.
ное трение, вызывающее нагревание изделия. Что1*ч
повысить интенсивность сушки, необходимо увеличить Я
стоту поля в процессе прогрева бетона за счет теплоЖ
мена с окружающей средой и испарения влаги с поверх
иостн. Внутри бетон нагревается до более высокой тоЗ
пературы, чем на поверхности.
Высокочастотная сушка наиболее благоприятна при
прогреве тонкостенных изделий, так как прогрев проис-
ходит равномерно во всей массе изделия. Основной не-
достаток метода — большой удельный расход электро-
энергии, необходимость применения сложной аппара-
туры.
В некоторых случаях может использоваться вакуумЯ
ная сушка. Однако при комнатной температуре и боль-
шой влажности бетона этот вид сушки недостаточно эф-
фективен. В опытах американских ученых прн остаточ-
ном давлении 10,7 кПа бетон за 96 ч потерял толы»
0,7 % массы. Использование вакуума целесообразно в
сочетании с другими способами сушки, особенно на по-
следнем этапе, когда применение вакуума способствуем
более глубокому обезвоживанию бетона.
Все перечисленные методы сушки могут быть техно-
логически эффективны. Выбор одного из них определи'
ется экономическими соображениями и совместимость^
с остальными технологическими операциями произведет
веиного цикла. Наиболее распространены камерные су-
шилки как конвективного, так и контактного типа (с ме
таллическими и керамическими источниками излучения)
Исследования, проведенные коллективом ВНИИжеле
зобетона [78, 79], показали, что наиболее эффективно
применение комбинированных способов сушки. Был под-
робно исследован способ контактно-вакуумиой сушки.
Из бетона марки М 500 были изготовлены бетонные
образцы-кубы с размером ребра 4, 7 и 10 см. Для ими-
тации процесса одномерной сушки боковые поверхности
образцов были покрыты защитным слоем. Температуру
в сушильном шкафу поддерживали иа уровне 105’С с
помощью контактного термометра. Опыты показали, что
время контактно-вакуумной сушки образцов зависит от
108
размеров и составляет 3—10 ч. При обработке экспе-
риментальных данных была получена расчетная фор-
мула
U7 = ф0 ехр [- (547Л2 - 0,0143h + 0,1086) т2 +
+ (0,063ft2 — 1,172ft + 5,72) Tl,
где W, ^-соответственно заданная и начальная влажность ма-
^риала; h — размер ребра образцов; т — продолжительность сушки.
Исследования показали, что контактно-вакуумную
сушку эффективно применять в периоде падающей ско-
рости сушки. При постоянной скорости сушки целесооб-
разно применять радиационно-конвективный способ.
В производственных условиях процесс сушки должен
происходить достаточно глубоко, чтобы обеспечить мак-
симальное насыщение мономером всего изделия цели-
ком или определенной его части. Можно считать, что
сушка должна осуществляться до остаточного содержа-
ния свободной воды в бетоне около 0,1—0,2 % по массе.
В производственных условиях кроме традиционных спо-
собов сушки известно применение сушки изделий в элек-
тромагнитном поле промышленной частоты при НО—
120 °C, применение электрических экранов и ряд других.
Развитие техники сушки бетона продолжается.
Особой разновидностью является кратковременная
сушка при поверхностной пропитке бетонных и железо-
бетонных конструкций и изделий. В этом случае может
производиться лишь частичное высушивание. В резуль-
тате снижается степень заполнения пор мономером, ко-
торая, однако, должна быть достаточной для достиже-
ния требуемой долговечности или прочности изделия.
Необходимо учитывать, что при неполном высушива-
нии в бетоне сохраняется наиболее прочно связанная
адсорбционная влага. В результате ухудшается взаимо-
действие полимера и силикатной матрицы, что отрица-
тельно сказывается на прочности бетонополимера как
Композиционного материала.
Для более глубокого высушивания поверхностных
сДоев наиболее эффективны радиационный и газодинами-
ческий способы сушки1.
Анализ напряженно-деформированного состава бето-
Иа и железобетона при сушке выполнен Г. В. Марчукай-
тнсом [28]. При этом оценивалось влияние деформаций
1 Практическое осуществление поверхностной сушки рассматри-
вая в гл. И.
109
и напряжений, возникающих при сушке готовых изделий
как вследствие температурного градиента, в особенности
при подъеме температуры, так и от усадки. Получена
формула для расчета допустимого температурного пер*,
пада, ие вызывающего в бетоне растягивающих напри-
жеиий, превышающих прочность бетона на растяженя!
т
ДТ —----------L----------i---------
(10,5 — 0,02537*4-0.00008Т2) Eg
где ₽р, Еб — прочность на растяжение и модуль упругости бетон*
v— коэффициент Пуассона; Т — максимальная температура суй-
На основании рассчитанного температурного персп!
да определяют допустимую скорость подъема темпе»
туры сушки.
Расчет температурных полей и температурно-усадоч-
ных деформаций и напряжений в бетоне при его суш»
является весьма сложным, поэтому на практике целе-
сообразно устанавливать оптимальные режимы сушкц,
опытным путем с использованием современных методом
контроля процесса сушки (см. гл. 10).
ВАКУУМИРОВАНИЕ БЕТОНА
Вакуумирование предварительно высушенных изде-
лий проводят для более полного удаления остатков вла-
ги, пара и газа из порового пространства бетона. Это
способствует ускорению процесса пропитки, достижению
более глубокой степени насыщения бетона мономером»*
улучшает условия процесса полимеризации.
Для вакуумирования бетонные и железобетонные из-
делия помещают в герметический контейнер, в которой
могут также производиться их пропитка и полимериза|
ция. Размеры и форма контейнера должны обеспечивать
максимальное заполнение внутреннего пространства из-
делиями, чтобы свести к минимуму свободное простран
ство. Это позволит максимально повысить производи-
тельность установки.
Для вакуумирования монолитного бетона могут ис-
пользоваться вакуум-щиты, устанавливаемые на его по-
верхности, или вакуум-трубки, заделанные внутри мас-
сива при бетонировании. Впоследствии эти приборы мо-
гут также использоваться для пропитки бетона.
В контейнере, как правило, создается остаточное дав-
ление в пределах 6,67—1333 Па. Такое небольшое разре-
шение может быть довольно быстро достигнуто с по-
лотью вакуумных насосов.
Скорость откачки газа Vr при давлении Р есть объ-
ем газа, удаляемый из вакуумной системы за единицу
времени и приведенный к этому давлению. Исходя из
уравнения состояния идеального газа, можно записать
Vr = Q/P,
где Р — давление у входного патрубка насоса; Q — поток газа, соз-
даваемый насосом.
В соответствии с уравнением состояния однородного
газа, находящегося в равновесии, Q можно выразить
следующим образом:
Q = KNT,
где К— постоянная Больцмана; УУ —число молекул, проходящих че-
рез сечение за единицу времени; Т — абсолютная температура.
Вакуумный насос новой конструкции имеет мини-
мальное предельное давление в системе, когда скорость
откачкн падает до нуля. Это предельное давление зави-
сит от множества причин: качества применяемого масла,
утечек и т. п.
Для определения продолжительности т откачки, если
допустить, что скорость процесса постоянна, а пропуск-
ная способность трубопровода бесконечно большая, при-
годна зависимость
т = 2.3 (V/VP)/ig (Р,/Р).
где V— объем откачиваемой системы; Иг —скорость откачки; Р<—-
Давление в начале откачки (чаще всего равно атмосферному); Р —
Давление в вакуумной системе.
Для получения разрежения, соответствующего оста-
точному давлению в контейнере порядка 0,007—1,3 кПа,
можно с успехом применять как объемные, так и струй-
ные вакуумные иасосы.
Для объемных насосов характерно механическое воз-
действие на захватываемый газ — сжатие до давления,
соответствующего условиям иа выходе из иасоса. Аппа-
раты этого типа бывают поршневыми, ротационными,
Центробежными и винтовыми. Поршневые насосы высо-
копроизводительны, однако предельное давление (т. е.
остаточное давление при предельном разрежении) у них
обычно не бывает ниже 1,3—2 кПа.
111
Таблица 4.4. Характеристики вакуум«иасосов
Показатель
Подача, м3/мин
Предельное разрежение, кПа
Мощность электродвигателя,
кВт
внп-з ВНП-6
3 6
0,9 0,4
7 20
ВН-75-1
4,5
0,1
9 Л
Маркл
ВН-76.*
3
0,0013
-.5 Л
Примерами серийных поршневых вакуум-насосов мп.
гут служить насосы типа ВНП (табл. 4.4).
В ротационных насосах откачивание газа достигая,
ся вращением эксцентрично расположенного ротора.] в
пазах которого перемещаются пластины. Ротацнонны
иасосы имеют большие преимущества по сравнении,»
поршневыми благодаря высокой подаче при малых габа-
ритах, однако оин требуют более высокой точности пр»
изготовлении н сложнее в эксплуатации.
Отечественная промышленность выпускает ротацион
иые насосы со скользящими лопатками сернн РВН, а
также более мощные. Двухступенчатые насосы этого ти-
па (ДРВН) обеспечивают предельное давление откачки
0,008—0,13 кПа.
Водокольцевые ротационные насосы удобны нз-зв
отсутствия смазки (самый маломощный из миогоплас-
тинчатых насосов РВН-80 расходует 150 г масла з»
1 ч). Водокольцевые насосы не имеют клапанов и рас-
пределительных устройств, очень просты по конструкции
и практически не засоряются. Основные нх недостатки:
большая энергоемкость (КПД=50 %), малая глубин»
вакуума (у многих насосов предельное давление окола
13 кПа). Однако выпускаются насосы и с более высоки-
ми параметрами, например РМК-4 (подача 30 м3/мпн,
предельное давление 2 кПа, мощность электродвигателя!
70 кВт).
Масляные ротационные иасосы способны создавать
значительно более высокий вакуум (остаточное давле-
ние порядка 0,01 Па) и часто используются как форва-
куумные в высоковакуумиых системах. Широко известен I
лабораторный масляный ротационный насос РВН-20
(производительность 0,2 м3/мия, предельное давление ,
0,65 Па, мощность электродвигателя 0,65 кВт), приме-
няемый для создания неглубокого вакуума в лаборатор-
ных или небольших полупромышленных установках. Для I
112
большинства насосов этого типа с малой и средней по-
дачей нежелательно превышение давления всасывания
более 0,13 кПа, поэтому применять их для получения
давлений такого порядка не имеет смысла. Насосы с
большой подачей, имеющие маслоотбойные устройства,
могут работать при давлении у впускного патрубка до
13 кПа и поэтому пригодны для откачки больших объе-
мов воздуха. Примерами таких иасосов могут служить
одноступенчатый ВН-75-1 и двухступенчатый ВН-75-2
(см. табл. 4.4).
Двухроторные вакуумные насосы имеют небольшие
габариты и малоэнергоемки. Однако при использовании
таких насосов для получения требуемой степени вакуума
необходим дополнительный форвакуумный (обычно ро-
тационный масляный) насос. Благодаря простоте конст-
рукции и высокой подаче большой интерес представляют
струйные эжекторные насосы (водо- и пароструйные).
Водоструйные (или аспираторные) вакуум-насосы
работают по принципу передачи газу импульса струей
жидкости. Откачиваемый газ увлекается струей воды или
какой-либо другой жидкости силой поверхностного тре-
ния, Предельное давление водоструйных вакуумных насо-
сов в значительной степени зависит от давления воды.
Пароструйные эжекторные вакуумные насосы прин-
ципиально ие отличаются от обычных паровых эжекто-
ров. Они могут обеспечить предельное давление до
1,3 Па, просты по конструкции и в изготовлении. Однако
применение пароструйных эжекторов при давлении ме-
иее 4—5 кПа нецелесообразно из-за очень большого рас-
хода пара. Основное достоинство пароструйных эжекто-
ров — большая мощность откачивания и возможность из-
готовления силами потребителя.
С целью экономии пара пароструйные насосы комби-
нируют с водоструйными. Пароводяные эжекторы имеют
большую скорость откачки. Один такой иасос со средней
подачей при давлении 0,065 кПа заменяет 270 масляных
ротационных насосов ВН-6 также со средней подачей.
В качестве вспомогательных в этих аппаратах часто ис-
пользуются водоструйные насосы. Пароводяные насосы
обладают довольно большой подачей при небольших раз-
мерах. Например, малогабаритный двухступенчатый на-
сос НЭВ-0,2Х20:
подача, кг/ч......................... 0,5
предельное давление, кПа 1,3
8—210
113
размеры в плане, мм . 500X446
высота, м . . . . . 1,025
Таким образом, вакуум-насосы любой из перечислен-
ных конструкций можно с успехом использовать при про-
изводстве бетонополимерных изделий. При выборе типа
прежде всего следует учитывать экономические сообра-
жения и возможности потребителя. Когда предполагает-
ся вакуумировать небольшие и тонкостенные изделия
(трубы малых диаметров, тротуарную плитку и т. д.), це-
лесообразно применять небольшие объемные насосы.
При вакуумировании больших объемов бетона следует
отдавать предпочтение струйной технологии откачки.
Заводы железобетонных изделий, как правило, распола-
гают водо- и паропроводами для обеспечения работы ва-
куумных иасосов-эжекторов.
Продолжительность вакуумирования зависит от
структуры бетона, размеров изделия, остаточной влаж-
ности бетона и заданного разрежения. Для плотных бе-
тонов необходимо более продолжительное вакуумирова-
ние. Остатки адсорбционной влаги, кольматируя часть
капилляров, также могут удлинить процесс вакуумирова-|
ния.
Чаще всего продолжительность вакуумирования оп-
ределяется достижением равномерного разрежения по
всему сечению образца. Однако в некоторых случаях
продолжительность вакуумирования увеличивают, чтобы
удалить остатки влаги.
Таблица 4.5. Влияние продолжительности вакуумирования
на давление в центре образца
Давление, кПа Время вакуумирования, мин
0 5 10 15 33 GO ]
В камере 100 5 4 4 4 4
В центре образца из силикат- ного бетона 100 61 37 17 10 4
В центре образца цементного бетона при В/Ц=^ 100 36 14 6 4 4
В табл. 4.5 приведены данные по изменению давле-
ния в центре призмы 10X10X20 см. Для силикатного и
обычного плотного цементного бетона давление в камере
и в центре выравнивалось через 40—60 мии. При испы-
тании бетонов при более высоком В/Ц, т. е. при большей
114
пх проницаемости, давление выравнивалось быстрее —
вСего за 10—20 мни. В пористых растворах и газобетоне
давление по сечению образца выравнивалось за 1—
5 мни.
В опытах Ю. А. Голикова, А. С. Малошицкого и
Д. Ф. Миронова [79] давление в центре бетонного образ-
ца ЮХЮХЮ см сравнивалось с давлением в камере при
пористости бетона 10,7 % за 61 мин, а при пористости
12,5% —за 13 мин. Вакуумирование в этих опытах носи-
ло одномерный характер, так как грани образца с трех
сторон изолировали эпоксидной смолой.
Влияние предварительного вакуумирования на ско-
рость и глубину пропитки иллюстрирует рнс. 3.6. Наи-
лучшие результаты достигаются, когда проводится не
только предварительное вакуумирование, но и пропитка
осуществляется на первом этапе при вакууме, а затем за-
вершается при нормальном или избыточном давлении.
Это обеспечивает более полную пропитку материала.
По данным Г. Идорна и 3. Фордоса [37], при предва-
рительном вакуумировании высушенного бетона привес
полимера возрастает приблизительно на 30 %> а при ва-
куумировании тяжелого бетона естественной влажно-
сти—на 75 %.
Максимальная пропитка бетонов серой достигается
только при проведении процесса под вакуумом. Опыты
показали, что вакуумирование бетона с исходной проч-
ностью 13,6 МПа позволяет ввести 12,6 % серы и повы-
сить прочность до 108,5 МПа, а пропитка без вакуума
позволяет ввести всего 9,1 % серы и повысить прочность
только до 68 МПа [79].
Эффективность вакуумирования зависит также от глу-
бины разрежения в контейнере. Например, при пропитке
метилметакрилатом увеличение разрежения привело к
повышению степени на-
сыщения бетона мономе-
ром и увеличению проч-
ности бетонополимера
(табл. 4.6).
Для каждого бетона
имеется своя оптималь-
ная продолжительность
вакуумирования, при ко-
торой обеспечиваются
наилучшие условия про-
Таблнца 4.6. Влияние степени
разрежения иа свойства
бетонополимера
Давление в контейнере. кПа Привес мономе- ра, % Проч- ность на сжатие, МПа
0.4 6,6 121
4 6,5 107
100 4,8 89
8*
115
пнткн бетона мономера;
Дальнейшее увеличение
продолжительности сверх
оптимального времени ц,
приводит к повышение
степени насыщения бете-
на мономером и прочно-
сти бетонополимера. Эт,
положение иллюстриру.
ют данные табл. 4.7, ,
которой представлены ре-
зультаты испытания об-
Таблица 4.7. Влияние
продолжительности
вакуумирования на свойства
бетонополимера
Продолжи* тельность вакуумиро- вания. мин Привес полимера, % Проч- ность ва сжатие, МПа
10 4 89
20 4,2 98,5
30 4,2 98
разцов бетонополнмерг
10ХЮХ10 см из бетона состава 1:2,38:5,75 прт
В/Д=0,63. После твердения в нормальных условиях об-
разцы высушивали при 110°C и вакуумировали при
остаточном давлении 1,3 КПа, а затем пропитывали ме-
тилметакрилатом при давлении 0,3 МПа с последующей
радиационной полимеризацией. Прочность бетона до
пропитки составила 29,3 МПа.
В этих опытах достаточным оказалось вакуумировг
ние в течение 20 мин. Дальнейшее вакуумирование в-
отразилось на свойствах бетонополимера. Подобные ре-
зультаты получены французскими исследователями
[144]. В их опытах после вакуумирования в теченш
30 мин привес мономера вырос с 4,8 до 5,9%, а проч-
ность бетонополимера на сжатие — с 97 до 109 МПа
Дальнейшее увеличение продолжительности вакуумирэ»
вания до 4 ч хотя несколько увеличило привес мономе-
ра, но почти не отразилось иа прочности бетоиополимерп.
Вакуумирование может применяться также с целью
упрощения технологического оборудования: создание
предварительного вакуума в контейнере обеспечивает в
ряде случаев подачу туда мономера самотеком за счет
разницы давлений в контейнере и емкости с мономером,
без применения иасосов.
ПРОПИТКА БЕТОНА
Пропитка бетона мономером является одной из ос
новных технологических операций получения бетоиополи-
мера. От того, насколько глубоко и полно удается пропи-
тать бетой, зависят свойства конечного продукта.
Пропитку обычно осуществляют, погружая изделие в
116
пеДу мономера. Могут применяться и другие приемы,
собенио при поверхностной обработке бетона (разлив
мономера по поверхности, пропитка через пористые сре-
многократная покраска и др.). Технология пропитки
во многом определяется свойствами бетона и пропитыва-
ющей жидкости, требованиями к конечному материа-
лу — бетоиополимеру. Наряду с полной пропиткой для
придания материалу высокой прочности нли специаль-
ных свойств может применяться поверхностная пропитка
на определенную глубину для повышения долговечности
материала и стабилизации полученных свойств во вре-
мени.
Проникание жидких мономеров в бетон при повышен-
ном и нормальном атмосферном давлении в общем виде
можно описать уравнениями Дарси и Пуазейля [21].
В частности, для случая установившегося процесса про-
питки при ламинарном режиме получено дифференци-
альное уравнение
(Рк nr/8v]*s) dr = nr^dx,
где г — радиус пор; ц — вязкость пропитывающего материала;
Рк — капиллярное давление.
Как показано в предыдущей главе, технологические
свойства мономера как пропиточного материала опреде-
ляются тремя основными параметрами; вязкостью, по-
верхностным натяжением и краевым углом смачивания.
Мономеры должны обладать минимальной вязкостью.
Увеличение поверхностного натяжения благоприятствует
протеканию процесса капиллярной пропитки, повышая
Давление, направленное внутрь капилляров. Краевой
Угол смачивания должен быть меньше 90°, т. е. система
должна быть лиофильной (при 0=90° отсутствует ка-
пиллярное давление; при 0>90° наблюдается капилляр-
ная депрессия, т. е. капиллярное давление препятствует
Процессу пропитки). Температура кипения мономеров не
Должна быть слишком низкой, иначе при пропитке и по-
лимеризации необходимо создавать большие давления.
Указанные обстоятельства наряду с требованиями к про-
весу полимеризации, к готовой продукции, экономиче-
скими и санитарными соображениями определяют выбор
М°иомеров как сырья для производства бетонополнмер-
Hbix материалов.
Кроме того, предполагаемая температура эксплуата-
ции изделия должна быть ниже температуры стеклова-
ния применяемого полимера. В противном случае термо-
117
стойкость бетонополимсрных материалов не может быть
обеспечена. В основном применяют мономеры винилово-
го и акрилового рядов, причем эмпирические исслсдова-
ння позволили остановиться иа сравнительно небольшом
количестве соединений’.
Пропитывают бетонные изделия мономерами при по
выщениом или нормальном атмосферном давлении. Про-
питка при атмосферном давлении несколько менее эффек-
тивна, но с учетом технологических требований может
быть рекомендована для крупноразмерных изделий. I
Ориентировочно глубину пропитки I за время т мож-
но определять по формуле
/2 = (с cos 9г/2т]) т.
Высоту капиллярного подъема h мономера при атмос-
ферном давлении в бетоне можно установить по форму-
ле
h =|^.(cc£0 jTyP
где k — проницаемость бетона.
Исследования кинетики насыщения бетона метил*
метакрилатом, проведенные автором и М. Р. Никоновым,
подтвердили, что этот процесс описывается экспоненци-
альной кривой. При этом вначале пропитка проходит на-
иболее интенсивно, значительно быстрее, чем водонасы-
щеиие (рис. 4.9).
Процесс пропитки полностью погруженных в метил!
метакрилат образцов удовлетворительно описывается
экспонентой [101]
Af, = АГмакс [1 — (1 + г0' 5)—
где Mi —изменение массы образца за единицу времени; Миаис —
максимальное насыщение мономером образца (по метилметакрила-
ту); Y — коэффициент пропорциональности, связывающий пористости
бетона с его проницаемостью.
При пропитке метилметакрилатом полностью погру-
женных бетонных образцов с ВЩ, равным 0,3; 0,4; 0,5,
значение у соответственно было равно 1,1; 1,2; 1,42,
а Ммакс — 2,53; 3.04 н 3,91 (рис. 4.10).
Близкие результаты получены и другими исследовате-
лями [78, 79].
1 Мономеры, наиболее широко применяемые при производстве
бетонополимсрных материалов, были перечислены в табл. 2.2. Ши-
роко используют различные сополимеры на основе этих мономеров.
118
Из кривых кинетики насыщения бетона мономером
видно, что этот процесс протекает особенно интенсивно в
первое время, а затем его интенсивность значительно сни-
жается. М. Р. Никонов на основе результатов опытов
предложил описывать скорость пропитки бетона метил-
метакрилатом или стиролом уравнением
ЛИ/ят = Ммакс у (I + o,5r~0,s,
применимым для бетона с В/Ц=0,3...0,5 при времени
пропитки 10—180 мин.
Для упрощения расчетов было предложено исполь-
зовать функцию 1/М, которая условно характеризует
проницаемость материала для исследуемой жидкости.
Тогда
dM/dT = K1(\/M)~Ki,
где К} и Кч— коэффициенты, зависящие от структуры бетона и тех-
нолей нческих характеристик жидкости (эти коэффициенты могут
быть определены опытным путем; в ряде случаев /<2~0, тогда пос-
ле интегрирования M2 = 2Kit+C).
Для бетонов с В/Ц,
равным 0,3; 0,4; 0,5, со-
ответственно при полном
погружении в метилме-
такрилат (трехстороннее
насыщение) Kt ориенти-
ровочно равен 3,8; 8,4;
22,2, а при одностороннем
насыщении — соответст-
венно 5,7; 6,6; 7.
В зависимости от со-
става и структуры бето-
на, свойств пропитываю-
щей жидкости и условий
пропитки скорость про-
питки будет изменяться в
значительных пределах.
Однако 80—90 % метил-
метакрилата и других ма-
ловязкнх жидкостей бу-
ДУт при прочих равных
Условиях впитываться за
Ю—20 % общего време-
Ип пропитки, необходимо-
го Для достижения мак-
симального насыщения
Рис, 4,9. Кинетика изменения степени
насыщения бетона метилметакрилатом
и водой
/, 2, 3 —пропитка при полном погру.
женин в метилметакрилат (В/Ц соот-
ветственно равно 0,5; 0,4; 0,3); 4. 5. 6 —
пропитка при полном погружении в
воду (В/Ц соответственно равно 0,5;
0,4; 0,3)
М.%
° 20 40 60 120 180 1440
т.мин
Рис. 4.10. Кинетика насыщения бетона
прн полном погружении в метилмета-
крилат
Г-В/Ц=0,3; 2 —В/Ц-0,4; 3-В/Ц=0,5
119
бетона мономером. Псз.
тому технолог всегда и Г
ходится перед проблемой
правильного определения
продолжительности про.
питки, чтобы сделать при
цесс производительным
при минимальном сниже
нии максимально дость
жимых свойств бетою*
полимера. В ряде прак
тических случаев, осо.
бенно при обеспечении
определенной долговой»
сти и стойкости бетои*£
Рис. 4.11. Скорость пропитки бетона ОКЭЗЫВаетСЯ ВОЗМОЖНЫМ
метилметакрилатом (« — глубина про-
питки) ограничить степень насы-
щения бетона мономером
и тем самым сократить продолжительность его пропиткД
Кинетику проникания мономера в бетон можно ис-
следовать, изучая визуально или под микроскопом ере
зы или сколы образцов, пропитанных мономером. Ре-
зультаты, полученные при использовании такой методик»,
приведены на рис. 4.11. Введение в мономер поверх-
ностно-активных веществ для ускорения процесса про-
питки и увеличения ее глубины не дало обнадеживаю-
щих результатов.
Рассмотренные зависимости справедливы для случая
пропитки бетона маловязким мономером типа метилме-
такрилата и стирола. Пропитка бетона значительно бо-
лее вязкими (до 1 Па-с) органическими жидкостями,!
иапример полиэфирами, сопряжена с большими труд-
ностями. Наряду с большой вязкостью пропиточного со-
става наблюдаются избирательная адсорбция полиэфи-
ров в поверхностных слоях бетона, взаимодействие кис-
лотных групп мономеров с цементным камнем с образо-
ванием гелеобразных структур, кольматирующих поры-
В связи с этим скорость пропитки значительно замедля-
ется. В таких случаях хорошие результаты часто дает
введение в вязкий мономер некоторого количества ма-
ловязкого мономера. Опыты проводили с композициям» 1
полиэфирстирола. При этом положительный эффект!
увеличивался с повышением температуры. Аналогичные
результаты получены при использовании полиэфирсти- |
120
ольных и эпоксидно-стирольных композиций
^другими исследователями [133].
Н При атмосферном давлении пропитка бетонных изде-
лий даже маловязкими мономерами длится несколько
часов. Продолжительность пропитки зависит ие только
оТ свойств мономера, ио и от эффективности сушки,
вакуумирования, плотности бетона, массы и модуля по-
верхности изделий. Избыточное давление (в диапазоне
0,1—1 МПа) позволяет сократить время полной про-
питки в несколько раз, доведя его до 1—2 ч в зависимо-
сти от массивности изделия. Давление создается нли
нагнетанием жидкого мономера насосами в пропиточ-
ную емкость (обычно это одновременно и камера для
вакуумирования, и реактор для полимеризации), или
пуском в систему инертного газа (чаще всего техниче-
ского азота). Использование сжатого воздуха нежела-
тельно во избежание окисления мономеров и взрыво-
опасности.
Большой интерес представляет частичная или по-
верхностная пропитка бетонных и железобетонных из-
делий, выполняемая с целью улучшения фильтрацион-
ных и коррозионных характеристик материала. По этой
технологии кратковременно погружают изделие в про-
питочную ваииу (без сушки и вакуумирования) либо на-
носят пропиточные составы на поверхность бетона кистью
нли пневматическими разбрызгивателями. Рекомендует-
ся также наливать жидкий мономер на поверхность бе-
тонных конструкций, а затем укрывать их песком и по-
лимерной пленкой *.
При частичной пропитке предпочтение чаще всего
отдают вязким полиэфирным и эпоксидным композици-
ям, которые сравнительно мало испаряются в процессе
полимеризации и образуют на поверхности изделия
плотную и гладкую пленку, имеющую хорошее адгези-
онное сцепление с бетоном. При полной пропитке наи-
более эффективны маловязкие мономеры типа стирола
или метилметакрилата. Эти мономеры летучи и быстро
испаряются из бетона.
Чтобы предотвратить испарение мономера из бетона,
изделия сразу после пропитки погружают в жидкость
(чаще всего технический глицерин или воду) до окон-
чания процесса полимеризации. В ряде случаев на по-
Более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 11.
121
верхность изделий наносят слой вязкого форполимере
Возможны использование в качестве герметизирующей
среды газообразного азота, покрытие бетона полимер
иой пленкой и другие способы.
Большое влияние на степень пропитки оказывае,
строение бетона. Для выявления влияния иа процесс
пропитки именно этого фактора была принята специ-
альная методика. Все образцы высушивали до постояй
иой массы при НО—140 ЬС, затем подвергали их вакуй
умироваиию в течение 30 мии при остаточном давление
1,3 кПа с последующей пропиткой при атмосферном дав
лении. При этом определяли кинетику пропитки и мак
симальиое количество мономера, впитанного образцом
Полимеризация осуществлялась после полной пропитки
радиационным методом при атмосферном давлении
дозе облучения 0,02 МГр.
Для выявления общих закономерностей по пропитке
бетона удобно использовать количественные характсриЗ
стики строения конгломератов: объемную концентрацию
цементного теста и истинное В/Ц, определяемые в пи-'
риод формирования структуры, т. е. в момент качествен*]
ного перехода бетонной смеси в бетой (см. гл. 2). Пос-
ле затвердевания бетона его структура будет изменять-
ся в зависимости от времени и условий последующее
твердения. Одиако структура бетона в любом возрасте
будет являться наследственной функцией объемной кон
центрации С цементного теста и истинного В/Ц. Важной
характеристикой бетона является также степень гидра
тацин вяжущего, которая позволяет судить об объеме
новообразований и развитии пористости.
Значения В/Ц„Ст могут находиться в пределах от ми-
нимального ВЩ, при котором смесь формуется, до мак-
симального, т, е. до границы расслоения. Для портланд-
цементов В/йист находится в пределах 0,2—0,45. Объем-
ная концентрация цементного теста может изменяться от
0 до 1. Для реально применяемых бетонов С находится
в пределах от минимального значения, равного пустот-
иости заполнителя, до 0,5—0,6. Эти две характеристики
являются общими для бетонов иа различных видах за-
полнителя, численно выражают количество и качество
цементного камня в бетоне и выявляют область сущест-1
воваиня цементных систем.
Чтобы определить В/Ццст и С с различными заполни-
телями, необходимо знать водопотребиость заполнителя
122
в бетоне [20]. Заполнитель влияет на поведение вяжуще-
г0 вещества и сроки формирования структуры. На сма-
чивание зереи заполнителя тратится часть воды затво-
рения, и структура цементного камня как бы формиру-
ется при В/Ц меньшем, чем исходное; еще большее ко-
личество воды поглощает пористый заполнитель.
Водопотребность заполнителя возрастает с увеличе-
нием суммарной поверхности зереи заполнителя и поэ-
тому особенно велика у мелких песков. Крупнозерни-
стый песок имеет водопотребность 4—6% (по массе),
средний 6—8 %, мелкий 8—10 % и очень мелкий — бо-
лее 10%. Водопотребность гравия составляет 1—4%,
щебня из изверженных плотных пород (гранита и т. д.)
2—6 %. Известняковый щебень не только адсорбирует,
но и поглощает воду, поэтому его водопотребность со-
ставляет 5—10 %. Количество’ воды, адсорбированной
заполнителем, немного увеличивается при возрастании
ВЩ. Заполнитель, связывая часть воды затворения,
влияет на реологические и технические свойства бетон-
ной смеси, а следовательно, иа технологию формования
и структуру бетона. Кроме того, в процессе твердения
бетона вода, смачивающая зерна заполнителя, участвует
в формировании контактного слоя. Нельзя ие учиты-
вать еще одну сторону влияния заполнителя на струк-
туру бетона: при укладке подвижных смесей может про-
исходить внутреннее водоотделение и вода будет скапли-
ваться под зернами крупного заполнителя. Связь между
крупным заполнителем и раствором в бетоне при этом
ослабится.
Наличие контактного слоя между цементным камнем
и заполнителем в значительной мере определяет проч-
ность, проницаемость и стойкость бетона. Толщина кон-
тактной эоны зависит от многих факторов: в бетоне нор-
мального твердения на гранитном щебие она составля-
ет 30—50 мкм, иа известняковом щебне—40—160 мкм.
Прн тепловой обработке ширина контактной зоны уве-
личивается: после автоклавной обработки контактный
стой может быть толще в 2—3 раза. Контактный слон
состоит из контактной зоны цементного камня и
контактной зоны заполнителя, которая особенно замет-
но у пористых заполнителей.
По своему составу и свойствам контактная зона от-
личается от остального цементного камня. Возможно хи-
мическое взаимодействие некоторых видов заполнителей
123
с продуктами гидратации цемента даже при нормальных
условиях твердения, усиливающееся при тепловой обра-
ботке.
Степень гидратации резко изменяет число пор в ц<
ментном камне. При полной гидратации цементный к?
мень с В/Ц порядка 0,47—0,52 будет иметь мнниматьнын
объем капиллярных пор и степень гидратации буде,
приближаться к единице. Однако полная гидрата
ция возможна при весьма длительном твердеиип в бла
гоприятиых условиях. Физический предел процесса гнд
ратации наступает тогда, когда капиллярное простран
ство заполняется продуктами гидратации, т. е. полнщ
гидратация невозможна при ВЩ, меныпих 0,5, и может
быть ориентировочно определена по формуле аМакс9
^2В/Ц.
Экспериментально установлено, что степень гидрата-
ции образцов чистого цементного камня в возрасте
1,5 лет воздушно-влажного хранения при относительной
влажности воздуха 60—80 % и температуре 20±2 °C.
определенная рентгеновским количественным анализом,
составила 0,35 при ВЩ—0,2, 0,48 при ВЩ=0,3 и 0.5Н
при ВЩ—ОА.
Для бетонных образцов на гранитном щебне с
В/Дист=0,2; 0,3 н 0,4, хранившихся в течение 1,5 лет в
воздушно-влажных условиях, так же как для образцов
цементного камня, степень гидратации соответственна
составила 0,39; 0,58; 0,77, т. е. условия твердения цемент*
ного камня в бетоне более благоприятны из-за наличия
воды, иммобилизованной заполнителем. Следовательно,
максимальная степень гидратации цементного камня в
бетоне находится в прямой связи со значением В/Диет-
Таким образом, из общей пористости плотно уложенного
бетона, определениой экспериментально, можно выделить
пористость собственно цементного камня, если известим
В/Цкст и степень гидратации, которые также определяют-
ся опытным путем.
Пористость цементного камня Пц.и определяется по
формуле
Пдц = Вц — 0,21 аЦ,
где Вц — вода, иммобилизованная цементным камнем к концу пе-
риода формирования структуры; Ц — расход цемента; а — степень |
гидратации.
По разности между общей пористостью и пористостью
собственно цементного камня определяется суммарная
пористость, состоящая из пористости контактной зоны,
124
а”?==н===г
песок средней КРУ™°£™ £ияковый щебень наибольшей
-н- «г «X—“
ХЛЖТЙ-”»™ ”
Анализ табл. 4.8 и да™“е и^ыщеиию^оиомером бе-
зелены результаты какие.либо зависимо-
тона, показывают, что У В/Дзпт, для данной сово-
стн параметров впитывания от вщк»
Таблица 4.8. Характеристики бетонов __
И
§
з”
«5
Максималь-
ная степень
насыщения
бетона моно-
мером, % по
объему
Коэффи-
циент на-
сыщения,
- __Дк_
п
Скорость
всасыва-
ния моно-
мера (в
первые
15 мин)
ьГ
в
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
0,3
0,4
0,4
0.4
0,2
0,3
0,4
0,2-
0,3
0,4
0,2
0,3
0,4
0,2
0,3
0.4
0,37
0,5
0,63
0,29
0,42
0,54
0,25
0,37
0,48
0,2
0,3
0,4
9,3
10,8
11,4
10,4
12
15
12
14
17
22
30
37
6,8
6,7
8,5
7,6
9,2
10,2
9,3
10,2
0,73
0,62
0,74
0,73
0,76
0,68
0,77
0,69
0,153
0,186
0,252
0,174
0,252
0,32
0,266
0,314
0,405
0,4
0,5
0,875
4,4
5,5
6,3
6.6
8,3
9,4
8.7
11,1
12,7
22
30
37
0,67
0,41
0,66
0,58
0,68
0,46
0,7
0,32
0,44
125
купиостн результатов не представляется возможным
даже для бетонов, приготовленных на одних и тех ж-
материалах. Однако можно получить четкие зависимо-
сти параметров пропитки от состава и строения бетона^
если учесть структурные характеристики. Так, при по
стоянных значениях ВЩист прослеживается четкая зави-
симость степени насыщения мономером от изменении
объемной концентрации цементного теста от 1 до О,?
(рис. 4.13, кривые 1—4) либо от изменения В/ЯИст о
0,2 до 0.4 (рис. 4.13, кривые 5—7) при постоянной объ-
Рис. 4.’2, Зависимость количества по-
глощенного мономера по объему М, %
от В/Цзатв
емной концентрации. Прь
тостояином В/Цисг с
уменьшением объемном
концентрации цементной
го теста снижаются ско-
рость впитывания и пре-
дельное поглощение мо-
номера. Это объясняется
прежде всего снижением
общей пористости бетона.
При постоянной объем-
ной концентрации це-
ментного теста с возраста-
нием В/Цист увеличение
скорости пропитки и пре-
дельного поглощения мо-
Рнс. 4.13. Зависимость количества поглощенного мономера от состава бетона
« — за первые 15 мин: б — суммарное; 1 — С=0,2; 2 — С=0,3; 3 —С=0,4; 4 —
С-1; 5 — В/Цдст=0.2; 6 - В/Ци„ =0.3; 7-В/Ци„=0.4
126
Рис, 4.14. Зависимость количества поглощенного мономера от времени про-
питки
При постоянном ВЩ ист . равном 0.3: 1 — С-1; 2 —С-0,4; 3— С«=0,3; 4 — С—
-=0.2. При постоянном С, равном 0,1: 5 — В/Цист-0.4; 6 — Д/Дист -0.3;
т-адйСТ=0.2. С-0.3: 3-ВЩист=0.4; Р - В/Яяст-0.3; 10 - ЛКиСТ -0.2
номера можно объяснить
изменением характера
пор цементного камня в
бетоне.
Для подтверждения
этого положения рассмот-
рим процесс пропитки це-
ментного камня и бетонов
различных составов (рис.
4.14). При одинаковом
Д/Дист максимальное на-
сыщение увеличивается с
расходом цемента.
В чистом цементном
камне, несмотря на боль-
шую скорость пропитки,
время полного насыщения
значительно выше, чем у
бетона, и составляет около
Рис. 4.15. Зависимость количества по-
глощенного мономера, % по объему, за
первые 15 мин от В/Цдатв
6 ч для ВЩ=№. Бетоны с
таким же В/Ц„сг максимально насыщаются в течение
20—40 мии в зависимости от объемной концентрации це-
ментного теста. Однако время максимального насыще-
ния бетонов зависит от характера пор и будет меньше в
бетонах с большим В/ЦКСт (кривые 5—10 на рис. 4.14).
127
Коэффициент насыщения К,, в бетонах всегда ина.
чем в чистом цементном камне (см. табл. 4.7), несмотря
иа то что пористость чистого цементного камня значь
тельио выше пористости бетонов. Например, пористост,
бетона (состав 2) составляет 10,8 %, пористость цемецт’
иого камня с В/Дяст=0,3 (состав 11) — 30 %. В среднем
для бетонов 7G=0,7... 0,75, а для цементных камней
Ка=0,8... 0,82.
Как известно, затвердевший бетой содержит следую,
щис виды пор: наиболее мелкие гелевые (15-10-’—40Х
Х10“8см). контракциоииые (5.10-’—20-10-7см), капил-
лярные (1 10-'—50-10—4 см) и поры воздухововлечения
(более 50-10-' см). Размер молекулы метилметакрилата
10-10“8—20-Ю-® см, следовательно, часть гелевых пор
не заполняется мономером, так как размер молекулы
мономера больше размера пор, кроме того, крупные по-
ры, иапрнмер образующиеся в результате недостаточно-
го уплотнения бетона, заполняются также ие полностью.
Результаты микроскопического исследования срезов
бетонных образцов, подвергнутых пропитке, после высу-
шивания п удаления воздуха подтвердили, что даже прн
полном высушивании образцов и длительной пропитке
не удается достигнуть полного заполнения пор бетона
мономером. Этим объясняется, во-первых, почему коэф-
фициент насыщения бетонов ниже, чем чистого цемент-
ного камня, и, во-вторых, почему он всегда меньше еди-
ницы.
Зная пористость собственно цементного камня /7ц.к,
рассчитанную по формуле (4.2), и коэффициент насы-
щения цементного камня, можно по закону аддитивности
рассчитать коэффициент насыщения «дефектной» пори-
стости /Сия:
КЯ = (71ц.К «Я, + Пт КЯ1 )/(Пд.К + Г1д) ,
где Пл — суммарная пористость, состоящая из пористости контакт-
ной зоны, пор воздухововлечения, макро- и микротрещин (Ла'=П—
Пп.к); Кн1 и Кпз — коэффициенты насыщения соответственно пор
цементного камня я «дефектной» пористости.
Кя. = (Жн-Пя.„КЯ1)/Пц. (4.3)
По формуле (4.3) были рассчитаны коэффициенты
насыщения «дефектной» пористости бетона, представлен-
ные в табл. 4.7.
«Дефектная» пористость тем выше при прочих рав-
ных условиях, чем выше водопотребность заполнителя.
128
_ едовательио, в бетонах, приготовленных на плотных
аполнптелях с большей водопотребностью, коэффициент
3 сы'щения пор должен быть меньше. Однако это не
и блюдается в случае применения пористых заполните-
лей" в том числе и плотных известняков с пористостью
всего 3%. Коэффициент насыщения «дефектной» порис-
тости бетонов на известняковом щебне несколько выше,
чем на гранитном щебне, за счет заполнения пор запол-
нителя.
Метод структурных характеристик позволяет приго-
товить бетоны на разных заполнителях с одинаковыми
значениями структурных характеристик, если учитывать
водопотребность заполнителей в бетоне. На рис. 4.15
представлена зависимость первоначального поглОшения
мономера от В/Ц затворения для двух бетонов на гра-
нитном (/) и известняковом (2) щебне. Четкая зависи-
мость прослеживается, если учесть структурные харак-
теристики: например, при постоянном значении объемной
концентрации цементного теста (С=0,2) при измеиеиии
В/Ц,, от 0,2 до 0,4. Исследования показали, что в бетонах
на известняковом щебне скорость пропитки выше, чем в
бетонах иа гранитном щебне, и с увеличением В/Ци со-
ответственно возрастает.
Таблица 4.9. Характеристики бетонов
С я«иет в,^затп Вид за- пил ните- ля Условия тверде- ния Добавка Л, % М„ %
0,5 0,3 0,41 Песок Нор- мальные — 18 14
0,4 0,3 0,47 — 17,9 14
0,3 0,3 0,56 17,6 14
0,3 0,2 0,42 •к > 18 14
0,3 0,4 0,7 * в —— 20 16
0,2 0,2 0,68 Извест- няк > 25 % золы 20 15,7
0,2 0.3 0,85 То же 20,4 17,8
0,2 0,4 1,04 20,7 17,3
0,2 0,2 0,5 > 0,2%СДБ 17,7 13,6
0,2 0,3 0,66 То же 19,2 14,4
0.2 0,4 0,81 * > 19,9 15
0,2 0,2 0,5 j J — 17,8 13,4
0.2 0,3 0,66 » 18,4 14,2
0,2 0,4 0,081 » — 19,2 17,1
0,2 0,2 0,5 > Пропа- ривание 19,2 13,9
0,2 0,3 0,66 19,6 14,3
0,2 0,4 0,81 > » — 20,8 16,5
9—210 129
Рнс. 4.16. Зависимость количества по-
глощенного мономера, % по объему, от
общей пористости бетона
Рис, 4.17. Кинетика пропитки образцов
различной влажности в открытых ван-
нах
/-17=0; 2 — 47=1%; 3-17=2%;
4- «7=3%
Чтобы установить ,г,.
шую зависимость максч.
мальиого поглощения м-
номера от таких факт,,
ров, как пористость беш
нов, вид заполнителя
т. д., были приготовлены
бетоны на гранитном щеС>
ие нормального твердепм»
(составы представлены «
табл. 4.7), бетоны и:
кварцевом песке, на из-
вестняковом щебне нор;
мальиого твердении Ж
пропаренные, а также г
добавками золы и СДЬ
(составы представлены в
табл. 4.9).
При введении в бетон-
ную смесь добавок и в за-
висимости от условии?
твердения изменяется кас
общая пористость, так «
характер пор. Кроме то-
го, применение заполни-
телей с различной водо-
потребностью обусловлю
вает получение бетонов
разной пористостью кон-|
тактной зоны. Несмотря
иа это, испытания пока-
зали, что возможно уста-
новить общую зависимость максимального поглв
щеиия мономера от общей пористости бетона (рис. 4.16).
Из графика видно, что с увеличением общей пористости!
бетонов возрастает количество поглощаемого мономера
Самая высокая пористость наблюдалась у чистого це-
ментного камня с В/Я=0,5. В результате обработки
данных 29 составов была получена зависимость количе-
ства поглощенного мономера (метилметакрилата) от об-
щей пористости бетона
Мо = О,9П-2.
На кинетику пропитки бетона мономером оказывают
влияние и другие факторы. Автор и Ю. В, Егоров изу-
130
чали влияние остаточной влажности на кинетику пропит-
ки бетона. Подобное явление может наблюдаться при
применении сокращенных режимов сушки для снижения
энергоемкости и ускорения технологического процесса и
использовании естественной сушкн, особенно при поверх-
ностной пропитке материала. На рис. 4.17 приведены крн-
вые зависимости кинетики пропитки метилметакрилатом
в открытых ваннах от влажности раствора 1:3 при
5/Ц=0,45.
Повышение влажности, как н следовало ожидать,
снижает интенсивность пропитки и максимальное насы-
щение бетона мономером (табл. 4.10). Образцы обраба-
Таблица 4.10 Влияние влажности бетона на привес полимера
и прочность на раскалывание
Влаж- ность образцов. % П родо лжительност ь интенсивной пропит- ки, мин Привес мономера, % Прочность на раска- лывание, МПа
режим 1 режим 2 режим 1 режим 2 режим 1 режим 2
0 35 15 10,2 12 4,1 3,8 4,3
1,7 3 45 20 7 11,1 10 4
60 30 3,5 2,1 3,9
тывали по двум режимам: по первому образцы вакууми-
ровали 45 мин при остаточном давлении 50 кПа, а затем
пропитывали при атмосферном давлении; по второму ре-
жиму образцы вакуумировали 30 мни при остаточном
давлении 1,3 кПа, а затем пропитывали при избыточном
Давлении 100 кПа. Время интенсивной пропитки опреде-
ляли по затуханию акустического сигнала. Прочность
контрольного бетона составила 1,3 МПа. Применение
вакуумирования и давления способствовало сокращению
времени пропитки и повышению привеса мономера, а в
результате увеличению прочности бетонополимера.
Одиако значительное повышение избыточного давле-
иня, полезное для продавливания высоковязких пропи-
точных составов в микротрещииы и крупные поры бето-
На, для интенсификации насыщения бетона маловязкимн
Мономерами, как и следовало ожидать, из предпосылок,
рассмотренных в гл. 3, менее эффективно, хотя и дает
определенный эффект. Так, в рассмотренных опытах по-
вышение избыточного давления с 0,1 до 0,5 МПа при об-
работке высушенного бетона увеличило привес мономера
с !2 до 12.8%, а прочность на раскалывание —с 4,3 до
9* 131
15
6,7 МПа. Повышение прочности можно объяснить увели
чеиием степени заполнения мельчайших пор, что имеет
особое значение для сопротивления материала раскали
ванию.
М. И. Суханов с помощью метода математичесЛ
планирования эксперимента получил зависимость степе-
ни пропитки обычного тяжелого бетона от некоторых
технологических факторов
7 = 0,51 + 0,048- + 0,046 -- +
5 Й4Ю2И
где !=&М/М — коэффициент относительного насыщения бетона мм
номером за время тп; тп, тя —время соответственно пропитки и
предварительного вакуумирования образца; Рв — глубина вакуума1
АЛ1 — привес мономера по массе за время тп; М — максимально
привес мономера.
Эта формула применима при изменениях т„ от 10 л
30 мии, Тв—от 10 до 20 мин, остаточного давления Рв-
от 0,014 до 0,096 МПа. Если принять J=0,95, что целесс
образно во многих случаях по технологическим сообра,
жениям, так как дальнейшее увеличение I связано cd
значительным увеличением времени пропитки, то можнс
определить время пропитки по формуле
тп= 199 - 2,09тв —28,2РВ- 119Р’.
Конечно, подобные зависимости весьма условны, так
как с изменением состава бетона они также изменяются.
Однако в известной мере они позволяют оценить влияние
технологических факторов на процесс пропитки. В дан-
ном случае наибольшее влияние оказывает остаточное
давление при вакуумировании.
Влияние температуры мономера и бетона иа кинети-
ку пропитки зависит от вязкости пропитывающей жидко-
сти и степени ее изменения с повышением температуры.
Для ряда термопластичных материалов пропитка воз-
можна только при повышенных температурах, когда эти
материалы преобретают способность проникать в поры
бетона. Для маловязких мономеров типа стирола и ме-
тилметакрилата при повышении температуры с 20 до
60 °C скорость и глубины пропитки заметно не измени-
лись. Малоэффективна в этом случае и пропитка нагрето-
132
г0 бетона с использованием эффекта самовакуумирова-
нНя, которая предлагалась для пропитки бетона термо-
пластичными материалами.
Особым случаем является пропитка свежеотформо-
ванного бетона. Оиа предложена [46] для повышения
плотности и некоторых физнко-мехаиических свойств бе-
тона, а также улучшения условий его твердения. В этом
случае бетой пропитывается вследствие контракциоиио-
го эффекта. Однако возможности улучшения свойств
этим способом ограничены, так как наличие воды пре-
пятствует получению хорошего взаимодействия полимера
с твердой фазой бетона и снижает степень заполнения
пор бетона полимером.
Особым случаем пропитки является внутренняя про-
питка, когда в бетон при его изготовлении вводят поро-
шок твердого термопластичного материала, а затем при
нагревании этот материал расплавляется и за счет пере-
распределения объемов заполняет поры и капилляры бе-
тона. В качестве подобных порошков используют моди-
фицированные битумы, парафины и другие материалы
(см. гл. 8).
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ МОНОМЕРА В БЕТОНЕ
Полимеризация мономера в порах бетона является
завершающей операцией получения бетонополимерных
изделий н конструкций. От правильности ее проведения
во многом зависит конечная прочность материала.
Получившие наибольшее распространение для про-
питки бетона мономеры акрилового и винилового рядов
относятся к тем органическим высокомолекулярным сое-
динениям, которые под действием тепла, света и инициа-
торов быстро превращаются в полимеры, имеющие в
зависимости от полноты протекания процесса и свойств
мономера консистенцию от очень вязких жидкостей до
твердых и хрупких тел.
Для изготовления бетонополимерных материалов бо-
тее пригодны соединения, отверждающиеся по принципу
полимеризации. Реакция поликонденсации связана с не-
избежным образованием побочных продуктов, таких как
спирты, хлористый натрий, хлористый водород и другие
вещества, плохо совместимые с цементным бетоном. Как
правило, процесс полимеризации мономеров в объеме бе-
тона происходит по радикальному механизму.
133
Для пропитки наиболее часто употребляют стирол f
метилметакрилат, поэтому рассмотрим вопросы полЗЖ
ризацни на их примере.
Стирол, иначе называемый вииилбеизолом н фенил
этиленом,—простейший представитель ароматически^
углеводородов с ненасыщенной боковой простейшм
цепью. Он легко полимеризуется в стекловидный поли-
мер — полистирол:
СН2-СН-> -СН2-СН-СН2-СН- ’
сл ->С,Н5 CgC#
стирол полистирол
Метилметакрилат — метиловый эфнр метакриловой
кислоты также полимеризуется по месту разрыва двой-
ных связей углерода с углеродом:
-СН3 ->СНа "
сн2=с-сн3 -сн2—с—сн2-с—
соосн, с=о с=о
d-CHs ^-сна п
метиловый " метиловый эфир ”
эфир метэкри- полиметакриловой
ловой кислоты кислоты (полиметил-
(метилметакрилат) метакрилат)
Процессы полимеризации, как правило, протекают пн
месту разрыва двойных связей в молекулах моиомероь.
Способность соединений углерода к полимеризации оп
ределяется тем, что энергия ненасыщенной связи углеро-
да с углеродом меньше, чем энергия насыщенной связи.
Поэтому замена двойной связи одинарной сопровожда
ется выделением энергии. При этом создаются термоди-
намически выгодные условия для образования полимер-
ных цепей [7].
Радикальная полимеризация инициируется свобод-
ными радикалами, причем происхождение их може1
быть разным; они могут образоваться при распаде мо-
лекул специально добавляемых в мономер инициаторе11
или из молекул самого мономера, подвергнутого облуче-1
иию. В первом случае наблюдается термокаталитнческии
способ полимеризации, во втором — фотохимический или
радиационный.
Термокаталитический способ широко применяется I
при производстве бетоиополнмерных материалов В ка-
134
чеСтве инициаторов используют соединения, которые при
нагревании распадаются, образуя свободные радикалы.
Последние, обладая большой реакционной способностью,
атакуют молекулы мономера по двойной связи. Рассмот-
рим это на примере стирола. Радикалами могут быть
метил, СНз, С1 и др.
r+ch2=ch->r-ch2-ch
CeHe свн5.
В результате образуется свободный радикал больше-
го размера, снова атакующий молекулу мономера:
R-CH2-CH+CH2=CH->R-CH2-CH-CHt-CH
11 । । ,
СвН5 СЙН5 CeHs свн5.
Образовавшийся радикал еще большего размера ата-
кует следующую молекулу мономера, разрывая двойную
связь, и т. д. В результате образуются макромолекулы,
представляющие собой гигантские макрорадикалы. Вре-
мя роста одной макромолекулы 1—100 с. Теоретически
цепной процесс может протекать вплоть до исчерпания
мономера и инициатора, т. е. до 100 %-ного превращения
(конверсии) мономера. Однако так обычно ие бывает.
Прекращение роста цепи вызывается взаимодействием
макрорадикалов с образованием «мертвых» макромоле-
кул, реакциями с примесями, также вызывающими ги-
бель радикалов, По мере повышения (на несколько по-
рядков) вязкости системы подвижность радикалов пада-
ет и скорость реакции уменьшается.
В процессе полимеризации выделяется большое ко-
личество тепла, что вызывает значительный саморазогрев
системы. Так, при самопроизвольной полимеризации по-
лиметнметакрилата без отвода тепла температура может
подняться до 400 °C.
В качестве инициаторов полимеризации виниловых и
акриловых мономеров используют в основном термоди-
намически неустойчивые перекиси (перекись бензоила,
ГнДроперскись изопропилбензола, бутнлпербензоат,
Диметилаинлии, перекись метилэтилкетона, перекись во-
дорода, персульфат калия и др.). Применяют и иепере-
кисные инициаторы (азоизобутилоиитрил), значительно
Сличающиеся по активности, скорости и температуре
Распада. Важно, чтобы температура кипения мономера
^•Фасовалась с температурой распада инициатора. На-
135
пример, бутилпербензоат с рабочей температурой п-^
да 100 °C несовместим с метилметакрилатом, пне
такую же температуру кипения. Бутилпербензоат ий*
лее эффективен для инициирования полимеризации
лилфталата (температура кипения 300°C), а метЙ
такрилат прекрасно сочетается с перекисью бен
(рабочая температура 70—90 °C).
Благодаря доступности и технологичности иаи<«>.
шее распространение получили такие перекисные 3
цнаторы, как перекись бензоила (С5Н5СО)2О2 и гидм.
рекись изопропилбензола, иначе называемая" гидр,.»
кисью кумола или гиперизом С5Н5СООН(СН,
Инициатор растворяют в мономере перед пропиткой.!^
димеризацию ведут нагревом с помощью злектриче:».
нагревателей, подачей в реактор горячих жидкостей ц,
воздействием инфракрасного излучения. При контакты,!
способах прогрева в качестве теплоносителей чаще »
го используют технический глицерин или воду.
Кинетика термокаталитической конверсии стяро.
(а) и метилметакрилата (б) приведена на рис. 4.18. Hi
ши опыты, а также опыты других авторов [79] показав,
что скорость полимеризации метилметакрилата в пор»
цементных материалов подчиняется известной зависп
мости
где [AfJ—концентрация мономера; [Сй} — концентрация инициал*;
Длительность термообработки пропитанного бетвМ
в зависимости от его массы и теплофизнческих характе-
ристик колеблется от 1 до 5 ч. Оптимальное количеств
инициаторов, % массы мономеров, при этом составили
перекись бензоила ...... 1—3
гидроперекись изопропилбензола . 2—6
перекись лаурила........ 2—5
порофор............. 0,1—010
Разрабатываются способы изготовления бстонопс'
мерных материалов без нагрева в процессе полнмери
ции. Распад инициаторов на осколки — свободные р Д
калы обеспечивается введением активаторов или ПР а,.
торов. В качестве последних используют TPeTI* „rs
амины, в частности диметнланилин, и другие следи1
(напрнмср, кобальт-нафтаиат). Активаторы ой3\С1т-
влияние иа полимеризациониый процесс лишь в пр^ I
ствии перекисей-инпциаторов. Прн взаимодействии
136
„ппцентов окисли-
ком' 0.восстановитель-
^системы при ком-
’йой температуре об-
дуются «,°б°лные
Жкалы. Например,
К 20 °C период полу-
Хпада 1 %-яого рас-
твора перекиси бензои-
ла в мономере состав-
ляет примерно 60 000 ч.
Добавка промотора
(диметиланилииа) в та-
кой же концентрации
сокращает период по-
лураспада бензоила до
10 мин.
Применение промо-
торов перспективно при
поверхностной пропит-
ке бетона в условиях
строительной площад-
ки. На заводах бетон-
вык и железобетонных
вз® 1ий это вызывает
определенные техноло-
гические трудности в
Мэн с тем, что при
ве-1ении промотора в
кой°мор пеРед ПРОПИТ’
“ немедленно иачи-
1СЯ полимеризация.
Х11 Специальные добав-
дав?рименяют ДДЯ при-
иым Я бетонополимер-
теоь Издмиям большей
езЖптойкости. Серь-
ЩИ!!1” Недостаток боль-
°НцуТВа полимеризаци-
Иы, термопластич-
сРав, полимеров — их
Ч1(ч нптельно низкая
Рис. 4.18. Зависимость времени полной
конверсии стирола (а) и метилмета-
крилата (6) от содержания перекиси
бензоила и температуры
/ — при 85 °C; 2 — при 75 °C: 3 — при
60
40
70
О
60
120 т, мин
Рис. 4.19. Зависимость конверсии моно-
мера В от условий полимеризации ме-
тилметакрилата
/— полимеризация в блоке при содер-
жании перекиси бензоила 1 %; 2 —по-
лимеризация в бетоне при содержании
перекиси бензоила 3 %; 3 — то же, I %;
4 — то же, 0,5 %
- ------1 термостойкость. Для увеличе-
Рац бойкости полимеров к высоким температу-
’ а также к действию растворителей в систему вводят
мономеры, образующие прн отверждении трехмерный
полимер с поперечными связями, например, добавляют
триметилпропан-трнметилакрилат. В результате, избегая
нежелательных реакций поликонденсации, удается полу,
чнть жесткую трехмерную термостойкую структур»
свойственную поликоидеисационным термореактивным
полимерам. Температура размягчения стирола и мети.»,
метакрилата с добавкой трнметнлпропаи-трнметилакр|.
лата соответственно 20 и 10 % повысилась от 120 д,.
200 °C.
В процессе хранения виниловые и акриловые моно-
меры имеют склонность к медленной самопроизвольно!
полимеризации, в результате чего возможна потеря и.
товарных качеств. Во избежание самопроизвольной по-
лимеризации в мономеры вводят ингибиторы (гидрохи
ион, монометиловый эфир гидрохинона, фентиазин и др,).
Чаще всего используют гидрохинон, который легко уда
ляется из мономера однократной промывкой 2—5 %-ным
раствором соды. При производстве бетонополимерных
материалов с термокаталитической полимеризацией в
этой операции нет особой необходимости, так как при
повышении температуры в присутствии инициатора про-
цесс полимеризации протекает сравнительно интенсивно.
В табл. 4.11 приведены результаты опытов, показы-;
вающие влияние вида ингибитора, содержания инициато-
ра — перекиси бензоила и температуры иа скорость по-
лимеризации метилметакрилата.
Таблица 4.11. Влияние вида ингибитора, количества
инициатора и температуры на скорость полимеризации метилметакрилата
S Ингибитор si Время полимеризации, ч, содержании инициатора при %
£ ! Темпер полиме 1 ции, °C 2 1.5 1 0,5 I
I Дифенилпропан 85 0,23 0,37 0,45
II Гидрохинон 70 80 90 3,5 1 0,17 4 1,25 0,22 5 1,67 0.32 г 0,58
III Без ингибитора 70 80 90 0,92 0,33 0,17 1,13 0,42 0,2 1,63 0,5 0,3 2.25 1 0,83 0,42
138
Полимеризация мономера непосредственно в порах и
капиллярах бетона не изменяет общих химических зако-
номерностей процесса, ио вносит некоторые особенности,
к0торые следует учитывать при организации производст-
ва бетонополимерных изделий.
Большая масса твердой фазы минерального скелета,
способствующая поглощению тепла, выделяющегося при
полимеризации, ограниченная подвижность молекул мо-
номера в тонких капиллярах н вблизи поверхности твер-
дой фазы и ряд других факторов приводят к тому, что
при прочих равных условиях в бетоне процесс полимери-
зации часто несколько замедляется по сравнению с поли-
меризацией в блоке (рнс. 4.19). Для обеспечения необ-
ходимой скорости полимеризации увеличивают количе-
ство инициатора.
Необходимость корректировки пропиточного состава
с учетом полимеризации в теле бетона особенно ярко про-
является при использовании смесей инициаторов с про-
моторами. В этом случае часто без увеличения дозиров-
ки этих веществ не удается достигнуть достаточной ско-
рости полимеризации при нормальной температуре, а
повышенные дозировки приводят к быстрому загустева-
нию пропитывающей жидкости, вызывая определенные
трудности в получении удовлетворительной глубины про-
питки.
Но, даже применяя только одни инициатор, прихо-
дится считаться с возможностью повторного использова-
ния мономера с инициатором для пропитки бетона. При
этом необходимо учитывать, что, как показывают опыты,
вязкость стирола и метилметакрилата при инициирова-
нии гиперизом уже через 2,5 ч повышается на 25—35 %.
Повышение вязкости ускоряется при нагреве материала
или применении ускорителей полимеризации. Наличие
в мономере ингибиторов несколько замедляет процесс
Полимеризации и повышение вязкости мономера.
С повышением вязкости резко уменьшается способ-
ность мономера к испарению. Как показывают опыты, по-
Сле повышения вязкости на 40—50 % потери мономера
становятся незначительными.
В некоторых случаях проводят пропитку ис полностью
высушенного бетона. Наличие влаги уменьшает степень
насыщения бетона мономером. Автор и Ю. В. Егоров про-
верял влияние остаточной влажности на кинетику поли-
Меризации бетона, Образцы-кубы 3X3X3 см из раство-
139
pa 1:3 при В/П=0,45 при различной остаточной влажно
сти пропитывали метилметакрилатом с 4 % гипериза н
подвергали полимеризации при 80 °C. Продолжите^.,
ность полимеризации устанавливали акустическим метр
дом. В процессе полимеризации через определение-
ннтервалы проверяли прочность образцов. Результаты и .
пытаний (рис. 4.20) показывают, что время полимериз..
ции составило 5,5—6 ч и мало зависело от влажности 61-
тона и количества поглощенного мономера (в высушен-
Рис. 4.20. Изменение прочности раствора при полимеризации в его порах
мономера
/ — в вмеушеннои растворе: 2 —в растворе с влажностью №-0,5 %; 3 — тоже.
V-1.5%: 4 —то же, №-2,8 %: 5 —то же. №-4,9 %
Рис. 4.21, Изменение анергии звуковых импульсов Н в процессе полимеризация
метилметакрилата с 4 % гипериза в бетоне
/ — предварительно высушенном; 2 —с влажностью 0.5 %; 3 —с влал?Я№ j
рт^ю 1,5 %
ИО
яых образцах привес мономера составил 7,8 %, а сумма
влаги и мономера в бетоне колебалась от 7,8 до 8,9 %,
увеличиваясь, как и следовало ожидать, с повышением
влажности раствора). В начале полимеризации иаблю
далось более медленное нарастание прочности, особенно
во влажных образцах; затем прирост прочности увели-
чивался и опять несколько замедлялся на последней ста-
дии полимеризации. Это подтверждают и данные акусти-
ческих испытаний (рис. 4.21), которые показывают изме-
менение условной энергии звуковых импульсов в процессе
полимеризации. Энергия звуковых импульсов возра-
стает через определенный промежуток времени, и это воз-
растание совпадает с более заметным повышением проч-
ности бетона. Наблюдаемый характер изменений свойств
материала соответствует кинетике термокаталитической
полимеризации метилметакрилата.
При интенсификации процесса полимеризации необ-
ходимо учитывать, что с повышением температуры поли-
меризации и количества инициатора снижается молеку-
лярная масса полимера что отражается на свойствах бе-
тонополимера. В опытах ВНИИжелезобетоиа повышение
температуры полимеризации метилметакрилата с 3 %
перекиси бензоила с 70 до 85 °C привело к снижению мо-
лекулярной массы полиметилметакрилата с 30- 104 до
18-104, а уменьшение концентрации перекиси бензоила с
3 до 0,5 % способствовало повышению молекулярной
массы с 20-104 до 80 -10* Однако малая дозировка ини
циатора способствует замедленному протеканию полиме-
ризации, и вследствие этого возможны заметные потери
мономера из поверхностных слоев бетона вследствие ис-
парения или растворения и вымывания водой, если по
следняя используется в технологическом процессе. На-
значение правильной дозировки инициатора и режима
полимеризации является важнейшим фактором, обеспе-
чивающим получение бетонополимера высокого качест-
ва.
Предотвращение испарения мономера из изделия в
процессе полимеризации является одной из главных за-
дач при изготовлении бетонополимериых изделий. Для
выявления рациональных путей предотвращения потерь
мономера были проведены опыты на пропаренных об-
разцах 4X4X16 см из раствора 1:3 при В/Д=0,45. Об-
разцы пропитывали метилметакрилатом с 2 % перикиси
бензоила,
141
Исследовалось шесть технологических вариантов пр»
ведения процесса пропитки я полимеризации:
1) двухстадийная пропитка образцов: сначала в вац.
иах с метилметакрилатом, а затем с форполимером с
следующей полимеризацией (метод достаточно эффекти-
вен, одиако связан с большим перерасходом мономера,
так как неизбежны необратимые потери форполимера);
2) полимеризация мономера в образцах, герметизнро'
ванных полимерной пленкой;
3) полимеризации в формах из упругоэластичного ре
зиноподобного материала (такие формы обеспечивают
получение высококачественной поверхности изделия, од-
нако имеют малую оборачиваемость);
4) пропитка образцов мономером через специально от-
формованные инъекционные отверстия (при этом поверх-
ность образцов герметизировали вулканизирующейся
мастикой УТ-34, продолжительность вулканизации 3 ч,
давление мономера при инъектировании 0,1—0,5 МПа);
5) полимеризация под водой;
6) полимеризация в глицерине.
Режим полимеризации во всех случаях сохранялся
постоянным: продолжительность 5 ч, температура 85 °C.
Таблица 4,12. Влияние технологии полимеризации
на свойства бетонополимера
Схема полу пения бето- иополимера Образец ^СЖ, МПа Я'ИЗГ МПа Привес мономе- ра. % 'Snp
при сжа- тии изгибе
1 Бетон Бетонополимер 20 85 4,4 24,8 8 4,2 5,6
2 Бетон Бетонополимер 2! 84,5 5 24,5 8,3 4 4,9
3 Бетон Бетонополимер 19 82 4 23 7,6 4,3 5,7
4 Бетон Бетонополимер 16 78 4 22,2 7,8 4,8 5,5
5 Бетон Бетонополимер 18 80 4,2 21 7,2 4,4 4.6
6 Бетон Бетонополимер 20 90 "5 25 7,4 4,5 5
142
результаты исследований приведены в табл. 4.12.
Данные табл. 4.12 свидетельствуют об эффективности
вСех рассмотренных способов пропитки и герметизации
образцов в процессе полимеризации. Наиболее простыми
с конструкционной и эксплуатационной точек зрения яв-
ляются установки для полимеризаци в жидких средах,
при этом улучшаются условия теплопередачи в установ-
ках.
При полимеризации в жидких средах часто ие удается
получить хорошую поверхность изделия. Поэтому в не-
которых случаях может применяться полимеризация в
среде инертного газа, например азота. Чтобы уменьшить
потери мономера в процессе полимеризации, проводят по-
лимеризацию в среде инертного газа с парами мономера.
Прогресс радиационной химии и технологии обусло-
вил успех применения радиационного способа полимери-
зации при производстве бетонополимерных материалов.
Свойства мономеров зависят от незначительных измене-
ний в их химическом строении и надмолекулярной орга-
низации. Энергия активации радикальной полимериза-
ции мономеров винилового и акрилового рядов невелика
(8—40 Дж/моль). Поэтому процессы полимеризации
этих мономеров легко инициируются энергией радиаци-
Таблица 4.13. Радиационная полимеризация мономеров
Мономер Интенсив- ность об- лучения, 101 Гр/Ч Скорость полиме- ризации, %/ч Продолжи- тельность облучения до полной кон- версии, ч Доза ра- диации, 10'Гр
Стирол 5,3 1,06 94,3 50
1 0,5 217 21,7
Полиэфирстирол 5,3 106 0,9 0,5
1 47,6 2,1 0,2
Эпоксистирол 5,3 10,4 9,6 5,1
1 4.6 22 2,2
Ди алл ил фтал ат 5.3 0,91 105,6 58
1 0,4 243 24,3
Винилацетат 5,3 10,4 9,6 5,1
1 4,5 22 2,2
Метилметакрилат 5,3 И 9,1 4,8
1 4,8 21 2,1
Акрилонитрил 5,3 33 3 1,6
1 14,5 6,9 0,7
Триметилпропан-триме- 5,3 58,8 1,7 0,9
тилакрилат 1 25,6 3,9 0,4
Изобориилметакрилат 5.3 44 2,3 1,2
1 18,9 5,3 0,5
143
ониого излучения; происходит переход двойных угле-
род-углеродных связей в одинарные, т. е. образование ра-
дикалов, и в дальнейшем цепи растут по радикальному
механизму до тех пор, пока не исчерпается ресурс моно-
мера или не будет удалей источник излучения. В табл.
4.13 приведены сведения о действии у-радиации на про-
цесс полимеризации мономеров, используемых наиболее
часто.
Скорость полимеризации мономеров при радиацион-
ном воздействии (см. табл. 4.13) можно значительно уве-
личить, повысив температуру в реакторе (рис. 4.22, а)
или введя инициаторы (рис. 4.22, б). Ингибитор, не уда-
ленный из мономера, несколько замедляет процесс поли-
меризации.
Радиационную полимеризацию в большинстве случа-
ев проводят при нормальной температуре без инициато-
ров, что уменьшает потери мономера и обеспечивает ис-
ключение пожарной и взрывоопасности. В этом отноше-
нии радиационный способ предпочтительнее термоката-
литнческого.
В качестве источника излучения чаще всего исполь-1
зуют кобальт Со60. Перспективно совмещение технологи!
ческих линий по производству бетоиополимерных мате-
риалов с ускорителями элементарных частиц или исполь-|
зоваиие вторичных коитуров ядерных реакторов.
Рис. 4.22, Кинетика радиальной полимеризации метилметакрилата
а — при различной температуре: / — 70 °C; 2 — 20 °C; б — при введении различ-
ных инициаторов: / — без инициаторов; 2—1% перекиси бензоила; 3-3%
перекиси бензоила
144
Радиационная полимеризация обычно проводится в
закрытых контейнерах в среде инертного газа, так как
применение жидких сред уменьшает интенсивность облу-
чения.
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПОЛУЧЕНИЯ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
Для получения бетонополимеров заданных свойств
необходимо иметь соответствующие математические за-
висимости, на основе которых можно было бы оптималь-
ным образом организовать технологический процесс. Од-
нако большинство зависимостей, полученных эксперимен-
тальным путем, применимо лишь для условий, в которых
они были получены. При построении более общих зави-
симостей необходим ряд допущений и обобщений, что
делает модели более универсальными, но часто несколь-
ко уменьшает их точность. Однако с достаточной точно-
стью подобные модели позволяют представить различные
варианты технологического процесса и выбрать опти-
мальный.
МОДЕЛИ ПОРИСТОЙ структуры
Разнообразие способов создания порового простран-
ства бетона может быть удовлетворительно описано
только с применением статистических методов. Без мо-
дельного описания структуры пористых материалов нель-
зя построить удовлетворительную количественную тео-
рию пропитки, так как пропитка, как и полимеризация,
является процессом, весьма чувствительным к изменени-
ям структуры материала.
Вместе с тем описание структуры должно быть ра-
зумно обобщенным, так как излишняя детализация мо-
жет заметно усложнить расчеты без достаточного повы-
шения их точности.
По классификации пористых тел, предложенной Л. В.
Радушкевичем [85], различают системы роста, системы
сложения и сложные системы, К системам роста относят
пористые среды, образующиеся в процессе диспергиро-
вания макроскопических сплошных сред или получающи-
еся конденсацией в результате химических или биологи-
ческих процессов. Эти среды отличаются индивидуальной
ю—210 145
морфологией структуры. Пример подобных сред — пем-
за, керамзит и т. д. Системы сложения образуются прн
простом случайном сложении иепорнстых элементов, на-
пример песка, гравия, цемента и т.д. Сложные систе-
мы— это сочетание систем роста и сложения. К подоб.
иым системам относится большинство строительных ма-
териалов, в том числе н бетой. Как правило, вначале об-
разуется система сложения, а затем в ней происходят
процессы перестроения поровой структуры. При этом си-
стема сложения может образовываться из пористых эле-
ментов, являющихся системами роста.
При статистическом описании пористых сред рассмат-
ривают обычно две фазы: твердую и фазу пор. В этом
случае описание по существу касается только геометрии
порового пространства. Методы статистического описа-
ния имеют дело со средними значениями геометрических
параметров, в том числе функции распределения. Прн
этом подразумевается, что средние значения по отдель-
ным объемам тела близки к средним значениям для це-
лого тела.
Наиболее часто для описания пористой среды исполь»!
зуют модель в виде твердого тела, пронизанного во всех
направлениях порами разных, но постоянных по длине
каждой поры радиусов.
Пусть Гм — максимальный радиус пор, a V(r) =
= Кп/:'у(г) — объем пор радиусов 0^г^гм- Ясно, что
Fv(r) есть интегральная функция распределения объема
пор по их радиусам:
fv(0) = 0; Fv(rM) = l. (5.1)
Плотность этой функции распределения (иначе —
дифференциальную функцию распределения) обозначим
через fv(r).
Тогда:
гм
3FV г
I fvV)dr =
(5.2)
V(r) = Vnf/vW*.
6
Общая длина пор радиусов от г до r+dr составит
-^-tFl,(r + *)_FKWJ=Ji- /„(,)*•; (5.3)
146
длина пор радиуса
L(r)=Vn f lv(r> dr,
J Яг3
О
а общая длина всех пор
ь„ = ип= \JlH-dr,
J л/-2
(5.4)
(5.5)
так что функция распределения длины пор по их радиу-
сам примет вид
Fl И =
dr
о v„ с fv(r) J
—;-----------= 1— । -о—
> ; t \ £П J ЛГ2
vj^-dr
J яга
(5.6)
Соответственно для плотности распределения можно за-
писать _
^« = 77^-- (S'7’
Поверхность пор радиусом от г до г-{-dr можно опре-
делить из выражения
V 2Утт
2яг[Fv (г + dr) - Fv (г)J = —a- lv (г) dr.
nr2 г
(5-8)
Радиусом — из выражения
5г = 2иДА«А
(5.9)
а общую поверхность всех пор радиусом г„ — из выра-
жения
5п — 2ИП
iy(')dr
(5.10)
так что функция распределения поверхности пор по нх
радиусам примет вид
= “-------
М'> ,
-—— dr. (5.11)
Соответственно для плотности распределения можно за-
писать
fsM-WSJtfW/r). (5.12)
Таким образом, формулы перехода от одних диффе-
.............. л.......... -----—— - , будут
реициальиых функций распределения к другим
следующими:
У 1 у о
fs (r> - “Г2 2лг II И1 fv W = T2"w’ f l И '•
,v(r} “ ^"2 ,sWi 77 2^ZsW’
(5.13)
а формулы для интегральных функций распределения
такими: и
vn с fy(r)
Fi w=VJ“dr'
0
Р . . _ 2V„ f Ml л .
Fs(r)
fL W г1 *1
(5.14)
Fv(r}~~^r,s'r)dr’
г ... s- fM') ,
dr-
Если капилляры не являются прямыми цилиндрами,
а имеют переменный по длине радиус, т. е. являются те-
лами вращения с «волнистой» образующей, то все при-
веденные формулы сохраняют силу.
Формулы, строго говоря, перестают быть справедли-
выми для пересекающихся пор н для пор, оси которых от-
148
личны от прямых линий. Одиако при малости суммы
объемов пересечений пор по сравнению с общим объемом
яор и малости и случайности (т. е. равновероятности на-
правлений искривления) отклонений осей пор от прямых
линий формулы можно использовать как приближенные,
что фактически и делается во всех классических иссле-
дованиях этой модели.
Выражение «средний радиус пор» безотносительно к
выбору функции распределения не имеет смысла, так как
имеются по меньшей мере три различных средних ради-
уса:
«средний по объему (пор) радиус пор»
~rv = f rfv W (5.15)
о
«средний по длине (пор) радиус пор»
rL=CrfL(r) dr, (5.16)
О
«средний по поверхности (пор) радиус пор»
гм
rs= Г rfs(r) dr. (5.17)
О
Используя понятие момента п-го порядка от случай-
ной величины х, определяемого как среднее значение хп,
запишем
хтах
= J x^f(x)dx. (5.18)
*min
Отсюда можно получить соотношения между момен-
тами радиусов пор для различных функций распределе-
ния: например,
14” = \ - [г яг> fL (S) dr-^- (?)L - V5- й”. (Б 19)
J "п ип гп
Аналогичным путем найдем:
из
Из (5.21) и (5.22) следует важный для дальнейшего
результат:
у /L /-Ч\ (9)
^“7F=(r)K‘HV’ (6'23’
который будет использован при обсуждении связи меж-
ду структурой пористых тел и нх проницаемостью.
Кроме приведенных функций распределения в лите
ратуре часто используется функция fT(r) распределения
«числа пор» по радиусам, определенная как функция
распределения по радиусам числа пересечения пор с се-
кущей плоскостью произвольного направления. Для изо-
тропных моделей отношение суммарной площади этих
пересечений — «устьев пор» — в общей площади плоско-
го сечения равно пористости данной среды.
При этом, применяя в расчетах fr(r), часто допу-
скают ошибку, не учитывая, что средние по произволь-
ному плоскому сечеиию тела значения периметра устья и
его площади превышают ровно в 2 раза соответствующие
значения для нормального к оси сечения поры данного
радиуса. В самом деле, для изотропных моделей «число
направлений», составляющих угол от 9 до 9-|-d9 с нор-
малью к секущей плоскости, пропорционально sin 9d9, а
плотность устьев для каждого строго фиксированного
направления пропорциональна cos 9. С учетом нормиров-
ки функция распределения числа устьев по углам равна
ф(9) =sin29, а так как при угле 9 периметр устья равен
2jrr/cos9 и площадь устья равна nr2/cos9, находим, что
средний периметр устья
Л/2 л/2
Ру = f sin29 ~ dQ = 2лг f 2sin 9 dO = 4лг (5.24)
J cos 9 J
и средняя площадь устья
Л/2 Л/2
= J sin 2в-^-<16 = nr’ J 2sin0<fe= 2яг’. (5.25)
0 О
Это справедливо для пор любого радиуса.
Если обозначить через N„ число устьев всех пор, при-
ходящихся в среднем иа единицу площади произвольного
150
плоского сечения, то пористость капиллярной модели
выразится формулой
Р-- Nv2n\* r*fr(r)dr. (5.26)
о
Если рассматривать единицу объема пористого тела,
ТО ДЛЯ ЛЮбОГО Г^Гм
откуда
а так как
то
р f fv(r)dr = N 2п \ r4r(r)dr,
b b
M') ~ (г).
Окончательно получаем
[ fv(r)dr=l,
о
(5.27)
(5.28)
(5.29)
fv(r) =
КИНЕТИКА ПРОПИТКИ РАЗЛИЧНЫХ
ПОРИСТЫХ СРЕД
Многообразие структуры бетона и условий изготовле-
ния бетонополимеров приводит к тому, что кинетика про-
питки бетона описывается не одной, а рядом математи-
ческих моделей, которые будут рассмотрены далее. При
этом предполагается, что имеется фронт пропитки, т. е.
среда в каждый момент времени может быть разделена
на уже пропитанную область и область пустых пор. В
действительности при большой разнице в размерах пор
и капилляров фроит пропитки будет размытым с посте-
пенным увеличением степени насыщения пор, однако для
151
упрощения расчетов этим явлением в первом приближе-
нии можно пренебречь, учитывая его в последующем со-
ответствующими коэффициентами.
Будем полагать, что может быть разновидность бето-
на, которая имеет достаточно крупные поры, н поэтому,
хотя пропитывающая жидкость и смачивает поры, пере’
пад давлений жидкости вне тела и на фронте пропитки
намного превосходит разность давлений, возникающую
благодаря действию капиллярных снл и сил тяжести, и
значит может считаться постоянным. В этом случае за-
дачу можно решить простым путем, ие прибегая к рас
смотренным моделям пористого тела. Кинетику про-
питки сначала рассмотрим для однородных и изотроп-
ных пористых тел простой формы, когда соответствующие
краевые задачи сводятся к одномерным. Для тел более
сложной формы зависимости могут быть получены в
простом виде путем соответствующих сопоставлений с
телами простых форм (куба с шаром, призмы с цилинд-
ром и т.д.)- Для сокращения изложения вывод формул
не приводится, а даются уже окончательные решения.
Пропитка при воздействии внешнего давления Ра=
= const. Для бесконечной пластины поверхность среды
расположена при х=0, а фронт пропитки имеет подвиж-
ную координату хо, причем
_ >о = Кдаот/ч. (5.ЭД
Продолжительность полной односторонней пропитки
пластины толшииой I
т, = пР/да». (5.31)
а при двусторонней пропитке —
(5-32)
Для бесконечного цилиндра радиусом R с координатой
фронта пропитки г» имеем
КРот/р = (r§/2) [in (r0/R)- (1/2)] + (R®/4), (5.33)
а продолжительность полной1 пропитки
ТЦ=П₽*/4КРО, (5.34)
Для шара радиусом R с текущей координатой фронта
пропитки го получим
(5'36)
152
а продолжительность полной пропитки
тш = itf’/Wo-
(5.36)
На рис. 5.1 приведены графики зависимости от вре-
мени продвижения фронта пропитки для односторонне
пропитываемой пластины толщиной I (или двусторонне
пропитываемой пластины толщиной 2Z), цилиндра ра-
диусом Л = / и шара радиусом R=l. На графике зави-
симости представлены в виде функции
х0/( = ((?-г0)/Я = /(КР0т/г|), (5.37)
Таблица 5.1. Данные для расчета кинетики пропитки
i- 1 Приведенное время пропитки
двусторонне пропитываемой пластины цилиндра тара
0 0 0 0
0,1 0,005 0,005 0,005
0,2 0,02 0,019 0,018
0,3 0,045 0,04 0,036
0,4 0,08 0,068 0,059
0,5 0,125 0,101 0,084
0,6 0,18 0,137 0,108
0,7 0,245 0,173 0,131 0,15
0,8 0,32 0,208
0,9 0,405 0,236 0,162
1 0,5 0,25 0,167
а для удобства расчета
приведенное время
Л'Рот/т] для угловых то-
чек безразмерных ве-
личин Хо/1 или (R —
~ro)/R приведено в
табл. 5.1.
Чтобы определить
время пропитки шара
радиусом R до задан-
ного г0, надо приведен-
ное время, указанное
Для данного отношения
(Я—r0)/R, умножить
на R- и т\/КРо- На-
Рис. 5.1. Кривые для расчета глубины
пропитки
/ — шара; 2 — цилиндра; Л—пластины
153
пример, пусть требуется определить время, необ-
ходимое для пропитки шара с /?=3 см; К=2-10-<
Дарси, т) = 10"2 мПа-c до г0=Я/2=1,3 см при
0,1 МПа.
Имеем (R—го)/7?=О,5; приведенное время изтабл.5.1
равно 0.084, следовательно,
1 = 0,084-3’. = 0,084-4500 = 378 с.
2'10—*0,1
Пропитка за счет капиллярного всасывания. При со-
прикосновении обычных бетонов со смачивающими
жидкостями последние впитываются в поры и капилля-
ры бетона под воздействием капиллярных сил. Посколь-
ку поры и капилляры в бетоне имеют различные разме-
ры, то целесообразно рассмотреть кинетику капилляр-
ной пропнткн, исходя из статистических представлений
о поровой структуре и пренебрегая внешним давлением,
гравитацией и влиянием первоначально содержавшейся
в пористой среде газовой фазы, считая, что конструктив'
ио и технологически процесс капиллярной пропитки ор-
ганизуется таким образом, чтобы обеспечивался свобод-
ный выход газовой фазы из пор, подлежащих заполие- |
нию жидкостью. Для некоторых частных случаев
возможно использование приближенных зависимостей
скорости и времени капиллярной пропитки, которые
приведены в предыдущей главе.
Для цилиндрического капилляра, если направление j
оси X совпадает с осью капилляра, получаем
х0 = V 2а cos 0/2y) Vт, (5.38)
и, если угол между осью капилляра и осью координат
равен ф, то
хф = х0со8ф. (5.39)
Если данный вид бетона условно можно описать с
помощью системы параллельных и нормальных к плос-1
кой поверхности тела капилляров различного радиуса с
известной функцией распределения, т. е. fr(r), то объ-
емная скорость впитывания смачивающей жидкости че-
рез единицу поверхности выразится для этого частного i
случая формулой
дУ)К/дт = П ]/ с cos 0/8т)т (р.^2/Ц2)» (5 40)
где 77 — пористость; — момент распределения
154
Параметры пропитки тела с любым расположением
капилляров могут определяться по выражению (5.40),
умноженному на константу, которая будет зависеть от
формы и угловой ориентации капилляров.
Зная объемную скорость впитывания, на основе ба-
ланса объема жидкости вычисляют коэффициент фрон-
та пропитки и продолжительность пропитки.
Сочетание внешнего давления и капиллярных сил.
Для одиночного цилиндрического капилляра
г 1 /Г- , 2acos0 ,/— , ...
*=— | РоН--------------Кт, (5-41)
и, если пористость среды (бетона) описывается функ-
цией распределения fr(r), то
Г (Г) «г. (5.42)
* 4 V w? J 1 Г
о
Учет непараллельное™ капилляров и постоянства их
радиуса отразится в значении вводимого в это выражение
поправочного коэффициента, постоянного для опреде-
ленных условий. Объемная скорость впитывания может
быть определена, если будет известна любая из возмож-
ных функций распределения.
Для бесконечного цилиндра в условиях комбиниро-
ванного воздействия (пропитка под совместным дейст-
вием внешнего давления Ро и капиллярных сил) внача-
ле ограничимся случаем, когда имеет смысл говорить о
движении фронта пропитки. Введем понятие об усреднен-
ном давлении Рк, вызываемом действием капиллярных
сил. Тогда можно записать
т = к(Р„ +р„) _т) + т]- *в,43)
Продолжительность полной пропитки цилиндра соста-
вит
Т]/?2
Тц = 4tf(P0
Соответственно для шара получим
т=_____з— А')
К(Р„+Р^ \ 6 2 3R I
(5.44)
(5.45)
155
Продолжительность полной пропитки шара
тш==п«’/6К(Р0 + Р„).
(5.46)
Для определения продолжительности пропитки при
совместном действии давления и капиллярных сил нео((-
ходимо знать Рк. Формула для его определения имеет
вид
При этом должны выполняться условия:
Лео=н) = 0:
/и№> «\
р«/₽=о l2<,cose'
Из второго условия при r=const получаем Рг.=
=—(2ocos0/r). Как и в предыдущих задачах, введение
различного распределения капилляров по углам и сече
нням можно учесть введением соответствующего коэф-
фициента формы
Пропитка с переменным противодавлением наблю
дается, когда отсутствует предварительное вакуумирова-
ние бетона, а выход газовой фазы из пористой среды не-
возможен (например, из-за полного погружения образ-
ца в жидкость).
Пропитка, рассматриваемая как увеличение общей
массы жидкости в порах бетона, фактически заканчива-
ется, как только внешнее избыточное давление сравня-
ется с давлением сжавшейся газовой фазы. Однако при
учете действия капиллярных сил и при наличии капил-
ляров различного радиуса после этой первой стадии на-
чинается перераспределение газа и жидкости в порах те-
ла— вытеснение газа в более крупные капилляры. Этот
этап будет рассмотрен дальше, а вначале рассмотрим
модели для начального периода, когда перераспределе-
нием жидкости в поровом пространстве можно прене-
бречь.
Пусть пластина OsgxscZ ограничена не проницаемой
для газа поверхностью. Считая газ идеальным (РК=
1S6
__const) и принимая, что всегда PJPr,=ad (По-
давление в жидкости при х=0; Р\ — первоначальное
давление газовой фазы внутри тела), получим выраже-
ние
А£- = р[— — nSi + o(l — я) In —(5.48)
Ч L г (1 — — E1J
где Е = *,/<•
Это выражение для краткости можно записать в
форме
КРт/П= РРП(“. Э. (5.49)
где 5=1- 5-
р
Прит-ноо Хо-»-(Хо)г11>ед = ((1—р" )
Для цилиндра, используя вместо Р-. выражение
Рп[1—a(/?2/rg)], получим
= [*' dr = R, f , (5.50)
1 j J
где | = (г0/Я); > а).
Это выражение для краткости можно записать в
форме
-^й5 = р«Рц(О1,э. (5.51)
п
Для шара, подставляя вместо Ро выражение
Р„ [1-я (/?>//«)],
получим
илн в краткой форме
KPox/T\ = P^Fm(a,l), (5.53)
где £ = (r0/R) > а.
157
Можно было бы представить результат интегрир.
ния выражения (5.52) в виде
КРпт „.| 1 ’® , &3 —а 1 9/Q
----- ₽2 — + — 1л. т“а х :
tj [ 6 3 1 — а-6
X 1П (S2+i»' ~'+a'3)(l -Д'Т . Д-'_ / arctg 2s + а’я I
(1 + а1'3 + а2'3) (С - а''3)2 т ) 3 а1,з ), J Ч
2 +а1'3
-,rctg-^FTj]- <5-
Однако практически использовать столь громозди,,
выражения неудобно. Для удобства практических ра- „
тов ниже приведены значения всех трех функций 7\ р
и Г,„ для а от 0,1 до 0,9 и ?от £=адо0,9 (табл. 5.2—4<)
Искомое время пропитки находят по формуле 1
где ап = I2; од = ат = R2.
Таблица 5.2. Значения функции Fn(a, £)
а 0,1 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0.8 0.9
0,1 0,3477 0,3104 0,2089 0,1480 0,0929 0,0515 0,0226 0,0*.
0,2 — 0,4377 0,2818 0,1819 0,1109 0,0602 0,0260 0,0-
0,3 — — 0,4086 0,2381 0,1379 0,0725 0,0307 0,0*7»
0,4 — — — 0,3550 0,1837 0,0913 0,0373 0,000
0,5 — — — 0,2823 0,1241 0,0478 0,01 -
0,6 — — — — — 0,1977 0,0663 0,01»'
0,7 — — — 0,1107 0,02#
0,8 — — — — 0.0 Jf
0,9
Таблица 5.3. Значения функции Гц(а, £)
а 1
0,4 0.5 0.6 0,7 0.8 019 J
0,1 0,2070 0,1339 0,08448 0,04772 0,02147 0,00545< 0,00627?
0,2 — 0,2173 0,1131 0,05911 0,02543
0,3 — — 0,1831 0,07836 0,03123 0,00737*.
0,4 — — — 0,1206 0,04063 0,008954
0,5 — — 0,05889 0,01141
0,6 —— —. —. 0,01574
0,7 — 0,02574
. 0,8 — — — — 0,09384
Примечание. Подынтегральная функция имеет точки раз- рыва £*= 1 а, зависящие от значения а:
158
а 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Г-1 5 0,316 0,44 0,56 0,83 0,71 0,77 0,83 0,89 0,95
Таблица 5.4. Значения функции Fnj(a, ‘)
К-— a £
0.4 0.5 0.6 0,7 0.8 0.9
0,1 0,1496 0,08139 0,04517 0,02053 0,005323
0,2 — 0,1687 0,06174 0,02524 0,006197
0,3 — __ 0,1082 0,03300 0,007418
0,4 — — 0,04885 0,009251
0,5 — —— 0,1263 0,01233
0,6 — 0,01871
0,7 — — — — — 0,04395
Примечание. Подынтегральная функция имеет точки раз-
3 -
рыва £*= } а, зависящие от значения а:
a 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9
0,46 0,58 0,67 0,73 0,79 0,84 0,88 0,92 0,96
Пропитка полимеризующимся мономером. В некото-
рых случаях при пропитке может наблюдаться полиме-
ризация пропитывающей жидкости, например прн при-
менении быстродействующих комплексов инициаторов
полимеризации или при пропитке горячих пористых
сред1.
В общем случае в процессе полимеризации изменяет-
ся не только вязкость жидкости, но н поверхностное на-
тяжение на границе «жидкость—газовая фаза», а также
краевой угол смачивания иа границе «жидкость—стенка
капилляра—газовая фаза». Учесть действие капилляр-
1 В этом случае необходимо знать наряду с кинетикой пропит-
ки и кинетику полимеризации. Данные о последней приводятся
Далее.
159
ного всасывания в этом случае, да еще при произвольной
функции распределения в настоящее время практически
не представляется возможным. Поэтому для начала ог-
раничимся случаем, когда внешнее давление намного
превосходит действие капиллярных снл, полагая, что вяз-
кость жидкости изменяется во времени по заранее за-
данному закону г| =т) (т).
В начальный период полимеризации можно условно
пренебречь экзотермией и принять, что вязкость линейно
зависит от концентрации полимера:
И = Пм “к + Пр (1 — Им). (5.55)
где Г)И и Пр — константы; ти — доля мономера в жидкости по
массе.
При постоянной температуре можно принять, что
тк=е~Кх (5.56)
где К = Кос1ве-£"”’.
Тогда
Пг = Пр-(П0-Пм)е-КТ|
причем Пр Пм
Для пластины при малых т, используя приближение
е~кх «1— Kt, получим
• (5-57)
Значения Го для цилиндра ориентировочно можно
найтн из выражения
а для шара — из выражения
М 1 Лкт!
Пм L 2 \ Ям )
^._А + Л. (5.59)
6 2 ЗЯ
Очевидно, что в приведенных выражениях введение
переменного значения т] преобразует только левую часть,
где учитывается изменение т] во времени.
160
Прн учете противодавления газовой фазы по анало-
гии с (5.49), (5.51) и (5.53) получим:
для пластины
5); (5.60)
Им L 2 \ Пм / J
для цилиндра
й: (5'6|)
Нм L 2 \ / J
для шара
-^^[1-в, (5 62)
Лм L 2 \ _Пм / J
Более точные решения получаются при замене левых
частей приведенных формул выражением
I Лр КПр L Лм JJ
Однако с достаточной точностью для пропитки, учитывая
неоднородность бетона и разброс его отдельных харак-
теристик, можно применять формулы (5.60) — (5.62).
Функции Fn, Fn и Fm приведены в табл. 5.2—5.4.
Расчетные формулы позволяют решать многие зада-
чи в области пропитки, ориентировочно прогнозировать
кинетику пропитки в различных условиях. Для более
сложных задач в настоящее время пока рациональнее
использовать экспериментально теоретические методы,
позволяющие на основе спланированного эксперимента
получить математические модели, с известной степенью
приближения описывающие рассматриваемое явление.
Для проверки точности предлагаемых формул были
сопоставлены расчетные и экспериментальные решения.
В качестве примера рассмотрим кинетику пропитки
метилметакрилатом при комнатной температуре без из-
быточного давления образцов-кубов 3X3X3 см. Для это-
го случая наиболее применима модель капиллярной про-
питки с противодавлением. Основная кинетика процессов
определяется функциями типа Fm(a, |), приведенными в
табл. 5.4. Прн этом можно полагать, что, за исключе-
11—210
161
нием сравнительно небольшого начального участка, ки-
нетика пропитки куба примерно аналогична кинетике
пропитки шара.
Если от параметра 5=п>/Я перейти к объемной доле
заполнения шара гр = 1— |3, то, учитывая, что количество
по массе впитанного в бетон мономера в каждый мо-
мент прямо пропорционально <р, можно непосредственно
сопоставлять наблюдаемый в эксперименте относитель-
ный привес образца с рассчитанным по соответствую-
шим формулам. Прн данном способе пропитки можно
упростить расчеты тем, что зависимость т=й2Еш(а, £),
записанная для функций <р и т, очень хорошо аппрокси-
мируется более простым выражением
Ф = ат/(т + ₽) (5.63)
(за исключением небольших начальных участков).
Методом гидростатического взвешнвання определяли
процент прироста массы М образца, погруженного в
ММА, в различные моменты времени т. Согласно 5.63.
следует ожидать, что экспериментальные данные долж
ны хорошо описываться зависимостью
М — ат(т + 0),
константами которой будут начальное значение а и уг-
ловой коэффициент ₽ прямой:
М = а-Р(М/т).
Экспериментальные данные (индекс — номер экспери-
мента) могут быть описаны следующими выражениями:
м=МЙИ)
№<•
Обработка результатов экспериментов (по трем раз-
личным бетонам) показывает хорошее совпадение рас-
четных н экспериментальных данных.
Эксперимент № 1
Время выдержки, мин
6 10 14 60 120
Привес, %
4,5 4,72 4,85 5,05 5,15
Эксперимент № 2
Время выдержки, ч 6 20,8 48
Прнвсс, % 6,75 8,12 8,75
Эксперимент № 3
Время выдержки, мин 1 2 3 4 6 10 20
Привес, % 3,2 5,4 9 10,9 13,8 14,6 15,8
При достаточно больших избыточных давлениях, поз-
воляющих пренебречь противодавлением газовой фазы,
пли прн проведении пропиток с предварительно тщатель-
но отвакуумированиымн образцами получаются зависи-
мости, следующие «закону квадратного корня», что хо-
рошо известно из литературы [3, 8].
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА
ПОЛИМЕРИЗАЦИИ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ
ТЕЛАХ
Прн построении математической модели процесса
можно принять в первом приближении, что процесс по-
лимеризации в капиллярно-пористой среде является про-
цессом блочной полимеризации. Тогда в системе без мас-
сопереиоса мгновенная скорость конверсии мономера
может быть описана формулами:
при радиационной полимеризации Рп
-y^- = F(Af, У, 7); (5.64)
при термокаталптической полимеризации Кп
= С, 7), (5.65)
где М — концентрация мономера; / — мощность поглощенной дозы
излучения; С—концентрация катализатора; Г — абсолютная темпе-
ратура.
11*
163
Конкретный вид функции F зависит от типа мономера
н механизма соответствующей цепной реакции. Так, во
многих случаях радикального механизма полимериза-
ции в обычном квазистациоиариом приближении
_ dM _ lKJ1/2 м
dx ~ 1кс1/23 М ’
где эффективная константа скорости полимеризации
может быть представлена в виде
(5.66)
(5.67)
К — ^Ин 1 \ 1 п
1кх+к')^
[здесь Кин — константа скорости процесса инициирования; Кр — ков»
станта скорости роста полимерных цепей; Кх и К'х— кои
станты скорости обрыва цепи соответственно за счет реакций ре
комбинации (Кт) и диспропорционирования (К,)].
Прн этом в соответствии с общепринятыми теориям»
полимеризации принимают три упрощающих допущения;
отсутствие зависимости реакционной способности ради-
кала от его размера, относительно большая средняя
длина кинетической цепи и справедливость квазистацио-
парного приближения. В реальных условиях полимери-
зации в капиллярно-пористой среде, предварительно!
пропитанной мономером, в силу значительного теплово-1
го эффекта процесса полимеризации (при почти полном!
отсутствии конвективного переноса) процесс практнчесч
ки не является изотермичным.
Последовательная количественная теория кинетики
Рп в капиллярно-пористой среде, заполненной первона-
чально мономером, должна учитывать:
*' процессы тепло- и массопереноса;
тепловые эффекты реакций полимеризации;
поглощение излучения материалом основы;
тепловой эффект самого облучения;
температурную зависимость констант;
концентрационную зависимость кинетических кон-
стант, если оиа наблюдается для данного мономера (так
называемый гель-зффект);
7) специфику граничных условий для теплообмена и
испарения мономера;
8) влияние иа кинетику полимеризации большой
удельной поверхности фазовых границ.
Для описания всех указанных зависимостей удобно
164
1)
2)
3)
4)
5)
6)
а
представить заполненную мономером капнллярно-порнс-
тую среду как непрерывную и учет специфического фак-
тора 8 обеспечить соответствующим выбором значений
кинетических констант.
В таком случае исходной во всех рассматриваемых
задачах будет служить система уравнений теплопровод-
ности н диффузии с источниками (стоками) тепла и ве-
щества:
= —dit,(XgradT)-----— F(M,B,T) + — J; (5.68)
ах pc pc pc
—~-^div(DgrxdM)~F(M,B,T)t (5.69
ax
где В равно либо / (ДЛЯ Ра), либо С (для Кп).
Рассмотрим одномерный процесс для пластины
lO^.xs'a).
Полагая, что вследствие поглощения радиации ма-
тспналом среды
/ = ^(т)((х),
fe—x/x,
ГДе /(Х> — ! -Х,-Х .
1е *.
J (т)—мощность поглощенной дозы на границе, в которой излуче-
ние «входит» в пластину,
и что тепловой эквивалент поглощенной дозы излучения
равен ~ 1 кДж/кГр, получим нз (5.68) и (5.69) следу-
ющую основную систему нз двух уравнений в частных
производных:
1) уравнение теплопроводности с источниками
-g- =-2_ + В1/^е-глг + _9_в. (5.70)
Л рс дх* рс рс
2) уравнение баланса для массы мономера М, учи-
тывающее его возможный перенос (с неким эффектив-
ным коэффициентом диффузии D) н участие в реакции
полимеризации,
<8л1>
ОХ ОХ \ ОХ ]
Учтем также:
возможность испарения мономера иа границах пла-
стины:
° Me~E'RT\x-v (5 721
дх х=о |х-и
“=К*Л<«_В*"”'|х-«: (5.73)
ох Х=а "
165
возможность использования различных тепловых ре-
жимов на границах пластины:
a"T+P"1FU='p”(T)+^D^L; (5-74)
возможную зависимость «констант» D нЛо от степени
полноты реакции полимеризации 1=М/(М~\~МП), полагая
о = о, (5) К„ = К„®- (6.76)
Для Рп B=J0(x)f(x), где прн облучении со стороны!
х=0 f(x)=r*/S а при облучении со стороны х=а
f(x)=e. Для Кп В=[Сат]=С; 7=0; f(x) = 1,
Кинетика полимеризации для сформулированных вы-
ше условий была просчитана на ЭВМ «Мннск-22» и ре-
шена для наиболее общего варианта Рп при некоторых
условно назначенных значениях всех констаит, подобран-
ных так, чтобы все возможные эффекты проявились уже
в первом варианте. В программу можно вводить разрыв-
ные функции /о(т)/(х), произвольно меняя не только!
интенсивность, но и направление излучения.
На рис. 5.2—5.5 представлены результаты расчета ки- |
нетики Рп н соответствующих термических эффектов при
граничных условиях типа свободного теплообмена с окру-!
жающей изотермической средой.
На рис. 5.2 даны температурные поля для разных мо-
ментов времени. Источник облучения расположен слева.
Толщина пластниы 15 см. Ясно видна экзотермия, мак-
симум которой с течением времени сдвигается в сторо-
ну больших х из-за прогрессирующего уменьшения кон-
центрации мономера. Ускорение тепловыделения связа-
но с гель-эффектом. Изменения концентрации полимера
показаны на рис. 5.3.
Помимо гель-эффекта проявляется потеря мономера
на границах пластины нз-за испарения, замедляющегося
стечением времени (кривые для х=0,01 н 0,05).
На рис. 5.4 представлена кинетика нзмеиеиня темпе-
ратуры для разных по глубине пластины точек (хорошо
видно самоускорение вследствие как экзотермии, так и
гель-эффекта), а на рнс. 5.5 —кинетика степени полиме-
ризации для разных по глубине пластины точек. Паде-
ние скорости диффузии мономера приводит к тому, что
Рп заканчивается примерно при 80—85 %-ном превра-
щении.
166
Рис. 5.2. Температурные поля в пластине в различные моменты полимериза-
ции (источник излучения расположен слева)
Таким образом, применимость формулы (5.66) под-
тверждается наличием прямой пропорциональности меж-
ду дозой, необходимой для достижения определенной
и квадратным корнем из значения интенсивности облу-
чения. Эксперименты хорошо подтверждают .эту зависи-
мость.
167
п,*
х=ао5 / 'x°t№
о 0.5 1 1.5 2 T.V
Рис. 5.5. Кинетика степени полимеризации для разных по глубине
ны точек
пласти
168
ГЛАВА 6. СТРУКТУРА
БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ
Структура бетонополнмеров определяет нх свойства
и долговечность. Она зависит как от структуры подвер-
гаемого обработке бетона, так н от режимов обработки
и применяемых полимеров.
Изучение особенностей структуры необходимо для
оптимизации технологии, создания теории прочности н
надежности бетонополнмерных материалов Исследуют
структуру бетонополимера в целом, структуру полимера
в порах бетона -и характер контакта органического поли-
мера н снлнкатной матрицы.
Полимер, твердеющий в порах и капиллярах цемент-
ного камня, образует трехмерную сетку, которая арми-
рует силикатную основу. Не все поры могут быть запол-
нены полимером даже прн самых благоприятных обстоя-
тельствах. Прн полном высушивании образцов не удает-
ся достигнуть полного насыщения: максимально*возмож-
ная степень пропитки примерно 70 % (рнс. 6.1). В про-
цессе отверждения полимер претерпевает значительную
усадку, некоторое количество мономера может испарить-
ся до завершения процесса полимеризации. Таким обра-
зом, полимер заполняет поры лишь частично,
Для исследования этих структурных особенностей
импрегннроваиных бетонов применяли комплекс физико-
химических методик: оптическую и электронную микро-
скопию, электронную сканографню, люминесцентную де-
фектоскопию.
Исследование бетонополнмерных материалов под оп-
тическим н электронным микроскопами обнаружило их
высокую плотность. Возможно проникание полимера в
структуру гидратных фаз цементного камня вплоть до
гидросилнкатной составляющей. Прн этом в стесненных
Условиях микропор молекулярная масса полимера ока-
зывается несколько меньше, чем в монолите. Характерна
конфигурация оставшихся в материале пор — в основ-
ном оиа нзометрнческая, близкая к сферической. Поры
замкнуты, неравномерно распределены и находятся глав-
ным образом на поверхностных участках исследованных
образцов. Наличие таких дефектов на краевых участках
169
Рис. 6.1. Степень заполнения пор Рис. 6.2. Порограмма пропареино
бетона мономером раствора
I — пропитанного метилметакрил
том; 2 — непропнтанного
образцов объясняется в основном десорбцией мономера
до завершения процесса полимеризации.
Микроскопические исследования показали, что в
крупных порах (размером 200—600 мкм) наблюдается
не заполненная полимером центральная зона, в которой
полость имеет сферическую форму наподобие защем-
ленной газовой фазы. Полимер заполняет примерно SO-
55 % объема пор бетона.
Пропитка полимером изменяет структуру контактной
зоны цементного камня с заполнителем. Полимер запол-
няет неровности, поры и трещины на поверхности запол-
нителя н в цементном камне.
Люминесцентная дефектоскопия позволяет получить
наглядную картину влияния пропитки полимерами иа
плотность бетона. Сущность методики заключается в иа-
несеиин на поверхность образца исследуемого материа-
ла люминесцентных композиций. Эти составы проникают
в поры материала н, люмннесцируя под воздействием
ультрафиолетовых лучей, дают представление о его
структурно-текстурных особенностях. Результаты люми-
несцентно-дефектоскопического анализа свидетельству-
ют, что после пропитки полиметилметакрилатом порис-
тость бетона уменьшается примерно в 10 раз. Эти дан-
ные согласуются с данными, полученными методом
ртутной порометрин [97] (рис. 6.2).
170
Пропитанный полиметнлметакрилатом бетон харак-
теризуется малым числом макропор (г>0,1 мкм). Число
мйкропор также меньше, чем у непропнтанного бетона.
Наличие микропор в бетонополнмерах свидетельствует
о том, что пространство в гидратных фазах цементного
камня заполняется полимером ие полностью.
Несмотря на то что полимеры прн твердении дают
хсадку, под микроскопом не наблюдается нарушений
сплошности контакта «поли-
мер — цементный камень»
нли «полимер — заполни-
тель». Об усадочных явлени-
ях свидетельствуют газовые
области в относительно
крупных порах и отдельные
тонкие (до 0,2 мкм) волося-
ные трешниы в толше поли-
мера (рис. 6.3).
Стенкн пор, покрытых
полимером, и минеральная
твердая фаза выглядят под
микроскопом в отраженном
свете как лакированные.
Поры в бетонополимере яв-
ляются замкнутыми н не
проницаемыми для жндко-
Рнс. 6.3. Пора, образовавшаяся
вследствие перераспределения и
усадки полимера
Рис. 6.4. Сетки полимера, выделенные из бетонополимера с крупными (сле-
ва) и мелкими (справа) порами и капиллярами после растворения минераль-
ного скелета
17|
сти и газов. Полимер в
отдельных порах связан
тончайшими нитями, про-
ходящими через капилля-
ры цементного камня
(рис. 6.4). Образование
пустот в центре крупных
пор объясняется также
тем, что капилляры, окру-
жающие пору, прн поли-
меризации отсасывают
мономер нз крупных пор.
В большинстве случа-
ев полимер не взаимодей-
ствует с цементным кам-
нем, но отдельные поли-
меры могут вступать в фн-
зико-хнмическос взаимо-
Рис. 6.5. Микроструктура бетона (ввер-
ху) и бетонополнмера (внизу)
действие с компонентами
бетона. Обычно полимер
как бы заклеивает дефек-
ты структуры цементного
камня, заполнителя н кон-
тактной зоны и связывает
тысячами нитей различ-
ные участки бетона, повы-
шая нх сопротивление на-
грузке н трещи нестой-
кость.
На рнс. 6.5 показаны
микроструктура бетона и
бетонополнмера, полу-
ченные иа электронном
сканирующем микроско-
пе. В структуре бетона
видно кристаллическое
строение цементного кам-
ня, структура бетонополн-
мера представляется более монолитной, с тесной связью
между полимером и составляющими бетоиа. В резуль-
тате резко возрастает прочность, а также улучшаются
другие свойства.
Структура полимера (полиметилметакрилата) в по-
рах бетоиа была исследована с целью выяснения влия-
172
ния на нее способа полимери-
зации [101]. Прочность бето-
иополимерных материалов, по-
лученных способом радиацион-
ной полимеризации, на 7—
15 % выше, чем прн использо-
вании термокаталнтического
способа. Это может быть вы-
звано особенностями структу-
ры полимера радиационного
отверждения.
В соответствии с законом
фотохимической эквивалентно-
сти энергия у-иэлучення, пог-
лощенная мономером, значи-
тельно превышает энергию ак-
тивации полимеризации. В ре-
зультате наблюдается явление
фотокаталнза. Наряду с этим
возможно специфичное воздей-
ствие у-иэлучения, связанное с
ориентацией молекул и меж-
молекулярных связей.
Молекулярная, атомная н
электронная поляризация, свя-
занные с увеличением разме-
ров макромолекул и числа
межмолекулярных связей в на-
правлении вектора поля излу-
чения, могут привести к появ-
Рнс. 8.6. Результаты исследова-
ния полиметнлметакрялата
а — рентгенограммы: б — диффе-
ренциальные термограммы; 1 —
радиационного отверждения:
2 — термокаталитического от-
верждения
173
ленню дальнего порядка макромолекул и иадмолекуля
ных образований. Наличие определенной степени окп»
сталлизованности полимера можно зафиксировать эг
пернмеитально. Подобная попытка была предприняв
прн исследовании полимеров, облученных энергией рад;,,,
частотного спектра, однако она не увенчалась успей»
Очевидно, фотокаталитнческнй, а тем более поляризащ,.
ониый, эффект излучения сантиметрового диапазона ».
значителен. Более удачной была попытка обнаружить
дальний порядок в структуре полпметнлметакрнлата, п
лимернзоваиного под воздействием значительно более
жесткого у-излучення [101]. Для исследований 61
привлечены методы оптической микроскопии (микроскщ
МБИ-6), рентгеновской дифрактометрии (дифрактометр
УРС-50ИМ), термографии (фоторегистрнрующий пир
метр ФПК-55) и инфракрасной спектроскопии (ИК-спе«т-
рофотометр UR-20).
Полиметилметакрнлат термокаталитического отвер-
ждения в поляризованном свете характеризуется изи-
тропней (показатель преломления 1,501). У полимера
радиационного отверждения четко проявляется поляри-
зационный эффект (показатели преломления А1,=
= 1,492; 1УР = 1,489; =0,003). Рентгенографии:
скн полиметилметакрилат термокаталнтического от-
верждения характеризуется как аморфное вещество. [1-
рентгенограмме (рис. 6.6, а) наблюдаются три галооб-
разных повышения фона в области 5—11, 3—17 и 9—2J
со слабым разрешением отдельных линий 6,40; 5,58; 4,92;
4,18; 3,64; 3,11; 2,72; 2,44 и 2,06 А.
Полимер радиационного отверждения рснтгеногра
фнческн характеризуется более упорядоченной структу-
рой, о чем свидетельствуют значительное уменьшали
интенсивности галообразных повышений фона и гора
до лучшее разрешение среднеслабых линий 8,71; 5,(Ю;
5,14; 4,47; 3,02; 2,60; 2,32; 2,27; 2,11; 2,03 А и средней
лнннн 3,32 А (рис. 6.6, а).
Результаты термографических исследований также
показывают существенное различие в структуре поли-
меров в зависимости от способа отверждения (рис*
6.6,6). При расшифровке термограмм учитывали осо-
бенности, характерные для полимеров. Температур3
стеклования полимера термокаталитического отверждс
ння около 70°С, радиационного — около 50°С. Темпер**
174
^к^“оГГ8^
различна и температура
иХ плавления: около 170
220—230 °C соответст-
венно. Эффект процесса
окисления проявляется
при 275 н 285 °C соответ-
ст вен но.
Перестройки в струк-
туре полимера изучали с
помощью инфракрасной
спектроскопии.
Диализ ИК-спектров
полнметилметакрилата
термокаталитнческого и
радиационного отвержде-
ния показал большое
Рис. 6.7. Инфракрасные спектры поли*
метилметакрилата
1—радиационного отверждения; 2—тер-
мокаталитнческого отверждения
Рис. 6.8. Радиационная полимеризация
метилметакрилата
/ — в порах бетона; 2 — в массиве
сходство в положении, ин-
тенсивности и форме боль-
шинства полос поглоще-
ния обоих видов полиме-
ра. Спектры имеют много
общего с приведенными
в работе [56J, авторы ко-
торой характеризуют по-
лиметилметакрилат как
типичный аморфный поли-
мер. Хотя иа приведенном
ими спектре отсутствуют
важные для изучения
особенностей структуры
полимера области 660—730 и 2800—3100 см-1, получен-
ный вывод не вызывает сомнения, так как спектр прак-
тически неизменен в широком диапазоне температур
(рис. 6.7).
Полиметнлметакрнлат часто называют некрнсталлп-
3УЮщимся полимером. Стереорегулярные формы его
(изотактическую, стереоблочную) удается получить
лишь при полимеризации в среде сильных полярных ра-
створителей или со специфическими инициаторами. Та-
кие способы еще не применяются широко на практике.
Для полимеров, находящихся в аморфном состоянии
и состоящих из цепей в форме случайно свернутых клуб-
175
ков, строгие правила отбора колебаний не выполняются
[35]. Поэтому колебания, запрещенные для полимеров,
находящихся в кристаллическом состоянии, могут быть
разрешены для аморфных цепей. Прн этом возникают
полосы поглощения, характерные для полимеров с
аморфным строением. В области 660—730 см-1 на ИК,-
спектре полимера термокаталитнческого отверждения
присутствует полоса поглощения прн 706 см-1. Это вы-
звано, вероятно, маятниковыми колебаниями связе!
С—Н в метиленовой группе, находящейся в длинной це-
пи. Колебания благодаря сферическим эффектам не мо-
гут осуществляться в кристаллическом состоянии, одна-
ко активизируются в полимере аморфной структуры.
ИК-спектры полнметнлметакрилата, отвержденного
термокаталитнческим н радиационным способами, раз-
личны в области 2800—3100 см-1. На спектре полимера
радиационного отверждения наряду с полосами погло-
щения при 2850, 2960 и 3000 см-1, связанными с валент-
ными С—Н колебаниями метильной группы [67], появ-
ляется полоса при 2925 см-1 и в несколько раз возрас-
тает интенсивность полосы прн 2850 см-’ (со смещением
максимума до 2860 см-1). Полосу прн 2925 см-1 можно
отнести к асимметричным валентным колебаниям этих
же групп [83].
Полосу при 2925 см-1, вероятно, нельзя считать со-
вершенно новой, так как вследствие хаотичного распо-
ложения полимерных цепей в аморфной структуре она
могла присутствовать в виде пологого уширения силь-
ной полосы прн 2960 см-1. Таким образом, увеличение
интенсивности валентных колебаний метиленовых групп
прн 2860 и 2925 см-1 можно отнести за счет регулярно-
сти расположения, а следовательно, регулярности взаи-
модействия молекул полнметнлметакрилата в окрнстал-
лнзованном состоянии.
В спектре полимера, отвержденного радиационным
способом, полосы прн 1630 см-1 и дублет при 1450 см-*
разрешаются лучше (см. рнс. 6.7), Прн ^-радиационной
полимеризации образуется дальний порядок в структуре
полиметилметакрнлата. Этот вывод согласуется с дан-
ными других независимых методов физико-химического
анализа, приведенными ранее, хотя некоторое влияние
на структуру полимера может оказать наряду с радиа-
цией и режим теплового воздействия. Дальний порядок
в структуре полиметилметакрнлата означает наличие
176
дискретных морфологических форм, обладающих термо-
динамической и кинетической стабильностью.
При рассмотрении процесса полимеризации следует
учитывать зависимость кинетики этого процесса от вы-
сокой удельной поверхности раздела «мономер—цемент-
ный камень». Удельная поверхность цементного камня
настолько велика, что значительная часть жидкости, по-
глощенной им, оказывается связанной адсорбционно.
В результате повышения плотности адсорбированного
мономера вблизи поверхности раздела и под воздейст-
вием двумерного давления в мономолекулярном слое
подвижность макромолекул может быть ограничена. Из-
менение структуры граничных слоев полимера в опре-
деленной степени обусловлено специфическими условия-
ми их образования прн ограниченной подвижности мак-
ромолекул илн нх сегментов. Как указывалось, это
приводит к ограничению конформаций макромолекул и,
таким образом, к изменению структуры и свойств гра-
ничного слоя [49]. Кроме того, в гетерогенных системах
процессы массообмена наиболее интенсивно протекают
у поверхностей раздела фаз. Метилметакрилат под воз-
действием у-излучения прн равных условиях быстрее
полимеризуется в порах бетона, чем в более крупном
массиве (рнс. 6.8).
Рассмотренные особенности формирования структу-
ры полимера в бетоне позволяют предположить, что
свойства полимера в контактной зоне «полимер — це-
ментный камень» должны отличаться от его свойств вне
этой зоны. Такое предположение было проверено [133]
исследованиями мнкротвердостн полиметнлметакрнла-
та в порах бетона с помощью мнкротвердомера ПМТ-3
при нагрузке на пирамиду 0,2 Н. Определяли микро-
твердость полимера в центре пор, в зоне контакта по-
лимера с цементным камнем, пропитанного полимером
цементного камня стенки поры, а также цементного кам-
ня. не пропитанного полимером.
Наименьшую макротвердость имеет метилметакри-
лат в центральной частн крупных пор размером более
50 мкм (табл. 6.1). По мере приближения к стенкам
поры микротвердость полимера заметно возрастает.
В меньших порах размером менее 50 мкм мнкротвер-
дость полимера в центре поры выше, чем в крупных, и с
уменьшением размера поры приближается к микротвер-
дости полимера в краевой части крупных пор.
12—210
177
178
Примечание !!□»
ЗОГро™» м>«ротаеРдости,ДВтпросЙ^‘,“'1р°,твеРдаСть; под ,евтой
_ ₽' д™“ коэфф— °"X.z”2u,,Tepaa-- — ™ФФицаига _
Наибольшей мнкротвердостью характеризуется по-
лиметилметакрилат в зоне контакта с цементным кам-
нем стенок пор. Характер отпечатка в этих участках сви-
детельствует о высокой анизотропии микротвердости
полимера. Наибольшие средние значения коэффициента
анизотропии и наибольшие колебания его отдельных
значений характерны для полимера в краевых участках
поры (см. табл. 6.1).
Если сравнительно высокие значения коэффициента
анизотропии и колебания этих значений типичны для
цементного камня в связи с его высокой гетерогенностью»
то для значительно более однородного полимера по ко-
эффициенту анизотропии можно косвенно судить о сте-
пени упорядоченности структуры. С такой точки зрения
структура полимера в краевых участках пор представ-
ляется более упорядоченной, чем в их центральной ча-
сти. Этот вывод подтверждается как высокой микро-
твердостью, так н значительно большим (в среднем на
20%) коэффициентом анизотропии. Микротвердость по-
лимера в контактной зоне возрастает примерно в 2,7—
3,4 раза по сравнению с микротвердостью полимера в
монолите. Можно предположить, что полимеризация
метилметакрилата в непосредственной близости к высо-
коразвитой поверхности продуктов гндросилнкатного
твердения цемента протекает с образованием определен-
ного порядка в структуре полимера.
Полимер в контактной зоне заполняет неровности и
трещины на поверхности крупного и мелкого запол-
нителей, трещины и поры цементного камня, неплот-
ности контакта гидратированного цемента и клинкер-
ных реликтов. В результате цементный камень и за-
полнитель контактируют очень плотно, обеспечивая
хорошую совместную работу минерального скелета и
органического полимера под эксплуатационными на-
грузками.
В результате пропитки бетона мономером и его по-
лимеризации могут быть получены различные структуры
бетонополнмера: блокированная, строчная и сетчатая
(рис. 6.9,а, б, в соответственно). Структура первого ти-
па получается, когда поры и капилляры бетона запол-
нены слабопрочным полимером (например, петролату-
мом или битуминозными материалами), который как бы
блокирует их от внешних воздействий. В этом случае
уменьшается проницаемость бетона, повышается его
12*
179
Рис, 6.10. Микроструктура зоны кон-
такта: бетонополимера (вверху), бето-
на (вяизу)
стойкость к коррозии, НО
почти не увеличивается
прочность.
Строчной структурой
называют такую структу-
ру, когда поры и капил-
ляры бетона заполнены
не полностью, а отдель-
ными участками (строч-
ками), например прн не-
которых режимах специ-
альной обработки. Умень-
шение проннцаемостн и
улучшение свойств бето-
на будут зависеть от ко-
личества мономера в бе-
тоне. Обычно при такой
структуре прочность бето-
на повышается незначи-
тельно — на 30—50 %.
Сетчатая структура
наблюдается в случае,
когда поры и капилляры
бетона заполнены полно-
стью прочным полиме-
ром, который как бы про-
низывает весь бетон. На
рис. 6.4 была показана
сетка полимера, выделен-
ная нз бетонополимера
после растворения по
180
сдециальной методике его
минеральной составляю-
щей, снятая на электрон-
ном сканирующем микро-
скопе. Видно, как нити
полимера пронизывают
.цементный камень н об-
ходят плотные зерна
кварца. Сетчатая струк-
тура обеспечивает полу-
чение особо плотного ма-
рке. 6.11. Характер разрушения обыч-
ных (вверху) и пропитанных (внизу)
образцов при растяжении
териала, в результате че-
го в несколько раз повы-
шается прочность бетона,
значительно повышается
его долговечность, стой-
кость к коррозии н улуч-
шаются другие свойства.
Сетку полимера в бетоне
можно рассматривать как
особого рода дисперсное
армирование. Прн поли-
меризации мономер стре-
мится сократиться в объ-
еме и обжимает минераль-
ную часть материала. В результате создается разновид-
ность преднапряженного состояния материала, что
также способствует повышению его прочности и трещн-
ностойкости, Это явление подтверждают результаты из-
мерения деформаций бетона в процессе его специальной
обработки и в последующем. Во время обработки на-
блюдаются деформации усадки, а в последующем—де-
формации расширения, обусловленные релаксацией по-
лимера (см. гл. 3).
Обработка бетона полимером способствует значи-
тельному повышению прочности сцепления между за-
полнителем н цементным камнем. Полимер склеивает
все дефекты контакта, в ряде случаев взаимно проникая
в раствор и заполнитель, например известняковый, как
бы связывая их своими нитями воедино. На микрофото-
графии зона контакта заполнителя н раствора в бетоно-
полнмере монолитна, не имеет дефектов, и часто ее
можно определить только по изменению структуры ма-
териала (рнс. 6.10, вверху). В обычном же бетоне в зоне
181
контакта часто видны микротрещины и другие дефекты
снижающие прочность сцепления заполнителя и раство’
ра (рис. 6.10, внизу).
В табл. 6.2 приведены результаты испытаний стан-
дартных «восьмерок», в шейку которых заделывали ку
бики из гранита и известняка.
Специальная обработка резко повышает прочность
сцепления заполнителя и раствора, которая оказывается
выше прочности иа растяжение гранита н известняка
(последние при обработке вследствие малой пористости
н соответственно малого насыщения мономером упроч-
няются незначительно). В результате обработанные об-
разцы разрывались по граниту или известняку, а не по
зоне контакта (рнс. 6.11).
Бетонополимеры отличаются большой однородностью
структуры. Полимер, пронизывающий цементный ка-
мень, приближает его свойства к свойствам заполни
теля, уменьшает дефектность структуры. В результат:
при нагружении бетонополимера в нем в меньшей мере
возникает концентрация напряжений, поле напряжений
является более равномерным.
Таблица 6.2. Прочность сцепления раствора и заполнителя
Система Предел прочности, МПа
без обработки после обработки |
Раствор Раствор — гранит Раствор — известняк 1,2 0,9 Ы 18,2 9,2 8,4
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ БЕТОНОПОЛИМЕРА
НА ЕГО ПОВЕДЕНИЕ
ПРИ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗКИ
Для правильного понимания влияния пропнткн бетона
полимером иа особенности его поведения под нагрузкой
необходимо вначале остановиться на современных пред-
ставлениях о структуре и процессе разрушения бетона,
которые можно свести к нескольким основным положе-
ниям.
Прочность и деформативность бетона определяются
главным образом структурой и свойствами цементного
камня, который скрепляет зерна заполнителя в моно*
182
лит. Структура и свойства цементного камня зависят от
его минералогического состава, водоцементного отно-
шения, тонкости помола цемента, возраста бетона, ус-
ловий его приготовления и твердения, введенных доба-
вок. В последнее время было показано, что путем при-
менения тех или иных технологических приемов,
например внброперемешнвання или введения добавок,
можно значительно изменить прочность и деформатив-
ность бетона. В отдельных случаях показатели свойств
бетона одного состава изменялись в 1,5—2 раза. Свой-
ства бетона существенно зависят от вида и качества за-
полнителя, а также от его состава. Прочность бетонов,
приготовленных на цементе одинакового качества, прн
постоянном водоцементном отношении, но на разных за-
полнителях, может отличаться в 1,5—2 раза.
Бетон разрушается постепенно. Вначале возникают
перенапряжения, а затем микротрещины в отдельных
микрообъемах. Развитие этого процесса сопровождает-
ся перераспределением напряжений и вовлечением в
трещннообразованне все большего объема материала,
вплоть до образования сплошного разрыва того или
иного вида, зависящего от формы образца или конст-
рукции, ее размеров н других факторов. На последней
стадии нагружения процесс микроразрушения становит-
ся неустойчивым н носит лавинный характер.
Разрушение бетона при сжатии обусловлено разви-
тием микротрещин отрыва, направленных параллельно
действующему усилию. Происходит кажущееся увели-
чение объема образца, но в действительности нарушает-
ся сплошность материала. Появление и развитие микро-
трещнн зависят от структуры бетона, в частности от
размеров и числа дефектных мест в ней, а также вида
и режима приложенной нагрузки.
Большое влияние на характер процесса разрушения
оказывает жидкая фаза в бетоне. Облегчая развитие
пластических деформаций, деформаций ползучести и
микротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, во-
да снижает его прочность. Степень влияния этого фак-
тора зависит от скорости приложения нагрузки.
Вполне понятно, что процесс разрушения бетона в
действительности сложнее и зависит от большего чис-
ла факторов, чем указано выше. До настоящего време-
ни некоторые положения в этой области являются спор-
ными, другие требуют уточнения.
183
В последнее время большое внимание уделяется
влиянию дефектов структуры на свойства бетона. Как
известно, действительная прочность материала намного
меньше прочности, получаемой расчетами теоретической
физики на основе молекулярного взаимодействия.
С развитием методов исследования (микроскопичес-
ких, рентгенографических н др.) в реальных материалах
были обнаружены многочисленные дефекты самых раз-
личных размеров и форм. В результате этих исследова-
ний получила значительное развитие теория дислокаций,
рассматривающая дефекты атомной решетки кристал-
лических тел и объясняющая ряд свойств материалов.
Однако на свойства материалов, и особенно таких неод-
нородных, как бетон, оказывают влияние н более круп-
ные дефекты.
Прн нагружении бетона вследствие различия физи-
ко-механических свойств н размеров компонентов и на-
личия дефектов в нем появляется вторичное поле напря-
жений. Наибольшая концентрация напряжений созда-
ется на границах дефектов и компонентов с разными
свойствами, т. е. преимущественно в контактной зоне. I
Напряжения вызывают упругую н пластическую де-
формации. Упругая деформация обусловливается изме-
нением межатомных расстояний и может происходить
мгновенно, т. е. абсолютно упругое тело не меняет своих
свойств в зависимости от времени нагружения.
Реальные тела имеют большое число точечных и ли-
нейных несовершенств кристаллической решетки (ва-
кансии и дислокации), а также н более крупные дефек-
ты. Движение дислокаций обусловливает пластическую
деформацию. Перемещение дислокаций зависит от вида
и режима нагрузки.
Теория дислокаций разработана применительно к
кристаллическим телам. В бетоне кристаллические ком-
поненты составляют основную массу твердой фазы, так
как, по современным понятиям, даже гель состоит из
субмикроскопических кристаллических образований.
Наиболее интенсивно дислокации движутся в местах
концентрации напряжений, где наблюдается скопление
вакансий и дислокаций, приводящее к образованию мик-
рообъемов материала с разрыхленной структурой. С по-
вышением напряжения или увеличением времени его
действия здесь могут возникнуть мнкротрещнны, в свою
очередь вызывающие концентрацию напряжений и даль-
184
Hciiuiee интенсивное движение дислокаций, т. е. как бы
генерирующие процессы разрушения. Таким образом,
движение дислокаций создает предпосылки к образова-
нию мнкротрещин.
С другой стороны, движение дислокаций, вызывая
пластические сдвиги, способствует перераспределению
напряжений и снижению их концентрации и тем самым
частично предотвращает образование или развитие тре-
щин. Мнкротрещнны в первую очередь появляются в
наиболее слабых местах. При соответствующих услови-
ях (повышении нагрузки, расположении трещин парал-
лельно действующему усилию, сохранении концентрации
напряжений и т. д.) мнкротрещнны увеличиваются, со-
единяются между собой и с ранее существовавшими и
превращаются в трещины больших размеров.
Каждому напряжению соответствует свой уровень
развития процесса движения дислокаций и образования
разрыхленных мест и мнкротрещин. Чем выше напря-
жение, тем больше дефектных мест н больше вероят-
ность разрушения материала. Когда число дефектов, су-
ществовавших до нагружения и вновь образовавшихся,
станет достаточным для образования сплошной трещи-
ны (или трещин) отрыва, бетон разрушается.
Автором совместно с А. Ф. Щуровым и В. Н. Мама-
свским был изучен процесс разрушения цементного кам-
ня и бетона с привлечением электронного сканирующего
микроскопа и малоугловой рентгенографии, которые
позволили определить параметры дисперсно кристаллнт-
ной структуры цементного камня и характер микрораз-
рушений. Одновременно определяли энергию разруше-
ния бетона. Применение химических добавок и различ-
ных режимов твердения позволило в заметных пределах
изменять размеры кристаллитов и пор в цементном
камне и его энергию разрушения.
Анализ электронных фрактограмм цементного камня
бетонных призм, нагруженных выше точки R’ н пол-
ностью разрушенных, подтвердил, что процесс макро-
н микроразрушення бетона и цементного камня носит
кинетический характер н начинается с зарождения н раз-
вития мнкротрещин скола в кристаллитах гидросилика-
тов, которые расположены вблизи концентраторов на-
пряжений (пор и других технологических дефектов).
Возможны два механизма возникновения ступенек ско-
ла: они образуются либо в результате скола по плоскос-
185
тям спайности прн переходе трещины в кристаллит с
другой ориентацией, либо в результате пластических
сдвигов по плоскостям легкого скольжения, которые
содержат молекулы подвижной воды. В обоих случаях
эффективная энергия разрушения, которая в конечном
итоге определяет прочность и трещиностойкость мате-
риала, становится функцией не только общей пористо-
сти и степени гидратации, но и характеристик днсперс-
но-кристаллитной структуры.
Наблюдения поверхностей разрушения с помощью
растрового электронного микроскопа показали, что в
цементном камне возникшие трещины скола останавли-
ваются границами кристаллитов, особенно в тех местах,
где ориентация плоскостей спайности при переходе в со-
седний кристаллит скачкообразно изменяется. Для рас-
пространения трещины от одного зерна к другому до
окончательного макроскопического разрушения необхо-
димо, чтобы упругой энергии, которая освобождается
прн распространении трещин, было достаточно не только
для образования новых поверхностей магистральной
трещины, но н для компенсации всей дополнительной
работы, идущей на производство пластических дефор-
маций и образование ступенчатых поверхностей скола.
Если пластическая деформация ограничивается тонким
слоем на поверхности макротрещин (именно так и об-
стоит дело в цементном камне), то работу у-локальных
пластических деформаций на единицу поверхности мож-
но рассматривать как дополнительную энергию, кото-1
рая должна быть прибавлена к поверхностной энергии
в уравнении Гриффитса — Орована, описывающем ус-
ловие распространения трещины в поликристаллнческих
материалах:
где о — некоторое кристаллическое напряжение; £— модуль упру-
гости; У(=у+Ду — эффективная поверхностная энергия разрушения;
drp —средний размер кристаллита; К = (Eyt)1 f2 — коэффициент вяз-
кости разрушения.
Эта формула справедлива и для пористых тел, в том
числе бетонополимеров, прн введении в нее коэффици-
ентов, учитывающих пористость и другие дефекты.
Возможность применения соотношений указанного
типа к цементному камню, а следовательно, н физичес-
ких моделей разрушения, лежащих в основе этих фор-
186
мул, была проверена экспе-
риментально. С этой целью
были построены зависимо-
сти «прочность — средний
размер dCp кристаллита ге-
ля гидроснликатов» (рис.
6.12) и вычислена эффектив-
ная энергия разрушения че-
мпа.
Рис. 6.12. Зависимость прочности
цементного камня Яц.к от средне-
го размера кристаллитов dcp
роз экспериментально на-
блюдаемое значение
(табл. 6.3). Степень гидра-
тации н общая пористость
этих образцов оставались
постоянными. Из рассмотрения данных рис. 6.13 сле-
дует, что, во-первых, прочность цементного кам-
ня зависит от размера кристаллита по закону
во-вторых, не только степень гидратации и общая порис-
тость определяют прочность цементного камня — прн
одинаковых значениях этих характеристик прочность
может значительно изменяться вследствие различия дис-
персно-крнсталлнтной структуры геля гндросиликатов;
в-третьих, эффективная энергия разрушения у оказалась
значительно больше, чем поверхностная энергия, вычис-
ленная из крнсталлохимнческнх данных н измеренная
адсорбционными методами.
Таблица 6.3. Эффективная энергия разрушения цементного
камня
Д обавка ВЦ Эффективная энергия разруше- ния. Дж/м1
Без добавки 0,3 0,35 2,8 2,1
ник 0,3 0,35 3,7 3,2
кд 0,3 0,35 4,4 3,6
С помощью модели распространения трещин раскры-
та физическая природа связи между характеристиками
структуры, прочностью и трещиностойкостью, наблю-
даемая при изменении условий твердения и введении хи-
мических добавок. Модифицирующее действие комплекс-
187
них добавок состоит в улучшении м икропластических
свойств крнсталлнтной структуры, уменьшении разме-
ров зерен и пор цементного геля, а также более равно-
мерном нх распределении в мнкрообъемах. В результате
повышаются вязкость разрушения, третиностойкость н
прочность материала в целом.
Измерение вязкости разрушения показало, что низ-
кая прочность цементного камня обусловлена в первую
очередь неравномерностью распределения в нем про-
дуктов гидратации. Создание мелкозернистой равно-
мерной структуры из слоистых кристаллитов, способных
к мнкропластическнм деформациям, без технологичес-
ких дефектов (с помощью химических добавок) можно
рассматривать как эффективный путь повышения проч-
ности и трещиностойкостн бетонов.
Еще большие возможности повышения прочности
бетона открывает омонолнчнванне его структуры поли-
мером. В этом случае, как уже отмечалось, повышается
однородность структуры, уменьшается ее пористость,
улучшается сцепление заполнителя с цементным кам-
нем, снижается дефектность структуры, возрастает энер-
гия разрушения. Все это отражается на поведении бето-
нополнмера при нагружении, на прочности и деформа-
тивности материала.
Если обычный бетон разрушается в основном по зо-
не контакта заполнителя н раствора и по слабым зернам
заполнителя, а процесс разрушения носят постепенный
характер, то бетонополимер разрушается как монолит-
ный материал с разрывом всех зерен заполнителя. Раз-
рушение обычно наступает почти мгновенно н сопровож-
дается громким треском и разлетом осколков. При
испытании образцов бетонополимера их помещают в спе-
циальную обойму нлн оборачивают несколькими слоями
пленки нлн сетками в целях безопасности.
Характер разрушения бетонополимера показывают
структурные схемы (рнс. 6.13), на которых приведены
эпюры прочности при растяжении отдельных составля-
ющих материала и поверхности разрушения (пунктир-
ная линия). Вследствие того, что обработанный поли-
мером раствор оказывается прочнее заполнителя, раз-
рушение чаще всего начинается с заполнителя н мгно-
венно пронизывает весь материал (схема II).
Характер разрушения образцов, модифицированных
полимером, значительно отличается от характера разру-
188
Рис. 6.13. Схемы разрушение
прн растяжении бетона я
бетопополимера
/ — разрушение по раствору;
II — с разрывом зерен за-
полнителя; III — смешанный
характер разрушения
шення контрольных образцов. На рис. 6.14 вверху при-
ведена фотография разрушенного при сжатии контроль-
ного образца, внизу — образца из бетонополимера.
При достижении максимальной нагрузки бетонополи-
мерный образец разрушается иа удлиненные осколкн по-
направлению приложенной нагрузки. При раскалывании
поверхность разрушения сравнительно ровная (рис.
6-15).
В зависимости от применяемых заполнителей и ха-
рактера обработки бетона можно получать самые раз-
18»
личные соотношения меж-
ду прочностью растворной
части и заполнителя. При
применении легкого за-
полнителя специальная
обработка резко повыша-
ет плотность контактной
зоны, а соответственно и
прочность материала.
Прн этом крупные поры
заполнителя могут остать-
ся незаполненными, что
будет способствовать по-
лучению материалов с по-
ниженной объемной мас-
сой. На рис. 6.16 показа-
на структура керамзито-
Рис. 6.14. Характер разрушения при сжатии бетона (вверху) и бетонополиме-
ра (внизу)
бетонополнмера, где наглядно видно уплотнение контакт
ной зоны полимером.
Специальная обработка повышает адгезию цемент
кого камня к стальной арматуре нлн волокнам днсперс
ной арматуры и соответственно улучшает
работу арматуры и бетонополнмера. Часто
совместную
разрушение
190
Рис. 6.15, Ввсшиий вид поверхности разрушения бетона (слева) и бетоноио-
лимсра (справа)
Рис. 6.16. Микроструктура керамзито-
бетонополимера
наступает не по зоне
контакта арматуры с
бетонополимером, а на
некотором расстоянии
от нее. В результате
возрастают прочность
н трещи нестойкость ар-
мированных бетонопо-
лнмеров.
Прн поверхностной
обработке материала
структура бетонополн-
мера образуется толь-
ко в поверхностных
слоях, толщина кото-
рых зависит от режима
обработки. Внутри бе-
тон сохраняет свою
структуру. Между по-
верхностным слоем и
основной частью бетона может находиться промежуточ-
ный слой, имеющий строчную структуру. Соответствен-
но изменяются н свойства бетона.
191
ГЛАВА 7. СВОЙСТВА БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
ПРОЧНОСТЬ
Прочность бетонополнмеров, как и другие свойства,
зависит от многих факторов, нз которых главными яв-
ляются структура и свойства пропитываемого бетона,
степень заполнения пор бетона мономером н свойства
последнего, параметры технологических операций при
обработке бетона. Большое разнообразие видов бетона
и пропитывающих составов и широкие возможности
варьирования технологических приемов обработки соз-
дают условия для получения бетонов с самыми различ-
ными свойствами, необходимыми в практике строитель-
ства Вместе с тем это разнообразие затрудняет получе-
ние обобщенных зависимостей свойств от различных
факторов. В литературе в последние годы появилось мно-
го предложений по этому вопросу, в основном базирую-
щихся на результатах экспериментов. Прн использова-
нии этих рекомендаций еле-
дует учитывать, что они при-
менимы в основном для тех
условий, в которых прово-
дился эксперимент, т. е. при
варьировании определенного
одного или нескольких фак-
торов, в предположении, что
другие условия остаются не-
изменными. Прн изменении
других факторов выявлен-
ные зависимости существен-
но нарушаются.
На рнс. 7.1 для примера
показана зависимость проч-
ности бетонополимера от
прочности исходного бетона
по результатам ряда иссле-
дователей н нашим опытам
в случае пропитки бетона
метилметакрилатом с после-
дующей его полимеризацией
в теле бетона. Даже для
этих условий прн пропитке
одним видом мономера име-
Рис. 7.1. Зависимость прочности бе-
тонополимера от прочности бетона
различных видов н составов (пунк-
тирные линии разделяют области с
Лвп/«6 от ! до 6)
192
ется не определенная зависимость, а обширное поле ре-
зультатов с повышением прочности материала после про-
питки от 1,2 до 8 раз и более. Закономерности изменения
прочности бетона в зависимости от его состава, техно-
логии получения и других факторов можно установить,
проводя испытания при изменении данного фактора и
сохранении других условий постоянными. Можно также
установить основные принципиальные положения, ха-
рактерные для рассматриваемой совокупности, в част-
ности тот факт, что степень повышения прочности бе-
тона прн пропитке уменьшается с повышением его
марки. Это положение хорошо согласуется с физико-хи-
мическими основами получения бетонополимера как ком-
позиционного материала.
При рассмотрении свойств бетоиополимеров основ-
ное внимание нами уделено влиянию на эти свойства
различных факторов. Как правило, рассматриваются
случаи полной пропитки бетона метилметакрилатом с
радиационной или термокаталитической полимериза-
цией.
Объем книги ие позволяет привести результаты всех
выполненных автором совместно с коллегами исследо-
ваний. Поэтому приводятся отдельные выборки, иллю-
стрирующие ту нлн иную зависимость или явление. При
этом следует учитывать, что при радиационной техно-
логии получается материал на 5—15 % более прочный,
чем прн термокаталитической полимеризации, а проч-
ность бетонополимера, пропитанного полнметнлмета-
крилатом, равна нлн несколько больше, чем при про-
питке стиролом нлн другими мономерами. Для возмож-
ности более полной оценки результатов опытов в
необходимых случаях указываются размеры образцов,
технологические режимы н другие вспомогательные дан-
ные. Рассмотрение начинается с прочности бетонополи-
мера на сжатие, так как эта характеристика является
Таблица 7.1. Результаты испытаний образцов
ЮХЮХЮ см (усредненные данные)
Марка исходного бетона Привес образцов после пропитки, % Прочность на сжа- тие бетонополиме- ра, МПа Увеличение проч- ности прн сжатии, раз
М200 5,1 НО,7 2,92
M300 5,5 119 4,15
М400 ,16 128 6,57
13-210
193
Рис. 7.2. Влияние марки бетона на
коэффициент упрочнения бетонопо-
лимера
Рис. 7.3. Зависимость прочности бе-
товополимера от содержании в его
порах полимера
определяющей при проао
тнрованни железобетонов
полимерных конструкц1(|
и изделий, а также час»
используется как вспомо-
гательный критерий при
изучении других свойств
бетонополнмсров.
Предел прочности при
сжатии бетонополнмера
определяли .на образцах
различных размеров
(15X15X15, ЮХЮЯ
ХЮ см; половинки баро-
чек 4X4X16, 3X3X3 см»
и различных составов
(табл. 7.1).
Прочность на сжатие
бетонополнмера зависит
как от марки исходного
бетона н его первона-1
чальной пористости, так
и от технологических фак-
торов его обработки.
По данным НИС Гид-
ропроекта, прочность на
сжатие бетонополнмера
составила 172,5 МПа прн
исходной прочности бето-
на 43 МПа. Прочность на сжатие образцов 15X15X15 см,|
вырезанных нз тюбингов тоннельной обделки, изготов-
ленных методом силового проката, составила более
200 МПа прн исходной прочности бетона 74 .МПа.
Максимальная прочность на сжатие бетонополнме-
ра достигала 200—250 МПа, а в отдельных случаях да-
же превышала 300 МПа. Данные по прочности на сжа-
тие бетонополнмера подтверждают, что увеличение его
прочности находится в непосредственной зависимости от
исходной прочности обычного бетона: прочность бетона
низких марок увеличивается в большей степени. Однако
при применении бетонов низких марок увеличивается их
пористость, что в свою очередь увеличивает расход мо-
номера для заполнения его пор. Из рнс. 7.2 следует, что
обычные тяжелые бетоны ннзкнх марок имеют больший
194
Рис. 7.5. Зависимость между коэф-
фициентами упрочнения бетона при
пропитке полиметилметакрилатом
и отношением Mn/W
1, 2, 8 — коэффициент упрочнения
соответственно при растяжении, при
сжатия, при изгибе
195
к0Эффнциент упрочнения Кулр (отношение прочности
на сжатие бетонополнмера к прочности исходного
бетона) по сравнению с бетонами высоких марок,
однако максимальная прочность у них чаще ниже, чем
у последних.
Прочность бетонополнмера в значительной степени
зависит от содержания полимера в порах н капиллярах
исходного бетона. Для изучения этой зависимости про-
питке подвергали бетон марки М200 с различной ис-
ходной влажностью. В результате получали бетонопо-
лнмер с различной степенью
заполненными полимером
порами, т.е. с различным
значением привеса полиме-
ра н соответственно с раз-
ной прочностью (рис. 7.3).
Прирост прочности увели-
чивался прн более полном
заполнении структуры поли-
мером. Аналогичные зависи-
мости были получены н для
других бетонов н пропиты-
вающих составов. В опытах
американских исследовате-
лей [133] также отмечен
рост прочности бетонополн-
мера с увеличением привеса
полимера как прн термока-
талитнческой, так н прн ра-
диационной полимеризации.
В известной мере зависи-
мость прочности бетонопо-
лимера от содержания поли-
мера в порах н капиллярах
бетона демонстрирует влия-
ние пористости на свойства
материала, хотя степень по-
вышения прочности матери-
ала прн уменьшении пори-
стости из-за влияния сорб-
ционных, адгезионных и
других эффектов может
быть выше, чем при умень-
шении пористости обычного
бетона (см. гл. 3).
13*
Зависимости, аналогичные по характеру рассмотпе
ным выше для прочности на сжатие, получены и д!
прочности пропитанных бетонов на растяжение и изгиб
Коэффициент упрочнения в пределах 2—8. Функцией
нальная зависимость между прочностью и привесом по-
лимера сохраняется.
Пропитанные бетоны, несмотря на высокую плот-
ность, обладают некоторой пористостью, зависящей от
степени заполнения пор полимером. Как и для боль-
шинства пористых тел, для импрегнироваиных бетонов
существенна корреляционная зависимость прочности и
пористости. Пропитанный полимером бетон значитель-
но более однороден, чем обычный цементный. Для бе-
тонополимерных материалов установлена функциональ-
ная зависимость между прочностью на сжатие н порис-
тостью, выраженной в относительных единицах [37]
(рис. 7.4):
Ксж = 378е-п,2П.
Предложена [79] также следующая эмпирическая за-
висимость:
= 840 vT(i — Мп)«,
где V, — удельное содержание твердой фазы в цементном камне
840 — константа — теоретическое значение прочности цементного*
камня с нулевой пористостью.
В соответствии с этой формулой снижение пористос-
ти на 10 % повышает прочность в 2 раза. Коэффициент
упрочнения бетона в результате пропитки метилметакри-
латом прямо коррелирует с отношением
Мд/Г,
(где М„ — привес полимера; Я7 — водопоглощение)
[133], характеризующим степень заполнения пор бето-
на.
Вода и метилметакрилат, обладая различными по
размеру молекулами, дипольными моментами и краевы-
ми углами смачивания, заполняют поры бетона за раз-
ное время и не в одинаковой степени (см. гл. 3). Однако
критерий имеет физический смысл как косвенный
показатель эффективности пропитки (рис. 7.5).
Вид щебня оказывает несущественное влияние иа
прочность бетонополимера. Нанлучшне результаты по
196
ппочностн дает применение диабазового щебня. В этом
г?учае более высокая прочность достигается при мень-
щем расходе полимера (табл. 7.2).
Таблица 7.2. Зависимость прочности бетонополимера
от вида щебня
крупный запол- нитель (макси- мальная круп- ность .20 мм) Прочность бетона. МПа Содержание полимера в бетоне, % Прочность бетоиополи- мера, МПа Коэффициент упрочнения
Гравий 16,7 5,4 109,6 6,57
Щебень: известняке- 20,4 6 108,8 5,34
вый гранитный 17,9 5,1 105,7 5,9
диабазовый 17,5 4,7 ИЗ 6,47
Исследования показали, что в отличне от обычного
бетона в бетонополнмере щебень является более слабым
элементом и поэтому более высокую прочность имеют
мелкозернистые бетоны, хотя и требующие вследствие
повышенной пористости несколько большего расхода по-
лимера (8—10%)- Получены мелкозернистые бетонопо-
лимеры с прочностью иа сжатие 150—200 МПа, что поз-
воляет создать эффективные тонкостенные конструкции.
Эмпирическая формула для определения прочности
пропитанного бетона на сжатие как функции состава бе-
тона предложена американскими исследователями [133]:
/?б.п — Яц "Ь ABR% Уд,
где Rс.п, /?а — прочность соответственно пропитанного бетона и за-
полнителя; Яц — активность цемента; Уц, Уз — удельный вес соот-
ветственно цементного камня и заполнителя; А — эмпирический
коэффициент (Д = 0,35); В — коэффициент, учитывающий прочность
сцепления цементного камня с заполнителем (увеличивается с рос-
том удельного объема полимера; для бетонополимера при полном
сцеплении Я=1; для обычного бетона В=0,5),
Данная формула учитывает только один фактор уве-
личения прочности материала — повышение прочности
контактной зоны цементного камня и заполнителя. В дей-
ствительности зависимость /?б.п от структуры бетона
сложнее.
197
В наших опытах с бетонами на разных цементах не
выявлено особого влияния вида цемента иа свойства бе-
тонополимера, так как основное влияние оказывали
Рис. 7.8. Зависимость привеса мономера (о), прочности бетонополимера (б) и
коэффициента упрочнения (в) от концентрации цементного камня, и
активности цемента
1 - ВЩ^-0.4, /?д-500; 2-ВЩи„-0Л /?„=400; 3 - В/ЦЯс, -0.4. Ra~
-500 ; 4 - B/Uвст -0.3. /?ц“500; 6 - ВЩ Яст=0.2. Яц-500
198
дельной прочности (прочности на 1 % полимера) для
Жетонов на шлакопортландцементе.
° На рнс. 7.6 представлены результаты опытов автора
14. П. Калеева, показывающие зависимость прочности
бетонополимера от состава бетона. При плотных запол-
нителях с увеличением концентрации цементного теста
при определенном В1ЦК1 возрастает прочность бетоно-
полнмера, что обусловлено повышением прочности ка-
менного скелета н увеличением содержания мономера.
Однако, как и в других опытах, коэффициент упрочнения
понижается. В бетоне на керамзите содержание моно-
мера, наоборот, с увеличением концентрации цементного
теста уменьшается, так как большей способностью впи-
тывать мономер обладает пористый керамзит. Форма
кривой зависимости прочности бетонополимера от кон-
центрации цементного камня аналогична таковым для
бетонов на плотных заполнителях, так как упрочнение
цементного камня и здесь играет ведущую роль *.
Заметное влияние на прочность бетонополимера ока-
зывают состав и свойства пропитывающей жидкости.
Представление о влиянии этого фактора дают данные
табл. 7.3, составленной по опытам В. Я. Ващука н
А. И. Левченко [79] и табл. 7.4, составленной по амери-
канским данным [133].
Прочность бетонополимера при повышенной и пони-
женной температуре определяли в образцах из цемент-
но-песчаного бетона (3X3X3 см) состава 1 : 3 прн
В/Д=0,45 и из обычного бетона на гранитном щебне
марки М200 состава 1:2,7: 5 при В/Ц=0,6 (табл. 7.5).
Образцы нагревали в термошкафу до 60, 90, 140 и
190 °C с точностью ±10 °C со скоростью нагрева 40°С/ч.
После достижения заданной температуры образцы вы-
держивали 7—8 ч. Охлаждали образцы до 0, — 12, —40 и
—65 °C с помощью сухой углекислоты в специальном кон-
тейнере в течение 6 ч.
Испытывали образцы на гидравлическом прессе с са-
моцентрирующимися опорными плитами. Для предот-
вращения иагрева (охлаждения) опорных плит нагруже-
ние вели через прокладки нз листового асбеста.
Результаты исследования показывают, что при повы-
шении температуры до 200 °C прочность бетонополимера
1 Более детально свойства легких бетонов рассматриваются в
гл. 9.
(99
Таблица 7.3. Влияние состава пропиточной смеси на привес
смеси при пропитке и прочность бетонополнмера
Состав смеси мономеров для пропитки Привес, % — Прочность и> сжатие. МПа
Стирол 5,34 92,1
91 % стирола + 9 % дивинилбензола 4,78 118,3
77 % стирола + 23 % дивинилбензола 4,49 137
80 % метилметакрилата + 20 % дивинил- бензола 4,78 131,5
Метилметакрилат 5,3 167,5
50 % стирола + 50 % метилметакрилата 5,11 145,1
96,5 % стирола + 3,5 % акриловой кислоты 4,77 106,6
Таблица 7.4. Влияние вида полимера на прочность
бетонополнмера
Вид полимера Привес полимера, Прочность, МПа Модуль упру, гости, МПа, Х10‘
на сжатие на растяжение
р т р т Р Т
Контрольный без — 3,65 2,9 2,42
Полиметилмета- 4,6—6 140 126 11,3 10,5 4,37 4,3
крнлат Полистирол Э0 % ПММА и 4,2—6 97 61 7,6 5 4,37 3,6
3,2—6 150 13! 10,5 8,7 4,23 3,32
10 % ТМРМА Акрилонитрил 3,2-6 100 75 7,2 6 4,1 2,92
Хлорстирол 4,9—6,9 111 100 7.8 8,3 3,88 2,88
Примечание. Р — радиационная полимеризация; Т—-термока-
талитическая полимеризация.
значительно снижается н достигает прочности на сжатие
исходного бетона, а при понижении температуры до
—65 °C наблюдается незначительное повышение прочно-
сти. На рис. 7.7 даны кривые изменения прочности бето-
нополимера в зависимости от температуры. На кривых
для обоих составов бетонополнмера имеются горизон-
тальные участки, показывающие неизменность прочност-
ных свойств бетонополнмера в интервалах температур от
— 10 до 60 °C.
В наших исследованиях прочность растворного бето-
нополимера оказалась выше прочности бетонополимера,
200
-□держащего крупный за-
полнитель. Это объясня-
ется большим процент-
ным содержанием поли-
мера в его объеме (см.
табл. 7.5), что в конеч-
ном счете определяет
прочность пропитанных
бетонов. Одиако проч-
ность растворного бето-
нополимера с повышени-
ем температуры снижает-
ся более интенсивно, чем
прочность бетоиополиме-
ра с крупнозернистым за-
полнителем. Это, по-види-
мому, объясняется боль-
Рис. 7.7. Влияние температуры на проч»
ность бетонополнмера
1 — на гранитном щебне; 2 — на основе
раствора 1:3; 3 — восстановление
прочности после охлаждения бетонопо.
линера до обычной температуры)
шнм содержанием поли-
мера в бетонополимере на основе раствора 1 : 3.
При охлаждении нагретых до 150 °C образцов до ком-
натной температуры их прочность на сжатие полностью
восстанавливается, а у образцов, нагретых до 200 °C и
охлажденных также до комнатной температуры, наблю-
дается потеря прочности до 10 % за счет частичного ис-
парения полимера из пор бетона.
Однако применение полимеров или сополимеров с бо-
лее высокой температурой размягчения [133] позволяет
получать бетоиополимеры, сохраняющие свою прочность
при температурах до 140 °C (рис. 7.8).
Таблица 7.5. Средние результаты испытания бетоиополимериых
составов
Температура образцов при испытании. “С Состав бетопополимера
1:3 1:2,7:5
привес полимера, % прочность на сжатие. МПа привес поли- мера, % прочность на сжатие, МПа
190 11,6 33,6 3,7 22,1
140 П,7 72,1 3,7 45,7
90 11,8 113,6 3,2 80
60 11,2 118,2 3,2 90,8
20 12.3 118,5 3.6 92,8
0 11,5 120,7 3,7 91,8
—12 10.8 119 3.6 89,2
-40 12,2 139.2 3.7 103
-65 12,7 137,4 3,8 103,7
201
Рис. 7.8. Зависимость прочное»-
на сжатие бетонополимеров . I
бетона от температуры Испыт».
1 — контрольный бетон; 2 —
тонополимер, пропитанный м-
тилмет акрил атом с i(W*l
ТМРТМА (радиационная ц.,^
меризацня, привес полиции 2
4,2%); Л — бетонополимер,
питанный акрилонитрилом с по-
крытием из эпоксистирола (ра.
диациоиная полимеризации
привес полимера 3,4 %); 4 —б(.
тонополимер, пропитанный дна
милфталатом с 10 % метнлмета-•
крилата (термокаталитическав
полимеризация, привес полиме-
ра 4.7 %); 5 — бетомополимей
пропитанный смесью 60 % сти
рола и 40 % ТМРТМА (радиа-
ционная полимеризация, приве»
полимера 5,6%)
В отличие от обычного бетона прочность бетонополи-
мсра не зависит от влияния влаги, содержащейся в
окружающей среде. Водопоглощение пропитанных по-
лимерами бетонов мало (менее 1 %), вследствие чего ад
сорбционного понижения прочности не наблюдается; ко-
эффициент размягчения бетоиополнмериых материалов,
как правило, не ниже 0,95.
Для определения прочности после длительного хра
нения бетонополимера были изготовлены образцы-кубы
10ХЮХЮ состава 1 : 2,3 :4,2 при В/Ц= 0,56 (при ис-
пользовании гравия В/Д=0,51). В качестве заполните-
лей применяли известняковый гравий и щебень, диаба-
зовый и гранитный щебень.
После суточного хранения в формах образцы пропа-
ривали по режиму 2—4—6 ч. а затем подвергали обра-
ботке в следующем порядке: сушке до постоянной мас-
сы; вакуумированию при остаточном давлении 1,3 кПа
в течение 30 мин; пропитке ММА прн давлении 0,06 МПа
в течение 40 мин и радиационной полимеризации.
Бетонополимерные образцы на разном крупном за-
полнителе испытывали через 25 сут и через 3,5 года
(табл. 7.6).
В табл. 7.7 приведены результаты испытания мелко-
зернистых бетонополимеров различных составов. Опыты
показали, что прочность бетонополимера после длитель-
ного хранения не понижается.
Прочность бетонополимера на растяжение определя-
ли иа стандартных восьмерках из цементно-песчаного
раствора различного состава при В/Ц=0,45. Средние
202
Таблица 7.6. Результаты испытаний бетонополимера
после длительного выдерживания
Крупный заполнитель Привес полимера, % МП.
через 25 сут через 1253 су»
Гравий известняковый 5,4 109,6 104,5
Щебень: известняковый гранитный диабазовый 6 5,1 4,7 108,8 105,7 ИЗ 112 108 109,5
Таблица 7.7. Результаты испытаний мелкозернистых
бетонополимеров
До выдерживания Через 360 сут Через 1200 сут
Л„р. МП. Ео 10-«, МПа ₽пр, МПа £0 10-». МПа *„, МП. *о io—*. МПа
85 3,07 91,7 3,03 87,5 3,23
75,6 2,98 74 2,65 70 3,41
100 3,03 105 3,15 87,5 3,14
99 3,12 103 3,41 99 3,64
88.3 3,06 87,8 3,09 90 3,32
131 3,51 123 3,67 120 3,58
значения прочности пропаренных образцов иа растяже-
ние приведены в табл. 7.8.
В табл. 7.9 приведены результаты испытания образ-
цов нормального твердения. Наиболее высокие показа-
Таблица 7.8. Результаты испытания пропаренных образцов
Состав раствора Привес по- лимера, % Прочность на растяжение, МПа Коэффициент упрочнения
бетонополимера раствора
1:2 7,1 11 ,5 3,5 3,3
1:3 7,9 14,9 2,2 6,7
1:4 11,5 13,1 1,8 7,3
203
Таблица 7.9. Прочность на растяжение бетонополимера
Состав раствора, Содержа- ние поли- мера Предел прочности раствора при растяжении, МПа Коэффшщец упрочивши.
исходного после пропитки
1:3 7,1 3,6 17,5 4,9
1:4 9 3,2 14,1 10,7 4,4
1:5 9,3 2,9 3,7
1:6 11 2 8 4
Таблица 7.10. Влияние технологии обработки на прочность
бетонополимера при растяжении
Содержание полимера, % Предел прочности при растяжении, МПа Коэффициент упрочнения
исходного бетона бетонополимера
4,9 3,6 10,7 3
7,9 2,2 14,9 7,2
8,7 1,1 18,2 16,5
тели у образцов бетонополимера, полученного на основе
раствора 1:3, имеющего достаточную плотность н жест-
кость каменного скелета прн сравнительно небольшой
пористости. В растворе 1 :6 полимер не заполнил круп-
ные поры, которые явились дефектными местами н спо-
собствовали снижению прочности бетонополимера.
Более наглядно влияние содержания мономера, тех-
нологии и первоначальной прочности раствора на окон-
чательную прочность бетонополимера видно из табл. 7.10,
в которой приведены результаты испытания раствора 1 : 3
до и после специальной обработки. В первой серии про-
питка раствора нормального твердения была неполной,
поэтому прочность бетонополимера несколько понижен-
ная. Во второй серии пропаренные образцы пропитаны
полностью и прочность бетонополимера повысилась не-
смотря иа то, что пропаривание несколько снизило проч-
ность раствора на растяжение. В третьей серии образцы
были подвергнуты более глубокой сушке с вакуумом и
насыщению мономером под давлением. В результате со-
держание полимера в растворе повысилось и соответст-
венно увеличилась прочность бетонополимера, однако
прочность исходного раствора вследствие интенсивной
сушки несколько уменьшилась.
204
Степень упрочне-
ния пропитанных об-
разцов при растяжении
часто превышает сте-
пень упрочнения образ-
цов при сжатии при
одном и том же приве-
се полимера. Макси-
мальная прочность на
растяжение составила
15 МПа (по данным
американских исследо-
вателей, 12 МПа).
Прочность иа рас-
тяжение высокомароч-
ных обычных бетонов
(М 600) составляет
около 1/17 прочности
на сжатие. Для бето-
нополимеров марок
М 200—М 500 это соот-
ношение составляет
1/9, что способствует
увеличению их трещи-
иостойкости.
Эмпирическая фор-
Мула /?раст=0,5 у
используемая для оп-
ределения прочности
на растяжение обычно-
го бетона (при извест-
ном значении прочности
лимеров принимает вид /?раст=1,1 у/Я2СЖ .
Прочность бетонополимера иа растяжение, так же
Рнс. 7.9. Зависимость прочности на рас-
тяжение бетонополимера от температу-
ры испытания
1 — бетонополимер; 2 — мелкозерни-
стый бетон
Рис. 7.10. Зависимость прочности бето-
нополнмера на растяжение (/) и изгиб
(2) от привеса полимера (полиметилме-
такрилата)
его и а сжатие), для бетоиопо-
как н прочность на сжатие, зависит от температуры
(рис. 7.9). Применение специальных температуроустой-
чивых сополимеров позволяет сохранить прочность на
растяжение без заметного изменения при температурах
до 140—150° С.
Прочность иа изгиб определяли на образцах 4Х4Х
Х16 см, изготовленных из исходного мелкозернистого
бетона и из бетона на гранитном щебне максимальной
крупности 10 мм, и 15X15X55 см (табл. 7.11).
205
Таблица 7.11. Прочность бетона и бетонополнмера при изгибе
Исходный бетон Размер Привес Прочность^иа изгиб, и
образна, см % исходного бетона бетонопо- лнмера ii
Мелкозернистый (1:3) На гранитном щебне мелкой фракции На гранитном щебие 4X4X16 6,5 6,4 26,2 4 2
4X4X16 15X15X55 5,2 2.4 5,5 5,3 22 13,5 4 2,6
Испытания показали, что прочность на изгиб бето-;
нополимера превышает прочность на изгиб обычного бе-
тона в 2,5—4,5 раза при максимальном значении 26 МПа
(по данным американских исследователей, максималь-
ная прочность на изгиб подобного бетонополнмера со
ставляет 18 МПа).
Как и прочность бетона на сжатие, прочность бетон«
и бетонополнмера на изгиб и растяжение зависит от со-
держания полимера (рис. 7.10).
На прочность бетонополнмера оказывают влияние
технологические факторы, которые можно разделить на
две группы: особенности технологии исходного бетона и
технологические особенности модифицирования полиме-
ром затвердевшего исходного бетона. Если факторы пер-
вой группы в незначительной мере влияют на окончатель-
ную прочность бетонополнмера, то факторы второй мо-
гут существенно изменять его свойства.
Влияние состава и свойств исходного бетона. С пони-
жением прочности исходного бетона увеличивается его
пористость, и при его пропитке мономером в менее
прочном бетоне содержание полимера оказывается вы-
ше. В результате прочность менее прочных бетонов при
обработке возрастает в большей степени, чем более проч-
ных, хотя разница в прочности получающихся бетонопо-
лимеров не очень велика (см. табл. 7.1).
Обработка бетона полимерами дает возможность со-
вершенствовать его технологию на первом этапе. В этом
случае к технологии бетона должны предъявляться тре-
бования с учетом его последующей обработки. Такая об-
работка стабилизирует структуру материала, поэтому,
208
лапрнмср, прн изготовлении железобетонных изделий на
первом этапе могут быть применены добавки в больших
количествах, чем при обычной технологии. Даже введе-
ние 5 % и более хлористого кальция неопасно, так как в
бстонополимере это не может вызвать коррозии армату-
ры. Плотная, непроницаемая структура материала на-
дежно защищает арматуру и исключает взаимодействие
влаги и хлористого кальция с арматурой. Применение же
ускоряющих твердение добавок в больших количествах
обеспечивает получение быстротвердеющнх бетонов и
изготовление изделий без тепловой обработки.
В табл. 7.12 показаны возможности интенсификации
твердения бетоиа благодаря повышенной дозировке хи-
мических добавок.
Таблица 7.12. Влияние добавок на свойства бетона
и бетонополнмера
Добавка Прочность бетоиа на сжя> тие, МПа, в возрасте Прочность бето- нололиыера, МПа
1 сут после про- паривания по да.
Без добавки 2,5 11,8 107,8
5 % CaCls массы цемента 6,7 22,4 121
3 % СаС12 и 3 % ННК массы 5,6 22,6 130
цемента
Большое содержание добавок хлористого кальция и
ннтрит-нитрата кальция в несколько раз ускорило твер-
дение бетона в первые сутки и обеспечило получение бе-
тонополнмера с прочностью более высокой, чем у бето-
иополимера, полученного иа основе бетона без добавок.
При изготовлении бетона для бетонополнмерных из-
делий в ряде случаев можно уменьшить расход цемента,
заменив его тоикомолотыми добавками. Прн этом целе-
сообразно подбирать такие добавки, которые не увели-
чивали бы заметно пористость бетона, чтобы не вызвать
перерасхода полимера.
Из табл. 7.13 видно, что замена 50 % цемента моло-
тым известняком, значительно понижая прочность рас-
твора, в меньшей мере влияет на прочность бетонополи-
мера. При замене цемента молотым песком прочность
бетонополнмера снижается еще в меньшей степени.
207
Таблица 7.13. Влияние тонкомолотых минеральных добавок
на прочность бетона и бетонополимера
Вяжущее Привес полимера, % Прочность я исходного раствора сжатиеГмп; бетонополи. мера
Цемент 50 % цемента + 50 % молото- го известняка 10,5 12,4 28 19,5 163 151
Цемент 60 % цемента + 40 % молотого песка 10,2 10,2 15,8 12,9 135 143
Примечание. Прн замене цемента молотым известняком испыты-
вали образцы 4X4x16 см, а при замене цемента молотым песком —
образцы 3X3X3 см.
Наиболее перспективной добавкой является зола.
Благодаря большому числу тонких капилляров в золе
сетка полимерных нитей более дисперсна и получается
вместе с тем более связанной, лучше пронизывающей все
тело бетона, что способствует получению прочных и осо-
боплотных бетонополимеров.
Добавка гипса до 20 % массы цемента способствует
интенсивному набору прочности исходного бетона в ран-
нем возрасте, прочность бетонополимера почти ие сни-
жается (табл. 7.14).
Введение в бетонную смесь повышенных дозировок
СДБ или суперпластнфикаторов позволяет резко повы-
сить подвижность смеси и в ряде случаев получить ли-
тые бетонные смесн. Применение подобных смесей зна-
Та блица 7.14. Влияние добавки гипса иа свойства
бетонополимера
Вяжущее Привес полимера, % прочность на изгиб, МПа Прочность на сжа- тие. МПа
исходного состава бетоно- полимера исходного состава бетоно- полимера
Цемент 10,3 3,4 20,3 10,4 118,8
60 % цемента + +20 % гипса 14,1 6,6 18,5 31,9 112
208
Таблица 7.15. Влияние пластифицирующих добавок
и суперпластификатороа на свойства бетона и бетонополимера
Добавка Содер- жание до- бавки. % Подвиж- ность бе- тонной емеси, см Призес полимера, % Прочность на сжа- тие, МПа
исходно- го бето- на бетоно- полимера
СДБ 1 9,5 4,7 13,2 128
0 1 4,6 10,6 107
Суперпластифи- 1 21 5 25,1 156
катор 10-03 0 2 4,8 22,3 143
1 2 3,6 74,2 211
0 — 4,1 46,7 164
чнтельно облегчает изготовление бетонных н железобе-
тонных конструкций. Как показывают опыты (табл. 7.15),
прочность бетонов, полученных с большими дозировка-
ми СДБ или с суперпластификаторами, после пропитки
заметно повышается. Примеиеиие высокопрочных бето-
нов с суперпластификаторамн позволяет получать бето-
нополимеры с прочностью на сжатие свыше 200 МПа.
Влияние технологических приемов обработки исход-
ного бетона. Одним из важнейших технологических при-
емов получения бетонополимера является сушка исход-
ного бетона до постоянной массы. Цементио-песчаные
образцы после ускоренного твердения при тепловлаж-
ностной обработке были подвергнуты сушке до постояи-
Таблица 7.16. Влияние сушки на прочность бетонополимера
Ветов (.прочность иа сжатие, МПа, при температуре ’ сушки, ®С
состав вид — 60 100 200 300
1:1, ад-0,62 Исходный Бетонопо- лимер 49,5 159,8 44,6 172 51,5 168,3 36,3 176,5 25,4 159,8
1:3, S/4-0,45 Исходный Бетонопо- лимер 15,8 135 16,7 132,5 12,1 135,7 9,6 145,3 11,5 155,2
14—210
209
ной массы при 60, 100, 200 и 300 °C, после чего образцу
прошли остальные приемы обработки (табл. 7.16). V
Данные табл. 7.16 показывают, что прн повышении
температуры сушки до 300 °C прочность исходных образ-
цов обоих составов значительно снижается. Прочность
же бетонополимерных образцов не снизилась, напротив
наблюдалось даже некоторое ее повышение. Это обстоя- |
тельство имеет немаловажное значение для интенсифи-
кации режимов сушки, так как дает возможность сокра-
тить время обработки исходного бетона, что в свою
очередь составляет резерв снижения стоимости бетоно-
полимера.
Влажность исходного бетона перед пропиткой влияет 1
на объем пор, заполняемых мономером, на характер
распределения полимера в бетоне и, следовательно, на I
физические и механические свойства бетонополимера. I
Исследования проводились с бетонными образцами 10Х
X10Х10 см, имеющими перед пропиткой различную сте- j
пень влажности, которая достигалась различной дли- I
тельностью сушки (при 120 °C в течение 3 ч, 30 н 10 мни),
а также выдерживанием образцов перед пропиткой в I
воздушно-влажных условиях и в воде (1 и 8 сут). Подго-
товленные таким образом образцы были подвергнуты
пропитке мономером и его полимеризации обычными
приемами.
После получения бетонополимера определяли содер- I
жанне полимера в его порах, водопоглощеине по массе
и предел прочности прн сжатии (табл. 7.17).
Таблица 7.17, Влияние влажности образца в момент обработки 1
на прочность бетонополимера
Особенности подготовки образцов перед пропиткой Привес полимера, Водопогло- щение, % Предел прочности при сжатия, МПа
Контрольные непропитанные Сушка при 120 °C, мин: — 5,63 19,6
180 5,2 0,83 98,5
30 4,73 0,9 74,8
10 Выдерживание.’ в воздушно-влажных уело- 4,1 0,97 70,8
ВИЯХ в воде, сут 3.37 55,3
0,78 2,71 31
8 210 0,37 3,16 19,4
Результаты исследования показывают, что прн уве-
личении относительного содержания влаги в порах исход-
ного бетона уменьшается его привес в результате
пропитки, т.е. количество полимера в бетоне, и соответст-
венно увеличивается водопоглощенне образцов. Меха-
нические испытания на сжатие показали, что прочность
бетонополимера постепенно снижается с увеличением со-
держания влаги в исходном бетоне и достигает значе-
ния прочности исходного бетона в случае выдерживания
его перед пропиткой в воде в течение*8 сут (рис. 7.11).
Таким образом, изменяя исходную влажность бетона
перед его пропиткой, можно регулировать степень насы-
щения пор и капилляров по-
лимером. Полученные дан-
ные позволяют также опре-
делить остаточную влаж-
ность, до которой требуется
сушить бетой в процессе его
легирования, исходя из за-
данных свойств бетонополи-
мера.
С целью определения
влияния избыточного давле-
ния прн пропитке на меха-
нические свойства бетонопо-
лимера испытывались образ-
цы из бетона иа гранитном
щебне размером 10X10X10
см, прочностью 43,7 МПа.
влажности прн пропитке на проч-
ность бетонополимера
<0
Рис. 7.12. Влияние избыточного давления при пропитке
а — на привес мономера; б — на прочность бетонополимера
/ — без предварительной сушки; 2 —с предварительной сушкой
14* 211
Таблица 7.18 Влияние избыточного давления на свойства
бетонополнмера
Давление, МПа Показатели образцов
с предварительной сушкой без предварительной сушки
привес, % Ксж. МПа привес, % *сж, МПа
0 3 63,5 0,4 56
0,5 3,3 75 0,5 53,5
0,1 3,2 71,5 0,6 58
0,2 3,4 88 0,5 56,5
0,3 3,3 86 0,6 62
Часть образцов перед пропиткой высушивали до посто-
янной массы, другую часть пропитывали без предвари-
тельной сушки. Пропитку мономером осуществляли прн
различных условиях: при атмосферном давлении (спосо-
бом вымачивания) и при избыточном давлении в герме-
тичном контейнере 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 МПа (табл. 7.18).
Данные табл. 7.18 показывают, что избыточное дав-
ление при пропитке мономером образцов бетона без
предварительной сушки ие имеет существенного влияния
на увеличение привеса полимера в бетонополимере и со-
ответственно на его прочность при сжатии. Однако со-
держание полимера в порах и капиллярах исходного бе-
тона, перед пропиткой предварительно высушенного, зна-
чительно увеличивается, что способствует увеличению
показателей его механических свойств. На рис. 7.12, а
приведена завнснмость привеса полимера от избыточного
давления, а на рис. 7.12,6 — зависимость предела проч-
ности при сжатии бетонополнмера от избыточного дав-
ления при пропитке ММА для образцов без предвари-
тельной сушки (кривая 1) и с сушкой до постоянной мас-
сы (кривая 2).
ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА
Одновременно с определением призменной прочности
контрольных н пропитанных образцов 4x4x16 см конт-
ролировали изменение начального модуля упругости,
а также предельных деформаций.
Для замера деформаций на образцы наклеивали тен-
зометрические датчики сопротивления. Регистрировали
деформации с помощью измерителя статических дефор-
маций типа ИСД. Образцы нагружали ступенями по 0,1
212
от Rnp со сбросом нагрузки до 0,05 Rпр после каждой сту-
пени. Начиная со ступени 0,7 Rnp образцы нс разгружали
и доводили их до разрушения для определения призмен-
ной прочности.
Средние результаты определения призменной проч-
ности, модуля упругости и предельных деформаций об-
разцов различных составов приведены в табл. 7.19.
Таблица 7.19. Деформативные свойства бетонополнмера
Ветов |1 5 о Призмен- ная проч- ность, МПа Модуль упругости, МПа Предельные деформации, см
состав вид
1:2, ад-о,45 Исходный Бетонополи- мер 8,1 35 79,5 2,68-11-6 3,4-10-6 106-10-ь 210-10—®
1:3, a/£Z-0,45 Исходный Бетонополи- мер 8,6 31,3 71,9 2,48-10-6 3,8-10-в 123-10-ь 205 Ю-Б
Исходный Бстонополи- мср 5,6 29 89 2,23-10—в 3,57-10—'5 93-10—5 190-10—*
Испытания показали, что модуль упругости бетоно-
полимера при сжатии больше, чем у исходных образцов,
и зависит от привеса полимера после пропитки. В наших
исследованиях увеличение модуля упругости бетонополи-
мера составляло 30—60 %.
На рис. 7.13 представлены диаграммы «напряжения—
деформации» для обычного и пропитанного бетоиа, по-
строенные по средним результатам ряда опытов. Из диа-
грамм видно, что предел пропорциональности для бето-
нополнмерных образцов сохраняется до 0,75—0,8 Rnp,
а для исходных образцов — до 0,6 7? пр, т. е. доля пласти-
ческих деформаций у пропитанных образцов меньше, чем
у образцов обычного бетона.
И. П. Калеев исследовал зависимость деформатив-
ных свойств и прочности бетонополнмера от показате-
лей, определяющих структуру и свойства бетона: актив-
ности цемента концентрации цементного камня С и
213
Рис. 7.13. Диаграммы «напряжение —
деформация» для бетона и бетонополи-
мера
I — мелкозернистый бетон 1:3; 2 — бе-
тон на гранитном щебне; 3 — мелиозер*
нистый бетонополимер; 4 — бетонополп-
мер на гранитном щебне
ВЩяст, — установив, что эту зависимость можно описать
полиномом
3-«+я1С + в1В/Цжст+в,Нд + ЬС* + »,в/Ц«Т)*^
+ 4з + ci CV + ct ггг„ + ез BZUt %
где 3 — определенное свойство бетонополимера, например прочность
на сжатие НСж, призменная прочность Rnp, модуль деформации Л,
нижний предел трещинообразования .
В табл. 7.20 приведены коэффициенты, используемые
в расчетных формулах.
Значения предельной деформации для песчаного бе-
тонополимера и бетонополимера на гранитном щебне
совпадают. Они больше предельной деформации образ-
цов из исходного бетона примерно в 2 раза. Соответст-
венно возрастает предел трещинообразования бетонопо-
лимера и, как показали опыты с железобетонными и ар-
моцементными плитами и балками, приблизительно в
2—5 раз повышается их трещиностойкость.
Зависимость модуля упругости бетона от пористости
бетонополимера носит характер, аналогичный подобной
214
зависимости для прочности
(рис. 7.14). Ориентировочно
эта зависимость описывает-
ся формулой
Еб.„ = 59,3е~5'ип 10s.
Меняя состав и структу-
ру бетонополимера, можно
получать материалы с самы-
ми различными свойствами
(см., например, рис. 1.3).
На рнс. 7.15 показано
изменение прочности бето- й
на н бетонополимера в за- --
висимостн от пористости бе- '°,
тона. Из рисунка видно, что я
бетоиополнмер с прочностью g
100 МПа может быть полу- S
чей на основе бетона с проч- |
ностью 10—80 МПа. Для
этого необходимо провести е
соответствующее насыще- g
ние бетона мономером: в бе- «
тонах низкой прочности со- |
держание полимера должно g
быть больше, чем прн про- й
питке более прочных бето- о
нов. Из-за различия струк- "
туры и разного соотношения „
полимера и силикатной со- и
ставляюшей при одинаковой “
прочности бетонополимеры «
на основе различных бето- £
нов имеют разный модуль
деформации (рис. 7.16).
Сравнение рис, 7.6 и 7.16
подтверждает, что бстонопо-
лнмеры одинаковой прочно-
сти могут иметь различную
Деформативность. Эта осо-
бенность бетонополимеров
открывает новые широкие
возможности в создании
прогрессивных строительных
конструкций.
21 s
Структура бетонополимера по сравнению с исходным
бетоном отличается водонепроницаемостью, более высо-
кой плотностью и внутренней связанностью. Все это
должно способствовать значительному уменьшению де-
формаций ползучести и усадки, которые в значительной
мере связаны с изменениями влажностного состояния
материала и его поровой структурой.
Наши первые опыты в этом направлении показали,
что ползучесть и усадка бетонополимера в несколько раз
меньше, чем бетона, а в некоторых случаях наблюдается
отрицательная усадка, т. е. некоторое увеличение объема
материала. Это может быть объяснено тем, что во время
полимеризации мономер сокращается на 10—20 % (в за-
Рис. 7.15. Взаимосвязь прочности бето-
на и бетонополимера
висимостн от вида моно-
мера и используемых до-
бавок), что вызывает
усадку бетона н предва-
рительное его обжатие.
В последующем вследст-
вие релаксации напряже-
ний в полимере происхо-
дят уменьшение степени
обжатня и некоторое уве-
личение объема мате-
риала.
Однако усадка при по-
лимеризации и степень
последующих изменений
будут во многом зависеть
от прочности и деформа-
тнвности твердого скеле-
та бетона, от количест-
Рис. 7.1В. Зависимость модуля деформация бетонополимера от концентрация
цементного камня, активности цемента в (обозначения — как на
рнс. 7.6)
216
ва поглощенного мономера и режима полимериза-
ции. Чем менее прочен бетон, чем больше содержит он
мономера н чем более плавно организован режим поли-
меризации, тем значительнее будет усадка прн его про-
ведении и тем больше вероятность появления отрицатель-
ной усадки в последующем. При очень интенсивных ре-
жимах в теле бетона возможно образование газовой
фазы вследствие частичного испарения мономера, кото-
рая будет создавать внутреннее давление и препятство-
вать изменению размеров материала при обработке, а в
некоторых случаях может привести к появлению трещин
н других дефектов. В этом случае возможно уменьшение
усадки в процессе обработки н даже некоторое расши-
рение образцов. Однако при этом снижается их проч-
ность.
Прн одинаковых режимах значительное влияние на
усадку будут оказывать структуры и состав бетона, ко-
торые предопределяют структуру порового пространства,
прочность и деформатнвность скелета и качество и осо-
бенности пропитки.
Были поставлены опыты ’, в которых определяли усад-
ку н ползучесть бетонополимеров, полученных на основе
мелкозернистого, обычного и силикатного бетонов а так-
же влияние на эти характеристики различных техноло-
гических факторов (прочности исходного бетона, привеса
полимера, способа полимеризации н др.). Всего было ис-
пытано 12 серий образцов (табл. 7.21)- серия 1 была
контрольной из мелкозернистого бетона состава 1:2с
прочностью на сжатие около 30 МПа; серия 2— тот же
бетон, пропитанный метилметакрилатом с термокатали-
тнческой полимеризацией (прнвесполимера около 7,5 %);
серия 3 — мелкозернистый бетонополимер на основе ме
нее прочного бетона марки М 150 (более высокое ВЩ)
с привесом полимера также около 7,5 %; серия 4 — бе-
тонополимер на основе бетона с прочностью 25 МПа и
более глубокой пропиткой (привес полимера 8,5 %); се-
рия 5 — бетонополимер на основе обычного бетона мар-
ки М 300 на гранитном щебне с предельной крупностью
Ю мм, при прнвесе мономера около 8 %; серия 6 была
изготовлена аналогично серин 4, однако испытывалась на
ползучесть при степени загружения 0,5 7?„р. в то время
как все остальные серии испытывались при нагрузке,
1 Работа выполнена автором совместно с В. И. Скатынским я
Ю. В. Крумелисом.
217
Таблица 7.21. Результаты кратковременных испытаний
опытных образцов
1 о £ Начало испы- тания Окончание испытания (через 360 сут) **ср 'пр-”-»
i а о? и образцы для ис- следования усадки образцы для ис- следования пол- зучести
Я пр модуль упругос- ти, МПа ^пр модуль упругос- ти, МПа
1 30,3 2,07 31,5 97,3 2,08 33 2,16 0,2 235
2 85 3,07 3,13 91,7 3,03 0,21 335
3 75,6 2,98 74 3,19 74 2,85 0,17 321
4 100 3,03 103 3,33 105 3,15 0,18 348
5 89 3,57 96,5 3,57 98,5 3,46 0,24 380
6 99 3,12 108,5 3,63 103 3,41 0,21 372
7 88,3 3,06 189,5 3,12 87,8 3,09 0,19 349
8 13,1 3,51 132 3,41 123 3,67 0,23 351
9 97,5 3,12 73,5 3,05 76 3,05 0,2 345
10 85,3 3,04 96,7 3,1 116 3,29 0,18 371
11 102 3,37 106,5 3,47 113,5 3,46 0,18 365
12 38.7 2,3 41,6 1,96 42 2,2 0,18 238
равной 0,3 /?пр; серия 7 была приготовлена иа основе то-
го же бетона, как и серия 4, однако пропитывалась толь-
ко с поверхности на глубину около 1—1,2 см (привес по-
лимера в зоне пропитки около 7—7,5 %); серия 8 отли-
чалась более высокой прочностью бетонополнмера за
счет применения более оптимальной технологии обработ-
ки (бетон, как в серии 4); серия 9 — бетонополимер, как
в серии 4, но испытания проводились в водной среде;
серия 10 — бетонополимер, приготовленный нз мелкозер-
нистого бетоиа марки М 300 (как в серии 2), ио с радиа-
ционной полимеризацией (привес полимера около 9 %),
а все остальные серии изготовлены прн термокаталити-
ческой полимеризации; серия 11—силикатный бетоно-
полимер, приготовленный иа основе мелкозернистого си-
ликатного бетоиа марки М 400 при привесе полимера
13,5 %; серия 12 — контрольный мелкозернистый сили-
катный бетон прн содержании активной СаО 7 % и мо-
лотого песка 10 % (запаривание в автоклаве при
0,8 МПа по режиму 3—8—3 ч).
Между опорными плитами пресса н опорными граня-
ми образцов помешали стальные пластины толшиной
40 мм. Центрировали образцы прн нагрузке ст=0,1—
218
015/?w Деформации при кратковременных испытаниях
замеряли по четырем граням электротензодатчиками с
базой 20 мм, наклеенными в средней части образца. Для
определения модуля упругости после центрирования
призмы трижды обжимали усилием 0,2 R„f, после чего
образец нагружали до разрушения. Нагрузку приклады-
вали ступенями, равными 0,1 R„f. Результаты испытаний
приведены в табл. 7.21.
Для исследования ползучести опытные образцы за-
гружали в пружинные установки, в которых усилие сжа-
тия создавалось с помощью тарированных пружин. Для
равномерной передачи нагрузки на образец также ис-
пользовали опорные плнткн толщиной 40 мм. Деформа-
ции измеряли микроиндикаторами с ценой деления
0.001 мм, установленными на двух противоположных гра-
нях образца. База замера составляла 80 мм. Перед за-
грузкой образцы центрировали при напряжении 0.1/?„р.
После этого призмы загружали до заданного уровня на-
пряжений. Параллельно с образцами для исследования
ползучести под наблюдение ставили образцы для опре-
деления усадочных деформаций.
Каждая опытная серия состояла нз двух-трех образ-
цов для определения усадочных деформаций и двух-трех
образцов для исследования деформаций ползучести. Пос-
ле разгрузки образцы для исследования усадки и пол-
зучести были испытаны кратковременным нагружением
до разрушения.
Результаты испытания образцов на ползучесть и усад-
ку представлены в табл. 7.22 и на рис. 7.17—7.19.
Таблица 7.22. Деформации усадки и ползучести опытных серий
№ серии Усадка (еусал‘10** Мера ползучести С(т) 10“7, сы’/кг
средняя
1 —13,5 32,5 33,2
2 —10,6 9,3 9,6
3 -12,5 10,1 10,4
4 —17,5 11,3 12
5 —10,5 6,7 7,1
6 —9,4 6,8 6,9
7 —18,9 15,1 17,5
8 —5,1 7,8 8,6
9 -29,5 10,2 10,9
10 —12,9 10,1 10,4
11 -9,2 7,6 7,6
12 -3 25,5 31,6
219
Результаты испытаний прочностных характеристик
показывают, что после обработки прочность обычного
бетона возросла от 2,5 до 4,3 раза, а силикатного — в 2,6
раза. Увеличился и модуль упругости, но в меньшей сте-
пени— примерно в 1,5 раза. За время исследований
(360 сут) прочностные н деформативные характеристики
бетонов, исследуемых в обычных условиях, фактически
не изменились. Анализ результатов испытаний тех серий,
в которых отмечено увеличение прочности к концу экс-
перимента, свидетельствует, что это явление вызвано
разбросом испытаний отдельных образцов. Следует от-
метить, что для ряда серий характерен заметный раз-
брос прочности отдельных образцов, поэтому, как пра-
вило, учитывались все результаты испытаний.
Длительное нагружение не оказало влияния на проч-
ностные н деформативные характеристики бетонов; лишь
прочность бетонных образцов, загружавшихся в водной
среде, была ниже примерно на 25 %.
Модуль упругости бетона образцов этой серии фак-
тически не изменился.
Максимальные деформации (см. табл. 7.21), которые
с некоторой условностью можно рассматривать как пре-
дельную сжимаемость бетонополнмеров, изменяются
для различных бетонов от 2,35-10~5 до 4,24-10~3 в зави-
симости в основном от прочности бетонополимера.
Следует обратить внимание на влияние крупного за-
полнителя, которое выделяет серию 5 нз группы серий
220
S)
Рис. 7.18. Мера ползучести бетонных и бетонополимерных образцов
а —серий 1, 2, 11, 12; б—ерий 3—10
221
с одинаковой прочностью. Серия 5 имеет ^ольший мо-
дуль упругости, наибольшее р, большую епРС/'
Из рис. 7.17 видно, что через 20 сут с нача'
ла испытания у всех образцов начали раз-\ „ „ я де’
формации набухания, т. е. к моменту начал а .ытани"
усадочные деформации у образцов всех с'®*’”’1 почти
полностью проявились, в характер их Деф4 ВаНИЯ
в период испытания определялся в основном ененнем
влажности воздуха лабораторного помещений'
Результаты исследования ползучести пок*,3“вают' что
бетоны, подвергнутые обработке, имеют ,1РгкПпТеЛЬН0
меньшую ползучесть, чем обычные бетоны. ^катны 'б™
ползучести уменьшились в 3,3 раза для енл*,ь:х ®е"
тонов и в 2,1—4,8 раза для обычного цемент1° °'
Достаточно строгой связи между прочность^’ пп " „ с’
стью бетонов н1’ Росле!КН'
вается (рис, 7.2(1''
У образцов сеР«и
развитие дефор
зучестн затух1’’:' „ чеРез
360 сут с моме1,та начала
испытаний. __________
Для прог1'оанР°вани?
максимальных ^Формации
ползучести опыт|,ы д кривь,е
экстраполнруютс''_ /?яя опн,'
сання развития ЛеФ рмацнй
ползучести испо.’|ЬЗУют эа"
внсимость
С'10'7,сн/кг
150
30
70
110 Ry, МПа
Рис 7.20. Меры ползучести бетопо-
полимеров различной призменной
прочности
С(1)=С^(1-е-“П.
где С(т,— мера ползучести в момент времени т; Ct_M пРедельная
мера ползучести; а —опытный коэффициент.
Полученные значения Ст=00 приведены в т*бЛ1
Наибольшая ползучесть среди обработа,(И_ь’х оет®‘
нов отмечается у образцов с поверхностной |,JL<LnHTK2Y’
У образцов, загружавшихся в водной средь |с Рия
деформации ползучести больше, чем у сопост?вямых,0е'
тонополнмеров. Прн введении крупного запол^,1Теля ^се"
рия 5) деформации ползучести уменьшаются, то хаРак-
терно и для обычных бетонов.
Сравнение меры ползучести образцов, 33гРРкенных
усилием, равным 0,5 /?пр и 0,3 RnP, свидетельс<*ует 0 лн'
222
воздействию воды, тепла
Рис. 7.21. Зависимость иодопогло-
щения бетовополнмера от привеса
полимера
нейпом характере развития деформаций ползучести до
напряжений <т=0,5 /?пр-
Следует оговорить, что сделанные выводы носят не-
сколько условный характер, так как сравниваются бе-
тонополнмеры с различной прочностью н с различиями
□ технологии изготовления.
В других наших опытах в некоторых случаях отмече-
на положительная ползучесть, что встречалось и в опы-
тах американских исследователей [133].
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
К физическим свойствам обычно относят плотность и
среднюю плотность материала, а также показатели, оп-
ределяющие его отношение к
н электрического тока.
При пропитке обычных
тяжелых бетонов прнвес мо-
номера, как правило, не пре-
вышает 10 % прн насыще-
нии всего объема материала
и резко сокращается прн по-
верхностной пропитке. Сред-
няя плотность бетонополн-
мера увеличивается на при-
вес мономера: прн полной
пропитке тяжелого бетона
на крупном заполнителе
она возрастает на 3—5 %,
мелкозернистого бетона —
на 4—10 %. При поверхност-
ной пропитке средняя плот-
ность изменяется менее чем
на 1 % и степень ее изменения определяется глубиной
пропитки, размерами изделия, плотностью пропитываю-
щего состава.
При пропитке легких бетонов н материалов, обла-
дающих высокой пористостью, заметно увеличивается
прнвес мономеров н соответственно возрастает средняя
плотность бетонополимера. В зависимости от пористости
исходного бетона и характера обработки средняя плот-
ность может возрастать на 10—70% н более (см.
гл. 9).
Средняя плотность бетонополимера увеличивается в
намного меньшей степени, чем прочность н другие свой-
223
ства. Вследствие этого прн повышении содержания по-
лимера возрастает коэффициент конструктивного каче-
ства бетонополнмера, зависящий от структуры бетонопо-
лимера свойств полимера и ряда других факторов
В частности, в результате полной пропитки этот коэффи-
циент возрастает в 5—10 раз для обычного бетона и в
3—6 раз для легкого бетона. Это объясняется тем, что
в плотном тяжелом бетоне в большей мере проявляются
физико-химические явления, обусловливающие повыше-1
ние прочности бетоиополимеров (см. гл. 3).
Пропитка бетона мономером с его последующей по-*
димеризацией в теле бетона резко повышает плотность
материала, что способствует еннжеиню его водопогло-
щения.
Водопоглощение бетонополнмера определяли на об-
разцах различных составов и размеров. С этой целью
бетонополимерные н исходные образцы высушивали до
постоянной массы в термошкафу при 50—60 °C. Бетоно-
полнмерные образцы после сушки не изменили своей мас-
сы, что указывает на полное отсутствие в них свободной
влаги. После высушивания образцы выдерживали в во-
де в течение 10 сут. Испытания показали, что водопогло-
щенне бетонополнмера с максимальным привесом поли-
мера на основе тяжелого бетона в 5—6 раз меньше, чем
исходного бетона, и составляет менее 1 % по массе. При-
чем наблюдающееся малое водопоглощение обусловлено
в основном водопоглощением поверхностного 2—3-мм
слоя с пониженным содержанием полимера.
Прн снижении содержания полимера в порах бетона
соответственно увеличивается водопоглощение бетонопо-
лнмера. Ниже и на рис. 7.21 приведены результаты ис-
следования водопоглощения бетонополнмера изготов-
ленного нз бетона на гранитном щебне:
Привес полиме- ра, % - 0,37 0,78 3.37 4,1 4,73 5,2
Водопоглоще- ние, % по мас- се 5,63 3,16 2,71 1 ,4 0,97 0,9 0,83
В связи с очень низким водопоглощением водостой-
кость бетонополнмера приближается к единице что бла-
гоприятно сказывается на его сопротивлении различным
атмосферным факторам.
224
Данные опытов показывают, что если не требуется
получения максимальной прочности бетонополнмера и
достаточно получения марок М 1000 —М 1500, то воз-
можно заметно сократить продолжительность сутки и
затраты энергии за счет повышения остаточной влажно-
сти бетона до 1 %. В ряде случаев это даже позволяет
отказаться от сушки, так как равновесная влажность
обычного бетона и раствора колеблется прн 40%-ной
влажности воздуха от 0,6 до 1,2 % в зависимости от его
структуры и состава. С повышением влажности воздуха
равновесная влажность возрастает, составляя при
80%-ной влажности воздуха 1,2—2,2 %. С повышением
температуры равновесная влажность несколько умень-
шается. Опыты показывают, что без сушки в ряде слу-
чаев возможно получить бетонополнмеры с прочностью
в 2—4 раза выше прочности исходного бетона и высокой
долговечностью. В частности, были получены бетонопо-
лимеры с прочностью 80—140 МПа.
С повышением содержания полимера в бетоне воз-
растают его плотность н водонепроницаемость. Практи-
чески хорошо пропитанные образцы-пластннкн 10Х10Х
Х2 см сохраняли водонепроницаемость до момента нх
разрушения. Аналогичные результаты получены при ис-
пытании фрагментов бетонных труб.
Паропроницаемость и газопроницаемость бетонополи-
мера проверяли на установке, в которой одну сторону
образца подвергали воздействию пара нлн газа, а с дру-
гой стороны регнетрнровалн изменение воздушной нлн
газовой среды в процессе опыта. Испытания показали,
что прн достаточной толщине образца материал облада-
ет почти полной непроницаемостью. Поскольку это испы-
тание весьма чувствительно, то в отдельных опытах на-
блюдалось незначительное повышение газопроницаемо-
сти, что свидетельствовало о наличии микродефектов
структуры, возникших вследствие нарушений технологии.
Испытания на непроницаемость по отношению к неф-
тяным топливам и соответствующим газам подтвердили,
что прн тщательной организации обработки бетона по-
лимерами могут быть получены материалы, обладающие
высокой непроницаемостью в этих условиях.
Теплоемкость обычных бетонов колеблется в пределах
0,75—0,92 кДж/(кг-°C). Теплоемкость полимерных мате-
риалов, используемых в бетонополнмерах, 1,5—1,75
кДж/(кг-°С). Как и другие свойства, теплоемкость тя-
15—210
225
желого бетонополимера зависит от степени его насыще-
ння полимером, но изменения ее по сравнению с бетоном
очень незначительны и обычно не превышают 5—6 %.
При обычном хранении теплоемкость бетона с равновес-
ной влажностью на 10—15 % выше, чем теплоемкость
высушенного бетона. Поэтому, если сравнивать теплоем-
кость бетонополимера с теплоемкостью высушенного бе-
тона, она несколько выше, а по сравнению с теплоемко-
стью бетона нормального хранения, наоборот, несколь-
ко ниже.
Более заметным образом изменяется теплоемкость
легкого бетона при высоком содержании полимера. Сте-
пень повышения теплоемкости будет зависеть от вида
пропитывающего состава и от его относительного содер-
жания в бетоне. В некоторых опытах наблюдалось по-
вышение теплоемкости на 15—20 %.
Влияние пропнткн на теплопроводность материала
обусловлено сложным взаимодействием ряда факторов.
С одной стороны, заполнение пор мономером должно
способствовать повышению теплопроводности по срав-
нению с сухим бетоном н, наоборот, несколько умень-
шать ее по сравнению с увлажненным бетоном, так как
теплопроводность сухого бетона ориентировочно равна
1,1, теплопроводность полистирола н полнметнлметакрп-
лата 0,08—0,14, теплопроводность воздуха в порах 0,02
и теплопроводность воды 0,58 Вт/ (м °C).
С другой стороны, пропитка бетона исключает диф-
фузию жидкой н газообразной фаз в бетоне прн нагреве
и тем самым должна несколько снижать теплопровод-
ность материала.
Опыты показывают, что теплопроводность тяжелого
бетонополимера на 5—12 % выше теплопроводности су-
хого бетона и близка к теплопроводности бетона равно-
весной влажности. Степень нзменення зависит от струк-
туры материала, прнвеса мономера и его свойств. Более
заметное изменение теплопроводности отмечается у лег-
кого бетона. Характер пропитки и полимеризации прак-
тически не влияет на теплопроводность.
Поскольку нзменення теплоемкости н теплопроводно-
сти тяжелого бетона прн пропитке полимерами, особен-
но поверхностной, очень незначительны н сопоставимы с
колебаниями этих показателей у разных бетонов, целесо-
образно в теплотехнических расчетах использовать для
бетонополнмеров средние значения, установленные соот-
ветствующими нормами для бетона.
226
Прн определении пригодности пропитанных бетон
шх изделий для эксплуатации при переменных темпе-
атурах (более ннзкнх, чем температура стеклования
применяемого полимера) большое значение имеет
коэффициент температурного линейного расширения
пропитанного полимером бетона. Коэффициенты темпе-
ратурного расширения цементного бетона и полимеров
различны. Например, для бетона в среднем принимают
с:«10"5 град"1, для полиметилметакрнлата — а« 10~4
рад-1. Чтобы установить, насколько это различие может
казать влияние на температурные деформации бетона.
пропитанного полнметил-
:етакрилатом, деформации
цементного камня и раство-
ра определяли с помощью
компаратора и фотограм-
метрическим методом [101].
На рис. 7.22 наряду с ре-
зультатами испытаний для
.равнения показана усред-
ненная кривая для обычно-
го бетона. Бетонополимер-
чые материалы имеют не-
сколько больший коэффици-
ент температурного линей-
ного расширения, чем обыч-
ный бетон. Этот коэффици-
ент увеличивается с повы-
Рне. 7.22. Деформации пропитанных
полимером цементных материалов
при изменении температуры
7 —обычный бетон; 2 —пропитан-
ный цементно-песчаный раствор;
3 — пропитанный цементный камень
пением содержания полимера в материале. Так, для
цементного раствора с содержанием полнметилметакрп-
тата 7,5 % среднее значение а=15,1-10_'; град-1, а для
цементного камня (13% полимера) а=17,Ы0_6 град-1.
Таким образом, при насыщении бетона полимером,
обладающим сравнительно бблыпим коэффициентом лн-
ейного расширения, температурные деформации пропи-
танных бетонов по сравнению с обычным цементным бе-
тоном увеличиваются. Это повышение незначительно н не
может отрицательно сказаться на надежности бетонопо-
лнмерных изделий н конструкций. Температурные де-
формации бетонополимеров измеряли также на дилато-
метрической установке, с помощью которой можно оп-
ределить термическое расширение материалов в сухом,
воздушно-сухом н водонасышенном состоянии в интер-
вале температур от 100 до —100 °C.
15*
227
Температурные деформации исследовали в диапазо-
не от 20 до —60°C одновременно иа двух дилатометрах.
Температуру измеряли медь-констаитановой термопарой
с низкоомным потенциометром и мультифлекс-гальвано-
метром. Термопару предварительно градуировали по
платиновому термометру сопротнвлеиня.
Измерения проводили в статическом режиме. Опыты
проводили таким образом, что конечная температура
предыдущего измерения являлась начальной температу-
рой поел едуюшего.
Средний температурный коэффициент удлинения в
температурном интервале Tn+Tn-i вычисляли по фор-
муле
_ А'т. — Ып—1 I
' Тд-Тл-J („ ’
где Tn-i — начальная температура-, Тя — конечная температура;
Д1п, Д/n-i — абсолютное удлинение образца при указанной темпера-
туре; /о — длина образна при комнатной температуре.
Тепловое расширение исследовали на образцах раз-
мером до 15 мм, выпиленных нз балочек 4X4X16 см и
кубов 5X5X5 см.
Для изготовления образцов были применены порт-
ландцемент Белгородского завода марки 400, речной
кварцевый песок с модулем крупности 2,5 и водопотреб-
ностью 7 %, щебень гранитный Питкяранского карьера
водопотребностью 3,5 %, фракции 5—10 мм.
Таблица 7.23. Зависимость КЛТР от температуры (а-10-®)
Материал Температура, “С
10 0 -10 -20 -30 —40 —50 -60
Цементный 14,4 13,3 12,4 11,5 11,1 10,8 10,6 10,4
камень 15,6 15 14,3 13,8 13,4 13,1 12,9 12,4
Раствор 10,5 9,6 9 8,5 8,1 7,9 7,8 7,7
11,6 11,1 10,5 10 9,5 9 8,7 8,6
Бетон 8,6 8,1 7,6 7,1 6,6 6,6 6,9 6,3
9,9 9,3 8,8 8,1 7,6 7,2 7,4
ПММА 88 88 85 75 65 66 74
Примечание. Над чертой — значения для исходных материа-
лов, дод чертой — для модифицированных полимерами.
228
После 28 сут твердения в нормальных условиях об-
разцы высушивали до постоянной массы прн ПО—140 °C,
а затем вакуумировали в течение 30 мин прн остаточ-
ном давлении 133,3—1333 Па с последующей пропиткой
метилметакрилатом до предельного насыщения прн ат-
мосферном давлении. Полимеризацию мономера в бето-
не осуществляли радиационным способом прн дозе об-
лучения до 2 Мрад.
В табл. 7.23 приведены КЛТР полнметилметакрилата
(ПММА), цементного камня, раствора и бетона, приго-
товленных из равноподвнжных смесей, а также цемент-
ного камня, раствора и бетона, легированных ПММА.
Измерение теплового расширения ПММА показало,
что КЛТР образцов в диапазоне температур от 10 до
—10°C имеет постоянный характер н составляет 88Х
Х10~6 град-1, что почти на порядок больше КЛТР це-
ментного камня 13,3-10~6 н раствора 9,6-10~6. В диапа-
зоне температур от —20 до —60 °C имеется небольшая
аномалия КЛТР.
После пропитки цементного камня, раствора н бето-
на метилметакрилатом значение КЛТР увеличивается.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
К числу определявшихся диэлектрических свойств бе-
тонополимера относились пробивное напряжение при
переменном (50 Гц) токе, удельное объемное и поверх-
ностное электрическое сопротивление и тангенс угла ди-
электрических потерь.
Диэлектрические свойства бетонополнмера исследо-
вали на образцах-плитках 10X10X2 см. Так как элек-
трическая прочность бетона зависит от размера и числа
пор, структурную пористость исходного мелкозернистого
бетона и бетонополнмера определяли методом ртутной
порометрии под давлением 0,02—260 МПа. Испытания
показали, что в бетонополимере пористость уменьшается
в несколько раз: приведенный радиус пор составляет ме-
нее 300 А, в то время как у исходного бетона он равен
0,2—0,3 мкм.
Удельное электрическое сопротивление измеряли на
трехэлектродной схеме с использованием накладных
электродов, размеры которых соответствовали требова-
ниям ГОСТов. Замеры выполняли на тераоммет-
ре Е6-3. На каждую точку исследуемой зависимости де-
лали по 5 замеров.
229
Изменение тангенса угла диэлектрических потерь вы-
полняли по трехэлектродной схеме с применением не-
стандартных накладных электродов, поскольку емкость
испытуемых образцов меньше, чем требуется по техниче-
ским данным высоковольтного моста Р-525. Тангенс угла
диэлектрических потерь определяли как среднее нз пяти
замеров на разных образцах.
Пробивное напряжение при переменном токе (50 Гц)
изучали в резко неравномерном поле электродов «ост-
рие — плоскость». Во избежание перекрытия по поверх-
ности испытания проводили в трансформаторном масле.
В качестве источника высокого напряжения переменного
тока использовали стандартную установку АМТИ-60
мощностью 2 кВт (максимальное испытательное напря-
жение 60 кВдейств). Для определения пробивного напря-
жения испытывали 12—14 образцов.
Данные испытаний образцов бетонополимера, нахо-
дящихся длительное время в воздушно-сухих условиях,
приведены в табл. 7.24. В этой же таблице для сравне-
Таблица 7.24. Электротехнические свойства бетонов
и бетоиополимеров
Показатель Исходный бетон Ветоно- полимер Электроизоля- ционный бетон
Пробивное напряжение при пе-
ременном (50 Гц) токе в слое
толщиной 1 см, кВ
Удельное электрическое сопро-
тивление:
объемное, Ом-см
поверхностное, Ом
Тангенс угла диэлектрических
потерь
2,5—5 50 40—4G
Ю4—10’ 0,45—0,5 0,05 01* Qi* 0,02-0,06
ния приведены также диэлектрические свойства исход-
ного бетона и электроизоляционного бетона, разработан-
ного СнбНИИЭ.
Как видно из табл. 7.24, диэлектрические свойства
бетонополимера имеют такие же абсолютные значения,
как и для электроизоляционного песчаного бетона, раз-
работанного в Сибирском НИИ энергетики. Последний
подвергают сушке н стабилизирующей пропитке петро-
латумом, что обеспечивает устойчивость диэлектриче-
ских показателей в различных влажностных условиях.
Кроме диэлектрических характеристик бетонополиме-
ра в воздушио-сухнх условиях было определено влияние
230
степени влажности окружающей среды на изменение его
электроизоляционных свойств. Для этого характеристи-
ки образцов снимали после сушки до постоянной массы,
затем после выдержки в воздушно-сухих условиях — воз-
душно-влажных, в воде и вновь в воздушио-сухнх. Изме-
рения показали, что благодаря весьма низкой водопо-
глощаемостн образцов пробивное напряжение бетонопо-
лнмера, которое очень чувствительно к влажности
материала, осталось на прежнем уровне.
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
Долговечность материалов обычно оценивают по его
морозостойкости, а в условиях сухого и жаркого клима-
та — по коэффициенту стойкости, отражающему измене-
ние прочности или других свойств в процессе поперемен-
ного увлажнения и высушивания прн 50—70 °C.
Испытания образцов бетона и бетонополимера пока-
зали, что вследствие повышения плотности и водонепро-
ницаемости бетона в результате пропнткн полимером в
несколько раз возрастает его морозостойкость. По су-
ществу пропитка исключает разрушающее воздействие
на структуру бетона давления льда и гидравлического
давления воды, Отжимаемой в замкнутые мнкропоры.
Отрицательное влияние напряжений, возникающих от
разности коэффициентов температурного расширения со-
ставляющих материала, уменьшается вследствие лучше-
го сопротивления структуры бетонополимера растяги-
вающим напряжениям.
В результате, как показали опыты, морозостойкость
бетонополимера может превышать 5000 циклов. Подоб-
ные же результаты получены американскими исследова-
телями [133].
Однако степень повышения морозостойкости будет за-
висеть от структуры и свойств исходного бетона, степени
его пропитки полимером и режима обработки. Для со-
кращения продолжительности испытаний образцы за-
мораживали прн —50 °C, а также в растворе хлористого
натрия.
Опыты показали, что после замораживания прн
—50 °C заметно снижается морозостойкость бетона:
в разных опытах — в 2—3 раза. Для образцов бетонопо-
лнмера при продолжительности испытаний до 300 циклов
влияние температуры не проявилось: образцы не имели
231
каких-либо признаков начала разрушения, в то время
как образцы исходного бетона практически потеряли свы-
ше 50 % прочности после 240 циклов испытания (в этнх
опытах использовались составы бетонов ограниченной
морозостойкости).
Для сравнения бетонов высокой морозостойкости и
бетонополимеров на их основе была использована мето-
дика замораживания н оттаивания в 10%-ном растворе
хлористого натрия. Обычные бетоны с морозостойкостью
200—300 циклов прн замораживании в растворе разру-
шались через 5—20 циклов. Бетоны с морозостойкостью
свыше 500 циклов разрушались через 20—40 циклов. Бе-
тоиополимеры иа основе обычных бетонов и бетонов
повышенной морозостойкости выдержали до 200 цик-
лов испытания без каких-
либо признаков разруше-
ния и изменения прочно-
сти.
Однако неверно вы-
бранные режимы обра-
ботки, вызывающие по-
явление мнкродефектов
структуры бетонополнме-
ра, могут привести к за-
метному снижению моро-
зостойкости материала.
Вследствие этого в от-
дельных опытах наблю-
далось лишь незначитель-
ное повышение морозо-
стойкости — на 20—40 %.
Рис. 7.28. Морозостойкость бетона и бе-
тонополнмера
1 — контрольный бетон; 2 — бетонопо-
лимер с 3,9 % стирола; 3— бетонополи-
мер с 6,7 % метилметакрилата
WOOMn> J,UK/lbl
Рис. 7.24. Морозостойкость бетоно-
полнмеров на различных полимерах
при радиационной (Р) и термоката-
литической (Т) полимеризации
I — контрольный бетон; 3 — 6,2 %
хлорстирола (Р); 3 — 6,1 % акрило-
нитрила (Р); 4 — 4,9% стирола
(Р); 5 — 4,6% стирола (Т); б —
6,9 % метилметакрилата (Р); 7 —
6,2 % смеси 90 % метилметакрилата
и 10% ТМРТМА (Р); 8-6,5%
хлорстирола (Т); 9 — 6,6 % акрило-
нитрила (Т); 70 — 6,9% метилмета-
крилата (Т); // — 7.1% смеси 90 %
метилметакрилатач-10 % ТМРТМА.
(Т)
Если в процессе пропитки н полимеризации мономер из
поверхностных слоев испарится, то морозостойкость
образцов несколько снижается за счет шелушения по-
верхностных слоев материала. Внутренние части образ-
ца сохраняют свои свойства в той же мере, что н пол-
ностью пропитанные бетонополнмерные образцы.
Наблюдается некоторое снижение морозостойкости
бетонополимеров прн применении слабых заполнителей,
например из известняка, и снижении содержания поли-
мера в бетоне. По американским данным [133], приме-
нение стирола с одновременным уменьшением привеса
полимера привело к некоторому снижению морозостой-
кости бетонополимера (рис. 7.23).
На рнс, 7.24 показана зависимость морозостойкости
бетонополимера от вида полимера и способа полимери-
зации [133]. Во всех случаях после пропитки полимером
морозостойкость бетона повысилась, однако степень
повышения морозостойкости зависела от вида поли-
мера н способа полимеризации: после радиационной
обработки морозостойкость бетонополимеров несколько
меньшая.
Если необходимо повысить не механическую проч-
ность изделий, а только морозостойкость, то можно огра-
ничиться поверхностной пропиткой бетона на глубину
10—40 мм. Сравнительные испытания в растворе хлорис-
того натрия образцов с поверхностной и полной пропит-
кой не выявили какого-либо различия: те и другие вы-
держали 200 циклов испытаний без признаков разру-
шения.
Представляет интерес оценка влияния на долговеч-
ность бетонополимера напряжений, возникающих из-за
разности коэффициентов температурного расширения.
На основе измеренных на дилатометре значений этих ко-
эффициентов В. В. Ворониным н Л. А. Алимовым были
подсчитаны возможные максимальные напряжения по
упругой стадии работы материала, без учета явлений ре-
лаксации. Расчеты показали, что вероятность появления
трещин в бетонополимере по сравнению с бетоном умень-
шается приблизительно в 3 раза, а для возникновения
микротрещины в этих условиях необходима разность
температур более чем 80 °C, что практически не встре-
чается в практике строительства.
Для изучения влияния циклического нагревания н
охлаждения на свойства бетонополимера были изготов-
233.
лены образцы нз раствора: 1 : 1 прн ЙЩ=0,45; 1 : 3 при
В/Ц=0А5; 1 : 4 прн В/Ц=0,5-, 1 : 5 при В/Ц=0,5.
Для получения бетонополнмерных образцов полови-
на образцов-балочек 4X4X16 см была обработана по
следующему режиму: сушка до постоянной массы при
130 °C; вакуумирование прн остаточном давлении 2 кПа
в течение 20 мни; пропитка метилметакрилатом с гидро-
хиноном при атмосферном давлении в течение 1 ч и ра-
диационная полимеризация при дозе радиации 3 Мрад.
Прнвес мономера составил: для образцов нз раствора
1:1—9,2%; 1:3-9,8%; 1:4 —8,8%; 1:5 —9,1%.
Часть балочек всех составов (пропитанных н конт-
рольных) проходила циклическое высушивание в термо-
шкафу и охлаждение на воздухе (режим 1) или в воде
(режим 2). Выдерживание в сушильном шкафу при
50—70 °C продолжалось 6 ч, что обеспечивало глубокий
н полный прогрев образцов, а охлаждение на воздухе
или в воде—18 ч. Продолжительность испытания со-
ставила 110 циклов. Выбранные режимы как бы моде-
лировали воздействие на материал условий жаркого
климата. Результаты опытов представлены в табл. 7.25.
КОРРОЗИОННАЯ
стойкость
Скорость и полнота про-
цессов коррозии в основном
контролируются диффузней
(см. гл. 2). В связи с малой
диффузионной проницаемо-
стью пропитанных бетонов
их стойкость в сульфатных,
магнезиальных, щелочных и
солевых средах весьма вы-
сока. В этом отношении са-
мые плотные цементные бе-
тоны не могут конкурировать
с бетонами, пропитанными
полимерами.
На большинство полиме-
ров акрилового и винилового
рядов вода, щелочи, водные
растворы неорганических
солей н большинство раз-
бавленных кислот, за ис-
ключением фтористоводо-
Рис. 7.25. Сульфатоетойкость ии--
прегннровапных бетонов
1 — бетон, пропитанный полиметил-
метакрилатом; 2 — бетон, пропитан-
ный полистиролом; 3 — контроль-
ный бетоп
235
родной, не оказывают вредного воздействия. Однако
концеитрнрованные кислоты (серная, соляная, азотная)
разрушают их.
Стойкость бетона, пропитанного полистиролом и по-
лнметилметакрнлатом, в сульфатной среде, соответству.
ющей сильноагрессивной (более 2300 мг/л), по данным
[133] показана на рис. 7.25. Для бетонов, пропитанных
полиметилметакрилатом, в сульфатной среде характер-
на небольшая усадка (см. рис. 7.25). В дальнейшем (до
720 сут) бетоны, пропитанные полистиролом и полнме-
тнлметакрилатом, не изменяют линейных размеров и не
теряют прочности. Контрольный бетон разрушается на
90-е сутки испытания.
Бетон, пропитанный полистиролом, испытывали нь
соле- и щелочестойкость [134] (табл. 7.26).
Несмотря на жесткие условия испытания, свойства
пропитанных образцов не изменились: высокая стойкость
в солевой н щелочной среде с сильной степенью агрес-
сивности сохранилась. Обычные же цементные бетоны
и растворы в результате воздействия агрессивной среды
в течение 90 сут потеряли 40—50 % прочности на изгиб.
Для исследования коррозионной стойкости бетонопо- '
лимеров в других жидких агрессивных средах был ис-
пользован высокопрочный раствор состава 1 :2 прн
В/Д=0,32, пропитанный метилметакрилатом с последую-
Таблица 7.26. Результаты коррозионных испытаний
Образец Яи. До испытания, МПа Показатели образцов после испытания в течение
90 сут в 20 %-нои растворе NH4NOa 90 сут в 40 %-ном растворе ЛГаОН
Е S ) % -лвиу ЭИНЭИЭ1ЧЕН 1 I1 1* и з h i & а? §33 <U Я и изменение массы, %
Из раствора 1:3: непропитан- 40 20 -50 -5,8 23 -42,5 1.6
ный пропитанный 94 98 +4,2 +1,3 95 +1 +5
Из бетона 1:2:4 непропитан- 33 19 -42,4 -6,3 17 —48,5 -3,5
ный пропитанный 89 92 +3,3 +0,2 85 -4,5 +3,1
236
Таблица 7.27. Стойкость бетоиополимера в агрессивных
средах
Водные растворы Прочность образцов, МПа, прн длитель- ности испытания, сут
30 360
^изг лсж яизг
NasSOt, С =12200 мг/л 31 74 33 75
MgCI2, С=5040 мг/л 34 94 36 95
NaOH, С= 150 мг/л 31 87 30 89
MgSOi, С=70 мг/л 33 91 34 94
щим его отверждением в порах бетона термокаталитиче-
ским способом (табл. 7.27).
Данные табл. 7.27 подтверждают, что в сульфатных,
магнезиальных, солевых н щелочных средах пропитан-
ные образцы не обнаруживают признаков разрушения,
что подтверждается также их осмотром и измерением pH
вытяжек из бетона. Поэтому поверхностную пропитку
бетона в данном случае следует признать весьма эффек-
тивным средством защиты конструкций от коррозии.
В процессе кислотной коррозии роль днффузнн сквозь
поровое пространство материала падает, фронт разру-
шения проходит через компоненты бетоиа — цементный
камень и заполнители. Поэтому тонкие прослойки поли-
мера в структуре материала хотя к замедляют процесс
коррозии, но не могут его предотвратить.
На рис. 7.26 приведены результаты испытания бето-
на, пропитанного полнметилметакрилатом в 15%-ной
НС1 [133]. Кнслотостойкость пропитанных полимерами
бетонов значительно выше, чем обычных. После испыта-
ний в ряде случаев они сохраняют удовлетворительный
внешний внд н определенную прочность, в то время как
обычные бетоны полностью разрушаются. Однако после
7 сут выдерживания в 20%-ном растворе НС1 пропитан-
ные образцы теряют 20—40 % прочности на изгиб и
3—6 % массы. Д. А, Угинчусом и автором цементный
бетон, пропитанный полнметилметакрилатом, испыты-
вался в растворах кислот в течение 360 сут (рис. 7.27).
При повышении рН^4,5 коррозии бетонополнмера в
жидких средах не наблюдалось.
Опыты показали, что бетон, обработанный полиме-
тнлметакрилатом, может эксплуатироваться без допол-
нительной защиты в жидких средах с рН^4,5, а также
237
обладает высокой стойкостью по отношению к агрессив-
ным газовым средам.
Степень повышения коррозионной стойкости опреде-
ляется составом исходного бетона н свойствами пропи-
точного компонента. Для достижения максимальной
стойкости необходимо применять более стойкие в данных
средах цементы, заполнители и пропиточные составы.
Следует также учитывать, что применение доброкачест-
венной пропитки еще не может обеспечить высокой кор-
розионной стойкости бетона, если используются нестой-
Рис. 7.28, Кислотостойкость бетона,
пропитанного полнметилметакрнлатом
7 — пропитанный бетон; 2 — контроль-
ный бетон
Эффективным средством
кие заполнители, напри-
мер из карбонатных по-
род при кислотной агрес-
син, так как в этом слу-
чае происходит постепен-
ное разрушение материа-
ла по заполнителю, хотя
интенсивность процесса
коррозии благодаря про-
питке резко замедляется
и относительная долговеч-
ность материала в агрес-
сивной среде возрастает.
Использование стойких
заполнителей в сочетании
с пропиткой способствует
получению материалов
особо высокой коррозион-
ной стойкости.
повышения стойкости бето-
на к коррозии является пропитка поверхностных слоев
бетона жидкими полимерными материалами с последу-
Таблица 7.28. Влияние глубины пропитки на стойкость
бетонополимера в среде HjSO*
Потерн массы G. %, и прочности 2?иаг, %, образцов при
Глубина пропитки, мм длительности испытания, сут
30 90 180
G яизг ° | «ИГ
Разрушились
28 25
21 17
23 14
43
33
31
49
35
29
238
рис. 7.27. Изменение проч-
ности бетонополимера в кис-
лых средах
1 — водный раствор НС1,
-Н-3; 2 — раствор HjSO»,
рН™2; 3 — раствор HjSO»,
рН"1. 4 — раствор HNOj,
рН"2; 6 — раствор HNOj,
•ощпм нх отверждением в теле бетона. При этом проис-
ходит кольматация пор н капилляров поверхностного
слоя, бетон становится практически не проницаемым
для агрессивных сред, что резко повышает его коррози-
онную стойкость. В процессе поверхностной обработки
изделий в этом случае резко повышается коррозионная
стойкость изделий н конструкций прн сравнительно не-
большом расходе пропиточного состава (2—3 кг/м2).
Защитный слой при этом обладает высокой прочностью
и практически не повреждается в процессе транспорти-
ровки и эксплуатации.
В табл. 7.28 показана зависимость коррозионной
стойкости бетона от глубины пропнткн. Испытывали об-
разцы из раствора 1 : 2 прн В/Ц=0,32 в среде H2SO4 прн
рН=2 как достаточно агрессивной по отношению к дан-
ному бетонополнмеру. При очень малой глубине пропнт-
кн на поверхности остаются отдельные проницаемые мес-
та, через которые агрессивная жидкость может прони-
кать в глубь бетона н вызывать его разрушения. Возмож-
ность наличия таких мест прн малой глубине пропитки
обусловлена массопереносом н усадкой полимера при
его отверждении в теле бетона. Для повышения коррози-
онной стойкости в этом случае целесообразно сочетать
пропитку бетона с его поверхностной защитной окраской.
С увеличением глубины пропнткн возрастают плот-
239
ность защитного слоя н стойкость материала к воздей-
ствию агрессивных сред. Увеличение толщины пропитки
до 10 мм и более практически не повышает коррозион-
ной стойкости бетона, так как материал ведет себя так
же, как прн полной пропитке, что свидетельствует о вы-
сокой плотности и надежности защитного слоя.
Пропитка полимерами резко повышает прочность бе
тона, п, в частности, на растяжение и изгиб. Например,
пропитка метилметакрилатом с его последующим отверж
дением в теле бетона увеличивает прочность на изгиб ди
25—30 вместо 4—G МПа у непропитанного бетона, а
прочность прн растяжении достигает 10—28 МПа. Уве
личенне прочности на разрыв существенно повышает!
сопротивление бетона внутренним напряжениям, возни
кающим в процессе эксплуатации, что способствует по
вышенню долговечности конструкции.
Как показали опыты, деформации бетона с поверх-
ностной пропиткой в кислых средах под нагрузкой I
значительно меньше, чем у обычного бетона, а срок I
службы в несколько раз больше.
В сульфатных, магнезиальных, солевых и щелочных
средах бетонополимер под нагрузкой практически не
обнаруживает признаков деструкции.
Беизиностойкость бетонополнмерных материалов
также достаточно высока: изменение массы образцов за
6 мес пребывания в бензине составило 0,6—0,8%.
Бетонополнмерные материалы нс теряют плотности
и механической прочности после длительного пребывания
в горячей дистиллированной воде и горячих рассолах I
(120 сут при 97—115°C). Для обычного цементного бе- |
тона такие условия эксплуатации неприемлемы.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
В этом параграфе рассмотрены некоторые специаль-
ные свойства бетонополнмера: износостойкость, сопро-
тивление ударным нагрузкам, твердость, динамическая
прочность, огнестойкость и сопротивление термодина-
мическому воздействию.
Стойкость бетонов к истиранию определяли на об-
разцах-цилиндрах внешним диаметром 42 н внутренним
5 см, высотой 12,5 см, испытывая нх вращением в гра-
вийной массе со скоростью 10 м/с. Прн этом потеря
массы исходного бетона составила 2,4, а бетонополнме-
240
pa — 0,34 кг/ч, что показывает, что износостойкость бе-
тонополимера выше износостойкости исходного бетона
более чем в 7 раз.
Кавитационная стойкость бетонополимера выше, чем
исходного бетона, более чем в 20 раз. Исследования про-
водили на образцах 7x7X15 см. Кавитацию возбуждали
в рабочей камере проточного стенда за цилиндром
диаметром 2 см, высотой 2,5 см, установленным в об-
разце. При этом зона кавитации составила 6 см при
скорости потока 36 м/с. Стойкость к кавитации исход-
ного бетона оказалась равной 12,6, а бетонополимера —
0,58 г/ч [79].
Автор совместно с О. В. Кунцевичем проводил ка-
витационные испытания бетона на чнстоклинкерном
цементе 500 состава 1 : 2,64-.4,74 прн В/Ц=0,55 с добав-
кой ГКЖ=94 0,1 % и с поверхностной пропиткой
метилметакрилатом. Прочность контрольного бетона
была равна 39,7 МПа. Средняя скорость эрозии у обыч-
ного бетона оказалась равной 1,57 см’/ч, у образцов с
поверхностной пропиткой 0,21 см’/ч. При испытании бе-
тона состава 1 : 3,63: 6,52 при В1Ц=0,1 прочность конт-
рольного бетона была 26,3 МПа, бетона с поверхностной
пропиткой 36,1 МПа, а скорость эрозии соответственно
3,3 и 0,06 см5/ч.
Как и другие свойства, износостойкость бетона оп-
ределяется структурой бетона, свойствами его составля-
ющих, видом пропитыва-
ющего состава и глубиной
пропитки. Более подроб-
но эти вопросы рассмот-
рены в гл. 9.
Сравнительные испы-
тания по определению
сопротивляемости удар-
ным нагрузкам исходно-
го бетона н бетонополн-
мера проводили на маят-
Таблица 7.29. Сопротивление
бетона и бетонополимера удару
Температура Работа при разру» шении, Н ем. образцов
испытании, °C исходных бетокопо- лимериых
20 3600 4170
70 3590 3590
100 3450 3400
200 3100 3000
ннковом копре, испыты-
вая цементно-песчаные образцы 4X4X16 см. Ударную
нагрузку передавали на центр образца (при расстоянии
между опорами 12 см) маятником копра с запасом энер-
гии 300 Н-м. Средние результаты испытаний, выражен-
ные в относительной работе, затраченной на разрушение
образцов, приведены в табл. 7.29.
16-210
241
Данные табл. 7. 29 показывают, что ударная проч-
ность бетонополнмера при 20°C на 15—20 % превышает
ударную прочность исходного бетона. Прн повышенных
температурах в результате значительного снижения
механических свойств бетонополнмера его сопротивле-
ние ударной нагрузке становится одинаковым с сопро-
тивлением исходного бетона.
По способности материала сопротивляться проника-
нию в него постороннего более твердого тела, называе-
мой твердостью, можно косвенно судить о его прочност-
ных свойствах, стойкости к нстиранню н т. д. Относи-
тельная поверхностная твердость исходного бетона и
бетонополимера была определена на половниках «вось-
мерок» после разрыва на прессе Бринелля прн диаметре
шарика 10 мм. При сосредоточенной нагрузке 1837,5 Н
исходные образцы разрушились. От такой же нагрузки
на бетонополнмерных образцах не было обнаружено
даже видимого следа. При дальнейшем увеличении со-
средоточенной нагрузки образовывались лунки.
Нагрузка. кН
Диаметр лунки, мм
1,83................ —
2,45 • . • Точечный отпечаток
4,9................. 1,6
7,35................ 3,6
9,8......... . 4,7
14,7........ . - Образец разрушился
При эксплуатации конструкции могут испытывать
различные динамические нагрузки. Стойкость материала
к таким нагрузкам определяет долговечность и надеж-
ность выполненных нз него конструкций. Учитывая вы-
сокие прочностные показатели бетонополимеров, при
использовании их в качестве конструкционных материа-
лов возникла необходимость изучения поведения бето-
нополимера при динамическом нагруженнн.
Динамическую прочность бетонополнмера на нзгнб и
растяжение изучали соответственно на балочках 4Х4Х
X16 см и стандартных «восьмерках». Для изучения
влияния исходной пористости бетона и в связи с этим
влияния прнвеса полимера на динамическую прочность
бетонополнмера испытывали цементно-песчаные образцы
составов 1:3; 1:4; 1:5; 1:6 при В/Ц=0,45. Кроме того, оп-
ределяли динамическую прочность на изгиб обычного бе-
тона на гранитном щебне. Все образцы после изготов-
ления 28 сут выдерживали в стандартных условиях
242
твердения, затем половину образцов пропитывали ме-
тилметакрилатом с последующей его полимеризацией
радиационным способом, а другую половику хранили до
испытания в воздушно-сухих условиях.
Для получения сравнительных результатов образцы
испытывали при статическом и динамическом режимах
нагружения. Статические испытания проводили на
стандартной разрывной машине, позволяющей путем
смены зажимных приспособлений проводить испытания
на изгиб и растяжение.
Динамические испытания проводили на рычажно-
пружинной установке конструкции Ю. М. Баженова и
В. С. Косенко [9], позволяющей изменять как скорость
нагружения, так и характер динамического приложения
нагрузки. Скорость динамического нагружения при
испытаниях составила около 1000 МПа/с при максималь-
ном времени нагружения 0,01 с.
Таблица 7.30. Динамическая прочность бетона и бетонополнмера
Состав бетона Среднее ана- Прочность на изгиб, МПа Прочность на растя- жение, МПа
чение привеса полимера, % исходного бетона бетоно- полимера исходного бетона бетоно- полнмера
1:3 6,5 6,4 26,2 3,6 10,7
10,5 39 6,7 22,4
1:4 7,4 5,8 24 3,2 14,1
9,8 39,6 6,1 22
1:5 8,8 4,8 20 2,9 10,7
8,4 36,2 5,3 17,5
1:6 9,3 4,5 20,2 2 8
8,2 36,1 5.2 15
Бетон на гра> нитном щебне 5,2 5,5 22 8,5 37 - -
Примечание. Над чертой даны результаты испытания прн ста-
тическом режиме нагружения, под чертой — при динамическом ре-
жиме нагружения.
Напряжения в образцах при динамическом режиме
нагружения регистрировали с помощью электрического
способа измерения усилий по схеме «датчик — усили-
тель — осциллограф».
16-
Средние результаты статических н динамических ис-
пытаний при изгибе н растяжении приведены в табл. 7.30.
Данные исследований показывают значительное уве-
личение сопротивления бетонополимера динамическим
нагрузкам. Так, динамическая прочность стандартных
<восьмерок» на растяжение достигала 22 МПа, а дина-
мическая прочность балочек 4X4X16 см при изгибе —
до 40 МПа. Прочность на изгиб и растяжение как
пропитанных мономером, так и контрольных образцов
при статическом и динамическом режимах нагружения
уменьшается с увеличением количества песка. Сниже-
ние прочности пропитанных образцов, несмотря на уве-
личение привеса полимера, можно объяснить увеличе-
нием остаточной пористости растворных образцов после
их пропитки.
Коэффициент динамического упрочнения при изгибе
и растяжении (отношение прочности прн динамическом
режиме нагружения к прочности при статическом
режиме нагружения) исходных составов с увеличением
количества песка повышается незначительно по сравне-
Таблица 7.31. Коэффициенты динамического упрочнения
Напряженное состояние Бетон Коэффициент динамического упрочнения для составов
13 1:4 1:5 1: 6 бетон на гра- нитном щебне
Изгиб Исходный 1,65 1,76 1,75 1,82 1,54
Бетонополимер 1,49 1,65 1,81 1,79 1,68
Растяжение Исходный 1,86 1,88 1,84 2,18 —
Бетонополимер 2,09 1.56 1,63 1,88 -
нню со степенью его увеличения для пропитанных сос-
тавов (табл. 7. 31). Это объясняется увеличением поли-
мерной составляющей в бетонополнмере при повышении
количества песка.
Динамические испытания бетонополимера также
показали, что его коэффициент динамического упрочне-
ния можно ориентировочно принимать равным коэффи-
циенту динамического упрочнения исходного бетона.
Принимая во внимание невысокую теплостойкость
бетонополимера, испытания при статическом и дннами-
244
Таблица 7.32. Динамическая прочность при изгибе и растяжении
Температура об- разцов во время вс пытания, °C прочность на изгиб, МПа Прочность на растяжение. МПа
исходного бетона бетонополн- мера исходного бетона бетоноподи- мера
7,3 24,5 4,6 14,6
и 9,8 32,8 6,2 18,8
ОЛ 6,3 24,2 3,8 13,8
8,9 33,5 5,1 19,7
ЛЛ 4,9 20,6 2,7 10,5
6,9 31,4 4,1 17,6
3,7 16,5 2 7,9
ои 6,6 29 3,6 16,4
100 2,4 10,9 1,3 5,8
4,1 22,5 2,5 12,7
200 0,8 2,2 0,6 1,9
1,6 7.5 1,2 5,6
Примечание. Над чертой даны результаты испытания при ста-
тическом, а под чертой —при динамическом режиме нагружения
Таблица 7.33. Коэффициенты динамического упрочнения
Температура об- разцов во время их испытания, “С Коэффициент динамического упрочнения
прн изгибе при растяжении
ИСХОДНЫХ образцов бетоиополи- мерных об- разцов исходных образцов бетонополи- мерных образцов
0 1,32 1,34 1,33 1,29
20 1,42 1,38 1,38 1,43
40 1,41 1,52 1,53 1,67
60 1,49 1,78 1,86 2,08
100 1,71 2,06 1,99 2,2
200 1,86 3,01 2,05 3
ческом режимах нагружения проводились также н при
различных температурах с целью определения зависи-
мости прочности на изгиб и растяжение от температуры.
Испытания проводились прн 0, 20, 40, 60, 100 и 200 °C
на стандартных образцах состава 1:3 прн В/Д=0,45. До
0°C образцы охлаждали при наружной температуре
воздуха в специальном теплоизоляционном контейнере
в открытом положении, затем контейнер закрывали и
245
Рис. 7.28. Зависимость динамической
прочности бетона на изгиб от темпера-
туры
1, 3 — соответственно бетонополимер и
бетон при динамическом нагружении;
2, 4 — го же, при статическом нагруже-
нии
переносили в помещение для испытания образцов. Конт-
роль за изменением температуры в контейнере показал,
что в процессе испытания образцов температура в кон-
тейнере повышалась не более чем на 1 °C. Образцы до
заданной температуры нагревали в электрическом тер-
мошкафу с точностью ±5 °C.
Средние результаты
статических н динамичес-
ких испытаний стандарт-
ных балочек и «восьме-
рок» при различных тем-
пературах приведены в
табл. 7.32 и 7.33. Данные
этих таблиц, а также рис.
7.28 показывают, что с по-
вышением температуры
испытания прочность об-
разцов при изгибе и рас-
тяжении снижается, при-
чем интенсивность умень-
шения прочности бетоно-
полимерных образцов
при статическом режиме
нагружения превышает, а
прн динамическом режи-
ме нагружения значитель-
но меньше интенсивности
снижения прочности ис-
ходных образцов. Особенность свойств бетонополн-
мера объясняется тем, что при динамическом режиме на-
гружения с повышением температуры испытания легиро-
ванные образцы, имея в своем составе термопластичный
полимер, приобретают большие пластические деформа-
ции, а следовательно, требуются большие нагрузки (по
сравнению с контрольными образцами), необходимые
для разрушения образцов.
Коэффициент динамического упрочнения (отношение
прочности при динамическом режиме нагружения к проч-
ности при статическом режиме нагружения) при изгибе
и растяжении в интервале от 0 до 200°С для исходных
образцов повысился от 1,33 (в среднем) до 1,97, а
бетонополнмерных образцов — от 1,32 до 3 (см. табл.
7. 33). Это показывает, что, несмотря на более резкое
снижение прочностных свойств бетонополнмерных об-
246
разцов (с повышением температуры испытания) по срав-
нению с исходными образцами, они обладают лучшими
войствамн при кратковременном одноразовом динами-
ческом воздействии. Так, если при 0 и 20 °C коэффициент
динамического упрочнения исходных и бетонополнмер-
ных образцов прн изгибе н растяжении был практически
одинаков, то прн повышении температуры его значение
для бетонополнмерных образцов стало выше, и, чем
выше температура испытания, тем разница становится
больше. Это имеет большое практическое значение при
-ксплуатацнн сооружений в сложных климатических
условиях.
Огнестойкость бетонополнмерных материалов зави-
сит от структуры бетона, вида пропитывающего моно-
мера, его содержания в бетоне и ряда других факторов.
Стирол, полиметилметакрилат н ряд других веществ,
применяемых для пропитки бетона, являются горючими
пластмассами, поэтому при введении их в бетон бетоно-
полимеры становятся материалами, воспламеняющимися
при действии огня.
Испытание поверхности бетона действием газовой
горелки показывает, что в этом случае возможно пос-
та мененпе полимеров в порах бетона, однако вслед-
ствие того, что количество полимера в тяжелом бетоно-
полимере мало, сразу же после прекращения действия
огня бетонополимер затухает.
Введение в пропитывающие смеси специальных ве-
ществ, повышающих огнестойкость полимеров и извест-
ных в технологии полимеров, способствует повышению
огнестойкости бетонополнмерных материалов. Однако
оценка возможности воспламенения бетонополнмерных
материалов прн действия открытого пламени не пол-
ностью характеризует поведение этих материалов при
пожаре. Прн воздействии высокой температуры вначале
поверхность конструкции быстро нагревается до темпе-
ратуры плавления или деструкции полимера. Начавший-
ся процесс плавления или деструкции потребляет боль-
шое количество тепла и тем самым предохраняет более
глубокие слои материала от быстрого прогрева, поэтому
бетонополнмерные конструкции при действии нагрева и
нагрузки теряют свою прочность менее быстро, чем обыч-
ные бетонные и железобетонные, конструкция. При этом
обычно не наблюдается взрывного разрушения бетона,
как прн быстром нагреве обычных бетонных н железо-
бетонных конструкций.
247
Рис. 7.20. Испытание иа плазмотроне образцов из бетона (слева) и бетонопо-
лимера (справа)
Рис, 7.30. Объем воронки от действия плазменной струи в бетоне (слева) и бе-
тонополимере (справа)
Опыты, проведенные на плазмотроне, на котором об-
разцы обычного бетона н бетонополнмера подвергали
воздействию высокотемпературной газовой струи (рнс.
248
7. 29), показали, что пропитка бетона способствует
повышению эффективной энтальпии (количества тепла,
затрачиваемого на разрушение определенного объема
материала) и тем самым уменьшает объем разрушений
Рис. 7.31. Зависимость объема разру-
шений образца из раствора 1 : 3 от при-
веса полимера
ння образцов раствора (/) и бетонопо-
лимера (2) от состава раствора
микровзрывное разрушение
Рис. 7.32. Зависимость глубины раз-
рушения образцов бетона и бетона-
полимера различных составов от
продолжительности воздействия га-
зовой струн плазмотрова
/, 5 — соответственно бетон и бето-
нополимер на керамзитовом граини;
2, 6 — бетон и бетонополимер на
гранитном щебне; 3, в —мелкозер-
нистые соответственно бетон и бе-
тоиополимер; 4, 7 — жаростойкие
бетон я бетонополимер
бетонополнмера при опре-
деленном тепловом воз-
действии.
В бетоне прн действии
высокотемпературного га-
зового потока наблюдает-
ся наряду с плавлением
материала и хорошо виден
разлет раскаленных осколков и расплавленных частиц.
При воздействии на бетонополимер потерн материала
вследствие отсутствия разлета расплавленных частиц и
раскаленных осколков резко уменьшаются, что в извест-
ной мере способствует общему уменьшению объема раз-
рушений (рнс. 7.30).
Влияние полимерной фазы на объем разрушений
249
материала зависит от содержания полимера в бетоне.
На рис. 7. 31 показано влияние привеса мономера нг
объем разрушения бетона состава 1:3 при воздействии
на образец теплового потока интенсивностью 1250Вт/см-
в течение 20 с. Кривые зависимости глубины разрушение
образцов под действием этого теплового потока для раз-
личных бетонов и бетонополимеров от времени воздей
ствия даны на рнс. 7. 32.
Таким образом, пропитка бетона полимерами повы
шает его сопротивляемость воздействию высокотемтте»
ратурного газового потока. Это обусловлено, как ужТ
Отмечалось, повышением эффективной энтальпии' бетсг-
нополимерных материалов и более высоким сцеплением
составляющих материала. Следует заметить, что сопри
тпвление разрушению в этом случае зависит не только
от содержания полимеров, но и от состава бетона: при
повышении содержания цементного камня объем разру-
шений обычного бетона и бетонополимера при прочих
равных условиях несколько увеличивается. Однако объ-
ем разрушений бетонополимера оказывается приблизи-
тельно в 2 раза меньше, чем объем разрушения обычно-
го бетона (рис. 7.33).
Результаты исследований показывают, что при ис-
пользовании пропитывающих материалов, обладающих
невозгораемостью или самозатуханием, могут быть по-
лучены бетонополнмерные и железобетонополнмерные
конструкции, обладающие повышенным сопротивлением
воздействию высоких температур.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ
БЕТОНОПОЛИМЕРА
Прн проектировании новых конструкций, проведении
технико-экономических расчетов и решении других
практических вопросов в ряде случаев необходимо прог-
нозировать свойства бетонополимера, в первую очередь
его прочность н деформатнвность. Для прогнозирования
могут использоваться различные зависимости, одпако
они обычно имеют ограниченную область применения.
Более общие зависимости можно получить, исходя из
модельного описания структуры и используя механику
хрупкого разрушения.
Подобный подход предложен Г. В. Марчука йтисом
[28, 59, 111]. Прн этом бетонополимер принимается трех-
250
фазным композиционным материалом, состоящим из
бетонной матрицы, полимера и пор, не заполненных по-
лимером. Предполагается, что бетонная матрица не
содержит пор и имеет максимальную прочность для
данного вида цемента и заполнителя. В реальном бето-
не присутствуют поры различной формы и размеров, а
в структуре твердой фазы — различные дефекты. Это
понижает прочность материала.
Ориентировочно связь между прочностью бетонной
гатрнцы н бетона можно описать выражением
М'-кЛ) ’
. де Кб — прочность на сжатие бетона, VnoP — относительный объем
юр, Ki, Aj, Кз, п, т — коэффициенты, учитывающие влияние на
трочность материала дефектов твердой фазы (кристаллов), форму
Гор, наличие внутренних напряжений, характер распределения пор
I его зависимость от объема пористости.
Используя средние численные значения коэффици-
ентов, это выражение можно преобразовать так:
р -.0.5 37 (1 — ЮОУдор)0,333
1-1.5V°467
Полимер заполняет поры в бетоне и при действии
нагрузки работает совместно с бетоном. С известным
допущением можно принять, что бетонная матрица почти
до разрушения деформируется упруго. Полимер при
незначительных предельных деформациях, свойственных
бетону, особенно с учетом того, что последний препятст-
вует деформациям полимера, являясь как бы жесткой
обоймой, также работает почти в упругой стадии. Тогда
ебп = ем = еп — Им/= стп/Еп*
Прочность бетонополимера можно представить как
Ябп = Ям + Яп
или с учетом относительного объема фаз —
/?бп = /?м[Им + ^п(£п/Ем)].
Однако фактическая прочность бетонополимера бу-
дет ниже вследствие того, что полимером будут запол-
нены не все поры и будет проявляться отрицательное
влияние концентрации напряжений:
Ебп ~ &М [Км (1 — ^по
CM J
251
где Км, Кп — коэффициенты, учитывающие понижение прочности
бетона из-за концентрации напряжений в бетонной матрице и по-
лимере.
Ориентировочно можно принять:
Ип 2+14n + 8i]* 1
“ Ииор 14+1144-20* 7
_ 2+ 1411 + 8Т)*
Лп 4(15 — 9т]=)
Уп
Упор
, где П = ^п/Гм-
Оцепить прочность бетонополимера прн растяжении
можно на основании соотношения Кр=/?бп/Яб-
Согласно теории хрупкого разрушения, с учетом по-
добия пор в бетонополнмере н бетоне
где К|сп, Ксп — критические значения коэффициентов интенсивности
напряжений бетонополимера и бетона; Yen’ Ye —соответственно
эффективные энергии разрушения: С и Са — половины длин дефек-
тов.
Непосредственно определение /Сс сравнительно слож-
но, однако в первом приближении можно принять, что
для обычного бетона
KM=se-^-Ve,
где 6 — характерный структурный параметр, например, размер зе-
рен заполнителя, в известной мере определяющий пластическую зо-
ву и область разрушения; 0у — коэффициент, учитывающий дефор-
мативныс свойства материала:
Ру = 1,09v +0,74,
где v — коэффициент Пуассона.
Используя известные зависимости между определен-
ными характеристиками бетона, Г. В. Марчукайтис
получил для определения КР формулу
M1KV„E6„
(' - ''пор) +v„ fV
Кр-=
где КуП, Ky6 —коэффициенты, учитывающие влияние пористо-
сти бетонополимера и бетона на эффективную поверхностную энер-
гию.
Ориентировочно
1 + Уп— Упор \2
1 — Упор /
252
Рис. 7.34. Номограмма для определения пористости бетона
Рис 7.35. Номограмма для определеиия прочности бетонополимера
253
Значение уп выбирают для соответствующего полимера
пз литературных источников. Прочность бетонной мат-
рицы на растяжение определяют по формуле
= [1 + +
L \ Rp / J
Влияние неоднородности межпористого материала,
внутренних напряжений и адгезии между компонентами
бетона, которое проявляется заметнее прн растяжении,
чем прн сжатии, учитывается соответствующей коррек-
тировкой формулы.
Определенная по приведенным формулам прочность
бетоиополимера имела удовлетворительную сходимость
с опытными данными (в пределах ±15 %). Однако
изменение технологии может привести к значительным
отклонениям в прочности материала. Поэтому подобный
подход возможен при прогнозировании прочности бето-
нополнмера, получаемой по определенной технологии.
С учетом опытных данных построены номограммы,
позволяющие прогнозировать пористость бетона н проч-
ность бетонополнмера (рис. 7. 34 н 7. 35).
Прогнозировать модуль упругости н другие характе-
ристики, определяющие деформатнвные свойства бето-
нополнмера, также можно на основе зависимостей, по-
лученных из анализа модели бетонополнмера как ком-
позиционного материала (бетонная матрица, полимер,
поры) с учетом численных значений коэффициентов,
скорректированных с результатами опытов.
Пропитка бетона полимером в значительной степени
улучшает структуру материала и влияет на его поведе-
ние под нагрузкой. Возрастает доля упругой деформа-
ции, уменьшается степень концентрации напряжений.
Упругость бетонополнмера, его растяжимость и сжима-
емость зависят от прочности исходного бетона, содержа-
ния полимера, его вида и степени заполнения полимером
пор бетона.
Начальный модуль упругости бетонополнмера ориен-
тировочно можно определять по формуле
9(Vnop-Vn)-2^^-Vn
^бпо = Еб з^'_ т]2 — 9 ’
1 + 8 (Vnop - Vn) ± Л-(л -1)~Уп
254
Зависимость между напряжениями н деформациями
для бетонополнмера, соответствующую его диаграмме
6—е, можно описать выражением
g_______в______________1 _________
8„ак0 m+(1_m)/_£_y'l-n ’
\ Смаке/
где в —деформация при любом напряжении; вМаксм — предельные
деформации сжатия; т — коэффициент, учитывающий структуру бе-
тонополииера.
Ориентировочно коэффициент т можно определить
по формуле
\ 'пор / ' Кпр.макс . апр.макс /
где ₽—коэффициент, учитывающий вид полимера (для метилме-
такрилата р=5,6, для стирола 0=3,6); /?пр.макс — наибольшая
призменная прочность бетонополнмера, которую ориентировочно для
обычных технологий можно принять равной 200 МПа.
Для бетонополнмера, содержащего полнметнлмета-
крилат, значение т можно найти из номограммы (рис.
7.36).
Модуль деформации бе-
тонополнмера, как и бетона,
зависит от уровня нагруже-
ния. Однако вследствие по-
вышенной упругости бетоно-
полимера повышение вели-
чины модуля деформации с
повышением степени нагру-
жения проявляется в мень-
шей мере: например, до с—
=Япр.бп модуль деформа-
ции уменьшается всего на
3—6%, а прн о=0,97?пт.сп—
на 10—20 %.
Для расчета модуля де-
формации бетонополимер а
при разных уровнях напря-
жения предложена формула,
учитывающая, что в момент
разрушения в бетоне сохра-
няется некоторая упругость:
Рис. 7.36. Номограмма для опреде-
ления коэффициента т
255
/ CT
£бп= £бпо ^1 — °.75"^—j •
где Ебпо — начальный модуль деформации.
Нижияя граница микротрещинообразования в бето-
нополимере в 1,5—2,2 раза выше, чем в исходном бетоне,
а верхняя граница почти приближается к моменту разру-
шения. Значение нижней границы можно ориентировоч-
но определить по формуле
Ятр/Япр.бп (о,275 + 0,08 J, -V ” ) fgЯпр.вп - 0,12S.
Для облегчения расчетов составлены соответствующие
номограммы (рис. 7. 37).
Сравнение расчетных и опытных данных показывает
их удовлетворительную сходимость. В некоторых случа-
ях значения модуля упругости и деформации ниже иа
5—10 %, чем опытные. Для бетон ополи мер а с пол и ме-
тил метакрилатом в расчете принимали модуль упругости
полимера, равный 3,4-Ю3 МПа. На рис. 7. 38 показана
зависимость между коэффициентами увеличения приз-
менной прочности и модуля упругости вследствие пропит-
ки бетона полимером. Эта зависимость может быть вы-
ражена формулой
Япр.бп/Япр.б = 0.8 у2--0,8 ’
Ебп \ £бп / \ £бп /
Пропитка бетона полимером, как уже отмечалось,
увеличивает предельные деформации материала. Для
рассмотренных выше условий приготовления бетонополи-
мера предельные деформации при сжатии можно опре-
делить по формуле
__________^у ^пр.бп_____
макс СбпоП-а-к,)"] '
где Ку—коэффициент, определяющий степень упругости материала.
Значения Ку рассчитывают по формуле
К,= 1_О,8(Г_^)+ИП)
\ киор / ’ Апр.бп
где ап — коэффициент, зависящий от типа мономера и способа его
олимеризации (для метилметакрилата при радиационной полимери-
ции аП“0,1, при термокаталитической — 0,2; для стирола — 0,4).
Предельные деформации бетонополимера определяют
Пп формулам:
’7—210 2S7
при центральном растяжении
Вр.макс = Ке ^6,2/?р — J j 10“5,
№^ = l+PpV„-^;
®п 'пор
сжатия при изгибе
ея.маКс=!з50- 170Гп+1,67-^-+ 16SWn-p!- +
L ' пор ' пор
+ ₽пр (8,35V„ - 1,67-^--0,7)] 10-5.
\ 'пор /J
Для упрощения расчетов составлены соответствую-
щие номограммы (рис. 7. 39).
При прогнозировании ползучести бетонополимера
необходимо учитывать структуру материала и начальное
напряжеино-деформированное состояние бетонополиме-
ра, возникающее во время обработки. Удельные дефор-
мации ползучести бетонополимера можно представить
как сумму шести слагаемых:
Сбп = Ci + с2 4- с3 + ct 4- св + се,
где Ci — удельные деформации, возникающие вследствие разруше-
ния перенапряженных связей бетонной матрицы; С%— удельные де-
формации, обусловленные вытеснением под нагрузкой воды, адсор-
бированной на поверхности твердых частиц из зон контактов этих
частиц; С3— удельные деформации, возникающие в результате
уменьшения водосодержания вследствие гидратации цемента; Ск-
удельные деформации, вызванные физико-химическими превраще-
ниями цементного камня; С5—удельные деформации, обусловлен-
ные высыханием материала; Со — деформации упругого восстанов-
ления обжатого полимером бетона из-за релаксации усадочных на-
пряжений полимера.
258
ПрП)
17»
259
Каждое слагаемое зависит от длительности приложе-
ния нагрузки, возраста бетонополнмера к началу дейст-
вия нагрузки, а также относительного содержания це-
ментного камня в бетоне.
При специальной обработке бетоиа из его структуры
удаляется вода, а сама структура упрочняется и стаби-
лизируется полимером. В результате при достаточно глу-
бокой' и полной пропитке слагаемые С2, С3, С4 равны
нулю, а сумма слагаемых Ci и С$ будет значительно
меньше, чем у непропитаиного бетона. Иногда Сз может
быть даже отрицательной величиной вследствие некото-
рого набухания бетона в условиях, когда влажность при
эксплуатации будет выше, чем при сушке в процессе об-
работки бетоиа. Значение С6 может быть близким к ну-
лю нли отрицательным.
Таким образом, если Ci>C5+C6, то ползучесть наб-
людается, хотя значительно меньше, чем в исходном бе-
тоне. Если же CiCCs+C6, то ползучесть либо ие наблю-
дается, либо может появиться «отрицательная» ползу-
честь.
Существенное влияние и а характер ползучести будут
оказывать свойства бетонной матрицы, режимы специ-
альной обработки, содержание полимера и степень за-
полнения им пор бетона, время приложения нагрузки.
Чем позже начинается воздействие нагрузки, тем в боль-
шей мере произойдет релаксация напряжений в бетоно-
полимере, возникших в процессе обработки, н тем мень-
ше будут значения Сбп-
После снятия нагрузки бетонополимер восстанавли-
вает деформации. Например, при <тдл = 0,79/?пр.бп восста-
навливается 80 % общих деформаций, а при одл =
=0,53/? пр. бп — 95%, в то время как образцы исходного
бетона восстанавливают только около 45 % деформаций.
На основе теории упругой наследственности с учетом
предыстории деформирования для деформаций ползу-
чести получена зависимость
®бп (T) = °------Ь Т’Сбп.макс f а (Т) 1 dr — евосст (т),
£бп.мака J
О
где Сбп.макс — предельное значение меры ползучести бетонополиме-
ра; бвосст — деформации восстановления после изготовления изде-
лия.
260
н коэффициент у
у = 0,19
Для облегчения расчетов на рис. 7. 40 приведена но-
мограмма для определения предельной меры ползучести
бетонополнмера.
Деформации восстановления можно рассчитывать по
формуле
Ввосст — Еук.макс 8ук СО.
где значения еук.макс и еук(т) рассчитывают по формуле
6ук ГО = 8п ГО Кг ГО П - % К, ГО].
где (т) = XL (т( (I - ц„) + 2 [Х,_ (т)]2 [Иб (2 - нб) - |>„];
XL(i) =
И, К ГО
ЗИб Ео
1—П £
£(т) = £л 1 1 + (л-1)-Ч
I Т)п
Коэффициент п зависит от вида полимера и для ме-
тилметакрилата принимается равным 2,6.
261
ГЛАВА 8. ОСОБЫЕ ВИДЫ
БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
ЛЕГКИЕ БЕТОНОПОЛИМЕРЫ
В современном строительстве широко используют
различные виды легких бетонов, которые можно подраз-
делить на две большие группы — легкие бетоны иа по-
ристых заполнителях и ячеистые бетоны. Путем пропит-
ки мономером легких бетонов с последующим отверж-
дением мономера в порах бетона можно получить раз-
личные виды легких бетоиополимеров.
Легкие бетоны на пористых заполнителях в зависи-
мости от содержания и качества пористого заполнителя
и структуры раствора (плотный или поризоваииый) мо-
гут иметь различный объем пор и соответствеиио разную
среднюю плотность. В особо легких бетонах со средней
плотностью меиее 500 кг/м3 пористость достигает 70—
85 % объема материала и соответственно прочность бе-
тона редко превышает 1,5 МПа. С уменьшением порис-
тости возрастает прочность бетона. Поэтому в легких
бетонах со средней плотностью 500—1000 кг/м5 порис-
тость уменьшается с 75 до 25—30 % и соответственно
предел прочности при сжатии увеличивается от 2,5 до
ЗОМПаиболее.
Легкие бетоны иа пористых заполнителях имеют по-
ры различного размера. Цементный камень, как прави-
ло, содержит мелкие поры, в то время как в легком по-
ристом заполнителе поры могут достигать в диаметре
1—3 мм и более в зависимости от вида заполнителя.
Для пропитки легких бетонов могут использоваться
различные пропитывающие составы. Для бетонов с круп-
ными порами применяют более вязкие составы, удержи-
ваемые этими порами. Для бетонов с мелкими порами
используют мономеры или пропитывающие составы ма-
лой вязкости. При пропитке мономер или пропитываю-
щий состав может заполнять поры различных размеров
или удерживаться только порами определенного разме-
ра. В зависимости от структуры бетона и вида пропиты-
вающей жидкости можно получать различные структуры
бетоиополимеров и соответственно влиять на его свой-
ства.
262
Полимеры и различные пропитывающие составы на
их основе имеют невысокую среднюю плотность. Это
способствует тому, что при пропитке средняя плотность
материала увеличивается в небольших пределах и мате-
риал сохраняет малую среднюю плотность при заметном
нзмененнн своих свойств, особенно долговечности и не-
проницаемости. Значительный эффект может быть полу-
чен путем поверхностной пропитки легких бетонов, кото-
рая защищает легкие бетоны от коррозии, а также пре-
дохраняет от коррозии арматуру железобетонных
конструкций.
Необходимо применять такие способы пропитки, ко-
торые способствовали бы повышению качества изделий
при возможно минимальных расходах полимера. С этой
точки зрения наибольший интерес представляют легкие
бетоны на пористом заполнителе, так как в их строении
сочетаются мелкопорнстая структура цементного камня
и более крупнопористая структура заполнителя. Это
позволяет получать бетоиополимеры, обладающие, с од-
ной стороны, высокой непроницаемостью за счет про-
питки растворной части и цементного камия, с другой
стороны, достаточно легкие. В ряде случаев пористые
заполнители пропитываются лишь частично, главным
образом с поверхности, сохраняя внутри воздушные по-
ры. Это дает возможность значительно экономить поли-
мер при высоком качестве легкого бетонополнмера.
Пористые заполнители оказывают существенное влия-
ние на формирование структуры бетона. На первоначаль-
ном этапе структурообразования пористые заполнители,
отсасывая влагу, способствуют получению более плотно-
го и прочного контактного слоя цементного камия, а так-
же более плотной структуры раствора в бетоне. На пос-
ледующих этапах твердения при уменьшении количест-
ва воды в цементном камне вследствие гидратации
цемента пористые заполнители возвращают ранее погло-
щенную воду, создавая благоприятные условия для гид-
ратации цемента и уменьшения усадочных явлений в це-
ментном камне. Высокая шероховатость поверхности
легких заполнителей обеспечивает хорошее сцепление
цементного камия и заполнителя, а значительная дефор-
мативность заполнителя уменьшает отрицательное влия-
ние иа структуру бетона усадки цементного камня, пред-
отвращает появление усадочных трещин. В результате
в легких бетонах на пористых заполнителях цементный
263
камень обладает хорошей плотностью и однородностью,
что существенно уменьшает его проницаемость, а также
способствует улучшению структуры и свойств растворной
составляющей бетона.
В работах М. 3. Симонова [93] показано, что в ре-
зультате влияния пористого заполнителя цементный ка-
мень в легких бетонах может иметь даже меньшую про-
ницаемость, чем в обычном цементном бетоне. Интерес-
ные данные по изучению структуры цементного камня
и раствора в легких бетонах получены В. Ф. Степановой,
Исследование керамзитобетоиа на кварцевом и порис-
том песке и для сравнения бетона на гранитном щебне
марок М 200 и М 300 показали, что в легком бетоне на
пористом заполнителе цементный камень содержит мень-
шее число более крупных пор и большее — мельчайших.
При пропаривании (подобная обработка очень распрост-
ранена при изготовлении сборных конструкций) в бето-
не возрастает число крупных пор, одиако и в этом случае
в бетоне на пористых заполнителях содержание крупных
пор остается меньше, чем в бетоне на гранитном щебне.
С увеличением расхода цемента в легком бетоне с 300
до 400 кг/м3 объем макропор уменьшается прн незначи-
тельном увеличении мнкропорнстости (табл. 8.1). Опре-
Таблица 8.1. Влияние состава керамзитобетоиа
на его пористость и сорбционные свойства
| № состава ! Расход цемента, кг/м3 Марка бетона Равновесная влаж- ность бетона. %, при влажности воздуха. % "ср. ““ Кажущаяся порис- тость и —100% ° р. Объем микропор размером КГ"3 1СГ“в см, см*/г
для пор 0.3-1.5 мм для пор 0,03—0,3 мм
35 60 95
1 300 М200 2,54 3,15 8,8 0,71 0,085 1,46 0,09*
2 300 М200 2,1 3 6,7 0,7 0,116 1,68 0,045
3 330 M300 2,22 2,6 8,3 0,6 0,104 1,4 0,031
4 380 М300 2,2 2,35 6,15 0,54 0,112 0,94 0,052
5 307 М200 2,08 2,17 4,38 1 0,246 3,56 0,065
* Повышенная микропористость за счет мельчайших пор диаметром
менее 0,5-10-5 см.
Примечание. Составы 1 и 3 — на дробленом керамзитовом пе-
ске, составы 2 и 4 — на кварцевом песке, состав 5 — на гранитном
щебне. Предельная крупность гранитного и керамзитового щебня
20 мм.
264
деление макропористое™
(пор размером 10-1—
10~3 см) оптическим ме-
тодом на фотоэлектрон-
ной установке МИСИ нм.
В. В. Куйбышева показа-
ло, что средний диаметр
макропор керамзнтобето-
на приблизительно вдвое
меньше, чем тяжелого бе-
тона, и число крупных пор
(свыше 50 мкм) умень-
шается при замене квар-
цевого песка пористым
песком и увеличении рас-
хода цемента с 300 до
400 кг/м3. На фотографи-
ях микроструктуры бето-
на четко просматривают-
ся уплотненные зоны во-
круг пористого заполните-
ля. Как правило, контакт-
ная зона в легком бетоне
Рис. 8.1. Кинетика пропитки легко-
го бетона па аглопоритовом гравии
1 — бетон на кварцевом песке с до-
бавкой 3 % КС-I 1 от массы цемен-
та при В/£?-=0,5; 2— бетон на квар.
цевом песке при А/Ц=0,5; 3 — то же,
при В/Ц-0,7; 4 — бетон на аглопо-
ритовом песке при В/Ц-0.65; 5 —
то же, при 5Д/“0,85; б —бетон на
кварцевом песке при В/Ц=0,5; 7 —
то же, при ВЩ^0,7 (/—5 —пропит-
ка при атмосферном давлении; б—
7 — при вакуумировании. Р осч—
-0,005 МПа)
имеет более плотную
структуру и не содержит
микротрещин, седиментационных пор и других дефектов,
свойственных контактной зоне бетона иа тяжелом плот-
ном заполнителе.
Объем сообщающихся между собой пор диаметром
более 10~4 см, или так называемой сквозной пористости,
существенно влияет иа кинетику пропитки легких бето-
нов мономером. В. Ф. Степанова определяла сквозную
пористость по электропроводности образца, насыщенно-
го электролитом. В качестве критерия она использовала
условную характеристику — соотношение между удель-
ными сопротивлениями электролита и образца, насыщен-
ного электролитом. Как показали опыты, в легких бето-
нах сквозная пористость приблизительно вдвое меньше,
чем в бетонах на гранитном щебне, что подтверждает
положение о более плотной и менее проницаемой струк-
туре цементного камня и раствора в бетоне иа пористых
заполнителях.
Таким образом, при пропитке легкого бетона в Основ-
ном будут проявляться те же закономерности, что и при
Ж
обработке тяжелого бетона, однако в количественном
отношении режимы могут несколько отличаться один от
другого в зависимости от состава легкого бетона, вида
и содержания пористого заполнителя в нем.
В. П. Ронии исследовал кинетику пропитки аглопо-
ритобетоиа стиролом, используя составы иа кварцевом
и дробленом аглопоритовом песке, а также бетонную
смесь иа кварцевом песке с добавкой карбамидной смо-
лы КС-11, способствующей снижению проницаемости бе-
тона (рис. 8.1).
Как и следовало ожидать, повышение В/Ц в бетоне,
приводящее к повышению проницаемости, способствова-
ло как ускорению пропитки, так и ускорению достижения
максимальной степени насыщения бетона. Применение
пористого песка также способствовало ускорению про-
питки и повышению степени насыщения^ Добавка кар-
бамидной смолы, наоборот, несколько замедлила как ки-
нетику насыщения, так и максимально достижимую
степень насыщения к определенному времени обработки.
Значительное повышение эффективности пропитки было
достигнуто при вакуумировании. В этом случае не толь- |
ко повысилась скорость пропитки, ио и значительно воз-
росла степень насыщения бетона мономером. Таким об-
разом, по своему характеру кинетика пропитки легкого
бетона мономером аналогична протеканию подобных
процессов в тяжелых бетонах (см. гл. 3).
Определенное влияние на степень пропитки бетона
мономером может оказать вид пористого заполнителя.
В табл. 8.2 приведены результаты испытаний иа водопо-
глощение при обычном капиллярном подсосе и под ва-
куумом, проведенных В. Ф. Степановой. Эти испытания
Таблица 8.2. Влияние вида пористого заполнителя
ка водопоглощение легкого бетона М200
Заполнитель Расход це- мента в бето« не, кг/м9 Водопоглощение, % ]
капилляр- ное под ваку- умом
Керамзит 8,4 19,5
Вулканический шлак Шлаковая пемза 380
335 6,3 13,5
Шунгезит 360 5,1 10,8
Туф 330 5,6 9,3
Трепельный гравий — 9,9 И
Безобжиговый зольный гравий 266 347 3,9 8.15
относятся к бетонам приблизительно марки М 200 прн
содержании цемента свыше 300 кг/м3, т. е. к конструк-
тивно-теплоизоляционным легким бетонам. Используя
более легкие и тем самым более пористые заполнители,
увеличивая содержание их в бетоне, а также приме-
няя поризацию растворной части легкого бетона, мож-
но получить бетон с большей пористостью н меньшей
средней плотности (до 500 кг/м3 и менее). Этн бетоны
могут насыщаться мономером в большей мере. Соответ-
ственно будут изменяться и свойства бетоиополимеров.
Однако, как будет показано далее, при значительном по-
вышении пористости материала эффективность’ бетоио-
полимеров будет уменьшаться.
В бетоне на пористом заполнителе поры цементного
камня и заполнителя различаются не только по разме-
рам, ио и свойства поверхности твердого тела в цемент-
ном камне и у керамзита или у другого пористого запол-
нителя также различны. Все это проявляется прн произ-
водстве бетон ополи мерных- изделий и формировании их
свойств. В гл. 3 было показано, что чем мельче поры,
тем в большей мере способствует пропитка повышению
прочности материала. Существенное значение имеют и
свойства твердой фазы. Наши опыты показали, что в ке-
рамических материалах или пористых стеклах эффектив-
ность использования полимеров несколько снижается: в
керамических пористых материалах в тем большей сте-
пени, чем больше стекловидной фазы содержится в ма-
териале. Это обусловлено тем, что ухудшается сцепле-
ние между полимером и твердой подложкой, что отра-
жается иа свойствах бетонополимера. Таким образом, в
легких бетонах на пористых заполнителях по существу
образуются две различные структуры; структура пропи-
танного цементного камия с высокой прочностью и не-
проницаемостью и структура частично пропитанного ка-
рамзита или другого легкого заполнителя.
Как правило, полная пропитка керамзита ие дости-
гается вследствие того, что более крупные поры в ке-
рамзите ие заполняются полностью и, кроме того, моно-
мер из них отсасывается более тонкими капиллярами
цементного камня (в период после окончания пропитки
и в начале полимеризации, когда протекает первона-
чальная усадка полимерной фазы).
1 Повышение прочности или улучшение других свойств, прихо-
дящееся на единицу полимера.
267
При слитной структуре керамзитобетоиополнмер бу-
дет обладать высокой непроницаемостью и долговеч-
иостью. В том случае, когда в раствор будет вводиться
большое количество зерен молотого керамзита, его не-
проницаемость может несколько понизиться, особенно
при недостаточной степени пропитки и при контактном
расположении зерен, так как появляются связи между от-
дельными наиболее проницаемыми элементами структу-
ры. Это может проявиться в постепенном снижении про-
ницаемости всего материала, особенно при воздействии
агрессивных сред, когда те или иные агенты будут
проникать в глубь материала через более проницаемые
частички легкого заполнителя, контактирующие между
собой, и некоторые дефекты в структуре цементного
камня, которые ие будут полностью «залечены» при
специальной обработке. При этом возможны частичное
разрушение материала и дальнейшее повышение про-
ницаемости. Этот процесс протекает очень медленно, ио
его необходимо учитывать при определении долговеч-
ности легких бетонов на пористых заполнителях.
На микрофотографии зоны контакта керамзита с це-
ментным камнем, а также самого керамзита (рис. 8.2)
хорошо видно, что цементный камень в легком бетоне
полностью пропитан полимером и практически не имеет
пор и других дефектов, в то время как в керамзите пос-
ле пропитки крупные поры остаются не заполненными
полимером. Подобная картина характерна и для микро-
структуры легких бетонов на других пористых заполни-
телях (рис. 8.3).
Особенности структуры легкого бетона определяют
его свойства (табл. 8.3). В первой серии был использо-
ван керамзитовый гравий со средней плотностью
500 кг/м3, во второй — 450 кг/м3 и кварцевый песок; в
Т а б л и ц а 8.3. Влияние средней плотности иа прочность
керамзитобетона и керамзитобетонополимера
№ серии Средняя плотность керамзито- бетока, кг/м’ Прочность ке- рамзитобетона прн сжатии, МПа Привес поли- мера, % Прочность ке- рамзитобетоно- полимера при сжатии. МПа
1 1400 15,2 19 90,3
2 1200 12,4 25 73,5
3 1000 5,3 43 63,3
4 850 4,3 58 50,2
5 750 2,9 68 33,3
268
Рис. 8.2. Микроструктура (Х1000) керамзитобетона (слева) и керамзмтобето-
нополимера (справа)
Рнс. 8.3. Микроструктура <Х300> перлитобетона (слева) и перлитобетонополи-
мера (справа)
третьей серии был использован керамзитовый песок, в
четвертой и пятой сериях — керамзитовый гравий со
средней плотностью 170 кг/м3 (в четвертой серии —
кварцевый песок; в пятой серии — керамзитовый песок).
Расход портландцемента составлял от 375 кг/м3 в пер-
вой до 180 кг/м3 в пятой серии.
Образцы были пропарены по режиму 2—4—6 ч при
80 °C, после этого половину образцов пропитали метил-
метакрилатом с последующей редиациониой полимери-
зацией. Как видно из табл. 8.3, а также из рис. 8.4 об—х
работка полимером резко повысила прочность керамзи- /
тобетоиа и сделала материал практически водо- и газо-'
непроницаемым, что способствует улучшению его
сопротивления различным агрессивным факторам. Од-
нако вследствие высокой пористости керамзитобетон
поглощает большое количество мономера, что удорожает
269
Рис. 8.4. Зависимость прочности на
сжатие керамзитобетоиа (2) и ке-
рамзитобетоиополимера (4) и водо-
поглошеиия керамзитобетоиа (3) и
керамзитобетононолимера (/) от
средней плотности бетона
материал, поэтому в этих
условиях представляется
более выгодной поверхно-
стная обработка изделий
для повышения их долго-
вечности, некоторого по-
вышения прочности и
улучшения работы арма-
туры, а также надежной
ее защиты от коррозии.
Прочность керамзито-
бетоиа иа изгиб, также
как и прочность на сжа-
тие, в результате пропит-
ки материала полимером
резко возрастает (табл,
8.4) (первая серия — ре-
зультаты опытов автора,
вторая и третья серии —
результаты опытов
Т а б л и ц а 8.4. Изменение прочности керамзитобетоиа
после пропитки мономером
К* серии Средняя плотность керамзито- бетоиа, кг/м1 Привес полимера. Предел прочности при сжатии, МПа. образцов Предел прочности при изгибе. МПа, образцов
конт- рольных модифи- цирован- ных контроль- ных модифи- цирован- ных
1 1000 43 4,7 62,1 2 17,8
2 1720 20 23 125 4 21,8
3 1830 16 31 141 4,5 20,6
А. Д. Осипова и И. А. Фридмана в НИС Гидропроскта).
Соответственно прн пропитке керамзитобетоиа поли-
мером повышается и его модуль упругости (табл. 8.5).
В этой таблице представлены опыты автора (серии 1 и
2) и НИС Гидропроекта (серии 3 и 4). Следует отметить,
что модуль деформации пропитанного керамзитобетоиа
иа 15—30 % ниже модуля деформации бетона на плот-
ном заполнителе той же марки, т. е.. изменяя деформа-
тивные свойства твердого минерального скелета за счет
изменения свойств керамзита и степени насыщения им
бетона и регулируя условия обработки, можно получить
керамзитобетонополимеры высокой прочности при повы-
270
Таблица 8.5. Деформатнвные свойства керамзнтобетонополимера
4 Средняя плотность керам зито- бетонополи- нера, кг/м3 Привес полиме- ра- % Предел прочности при сжатии. МПа, образцов Модуль упругости £10~*вМПа, образцов
конт- рольных модифи- цирован- ных конт- рольных модифи- цирован- ных
1 1050 39 6,8 59 0,71 1,36
2 1450 21 15,6 93 1,28 1,93
3 1720 20 23 125 1,78 2,67
4 1830 16 31 141 2,57 3,56
шенной деформатннной способности по сравнению с
обычными бетонами, что может оказаться полезным для
некоторых специальных видов конструкций.
В табл. 8 6 приведены результаты модифицирования
полимером перлитобетона. Для его приготовления при-
меняли вспученный перлитовый песок со средней плот-
ностью 260кг/м3 (состав бетона 1: 1 прн В/Д=1). Сред-
Таблица 8.6. Свойства бетонополимера на вспученном
перлитовом песке
Показатель Образцы
контрольные модифицирован- ные
Привес полимера, % Предел прочности, МПа; — 58
при сжатии 5,4 44,5
> изгибе 1,5 12,6
Водопоглощение, % 56 4,6
ияя плотность затвердевшего перлитобетона 600 кг/м3.
После сушки до постоянной массы образцы насыщали
метилметакрилатом с последующей радиационной поли-
меризацией. В результате пропитки прочность материала
на сжатие и изгиб значительно повысилась, одиако рез-
ко возрос привес полимера, что необходимо учитывать
при разработке конструкций с применением перлитобе-
тоиа.
Модифицирование аглопоритобетона различных сос-
тавов также способствовало резкому повышению проч-
ности материала и улучшению его деформативиых
свойств.(табл. 8.7, по опытам В. П. Роинна).
271
Таблица 8.7. Свойства аглопоритобетонополимера
Песок в/Ц Средняя плот- ность ис- ходного бетона, КГ/ Ms Привес полимо- ра. % Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа
образцов
конт- роль- ных модифи- цирован- ных конт- роль- ных модифи- цирован- ных
Кварце- вый 0,5 0,7 2100 1850 8,2 12,7 42 26 90,9/87,3 90,6/89 5,5 3,2 18/14 18,4/15
Аглопо- ритовый 0,85 0,85 1760 1720 14,5 19,8 22 14 75/73 73/71 3,8 1.8 14/12,4 12,4/11,8
Примечание. До черты — результаты испытания образцов с ра-
диационной полимеризацией; после черты —с термокаталитической
Автором совместно с X. И. Мумиджановым были про-
ведены испытания бетоиа и бетоиополимера на основе
безобжигового зольного гравия. Подобный гравий полу-
чают путем гранулирования на тарельчатых гранулято-
рах тоикомолотой смеси золы с 10—15 % цемента. Гра-
вий имеет среднюю плотность 950 кг^м3, на его основе
можно готовить облегченные н легкие конструктивные
бетоны, прочность гравия около 4 МПа, крупность 5 —
10 мм. В опытах использовали два состава при расходе
цемента 350 кг^м3: первый — на обычном кварцевом пес-
ке, второй — на золе в качестве мелкого заполнителя.
Образцы после пропаривания по режиму 2+4+2 ч при
85 бС высушивали и пропитывали метилметакрила-
том с 4 % перекиси бензоила с последующей полимери-
зацией термокаталитическим способом в горячей воде
Таблица 8.8. Свойства бетонополнмера иа беэобжиговом
зольном гравии
№ серии Средняя плотность исходного бетоиа.кг/м' Привес полимера, % Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе. МПа
образцов
конт- рольных модифи- цирован- ных конт- рольных модифи- цирован- ных
1 2 1900 1500 7 18,8 54 14 127 59 7,7 4,3 15,2 9
272
прн 80 °C. Пропитка метилметакрилатом легкого бето-
на на безобжиговом зольном гравии значительно повы-
сила его прочность (табл. 8.8).
Представляет интерес рис. 8.5, на котором показано
изменение водопоглощеиия образцов прн длительном
выдерживании их в воде. В этом случае основное насы-
щение материала проходит в течение первых суток, а
затем водопоглощение изменяется незначительно. Неко-
торое отличие наблюдается только в поведении бетоно-
полимера иа безобжиговом зольном гравии и мелком
зольном заполнителе. В этом случае вследствие некото-
рого снижения непроницаемости растворной части отме-
чается хотя и медленное, но постепенное увеличение
водопоглощеиия материала со временем. Первоначаль-
ное водопоглощение — это проникание влаги в микроде-
фекты структуры поверхностных слоев, которые могут
быть несколько обеднены мономером за счет его частич-
ного растворения в водной среде во время полимеризации.
Увеличение водопоглощеиия в последующем—это незна-
чительное проникновение влаги через микродефекты
структуры раствора и незаполненные поры золы в более
глубокие слои материала. Однако, как показали специ-
альные испытания, глубина проникания жидкости в бе-
тонополнмер в течение длительного времени редко пре-
вышает 2—3 мм даже в бетоны иа пористых заполни-
телях. Однако при создании структур с контактным
расположением пористых заполнителей глубина прони-
кания может увеличиться.
цемента, песка и дробленой
Таблица 8.9. Свойства
древобетоиополимера
Разновидностью легкого бетоиа является древобе-
тои, получаемый из смеси
древесной стружки. В ре-
зультате пропитки метил-
метакрилатом и последу-
Образцы
ющей радиационной по-
лимеризации (привес по-
лимера составил около
18%) в несколько раз по-
Показатель
конт-
роль-
ные
модифи-
цирован-
ные
высилась прочность И СНИ-
ЗИЛОСЬ водопоглощение
образцов древобетона со-
става 1: 0,9 :0,09 (по мас-
се) (табл. 8.9). Подобный
древобетонополнмер со-
храняет свои свойства в
Предел проч-
ности при сжа-
тии, МПа
Средняя плот-
ность, кг/м3
Водопоглоще-
ние, %
8,8
1,53
17,6
47,5
1,67
2,6
18—210
273
в л
и 1 2 3 4 5 ^сут
Рис. 8.Б. Кинетика иодопоглощеняя
образцов из легкого бетона на без-
обжиговом зольном гравии
/, /' — соответственно бетон и бето-
иополимер на золе; 2. 2' — то же,
на кварцевом песке
Рис. 8.6. Относительное
изменение прочности на
сжатие (коэффициент
стойкости Кст) при ис-
пытании аглопоритобето-
нополнмера на кварце-
вом (л, б, в) и аглопо-
ритовом песке (е) в раз-
личных агрессивных сре-
дах
а — термокаталитиче-
ская полимеризация в
парафине; б — термока-
талитическая полимери-
зация в водной среде;
в — радиационная поли-
меризация в водной сре-
де; г — термокаталитиче-
ская полимеризация в
парафине; /—10 % H5SO«;
2-10% НС1; 5-10 %-
ная уксусная кислота:
4-10% NaOH
течение длцте.цьиого времени, что открывает определен-
ные перспективы По более рациональному использова-
нию различны^ отходов для производства строительных
изделий.
Высокая ие.проницаемость пропитанной растворной
части в в ряду, случаев повышенная стойкость запол-
нителя к коррозии создают условия для получения на
основе легкого бетойополимера материалов, стойких в
определенных условиях. В качестве примера можно
привести данные автора и В. П. Роиина о коррозионной
стойкости бетоиополимеров на основе аглопоритобетоиа
и стирола при радиационном и термокаталитическом ме-
тодах полимеризации и применении различных гермети-
зирующих сред.
В качестве агрессивных сред использовали раство-
ры неорганических и органических кислот (НС1, H2SO4
и уксусной) концентрацией 1 н 10%, раствор едкого
натра такой же концентрации, а также насыщенный
раствор сильвинита (KCl-NaCl; у=1,12 г/см3).
При применении растворов кислот и щелочи образ-
цы 40X40X160 мм выдерживали в соответствующих
средах, периодически подвергая испытаниям для опре-
деления изменения прочности на сжатие и изгиб дина-
мического модуля упругости (резонансным методом), а
также потери массы.
Методика коррозионных испытаний в условиях соле-
вой агрессии учитывала условия эксплуатации бетон-
ных и железобетонных конструкций соледобывающих и
солеобогатительных предприятий. Образцы из бетоио-
полимера и контрольного аглопоритобетоиа периодичес-
ки насыщали раствором сильвинита в течение I сут с
последующим высушиванием при 45—50°C в течение
2 сут. Через каждые 10 циклов определяли прочность и
динамический модуль упругости образцов.
Кинетика процессов коррозии показана на рис. 8.6
на основе изменения коэффициента стойкости /ССт, пред-
ставляющего собой отношение предела прочности об-
разца после хранения в агрессивных средах к прочности
перед началом испытаний. Наиболее агрессивной сре-
дой оказалась сериая кислота.
Определенное влияние на скорость коррозии оказы-
вает концентрация агрессивной фазы, особенно серной
кислоты. Прн повышении ее концентрации с 1 до 10%
Хет снижается для предела прочности прн изгибе на
50 %, а для прочности на сжатие — на 35 %
Эксперименты показали зависимость коррозионной
стойкости бетоиополимеров от вида герметизирующей
среды, а в' некоторых случаях и от метода полимериза-
ции. Лучшие результаты получены при использовании
в качестве герметика парафина и низкомолекулярного
полиэтилена. Характерно, что в этом случае не прояв-
18*
275
ляется влияние метода полимеризации на коррозионную
стойкость. При оценке особенностей формирования по-
верхностных пропитанных слоев необходимо учесть
взаимодействие парафина и стирола. На рис. 8.7 приве-
дены кривые растворения парафина в стироле. В про
цессе полимеризации содержание парафина в стироле
уменьшается. При этом он заполняет поры и дефекты,
возникающие в процессе полимеризации, способствует
уменьшению усадки материала и повышению плотности
поверхностных слоев бетонополимера, а значит, и кор-
розионной стойкости аглопоритобетоиополимера. По-
добные результаты получаются при полимеризации в
среде низкомолекулярного полиэтилена. Протекающие
при этом физико-химичес-
кие процессы аналогичны
процессам при использова-
нии парафина.
В случае применения в
качестве герметика воды на-
блюдается небольшая поте-
ря мономера из поверхно-
стных слоев бетона при по-
лимеризации, что снижает
их плотность и соответствен-
но способствует протеканию
коррозионных процессов.
Вследствие этого в ходе кор-
розионных испытаний на-
блюдаются более интенсив-
ное снижение Кст я большая
потеря массы по сравнению
Рис. 8.7. Изменение содержания
стирола М в парафине герметизиру-
ющего слоя при термокаталитичес-
кой полимеризации
/ — температура полимеризации
55 °C: 2 — то же, 110 °C; 3 — то же,
125 °C: 4 — в парафине, предвари-
тельно насыщенном стиролом
Рис. 8.8. Изменение динамического модуля упругости, определенного в*
ИМЧК-2, при периодическом насыщении раствором сильвинита я высушивании
I — аглопоритобетона иа кварцевом песке марки М. 300; 2 — тяжелого бетона
марки М 300; 3 — аглопоритобетоиополимера
276
с бетоиополимером, заполимеризоваиным в парафине и
низкомолекулярном полиэтилене.
Применение радиационной полимеризации, которая
проводится при температуре около 20—30 °C, замедля-
ет массоперенос мономера в герметизирующую среду и
создает более высокую концентрацию полимерной фа-
зы в поверхностных слоях изделия, что в свою очередь
повышает коррозионную стойкость аглопоритобетонопо-
лимера. Для бетонополнмера на основе аглопорито-
вого песка наблюдается большее снижение коррозион-
ной стойкости во всех перечисленных средах, чем в бе-
тоне иа кварцевом песке (см. рис. 8.6,г).
Таким образом, легкие бетоны на керамическом за-
полнителе, модифицированные полимером, обладают
определенной стойкостью в щелочной среде и ограни-
ченной коррозионной стойкостью в растворах кислот.
Для них применимы рекомендации, сделанные для тя-
желых бетонополимеров.
Процесс коррозии цементных бетонов в условиях
периодического насыщения раствором сильвинита н вы-
сушивания имеет свои особенности. В этом случае пе-
риод испытания может быть разбит на два этапа. В те-
чение первого при высушивании наблюдается выпаде-
ние кристаллов соли из пересыщенного раствора в
порах бетона. Это ведет к уплотнению системы и неко-
торому временному повышению прочностных и дефор-
мативных показателей бетона.
По мере накопления кристаллообразований в порах
материала действие кристаллизационного давления, а так-
же расклинивающее действие жидкой фазы вызывает
микроразрушение и приводит к бурному развитию кор-
розии материала, т. е. наступает второй этап. Особен-
но интенсивно это происходит в тяжелых бетонах (рис.
8.8, кривая 2). В аглопоритобетоне с более высокой Ка-
пиллярной пористостью имеется большой резервный
объем пор для роста кристаллообразований, прн этом
в силу повышенной деформативиости происходит пере-
распределение напряжений и деструкция иосит более
замедленный характер (рис. 8.7, кривая /).
При заполнении капиллярных пор бетона высоко-
прочным, химически стойким полистиролом в бетонопо-
лнмере значительно повышается стойкость материала в
Условиях солевой агрессии (рнс. 8.7, кривая 3). По су-
ществу коррозия материала в этом случае не наблюда-
1 — пропитанный образец; 2 — не-
пропитанный образец; 3 — режим
прогрева
ется. В. П. Рониным была исследована коррозионная
стойкость реальных бетонных и железобетонных изде-
лий в условиях солеобога-
тительной фабрики. Пред-
варительно изделия про-
питывали полистиролом
иа глубину 5—15 мм. Пос-
ле пяти лет эксплуатации
изделия с поверхностной
пропиткой не имели сле-
дов коррозии.
Ячеистые бетоны —
это особолегкие бетоны с
большим числом (до 85 %
общего объема бетона)
мелких и средних воздуш-
ных ячеек размером до
1—1,5 мм. В ячеистых бе-
тонах по существу имеют-
ся две группы пор — мель-
чайшие поры твердого
скелета и более крупные
ячейки, получаемые либо
путем газообразования в
уложенном материале, ли-
бо путем вспенивания ма-
териала в процессе его
приготовления. Соответ-
ственно после обработки
такого материала струк-
тура полимера также бу-
дет состоять из тонкодис-
персиых образований, за-
полняющих поры стенок
ячеистой массы, и из по-
Рнс. 8.10- Изменение свойств газо-
бетона в результате его пропитки
метилметакрилатом с последующей
радиационной полимеризацией
А 2- прочность иа сжатие соот-
ветственно газобетона и газобето-
нополнмера; 3—привес полимера;
4, 5 — водопоглощение соответст-
венно газобетона и газобетонопо-
лнмера
278
лимера, заполняющего эти ячейки. Ячеистые бетоны об-
ладают большей полимероемкостью, чем легкие бетоны
на пористых заполнителях.
Ячеистые бетоиы могут иметь различную среднюю
плотность: от 300—600 кг/м3 у особолегких бетонов с
прочностью 0,4— 1,2 МПа до 600— 1200 кг/м3 у ячеис-
тых бетонов с прочностью 2,5—15 МПа. Соответст-
венно при пропитке этих бетонов будут получаться
бетонополимеры различной средней плотности и проч-
ности.
Как правило, для получения ячеистых бетонов ис-
пользуют автоклавную обработку. Правильный подбор
состава бетона и выбор оптимальных технологических
режимов способствуют получению более прочной мелко-
порнстой структуры н тем самым обеспечивают произ-
водство более качественного бетона и соответственно
бетонополнмера.
Высокое содержание мономера в газобетоне и его
значительная усадка прн полимеризации приводят к
тому, что при обработке газобетона проявляются значи-
тельные деформации, которые намного превосходят де-
формации от нагрева и охлаждения газобетона.
М Я. Кривицкий (НИИЖБ) проводил обработку в ав-
токлаве с замером деформаций газобетона, пропитан-
ного метилметакрилатом (рис. 8.9). Следует заметить,
что в данных опытах была использована повышенная
температура на втором этапе полимеризации, что отра-
зилось на поведении образцов; одиако и деформации,
возникающие при других режимах обработки газобето-
нов, более значительны, чем при обработке обычных тя-
желых бетонов. Это необходимо учитывать, так как
значительные деформации могут вызва-ть появление не-
желательных деструктивных явлений и возиикновенне
микротрещии.
Изучение влияния средней плотности и а свойства га-
зобетонополимеров проводилось иа силикатных газобе-
тонах. Для производства автоклавного газобетона при-
меняли известь, содержащую 70 % активного СаО,
кварцевый песок с удельной поверхностью 5200 см2/г и
алюминиевую пудру, соотиошеине извести и песка —
1:1. Различные значения средней плотности получали,
изменяя водотвердое отношение и количество алюмини-
евой пудры. Пропитку газобетона метилметакрилатом
и его полимеризацию в порах материала производили
279
Рис. 8.11. Структура га-
зобетоиополимера
Слева — X100: справа — X 1,5
различными технологическими приемами с целью полу-
чения различного привеса полимера в объеме газобе-
тона.
Содержание полимера в газобетоне было максималь-
ным при следующем режиме: сушка материала при
85 °C до постоянной массы, вакуумирование образцов,
пропитка метилметакрилатом при избыточном дав-
лении 100 кПа и радиационном отверждении моно-
мера.
На рис. 8.10 показано влияние средней плотности на
свойства газобетона после пропитки его метилметакри-
латом с последующей полимеризацией мономера в теле
бетона.
Окончательная прочность бетонополнмера зависит от
первоначальной прочности газобетона. При полной про-
питке прочность материала как иа сжатие, так и иа рас-
тяжение возрастает в 12—18 раз. Однако расход моно-
мера значителен, хотя часть крупных пор (20—40 %) и
остается незаполненной (рис. 8.11). /как показывают
результаты опытов, содержание полимера в порах газо-
бетона увеличивается с уменьшением его средней плот-
ности и с увеличением пористости и достигает75—120 %,
что значительно удорожает стоимость технологической
обработки газобетона. Поэтому в ряде случаев целесо-
образно использовать технологические приемы, направ-
ленные на уменьшение содержания полимера в газобе-
тоне.
Визуальный осмотр и изучение структуры газобето-
нополимера под микроскопом показывают, что полимер
располагается в основном в стенках пор газобетона, ио
280
Bn>/° ЯсицМПа.
с увеличением средней плотности последнего более мел-
кие поры также заполнены полимером.
Водопоглощение газобетоиополимера по сравнению
с газобетоном уменьшается в значительной степени,
причем отмечаемое водопоглощение по существу явля-
ется водопоглощением поверхности материала и не из-
меняется в течение длительного времени.
Влияние привеса полимера на свойства газобетона
определяли на газобетоне со средней плотностью
500 кг/м3. Различного привеса полимера в газобетоне
добивались разными технологическими приемами; при-
менением (илн неприменением) предварительного ва-
куумирования, различным избыточным давлением прн
пропитке бетона мономером и изменением продолжи-
тельности пропитки, а также изменением дозы облуче-
ния при радиационном отверждении. При этом было до-
стигнуто снижение максимального привеса мономера
со 102 до 20 %. Для газобетона наблюдается та же за-
висимость повышения прочности с увеличением привеса
полимера, как и в обычном бетоне (рнс. 8.12), однако
количественные коэффициенты будут здесь другими, так
как эффективность использования полимера в связи с
изменением структуры материала меняется. Если глав-
ной целью является повышение не прочности, а долго-
вечности материала, то целесообразно проводить моди-
фицирование газобетона с достижением минимального
привеса полимера, так как в этом случае его водопогло-
281
щенне резко снижается даже при относительно неболь-
шом повышении прочности.
В технологии газобетона известна поверхностная
пропитка нефтяными битумами, смесью нефтяного би-
тума с петролатумом или другими подобными матери-
алами для повышения водостойкости изделий.
И. Б. Удачкии [63] показал, что подобная обработка в
сочетании с объемной гидрофобизацней путем введения
в газобетонную смесь при ее приготовлении специаль-
ных добавок обеспечивает надежную работу конструк-
ций в условияих повышенной влажности (в цокольных
панелях сельскохозяйственных зданий, в кровельных
панелях). Пропитка мономерами еще в большей степени
повышает долговечность изделий.
Как показали опыты, коэффициент размягчения мо-
дифицированных образцов газобетона после выдержи-
вания нх в воде в течение 10 сут приближается к едини-
це (рис. 8.13), в то время как у обычного газобетона
значение этого коэффициента значительно ниже. Для
получения высокого коэффициента размягчения доста-
точна пропитка изделия на глубину 1—2 см с созданием
водонепроницаемого слоя по поверхности образца или
изделия. Поскольку для газобетона свойствен более
высокий расход полимера для пропитки, целесообразно
обрабатывать лишь поверхностные тонкие слои. При
этом для получения более экономичных решений целе-
сообразно в некоторых случаях применять разиоплот-
ные изделия, поверхностные слои которых после пропит-
ки будут иметь повышенную плотность, и соответствен-
но будет расходоваться меньше полимера, а плотность
и долговечность изделия будут возрастать более значи-
тельно.
Необходимо остановиться иа той особенности получе-
ния газобетонополимеров, которая возникает из-за низ-
кой прочности их структуры н высокого содержания по-
лимера. При полимеризации мономера происходит его
значительная усадка, при этом может наблюдаться
стягивание мономера в определенных объемах с пояпле
инем обедненных мономером зон, а также возможно
возникновение микро- и макротрещин и других дефек-
тов в бетоне. Кроме того, в зависимости от структуры
материала будут изменяться условия его полимериза-
ции, что требует корректировки режимов полимери-
зации.
282
Интересные результа-
ты были получены амери-
канскими исследователя-
ми [133], которые пропи-
тывали образцы пеностек-
ла: после достижения оп-
ределенного привеса мо-
номера дальнейшее уве-
личение содержания поли-
мера в теле материала не
привело к увеличению его
прочности (рис. 8.14). Это
может быть объяснено ря-
дом деструктивных явле-
ний. Поэтому обработка
газобетонов требует тща-
тельной подготовки и хо-
рошо отлаженных техно-
ггСк,мпа
Рмс. 8.14. Влияние привеса полимера
на свойства модифицированного пено-
стекла
логических режимов.
Газобетоны можно пропитывать также более вязки-
ми, чем метилметакрилат и стирол, составами, например
полиэфирами или смесями иа их основе и рядом дру-
гих подобных материалов. В результате достигаются
пропитка только поверхностных слоев материала и не-
значительное повышение прочности бетона (иа 20—
60%)- Однако при этом значительно повышаются водо-
стойкость и долговечность материала. Кроме того, ему
могут быть приданы особые декоративные свойства.
В легких бетонах иа нитях полимерной сетки имеет-
ся большое число утолщений, в которых полимер (с точ-
ки зрения прочностных свойств) используется менее ра-
ционально. В результате если в обычном бетоне, где
имеется много тонких нитей полимера, каждый процент
содержания полимера обеспечивает повышение прочно-
сти иа 10—20 МПа, то в керамзнтобетоие это повышение
прочности составляет 0,4—4 МПа, причем уменьшается
с уменьшением средней плотности керамзитобетоиа.
Чем легче бетон, тем больше в нем средних и крупных
пор и тем большая часть полимера расходуется на их
заполнение, мало участвуя в создании сетки дисперсно-
го армирования. В газобетоне повышение прочности по-
сле обработки на каждый процент содержания полиме-
ра составляет 0,15—1 МПа, также уменьшаясь с пони-
жением средней плотности и полноты пропитки.
283
СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНОПОЛИМЕРЫ
При автоклавной обработке силикатного бетоиа в
результате взаимодействия извести с кремнеземом об-
разуются значительные количества гидросиликатов
кальция, определяющие строительно-технические свой-
ства материала. Автоклавная обработка создает усло-
вия для ускорения всех физико-химических процессов,
в результате более эффективно используется вяжущее.
Песок не только играет роль заполнителя, но и химичес-
ки взаимодействует с гидроокисью кальция, вследствие
чего зерна песка оказываются склеенными новообразо-
ваниями. что сказывается на прочностных свойствах бе-
тоиа. В отличие от обычного у силикатного бетоиа
структура складывается в процессе автоклавной обра-
ботки и в дальнейшем существенно не изменяется.
Суммарная пористость силикатного бетона находится в
пределах 26—30%, при этом диаметр капилляров в 2—
3 раза больше, чем у бетонов нормального твердения.
Это обусловливает понижение некоторых показателей,
связанных с его долговечностью. Для повышения дол-
говечности принимают различные меры: правильный
выбор параметров производства автоклавных силикат-
ных материалов; оптимальные минералогический и грану-
лометрический составы вяжущего вещества; создание иа
его поверхности тонких пленок веществ, не пропускаю-
щих агрессивные растворы или затрудняющих их про-
никание в бетон (например, кремнийоргаиическнх соеди-
нений, эпоксидных смол и др.); обработку поверхности
растворами солей или кислот, которые вследствие взаи-
модействия с гидратом окиси кальция образуют менее
растворимые соли кальция; искусственную карбониза-
цию. Однако все зти способы дают возможность улуч-
шить свойства силикатного бетона только в определен-
ных пределах. Более радикальным способом уменьше-
ния пористости, улучшения структуры, повышения
физико-механических показателей и долговечности
является пропитка силикатного бетона мономерами с
последующей полимеризацией. Свойства силикатного
бетонополнмера определяются как свойствами исходно-
го бетона, так и технологией обработки, которая опре-
деляет полноту заполнения пор полимером и качество
последнего.
Глубина и скорость пропитки силикатного бетона за-
284
висят от структуры силикатного бетона и свойств про-
питочного материала.
С. Б Милковым и автором была изучена технология
силикатного бетоиополимера. В этих опытах воду из бе-
тоиа удаляли высушиванием до постоянной массы при
150°С, так как сушка силикатного бетона при темпера-
турах ниже 200 °C не оказывает заметного влияния на
структуру и соответственно на предел прочности при
сжатии иепропитаниых образцов. Продолжительность
высушивания определяется размерами образца и кон-
центрацией вяжущего в бетоие: чем больше концентра-
ция вяжущего, тем выше начальная равновесная влаж-
ность автоклавного силикатного бетоиа и тем больше
времени потребуется для достижения заданной остаточ-
ной влажности после сушки. После сушки в течение 8 ч
остаточная влажность у бетонов с расходом вяжущего
300, 400, 500 кг/м3 соответственно составила 0,105;
0,186; 0,229 % по массе.
Воздух, содержащийся в порах бетоиа, затрудняет
пропитывание материала. Поэтому высушенные и ох-
лажденные до комнатной температуры образцы сили-
катного бетона подвергали вакуумированию для уда-
ления воздуха из пор при глубине вакуума 3,9; 48 и
100 кПа. В первом случае (3,9 кПа) максимальное во-
допоглощеиие достигается в течение 2,5—3,5 ч, в то
время как при атмосферном давлении (100 кПа) мак-
симальное водопоглощение достигается за 7—8 ч. Сте-
пень насыщения вакуумированных образцов (по срав-
нению с иевакуумнроваиными) увеличивается на 16 —
20%. Прн более глубоком вакууме изменяется и кине-
тика насыщения: водопоглощение в начальные сроки
происходит гораздо быстрее (рис. 8.15).
На степень пропитки при одном и том же давлении
оказывает влияние продолжительность вакуумирования.
Режим вакуумирования при определенной глубине ва-
куума зависит от размера образца и должен определять-
ся опытным путем..
Критерием полного вакуумирования является период,
в течение которого давление в центре образца выравни-
вается с давлением в камере.
Другим показателем, который влияет на скорость и
степень пропитки бетона, является вязкость мономера.
Как уже указывалось, хорошим пропиточным материа-
лом является метилметакрилат. Вязкость ММА, полу-
283
Рис. 8.1Б. Зависимость водопоглощення
силикатного бетона от глубины яакуу-
мированин
/ — 3.9 кПа; 2—48 кПа; 3—100 кПа
ценная на вискозимет-
ре капиллярного типа
ВПЖ-2, составила
1 мин 10 с, такую же
вязкость имеет моно-
мер непосредственно
после смешения с ини-
циатором. Вязкость ди-
стиллированной воды
1 мин 58 с.
Количество инициа-
тора тоже влияет на
скорость пропитки.
У всех исследованных
составов с содержани-
ем инициаторов 0; 1;
2 % перекиси бензоила
вязкость, определенная на вискозиметре капиллярного
типа, приблизительно одинакова. Образцы пропитывали
при одинаковых условиях (при глубине вакуума 3,9 кПа)
с последующей выдержкой прн атмосферном давлении
и 20 °C. Если степень пропитки, полученной через 24 ч,
принять за 100 %, то пропитка через 1 ч после погруже-
ния составила: у образцов, пропитанных ММА с 2 %
перекиси бензоила, — 83 %, с I % перекиси бензоила —
85%, у образцов, пропитанных чистым мономером,—
97,8%.
Уменьшение скорости пропитки с увеличением коли-
чества перекиси бензоила, по-видимому, связано с мо-
лекулярно-ситовым эффектом, в результате проявления
которого инициатор, оседая в порах и капиллярах,
уменьшает их сечеиие, вследствие чего затрудняется
проникание мономера в бетон. На конечную полимеро-
емкость бетона количество инициатора не влияет.
Содержание полимера зависит от объема пор в си-
ликатном бетоне. Однако мономером заполняются толь-
ко те поры, которые сообщаются с поверхностью образ-
ца и между собой. Следовательно, для пропитки моно-
мером определяющее значение имеет так называемая
кажущаяся пористость, равная отношению суммарного
объема всех пор и капилляров, сообщающихся с поверх-
ностью образца и между собой, к его объему. Кажущу-
юся пористость можно определить по кинетике водоиа-
сыщения бетона. М. И. Бруссером разработан графо-
286
аналитический метод определения этих характерис-
тик— кажущейся пористости, среднего размера пор и
их однородности. Нами получены характеристики струк-
турной пористости силикатного бетона с разным коли-
чеством вяжущего, с разными заполнителями, с добав-
кой СДБ (табл. 8.11). Для силикатного бетона всех
составов с увеличением вяжущего максимальноеводопо-
глощенне возрастает, т. е. относительная доля пор, до-
Таблица 8.11. Влияние количества вяжущего, вида заполнителя
и добавки на структурную пористость бетона
Заполнитель Коли- чество вяжуще- го. кг/м1 Макси- мальное водонасы- щение, % Характерис- тика среднего размера капил- ляров %. В ариация размеров ка- пилляров а
Песок (без до- 300 16,77 0,572 0,69
бавки) 400 17,9 0,457 0,67
500 18,5 0,300 0,62
Песок с 0,2 % 300 16,23 0,270 0,53
СДБ 400 18,3 0,180 0,55
500 20,75 0,155 0,47
Песок и щебень 300 13,9 0,470 0,49
(без добавки) 400 14,7 0,280 0,41
500 15,7 0,330 0,29
ступиых для проникания жидкости, возрастает с увели-
чением вяжущего. В то же время средняя пористость
уменьшается. Тощие бетоны имеют более крупные поры,
что влияет иа скорость пропитки (см. табл. 8.11).
С уменьшением среднего размера пор проникание мо-
номера в бетон затрудняется, а при его высокой вязкос-
ти может даже приостановиться. Пропитка затрудняет-
ся при применении в качестве добавки СДБ.
Пропитанные образцы подвергали термокаталнти-
ческой полимеризации при 75—85 °C. В качестве иници-
атора применяли перекись бензоила и гипериз. При
этом очень важно принять меры для уменьшения или
предотвращения испарения мономера. При обворачнва-
ннн полиэтиленовой пленкой во время полимеризации
улетучивается 7,7—8,8 % мономера, пропитавшего об-
разец. Прн проведении полимеризации под водой нспа-
287
Рис. 8.1в. Микроструктура силикатного бетона (слева) и бетонополимера
(справа)
рение по сравнению с обворачиванием пленкой еще бо-
лее замедляется. Процесс полимеризации начинается с
поверхности образца и по мере прогрева перемещается
к центру. Чем быстрее заполимеризуется поверхностный
слой, тем меньше будет потеря мономера. Полимериза-
ция ММА в водной среде вследствие лучшей теплопере-
дачи к поверхности образца или изделия проходит быст-
рее, а это способствует быстрому образованию поверх-
ностной пленки.
Пропитка силикатного бетона с последующей поли-
меризацией изменяет его макро- н микроструктуру.
Уменьшается пористость бетона, улучшается сцепление
между цементным камнем и заполнителем. При пропит-
ке заполняются не только поры, но н существующие в
структуре бетона дефекты, что положительно сказыва-
ется иа свойствах бетона (рис. 8.16).
Прн определении свойств силикатного бетонополи-
мера использовали известково-песчаное вяжущее с оп-
тимальным соотношением окисн кальция к двуокиси
кремнезема 1 :1,5 н удельной поверхностью примерно
5000 см2/г. Образцы-кубики с ребром 5 см и балочки
4X4X16 см уплотняли на внбростоле с частотой
3000 мни-1 и амплитудой 0,5 мм. Подвижность бетон-
ной смеси на встряхивающем столике составляла 110 —
120 мм. Автоклавную обработку проводили по режиму
34-8-1-3 ч прн 174,5 °C.
После изготовления образцы силикатного бетона вы-
сушивали, насыщали метилметакрилатом с перекисью
бензоила, нагревали до 75—85 °C для полимеризации
288
Таблица 8.12. Свойства силикатного бетона и бетонополимера
Состав Вид бетона п
Показатель гтво ра. % е я я 1 1 о. 4>' К X
fh *8 Из О 1
Прочность, МПа:
на сжатие 300 1:5 12 36 172 4,78
300 1:5,7 11,32 46 176 3,82
300 1:5,7 9,1 52 168 3,23
400 1:4 8,8 76 164 2,16
500 1:3 8,62 84 169 2
на раскалывание 300 1 5,8 10,3 3,3 11,6 3,5
400 1:4 9,45 4,6 12,1 2,64
500 1:3 8,95 5,6 12,7 2,52
на растяжение при из- 300 1:5,7 7,7 7,6 25 3,3
гибе 400 1:4 7.14 9,5 25,7 2,7
500 1:3 7,43 10,8 28 2,6
призменная 400 1:4 8,42 60,4 112,5 1,87
Модуль упругости при 400 1:4 8,42 2,57 3,89 1,51
сжатии, МПа -10-
Предельные деформа- 400 Г.4 8,42 2—2,5 2,7—3,5 1,2—
нии при сжатии, мм/м 1,7
Истираемость, г/см2 400 1:4 8,9 0,200 0,144 1,44
Водопоглощение, % по 300 1:5,7 10,2 21,9 1,35 16,2
объему 400 Г.4 9,62 23,4 1,16 20,2
500 1:3 9,55 24,2 1,3 18,6
мономера непосредственно в теле бетона. Такая обра-
ботка заметно улучшила свойства бетона (табл. 8.12).
Наибольшее упрочнение наблюдается у бетонов с бо-
лее низкой прочностью и меньшнм расходом вяжущего,
что делает такие бетоны, учитывая также их лучшую
пропитываемость, более пригодными для получения си-
ликатного бетонополимера.
Повышение прочности бетона при обработке объяс-
няется рядом причин. Прежде всего полимер заполия-
19-210
289
ет часть пор бетона, снижая пористость с 17—25 до 5—
10 % .Основываясь на известном утверждении, что сни-
жение пористости на I % увеличивает прочность приб-
лизительно на 5%, надо было ожидать увеличения
прочности всего иа 60—75 % Одиако в действительно-
сти увеличение прочности бетонополнмера в 2—3 раза
больше. Это еще раз подчеркивает, что бетонополимер
является композиционным материалом, состоящим из
взаимно проникающих непрерывных каркасов, причем
полимер «залечивает» дефекты бетоиа, повышает адге-
зию между составляющими, как бы дополнительно дис-
персно армирует бетон. При нагружении таких комбини-
рованных систем нагрузки распределяются более рав-
номерно, уменьшается вероятность разрыва по дефек-
там, возрастает сопротивление материала внешним на-
грузкам.
Прочность на растяжение определяли на образцах-
кубах с ребром 5 см путем раскалывания. Как при сжа-
тии, так и при растяжении прочность непропитанного
бетона растет с увеличением количества вяжущего.
Вместе с тем этот показатель ие влияет иа прочность
при растяжении пропитанного бетона. Прочность бетона
после обработки увеличивается в 2,75 — 3,75 раза, а от-
ношение прочности на сжатие к прочности на растяже-
ние силикатного бетонополнмера находится в пределах
9—14, т. е. приблизительно в тех же пределах, что и у
обычного силикатного бетона.
На изгиб испытывали балочки 4X4X16 см. Проч-
ность иа растяжение при изгибе силикатного бетонопо-
лимер а находится в пределах 23—28 МПа, т. е. возрас-
тает в 2,6—3,3 раза. Призмеииую прочность, деформа-
тивность и модуль упругости определяли иа образцах
4X4x16 см. Призменная прочность силикатного бето-
нополимера по сравнению с исходным бетоном увеличи-
лась примерно в 2 раза. Отношение призменной прочно-
сти к прочности иа сжатие у обычного силикатного
бетона составило 0,87, а у пропитанного бетона —
0,72.
Зависимость деформаций от напряжений для плотно-
го силикатного бетона изменяется по криволинейному
закону, ио значительно более прочная связь цементного
камня с заполнителями приводит к увеличению доли уп-
ругой деформации, и поэтому в наших опытах до напря-
жений, составляющих 0,6—0,65 предела прочности, со-
290
хранилась линейная зависи-
мость между напряжениями
и деформациями.
Предельные деформации
силикатного бетона при сжа-
тии составили 2—2,5 мм/м.
У силикатного бетонополи-
мера предельные деформа-
ции были и а 20—67 % боль-
ше. На кривой «напряже-
ния-деформации» проис-
ходит увеличение линейно-
го участка. Линейная зави-
симость о—в сохраняется до
напряжений 0,75—0,80 /?Пр,
но и до самого разрушения
отклонение от линейной за-
Рис. 8.17. Зависимость деформаций
от напряжений для силикатного
бетонополнмера (?) и бетона (2)
виснмости не превышает
5% (рис. 8.17). Коэффици-
ент Пуассона для силикатно-
го бетоиа сохранял постоянные значения до напряжений
0,65—0,7 /?пр, а для силикатного бетонополнмера — до
0,7—0,88 /?пр.
Модуль упругости автоклавного силикатного бетона
при той же крупности заполнителя меньше
(2,57-104 МПа), чем модуль упругости равнопрочно-
го цементного бетоиа нормального твердения. Про-
питка бетоиа метилметакрилатом с последующей по-
лимеризацией повысила модуль упругости примерно
иа 50 % •
Истираемость определяли на истирающем круге
ЛКИ-2. После 448 оборотов она составила для силикат-
ного бетоиа 0,206 г/см2 и для силикатного бетонополи-
мера 0,144 г/см2. Водопоглощение у силикатного бетоно-
полимера в 16—20 раз меньше, чем у обычного силикат-
ного бетоиа, и составляет 1,16—1,3% по объему.
Вследствие улетучивания мономера тонкий поверхност-
ный слон бетона иногда остается частично не пропитан-
ным, что влияет иа водопоглощение материала. После
снятия поверхностного слоя водопоглощение составля-
ет всего 0,77—0,8 %. Бетонополимер является практиче-
ски водонепроницаемым материалом, а указанные зна-
чения водопоглощеиия — это водопоглощение поверхно-
сти образцов.
19*
291
Таблица 8.13. Зависимость прочности на сжатие силикатного
бетонополимера от остаточной влажности бетона
Расход вяжуще- го, кг/м3 Продол- житель- ность сушки, ч Остаточная влажность бетона, % по массе Привес по- лимера, % по массе Прочность па сжатие бе- тонополиме- ра, МПа Относи- тельная прочность, % "
0 1,086 10,88 118,7 66
ЛАП 8 0,235 10,03 165,3 92,5
16 0,135 11,5 210 118
24 0 10,62 178,7 100
0 1,93 10,17 132,8 69
САЛ 8 0,76 10,07 136,3 71
01)0 24 0,05 10,03 185 96
40 0 10,46 192,5 100
Влияние
Чтобы обеспечить высо-
кое качество бетонополиме-
ра, необходимо знать, до ка-
кой остаточной влажности,
нужно сушить бетон. Резуль-
таты испытаний (табл. 8.13)
Рис. 8.18. Зависимость прочности
силикатного бетонополимера от со-
Таблица 8.14.
привеса полимера на прочность
при сжатии силикатного
бетонополимера
Привес поли- мера. % по массе Проч- ность на сжатие, МПа Удельная прочность’
Мелкозернистый бетон
8,23 137 16,5
9,12 143 15,6
11,32 176 15,5
12,45 193 15,5
12,37 192 15,5
10,75 162 15
10,75 184 17
Бетон на щебне
5,55 160 28,8
6,17 144 23,7
6,63 156 23,6
5,61 144 25,7
5,7 144 25,3
6,39 149 23,3
держания полимера
г _ бетон на щебне; 2 — песчаный
бетой; 3 — то же, с СДВ
1 Прочность на 1 % содержания
полимера.
292
позволяют сделать вывод, что достаточно производить
сушку до остаточной влажности 0,2 %
При прочих одинаковых условиях увеличение при-
веса полимера приводит к увеличению прочности сили-
катного бетонополимера (табл. 8.14). Степень упрочне-
ния зависит от структуры силикатного бетона. Для мел-
козернистых бетонов на песке удельная прочность
составляет примерно 15 МПа, а для бетонов на гцебие—
25 МПа. При принятой технологии изготовления, виде
мономера и составе исходного бетона прочность на сжа-
тие бетонополимера может быть прогнозирована в за-
висимости от содержания полимера.
С. Б. Милков [10] для оценки прочности силикатно-
го бетонополимера при изменении содержания полиме-
ра в небольших пределах и постоянстве других факто-
ров предложил формулу
Ябп = ЛМП,
где А— коэффициент, численно равный тангенсу угла наклона пря-
мой, выражающей зависимость /?вп=/(Мп), к оси абсцисс (рис.
8.18); Мп — содержание полимера в бетоне.
Морозостойкость материалов зависит от структуры,
числа и вида пор, температуры замораживания и оттаи-
вания материала, наличия в воде солей. Образец бето-
на при замораживании и оттаивании разрушается в ре-
зультате усталостных явлений, вызванных рядом факто-
ров: гидростатическим давлением воды при образовании
льда; кристаллизационным давлением льда; различием
коэффициентов температурного расширения составных
частей бетона, а также скелета бетона и льда.
Вследствие плотности и водонепроницаемости си-
ликатного бетонополимера его долговечность будет зави-
сеть только от разности температурных деформаций и
должна быть выше, чем у обычных бетонов.
В табл. 8.15 приведены результаты испытания на
морозостойкость обычного и пропитанного силикатобе-
тона при различных условиях замораживания. При ис-
пытании по стандартной методике (замораживании при
—20 °C в воде) у непропнтаииого песчаного силикатного
бетона с В/В=0,67 признаки разрушения обнаружены
после 115—160 циклов замораживания и оттаивания, а
разрушение наступило после 215—260 циклов, в то вре-
мя как бетонополимер выдержал 450 циклов без всяких
признаков разрушения.
19а—210
293
Таблица 8.15. Морозостойкость силикатного бетона (СБ)
и бетонополимеров (СБП)
Температура sa- мораживания, *С Материал Продолжитель- ность испытеиий циклы Потеря. %
масса прочности на сжатие
-20 СБ СБП 240 450 4,67 0 71 0
-50 СБ СБП 70 ПО 0 61 0
—16 СБ 4 Полная Разрушение
(в 10 %-ном NaCl) СБП 160 1,9 0
При других условиях силикатный бетоиополимер
также показал очень высокую морозостойкость.
Значительное улучшение конструктивных свойств в
сочетании с малым водопоглощеннем, большой морозо-
и коррозиестойкостью делает силикатный бетоиополимер
превосходным материалом для применения в суровых
условиях эксплуатации:
в конструкциях, работающих в средах с повышенной
агрессивностью (в цехах химического производства, в
грунтах с сульфатной агрессией и т. д.);
для покрытия автомобильных дорог н взлетных по-
лос аэродромов;
в трубах для промышленных стоков, в канализаци-
онных трубах, в обделке тоннелей и т.д.;
в конструкциях, работающих под водой и в районе
переменного уровня воды;
в специальных конструкциях (с использованием осо-
бых свойств силикатного бетонополимера).
ДЕКОРАТИВНЫЕ БЕТОНОПОЛИМЕРЫ
Улучшение эстетических качеств зданий и сооруже-
ний является важной социальной задачей. В настоящее
время в этих целях широко используют различные цвет-
ные растворы и бетоны, которые позволяют получать но-
вые художественно-эстетические решения зданий и соо-
ружений при минимальных затратах и в этом отноше-
294
инн имеют преимущество перед традиционными отделоч-
ными материалами. Однако цветные бетоны н растворы
имеют недостаточную долговечность, особенно в услови-
ях воздействия агрессивных факторов. Кроме того, цвет-
ным бетонам и растворам свойственна определенная по-
ристость в затвердевшем состоянии, что несколько ухуд-
шает свойства полированных материалов. Наличие внут-
ренней пористости и капилляров приводит к тому, что
под воздействием атмосферных факторов, в частности пе-
ременного увлажнения-высыхания, на поверхности изде-
лий и конструкций часто образуются высолы в виде пя-
тен, белых налетов, ухудшающие внешний вид конструк-
ций или зданий. Для повышения качества цветных бе-
тонов и растворов может быть использована пропитка
их мономером с последующей полимеризацией его в по-
рах бетона.
По существу можно использовать различные спосо-
бы получения декоративных бетоиополимеров: напри-
мер, приготовление цветных бетонов путем введения в их
состав того или иного пигмента и использование после-
дующей пропитки для повышения долговечности мате-
риала. Кроме того, может быть использован комплекс
мероприятий, обеспечивающий получение материалов,
максимально приближающихся по свойствам к природ-
ным декоративным камням нли другим подобным мате-
териалам. В этом случае используют цветные заполните-
ли, цементы, пигменты и подбирают соответствующие
пропиточные среды.
Многочисленные попытки получения декоративных
бетонов путем применения цветных пропиточных сред
для плотных бетонов не далн положительного эффекта,
так как для получения достаточно интенсивной окрас-
ки необходимо, чтобы цветные слои имели определен-
ную толщину. В плотном же бетоне поры и капилля-
ры имеют очень малые размеры и поэтому цвет ие про-
является должным образом. Кроме того, вследствие
молекулярно-ситового эффекта пропиточные среды рас-
слаиваются и по существу красящие вещества адсор-
бируются на поверхности бетона, не проникая на необ-
ходимую глубину и не создавая устойчивой окраски по-
верхностного слоя определенной толщины. Поэтому при-
менение цветных пропиточных составов может оказаться
полезным только при обработке бетонов с высокой по-
ристостью и с наличием достаточно крупных пор, напри-
19а*
295
мер газобетона н подобных материалов. В этом случае,
применяя сравнительво вязкие цветные пропиточные со-
ставы, можно получить определенную окраску поверх-
ностных слоев материала н прн этом значительно повы-
сить его долговечность и уменьшить водопроницаемость
Особой разновидностью декоративных материалов
могут быть композиционные материалы, поверхностный
слой которых представляет собой полимербетон, а основ-
ной материал конструкции — обычный бетон. В этом
случае вначале укладывают бетон, а затем на него нано-
сят полимербетон или наоборот. В процессе обработки
возникает промежуточный слой, представляющий собой
затвердевший бетон, пропитанный полимером. Наличие
промежуточного слоя обеспечивает хорошее сцепление
полимербетона с обычным бетоном и препятствует от-
слоению верхнего декоративного полимер бетонного слоя.
В качестве примера подобных материалов можно приве-
сти разработанные КТБ Мосоргстройматериалов изде-
лия, верхний слой которых представляет собой прозрач-
ную смолу с утопленным в нее крупным заполнителем,
а основная масса конструкции— обычный бетон. В этом
случае поверхность изделий представляет собой как бы
прозрачную систему, через которую просматривается за-
полнитель. Основная масса верхнего слоя может быть
окрашена в различные тона. Подобные материалы могут
применяться для лестничных площадок н для декора-
тивных изделий.
Другой разновидностью декоративных бетонополи-
мерных материалов являются бетоиополнмеры со вскры-
той структурой. В зтом случае непосредственно после
изготовления нзделнй на бетон наносят специальный со-
став, который, проникая в поверхностные слои бетона,
препятствует твердению цементного камня и тем самым
при последующей обработке поверхности водяной струей
обеспечивает вскрытие фактуры крупного заполнителя.
В этом случае пропитка не повышает прочность, а, на-
оборот, замедляет твердение цементного камня и тем са-
мым облегчает вскрытие структуры заполнителя. Подоб-
ные материалы, разработанные Главмосстройматериала-
ми, широко используются прн отделке различных зданий
в Москве.
Таким образом, наиболее классическим случаем де-
коративного бетонополимера является материал, полу-
чаемый путем приготовления цветного раствора и бето-
296
на с его последующей пропиткой мономером или други-
ми специальными составами. Как правило, с целью эко-
номии пигмента основную конструкцию изготовляют из
обычного бетона, а на ее поверхность наносят тонкий
слой декоративного бетона. В этом случае пропитка из-
делия мономером с последующей полимеризацией не
только повышает долговечность материала и улучшает
его декоративные свойства, но и обеспечивает необходи-
мое высокое сцепление между декоративным слоем и
основным массивом бетоиа. Для пропитки могут исполь-
зоваться различные полимеры, в том числе метилмета-
крилат, стирол, полиэфиры и ряд других. Могут исполь-
зоваться также эпоксидные композиции, сера и другие
подобные материалы, однако глубина пропитки при
этом незначительна и, как правило, ие превышает не-
скольких миллиметров.
При получении декоративных бетонополимеров иа
режим технологического процесса, а также на качество
конечного продукта заметное влияние будут оказывать
особенности структуры декоративного бетона, в том чис-
ле вид и количество вводимого пигмента органического
и неорганического происхождения, 3. X. Травкой и авто-
ром были исследованы технология и свойства декоратив-
Таблица 8.16. Характеристики поровой структуры
декоративного бетона
Пигмент Содержание пигмента, % массы цемен- та Водопогло- щение за 24 ч, % Средняя размер капилля- ров X Однородность размеров ка- пилляров а
Без пигмента 0 8,2 3,05 0,6
Минеральный 3 8 2,25 0,58
железоокисный 6 9,1 2,35 0,55
красный 9 9,9 2,3 0,56
Минеральный 3 8,7 2,8 0.85
(окись хрома) 6 9,5 3,12 0,78
зеленый 3 9,7 3,22 0,83
Органический о,1 9,1 2,35 0,97
голубой 0,2 9,6 2,67 0,94
0,3 10 2,55 0,95
297
Рис. 8-19. Влияние содержания пигмента
на кинетику пропитки метилметакрилатом
декоративного бетона
J — без пигмента; 2 — с минеральным
красным пигментом; 3 —с минеральным
желтым пигментом; 4 — с минеральным
зеленым пигментом (с окисью хрома); 5 —
с органическим зеленым пигментом; 6 —с
органическим голубым пигментом
Рис. 8.20, Влияние содержа-
ния минеральных G пм и ор-
ганических Gno пигментов
на привес иономера в деко-
ративном бетонополимере
1, 2—бетоны с минераль-
ными соответственно крас-
ного бетонополимера, получае-
мого путем применения бело-
го цемента, соответствующих
заполнителей н окраски мате-
риала тем нли иным красителем.
йым и желтым пигментами;
3 — бетон с минеральным зе-
леным пигментом (окисью
хрома); 4, 5 —бетоны с ор-
ганическими соответственно
голубым и зеленым пигмен-
тами
Модифицировали ма-
териал пропиткой метилметакрилатом.
Как показывают опыты, введение пигмента не изме-
няет существенным образом пористость бетона (табл.
8.16). Можно констатировать, что с увеличением содер-
жания пигмента пористость несколько увеличивается,
однако остается близкой к пористости исходного бетона.
Тем самым введение в бетон небольшого количества пиг-
мента как неорганического, так н органического проис-
хождения мало влияет на кинетику сушкн или пропитки
декоративного бетона. На рис. 8.19 показаны кривые ки-
нетики пропитки декоративных бетонополимеров метил-
метакрилатом. В большинстве случаев введение пигмен-
та способствует ускорению пропитки и некоторому повы-
шению содержания мономера в бетоне. В наибольшей
степени это наблюдается в декоративном бетоне с орга-
ническими пигментами. Влияние других технологических
факторов — вакуумирования, содержания инициатора и
298
прочих — на декоративные бетоиополимеры такое же,
как на обычный бетон.
Оптимальное содержание пигмента определяется его
свойствами и обычно составляет для минеральных пиг-
ментов 1—3, а для органических пигментов 0,1—0,2 %
массы бетона. Однако следует учитывать, что последу-
ющая обработка бетона, как это будет показано далее,
улучшая цветовые характеристики материалов, способ-
ствует тем самым получению достаточной интенсивности
окраски декоративного бетонополимера при меньшем со-
держании пигмента, чем в обычном цветном бетоне. Оп-
тимальное количество добавки к пигменту будет также
определяться и составом бетона.
При получении декоративных бетонополимеров надо
стремиться, чтобы расходы пигмента и мономера были
минимальными. При этом приходится решать задачу по-
лучения качественной лицевой поверхности, так как от
ее свойств будет зависеть характеристика цвета бетоно-
полимера, а также во многом будет определяться н дол-
говечность материала. При малом расходе вяжущего ка-
чество лицевой- поверхности может несколько ухудшать-
ся. С увеличением расхода вяжущего качество лицевой
поверхности улучшается, однако возрастает расход пиг-
мента и увеличивается содержание полимера в бетоне.
Наиболее качественные тонкие лицевые слои можно по-
лучить, применяя мелкозернистые декоративные бетоны
состава 1:2—1:3 при В!Цтъ приблизительно соответ-
ствующем нормальной густоте цементного камня.
Поскольку увеличение содержания пигмента, как
правило, приводит к повышению содержания полимера
в бетоне (рнс. 8.20), то желательно применять декора-
тивные бетоны и растворы с минимальным расходом пиг-
ментов, обеспечивающим получение материала заданно-
го цвета. Характеристики цвета декоративного бетоно-
полимера мало зависят от глубины модифицирования
Как показывают опыты, для получения заданных цвето-
вых характеристик достаточно модифицировать декора-
тивный бетон на глубину всего 0,3—0,7 мм, в то время
как по соображениям долговечности и обрабатываемо-
сти материала может потребоваться модифицирование
на большую глубину. Небольшая глубина модифициро-
вания для получения определенного качества декоратив-
ной поверхности позволяет упростить технологию и со-
кратить продолжительность сушки и пропитки бетона.
299
Прн модифицировании полимерами основной цвето-
вой фон (доминирующая длина волны Л) декоративного
бетона не изменяется, однако поверхность образца в не-
которых случаях может незначительно потемнеть. Чис-
тота тона (нлн насыщенность Р) после модифицирова-
ния у образцов из декоративного бетона с окисью хрома
и органическим зеленым пигментом остается без изме-
нений. У образцов, приготовленных из бетона с мине-
ральными железоокисными красным н желтым пигмен-
тами, чистота тона снижается на 2—9 % по сравнению с
образцами декоративного бетона. У бетоиа с органичес-
ким голубым пигментом чистота тона увеличивается на
10-38%.
Коэффициент отражения р поверхности декоративно-
го бетона после модифицирования снижается на 8—
20 % в зависимости от вида и содержания пигмента. Эти
результаты были получены путем измерения характери-
стик цвета на спектрофотометре СФ-10. Опыты показа-
ли, что характеристики цвета декоративного бетона с со-
держанием 9 % минерального железоокисного желтого
пигмента или окиси хрома приблизительно соответству-
ют характеристикам образцов декоративного бетонопо-
лимера с 3% пигмента. Цветовые характеристики деко-
ративного бетоиа с 0,3 % органического зеленого пигмента
соответствуют характеристикам декоративного бето-
нополимера с 0,1 % пигмента. Таким образом, модифици-
рование позволяет несколько уменьшить добавку пигмен-
та в материал для получения окраски той или иной интен-
сивности.
Влияние пропитки мономером с его последующей по-
лимеризацией в теле бетона на фнзико-механическне
свойства декоративного бетона проявляется таким же
образом, как и при модифицировании обычного бетона,
т. е. значительно возрастает прочность бетона на сжатие,
растяжение, сдвиг (табл. 8.17), уменьшается его прони-
цаемость, повышается долговечность. Введение пигмен-
та не меняет значительным образом структуру бетона,
и поэтому повышение показателей его свойств в резуль-
тате специальной обработки объясняется другими при-
чинами (см. гл. 3). Как показали опыты, прочность рас-
твора иа белом цементе в результате пропитки повыша-
ется в 2,8—4,5 раза. При этом лучшие результаты дости-
гаются при использовании фракционированных дробленых
и недробленых песков. Повышение прочности исход-
300
Таблица 8.17. Свойства декоративного бетонополимера
Пигмент Содержа- нке пиг- мента, % Привес полиме- ра. % Предел прочности, МПа Характеристика цвета
при сжатия при изгибе при сдвиге X., нм А % р.%
Без пигмента - 0 6,2 31 131 5,5 17 2,2 8,3 — — —
Минеральный железоокис- ный красный 3 6,1 29 127 5,3 17,2 1,8 7,7 58,6 58,6 28 24 46.4 34
6 6?8 27 128 4,8 18 2 9 58,6 58,5 28 24 40,8 33,4
9 7Л 24 133 4,2 18,9 1,3 9 58,7 58,6 27 24 38,6 32,5
Минеральный зеленый (окись хрома) 3 6,7 30 129 5,1 18,3 2,4 8 57,8 57,8 22 22 49,3 42,6
6 7,4 28 135 4,6 18,4 1,8 6,9 57,5 57,5 21 21 45,1 39,1
9 6,8 28 134 4,9 18,9 1,3 7 57,8 57,8 21 21 43 35.5
Органический зеленый 0,1 6,5 29 120 5,4 18,5 1,5 9,2 57,6 57,6 25 25 53 49,7
0,2 7 27 138 1,3 8,5 57,5 57,5 24 24 53,1 48,9
0,3 7,5 25 139 4,4 | 18,9 1,3 7,8 57,5 67,3 24 25 50 48,8
ного декоративного раствора, как правило, способствует
н повышению прочности декоративного бетонополимера.
Существенное влняине на упрочнение материала и
другие его свойства оказывает остаточная влажность
декоративного бетона,- при повышении ее от 0 до 1 %
прочность декоративного бетонополимера снижается на
30%. Поэтому для получения хороших результатов же-
лательно высушивать поверхностные слои декоративного
бетона до остаточной влажности не более 0,2 % массы
301
бетона. Как показывают опыты, многие пигменты прак-
тически не влияют на длительность полимеризации мо-
номера, а также не вступают с ним в реакцию с образо-
ванием новых соединений, поэтому влияние пропитки на
свойства материала объясняется физико-химическим
взаимодействием между минеральной и органичес-
кой составляющими декоративного бетонополи
мера.
Существенное значение для долговечности изделий с
декоративным бетонополнмерным слоем имеет способ
иость материала не расслаиваться, т. е, сцепление между
декоративным слоем и основным бетоном. Это свойство
можно условно оценить испытанием на сдвиг. В резуль-
тате модифицирования сопротивление сдвигу увеличнва
ется в 3—7 раз у бетонополимеров с минеральными пип
ментами и в 4—6,5 раза —у бетонов с органическими
пигментами по сравнению со сцеплением декоративного
слоя с основным до специальной обработки. Это обуслов
лено тем, что между полностью пропитанным декоратив-
ным слоем и слоем основного бетона создается переход-
ная зона с постепенно уменьшающейся степенью насы-
щения полимером. После пропитки зоны сцепления
образцы, как правило, разрушаются по основному слою
бетона на расстоянии 5—9 мм от границы зоны пропит-
ки. Таким образом, применение поверхностной пропитки
способствует закреплению декоративного слоя материа-
ла на основном бетоне и получению долговечных изде-
лий с красивым внешним видом. Глубина пропитки прн
этом должна на 0.5—1 см превышать толщину декора-
тивного слоя.
Водопоглощение декоративного бетонополнмера со-
ставляет 0,6—0,8 % и значительно меньше, чем водопои
лощение исходного бетона (7—10%). Изменение содер-
жания пигмента практически не отражается на водопог-
лощении декоративного бетонополимера, которое в зна-
чительной степени зависит от технологии его обработки, I
и в частности от степени и полноты пропитки поверхно-
стных слоев. Многие технологии не дают возможности
получить достаточно полную пропитку поверхностных
слоев, и бетон на глубину 1—2 мм оказывается пропи-
танным лишь частично, что обусловлено некоторой поте-
рей мономера в процессе его полимеризации из поверх-
ностного слоя. В результате возрастает водопоглощение
бетонополнмера, как правило, за счет водопоглощеиия
302
тонкого поверхностного слоя1. Шлифование н полирова-
ние позволяют удалить этот слой, в результате чего во-
допоглощение декоративного бетонополнмера снижается
до 0,2—0,4 % и носит характер смачивания водой толь-
ко поверхности материала.
Очень малое водопоглощение подтверждает большую
епроннцаемость декоративного бетонополнмера и тем
самым гарантирует его высокую долговечность и в изве-
стной мере сохранение цвета и светостойкости при воз-
действии различных атмосферных факторов.
Для испытания цветостойкости сравнивали цветовые
характеристики контрольных бетонов и бетона после
500 циклов (один цикл равен 60 мин) испытания в аппа-
рате «Искусственная погода» ИП-1-3. В этом аппарате
образцы 4X16X2 см с глянцевой поверхностью облуча-
ли ультрафиолетовым светом и через определенные про-
межутки времени орошали водой.
Как показали опыты, цветовой тон декоративных бе-
тонополнмеров после испытания не изменился и остался
в пределах заданного спектра. Изменение чистоты тона
у декоративного бетонополнмера в результате испыта-
ния было на 13—40% ниже, чем у образцов декоратив-
ного бетона. Наиболее существенно пропитка бетоиопо-
зимером сказалась на изменении коэффициента отраже-
ния поверхности образцов: в результате испытания у де-
коративного бетонополнмера с минеральными пигмента-
ми он был меньше в 3—22 раза, а с органическими пиг-
ментами— в 5—11 раз по сравнению с подобными из-
менениями в декоративных бетонах (рис. 8.21).
На поверхности образцов нз декоративного бетона
после 40—50 циклов испытаний появились высо-
лы, а на бетонополнмерных образцах не наблюдалось
высолообразований и после 300 циклов испытаний. Та-
ким образом, цветостойкость декоративного бетонополи-
мера оказалась значительно выше, чем декоративного
бетона.
Прн непрерывном ультрафиолетовом облучении деко-
ративные бетонополимеры также показали более высо-
кую стойкость своих цветовых характеристик во време-
ни, чем декоративные бетоны.
1 Уменьшить потери мономера из поверхностного слоя и тем
самым повысить в последующем показатели декоративных свойств
материала можно путем проведения полимеризации в среде пара-
фина.
303
40 2 4 ь 8 SO 2 4 6 8 £0 2 4 6 8 70 Л, нм
Рис. 8.21. Изменение коэффициента отражения л монохроматяческнх волн по*
верхиостью декоративного бетона и бетонополимера с минеральным зеленым
пигментом (а) и органическим зеленым пигментом (6) после испытания на ат-
мосферостойкость
Б — бетон контрольный; БА — бетон после испытаний в камере «Искусствен-
ная погода»; БП — бетонополимер контрольный; БПА — бетонополнмер после
испытания
304
Особого внимания заслуживает тот факт, что моди-
фицирование поверхностных слоев декоративного бето-
на полимерами предохраняет материал от высолообразо-
вання. Это значительно улучшает эстетические свойства
изделия. Вместе с тем необходимо учитывать, что при
значительных потерях мономера из поверхностных слоев
при его полимеризации поверхностные слои декоративно-
го бетонополимера могут обедняться окисью кальция.
Однако даже в этом случае выделение окиси кальция с
поверхностных слоев, определяемое по специальной ме-
тодике, составляет у бетонополимера, например, через
15 сут всего 23—84 мг/л, а у декоративного бетона —
500—4760 мг/л. Выделение окиси кальция у бетонополн-
мера, как правило, не сказывается на изменении цвето-
вых характеристик н на внешнем виде изделии.
Для ряда декоративных изделий важное значение
имеет истираемость материалов. При испытании (по
ГОСТ 13087—67) на приборе ЛКИ-2 истираемость деко-
ративных бетонополимеров на белом цементе с различ-
ными пигментами была примерно равна (около 0,23 г/
/см2), а у декоративного бетона минимальная истирае-
мость составила 0,58 г/см2. Следует заметить, что у де-
коративного бетона истираемость заметно зависела от
вида и количества пигментов и при увеличении содержа-
ния пигмента до 9 % в некоторых опытах составила
1,29—1,6 г/см2. Таким образом, модифицирование деко-
ративного бетона полимерами значительно повысило его
сопротивление истиранию (рис. 8.22).
Для некоторых видов изделий существенное значение
имеет морозостойкость, а также сопротивление попере-
менному воздействию замораживания и оттаивания в
растворе некоторых солей, в частности хлористого нат-
рия. Введение в бетон пигментов несколько увеличивает
его пористость и тем самым облегчает проникание
внутрь материала воды. Для изучения морозостойкости
были изготовлены кубы 7X7X7 см из раствора 1 : Зпрн
В/Д=0,45 на белом цементе с добавками пигментов.
Часть образцов декоративного бетона пропитали метил-
метакрилатом на глубину до 1 см. Опыты показали, что
у обычного декоративного бетона после 120 циклов на-
блюдались первые признаки разрушения, а прочность
снизилась на 10—12 %.
После 200—230 циклов прочность обычного декора-
тивного раствора уменьшилась более чем на 20 % и на-
305
Рис. 8.22. Истираемость AG декора-
тивного бетоиа ,------) н бетоно-
полимера (------। с минеральными
красным (/) и желтым (2) пигмен-
тами, окисью хрома 13) и с органи-
ческими голубым (4) и зеленым
(5) пнгментамн
лось разрушения и после
ступило его разрушение. Де-
коративный бетоиополимер
выдержал 800 циклов замо-
раживания и оттаивания без
всяких признаков разруше-
ния и снижения прочности.
Испытания были прекраще-
ны по техническим причи-
нам. Таким образом, пропит-
ка декоративйого бетона,
как и обычного бетона, ме-
тилметакрилатом с его по-
следующей полимеризацией
в порах бетона обеспечива-
ет резкое повышение моро-
зостойкости материала.
Более суровые условия
испытания достигаются при
одновременном воздействии
замораживания и раствора
хлористых солей. Опыты с
использованием 10%-ного
раствора хлористого натрия
и тех же образцов н методи-
ки их подготовки, как при
испытании на морозостой-
кость, показали, что образ-
цы обычного декоративного
бетоиа с различным содер-
жанием пигмента выдержа-
ли менее 15 циклов, а у де-
коративного бетонополиме-
ра практически не наблюда-
300 циклов. В некоторых об-
разцах было отмечено лишь шелушение тонкого поверх-
ностного слоя (потеря массы составила 0,2—0,8%), что
объясняется некоторой потерей мономера из тонкого по-
верхностного слоя в процессе полимеризации. В образ-
цах с более полной пропиткой поверхностного слоя из-
менения внешнего вида декоративного бетонополимера
после 300 циклов замораживания и оттаивания в раство-
ре хлористого натрия не наблюдалось.
В результате пропитки также заметно уменьшились
деформации усадки декоративного бетона и "деформации,
306
возникающие при попеременном увлажнении и высуши*
ванни материалов. Уменьшение этих деформаций также
способствует увеличению срока службы декоративного
бетонополимера.
Модифицировать можно различные декоративные бе-
тоны, в том числе декоративные гипсобетоны. В этом
случае увеличивается расход мономера, так как гипсобе-
тоны обладают повышенной пористостью. Одиако, как
н у обычных бетонов, значительно возрастает долговеч-
ность материала н улучшается сохранность его декора-
тивных свойств во времени.
Для повышения долговечности и улучшения декора-
тивных свойств можно модифицировать различные при-
родные пористые камни, в том числе гипс, туф и ряд дру-
гих. Применение в ряде случаев цветных пропиточных
составов позволяет расширить гамму окраски природных
камней, а также повышает их долговечность, способст-
вует сохранению цветных характеристик в сложных ус-
ловиях эксплутацни и придает дополнительные декора-
тивные свойства. В частности, как и бетонополнмеры,
пропитанные камни при полировании приобретают боль-
ший блеск, чем обычные камни, что повышает их эсте-
тическую ценность.
Возможны другие решения для получения новых де-
коративных материалов путем пропитки специальных
композиций полимерами или другими особыми пропиточ-
ными составами. Модифицирование полимерами явля-
ется эффективным средством получения новых декора-
тивных материалов. Особенно рационально использова-
ние этих материалов для наружной отделки в суровых
климатических условиях эксплуатации.
Возможно применение искусственных каменных ма-
териалов и искусственных декоративных бетонополнме-
ров взамен традиционных каменных материалов и при
изготовлении различных скульптурных форм. В этом
случае значительно повышается производительность
труда и создаются условия широкого использования
скульптурных форм в архитектуре.
Как показал опыт изготовления изделий на ЖБИ
№ 7 в Москве, в некоторых случаях можно отказаться
от полирования лицевой поверхности. В этом случае
при формовании изделий используют специальные по-
лимерные пленки. Прн укладке декоративного слоя на
пленку создается достаточно глянцевая поверхность.
307
свойства которой еще улучшаются при последующем ее
модифицировании полимером. В Минском НИИСМИ
(Б. Б. Борисов и др.) была получена широкая гамма де-
коративных бетоиополимеров путем изменения вида
пигмента и мелкого заполнителя, варьирования состава
бетоиа.
Применение поверхностной пропитки значительно
снижает стоимость декоративного бетонополнмера и обе-
спечивает его большие техиико-экоиомические преиму-
щества перед природными каменными материалами.
БЕТОНЫ, ПРОПИТАННЫЕ СЕРОЙ
Для повышения плотности и соответственно прочно-
сти и уменьшения водопоглощеиия бетон можно пропи-
тывать серой. Невысокая стоимость и доступность про-
питочного материала способствуют удешевлению про-
цесса пропитки, однако по своим техническим свойствам
бетоны, пропитанные серой, уступают бетонам, про-
питанным мономером.
При нормальной температуре сера представляет со-
бой твердое кристаллическое вещество плотностью
1.96—2,07 г/см3. Прн иагреве до 120°C сера плавится,
превращаясь в жидкость желтого цвета. Эта жидкость
имеет большую вязкость, чем мономеры, и поэтому про-
никает в бетон иа меньшую глубину. Однако при доста-
точной длительности пропитки или применении вакуум-
ной пропнткн и бетонов с достаточно высокими В/Ц
можно достигнуть пропитки глубиной в несколько сан-
тиметров.
При иагреве серы свыше 160°C она темнеет, а при
190 °C превращается в вязкую темно-коричневую массу.
Нагретая до 300°C сера вновь переходит в жидкое со-
стояние; температура кипения серы 445°C; в воде сера
практически не растворяется. Особенности изменения
свойств серы при нагреве определяют режим пропитки,
температура которой обычно составляет 140—150°C.
Принципиальная схема обработки бетона в распла-
ве серы (рис. 8.23) включает разогрев серы до 140—
150 °C, сушку и подогрев бетонных изделий до 150—
160 °C, погружение изделий в расплав серы, пропитку,
которую можно выполнять при нормальном давлении,
вакууме или при избыточном давлении в зависимости
от требований к бетону и конструкции пропитывающего
308
устройства, охлаж-
дение изделий. По-
следняя операция
имеет важное значе-
ние, поскольку при
быстром охлаждении
в изделиях могут об-
разоваться трещины
и дефекты.
Влияние пропит-
ки серой иа свойства
бетона и раствора
было изучено на рас-
творах 1:1 и 1:3
при В/Ц соответст-
венно 0,35 и 0,45.
После тепловой об-
работки прочность
V inumMt
—I иif ели- серой |
Из8лечее-е изделии,____ I Охлажден^
из проелпочнои I-----— изделии
емкости , ।,
на сжатие контроль-
ных образцов соот-
ветственно составля-
ла 46 и 42 МПа, а
прочность на из-
гиб— 7,2 и 6,6 МПа.
Образцы 4X4X16 см
пропитывали серой
прн атмосферном
давлении в течение
2, 4 и 6 ч прн 140 °C.
Результаты испы-
тания представлены
на рис. 8.24. Как н
прн пропитке други-
ми составами, здесь
наблюдаются опре-
деленные закояо-
Рис. 8.23. Принципиальная схема обработ-
ки бетоиа в расплаве серы
Влипние продолжительности про-
питки серой па прочность раствора 1 : 1 и
1 : 3 при сжатии (соответственно I, 2), при
изгибе (3, 4), на глубину пропитки (5, о)
и на привес серы М (7, 8)
мерности: прочность
увеличивается прн
повышении привеса
серы ив"
мере — для
слабых бетонов. С уплотнением поверхностных слоев
большей
более
раствора серой за счет ее кристаллизации в порах резко
уменьшается водопоглощение образцов: после выдержи-
зоэ
вания в воде в течение 28 сут у контрольных образцов но-
допоглощение составило 13—15%, а у образцов после
4 ч пропитки серой уменьшилось до 0,5—1,5 %.
Подобные же результаты получены при пропитке бе-
тонов марок М 200 и М 300 (с В/Ц соответственно 0,7
и 0,57), приготовленных иа портландцементе марки 400
при расходе цемента 270 н 330 кг/м3 и осадке конуса
бетонной смеси 4—5 см (табл. 8.18). Кубы 10X10X10 см
пропитывали в течение 6 ч. При этом вследствие мень-
шей пористости бетона прнвес серы несколько умень-
шился, соответственно уменьшился и коэффициент уп-
рочнения бетона, одиако бетон обладал очень малень-
ким водопоглощен нем и соответственно повышенной мо-
розостойкостью.
Таблица 8.18. Свойства бетона, пропитанного серой
Марка бетона Привес серы. % Прочность на сжатие. МПа образцов Коэффи. циент упрочне. НИЯ Водопогло- щение после пропитки, %
контрольных пропитан- ных
М300 4,35 29,8 37,6 1,26 0,41
М200 4,95 20,5 26.7 1,30 0,53
В опытах Б. В. Патуроева и А. Н. Волгушева [76]
установлена зависимость прочности пропитанных рас-
творных образцов от их состава (рис. 8.25). При этом
состав раствора изменялся от 1:1 до 1:7, а размер
ребра образца составлял 3 см.
При использовании вакуума несколько увеличился
прнвес серы и заметно повысилась прочность пропитан-
ных образцов. В этих опытах вследствие того, что про-
питка по существу была полной (объемной), коэффици-
ент упрочнения был более высоким, чем в наших опы-
тах, и составлял при пропитке в нормальных условиях
1,2—4,2, а при пропитке под вакуумом — 2,2—9.
Следует заметить, что прн нагреве возможно пони-
жение прочности образцов из отдельных составов бето-
на, что уменьшает эффект повышения прочности вслед-
ствие пропитки серой, если сравнивается прочность про-
питанных и контрольных образцов, не подвергавшихся
сушке и нагреву.
зю
Как и при пропитке моно-
мерами, введение в состав
бетона золы, которая имеет
мелкопористую структуру,
способствует повышению эф-
фективности пропитки. Это
подтверждают данные табл.
8.19, составленной по ре-
зультатам опытов А. Н. Вол-
гушева и М. Т. Туропова
[79]. Расход щебня в этих
опытах, составлял 1330 кг,
песка 625 кг4 В/В=0,54.
Пропитку проводили в тече-
ние 24 ч прн нормальном
давлении. Образцы предва-
рительно высушивали до по-
стоянной массы.
Необходимо отметить,
что в этих опытах получено
очень большое увеличение
прочности, которого другие
исследователи не достигали.
О. В. Кунцевич и Н. А.
Джаша [79] исследовали
возможность улучшения
свойств мелкозернистого бе-
Рнс. 8.25. Зависимость прочности
на сжатие ₽р>п пропитанных серой
образцов от прочности исходного
раствора Rg и режима пропитки
1 — при нормальном давлении а те-
чение 4 ч; 2 —под вакуумом,
45 мин; 3 — то же, 2 ч; 4 — то же.
Таблица 8.19. Влияние добавки золы на свойства бетона,
пропитанного серой
Расход, кг/м» Прочность на сжатие, МПа, образцов Вод оно г лощение, %, образ- цов
цемента золы контрольных пропитанные контрольных пропитанных
290 0 47 100 6 0.1
203 87 38 94 6,9 0,11
145 145 22 82 7,7 0,23
58 231 12 62 8,8 0,42
тоиа путем пропитки серой. После пропитки в течение
2,5 ч прочность бетона состава 1 :3 при В/Д=0,45 уве-
личилась с 33,8 до 43,1 МПа, если образцы были пред-
варительно высушены, и до 40,3 МПа, если пропитыва-
311
лись невысушенные образцы. Прочность бетона состава
1:7,3 при В/Д=0,8 соответственно повысилась с 16,8
до 41,6 и 41,2 МПа. При этом максимальный привес се-
ры составил в первом случае 6,8, а в втором— 10,2 %
по массе.
При пропитке серой в порах бетона она кристалли-
зуется, что может иногда вызвать дополнительные на-
пряжения. При недостаточно правильной организации
процесса возможно появление в бетоне трещин. Иногда
растрескивание наблюдается при попеременном воздей-
ствии на материал увлажнения н высушивания. При
очень длительной пропитке и более полном заполнении
пор бетона в нем уменьшается резерв пористости, необ-
ходимой для последующей перекристаллизации цемен-
та, вследствие возможной диффузии влаги к цементным
зернам. Долговечность материалов, пропитанных серой,
требует дополнительного изучения.
Как и пропитка мономерами, пропитка серой -может
быть использована и для обработки других строитель-
ных материалов, имеющих капиллярно-порнстую струк-
туру.
В настоящее время проводятся работы по созданию
опытио-промышлениой линии по пропитке бетонов се-
рой [79].
БЕТОНЫ, ПРОПИТАННЫЕ ПРОДУКТАМИ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И КАМЕННОГО УГЛЯ
Для повышения гидроизоляционных свойств бетона
его поверхность пропитывают жидкими составами на
основе переработки нефти и каменного угля (битумами,
пеками и составами на нх основе). В этом случае про-
питочный состав проникает в поры н капилляры бетона
на сравнительно небольшую глубину, так как обладает,
как правило, довольно высокой вязкостью. Заполнение
пор и капилляров поверхностного слоя повышает непро-
ницаемость бетоиа, однако прочность бетона практиче-
ски ие изменяется, так как пропиточный состав обычно
имеет малую прочность.
Чаще всего для улучшения условий пропитки и пони-
жения вязкости пропиточного состава его нагревают до
определенной температуры, а бетонные или железобетон-
312
ные изделия перед пропиткой высушивают. Сушка спо-
собствует не только получению более полной пропитки,
ио и лучшему сцеплению пропиточного состава с мине-
ральным скелетом. Сушку завершают непосредственно
перед пропиткой. При этом температура изделий при
пропитке в ваннах должна быть примерно на 10 °C выше,
чем у пропиточного состава. Это предохраняет от уве-
личения вязкости пропиточного состава в процессе про-
питки за счет его остывания. В ванне заданную темпера-
туру поддерживают до окончания пропитки и слива про-
питочной жидкости. Остывать изделия должны
постепенно во избежание появления трешии от темпера-
турных напряжений.
Пропитку в ваннах можно вести по различным тех-
нологическим схемам. Чаще всего процесс является
двухстадийным — сушка и пропитка изделия. Посколь-
ку пропитка является поверхностной и имеет целью по-
вышение непроницаемости изделия, вакуумирование
обычно не применяют, чтобы не усложнять процесса.
Однако для отдельных видов изделий, например свай
и др., может быть использовано внутренне вакуумирова-
ние. В этом случае при изготовлении изделий формуют
с помощью трубчатого вкладыша внутреннюю полость,
которую затем подсоединяют к вакуум-насосу.
В некоторых случаях для улучшения качества про-
питки используют небольшой вакуум, создаваемый в те-
ле бетона с помощью регулирования термического ре-
жима. Для этого изделие нагревают на 30—40 °C выше
температуры пропитки. После погружения его в ваину и
охлаждения до температуры пропитки внутри изделия
возникает небольшой вакуум вследствие охлаждения га-
зовой фазы, заполняющей поры и капилляры, что спо-
собствует улучшению условий пропитки.
Эффект внутреннего вакуумирования зависит от по-
ристости бетона, повышаясь с увеличением последней.
Как показали опыты Н. С. Покровского [80], имеется за-
висимость между водоцемеитным отношением, ориенти-
ровочно характеризующим пористость обычного бетона,
н увеличением скорости пропитки вследствие вакуумиро-
вания (рис. 8.26), Внутреннее вакуумирование эффек-
тивно приВ/Д>0,6. Даже при применении менее эффек-
тивного способа создания вакуума путем регулирования
температуры можно уменьшить продолжительность про-
питки в 1,2—2 раза. Следует учитывать, что помимо В/Ц
20—210
313
Л^прап, %
Рис, 8.26. Влияние водоцементного
отношения бетона на увеличение
скорости пропитки До при вакууми-
ровании образцов
Рис. 8.27. Зависимость глубины
пропитки бетона от давления в ав-
токлаве
1 - В/Ц-0&. 2 - B/Lf=0,95
Рис. 8.28. Зависимость глубины пропит-
ки цементного раствора от вязкости
пропиточных материалов
1 — БН-П; 2 - BH-I: 3 - ВН-0; 4 — Б-5;
5 — петролатум; 6 — озокерит; 7 — пара-
фин
на эффективность про-
питки влияет ряд других
факторов, и наиболее ра-
ционально устанавливать
оптимальный режим по
результатам предвари-
тельных опытов.
Наиболее эффектив-
ной является пропитка
Рис. 8.29. Зависимость вязкости про-
питочных материалов от температуры
I — парафин; 2 — петролатум; 3 — озо-
керит
в автоклаве, где можно создавать вакуум до 10—20 кПа
и давление до 0,9—1,2 МПа. При пропитке петролатумом
в этом случае за 1 ч можно достигнуть глубины пропит-
ки 50 мм При пропитке в ваннах для этого потребуется
зм
20—30 ч. Однако и здесь большое значение имеет порис-
тость бетона и ряд других факторов. В очень плотных
бетонах и растворах эффективность автоклавной обра-
ботки несколько ниже (рис. 8.27) (время обработки I ч).
Как показали опыты Н. С. Покровского [80], одним из
главных факторов, влияющих иа скорость пропитки, яв-
ляется вязкость пропиточного состава (рис. 8.28). В
табл. 8.20 приведены значения оптимальной температу-
Таблица 8.20. Рекомендуемые температуры пропитки
Материал Температура на- греве материала, °C Вязкость ма- териала, м»/(с.10~4)
Нефтяной битум: БН-П (БН III) 180 1,1 0,8
БН-1 180
БН-0 180 0,5
Б-5 130 0,43
Каменноугольный пек 180 0,9
Озокерит 115 0,25
Петролатум 115 0,12
Парафин 80 0.04
ры нагрева. При понижении температуры заметно воз-
растает вязкость материала и соответственно снижается
скорость пропитки (рис.8.29). При повышении же тем-
пературы возрастают опасность термического разложе-
ния материала и расход топлива на обработку без за-
метного ускорения пропитки.
Процесс пропитки носит затухающий характер, и
для материалов с высокой вязкостью существует пре-
дельная глубина (рис. 8.30) [80]. Дальнейшее продолже-
ние пропитки не приведет к заметному увеличению глу-
бины пропитки и является нерациональным. Прн про-
питке в ваннах и использовании пропиточных составов
иа основе битумов целесообразная глубина пропитки
составляет 5—15 мм, что обеспечивает требуемую гид-
роизоляцию поверхности изделия.
Жидкий1 битум Б-5 проникает в поры бетона легче,
чем обычные битумы, однако он имеет инзкую вязкость
при обычных температурах и при больших напорах во-
ды может выдавливаться из крупных пор и капилляров,
в результате чего вода будет просачиваться через про-
питанный слой бетона. Чем в большей мере повышает-
ся вязкость материала при охлаждении, тем выше его
20*
315
стойкость при действии напора, тем труднее нарушить
пропитанный слой.
Каменноугольный пек пропитывает бетон лучше, чем
обычные битумы, и при этом придает бетону повышен-
ную коррозионную стойкость. Поэтому его обычно при-
меняют для конструкций, подвергающихся агрессивному
воздействию некоторых химических сред, а также для
конструкций, находящихся в водах, содержащих приме-
си нефтепродуктов, где битум в слое пропитки со време-
нем растворяется, что приводит к потере конструкцией
гидроизоляционных свойств. Применение каменноуголь-
ного пека требует дополнительных мер по технике безо-
пасности и более строгого соблюдения режима про-
питки.
Наивысшей способ-
ностью пропитки об-
ладает парафин, но
ои является болеедо-
рогим, чем битумы и
пекн,, и, кроме того,
по мнению некоторых
авторов [79], при дли-
тельном хранении в
пропитанных балоч-
ках 1X1X3 см появ-
ляются трещины. Од-
иако в наших опытах
с образцами больших
размеров и с защитны-
ми слоями иа боль-
ших изделиях этого
ие наблюдалось. Бо-
рве. 8.30. Зависимость глубины пропит-
ки раствора от продолжительности
выдерживания в пропиточных матери-
алах
1 — парафине; 2 — озокерите; 3 — пет-
ролатуме; 4 — битуме Б-5; 5—битуме
БН-0; 6 — каменноугольном пеке; 7 —
5итуме БН-1; 8— битуме БН-П
рис. 8.31. Схема установки для пропитки кровельных плит
/—плита; 2—система электронагревателей; 3 —ванна для пропитки
316
лее того, парафин является весьма перспективным ма-
териалом для использования в сложных пропиточных
составах и для использования в водонепроницаемых бе-
тонах с органическим микронаполнителем (внутренней
пропиткой).
Озокерит также обладает повышенной по сравнению
с бимумами способностью пропитки, однако технико-
экономическую целесообразность его применения сле-
дует устанавливать с учетом его более высокой, чем у
битумов, стоимости.
Весьма перспективным материалом для поверхност-
ной пропитки с целью придания изделию водонепрони-
цаемости является петролатум. Этот материал прибли-
зительно в 2 раза дешевле битума и позволяет получать
надежные пропиточные слои при относительно высокой
скорости пропитки. Подобная пропитка получила рас-
пространение для электротехнических бетонов [119] и в
некоторых других случаях, когда цвет поверхности из-
делия не имеет большого значения.
Обладая меньшей, чем битумы, вязкостью, петрола-
тум позволяет сочетать сушку с пропиткой, что в свое
время предложил А. И. Фоломин для сушки древесины
(при помещении в горячий битум влажного изделия об-
разуется большое количество пены и может произойти
выброс битума из ванны). При этом упрощается процесс
пропитки.
Следует учитывать, что при длительном воздействии
температуры, т. е. при многократном использовании про-
питочных составов, возможно некоторое изменение их
свойств. Например, после нагрева в течение 150 ч биту-
ма до 225 °C его вязкость возрастает в 2 раза, а при на-
греве петролатума до 165 °C в течение 150 ч его вязкость
увеличивается на 15 %. При меньших температурах,
свойственных обычным режимам пропитки, эти измене-
ния меньше, но их надо учитывать, по возможности уве-
личивая степень загрузки пропиточной ванны и умень-
шая объем сливаемого пропиточного состава.
Пропитка материалами нефтяного происхождения це-
лесообразна для бетонов подземных и гидротехнических
сооружений, работающих в суровых условиях Крайнего
Севера и Дальнего Востока и подвергающихся много-
кратному замораживанию и оттаиванию (за исключени-
ем случаев, когда будет целесообразно применение
более надежных пропиточных составов на основе мономе-
317
ров), сооружений прибрежного шельфа, ряда сооруже-
ний промышленных комплексов для придания гидроизо-
ляционных свойств кровельным и ограждающим конст-
рукциям и в ряде других случаев.
В Советском Союзе накоплен положительный опыт
работы завода Совэнергостроя в пос. Ивановском Ле-
нинградской области, установки на заводе сборного же-
лезобетона домостроительного комбината № 1 Омска и
ряда других установок. Пропитанные петролатумом же-
лезобетонные изделия и асбестоцементные листы не име-
ли никаких повреждений после трехлетней эксплуатации
на градирнях ТЭЦ-4 г. Кирова, а пропитанные каменно-
угольным пеком асбестоцементные листы успешно экс-
сплуатпровались в течение семи лет па Челябинской
ТЭЦ-2.
Для опытной пропитки кровельных плит на заводе
железобетонных изделий в Ташкенте использовались со-
ставы на основе битумов [79]. На домостроительном ком-
бинате в ГДР (Лейпциг) создана специальная установ-
ка для пропитки кровельных железобетонных плит
смесью битума и иизкоосибвного полиэтилена (соотно-
шение компонентов 70:30) (рис. 8.31). Вначале изде-
лие помещают на стенд-и с верхней поверхности высу-
шивают с помощью электрических ламп, укрепленных
иа специальной решетке. После этого изделие перемеща-
ют в пропиточную ванну, где в течение 20 мии пропиты-
вают на глубину до 5 мм. Применение специальной
конструкции плит н их пропитка позволили отказаться
от устройства швов н мягкой кровли, значительно уско-
рить производство работ на строительстве.
В порту Лос-Анджелеса (США) длительное время
эксплуатировалась установка для пропитки железобе-
тонных свай. Особенность изготовления свай состояла
в применении более плотного и прочного бетона для
внутренней части и более пористого для облегчения про-
питки для наружной (для этого при бетонировании ис-
пользовали разделительные металлические листы, кото-
рые поднимались по мере укладки бетона).
Пропиточная установка включала камеру предвари-
тельного нагрева и сушки, автоклав н камеру охлажде-
ния. В камере сушки температуру в течение 16 ч посте-
пенно повышали до 120 °C. Изделия выдерживали при
этой температуре еще 2—4 ч, после чего быстро пере-
гружали в автоклав. После вакуумирования в течение
2—2,5 ч при вакууме 8,8—10 кПа в автоклав подавали
битум, предварительно разогретый до 121 °C. Затем в
автоклаве повышали давление до 1—1,2 МПа. Пропитку
проводили в течение 12—14 ч. После первого часа тем-
пературу постепенно со скоростью 5,5 °С/ч снижали до
93 °C. После окончания пропитки и слива битума изде-
лия охлаждали со скоростью 5,5 °С/ч. Принятый режим
обеспечивал пропитку бетона на глубину до 38 мм. Бла-
годаря низкой температуре пропитки исключался пере-
жог пропиточного материала и сокращался расход теп-
ла.
Применение поверхиостно-активных разжижителей,
улучшение свойств пропиточных составов на основе
нефтепродуктов с помощью мономеров и других веществ
открывают новые возможности в повышении качества и
эффективности пропитки по рассмотренному способу.
БЕТОНОПОЛИМЕРЫ С ДИСПЕРСНЫМ
АРМИРОВАНИЕМ
В последние годы в строительстве для повышения
прочности бетона на растяжение и стойкость к удару
все шире используют дисперсное армирование, т. е. ар-
мирование бетона тонкими волокнами, нитями или про-
волочками. Бетон, армированный небольшими отрезка-
ми тонкой проволоки или специально штампованной иг-
ловидной арматурой (фибрами),' расположенной, как
правило, хаотически по определенному объему бетона,
получил название фибробетона.
С экономической точки зрения весьма рационально
армирование стеклянными волокнами или волокнами из
природных каменных материалов (базальта и других).
Одиако попытки создания стеклоцемента показали, что
большинство таких волокон корродирует в щелочной
среде цементного камня, вызывая разрушение материа-
ла. Применение же специальных волокон или защита
обычных волокон от коррозии значительно удорожает
производство.
Стабилизация структуры бетона при его пропитке
полимером открывает широкие возможности получения
долговечных бетонополимеров с дисперсным армирова-
нием на основе различных видов волокон и дисперсной
арматуры, В бетонополимерах невозможна коррозия ар-
319
матуры, так как их высокая непроницаемость надежно
защищает арматуру от влаги и агрессивных атмосфер-
ных факторов.
Для прочности бетонов с дисперсной арматурой боль-
шое значение имеет сцепление арматуры с бетоном. Для
этого приходится использовать бетоны с повышенным
В/Ц, специальные способы перемешивания смеси и фор-
мования изделий и особые технологии, как, например, в
производстве асбестоцементных изделий. Условия рабо-
ты изделия определяют размеры дисперсной арматуры
и ее содержание в бетоне. Слишком длинные волокна
вызывают комкование смеси, затрудняют формование
изделий; короткие волокна ие обеспечивают необходи-
мую длину заделкн волокна в бетоне. Такие волокна
при нагрузке вследствие недостаточного сцепления с бе-
тоном вытягиваются из бетонной матрицы при усилиях
значительно меньших, чем те, которые потребовались бы
для их разрыва. В результате снижается прочность дис-
персно-армированиого бетоиа.
При пропитке бетоиа полимером сцепление волокон
с бетоном возрастает в несколько раз, достигая 10—
20 МПа. Это позволяет эффективно использовать более
короткие волокна с соотношением //^=60—100, что об-
легчает формование изделий, и при этом достигнуть на-
ивысшей прочности материала на растяжение и изгиб, а
также повышенной ударостойкости.
Пропитка в некоторой степени исправляет дефекты
сцепления, имеющиеся в обычном бетоне, что также спо-
собствует получению надежных результатов, В бетоне с
дисперсной неметаллической арматурой наблюдается хо-
рошее сцепление между арматурой и цементным камнем
(рис. 8.32). Разрушение наступает, как правило,от раз-
рыва волокон, трещины в материале возникают ие по
контакту, а в основной структуре бетона. Зона контакта
оказывается весьма плотной и прочной, а сцепление меж-
ду цементным камнем и волокнами высоким, в частно-
сти, из-за дополнительного обжатия, возникающего при
усадке мономера в процессе полимеризации.
При обычной технологии насыщение бетона волокна-
ми свыше определенного предела (10—30 %) как пра-
вило приводит к ухудшению сцепления, возникновению в
материале при формовании дополнительных микродефек-
тов. В результате дальнейшее увеличение содержания
волокон может вызвать понижение прочности бетона с
320
Рис. 8.32. Микроструктуры эоны разрушения раствора, армированного стекло-
волокном и пропитанного метилметакрилатом
Вверху слева (х 1000) — обрыв волокна; вверху справа (Х1000) — обрыв волок-
на с частичным его выдергиванием из раствора; внизу слева (Х3000) — обра-
зование микротрещины вблизи зоны контакта; внизу справа (х 1000) — волок-
но с остатками пропитанного раствора, не потерявшего сцепления с волокном
в процессе нагружения
дисперсным армированием. При применении последую-
щей пропитки полимером дефектность первоначальной
структуры исправляется, что позволяет успешно исполь-
зовать бетоны с повышенным содержанием дисперсной
арматуры и тем самым получить более прочные мате-
риалы.
321
Введение дисперсной арматуры, в том числе в виде
неметаллических волокон, повышает прочность материа-
ла на растяжение, однако это преимущество в некото-
рых случаях бывает затруднительно использовать. На-
пример, в трубах подобный материал далеко не всегда
позволяет повысить их напорность, так как наличие де-
фектов и неплотностей по зоне контакта волокна и це-
ментного камня, как показали наши опыты, может в
отдельных случаях вызвать просачивание воды задолго
до достижения предельных гидравлических давлений.
Пропитка делает материал непроницаемым и тем самым
способствует повышению надежности работы напорных
трубопроводов из дисперсно-армированного бетоиа.
Применение неметаллической арматуры в сочетании
со стабилизацией свойств бетона пропиткой позволяет
получать ряд специальных материалов, например элек-
тропроводных или электроизоляционных бетонов и др.
В большом разнообразии материалов и бетонополи-
меров с дисперсным армированием можно выделить сле-
дующие основные группы: асбестоцементные материалы,
изготовленные по особой технологии и обычно относи-
мые к самостоятельному классу изделий; бетоны и бе-
тонополимеры с волокнистым неметаллическим армиро-
ванием; фибробетоны и бетонополимеры, армированные
стальными фибрами или отрезками стальной проволоки.
Асбестовые волокна обладают хорошим сцеплеинем
с цементным камнем и высокой прочностью, что позволя-
ет изготовлять на их основе разнообразные строитель-
ные материалы. Широко применяемый в строительстве
асбестоцемент, наряду с высокой прочностью на изгиб,
недостаточно стоек в ряде условий эксплуатации. Для
повышения стойкости асбестоцементные изделия про-
питывают битумом, петролатумом и другими подобными
материалами. Пропитка асбестоцемента мономером с
последующим его отверждением в массиве материала
обеспечивает не только повышение стойкости, но проч-
ности и долговечности материала.
В наших совместных опытах с Ф. 3. Райчуком были
изучены возможности повышения прочности асбестоце-
мента путем его пропитки полимером, В результате про-
питки асбестоцемента промышленного изготовления
метилметакрилатом с радиационной полимеризацией
прочность материала на изгиб увеличилась с 10,7 до
24,3 МПа. Однако в этих опытах не удалось достигнуть
322
высокого насыщения асбестоцемента полимером (при-
вес полимера составил всего около 3,5 %, а наружные
слон иа глубину до 2 мм были обеднены полимером
вследствие его частичной потери при полимеризации).
Это отрицательно сказалось на результатах испытания.
В других опытах1 использовали прессованные образ-
цы, приготовленные на асбесте и смеси асбеста и целлю-
лозы. Образцы 100X30X7 мм после сушки н вакууми-
рования пропитывали метилметакрилатом с последую-
щей радиационной полимеризацией. Результаты опытов
(табл. 8.21) показывают, что пропитка позволяет в 1,5—
Таблица 8.21. Влияние состава и условий изготовления
на свойства модифицированного полимером асбестоцемента
№ серии | Особенности состава и условий приготовления Направление усилия к нап- равлению валь- цевания Предел прочности при изгибе. МПа
до про- питки после модифи- цирова- ния
1 13,3 % асбеста и 10 % цел- люлозы, давление прессова- ния 15 МПа Вдоль Поперек 36,3 26,5 58,1 51,8
2 То же, без прессования Поперек 20,1 42
3 13,3 % асбеста, давление прессования 15 МПа Вдоль Поперек 40,8 38,4 69,2 56,3
4 То же, без прессования Вдоль 32,8 67,2
2 раза повысить прочность асбестоцемента на изгиб.
Следует заметить, что при пропитке ожидаемая степень
упрочнения при изгибе и растяжении для асбестоцемен-
та, так же как и для бетонов с дисперсным армирова-
нием, будет несколько ниже, чем для обычных бетонов,
так как первые уже обладают повышенной прочностью
на изгиб за счет дисперсного армирования.
Весьма существенным является то обстоятельство,
что в результате пропитки водопоглощеине материала
уменьшается с 10—12 до 0,3—1 %, повышаются его не-
1 Образцы готовили в НИИасбестоцементе.
-323
Таблица 8.22. Результаты испытания асбестоцементных труб
Характеристика трубы Предельное гидравли- ческое давление, МПа, для труб Предел прочности при рас- тяжении, МПа, для труб
1 ’«Я» диаметр, мм толщина стенки. мм контроль- ных пропитан- ных контрольных пропитанных
100 7 3,1 50,1 24,3 38,1
9 4,2 6,3 25,1 38,1
11 5 7,4 24,4 36,7
189 10 1,7 2,7 16,5 27,3
14 2,3 3,9 16,5 28,3
18 2,8 5,2 16,7 30,1
проницаемость и морозостойкость, в том числе в тяже-
лых условиях эксплуатации.
Определенное повышение свойств отмечено и при ис-
пытании нами совместно с Белгородским асбестоцемент-
ным комбинатом готовых изделий — труб. Трубы с
разной толщиной стенки были пропитаны метилметакри-
латом и затем испытаны внутренним гидравлическим
давлением. Результаты испытаний, проведенных под ру-
ководством А. М. Фукса (табл. 8.22), показали, что
пропитка повысила прочность материала на растяжение
и соответственно увеличила предельное разрушающее
гидравлическое давление. Однако увеличение прочности
меньше, чем в обычных бетонах, и позволяет экономить
всего 30—40 % материала, что не полностью компенси-
рует более высокую стоимость труб вследствие обработ-
ки. Поэтому модифицировать целесообразно только те
асбестоцементные трубы, для которых наряду с повы-
шением напорности решающее значение имеют долго-
вечность н стойкость в ряде агрессивных сред.
Для более подробного изучения возможностей полу-
чения асбестобетонополимера и его свойств автор сов-
местно с В. С. Косенко исследовали влияние на свойства
материала содержания асбеста 10—90 % массы цемен-
та. Для этого вначале готовили сухую смесь цемента
400 и низкосортного коротковолокнистого асбеста
М—6—50, которую затем прессовали при 10 МПа. По-
лученные плитки толщиной 9 мм пропаривали по режи-
му 2+44-6 ч при 85 °C, затем из них выпиливали образ-
324
цы 240X25 мм. Половину образцов после высушивания
и вакуумирования пропитывали метилметакрилатом с
последующей радиационной полимеризацией. Контроль-
ные и модифицированные образцы испытывали на водо-
Рнс. 8.33. Зависимость водопогло-
щення модифицированных (/) и
контрольных (2) образцов и приве-
са полимера (3) от содержания ас-
беста
поглощение и на проч-
ность.
Водопоглощение оп-
ределяли после 7 сут вы-
держивания образцов в
воде при 20 °C. Водопог-
лощение контрольных об-
разцов асбестоцемента
увеличивается при увели-
чении содержания асбес-
та (рис. 8.33). Эта зави-
симость действительна и
для модифицированных
образцов, однако в этом
случае влияние содержа-
ния асбеста меиее значи-
тельно.
Рис. 8.34. Зависимость прочности на из- Рис. 8.35. Коэффициент раэмягче-
гиб модифицированных (/) и контроль- ння для модифицированных (1) и
ных (2) образцов асбестоцемента и контрольных (2, 3) образцов асбе-
коэффицнепта упрочнения (3) от со- стоцемента (3 — после 255 сут вы-
держанна асбеста держивания в воде)
325
Прочность на изгиб контрольных и модифицирован-
ных образцов определяли в сухом и водонасыщеииом
(7 сут выдерживания в воде) состоянии и после длитель-
ного выдерживания в воде (в течение 255 сут) (рнс.
8.34).
Данные рис. 8.34 показывают, что определяющим
фактором прочности для модифицированных образцов
является удельное содержание полимера в порах
асбестоцемента, а для контрольных образцов — удельное
содержание асбеста.
Водостойкость изучаемого материала оценивали по
коэффициенту размягчения (отношению прочности во-
донасыщенных образцов к прочности их в сухом состоя-
нии) (рнс. 8.35). Из контрольных образцов водостоек
только состав, содержащий 10 % асбеста [из условия
(/?вод//?сух) >0,8]; с увеличением содержания асбеста во-
достойкость материала уменьшается.
Модифицированные образцы всех составов обладают
достаточной водостойкостью. Она увеличивается с умень-
шением содержания асбеста и практически не уменьша-
ется при выдерживании образцов в воде до 255 сут, в
то время как водостойкость контрольных образцов при
длительном выдерживании в воде заметно уменьшается.
Большое значение имеет изыскание путей экономии
цемента в асбестоцементных материалах путем введения
тонкодисперсных минеральных добавок. Влияние их на
свойства легированного асбестоцемента проверяли путем
замены части цемента известняковой мукой, молотым
песком я^соксовой пылью. Все асбестоцементные образ-
цы с минеральными добавками содержали 20 % асбеста
(от суммарной массы цемента и добавки). Количество
минеральной добавки было принято равным 8, 20 и 40 %
суммарной массы цемента и асбеста, или 10, 25 и 50 %
массы цемента.
Асбестоцементные образцы с минеральными добав-
ками испытывали на прочность при изгибе как в сухом
состоянии, так и в водонасыщеииом после 7 и 255 сут
выдерживания их в воде. Одновременно с механически-
ми испытаниями определяли их водопоглощение после
7 сут выдерживания в воде. Исследования (рис. 8.36)
показали, что водопоглощение возрастает с увеличением
содержания добавки.
Водопоглощение модифицированных образцов изме-
нялось в пределах 1,7—5 %, причем увеличивалось с
32б
Рис. 8.36. Влияние на прочность при изгибе (а) и водопоглощение (б) обыч-
ного (-----) и модифицированного (------) метилметакрилатом асбестоце-
мента минеральных добавок
го и, %
/ — известняковой муки; 2— молотого кварцевого песка;
увеличением содержа-
ния добавки. Модифи-
цированные образцы с
содержанием мине-
ральных добавок в
пределах 25—50 % име-
ли большее водопогло-
щение по сравнению с
такими же образцами
без добавок. В основ-
ном водопоглощение
модифицированных об-
разцов было обуслов-
лено свойствами тон-
ких поверхностных сло-
ев материала, несколь-
ко обедненных полиме-
ром, и не изменялось
при длительном пребы-
вании образцов в воде.
Прочность контроль-
ных образцов доволь-
но резко снижается
при увеличении удель-
3 — коксовой пыли
а — известняковой муки; б— молотого
кварцевого песка;в — коксозой пыли;
1 — после 7 сут выдерживания в воде;
2 — после 255 сут
327
иого содержания минеральных добавок, особенно коксо
вой пыли и в меиьшей степени — известняковой муки.
Асбестоцементные образцы с минеральными добавка
ми после модифицирования обнаружили повышени
прочности в 1,5—3,5 раза. Наибольшее упрочнение нз
блюдалось у модифицированных образцов с добавкой
известняковой муки. Прочность модифицированных об
разцов с добавкой известняковой муки в пределах 10-
40 % массы цемента после легирования превысила даже
прочность аналогичных образцов без добавок.
Контрольные асбестоцементные образцы являютс:
неводостойкимн (коэффициент размягчения менее 0,8)
Введение даже 10 %-ной добавки резко снижает их во
достойкость (например, коэффициент размягчения об
разцов без добавок равен 0,74, с 10 %-иой добавкой кок
совой пыли—0,47). Продолжительное выдерживание
контрольных образцов с добавками в воде (до 255 сут]
приводит к постепенному снижению их водостойкости
(рис. 8.37).
Модифицированные асбестоцементные образцы с(
всеми Исследованными добавками являются водостойки
ми. Увеличение количества минеральных добавок не
сколько понижает коэффициент размягчения, но егс
значение не выходит из пределов 0,85—1. Продолжи
тельность выдерживания в воде практически не отража
ется на водостойкости.
Таким образом, бетонополимерные материалы, арми
рованные низкосортным коротковолокнистым асбестом
обладают высокой механической прочностью и водостой
костью. При этом рациональна замена до 50 % порт-
ландцемента тонкодисперсным известняком.
Асбест является хорошо изученным и известным во
локнистым наполнителем. Однако с экономической точ
ки зрения представляет интерес его замена стекловолок
ном. При пропитке мономером можно применять любое
волокно без снижения долговечности материала.
Для изучения сцепления стеклянного волокна с це-
ментным камнем в шейку стандартных «восьмерок» из
раствора 1 : 3 при В/#=0,4 заделывали небольшой пу-
чок стеклянных или базальтовых волокон длиной около
20—30 мм и затем после пропаривания по режиму 24-
4-4+6 ч и сушки половину образцов пропитывали ме-
тилметакрилатом с последующей термокаталитическон
полимеризацией.
328
Введение в шейку небольшого количества стеклянных
волокон (около 6000) способствовало повышению проч-
ности материала при растяжении. При увеличении числа
волокон в 2,5 раза (серия 2) прочность непропнтан-
ных образцов несколько повысилась. Прочность пропи-
танных образцов оказалась в 2—3 раза выше, чем непро-
питанных, и мало зависела от числа волокон (табл.
8.23).
Таблица 8.23. Прочность на растяжение раствора,
армированного стеклянным и базальтовым волокнами
№ серии Волокно Предел прочности при растя- жении, МПа, образцов
контрольиых модифицирован- ных
1 Без волокна Стеклянное Базальтовое 2,5 3,6 4 10,6 11,6 12,4
2 Без волокна Стеклянное Базальтовое 2,1 6,1 4,8 10,6 11,6 11,8
Интересен характер разрушения образцов. В пропи-
танных образцах с небольшим числом волокон разры-
вались все волокна, плоскость разрыва была ровной и
сравнительно гладкой. В контрольных образцах наряду
с разрывом одних волокон наблюдались проскальзыва-
ние других, откол поверхностных частей шейки около
пучка, разрыв волокон в разных местах по длине.
В образцах с увеличенным числом волокон, даже в
модифицированных, наблюдался разрыв части волокон
в разных местах по длине и около боковых граней шей-
ки. В контрольных образцах разрушение носило харак-
тер растрескивания н расслоения вдоль волокон. Это
указывает иа то, что при применении длинных волокон,
часть которых может иметь различную направленность,
при растяжении возможно появление внутренних раска-
лывающих напряжений, что необходимо учитывать при
проектировании и изготовлении соответствующих изде-
лий.
21—210
329
Для более правнльио-
иого суждения о свойст-
вах стеклоцемеита, про-
питанного полимером, их
изучение было проведено
в сравнении со свойства-
ми асбестоцемента. Об-
разцы готовили и пропи-
тывали по методике, ис-
пользованной для асбе-
стоцемента, однако ас-
бест постепенно (вначале
20, затем 40, 60, 80 и
100%) заменяли стеклян-
М,7„ Ки,г. ЧПа
Рис. 8.98. Прочность иа изгиб модифи-
цированного (У) и обычного (2) асбе-
стоцемента и изменение привеса поли-
мера (8) при замене асбеста стеклово-
локном
ным волокном длиной
15—20 мм. Общее содержание волокон было постоян-
ным и составляло 20 %. С увеличением содержания стек-
лянного волокна, обладающего меньшей дисперсностью,
чем асбест, прочность контрольных и модифицированных
образцов снижается (рис. 8.38), однако для последних
степень снижения прочности меньше. Прочность стекло-
цемента в 2,85 раза была меньше, чем асбестоцемента,
а модифицированный стеклоцемент был всего в 0,78 ра-
за менее прочен, чем модифицированный асбестоцемент,
и приблизительно одинаков по прочности с обычным ас-
бестоцементом.
Следует заметить, что повышение дисперсности стек-
лянных волокон и уменьшение их длины, в результате
чего повышается общее число волокон в единице объема
материала при определенном содержании волокон по
массе или объему, в сочетании с глубокой пропиткой и
тщательным перемешиванием, по другим нашим опытам,
приводит к значительному увеличению прочности стек-
лобетоиополимера: например, прочность на изгиб до-
стигает 40—50 МПа.
Автором и Л. И. Сорокиной были проверены свойст-
ва модифицированного стеклоцемеита, полученного иа
установке ЦНИИОМТП, позволяющей изготовлять
стеклоцементные плиты путем одновременного набрызга
стеклянного волокна, цемента и воды, Содержание во-
локна было около 3 %, В/Ц=0,42. Образцы, вырезанные
из экспериментальных плит, через 12 сут нормального
твердения сушили, вакуумировали и пропитывали ме-
тилметакрилатом с комплексным инициатором (0,1 %
ззо
порофора ЧХЗ-57 и 1 % гипериза), который обеспечи-
вал достаточно быструю термокаталитическую полиме-
ризацию. Привес полимера составил 25 %. В результа-
те обработки прочность на сжатие повысилась с 26,3 до
135 МПа, а прочность на изгиб —с 11,6 до 31,7 МПа.
Основное же достоинство в том, что резко возросла дол-
говечность образцов.
Пропитка полимером позволяет существенно улуч-
шить свойства и долговечность фнбробетоиа. Как пока-
зывают опыты, обычная проволока имеет прочность
сцепления с бетоном в пределах 1,5—2,5 МПа, что вы-
зывает необходимость применять излишне длинные об-
резки проволоки для обеспечения их надежного заанке-
ривания в бетоне, а это в свою очередь затрудняет пере-
мешивание смесн и формование изделий. При пропитке
прочность сцепления стальной гладкой проволоки с
пропитывающей бетонной матрицей возрастает в 5—
9 раз и достигает 10—18 МПа. В результате при дейст-
вии нагрузки почти вся дисперсная арматура вовлекает-
ся в работу и резко сокращается число фибр, выдерги-
ваемых из бетона без разрыва, что часто наблюдается в
обычном фибробетоие. Соответственно увеличивается
прочность материала, а также его долговечность вслед-
ствие непроницаемости пропитанной бетонной матрицы.
Последняя не только обладает высокой долговечностью,
но и надежно защищает дисперсную арматуру от кор-
розии. Это позволяет использовать фибробетонополпмер
для покрытия бетонных и железобетонных изделий и
для ремонта конструкций, работающих в тяжелых усло-
виях эксплуатации.
Таблица 8.24. Зависимость прочности фибробетонополимера
от процента армирования
№ серии Содержание стальных волокон. % по объему Предел прочности, МПа
при сжатии при изгибе
1 0 121 14,8
0,5 126 19,8
2 128 20,8
2 0 121 24,5
2,5 131 33,5
5 161 58,5
21*
331
В табл. 8.24 приведены свойства фибробетонополиме-
ра, полученные в наших опытах (серия 1) и в опытах
КТБ Мосоргстройматериалов (серия 2) [79]. В первой
сернн стальной проволокой диаметром 0,33 мм при дли-
не обрезков около 35 мм армировали раствор 1 : 3 при
B/Z/=0,53 на цементе 400. Во второй серии использова-
ли стальную проволоку диаметром 0,48, длиной 30 мм и
раствор 1 :3 при различном В/Ц. Пропитка фибробетоиа
метилметакрилатом с термокаталитической полимериза-
цией в 2,5—5 раз повысила прочность материала. На-
пример, в первой серин прочность контрольного фибро-
бетона составила при содержании стальных волокон 0
и 2 % соответственно на сжатие 23 и 32 МПа и иа из-
гиб 3,5 и 5,9 МПа, а во второй серии при содержании
волокон 2,5 % и одинаковом В/Д=0,65 прочность на
сжатие составила всего 37 МПа, а на изгиб —12,5 МПа.
Содержание полимера в образцах составляло 7—8 %.
По данным У. X. Магдеева, К. Г. Хабахпашева и
В. В. Сосина, повышение содержания полимера с 7,4 до
8,6 % при содержании рубленой проволоки 5 % повыси-
ло прочность фибробетоиополимера на изгиб с 58 до
68 МПа.
Таблица 8.25. Физико-механические характеристики
различных видов бетона
Показатель Мелкозер- нистый контроль- ный бетон Фибробе- тон (Ц =2,5 %) Ветонопо. лимер (ПММА= =8,6 %) Фибробе- тонополи- мер ГТМмЙ =8.5 %)
Прочность:
на сжатие, МПа 30,8 37,1 129 179,5
на растяжение при из- гибе, МПа 6,8 12,5 27,8 68,5
на удар, МПа-см 0,35 1,23 1,13 3,27
Истираемость, г/см2 0,8 0,28 0,43 0,26
Водопоглощение, % 6 6.5 0,5 0,65
Представляет интерес табл. 8.25 [79], позволяющая
сравнить мелкозернистый бетон, фибробетон и фибробе-
тонополнмер, полученные на одинаковых материалах
при определенных условиях приготовления, и наглядно
показывающая преимущество фибробетоиополимера.
Следует заметить, что применение оптимальных со-
ставов бетона, соответствующей технологии приготовле-
332
ння и пропитки позволяет получить более высокие ре-
зультаты, чем приведенные. В частности, в гл. 6 приво-
дились высокие значения прочности бетоиополимера на
изгиб, достигаемые в оптимальных условиях и без дис-
персного армирования стальной проволокой. Сочетание
дисперсной арматуры и пропитки способствует не столь-
ко повышению прочности, сколько ударо- и износостой-
кости, а также коррозиестойкости материала. При при-
менении пропитки, как и в обычных железобетонных
конструкциях, нанлучшие результаты достигаются с уве-
личением процента армирования по сравнению с опти-
мальным армированием обычного бетона (табл. 8.26) н
Таблица 8.26. Влияние содержания стальных волокон
на прочность фибробетоиополимера (по материалам КТБ
Мосоргстройматериалов, раствор 1:3, Bill =0,65)
Содержание стальных волокон, % Привес поли- мера, % Предел прочности, МПа
при сжатии при изгибе при раскалы- вании
I 6,87 121 24,5 12,9
2,5 7,85 131 33,5 14,6
3,3 7,95 141 47,2 20,6
5 7,38 162 58,5 22,7
предела прочности используемой дисперсной арматуры
(в наших опытах фибробетон, приготовленный из высо-
копрочного раствора и высокопрочной стальной прово-
локи и пропитанный метилметакрилатом при содержа-
нии фнбр 5%, показал прочность иа изгиб 63,6 МПа).
В США [133] при изучении свойств и возможности
применения в строительстве фиброполимербетоиа ис-
пользовали раствор 1 : 2,5 при В/ц==0,65. Балки ЗОХ
Х5,7Х2,5 см армировали стальными фибрами длиной
19 мм и диаметром 0,38 мм с пределом текучести
810 МПа и для сравнения стеклянными волокнами с
прочностью на растяжение моноволокна 560 МПа. Со-
держание волокон составляло 2 % по объему.
Через 1 сут влажного хранения образцы высушивали,
пропитывали метилметакрилатом с 3 % перекиси бен-
зоила, заворачивали в алюминиевую фольгу для предот-
вращения потерь мономера и полимеризовали в течение
5 ч при 75 °C. Короткий режим твердения раствора был
выбран специально, чтобы получить достаточно пори-
333
стую бетонную матрицу’. При этом прочность раствора
была низкой и составляла примерно 25 % его марки.
Одиако пористая матрица обеспечила хорошую пропит-
ку материала мономером, привес которого для раствора
составил 7,4 %, для фибробетоиа—9,1, для стеклобето-
иа —10,7 %.
Образцы испытывали нагрузкой в середине пролета
23 см, для испытания на сжатие использовали призмы
высотой 50 мм, выпиленные нз балок. Введение сталь-
ной дисперсной арматуры и пропитка значительно по-
высили прочность раствора (табл. 8.27).
Таблица 8.27. Влияние дисперсного армирования и пропитки
_________________полимером на свойства раствора__________________
Арматура Предел прочности при сжатии. МПа, Предел прочности при изгибе, МПа
образцов
контроль- ных модифици- рованных контроль- ных модифициро- ванных
Без арматуры Стальная Стекловолокно 10,9 10 3,9 41,3 89,4 51,3 1,2 5,4 5,4 6,1 33,8 13,6
При введении стеклянных волокон прочность на изгиб
повысилась в меньшей мере, а прочность иа сжатие да-
же понизилась. По мнению авторов работы, это объяс-
няется склонностью волокон к комкованию, что приво-
дит к плохому распределению их и увеличению пористо-
сти раствора. Принятая технология обработки не
обеспечила полной пропитки такого раствора. Получен-
ные результаты еще раз подчеркивают, что при произ-
водстве изделий из бетонов, армированных стекловолок-
ном, требуется специальная технология, обеспечивающая
высокую однородность материала.
Рис. 8.39 иллюстрирует особенности деформирования
обычного и пропитанного раствора 1:2,5, армированного
стальными фнбрами. При пропитке больше половины
фибр разрывается, без пропитки образцы разрушаются
без разрыва фибр. Данные опыты показывают высокие
деформатнвные свойства фибробетонополимера.
Дисперсную арматуру можно с успехом вводить не
только в цементные, но и в другие бетоны. Представляет
практический интерес дисперсное армирование гипсобе-
334
тона. После пропитки значительно повысится водостой-
кость подобных материалов и в результате могут быть
получены эффективные строительные материалы.
В качестве дисперсной арматуры в наших опытах с
В. С. Косенко использовался
коротковолокнистый асбест
7-го сорта. Были приготов-
лены и испытаны образцы
С различным содержанием
асбеста. Половину образцов
после сушки и вакуумирова-
ния пропитывали в течение
15 мин при атмосферном
давлении метилметакрила-
том с его последующей ра-
диационной полимеризаци-
ей. Прочность асбестогнпса
на сжатие понижалась с уве-
личением содержания асбе-
ста, а прочность на изгиб
достигала максимального
значения (11 МПа) при со-
держании асбеста 40 %
(рис. 8.40,а). Необходимо
отметить, что при изготов-
Рис. 8.39. Зависимость между от-
носительной нагрузкой о/#пр
относительным прогибом образца
f/f мах в центре пролета от вида
материала
/ — обычный раствор: 2 — раствор,
армированный 2 % стальных воло-
кон: 3 — раствор, модифицирован-
ный метилметакрилатом; 4 — рас-
твор. армированный стальными во-
локнами и модифицированный ме-
тилметакрилатом
Рис. 8.40. Зависимость свойств контрольных (—— —) и модифицированных
(------------) образцов асбестогнпса от содержания асбеста G acg
а —прочность на изгиб (/, 3) и сжатие (2, 4); б — водопоглощен не (/, 2) и
привес (3) полимера
335
Рис. 8.41. Внешний вид поперечного сечения асбестогипсобетопополимерных
балочек 4x4x16 см после испытания на изгиб (с повышением содержания ас-
беста слева направо наблюдается концентрация полимера к центру образца>
ленин образцов не удалось полностью избежать ком-
кования асбеста, что снизило результаты испытаний.
Пропитка материала полимером резко повысила его
прочность: па сжатие до 103 МПа, па изгиб до 33,4 МПа
(при содержании асбеста 60 %). При более высоком со-
держании асбеста возрастает пористость структуры ма-
териала и уменьшается ее способность удерживать моно-
мер. В результате прнвес полимера не увеличивается
(рис. 8.40,5), а прочность материала снижается. Одно-
временно наличие крупных пор и каналов способствует
тому, что в процессе полимеризации вследствие усадки
полимер стягивается к центру образца с четко обозна-
ченной уплотненной границей пропитанной части образца
(рис. 8.41). Это приводит к тому, что мономер уходит из
поверхностных слоев материала. В результате значи-
тельно снижается прочность асбестобетонополпмера на
гипсе при содержании асбеста свыше 60%. Очевидно,
для подобных структур необходима особая технология
пропитки и полимеризации, чтобы обеспечить хорошее
насыщение полимером всего объема материала и достиг-
нуть его более высокой прочности и долговечности.
Как и в других случаях, пропитка резко уменьшила
водопоглощение материала, что способствует повышению
его водостойкости и долговечности.
Дисперсное армирование в сочетании с пропиткой
позволяет регулировать деформативные свойства мате-
риала: с увеличением содержания волокон возрастают
предельная деформация и деформации материала,умень-
шается его модуль упругости, пропитка, наоборот, спо-
собствует увеличению модуля упругости.
336
Бетоиополимеры с дисперсным армированием, обла-
дая повышенной прочностью на растяжение и изгиб н
ударостойкостью в сочетании с высокой долговечностью,
в том числе и при армировании стеклянными волокнами,
могут успешно использоваться для самых различных кон-
струкций н изделий.
ИЗНОСОСТОЙКИЕ БЕТОИОПОЛИМЕРЫ
В ряде случаев обычный бетон необходимо защищать
от разрушающего воздействия кавитационной эрозии,
эрозии водного потока, несущего наносы в виде песка и
гравия, или эрозии от воздействия различных сыпучих н
других веществ. Это наблюдается в практике гидротех-
нического строительства, при сооружении трубопроводов
для пульпы, шламов и ряда других сред, при создании
некоторых морских и специальных сооружений. Как пра-
вило, в подобном случае бетой либо заменяют другим
материалом, например сталью, природными каменными
материалами, либо защищают особыми, как правило,
трудоемкими н дорогостоящими в устройстве покрытия-
ми. В этих условиях успешно могут быть использованы
бетоиополимеры, которые наряду с высокой прочностью
обладают высоким сопротивлением действию различных
видов поверхностной эрозии. При этом достаточно про-
питать на необходимую глубину лишь поверхностные
слон конструкции, чтобы придать ей высокую износо-
стойкость. Подобная обработка может осуществляться
как для монолитных железобетонных конструкций, так
и для сборных деталей и элементов при их изготовле-
нии. Несмотря на многостадийность технологии бетоио-
полимера, организация производства подобных изделий
может быть осуществлена на приобъектном полигоне с
использованием несложного оборудования, что расширя-
ет возможности применения этих изделий для защиты
основных конструкций от действия кавитационной эро-
зии н других подобных разрушающих факторов.
О механизме кавитационного разрушения единого
мнения пока не существует. Большинство исследователей
отдают предпочтение механическим факторам, объясня-
ющим разрушение материала воздействием короткой
интенсивной ударной волны, возникающей в момент за-
хлопывания пузырька воздуха иа поверхности материа-
ла. По некоторым воззрениям, в момент захлопывания
337
пузырьков могут наряду с высоким давлением возник-
нуть и повышенные температуры, также отрицательно
влияющие на стойкость материала. На основе этих взгля-
дов, а также результатов экспериментальных исследова-
ний стойкости обычного бетона к действию кавитации
можно определить основные требования к износостой-
ким бетонополнмерным материалам, обеспечивающим
высокое сопротивление этому виду воздействия.
Повышение стойкости материала достигается повы-
шением его прочности, плотности и однородности; важ-
ную роль играет также повышение внутреннего сцепле-
ния между отдельными составляющими материала. Для
достижения иаилучших результатов существенное зна-
чение имеет не только пропитка бетона мономером с его
последующим отверждением в теле бетона, но и созда-
ние стойкого к кавитации исходного бетона. Для этого
следует применять прочные и плотные заполнители оп-
тимальной крупиостн, подбирать соответствующий сос-
тав бетона, обусловливающий высокую плотность мате-
риала и гарантирующей от возникновения вредных
дефектов при твердеини бетона. В этих целях состав бето-
на должен иметь умеренный по возможности расход це-
мента при высокой конечной прочности бетона. Для до-
стижения этого необходимо применять высокопрочные
цементы, а также использовать добавки, способствую-
щие снижению расходов воды и получению материала с
меньшим числом пор.
Пропитка подобного материала будет происходить
так же, как обычного бетона, может быть, несколько
более продолжительно. Однако получаемый полимерный
каркас, обладающий повышенной дисперсностью, будет
способствовать значительному повышению прочности
материала, в том числе иа растяжение, и в конечном
счете получению бетоиополнмеров, стойких к воздейст-
вию различных видов эрозии.
Возможно, на стойкость к кавитации бетонополимера
окажет влияние термическая стойкость применяемого
полимера, так как возникновение в мнкрообъемах повы-
шенных температур делает желательным применение в
бетонополимерах, предназначенных для защиты от ка-
витации, более термостойких полимеров.
Для изучения влияния некоторых технологических
факторов на стойкость бетоиополнмеров к кавитации
А. И. Левченко и автором были проведены эксперимеи-
338
ты на кавитационном стенде. Скорость струи воды
в сжатом сечении (на входе в камеру, где устанавли-
вали образец 165X65X45 мм) составляла 36 м/с при
давлении 0,8 МПа. Телом, вызывающим кавитацию, яв-
лялся верх болта диаметром 20 мм, которым крепили
образец. При работе стенда за пределами кавитирую-
щего тела образуется факел-струя. Испытуемый образец
подвергали воздействию факела в течение определенно-
го времени до появления на образце каверны глубиной
не более 10 мм. Кавитационную стойкость определяли
продолжительностью испытания при которой разрушал-
ся определенный объем материала" (ч/см3).
Т а б л и ц а 8.28. Результаты испытания бетонопплимсров
на стойкость
Мономер Способ полимериза- ции Прочность на сжатие, МПа Кавитацион- ная СТОЙ- КОСТЬ, ч/см’ Износостой- кость, ч/г X л О
Без пропитки Стирол Термокаталити- ческий 45—50 95—105 0,55 6,1 1,17 3,47 0,27 0,89
Метилмета- крилат Термокаталитиче- ский Радиационный 140—150 160—170 6,1 7,7 4,11 5,69 0,91 0,95
В табл. 8.28 приведены результаты испытаний бето-
нов, модифицированных стиролом и метилметакрилатом
с полимеризацией их термокаталитическим или радиа-
ционным способом. Пропитке подвергали образцы из бе-
тона с В/Ц=0,4, жесткостью бетонной смеси 60с на ба-
зальтовом щебне фракции 5—10 мм и кварцевом песке,
обогащенном для получения оптимального состава
отсевами от дробления щебия. Модуль крупности
песка 3,1. Образцы после изготовления пропаривали по
режиму 4+9+3 ч с температурой изотермического про-
грева 70 °C. Мягкий режим пропаривания обеспечивал
структурообразование бетона с наименьшими деструк-
тивными явлениями. После пропаривания образцы в те-
чение 7 сут выдерживали во влажной среде.
339
Перед пропиткой образцы высушивали в течение
16 ч при 150 °C, после остывания помещали в вакуум-
пропиточиую камеру, где вакуумировали до остаточного
давления 0,6—1 кПа, и пропитывали при атмосферном
давлении. Термокаталитнческую полимеризацию моно-
мера в теле бетона проводили в воде при 70 °C при по-
лимеризации метилметакрилата и 80 °C при полимери-
зации стирола. Продолжительность полимеризации —
около 8 ч, что обеспечивало высокую конверсию моно-
мера. В качестве инициатора полимеризации использо-
вали перекись бензоила (3 % массы мономера для ме-
тилметакрилата и 5% для стирола). Радиационную по-
лимеризацию осуществляли от источника Со-60 в течение
10 ч, доза облучения 2-10* Дж/кг. Наилучшне результа-
ты показали образцы, пропитанные метилметакрилатом
при радиационном способе полимеризации.
Рис. 8,42. Харак-
тер разрушения
бетона (слева) и
бетонополимера
(справа) под дей-
ствием кавитации
(вверху) и при
испытании на аб-
разивную износо-
стойкость (внизу)
i
310
В результате пропитки стойкость к кавитации повы-
силась приблизительно в 11 раз прн термокаталнтичес-
ком способе полимеризации и в 14 раз — прв радиаци-
онном способе. Характер разрушения бетона и бетоно-
полимеров под воздействием кавитационной струи был
похожим. Разрушение начиналось с растворной части с
постепенным оголением крупного заполнителя, который
затем отрывался и уносился потоком воды. Высокое
внутреннее сцепление в бетонополимерах резко повыси-
ло сопротивление разрушению подобного характера
(рис. 8.42).
Интересно отметить, что при различных показателях
прочности иа сжатие бетонов/пропитанных стиролом и
метилметакрилатом при термокаталитическом способе
полимеризации, стойкость их к кавитации была прибли-
зительно одинакова. Возможно, здесь оказала некото-
рое влияние повышенная термическая стойкость поли-
стирола, что способствовало повышению стойкости ма-
териала к воздействию термического фактора.
Наряду со стойкостью к кавитации важное значение
для износостойких бетоиополимеров имеет абразивная
стойкость. При изучении влияния некоторых технологи-
ческих факторов иа этот вид сопротивления бетонополи-
мера была использована специальная установка.
В стальные барабаны помещали образцы-цилиндры
диаметром 54 мм и высотой 61 мм. Одновременно бара-
баны заполняли на четверть объема абразивом—боем
чугуна крупностью 5—40 мм. С целью приближения к
натуральным условиям в барабаны заливали воду. При
вращении барабана масса абразива перемещалась по
сложной траектории н изнашивала поверхность образ-
цов.
Для испытаний были использованы образцы из мел-
козернистого бетона при В/Д=0,4 и жесткости бетонной
смеси 60 с. Образцы пропаривали н пропитывали по тем
же режимам, что и при изучении кавитационной стойко-
сти бетонополимера. Результаты опытов (см. табл. 8.28)
показывают-, что стойкость к износу бетонов после про-
питки повышается в 3—4 раза. Несколько большее
повышение стойкости достигается при применении ра-
диационного способа полимеризации. Очевидно, здесь
сказывается получение более прочного полимерного
каркаса в последнем случае и меньшая опасность появ-
ления некоторых деструктивных дефектов в процессе
341
обработки материала, так как при радиационном спосо-
бе материалы не подвергаются иагреву и охлаждению
и не претерпевают связанные с ними деформа-
ции.
При испытаниях иа износостойкость выявился раз-
личный характер разрушения бетонных и бетоиополн-
мерных образцов. Износ бетонных образцов обусловли-
вался разрушением в первую очередь цементного кам-
ня, имеющего низкое сопротивление истиранию. В
результате заполнитель быстро оголялся и затем выкра-
шивался. При испытании бетонополнмерных образцов
высокая стойкость к истиранию пропитанного цементно-
го камня привела к тому, что цементный камень и за-
полнитель изнашивались равномерно, без выкрашивания
заполнителя, со значительным повышением затраты
энергии иа его разрушение (рис. 8.42, внизу). В резуль-
тате повысилась стойкость материала к износу.
Износостойкость материала в некоторой мере связа-
на с его стойкостью к удару, так как иа практике в ряде
случаев воздействие факторов, вызывающих износ ма-
териала, носит ударный характер. Стойкость к удару
определяли на испытательном копре иа образцах-ци-
линдрах диаметром и высотой 25 мм. За показатель
стойкости принимали суммарную работу, затраченную
на разрушение, отнесенную к объему образца. Для при-
готовления образцов был использован мелкозернистый
бетон с В/Д=0,4 при жесткости бетонной смеси 60 с.
Изготовляли образцы по той же технологии, как и для
испытания иа кавитационную стойкость и износостой-
кость. Результаты испытаний (см. табл. 8.28) показыва-
ют, что пропитка бетонов полимерами заметно улучша-
ет их стойкость к удару. При ударе бетонополимерные
образцы разрушаются как по растворной части, так и
по крупному заполнителю в отличие от бетонных образ-
цов, которые разрушаются в основном по контакту меж-
ду заполнителем и цементным камнем.
Так как стирол обладает повышенной термостойко-
стью, модифицированные нм бетоны в некоторых случа-
ях могут обладать хорошей износостойкостью. При этом
необходимо указать, что стирол является одним из до-
ступных и недорогих мономеров, что повышает техиико-
экоиомнческие показатели бетоиополимериых изделий.
Однако бетоны, пропитанные стиролом, в ряде случаев
имеют более иизкне механические показатели по сравне-
342
нию с бетонами, пропитанными другими мономерами,
например метилметакрилатом.
Свойства бетонов, пропитанных стиролом, можно за-
метно улучшить, добавив к ним перед пропиткой дру-
гой мономер.
В США [133] в качестве добавки к стиролу ис-
пользуют акрилонитрил нли применяют для пропит-
ки материалы иа основе стирола: пласкон-941 (поли-
эфирстирол), эпокрил И-16 (эпоксистирол). Благодаря
введению добавок удается повысить прочность бетонопо-
лимеров иа сжатие соответственно в 1,15; 1,65 и 1,85 ра-
за, при этом стоимость пропиточного состава повышает-
ся в 1,3, 2,2 и 4,4 раза.
Наиболее эффективно введение в стирол вещества с
поперечными связями. Известно, что полимеры типа
стирола состоят из плотно упакованных цепей. Под дей-
ствием высоких температур физическая связь между це-
пями ослабевает и цепи начинают скользить одна отно-
сительно другой. Аналогичная картина получается при
воздействии растворителя иа подобный полимер. Раство-
ритель, просачиваясь между полимерными цепями,
ослабляет действие физических связей, и полимер пере-
ходит в раствор. Заменой физических связей в полимере
более сильными химическими можно добиться значи-
тельного повышения физико-механических свойств ма-
териала. На практике это осуществляется совместной
полимеризацией мономеров типа стирола, метилметакон-
лата и т. п. с небольшим количеством вещества, образу-
ющего поперечную связь. При сополимеризации образу-
ется трехмерный пространственный каркас.
В США в качестве средства для создания попереч-
ных связей используют триметнлпропан-триметакрилат
(ТМРТМА). Кроме улучшения стойкости полимера к
воздействию высоких температур и растворителей повы-
шается прочность материала. Возможно также улучше-
ние свойств бетонов, пропитанных стиролом, добавлени-
ем к стиролу перед пропиткой дивиннлбензола, являю-
щегося бифункциональным аналогом стирола.
В результате сополимеризации образуется неплавкий и
нерастворимый полимер сетчатого строения.
Дивииилбеизол в чистом виде промышленностью не
выпускается, так как быстро полимеризуется. В состав
технического дивинилбеизола входят следующие компо-
ненты, %: дивннилбензол (чистый) 51,3, этилстирол 39,1
313
Рис. 8.43. Влияние добавки дивн-
нилбензола (ДВЕ) на кинетику
пропитки бетона стиролом с пред
варительным вакуумированием
/ — стирол без добавки; 2 — с до-
бавкой 9 % дивииилбензола; 3 —
то же, 17 %; 4 — то же, 23 %
Рис. 8.44. Влияние содержания ди-
винилбензола в стироле на проч-
ность бетонополимера (/) и привес
полимера (2)
Рис. 8.45. Зависимость кавитационной стойкости (а) и стойкости к истиранию
(б) бетонополимера от содержания дивииилбензола в стироле (пунктиром
обозначена стойкость бетона, модифицированного метилметакрилатом)
и другие. Плотность дивииилбензола 0,912, вязкость
1,2 • 10~4 м2/с.
Как показали опыты В. Я. Ващука и А. И. Левченко
179]. добавка более вязкого дивииилбензола в стирол в
количестве до 30 % практически мало отражается на
кинетике пропитки (рис. 8.43). Исследования влияния
добавки дивииилбензола в стирол на прочность бетоно-
полимера проведены иа образцах-кубах 7X7X7 см, изго-
344
товлеиных из бетонной смеси с В/Д=0,4 и удобоукла-
дываемостью 60 с иа базальтовом щебне крупностью
5—10 см н кварцевом песке, обогащенном отсева-
ми от дробления базальтового щебня (Мкр = 3,1). До-
бавка дивииилбензола составила 9—23 %» концентра-
ция инициатора полимеризации — перекиси бензоила
5 %. Температура полимеризации 80 °C, длительность
8 ч.
При содержании дивииилбензола до 17 % прочность
бетонополимера повышается. При дальнейшем увеличе-
нии содержания дивииилбензола прочность иа сжатие
практически не изменяется (рис. 8.44).
Привес полимера в бетоне с увеличением количества
дивииилбензола в'пропитывающем "составе несколько
снижается, несмотря иа то что все образцы пропитыва-
лись полностью.
Увеличение прочности бетонополимера, модифициро-
ванного сополимером, можно объяснить увеличением
прочностных показателей сополимера, а также придани-
ем бетонополнмеру предварительного напряжения, боль-
шего при применении сополимера, так как усадка сопо-
лимера при полимеризации — около 23 %, а усадка сти-
рола — около 18 %.
Добавка дивииилбензола заметно повышает кавита-
ционную стойкость бетонополимера (рис. 8.45,о). При
пропитке чистым стиролом кавитационная стойкость
меньше, чем у бетонополимера иа метилметакрилате.
Добавка дивииилбензола до 4 % повышает стойкость к
кавитации, ио показатели все же ниже, чем при пропит-
ке метилметакрилатом. Наиболее эффективна добавка
дивииилбензола 15—20 %. В сравнении с пропиткой
чистым стиролом показатели стойкости к кавитации бе-
тонополимеров повышаются в 2, а в сравнении с непро-
питанным бетоном — в 22 раза.
Такое повышение кавитационной стойкости бетонопо-
лимеров трудно объяснить только улучшением механиче-
ских показателей; по-видимому, в данном случае нема-
ловажным фактором является термостойкость сополи-
мера.
Добавка дивииилбензола в стирол также положи-
тельно отражается иа стойкости бетонополпмеров к
истиранию (рис. 8.45,6). Наиболее эффективна добавка
ДВБ в стирол в пределах 12—17 %. При увеличении со-
держания ДВБ в’ стироле до 23 % стойкость к пстнра-
22—210
345
нию несколько снижается. В сравнении с истираемостью
бетоиополнмеров на основе полиметилметакрилата исти-
раемость бетона, модифицированного сополимером сти-
рола с дивииилбензолом, повысилась в 1,25 раза.
Ниже приведены результаты испытаний на удар бе-
тонов, пропитанных чистым стиролом и с добавками ди-
вииилбензола.
Пропитывающий состав
Непропитанный бетон
Стирол .......................
Стирол + 9 % дивинилбензола .
Стирол + 17 % дивинилбензола ,
Стирол + 23 % дивинилбензола .
Стойкость к
УДару. Дж/см»
0,27
0,89
0,95
0,95
0,89
Лучшие показатели также имеют бетоны, модифици-
рованные составами с 9 н 17 % дивниилбеизола.
Таким образом, применяя оптимальную бетонную
матрицу и соответствующую ее обработку полимерами,
в том числе сополимерами, образующими трехмерную
структуру молекул, можно получить износостойкие бето-
нополнмеры с высоким,сопротивлением различным ви-
дам эрозии .
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ БЕТОНОПОЛИМЕРЫ
Обычный бетон, обладая при нормальных условиях
полезными электрическими свойствами, ие удовлетворя-
ет требованиям, предъявляемым к электротехническим
материалам, вследствие ионного характера электропро-
водности. которая в зависимости от влажности меняется
на 6—7 порядков. Если сопротивление сухого бетона
составляет 1010—10й Ом-см, то при его увлажнении —
всего 102—103 Ом «см. Придание бетону стабильных
электротехнических свойств позволило бы значительно
расширить области его применения.
Наиболее доступными способами достижения этой
цели являются подбор состава бетона для обеспечения
необходимых электротехнических свойств, изготовление
изделий по специальной технологии, обеспечивающей
повышенную однородность материала, и пропитка мате-
риала электроизоляционными составами, в том числе
полимерными, с целью стабилизации его свойств. При
введении в состав бетона дополнительного компонента—
электропроводной добавки, обладающей электропровод-
346
н остью электронного характера, возможны широкое ре-
гулирование электрических свойств материала и получе-
ние электропроводного бетона. Работы по изучению
электротехнических бетонов были начаты Ю. Н. Верши-
ниным в 1960 г. [И9] и привели к созданию ряда специ-
альных видов бетона с заранее заданными электрически-
ми свойствами. Эти материалы по существу представля-
ют собой специальные бетоны с поверхностной пропиткой,
обеспечивающей неизменяемость их свойств во времени
в разных условиях эксплуатации.
В настоящее время можно выделить два основных
вида электротехнических бетонополимеров: электропро-
водный бетон (бетэл) и электроизоляционный бетонопо-
лимер. Для обоих видов бетонополимера характерно ис-
пользование мелкозернистых составов, обеспечивающих
необходимую однородность материала, и проведение по-
верхностной пропитки.
Электропроводный бетон (бетэл) представляет собой
цементно-песчаную композицию с тонкомолотой добав-
кой, которая обусловливает его электропроводность.
Частицы этой добавки, контактируя между собой, обра-
зуют в материале достаточно однородную в объеме си-
стему непрерывных цепочек — электропроводную матри-
цу, в результате чего материал приобретает однородную
объемную электропроводность.
Цемент является вяжущим в объемной электропро-
водной композиции, а песок — инертным диэлектричес-
ким наполнителем, влияющим на технологические и фи-
зико-механические свойства бетэла. Введение песка
уменьшает усадочные деформации материала н тем са-
мым снижает вероятность появления микродефектов в
материале, ухудшающих его электрические и физикЬ-
мехаинческие свойства. Из этих соображений, как из-
вестно из теории мелкозернистых бетонов, целесообразно
применять составы с соотношением «вяжущее — песок»
1 : 1—1 :3, являющиеся оптимальными по своим техно-
логическим и физико-механическим свойствам.
В качестве электропроводных материалов для полу-
чения бетэла могут применяться тонкодисперсныс по-
рошки графита, сажи, кокса и других углеродистых ве-
ществ, а также некоторые порошкообразные металлы и
их окислы. С точки зрения технико-экономических пока-
зателей наиболее эффективны коксы, например кокс пе-
ковый электродный (ГОСТ 3213—71*). Тонкость помола
22-
347
добавки обычно (.оставляет 6—10 тыс, см2/г. Это обеспе-
чивает создание в системе твердеющего цементного кам-
ня непрерывных цепочек электропроводного материала.
Кроме того, примеиеиие кокса обеспечивает хорошую
эксплуатационную стойкость материала к местным пере-
гревам.
Электропроводность бетона определяется в основном
свойствами системы «электропроводная фаза — цемент-
ный камень». С увеличением процентного содержания
электропроводной добавки уменьшается, как правило,
количество цемента, так как общий объем смешанного
композиционного вяжущего (цемент+электропроводиая
добавка) обычно остается неизменным и определяется
оптимальным" коэффициентом избытка композиционного
вяжущего Кизб.
При постоянной пустотности заполнителя и заданном
Кизб существуют определенные зависимости между кон-
центрацией углерода в электропроводном связующем,
электропроводностью бетэла и его прочностью (рис.
8.46). При /Снэб=2 и тонкости помола углерода
12 000 см2/г с увеличением концентрации электропровод-
ной добавки электропроводность бетэла увеличивается,
а прочность уменьшается. Можно выделить две крити-
ческие точки: точку минимальной концентрации углеро-
Рис. 8.46. Зависимость прочности на сжатие (/) и электросопротивления (2)
бетоиа от объемной концентрации углерода 6 в композиционном вяжущем
348
да Кн, характеризующую начало образования сплошных
электропроводных цепочек в бетэле и получение ста-
бильной электропроводности, и точку предельной кон-
центрации углерода характеризующую предельное
состояние бетэла по прочности. Другими словами, пре-
дельная концентрация углерода определяет его макси-
мальное содержание, при котором еще возможно полу-
чение минимально требуемой прочности. Обычно мини-
мальную прочность принимают равной 10 МПа и точка
Кв соответствует этой прочности. Бетэл минимальной
прочности характеризуется и минимальным электричес-
ким сопротивлением материала (10—12 Ом-см).
Точка Кн соответствует концентрации углерода, при
которой еще наблюдается стабильный выход изделий с
заданным сопротивлением (при дальнейшем уменьшении
концентрации углерода нарушается непрерывность токо-
проводящей фазы)’. Указанная точка характеризуется
максимальным значением прочности 40—60 МПа и мак-
симальным электрическим сопротивлением 10 000—
15 000 Ом-см.
Значения критических точек зависят от тонкости по-
мола углерода: с ее увеличением значения точек умень-
шаются. Например, для тонкости помола углерода
6000 см2/г /(н=30 %, а /Св = 52 %, для 14 000 см2/г соот-
ветственно 16 и 42 % (при постоянном /Сиэб=2).
При изготовлении изделий из бетэла могут использо-
ваться составы с различными Кпзб- При сохранении оп-
ределенной объемной концентрации электропроводной
добавки в композиционном вяжущем с уменьшением
Кизб доля электропроводного вяжущего в бетоне умень-
шается и соответственно изменяются его электрические
свойства. Например, при /Сизб = 1,1 (для прессованных и
трамбованных образцов) при концентрации углерода в
вяжущем 25 % электрическое сопротивление составляет
60 Ом-см, прочность 34 МПа, а при Лизб=3 электричес-
кое сопротивление уменьшается до 8 Ом-см, а прочность
возрастает до 55 МПа. Таким образом, изменяя концент-
рацию углеродной добавки в вяжущем нли содержание
композиционного вяжущего в бетоне 7Сязб, можно в зна-
чительных пределах регулировать электрические свой-
ства и прочность материала.
Бетэл может применяться для электротехнических
конструкций как общего назначения (греющих панелей,
полов, дорожных плит и т. д.), так и специального (ре-
349
зисторов, заземлителей и др.). Вид конструкций и требо
ваиия, предъявляемые к материалам, определяют техио
логию изделий. Для конструкций общего иазначеии?
применяют обычные технологии, добавляя дополиитель
иые переделы — смешение цемента с электропроводной
добавкой, сушку и пропитку бетона. При изготовление
специальных электротехнических изделий с повышенны
ми требованиями к материалу используют специальные
приемы обеспечивающие необходимую плотность и од-
иородность бетэла, в частности применяют бетоны (
низким водоцементным отношением, тщательное переме
шивание, прессование, трамбование, вибропрессоваиие i
другие методы, обеспечивающие тщательное уплотнение
жестких бетоииых смесей и позволяющие достигнуть е
этом случае хорошего контакта между частицами элект
ропроводящего материала. Изготовление изделий и:
электротехнического бетонополимера должно осущест-
влиться по строгим технологическим режимам, обеспе-
чивающим получение материала с коэффициентом вари
ации по электрической прочности меиее 0,1.
Введение электропроводящей добавки обычно ие вы
зывает изменений в основных процессах приготовления
бетонополимера. Единственной особенностью являете?
то обстоятельство, что бетоиополимер для специальных
электрических конструкций обладает малой пористостью
и проницаемостью, поэтому при его пропитке приходится
применять более длительные режимы. Необходимо так-
же сушить материал по более мягким режимам, чтобы
избежать возникновения микродефектов, отрицательно
влияющих иа электрические свойства и прочность мате
риала. Наиболее применимым методом стабилизацш
свойств электротехнических бетонов является их пропит-
ка электроизолирующими составами. В зависимости о’
эксплуатационных требований могут применяться как
различные нефтепродукты (парафин, петролатум, биту
мы, масла и др.), так и полимерные материалы (метил
метакрилат, стирол и Др.). В последнем случае обеспе
чиваются большая долговечность и стойкость материала
в особых условиях. Пропитку проводят, как правило, иа
глубину нескольких миллиметров или сантиметров. При
пропитке нефтепродуктами прочность либо ие повьрша
ется, либо повышается весьма незначительно (на 10—
20 %). Прн поверхностной пропитке мономерами с по
следующей их полимеризацией в теле бетона повышение
350
прочности будет зависеть от вида использованного моно-
мера, степени насыщения поверхностных слоев и глуби-
ны пропитки. Для небольших изделий при достаточно
глубокой пропитке прочность повышается в 1,5—2,5 раза.
Применение для пропитки полимеров обеспечивает
получение высококачественных изделий. Определенный
интерес представляют изделия, в которые для повыше-
ния их прочности вводят дисперсную арматуру в виде
стеклянных или других видов волокон. В этом случае
могут быть получены высокопрочные электротехнические
изделия с высокой прочностью иа изгиб й растяжение.
Изменяя состав материала, его технологию н специ-
альную обработку для стабилизации свойств, можно по-
лучить электротехнические бетоиополимеры с широким
диапазоном электротехнических свойств:
удельное электрическое сопротивле-
ние, Ом-см ................. 10—101
прочность, МПа:
на сжатие . . 10—-50
> растяжение .... 2—10
средняя плотность, г/см3 .... 1,8—2,2
допустимая плотность тока, А/см3 0,1—10
рабочий диапазон температур, °C . от —60 до 150
Эти свойства позволяют получать из бетэла разнооб-
разные изделия различного назначения. Как правило,
подобные изделия проще в изготовлении и дешевле изде-
лий, приготовляемых из специальных электротехничес-
ких материалов. Это объясняется тем, что при изготов-
лении бетэловых изделий и конструкций используются
распространенные материалы — цемент, доступные элек-
тропроводные добавки, обычные заполнители, — а также
в основном освоенные промышленностью технологичес-
кие процессы.
Как указывалось, бетон в высушенном состоянии,
если в него ие введена специальная электропроводящая
добавка, обладает хорошими электроизоляционными
свойствами. При стабилизации этих свойств с помощью
пропитки специальными составами могут быть получены
электроизоляционные бетоиополимеры, В табл. 8.29 и
8.30 приведены показатели электрических свойств клин-
керных минералов и новообразований цементного камня.
Как показали опыты, прн создании плотной и сравни-
тельно однородной структуры можно получить бетоны с
высокой электрической прочностью. В группе гидросили-
351
Т а б л н ц а 8.29. Электропроводность компонентов цементного
камня
Компонент Условное обозначение Электрическое сопротив ление, Ом-си
Клинкерные минералы: силикат кальция алюминат кальция алюмоферрит кальция феррит кальция Гидратированные соединения: ннзкоосновные гидросиляка- ты кальция высокоосновные гидроснли- каты кальция гидроалюминаты кальция гидросульфоалюминаты кальция гидратированный алюмо- феррит (при 175 °C) гидратированный феррит (при 175 °C) Таблица 8.30. Электричес f C,S 1 ?-C2S CSA C,AF C»F CSH(B) C2SH„ 1 C,AH„ I C3AH„ кая прочность 1,2-Ю8 1,5-10® 7.5-Ю8 6.10’ 6,4-10’ 2-108 9-10е—5-10® 1,2-10е—6,7-10’ 1 • 10’—3-10» 8-10в—2.10® 6-106 1.10е 4.10’—8-10’ кристаллогидратов
цементного камня
Соединение Условное обозначение Электрнческая проч, ность =0,22 у*, Мв/см
Гидросиликат C8SeH10<6 1,88
Тоберморит 5 2,31
Ксенолит C,S,H 3,38
Гиллебрандит CjSH,.!, 3,82
Гидросульфоалюминат — 1,76
[ C3AH14 3,85
Гидроалюминаты 4,66
I CjAHg 6,62
катов кальция более высокой электрической прочностью
обладают гиллебрандит, ксонолнт, тоберморит и мень-
шей — гидросиликаты типа CSH(B). Автоклавный ре-
жим твердения способствует получению материалов с по-
вышенной электрической прочностью, в частности иа
352
глиноземистом цементе. В группе алюминатных соедине-
ний наименьшей электрической прочностью обладает
гидросульфоалюмииат. Гидроалюмииаты С3АНи и
CSAH12, образующиеся при твердении глиноземистого це-
мента в условиях обычных температур (около 20°C), об-
ладают большей электрической прочностью по сравне-
нию с гидросиликатами (заисключением гиллебрандита).
Поэтому цементный камень на основе глиноземисто-
го цемента обладает-повышенной электрической прочно-
стью. Наибольшей электрической прочностью обладает
трехкальциевый алюминат. Как показывают эксперимен-
ты, пробивное напряжение при испытании по методике
«острие — плоскость* составляет для цементных мате-
риалов 30—100 кВ. Важное значение для получения ма-
териалов с высокой электрической прочностью имеет его
структура. Создание мелкозернистой структуры с по-
ниженным числом микродефектов способствует повыше-
нию электрической прочности материала. Этому же спо-
собствует последующая пропитка бетонов.
Таким образом, электроизоляционный бетон должен
изготовляться иа основе мелкозернистых смесей, как пра-
вило, состава 1 : 2—1 : 3 на смешанном вяжущем с введе-
нием в его состав кремнеземистой добавки для повыше-
ния общей плотности материала и с использованием
технологических приемов, позволяющих обеспечить по-
вышенную однородность и бездефектность материала,
в частности более плавных режимов прогрева, тщатель-
ного перемешивания, эффективных методов уплотнения,
более мягких режимов сушки и др.
Как и электропроводные бетонополнмеры, изоляцион-
ный бетоиополимер пропитывают с поверхности специ-
альными составами или мономерами. Особенностью
пропитки нефтепродуктами является то, что высокая плот-
ность и низкая проницаемость материала, с одной сторо-
ны, и высокая вязкость пропитывающих составов, с дру-
гой стороны, способствуют увеличению длительности про-
питки. В этом случае оказывается недостаточно эффек-
тивным применение просто капиллярной пропитки с ва-
куумированием. Для пропитки подобных материалов в
СибНИИЭ был предложен режим периодической пропит-
ки путем повторения циклов пропитки. В этом случае
образцы или изделия помещают в ванну, в которой на-
гревают до температуры образования расплава (для
петролатума 140 °C), выдерживают при этой температуре
353
К, им
Рис, 8.47. Зависимость глубины пропитки
от числа циклол п и давления
/ — при атмосферном давлении; 2 — при
давлении 0,6—0,8 МПа
h,Mrf
g ----1---1---
го и ггп},%
Рис. 8.48. Влияние
пористости электро-
изоляционного бетона
иа глубину пропитки
петролатумом
в течение 10 ч, а затем охлаждают до 40—50 °C в тече-
ние 4 ч (нагрев до 140 °C обычно занимает 3—4 ч). Как
показали опыты (рнс. 8.47), для пропитки электроизоля-
ционных бетонов высоковязкими материалами типа пет-
ролатума целесообразна пропитка под давлением около
0,6—0,8 МПа. В этом случае удается увеличить глубину
и качество пропитки. Для пропитки в обычных условиях
большое значение имеет период остывания, когда вслед*
ствие самовакуумироваиия расплавленный материал про-
никает в глубь массива бетоиа. Обычно глубина пропит-
ки стабилизируется после 3—4 циклов обработки. Глуби-
на пропитки увеличивается также с повышением
пористости бетоиа (рис. 8.48).
Данные табл. 8.31 свидетельствуют, что пропитка
петролатумом существенно улучшает свойства электро-
изоляционного бетоиа. Этому еще в большей степени
способствует пропитка метилметакрилатом (см. гл. 7).
Из электроизоляционного бетонополимера могут быть
созданы различные электротехнические конструкции:
траверсы электропередач, панели с внутренним нагрева-
тельным элементом и ряд других.
ГИПСОБЕТОНОПОЛ ИМЕРЫ
Быстрое твердение в обычных условиях и хорошая
формуемость гипса позволяют организовать эффектив-
ное производство различных сборных элементов и нзде-
354
Таблица 831. Влияние пропитки петролатумом на свойства электроизоляционного бетона
355
лий иа его основе. Эти изделия обладают необходимой
прочностью, низкой теплопроводностью и звукопроница-
емостью, пониженной средней плотностью, легко подда-
ются механической обработке, могут окрашиваться в
различные цвета. Однако изделия иа основе гипса ие
обладают необходимой водостойкостью: при увлажнении
прочность снижается более чем в 2 раза, что сужает об-
ласть их применения. Одним из способов повышения во-
достойкости, прочности и долговечности гипсовых изде-
лий может быть пропитка их специальными составами,
в том числе мономерами, с последующей полимеризаци-
ей в массиве изделия.
Гипсобетоны обычно обладают повышенной пористо-
стью, так как часто их готовят иа основе чистого вяжу-
щего или небольших добавок специальных заполнителей.
Из-за особенностей твердения и отсутствия усадки гипса
применение обычных заполнителей в гипсобетоне нера-
ционально, так как получаемый материал имеет низкую
прочность.
Пористость гипсового камня в зависимости от водо-
вяжущего отношения составляет до 50—60 % и более
При этом большинство пор и капилляров являются более
крупными, чем у обычного цементного камня. С одной
стороны, это полезно: как показали наши опыты, гипсо-
вый камень пропитывается быстрее цементного и уже
через 10—15 мин количество поглощенного мономера при
пропитке без вакуума достигает 80—95 % максимального
насыщения (для'образцов 3X3X3 см). При этом более
интенсивно пропитывается высокопрочный гипс, отлича-
ющийся большей однородностью размеров пор и капил-
ляров Максимальное насыщение гипса полимером дости-
гает 50—60 % для высокопрочного гипса нормальной
густоты и 55—65 % для обычного гипса. Несколько умень-
шить полимероемкость можно за счет снижения В/В, в
том числе при использовании суперпластификаторов, или
применения других способов снижения пористости мате-
риала, С другой стороны наличие крупных пор и капил-
ляров затрудняет удерживание мономера в гипсовом
камне и увеличивает потери мономера при полимериза-
ции (от испарения или растворения) Поэтому часто со-
держание полимера в гипсобетоиополимере оказывается
ниже максимально возможного, что приводит к сниже-
нию эффективности пропитки. Кроме того, как указыва-
лось в гл. 3, увеличение размеров пор и капилляров
356
уменьшает дисперсность полимерного каркаса и соответ-
ственно его прочность. Вследствие высокой деформатив-
иости твердого скелета в гипсобетоиополимере быстро
релаксируется преднапряжеиие, возникающее при усадке
полимера, в результате чего несколько снижается об-
щий эффект упрочнения материала при пропитке.
Таблица 8.32. Свойства гипса и гипсобетонополимера
0,4
0,5
0,6
Привес мономера, % Предел прочности при сжатин/изгибе, МПа, образцов Коэффициент упроч- нения К Коэффици- ент раз- мягчения образцов
сухих насыщенных водой
5 h й СиЭ е s
контроль- ных пропитан- ных контроль- ных пропитан- ных
18,9 18/8,1 44,5/15,9 6,5/3,7 24,5/13,3 2,5 0,4 0,55
28,7 11,2/5,2 34/12,8 4,5/2,3 20,5/10,£ 3 0,35 0,6
39,4 9,6/4,4 32/12,2 38,5/2 22,4/10,1 3,4 0,35 0,7
Для установления зависимости свойств гипсобетоио-
полимера от различных факторов было проведено не-
сколько серий опытов. В первой серии гипсовый камень
при разном В/В после сушки и вакуумирования пропи-
тывали метилметакрилатом с последующей термокатали-
тической полимеризацией (табл. 8.32).
Из табл. 8.2 видно, что прочность пропитанных об-
разцов (балочек 4x4x6 см) зависит от водовяжущего
отношения, т. е. от исходной пористости материала. Ес-
ли сравнить гипсовый и цементный камин, то число
О
мельчайших пор (до 1000 А) у цементного камня дости-
гает 98~%, в то время как у гипсового камня не превы-
шает 10%. Поэтому хотя /Супр и возрастает с увеличе-
нием пористости, ио не так эффективно, как у цементно-
го камня.
Если использовать вместо метилметакрилата смесь
этиленгликольметакрилата (ЭТМА 5—30%) с метил-
метакрилатом (95—70 %), то за счет более полного
заполнения крупных пор гипсового камня можно достиг-
нуть более значительного упрочнения образцов [133].
Однако, несмотря иа то что Хущ. возрастает с увеличе-
нием пористости, абсолютная прочность при этом сни-
жается, а расход мономера увеличивается.
357
Коэффициент водостойкости у пропитанных метил*
метакрилатом образцов в 1,2—2 раза выше, чем у конт-
рольных, но все же меньше 0,8, если не применяются
особые режимы обработки. Мономер заполняет от 60 до
85 % объема пор, заполненных водой при испытании иа
водопоглощение и составляет по массе 15—35%.
Для уменьшения расхода мономера и вяжущего, а
также для снижения пористости материала во второй се-
рин испытывали образцы из гипсового раствора соста-
вов 1 : 1 и 1 : 3.
В качестве заполнителя применяли как речной песок,
так и дробленый из щебня приблизительно такого же
зернового состава. Использование подобных растворов
для непропитаиных изделий затруднительно из-за низ-
ких прочностных и других свойств.
В одной серии образцы формировали при двух зна-
чениях В/В с удобоукладываемостью 10—15 и 50—60 с.
Значения прочности наиболее высоки у состава 1 : 1
(табл. 8.33). Эти значения превышают прочностные по-
казатели образцов без заполнителя. Купр гипсобетоно-
полимерных образцов составляет 1,7—2,9. Расход
ММА при применении заполнителей уменьшается с 25
до 12-18%
В другой серии гипсовые образцы-цнлнидры, полу-
ченные методом прессования, имели диаметр и высоту
1:0:0
1:1:0
1:1:0
1:3:0
1:3:0
1:0:1
1:0:1
1:0:3
1:0:3
в/в
Таблица 8.33. Влияние состава бетона на свойства
гипсобетонополимера
Прочность на
сжатие, МПа.
образцов
хупр
0,4
0,37
0,5
0,55
0,55
0,37
0,5
0,6
0,7
1770
2100
2000
2180
2100
2310
2000
2280
2195
10—15
50-60
10-15
50—60
10—15
50-60
10—15
50—60
10—15
18,4
17,8
13,6
6,3
6,5
21
16,8
9,6
8
37,4
52,4
33,3
17,4
13,3
45,8
29,3
20,1
14,2
2,03
2,95
2,95
2,75
2,05
2,2
1,75
2,1
25,4
15,2
17,5
17
18
13,3
16,2
11,9
17,9
§
ж,
£
ж
Й
I
s
358
Таблица 8.34. Свойства гипсовых и гипсобетонополимерных
образцов, изготовленных методом прессования
1 33 Средняя плот- ность, кг/мэ Усилие прессо- вания, МПа Прочность на сжа- тие, МПа. образцов *упр Привес моно- мера, %
конт- рольных пропи- танных
1:0 0,2 2000 17,5 31,6 59,7 1.9 6
1 .0 0,2 1940 15 28,6 49,6 1.7 6,8
1 :1 0,3 1950 11 11 18,4 1.6 10,5
1 :1 0,3 1930 10 16,3 27,6 1,7 11
50 мм. Давление прессования составляло 10—17,5 МПа,
В/В=0,2 и 0,3. Результаты испытаний приведены в
табл. 8.34. Для сравнимости результатов образцы изго-
товляли приблизительно с однозначными значениями
средней плотности.
Метод прессования позволил снизить расход мономе-
ра до 5—11 %, Лтпр при этом составил 1,6—1,9, но проч-
ность пропитанных образцов без заполнителя в 2 раза
выше, чем образцов состава 1 : 1. Таким образом,-умень-
шение пористости гипсового цементного камня за счет
прессования обеспечило заметное повышение прочности
гппсобетонополимера на его основе.
Некоторое снижение средней плотности раствора при
прессовании, вызванное трудностью формования при
низких В/В, и расхода полимера в подобной структуре
обусловило несколько пониженную, прочность пропитан-
ного раствора.
Необходимо заметить, что термокаталитическая
полимеризация в водной среде не является оптималь-
ным решением для гипса, так как воздействие воды на
твердую фазу может несколько снизить внутреннее
сцепление и прочность наружных слоев изделий. Здесь
полезно применение герметизирующих сред типа рас-
плавленного парафина или иизкоосибвного полиэтиле-
на.
Наиболее высокие результаты по степени насыще-
ния полимером и по прочности были получены при мо-
дифицировании гипса и гипсоцементио-пуццоланового
вяжущего по следующему режиму: сушка при 60 °C, ва-
куумирование в течение 20 мин, пропитка метилметакри-
латом при давлении 0,3 МПа в течение 13 мни, радиа-
ционная полимеризация (табл. 8.35).
359
Таблица 8.35. Свойства гипсобетонополимера
при радиационной полимеризации
Вяжущее Привес полимера. % Предел проч- ности при сжа- тии сухих образцов. МПа Коэффициент размягчения ВодопоГ- лощенир
Гипс 40,1 91,2 0,8 3
0 21,7 0,2 36
Гипсонементно- 13 51,2 0,83 1,8
пуццолановое 0 27 0,69 16,3
Прочность гипсобетонополимера при такой обработ-
ке достигала 91,2 МПа, что превышает прочность конт-
рольных образцов в 4,2 раза. Водопоглошеиие снизилось
с 36 до 3%, коэффициент размягчения увеличился с
0,2 до 0,83. Подобное более значительное,' чем в других
опытах, улучшение свойств объясняется повышенным
привесом мономера, в результате чего в бетоне был соз-
дан прочный и малопроияцаемый полимерный каркас.
Пропитка улучшила и свойства гипсоцементио-пуццо-
лаиового камня.
Таким образом, пропитка гипсобетона мономером с
последующей полимеризацией, в том числе пропитка
поверхностных слоев, позволяет значительно повысить
водостойкость и долговечность материала. Одиако во-
прос о применении такой обработки должен решаться иа
основе техиико-экоиомического расчета с учетом повы-
шенной полимероемкости подобных материалов.
БЕТОИОПОЛИМЕРЫ С ВНУТРЕННЕЙ ПРОПИТКОЙ
В эту группу условно объединены материалы, полу-
чаемые путем введения в бетон при его изготовлении
дисперсных термопластичных материалов с последую-
щим нагревом затвердевшего бетоиа с целью перерас-
пределения полимерной фазы в его структуре. В резуль-
тате такой обработки могут быть получеяы материалы
с высокой степенью водонепроницаемости.
Термопластичные материалы могут вводиться в ба-
зы
ток в виде либо суспензии, либо тоикомолотых дисперс-
ных порошков. Известно использование в виде добавок
в бетой битумных суспензий, а также парафина, горно-
го воска, капрона и других подобных материалов. При
этом, как правило, несколько снижается прочность бе-
тона; с другой стороны, с увеличением количества вве-
денного материала возрастает непроницаемость бето-
нополимера в результате его последующего нагрева.
В производстве необходимо обеспечивать оптимальную
дозировку дисперсного термопластичного материала,
чтобы, не снижая в значительной степени прочности бе-
тоиа, достигнуть заданной водонепроницаемости
Подобные материалы могут также в дальнейшем
подвергаться пропитке мономерами с последующим их
отверждением в теле бетоиа. Одиако в результате пред-
варительного введения в бетой термопластичных мате-
риалов уменьшается расход мономера, а в теле бето-
нополимера образуется сложная полимерная структура,
включающая наряду с термопластичным материалом,
введенным в бетон при его изготовлении, также поли-
мерный материал, образовавшийся в результате посте-
дующей пропитки и полимеризации. Между этими мате-
риалами могут развиваться реакции сополимеризации,
что будет способствовать получению более долговеч-
ной и непроницаемой фазы.
В наших опытах исследовалась возможность полу-
чения бетоиополимеров с внутренней изоляцией путем
введения в бетой при его приготовлении мельчайших
парафиновых шариков. Эти шарики получали по спе-
циальной технологии, обеспечивающей крупность час-
тички 0,01 — 0,1 мм. Парафиновые шарики вводили в
подвижную цементно-песчаную смесь состава 1:2, В!Ц =
=0,43 при ее приготовлении обычным образом, т. е. пу-
тем совместного перемешивания цемента, песка, пара-
фина и в последующем — воды. Перед испытанием
бетона проводили его предварительную термоподготов-
ку путем нагрева до 60 —80°С. При этой температуре
парафин расплавляется. В расплавленном состоянии
шарики стремятся объединиться в единое целое, обра-
зуя внутри бетоиа изоляционный слой. При расплаве
парафии приобретает способность проникать в более
мелкие поры и капилляры, что способствует его пере-
распределению в структуре раствора. Этот процесс осо-
бенно заметно проявляется в период охлаждения раст-
23—210
301
Таблица 8,36. Свойства бетонополимера с внутренней
изоляцией
Содержание парафи- на, % массы цемента Привес полимера, % Предел проч- ности при сжатии МПа Водопоглощение, %
0 0 29 9,7
0 8,3 140 0,2
5 0 20,8 4,9
5 7,1 120 0,4
10 0 16,8 0,8
15+1 % супер- пластификатора 0 14,5 0,5
вора, когда вследствие самовакуумирования парафин
проникает в мельчайшие поры и капилляры цементного
камня. В результате раствор приобретает определен-
ную водонепроницаемость, резко снижается его водопо-
глошение, Результаты испытаний приведены в табл. 8.36.
Интересно отметить, что при пропитке подобных ма-
териалов метилметакрилатом хотя привес мономера н
уменьшается, однако остается достаточно высоким (в
ряде опытов значительно выше водопоглощеиия). Это
объясняется, с одной стороны, взаимодействием между
парафином и мономером, а с другой стороны, тем. что
парафин препятствует потерям мономера при полиме-
ризации последнего. Следует, однако, заметить, что для
совместной обрабохки бетона путем введения в него тер-
мопластичных материалов и последующей пропитки не-
обходимо правильно подбирать вводимые в бетон ком-
поненты, главным образом по их температуроустойчи-
чивости, так как. если термопластичный "компонент,
вводимый при приготовлении бетона, будет плавиться
при более низкой температуре, чем температура поли-
меризации мономера, возможно его вытекание из бетона
с соответствующим ухудшением качества конечного
продукта. На рис. 8.49 показана кинетика водопоглоще-
иия исходного раствора и раствора с введенными в не-
го парафиновыми шариками, Введение в материал
10% (от расхода цемента) парафина практически
обеспечивает его водонепроницаемость, а добавка 5 %
парафина снижает водопоглощение в 2 раза. Однако
при этом значительно снижается прочность бетоиа, что
необходимо учитывать при проектировании конструк-
362
Рис. 8.49. Кинетика водопогло-
дення после предварительного
вакуумирования раствора с па-
рафиновым наполнителем
/ — раствор без парафиновых
шариков; 2 — с 5 % парафина:
3 — с 10 % парафина
ций. Как правило, бетоио-
полимеры с внутренней
изоляцией могут приме-
няться в виде поверхност-
ных слоев для придания
водонепроницаемости всей
конструкции.
Данные опытов (рис.
8.50) показывают, что
введение в бетон парафи-
на и последующая его
термообработка способ-
ствуют получению более
газонепроницаемых мате-
риалов.
В США с целью по-
вышения температурной
стойкости термопластич-
ных шариков применяют
материал, состоящий из
75 % парафина и 25 %
горного воска. Шарики
имеют диаметр 0,1—0,8
мм. Их вводят в бетон
вместо воздухововлекаю-
щих добавок при приго-
товлении бетонной смеси,
обычно после песка и
крупного заполнителя, но
до введения воды. Если
температура приготовле-
ния бетоиа ие превышает
45 °C, то эти шарики до-
зируют вместе с осталь-
23*
Рис. 8.50. Влияние внутренней: пропитки
на газопроницаемость раствора
/—1:2; 2 — с 5% парафина; 3 — с
10% папафяна; 4 — пропитанного ме-
тя лм етакрил атом
Рис. 6.51. Эяентронагревательные ма-
ты, предназначенные для термообра-
ботки поверхности дорожного покры-
тия с внутренней пропиткой
363
иыми материалами иа стандартной дозаторной установ-
ке. Для равномерного распределения парафиновых ша-
риков сухую смесь в течение 10 мии перемешивают в бе-
тономешалке. Количество вводимых взамен инертного
заполнителя парафиновых шариков составляет 2—3 %
массы бетона.
Внутренняя изоляция образуется при последующем
нагреве затвердевшего бетона до 85’С, при котором па-
рафиновые шарики плавятся, заполняют капилляры и
поры в структуре ботоиа и изолируют их после охлаж-
дения материала. Таким образом, создается плотная
структура бетона, не проницаемая для воды или соле-
вых растворов (хлоридов), что имеет важное значение
для дорожного бетона.
По американским данным, при введении небольшо-
го количества парафиновых шариков обычные свойства
ботоиа заметно ие ухудшаются, однако значительно
улучшаются его водонепроницаемость и морозо-
стойкость.
Бетон с внутренней изоляцией предлагается приме-
нять в качестве 5 — 8-см покрытий иа шоссе и настилов
автодорожных мостов. В этом случае рекомендуются два
метода устройства двухслойных дорожных покрытий:
по одному из них вначале укладывают обычный бетой,
а затем сразу же наносят слой из бетона с парафино-
выми шариками; по второму бетон с парафиновыми ша-
риками укладывают на затвердевший слой обычного
бетона с предварительным нанесением иа него склеи-
вающего раствора. Для термообработки бетона с пара-
финовыми шариками Федеральным управлением авто-
мобильных дорог США разработаны и в полевых усло-
виях используются специальные электронагревательные
маты (рис. 8.51), каждый из которых рассчитай на тер-
мообработку поверхности около 114 м’. Время термооб-
работки регулируют по приборам в зависимости от теп-
лопотерь и влажности бетона (обычно 8—12 ч).
Предусмотрена также обработка поверхности бетона с
внутренней изоляцией с помощью газовых керамичес-
ких инфракрасных нагревателей и различных электро-
нагревательных установок. Бетон с внутренней изоляци-
ей использован при сооружении восьми настилов авто-
дорожных мостов США и одного в Канаде. Размер
таких настилов составлял от 11,4X9 до 15,6X68,4 м,
364
настилы имели 5-см покрытие из бетонополимера с
внутренней пропиткой.
"Сочетание введения термопластичных полимерных
материалов в бетой при его приготовлении и различных
способов последующей обработки бетона, в том числе
с его пропиткой полимерами, открывает широкие воз-
можности придания бетонным и железобетонным кон-
струкциям повышенной атмосферостойкости, морозе-
тойкости и улучшения ряда других техноло! ически
важных свойств материала.
Рассмотренные особые виды бетонополимера не ис-
черпывают всего многообразия этих новых строитель-
ных и технических материалов и возможных путей повы-
шения качества и эффективности сборных и монолитных
бетонных и железобетонных конструкций с помощью
последующей обработки полимерами или другими про-
питывающими составами.
На ряде заводов по производству железобетонных
труб для повышения их водонепроницаемости применя-
ют пропитку жидким стеклом [99]. В предварительно-
напряженных железобетонных трубах прочность обес-
печивается соответствующим армированием, однако в
процессе изготовления труб иногда в их структуре обра-
зуются микродефекты и каналы, по которым может
фильтроваться вода, в результате чего снижается иапор-
иость труб. При пропитке жидким стеклом подобные
дефекты кольматируются и иапорность труб повышает-
ся. В зависимости от размеров дефектов вязкость соста-
вов для пропитки должна быть различной, так как каж-
дый из них «залечивает» дефекты только определенных
размеров, ие проникая в более мелкие н ие удерживаясь
в более крупных. Для повышения вязкости в жидкое
стекло можно добавлять микроиаполнителн, для сниже-
ния—специальные разжижители.
В последнее время повышается интерес к новым ви-
дам вяжущих, в том числе к материалам, позволяющим
эффективно использовать вторичное сырье промышлен-
ности. Большинство бетонов иа этих вяжущих имеет
капнллярио-пористую структуру, и соответственно свой-
ства подобных материалов могут быть существенно
улучшены их последующей пропиткой полимерами. В
365
наших опытах пропитка бетонов на шлакощелочиом
вяжущем позволила повысить их прочность в 2—4 ра-
за (как и для обычного бетона, коэффициент упроч-
нения несколько уменьшался с повышением прочности
контрольного бетона), а также существенно улучшить
долговечность.
В современном мире с каждым годом возрастает
значение охраны окружающей среды и переработки от-
ходов жизнедеятельности человека. Как показывают ис-
следования, выполненные в СССР, США и других стра-
нах, применение стабилизирующей н консервирующей
обработки в виде пропитки бетонов на различных видах
отходов позволяет использовать для дорожного, гидро-
технического и некоторых других видов строительства
подобные материалы или обеспечить надежное захоро-
нение вредных отходов.
Перечень особых видов бетоиополимеров расширяет-
ся с каждым годом и свидетельствует о значительных
перспективах применения этих новых материалов в ус-
ловиях дальнейшего внедрения в жизнь достижений на-
учно-технического прогресса.
ГЛАВА 9. ПРОИЗВОДСТВО
БЕТОНОПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
ПРОИЗВОДСТВО СБОРНЫХ
БЕТОНОПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Производство бетоиополимериых изделий может
быть организовано по различным технологическим схе-
мам (рнс. 9.1). Наиболее высокая прочность достигает-
ся при производстве изделий по схеме, включающей че-
тыре основные операции: сушку, вакуумирование, про-
питку мономером и его полимеризацию непосредственно
в теле бетона.
Улучшение свойств бетонных или железобетонных
изделий, в частности повышение их долговечности, при-
дание свойствам стабильности во времени и ряд других
задач могут успешно решаться при производстве бето-
нополимериых изделий по упрощенным схемам, вклю-
чающим, как правило, пропитку и полимеризацию. Уп-
366
рощеиные схемы производства применимы прежде все-
го для поверхностной или зонной обработки бетонных
и железобетонных изделий.
Первая операция — сушка изделий, если она необхо-
дима, производится в сушильных камерах или аппара-
тах, конструкции которых известны и здесь не рассмат-
риваются. " Как уже указывалось, сушка может
производиться различными способами и обеспечивать
высушивание изделий либо полностью, либо до опреде-
ленной влажности, либо только поверхностных слоев
изделий. Режимы сушки следует назначать таким обра-
зом, чтобы ие вызвать опасных деструктивных процес-
сов в бетоне изделия и одновременно обеспечить высу-
шивание изделия в минимальные сроки и при минималь-
ной затрате энергии. В некоторых случаях, например
при обработке изделий в полигонных условиях в летнее
время, может использоваться естественная сушка, в том
числе сушка под действием солнечных лучей. Как ука-
зывалось, равновесная влажность бетона на воздухе в
ряде случаев меиее 1 %, что обеспечивает получение
достаточно высокой плотности и прочности бетоиопо-
лимериых изделий.
Вторая операция —вакуумирование является жела-
тельной, но ие всегда обязательной. Вакуумирование
обеспечивает более глубокую пропитку, ускоряет ее и
позволяет получать изделия повышенного качества. Од-
нако в некоторых случаях для упрощения технологии
вакуумирование не производят, особенно если к изделию
367
предъявляются ограниченные требования по прочности
и долговечности.
Основными операциями производства бетонополиме-
ров являются пропитка бетона мономером и полимери-
зация его непосредственно в теле бетона. Этн операции
могут выполняться как в разных аппаратах, так и
совмещаться в одном аппарате, что в некоторых слу-
чаях более удобно, так как уменьшает потерн моно-
мера.
При пропитке бетона мономером основной задачей
является достижение достаточной степени насыщения
бетона мономером в кратчайшие сроки. Для этого наря-
ду с применением бетонов соответствующей структуры,
например с направленной проницаемостью, большое
значение имеет выбор пропитывающей жидкости. Наи-
лучшие результаты получаются при пропитке низковяз-
кпми мономерами типа метилметакрилата или стирола.
При пропитке более вязкими мономерами и сополимера-
ми, а также другими вязкими пропитывающимися жид-
костями скорость и глубина пропитки уменьшаются, а
продолжительность аее увеличивается. Ускорению про-
питки способствует проведение ее вначале под ваку-
умом, а затем под небольшим избыточным давлением.
При использовании маловязких пропитывающих соста-
вов для уменьшения потерь мономера, как правило, про-
питку и полимеризацию осуществляют в одной установ-
ке. При использовании более вязких составов, обладаю-
щих меньшей летучестью, часто наиболее рациональным
оказывается раздельное производство пропитки и от-
верждения.
Выбор технологической схемы обусловлен конкрет-
ным видом изделия и целями, которые должны быть до-
стигнуты в результате пропитки.
Наиболее важной операцией в производстве бетоио-
полимериых изделий является полимеризация мономера
в теле бетона. Эта операция должна проводиться таким
образом, чтобы предохранить мономер от испарения и
обеспечить получение полимера высоких свойств. Не-
правильно выбранный режим обработки может привес-
ти к значительным потерям мономера или к получению
изделия с дефектами.
Полимеризация может проводиться в жидких или
газовых средах, а также под пленками или другими изо-
лирующими материалами. При проведении полимери-
368
Z
зацип в жидких средах обеспечивается высокий коэффи-
циент теплопередачи от горячей среды к изделию и тем
самым ускоряются прогрев изделия и полимеризация
мономера. Однако в этом случае возможно вымывание
или частичное растворение мономера из поверхностных
слоев, если неверно подобрана жидкая среда. В качест-
ве жидких сред можно использовать горячую воду, гли-
церин, расплавленный парафин и ряд других матерва-
зов. Воду применяют при полимеризации мономеров с
низкой температурой стеклования, например метилме-
такрилата. В воду могут вводиться добавки, уменьшаю-
щие растворимость мономера в воде. Если для полиме
ризацни нужны более высокие температуры, то исполь-
зуют глицерин, расплавленный парафин или другие
материалы. При использовании жидких сред необ-
ходимо стремиться к использованию среды в замкнутом
контуре, чтобы избежать трудоемких операций по очист-
ке среды и предохранить от загрязнения окружающие
водоемы.
При использовании газовой среды проще обеспечить
хороший внешний вид изделий, однако возрастает опас-
ность испарения мономера из поверхностных слоев и
снижается коэффициент теплопередачи и тем самым
корость прогрева изделий и скорость полимеризации
мономера в теле бетона. Кроме того, при полимеризации
в газовых средах необходимо соблюдать особые меры
предосторожности, чтобы избежать опасности взрыва,
так как смеси паров многих мономеров с воздухом в
определенной пропорции являются взрывоопасными.
Поэтому обычно в качестве газовых сред используют
инертные газы, а в некоторых случаях —водяной пар.
При использовании водяного пара, особенно насыщен-
ного парами мономера, улучшаются условия теплообме-
на, скорость полимеризации и уменьшается опасность
испарения мономера из поверхностных слоев бетона.
Полимеризацию под пленкой обычно проводят при
обработке одной из поверхностей изделия, часто по упро-
щенным технологическим схемам.
Для производства изделий и конструкций из бетоио-
полимеров по той или иной технологической схеме при-
меняют специальные установки и приборы.
Установки, применяющиеся для пропитки и полиме-
ризации бетонных и железобетонных изделий, могут быть
как универсальными, так и специализированными. Уин-
зев
Рис. 9.2. Контейнер для
обработки бетонных образцов
нереальные установки позволя-
ют обрабатывать различные и„
делия по самым разным режи-
мам, но такие установки более
дороги. Специализированные
установки, предназначенные для
производства конкретных изде-
лий по определенному задан*1
ному режиму, более просты по
устройству и менее дороги, од-
нако изменение режимов при
переходе иа выпуск других из-
делий в этом случае требует
модернизации установок.
Устройства для пропитки и
полимеризации обычно жела-
тельно выполнять герметичны
ми, чтобы сократить до мини-
мума потери мономера при ис-
парении. Простейшим устрой-
ством является герметичный
контейнер 1 необходимой фор-
мы и размеров, в котором ра->
мещают пропитываемые об
разцы или изделия 2 (рис. 9.2).
Контейнер имеет входной и выходной штуцеры, обеспе-
чивающие его попеременное присоединение к вакуум-иа-
сосу и системам подачи и сброса мономера, инертного
газа илн среды полимеризации.
Контейнер выполняют из нержавеющей стали или
плакированного защитными покрытиями металла, что
защищает его от коррозии при проведении специаль-
ной обработки бетона. При назначении размеров кон
тейиера и схемы его загрузки необходимо стремиться
к тому, чтобы свободный, не занятый образцами или
изделиями внутренний объем контейнера был минималь-
ным, так как это способствует уменьшению потерь мо-
номера из образца в процессе полимеризации. Это оди
каково справедливо для обработки как в газовой, так и
в жидкой среде.
В процессе обработки контейнер может находиться
на одном месте или перемешаться по различным постам.
Последнее весьма удобно при использовании радиаци-
онной полимеризации, когда на заключительном этапе
370
рис. 9.3. Установка для получения
бетокополимерных образцов и из-
делий
Вверху —общий вид; внизу — схе-
ма: / — баллон со сжатым гавом;
2 — ресивер; 3 — смеситель для мо-
номера; 4 — емкость для теплоаген-
та: 5 — рабочая камера для пропит-
ки я полимеризации образцов; 6 —
вакуум-насос; 7 — емкость для сли-
ва мономера; в—система контро-
ля температуры
371
образцы в контейнере помещают в специальную камер.,
для радиоактивного облучения.
В установке БЕК-1 (Баженов — Егоров — Кагнер)
(рис. 9.3) полимеризация может осуществляться в жид.
кой или газовой среде, а обработка образцов проводит
ся по различным технологическим схемам.
Установка состоит из герметичной рабочей камеры
смесителя для приготовления пропиточного состава, ер-
кости для теплоагента (глицерина, воды или специаль-
ных растворов) в случае, если проводится полимерпза
ция в жидкой среде; вакуум-насоса, редуктора, баллона
со сжатым азотом или другим газом, ресивера с ваку-
умметром, системы регулируемого термоподогрева, ре-
зервной елнвиой емкости и системы трубопроводов с.
специальными кранами, которая обеспечивает вакууми-
рование, подачу и слив мономера, пропитку в различных
условиях, промывку системы после окончания обработ-
ки. Смеситель и емкость снабжены мерными трубками.
Для обеспечения максимальной глубины пропитки
подготовленные для обработки образцы, предваритель-
но высушенные в сушильном шкафу до необходима!
влажности, помещают в рабочую камеру. После герме-
тизации камеры путем фиксации крышки с помощью
стяжных болтов в камере и ресивере создают вакуум.
Через определенное время, заданное технологическим
регламентом, из смесителя в камеру подают мономер
(самотеком или под действием вакуума), предваритель-
но смешанный с инициатором, или другую пропиточную
жидкость. Для интенсификации пропитки в камере мо-
жет создаваться избыточное давление с помощью сжа-
того азота.
После полного насыщения образцов нли истечение
заданного времени пропитки (при неполной пропитке)
мономер либо перегоняют обратно в смеситель за счет
избыточного давления в камере, либо сливают в резерв-
ную емкость.
Для полимеризации мономера камеру заполняют п
рячнм глицерином или горячей водой из емкости, что
уменьшает потери мономера при полимеризации, улуч-
шает условия теплообмена и повышает безопасность
установки. Жидкую среду подают специальным насосо"-
Темпсратура в камере поддерживается с помощью
электронагревательных элементов, расположенных из
наружной стороне корпуса камеры. Температура жид-
372
кой среды в камере постоянно контролируется термопа-
рой, помешенной во впаянной в рабочую камеру капсу-
ле, Установка снабжена системой регулирования темпе-
ратуры за счет изменения напряжения, подаваемого на
нагревательные элементы.
После окончания полимеризации путем создания в
рабочей камере избыточного давления глицерин вытес-
няется обратно в емкость 4. Камеру вакуумируют для
очистки ее от паров мономера, а затем открывают
крышку и извлекают готовые образцы.
Для полимеризации в газовой среде в камеру пода-
ют под определенным давлением инертный газ. Уста-
новка БЕК-1 была соединена с блоком электронного
контроля (см. с. 405), что позволяет устанавливать ре-
жимы технологических операций непосредственно в про-
цессе их проведения.
Установка позволяет создавать в рабочей камере ва-
куум до 1,3 кПа, регулировать избыточное давление от
0 до 0,5 МПа и нагрев в пределах 20 — 200°C. В уста-
новке предусмотрено подсоединение к системам подачи
и контроля вместо показанной рабочей камеры (см.
рис. 9.3) специальных контейнеров для обработки труб
и других изделий особой формы и размеров.
Аналогичная установка была создана в МИСП
им. В В. Куйбышева. В этой установке полимеризация
может проводиться с помощью водяного пара. В процес-
се обработки предусмотрен контроль массы образцов..
Кроме того, установлена промежуточная герметичная
емкость для полимера, что позволяет проводить пред-
варительное вакуумирование емкости и трубопроводов и
обеспечивает подачу мономера в рабочую камеру без
нарушения в последней высокой степени разрежения, а
это в свою очередь гарантирует лучшее заполнение пор
бетона мономером.
При необходимости проведения различных исследо-
ваний для разработки оптимальных режимов приготов-
ления бстоиополимера часто используют установки, в
которых вместо закрытых контейнеров в специальную
закрытую емкость помещают различные ванны, при не-
обходимости вместе с приборами или приспособления-
ми для испытаний. В этом случае мономер подают в
ванну с образцом, а закрытый контейнер установки обе-
спечивает получение необходимых режимов (вакууми-
рование, обработку давлением и т. д.).
371
Рис. 9.4. Схема установки для
дистанционного измерения ли-
нейных деформаций образцов
при пропитке
— термопарный вакуумметр;
4 — самопишущий потенцио-
метр; 3 — блок усилителя; 4 —
м аяовзкуумметр; 5 — механо-
трон 6МХЗС; 6 — вакуум-каме.
га; 7—кварцевая игла; в —
микрометрический винт; 9 —
стеклянный отградуированный
цилиндр; 10 — исследуемый об-
разец; 11 — вакуум-насос
Рис. 9.5. Опытная установка для получения бетоиополимериых изделий на
заводе ЖБИ № 7 (Москва) (слева—рабочая камера; в центре—блок вакуум-
насосов и смеситель; справа — су шильная камера и бойлерное устройство)
374
Для примера на рис. 9.4 приведена схема лаборатор-
ной установки, разработанной автором совместно с
С. И. Казанцевым и В. В. Кагнером и позволяющей
измерять деформации образца в процессе пропитки. Ус-
тановка состоит из вакуум-камеры, соединеииой с ваку-
ум-насосом и оборудованной системой вспомогательных
приборов. Образец помещают в стеклянный отградуиро-
ванный цилиндр, закрепляя образец обжимными пружи-
нами, которые предохраняют образец от боковых сме-
щений, ие препятствуя вертикальным смещениям. Обра-
зец опирается на специальные реперные устройства
Цилиндр с образцом устанавливают в вакуум-камеру,
снабженную смотровым окном, которое позволяет на-
блюдать и регистрировать кинетику насыщения образ-
ца жидкостью визуально или с помощью вспомога-
тельных приборов. С помощью микрометрического
винта к образцу подводят снабженною кварцевой иг-
лой измерительную головку (механотрои) 6МХЗС. В ци-
линдр вводят патрубок для подачи и слива мономера
или другой пропитывающей жидкости, хранящейся в ем-
кости.
После герметизации вакуум-камеры вакуум-насосом
из нее откачивают воздух. В зависимости от объема об-
разца вакуумирование длится 10—60 мин при остаточ-
ном давлении 10 Па, Разрежение в камере контролиру-
ют мановакуумметром и термопарным вакуумметром.
Степень разрежения может задаваться любая в зависи-
мости от поставленных задач исследования. По оконча-
нии вакуумирования открывают край подачн жидкости.
Цилиндр заполняют жидкостью или мономером до не-
обходимой отметки (обычно до отметки выше верхней
плоскости образца иа 15—20 мм, т. е. до полного погру-
жения образца), можно наполнять стакан только иа
3—5 мм выше нижнего обреза образца, и тогда процесс
насыщения происходит в одном и а правлении.
Можно также использовать образцы с изолированной
боковой поверхностью, что позволяет более точно на-
блюдать кинетику пропитки образца в одном направле-
нии. Линейные деформации образца в процессе пропит-
ки можно измерять как при той или иной степени ваку-
ума, так и при нормальном давлении. В последнем
случае с помощью вентиля камеру разгерметизируют
Изменение линейного размера образца регистрируют п
записывают самопишущим потенциометром иа днаграмм-
375
ной ленте, отградуированной в единицах длины. Точ-
ность измерения линейных деформаций механотроном
составляет ±1,5 мкм, что позволяет регистрировать де-
формации образца в процессе пропитки очень точно.
Для обработки бетонных и железобетонных изделий
в 1972 г. на ЗЖБИ № 7 в Москве была создана специ-
альная установка, разработанная автором совместно с
Н. Н. Долгополовым, Л. И. Грузом, Г. Л. Гуревичем,
Б. В. Гусевым и другими сотрудниками ВНИИжелезобе-
тона, КТБ Мосоргстройматерйалов и завода ЖБИ № 7.
Установка состояла из рабочей камеры диаметром
1,2 м и длиной 3,5 м со специальной крышкой, обеспечи-
вающей герметизацию внутреннего объема камеры (рис.
9.5). С камерой были соединены специальный смеситель
для приготовления пропиточных составов (мономер±
—инициатор), блок вакуум-насосов, бойлерное устрой-
ство с баком для разогрева глицерина. Рабочая камера
была снабжена системой регулируемого нагрева. Про-
Рис, 9,6, Рабочая камера установки ЗЖБИ № 7 в момент разгрузки (на пе-
реднем плане — передвижная ванна для образцов или изделий)
376
питку и полимеризацию изделий осуществляли в специ-
альных вайнах, которые устанавливали в рабочую каме-
ру и соединяли с трубопроводами, обеспечивающими
подачу и слив мономера и подачу жидкого теплоносите-
ля (рис. 9.6). Камера предусматривала возможность
полимеризации как в жидкой, так и в газовой среде, од-
иако из соображений большей безопасности процесса
полимеризацию проводили в среде глицерина или в го-
рячей воде. Иногда для обогрева использовали водяной
пар.
Для предварительной сушки изделий была разрабо-
тана сушильная камера, предусматривающая нагрев из-
делий и эффективное удаление влажного воздуха. При
необходимости подобная камера может быть использо-
вана для поверхностной обработки плоских изделий
1,5X6 м.
В последующем установка была модернизирована со-
трудниками КТБ Мосоргстройматерйалов У. X. Магде-
Рис. 9.7. Опытная установка для пропитки тротуарных плит
377
24—210
евым, Б. Г. Муджири и др., которые усовершенствовали
систему нагрева рабочей камеры и систему контроля
технологического процесса. Многолетний опыт эксплуа-
тации этой установки подтвердил ее надежность и эф.
фектцвность.
Автором совместно с М. Р. Никоновым (НИИЖБ) и
Н. Я. Сапожниковым (Мособлстройматерналы) была
разработана и на Подольском заводе ЖБИ опробована
установка для поверхностной обработки тротуарных
плиток метилметакрилатом или стиролом с целью по-
вышения их долговечности. Установка представляла со-
бой рабочую камеру с тепловой масляной рубашкой и
специальной крышкой, обеспечивающей герметизацию
внутреннего объема при вакуумировании (рис. 9.7).
Установка была оснащена емкостями для хранения про-
питочных составов, вакуум-насосом, системой трубопро-
водов с перекачивающими насосами, системой контроля
и регулирования процесса, вентиляционной системой,
кран-балкой с контейнерами для установки в них пли-
ток. Одновременно обрабатывалось 120 плиток разме-
ром 20X20 см (два контейнера по высоте).
Пропиточный состав подавали за счет создания ва-
куума в рабочей камере, удаляли с помощью насосов.
Поддержание заданного температурного режима обес-
печивалось автоматически, для нагрева использовали
тэны, расположенные в масляной рубашке ванны. При-
менение жидкой среды (глицерина или воды) в процес-
се проведения полимеризации улучшало условия тепло-
обмена и безопасность установки. Жидкая среда исполь-
зовалась многократно и циркулировала по замкнутому
контуру.
Поскольку для повышения долговечности плитки
нужно было пропитывать лишь с поверхности иа глу-
бину 3—5 мм, досушивали изделия в самой рабочей
камере с использованием нагрева и вентиляционных
устройств.
На Очаковском заводе ЖБК Метростроя (Москва)
ВНИИжелезобетоном создана опытно-промышленная
установка по пропитке тюбингов. Эта установка рабо-
тает по четырехступенчатой технологической схеме: суш-
ка исходных бетонных изделий, их предварительное
вакуумирование, пропитка мономером (метилметакри-
латом, но возможна пропитка и другими составами),
термоката литическая полимеризация мономера в поро-
378
зу — камера про-
питки)
Рис. 9.8. Опытная
установка для
пропитки тюбин-
гов на Очаков-
ском заводе ЖБИ
Метростроя (Мос-
ква) (вверху —
смеситель; вни-
24*
379
вом пространстве бетонного изделия и дополнительный
прогрев бетонного изделия с целью снятия внутренние
напряжений, образующихся в процессе полимеризации
мономера.
Установка включает в себя несколько самостоятель-
ных аппаратов, основными из которых являются сушиль-
ная и холодильная 5'становкн и комплекс для пропитки,
полимеризации и вакуумирования (рис. 9.8).
Готовое бетонное изделие после термовлажностной
обработки транспортируют в сушильную камеру, про-
гревают до 100 °C, выдерживают в течение определенно-
го времени при этой температуре, а затем поднимают
температуру до 150—170 °C.
По окончании процеса сушки (конец сушкн регист-
рируют специальным прибором) изделие извлекают из
сушильной камеры и с помощью тельфера и специаль-
ного захватного устройства транспортируют в камеру
пропитки. В камере одновременно можно проводить
полимеризацию четырех тюбингов или других изделий
равного объема. Процессы пропитки и полимеризации
контролируют контрольно-измерительным прибором.
Камеру герметизируют крышкой с помощью прижимных
болтов н затем к крышке камеры подсоединяют паровые
трубопроводы.
Процесс вакуумирования проводят в два этапа. Сна-
чала в камере водоколъцевым насосом с подачей
180 л/мин создают вакуум, который поддерживают в те-
чение определенного времени, затем включают масляные
насосы ВИ-1 МГ с общей подачей 36,6 л/с, создают в
камере вакуум 6,6—13,3 кПа. По окончании вакуумиро
вания насосы отключают, н изделия гот\ вы к процессу
пропитки.
Со склада мономера по трубопроводу мономер пода-
ют в мерннк-смеситель, где с помощью холодильной ус-
тановки он охлаждается до 8—12 °C. В смеситель при
вращающейся мешалке загружают определенное коли-
чество инициатора полимеризации. После полного раст-
ворения инициатора пропиточный раствор подают в ка-
меру для пропитки.
За счет вакуума в камере пропиточный раствор срав-
нительно быстро заполняет свободное пространство ка-
меры. Затем в ней с помощью сжатого азота создают
избыточное давление 0,06 МПа. По окончании процес-
380
Рис. 9.9. Установка Союзмор-
ннипроекта для обработки свай
t
са пропитки в мернике-смесителе создают вакуум и ос-
тавшийся неиспользованным мономер эвакуируют об-
ратно в смеситель, где снова охлаждают. Окончание
процесса пропитки фиксируют контрольно-измеритель-
ные приборы.
Полимеризацию мономера в порах бетонного изде-
лия проводят при 75—80°C в присутствии паров того
же мономера или в воде. Процесс полимеризации конт-
ролируют по приборам. По окончании процесса по реги-
страм камеры подают холодную воду. По достижении
изделием 40—45 °C крышку снимают к извлекают нз ка-
меры готовые бетонополимерные изделия.
Затем изделия транспортируют в камеру сушкн, где
нх прогревают до 140—150 °C в течение определенного
времени, затем выдерживают его при 150°C в течение
2—5 ч, после этого изделия охлаждают до температуры
окружающей среды в камере или вне ее и транспортиру-
ют на испытательный стенд. Блоки обделки тоннелей
испытывают на водонепроницаемость при 0,3 МПа в те-
чение 24 ч.
Н. А. Смирнов (Союзморниипроскт) разработал ус-
тановку для пропитки стиролом преднапряженных свай
морских сооружений и других изделий с целью повыше-
ния их долговечности. Изделия обрабатывают по трех-
ступенчатой схеме без вакуумирования. После сушки
в простейшей сушильной камере короткие сван пропиты-
вали в ваннах при атмосферном давлении и затем бы-
стро переносили в ваниы с расплавленным битумом для
полимеризации стирола.
У длинных свай обрабатывали только верхний конец
на высоту до 4 м. Для этого на него надевали специаль-
ный стальной футляр с регистрами для перегретого па-
ра под давлением 0,4—0,5 МПа, теплоизолирующей ру-
башкой и кранами для подачи и слива стирола и би-
тума (рис. 9.9). Герметизация предусматривала два ва-
рианта: установку на свае закладной Т-образной детали
с последующей ее приваркой к футляру или применение
герметизирующего шва из битумной мастики. Для пере-
381
качки мономеров применяли насосы в маслобензостой-
ком исполнении.
Б. Б. Вейнер н В. П. Ронин (Минский НИИстройма-
териалов) разработали установку, в которой использо-
вали мембранные формы. Полимеризация стирола осу-
ществляется в расплавленном парафине. Подаваемое под
давлением дозированное количество мономера вызыва-
ет деформацию формы и за счет этого проникает в об-
разующуюся узкую щель между изделием и формой.
Стенки формы, стремясь вернуться в первоначальное по-
ложение, способствуют прониканию стирола в бетой.
После того как стирол впитается в бетон, в щель пода-
ют парафин и при нагреве формы осуществляется тер-
мокаталитическая реакция. При этом способе потери
мономера сводятся к минимуму.
Заводское производство бетонополимерных изделий
может производиться по разным технологическим схе-
мам. В цехе по производству специальной обработки
бетонных и железобетонных изделий обычно предусмат-
ривают отделение сушки н отделение пропитки и поли-
меризации изделий. Бетонные и железобетонные изде-
лия изготовляют в цехах завода ЖБИ. После твердения,
на последней стадии которого целесообразно проводить,
если имеется возможность, некоторое подсушивание из-
делий, онн поступают в цех специальной обработки. Вна-
чале изделия помещают в сушильную камеру, а затем
перемещают в специальные полимеризаторы, где про-
водят вакуумирование, пропитку и полимеризацию из-
делий.
Полимеризаторы представляют собой цилиндричес-
кие сосуды диаметром 2—2,5 м н длиной 6—6,5 м (в ка-
честве полимеризаторов после незначительной передел-
ки могут использоваться обычные автоклавы). Их уста-
навливают либо вертикально с крановой загрузкой, по-
дачей пропитывающего состава непосредственно во
весь объем автоклава и эвакуацией его через сливную
систему в нижней части полимеризатора, либо горизон-
тально с пропиткой изделий в специальной ванне. В пер-
вом случае, как и при производстве автоклавных изде-
лий, большое значение имеет повышение коэффициента
заполнения полимеризатора. Недостаток вертикальной
компоновки — необходимость применения кранового
оборудования и большие расходы мономера для запол-
нения пустот в полимеризаторе, а отсюда большие объе-
382
мы возвратного мономера с инициатором, что требует
специального оборудования для его очистки и хранения.
При горизонтальном расположении и пропитке в ван-
нах размеры последних максимально приближены к раз-
мерам изделий, что резко уменьшает объем возвратного
мономера. В этом случае ванны с изделиями транспорти-
руют специальными тележками.
Для предохранения от коррозии полимеризатор вер-
тикального положения илн ваину для пропитки следует
изготовлять из нержавеющей стали или выполнять спе-
циальное антикоррозионное покрытие внутреннего объ-
ема.
Отделение пропитки и полимеризации включает си-
стемы для приготовления пропитывающей жидкости, ус-
тановку для ее очистки нли регенерации после возврата
из полимеризатора, системы жидкого теплоносителя,
баллоны со сжатым газом или компрессоры или паро-
образователи — в зависимости от того, в какой среде
проводится полимеризация.
На складе мономера и специальных добавок обычно
предусматривают охлаждение н хранение материалов в
условиях, обеспечивающих их сохранность и безопас-
ность. Отдельные устройства н элементы отделения про-
питки н полимеризаторы связаны системой трубопрово-
дов, по которым рабочие жидкости перекачивают спе-
383
циальными насосами. Предусматривают периодическую
очистку трубопроводов щелочными растворами.
Схема универсального полимеризатора с системами
ттодачн мономера и теплоносителя показана на рис. 9.10
Рабочий бак полимеризатора 3 соединен со сборником
для полимера 2, смесителем 1, а также с емкостью 6 р
смесителем 4 для герметизирующей жидкости. Изделия
в контейнерах опускают в полимеризатор. С помощью
вакуум-насоса в полимеризаторе создают вакуум. Пос-
ле окончания вакуумирования мономер, смешанный в
смесителе с инициатором, через сборник поступает в по-
лимеризатор. Продолжительность пропитки определя-
ется массивностью изделий и заданной глубиной про-
питки. После завершения пропитки остаточный мономер
через фильтр 7 возвращается в сборник 2, где охлаж-
дается до 10—12 °C, Для этого смеситель и сборник име-
ют специальные рубашки, в которых циркулирует хла-
доноситель от холодильной установки. Перед второй
пропиткой в сборник подают дополнительное количест-
во мономера с инициатором из смесителя.
При необходимости проведения пропитки под дав-
лением в полимеризатор может впускаться инертный
газ азот, поступающий из батареи баллонов. Этот газ
может использоваться н при проведении полимеризации
в газовой среде.
Прн полимеризации в жидкой среде соответствую-
щую герметизирующую жидкость (воду, парафин нли
специальные растворы) нагнетают насосом 5 из смеси-
теля 4, где ее подогревают до требуемой температуры,
в полимеризатор. Во внешнюю тепловую рубашку по-
лимеризатора подается пар, с помощью которого под-
держивают температуру жидкой среды на заданном
уровне. Для уменьшения теплопотерь полимеризатор
имеет соответствующую теплоизоляцию.
После окончания полимеризации жидкая среда че-
рез фильтр 7 возвращается в емкость 6. При необходи-
мости охлаждения изделий жидкая среда через холо-
дильник 5 вновь поступает в полимеризатор. Цир-
куляция герметика с изменяющейся температурой
обеспечивает необходимые режимы нагрева н остыва-
ния изделий в полимеризаторе. На стадии остывания
подача пара в тепловую рубашку прекращается. После
вентиляции внутреннего объема полимеризатора откры
вают крышку и извлекают готовые изделия.
384
В. И. Левченко (УкрНИИГиМ) создал полигон по
пропитке стиролом железобетонных облицовочных пл нт
для гидротехнического строительства (рис. 9.11). Поли-
г >н включает камеру для
сушки плит, камеру для
пропитки плит мономе-
ром с инициатором и ка-
меру для полимеризации
плит. Перед обработкой
плиты устанавливают в
специальный контейнер и
в контейнере перемеща-
ют по постам обработки —
досушивания, пропитки и
полимеризации. Посты
обработки на полигоне
соединены системой тру-
бопроводов со смесителя-
ми для приготовления
мономера с инициатором,
для его подачи, а также
для подачи в контейнер -
полимеризатор горячей
Рис. 9.11. Полигон для производства вето ионол нмерных облицовочных плит
для водосброса гидротехнической плотины (внизу — общий вид; вверху — по-
лимеризатор)
385
воды. Контейнер-полимеризатор позволяет также при
необходимости производить вакуумирование и про-
питку изделий. Технология обработки, использованная
и а полигоне, обеспечила необходимую глубину насыще-
ния бетона мономером н заданные свойства бетонополи-
мерных изделий.
Особенностью производства бетонополнмерных из-
делий с применением радиационного метода полимери-
зации является наличие специального закрытого контей-
нера, перемещаемого по рабочим постам технологичес-
кой линии. Для обеспечения безопасности работ изделия,
как правило, получают в специальных закрытых каме-
рах или установках, имеющих соответствующую защи-
ту и изолированные входы для подачи внутрь камер не-
обходимых материалов и энергии и связи с приборами.
В этом случае образцы бетона вначале помешают в за-
крытый контейнер, в котором производятся их вакууми-
рование и пропитка мономером. Затем этот контейнер
перемешают в рабочую камеру для радиационной обра-
ботки, после окончания которой контейнер н образцы
проверяют на остаточную радиацию. Затем эти образцы
можно испытывать обычным методом, применяющимся
при испытании бетона и других материалов.
Установка для радиационной обработки представля-
ет собой бетонную двухэтажную камеру (рис. 9.12) с
батареей элементов Со-60 и системой управления. Тол-
стые ограждающие конструкции камеры и специальная
дверь обеспечивают безопасное ведение работ. При от-
крытой двери батарея излучателей находится в нижнем
этаже под водой. После установки тележек с контейне-
рами в рабочее положение дверь закрывают и батарея
излучателей поднимается, располагаясь между двумя
рядами контейнеров (на рис. 9.12 левая камера). После
окончания полимеризации батарея опускается под воду,
дверь открывается и контейнеры отправляются иа пост
распцлубки и контроля готовой продукции.
В атомной технике обсуждается вопрос об исполь-
зовании так называемых вторичных контуров. В этом
случае создается система трубопроводов, соединяющая
атомный реактор и камеру радиационной обработки
(рис. 9.13). По трубопроводам перекачивают специаль-
ный сплав, содержащий изотопы с коротким периодом
распада. В реакторе сплав поглощает излучения, а в
камере радиационной обработки сам является излучаю-
386
щим материалом, обеспечивая соответствующую обра-
ботку пропитанного бетона
Применение вторичных контуров обещает намного
снизить стоимость обработки, так как в этом случае ис-
пользуются, по сути дела, бесполезно пропадающие в
защите излучения атомного реактора. Одиако в настоя-
щее время подобные ре-
шения пока не имеют тех-
нического воплощения по
прсвуалирующнм сообра-
жениям безопасности.
Для их претворения в
жизнь необходима даль-
нейшая разработка спо
собов контроля, управле-
ния и защиты.
Технологические схе-
мы по производству бето-
пополимерных изделий
рассмотрим иа примере
производства бетонополн-
мерных труб, которые мо-
гут производиться как с
использованием термока-
талитического, так и ра-
диационного способа по-
лимеризации.
Рис. 9.12. Схема камеры радиационной
обработки
/ — контейнеры с образцами; 2 —излу-
чатель; з — бассейн с водой
Рис. 9.13. Схема установки с использованием вторичного контура
1 — реактор; 2 — трубопроводы для быстрораспадающихся изотопов; 3 —сис-
тема защиты; 4 — контейнеры с обрабатываемыми изделиями; 5 — батарея
излучателей
387
Рис. 9.14. Технологическая схема цеха по производству бетонополимерных
труб
а — по термокаталитическому способу: б — по радиационному способу
Нл рис, 9.14, а представлена технологическая схема
п, ' ... дых труб при термокаталитическом спо-
собе полимеризации. Прошедшие термовлажностную об-
работку бетонные трубы с помощью тележкн 9 подают
в сушильную камеру 8 (температура сушки 150—200 °C,
продолжительность 5—24 ч в зависимости от массы и
модуля поверхности изделия). Высушенные трубы с по-
мощью тележки 9 н мостового крана 1 доставляют в гер-
метичные камеры 2 (каждая камера рассчитана на од-
388
ну трубу). Затем камеры вакуумируют при остаточ-
ном давлении 1,3—13 кПа вакуум-насосами 3. Продол-
жительность вакуумирования 15—30 мин. Далее в ка-
меры из емкости 4 закачивают мономер с инициатором
полимеризации и с помощью баллонов 6 со сжатым га-
зом (чаще всего техническим азотом) создают давление
0,1—1 МПа, которое поддерживают в течение 30—
60 мин. Затем избыточный мономер поступает в емкость
4 с фильтром 5 для очистки и последующего использова-
ния. Из емкости 7 в камеры немедленно подают тепло-
носитель [горячую (80—90 °C) воду]. Длительность поли-
меризации 2—6 ч. После охлаждения готовые изделия
краном 1 доставляют из камер 2 на контрольные посты
и склад готовой продукции.
Технологическая схема пропитки бетонных труб прн
радиационном способе полимеризации (рис. 9.14,6) во
многом схожа с предыдущей. Трубы подают в сушиль-
ную камеру, после сушки вакуумируют и пропитывают
мономером в герметичных контейнерах 7. Затем на мон-
тажной площадке 13 нх укладывают в несколько ярусов
на специальные тележкн 2, которые помещают в камеру
радиационной обработки 11. Камеру закрывают пере-
движной защитной дверью 12 и между контейнерами
вводят облучатели 10. Длительность радиационной обра-
ботки 8—24 ч. Затем облучатели опускают в бассейн с
водой и разгружают камеру.
Установки и технологические схемы, подобные рас-
смотренным, применяют за рубежом. В США для изго-
товления бетонополимерных изделий используют уста-
новки, работающие по различным технологическим схе-
мам. На рис. 9.15 показана установка Бюро мелиорации
(г. Денвер), представляющая собой непроходной сталь-
ной цилиндр диаметром 2,5 н длиной 6 м. Изделия уста-
навливают в ваину, которую задвигают в установку и
присоединяют специальными соединительными устрой-
ствами к системе трубопроводов. После вакуумирования
и пропитки мономер из ванны сливают и проводят про-
цесс полимеризации в среде насыщенного пара
Поверхностную пропитку верхней части мостовых ба-
лок типа «двойное Т» применяют на заводе железобетон-
ных конструкций в г. Портленде (США).
На рис. 9.16 показана схема установки вертикально-
го типа универсального назначения для пропитки, ис-
пользуемой в Брукхевенской национальной лаборатории
389
---1 ЙЩЦ]
1 - система'С’”'х'8'"с,"й "»«»»«ааьной лаборатории (США)
- иа”рс»т'Г-ХХа; ЙХ’К,;,;™!?’, КТ'"С"=; <-"ад”
затора; «-внутренний бак полимепизлтппя- о Д 4 7 — изоляция полимери-
Дания аакууиа; / и - митил’иЛои.а, “йсте’маГ" - c»”Sa° «"рТЖ-’Л-
39Q система аварийного сброса мономера
(США). Основа установки — полимеризатор, представ-
ляющий собой герметически закрывающийся стальной
бак диаметром 1,5 м. Бак имеет систему подогрева в ви-
де паровой спирали, систему теплозащиты и целую сис-
тему трубопроводов, обеспечивающую его работу в раз-
личных режимах. Предусматриваются системы подачи н
сброса мономера с соответствующими инициаторами,
контроля уровня мономера в баке, регенерации мономе-
ра. Эти системы соединены с вакуумным насосом и ком-
прессорами, что позволяет создавать в полимеризацион-
ном баке либо вакуум определенной глубины, либо
избыточное давление. Подаваемая в зазор между внут-
ренней и внешней рубашками полимеризационного бака
пода обеспечивает равномерную передачу тепла от паро-
вой спирали к изделию. В установке предусматривается
сушка мономера, а также вентиляция внутреннего объе-
ма бака после проведения в нем обработки образцов н
изделий.
Рис. 9.17. Схема завода но производству бетонополимерных изделий, разра-
ботанная в Японии
1 — краны: 2 — резервуар для горячей воды; 3 — полимеризатор; 4 — вспомога-
тельные помещения; 5 — вакуум-насос; 6 — система подачи пара низкого дав-
ления; 7 — емкости для катализатора; 8 — компенсационные резервуары; 9 —
резервуары для хранения мономера; 10 — резервуар для пропитки; 11 — холо-
дильники; 12 — сушильные камеры; 13 — пост контроля; 14 — площадки для
выдерживания бетона
391
На рис. 9.17 показана схема завода, разработанная
в Японии [144]. Завод предназначен для выпуска 4 м3/ч
бетонополнмериых изделий. Бетонное или железобетон-
ное изделие поступает в сушильную камеру, в которой
одновременно может размещаться до 20 м3 бетона, и
высушивается в течение 5—24 ч (время определяется
особенностями изделия). Затем изделие перемешают в
холодильник, где охлаждают в течение 5 ч.
После сушки и охлаждения изделие поступает в ус
тановку для пропитки, которую на время пропитки гер-
метизируют. В установке изделие вакуумируется и про-
питывается под давление 0,5 МПа (давление создается
сжатым воздухом). Вакуумирование и пропитка длятся
около 1 ч. После окончания пропитки мономер перекачи-
вают обратно в бак для хранения, а изделия перемещают
в резервуары для полимеризации, которая осуществляет-
ся в среде горячей воды. Перемещают изделия с по-
мощью траверсы и мостового крана.
Цехи для изготовления бетонополнмериых изделий по
условиям безопасности должны либо отделяться от ос-
новных площадей цехов железобетонных изделий пере-
городками, либо размещаться в отдельных помещениях.
Эти помещения должны быть оборудованы вентиляцией,
обеспечивающей безопасную концентрацию мономеров
в воздухе. В частности, предельная безопасная концент-
рация паров метакрилата в воздухе 0,05 мг/л.
Правила техинкн безопасности при работе с органи-
ческими мономерами и перекисными инициаторами поли-
меризации регламентированы «Инструкцией по технике
безопасности при проведении работ в закрытых аппара-
тах, колодцах, коллекторах и другом аналогичном обо-
рудовании, емкостях н сооружениях на предприятиях хи-
мической промышленности»1.
Камеры радиационной обработки должны быть обо-
рудованы биологической защитой. При сравнительно
малой мощности источников излучения, применяемых
для инициирования процесса полимеризации, биологи-
ческая защита не представляет особой трудности, она
может быть выполнена как из обычного бетона, так и в
виде земляной засыпки.
1 Утверждена Комитетом химической промышленности при Гос-
плане СССР 29 сентября 1964 г.
392
СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МОНОЛИТНОГО БЕТОНА
Общие принципы технологии обработки монолитного
бетона не отличаются от технологии обработки сборно-
го железобетона. Изменяется лишь аппаратурное выпол-
нение процесса: конструкция остается на месте, а устрой-
ства для сушки, пропитки и полимеризации перемеща-
ются. При этом желательно использовать более простые
и доступные для полевых условий технологии, в част-
ности для полимеризации применять термокаталнтичес-
кий способ или использовать самотвердеющие составы.
Поскольку глубина пропитки обычного плотного бе-
тона даже наиболее эффективными составами редко
превышает 10 см, то для массивных конструкций прово-
дят поверхностную обработку, если толщина конструк-
ции больше достижимой глубины пропитки. Для тонко-
стенных монолитных конструкций возможна полная объ-
емная пропитка.
Способы обработки и конструкции применяемых уст-
ройств и приспособлений будут зависеть от того, какая
поверхность бетоиа (горизонтальная или вертикальная)
должна обрабатываться. Особые способы использу-
ются для зонной глубинной обработки монолитного
бетона.
Для пропитки монолитных конструкций составами на
основе метилметакрилата, стирола нли других мономе-
ров возможны несколько способов. Для получения бо-
лее глубокой пропитки и более высокой прочности пропи-
танного слоя обработку ведут по четырехступенчатой
схеме: сушка, вакуумирование, пропитка и полимериза-
ция.
Для сушки могут применяться различные способы:
установка на поверхности инфракрасных излучателей,
установка специальных щитов или коробов с теплозащи-
той, под которыми создается циркуляция горячего воз-
духа с помощью калорифера, сочетание этих способов
илн применение других известных способов сушки. В юж-
ных районах и в летний период возможно использовать
естественную сушку, особенно при прямом воздействии
солнечных лучей. На рнс. 9.18 показаны возможные схе-
мы переносных устройств для сушки бетона, а на
рис. 9.19 — устройство, используемое в США для сушки
дорожных покрытий.
После сушки на поверхности бетона закрепляют спе-
25—210
393
излучатели
Рис. 9.19. Устройство для сушки дорожных покрытий в США
циальиые щиты (рнс. 9.20), с помощью которых осу-
ществляются вакуумироваине, пропитка и полимериза-
ция. Для восприятия нагрузки иа поверхность щнта, воз-
никающей при вакуумировании, во внутреннюю полость
щнта помещают металлическую сетку, через которую
усилия передаются непосредственно на бетон. Щит по кон-
туру изолируют или специальными прокладками, или,
что более надежно, быстротвердеющими термопластич-
ными мастиками с температурой затвердевания выше,
чем температура полимеризации.
Вакуумирование может проводиться лишь в том слу-
чае, если бетон плотен и его толщина достаточна, чтобы
в поверхностных слоях бетона у щита можно было соз-
394
Рис. 9.20. Щнт для обработки по-
верхности бетона
Рис. 9.21. Зависимость скорости
пропитки от ее глубины
дать вакуум. Если бетон обладает высокой проницае-
мостью и противоположная сторона конструкции ие изо-
лирована, то вакуумирование не имеет смысла, так как
даже при применении высокопроизводительных вакуум-
насосов не удается получить необходимый вакуум у щи-
та. Вследствие этого большее распространение получают
трехступенчатые способы обработки монолитного бетона
без применения вакуумирования.
Пропитку бетона осуществляют, подавая во внутрен-
нюю полость щита полимер с катализатором (проще
всего за счет создания в емкости с мономером небольшо-
го избыточного давления). Пропитку осуществляют в
течение времени, необходимого для обеспечения задан-
ной глубины пропитки. При этом следует учитывать, что
с увеличением глубины пропитки ее продолжительность
при прочих равных условиях резко возрастает, уменьша-
ется скорость пропитки (рис. 9.21). Поэтому рациональ-
ную глубину пропитки следует устанавливать, исходя нз
структуры бетона, применяемого пропиточного состава
н целесообразной продолжительности пропитки. Глуби-
ну пропитки можно контролировать по массе впитавшей-
ся жидкости.
После окончания пропитки мономер удаляют, а внут-
реннюю полость щита заполняют жидкой средой, на-
пример горячей водой, которая, с одной стороны, обес-
печивает хорошую теплопередачу и не требует специаль-
ного нагрева поверхности щита, а с другой — предохра-
няет мономер от излишнего испарения и гарантирует
безопасность ведения работ.
Могут применяться и другие способы термокаталити-
ческой полимеризации. Например, щиты удаляют с про-
25*
395
питанной поверхности. На ней расстилают полимерную
пленку для предохранения бетона от испарения мономе-
ра, а затем прогревают поверхность бетона либо кон-
тактными нагревателями, либо с помощью щелевых ка-
мер и калориферов, либо инфракрасными излучателями.
Однако подобные методы ведения работ могут приме-
няться преимущественно на открытом воздухе с соблю-
дением правил техники безопасности, так как прн уда-
лении щитов и до изоляции поверхности часть мономера
испаряется, что недопустимо в закрытых помещениях
без соответствующей вентиляции.
В США пропитку монолитного бетона впервые ис-
пользовали при ремонте дорожных покрытий и для ре-
монта^ водослива н днища бассейна-гасителя на высоко-
горной плотине «Дворжак» (штат Айдахо).
Обработка включала высушивание и прогрев бетон-
ной поверхности, насыщение ее высокоподвнжным мо-
номерным составом и полимеризацию этого состава в
водной среде при 65—90 °C. Для пропитки был исполь-
зован состав, состоящий из 95 % ММА и 5 % триметил-
пропнленметилметакрилата с добавлением 0,5 % патен-
тованного реактива «Дюпонт Вазо-64».
Наибольшие трудности вызвали работы на отвесных
поверхностях стенок водослива. Полимеризацию прово-
дили последовательно участками 3\3,6 м. В течение 5 ч
поверхность разогревали до 135 °C, после чего нагрев
прекращали и температура поверхности снижалась до
82 °C. График повышения и снижения температуры был
составлен таким образом, чтобы исключить явления
теплового удара.
Для насыщения бетона мономером на его поверх-
ности устанавливали форму из нержавеющей стали, гер-
метически прилегающую торцами к бетонной поверхно-
сти. Толщина свободного пространства, заполняемого
мономером, равнялась 7 мм. Мономер в форму подавали
нз емкости, куда нагнетали сжатый воздух. Избыточное
давление воздуха в емкости поддерживали постоянным,
что гарантировало постоянство уровня жидкости в фор-
ме, Процесс пропитки мономером длился 6 ч, после чего
оставшийся мономер сливали в емкость, а форму запол-
няли горячей водой. Для поддержания температуры во-
ды в заданных пределах (65—95 °C) форму снабдили
наружными электронагревателями н изолировали стек-
ловолокннстымн матамн. Для равномерного прогрева
396
бетона миниатюрным насосом создавали циркуляцию
поды в форме. Через 2 ч воду откачивали и форму пере-
мещали на очередной участок полимеризации.
Положительный опыт, полученный на плотине «Двор-
жак», был использован при проектировании плотины
«Либби», где уже проектом предусматривалась пропит-
ка наиболее ответственных участков, в том числе зон
температурных швов с гидроизоляционными шпонками,
специальными составами на основе метилметакрилата.
При пропитке дорожных покрытий в США использу-
ют следующую технологию. Вначале на определенном
участке возводят легкий быстроразборный деревянный
илн алюминиевый каркас, который покрывают пленкой
пли стекломатами нлн другими подобными материала-
ми. С помощью калориферов или электронагревателей
на поверхности бетона создают повышенную температу-
ру, и постепенно верхний слой бетона просушивается.
Может использоваться естественная сушка, тогда кар-
кас не возводят.
Затем каркас снимают и переносят на другой учас-
ток, а на высушенной поверхности бетона рассыпают
слой сухого песка толщиной около 5 см. Затем этот слой
поливают мономером с катализатором (рис. 9.22) до
полного заполнения им пустот в песке. Так как бетон
имеет более тонкие, чем песок, капилляры, то он посте-
пенно впитывает мономер из песка, который предохра-
няет мономер от растекания и частично уменьшает его
испарение с поверхности бетона. Слой пропитанного пес-
ка покрывают пленкой н устанавливают легкий каркас
с нагревателями для прогрева поверхности бетона. Про-
грев начинают после окончания пропитки. Могут при-
меняться и другие способы прогрева: например, после
пропитки счищают песок и укрывают пропитанный бе-
тон греющими матами.
При ремонте мостов путем пропитки плит настила
сушку и прогрев осуществляют с нижней стороны насти-
ла, а пропитку — с верхней поверхности. В этом случае
сразу же за проливом мономера в слой песка последний
укрывают металлическими плитами с предварительно
нанесенным специальным слоем для повышения сцепле-
ния между колесами транспорта н покрытием и открыва-
ют движение. Подобная технология до минимума сокра-
щает перерыв в движении, необходимый для проведения
ремонтных работ.
397
Рис. 9.22. Упрощенная технология об-
работки поверхности дорожных покры-
тий (США)'
/ — бак с мономером; 2 —слой песка;
3 — бетон
Рис. 9.23. Самозаанкеривающиеся уст-
ройства для подачи мономера
/ — подающий штуцер; 2—гайка; 3 —
втулка; 4 — резиновый уплотнитель;
5 — бетон
Упрощенная техноло-
гия пропитки дорожных
покрытий разработана в
Швейцарии. Для обра-
ботки в этом случае при-
меняют запатентованный
состав Р-3000, представля-
ющий собой самоотверж-
дающуюся систему иа ос-
нове метилметакрилата
После естественного под-
сушнвания поверхности
бетона (достаточно 3—4
солнечных дней) пере-
движная установка про-
езжает по покрытию, по-
ливая его поверхность со-
ставом Р-3000. Через
1,5—2 ч пропитка закан-
чивается н остатки соста-
ва смывают с поверхности
струей воды. Состав сам
отверждается в порах и
капиллярах бетона, при
этом капилляры заполня-
ются не полностью н бе-
тон сохраняет минималь-
ную проницаемость, ко-
торая имеет значения в
определенные периоды
эксплуатации, предохра-
няя ннжние слон бетона
от переувлажнения
Уменьшение проницаемости бетона вследствие пропитки
обеспечивает повышение морозостойкости бетонного по-
крытия в 1,5—2 раза.
В некоторых случаях может применяться глубинная
пропитка отдельных зон монолитного бетона. В этом слу-
чае пропитка осуществляется через шпуры либо зара-
нее оставленные в бетоне, либо выбуренные перед про-
ведением пропитки. Для присоединения шпуров к тру-
бопроводам подачн мономера используют специальные
закладные патрубки нлн переносные устройства, само-
заанкернвающнеся в шпурах (рнс. 9.23). Для пропитки»
398
как правило, используют самоотверждающнеся составы,
но можно применять и традиционную технологию.
Поверхностная пропитка монолитных конструкций
может использоваться в гидротехническом, дорожном,
аэродромном, транспортном н других видах строительст-
ва, а также применяться при ремонте железобетонных н
бетонных конструкций. Такая пропитка монолитного бе-
тона резко увеличивает его морозостойкость, стойкость
в условиях воздействия мороза н солевых растворов,’из-
носостойкость, кавитационную стойкость, непроницае-
мость и улучшает ряд других свойств, существенно важ-
ных для повышения качества, надежности н долговечно-
сти конструкций.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
БЕТОНОПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Готовые бетонополнмериые изделия испытывают по
тем же методикам, что н бетонные и железобетонные. Од-
иако прн испытании бетонополнмерных образцов следу-
ет предусматривать меры, предотвращающие разлет ос-
колков. Целесообразно -также использовать образцы с
ребром менее 10 см, так как испытание образцов боль-
шего размера требует очень мощных прессов н вызыва-
ет большие сложности вследствие мгновенного разру-
шения образца н разгрузки пресса.
Совершенно новой является система контроля техно-
логического процесса, от точности которого зависит окон-
чательное качество материала, а также возможность и
надежность использования в процессе изготовления н
для оценки качества готового изделия неразрушающих
методов контроля.
В процессе пропитки, особенно при неоднократном
использовании пропиточной смеси, в ее составе меняется
содержание инициатора н ингибитора. Необходимо по-
стоянно контролировать состав пропиточной смеси, так
как в противном случае возможна ее преждевременная по-
лимеризация, снижающая степень пропнткн и ухудшаю-
щая качество готового материала. Концентрацию ингиби-
тора илн катализатора можно измерить калориметричес-
ким нли химическим методом, однако при многократном
использовании состава для пропитки этн методы могут
не дать удовлетворительных результатов вследствие прн-
399
Рис. 9.24. Определение концентрации
компонентов пропитывающей системы
(ММЛ+ТМПТМА) по <пику экзотер-
мин»
Рис. 9.25. Зависимость времени пика
вкзотермин от вида и содержания
инициатора
— порофор 0.5 %; 2— то же, 0,3 %;
3 — то же, 0,1%; 4 — гипериз 4 %
сутствня примесей, вы-
щелачиваемых из бето-
на. Для подобных из-
мерений нами использо-
вался метод «пика эк-
зотермин», а также
акустический метод.
В США успешно ис-
пользуется первый из
названных методов
[133].
По этому методу
пробу пропиточного со-
става помещают в тер-
мостат и с помощью
термопары внутри про-
бы измеряют измене-
ние температуры во
времени (рнс. 9.24). По
заранее полученным
тарнровочиым кривым
«время наступления
пика экзотермин —
концентрация искомо-
го компонента» опреде-
ляют приблизительно
содержание данного компонента (ингибитора или ката-
лизатора) в смесн, При этом содержание других компо-
нентов должно сохраняться постоянным. На рис. 9.25
приведен пример подобной зависимости.
Для сокращения времени испытания в пропиточные
смеси вводили ускоритель — диметнламин. Опыты пока-
зали, что н для тронных систем (ингибитор — катализа-
тор — ускоритель) можно определять концентрацию од-
ного нз компонентов по «пику экзотермни», сохраняя со-
держание других компонентов постоянным.
Для контроля качества пропитки, процесса полиме-
ризации н свойств готовых бетонополнмериых изделий с
различной степенью точности измерения можно исполь-
зовать неразрушающие способы.
Использование изотопного метода для контроля ско-
рости н глубины пропитки ие дает удовлетворительных
результатов из-за высокой поглощающей способности
бетона.
400
Vy3) км/с
Рис. 9.26. Зависимость прочности бето-
нополимера от относительного повыше-
Рнс. 9.27. Зависимость отскока от проч-
ности бетонополимера
С помощью у-излуче-
ння можно определять
плотность бетона, но этот
способ малоэффективен
прн контроле бетонополн-
мерных изделий, так как
пропитка дает лишь весь-
ма незначительное ослаб-
ление излучения и, кроме
того, с помощью этого
метода нельзя отличить
мономер от полимера.
Использование ней-
тронного излучения до-
статочно эффективно от-
личает пропитанный бе-
тон от пепропнтанного
вследствие высокого со-
держания водорода в ор-
ганических полимерах.
Введение мономера иа
50—70 % увеличивает ос-
лабление материалом
нейтронного излучения.
Однако этот метод при-
меним главным образом
для мелкозернистых смесей. В обычных бетонах плот-
ный каменный заполнитель затрудняет радиографичес-
кие измерения. Кроме того, этот метод также не позво-
ляет отличить полимер от мономера илн воду от ММА.
В 1961 г. П. Ф. Шубенкин применил для регистрации
параметров процесса полимеризации ультразвуковой
способ. При отверждении полимера возрастает скорость
распространения ультразвука, что позволяет ориенти-
ровочно следить за кинетикой полимеризации (рнс.
9.26). Подобный способ может быть применим для ори-
ентировочного контроля за полимеризацией мономера
непосредственно в теле бетона. Однако на результаты
существенно влияет влажность образцов: при большой
влажности затруднительно определить как степень про-
питки, так и прочность материала. Например, в опытах
американских исследователей [133] скорость ультразву-
ка в сухих непропнтаиных образцах составляла 2200—
3100 м/с, в образцах прн влажности 1—2 %—3300—
401
3600 м/с, хотя в предварительно высушенных образцах
привес мономера был в 2 раза выше (6 %), чем во влаж-
ных.
В наших опытах отмечены большие колебания ско-
рости ультразвука в зависимости от вида заполнителя,
состава бетона, качества пропитки н степени полимери-
зации, что затрудняет применение этого метода для кон-
троля процесса изготовления бетонополимерных мате-
риалов.
Применяемый для испытания бетона метод вдавли-
вания штампа нлн молоток Кашкарова [20] неприменим
для оценки бетонополимерных изделий, так как измене-
ние поверхностной твердости материала в этом случае
не всегда коррелируется с изменением его прочности,
особенно если наблюдается частичная потеря мономера
из поверхностных слоев бетона.
Метод упругого отскока (молоткн Шмндта, Хаммера
н др.) позволяет оценить изменение упругопластнческих
свойств материала в более глубоких слоях н, поскольку
при пропитке бетона этн свойства материала меняются,
ориентировочно определить степень такого изменения.
По американским данным, отскок при пропитке н поли-
меризации может увеличиваться на 20 % [133]. На рис.
9.27 приведены результаты испытания бетона, пропитан-
ного метилметакрилатом, которые показывают, что кри-
вая зависимости числа отскоков от привеса мономера
иосит S-образный характер. По кривой можно опреде-
лить область применения метода.
Следует учитывать, что подобный метод чувствите-
лен только на глубину нескольких сантиметров н не мо-
жет характеризовать свойства всего объема материала.
По мнению некоторых исследователей [20], он в боль-
шей мере контролирует изменение свойств на глубине
2—5 см, чем в поверхностных слоях. Кроме того, этим
методом невозможно проверить качество пропитки, по-
скольку вклад отдельных объемов материала в измеря-
емую величину неодинаков.
В 1971 г. нами была проверена возможность исполь-
зования для контроля за изменением свойств бетона
прн пропитке и полимеризации метода, основанного иа
измерении диэлектрических свойств материала. Опыты
показали, что вследствие специальной обработки ди-
электрические свойства бетона существенно изменяются:
например, тангенс угла диэлектрических потерь, состав-
402
ляющий у обычного бетона 0,45—0,5, после обработки
уменьшается до 0,02—0,06. Этот показатель значитель-
но-изменяется и прн сушке бетона, что позволяет кон-
тролировать н этот процесс.
ВНИИжелезобетона совместно с Пермским поли-
техническим институтом разработаны методика и аппа-
ратура для контроля производства бетонополимерных из-
делий диэлектрическим способом [79].
В этом методе основным контролируемым парамет-
ром является диэлектрическая проницаемость. На осно-
ве взаимосвязи этого показателя с другими свойствами
материала можно оценивать эти свойства. Способ поз-
воляет определять окончание сушки, пропитки и поли-
меризации, ориентировочно оценивать привес мономера
(рис. 9.28). По данным [79], диэлектрическая проницае-
мость бетонополимера составляет
е = е8 11 4- 3v
81 — е2 \
ех+ 1.25е2 /’
где 8j и 82 — соответстпенно диэлектрическая проницаемость моно-
мера и бетона; v — объемное содержание мономера в бетоне
Рис. 9.28. Изменение диэлектри-
ческой проницаемости материа-
ла в процессе получения бетоно-
полимера
о — сушка бетона при темпера-
туре соответственно, 1 —
105; 2 — 120; 3— 160; 4 — 180.
<5 — пропитка мономером прн
предварительном вакуумирова-
нии в течение, мин: / — 0; 2 —
1: 3 — 5; 4—13; в —полимери-
зация при температуре, °C 1 —
90: 2— 60: 3 — 70
403
Американские исследователи также изучали возмож-
ность использования контроля диэлектрической проница-
емости н удельного сопротивления для оценки техноло-
гического процесса н качества бетонополнмерных мате-
риалов [133]. По нх методике образец 25,4X76,2>
X 152,4 мм помещали между двумя параллельными ла-
тунными пластинками, образующими конденсатор. С по-
мощью моста переменного тока измеряли емкость и
электрический ток через образец. Испытания показали,
что после пропитки диэлектрические постоянные изменя-
лись в 3—5 раз, а также заметно возрастало удельное
электрическое сопротивление. Однако диэлектрические
свойства в большей мере зависят от полноты заполнения
полимером поверхностных слоев, чем от общего привеса
мономера, н сочетания структур бетона и полимера. На-
пример, по данным [133], полностью насыщенные об-
разцы при привесе мономера 6,7—8 % имели диэлектри-
ческие константы 6,56—7,23, а сопротивление 46,9—69
МОм-м. Образцы же с частичной поверхностной пропит-
кой н привесом мономера 3,9—5,2 % показали соответ-
ственно 6,87—7,18 и 50,1—56,9 МОмм. Кроме того, на-
личие остаточной влаги может существенно повлиять на
результаты испытаний.
В. В. Кагнер разработал контрольно-измерительную
установку для пооперационного Контроля технологичес-
кого процесса изготовления бетонополнмерных матери-
алов и исследования кинетики и полимеризации при мо-
дифицировании бетонов. Работа установки основана на
акустическом эмиссионном методе.
Акустическая установка представляет собой набор
электронных блоков различного функционального наз-
начения (рис. 9.29). Установка работает следующим об-
разом. Электродинамический датчик особой конструк-
ции 3, акустический контакт которого осуществляется с
исследуемым объектом 1 через волновод 2, преобразует
эмиссионный сигнал в электрический импульс, усилива-
емый предварительным усилителем 4 в 20 раз, а затем
основным усилителем 5 до оптимальной амплитуды.
Далее усиленный сигнал поступает в амплитудный дис-
криминатор 6, предназначенный для отсекания фоновых
импульсов, и затем в блок цнфропечатающего устройст-
ва 7. С выхода амплитудного дискриминатора электри-
ческий сигнал поступает также в интегратор 9, преобра-
зующий синусоидальное напряжение в постоянное,
404
3
Рис. 9.29. Схема акустической установки для контроля технологического про-
цесса и свойств Бстонополимеров БЭК-1
регистрируемое электронным потенциометром 8. В уста-
новке предусмотрена возможность подключения магни-
тофона для воспроизведения записанной ранее инфор-
мации н осциллографа для визуального наблюдения за
процессом. Питание установки осуществляется от ста-
билизированного источника 10.
На рнс. 9.30 приведены диаграммные записи кинети-
ки пропитки и полимеризации, полученные с помощью
акустической установки на растворных образцах 4Х4Х
Х16 см состава Ц:П=1:3 прн ВЩ—0,5. Установка
была проверена при производстве бетонополнмерных
изделий на ЗЖБИ № 7 н показала удовлетворительные
результаты.
Каждый нз рассмотренных способов имеет опреде-
ленные преимущества н недостатки, поэтому целесооб-
разно применение комплексных испытаний, включающих
методы, одни другой дополняющие. Это позволит полу-
чить более достоверные н точные результаты.
Применение контрольно-измерительной апаратуры
позволяет автоматизировать управление процессом про-
питки н полимеризации бетона. В качестве примера опи-
сана установка, разработанная автором и В. В. Кагне-
ром. На рнс. 9.31, а приведена технологическая схема
установки, а на рис. 9.31,6 — блок-схема управления
установкой. Установка работает следующим образом.
В герметичную камеру помещают изделие 17 и гермети-
зируют ее. Затем включают контрольно-измерительное
оборудование 20. Автоматически включается вакуум-на-
сос 18 и открывается электромагнитный клапан 3. Пос-
ле достижения рабочего вакуума в камере срабатывает
датчик давления 5, закрывается клапан 3, отключается
вакуум-насос и открывается кран 19. Мономер нз емкос-
ти 2 начинает поступать в камеру до тех пор, пока не
сработает датчик уровня 4, в этот момент закрывается
405
кран 19 и открывается кран 7. Сжатый газ, находящий-
ся в баллоне 14, через ресивер 15 поступает в рабочую
камеру. Акустический датчик 9 воспринимает акустичес-
кие ударные волны, сопровождающие процесс пропитки,
преобразует их в электрические импульсы, которые по-
даются на вход усилителя сигналов 21 Усиленные им-
пульсы преобразуются в постоянное напряжение в бло-
Рис. 9.30. Акустические диаграммы кинетики пропитки (а) и полимеризации
(б) бетонополимера
406
Рис. 9.31. Установка для автоматизированного управления пропиткой бетона
и полимеризацией: мономера
д —схема установки: б —блок-схема управления
ке 22, которое пропорционально амплитуде и длитель-
ности входного сигнала. Уменьшение выходного напря-
жения свидетельствует об окончании процесса пропитки,
н блок управления выдает команду на открытие крана
19. После того как откроется кран 19, мономер поступа-
ют
ет обратно в емкость 2. Прн увеличении давления в ем-
кости 2 срабатывает датчик давления 1 и перекрывает
краны 19 и 7, открывает кран S для сброса давления
внутри рабочей камеры. После сброса давления край S
закрывается и открывается кран 16. Предварительно
разогретый глицерин поступает в рабочую камеру, пока
не сработает датчик уровня 4. Температура глицерина
поддерживается в заданных пределах. Температурный
датчик 10 управляет работой нагревателя 11. Как ука-
зывалось, процесс полимеризации сопровождается воз-
никновением акустических ударных волн. Уменьшение
выходного напряжения свидетельствует об окончании
процесса полимеризации. После окончания процесса по-
лимеризации открываются краны 7 н 16 н глицерин по-
ступает в емкость 13 под действием давления сжатого
газа. Как только сработает датчик давления 12, закры-
ваются краны 7 и 16. На этом технологический цикл за-
канчивается.
Такое оборудование позволяет без предварительных
лабораторных исследований пористости изделий, вяз-
кости пропитывающей жидкости, химического анализа
мономера производить модифицирование бетонов по
оптимальному технологическому режиму.
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА
БЕТОНОПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Повышенная прочность бетонополнмера на растяже-
ние, меньшая деформатнвность при воздействии увлаж-
нения и высыхании создают условия для более широко-
го применения наряду с обычными методами монтажа
таких методов, как склеивание, соединение на болтах,
соединение с помощью специальных соединительных де-
талей.
Обычный бетон имеет очень невысокую прочность на
растяжение (1—2 МПа), что не позволяет без специаль-
ных мероприятий получить достаточную прочность клее-
вых соединений. Как правило, прочность шва в этом слу-
чает выше, чем прочность бетона, и разрушение возни-
кает по бетону защитного слоя арматуры. В бетонополи-
мере прочности шва н материала приблизительно равны
и прочность склеивания возрастает в несколько раз.
Шайбы, болты и другие соединительные детали из
металла имеют высокое сцепление с бетонополимером,
408
а вследствие его высокой прочности не требуется осо-
бых мероприятий по их заделке. Это позволяет получать
эффективные соединения изделий на болтах и другими
подобными способами.
Возможно также использование соединительных вы-
ступов н пазов, выполненных непосредственно в изде-
лии. Высокая прочность бетонополнмера, особенно в со-
четании с дисперсным армированием, открывает н в
этом направлении новые возможности монтажа конст-
рукций.
Бетонополнмерные конструкции в ряде случаев ра-
ционально изготовлять в виде отдельных деталей, напри-
мер плоских плит, коротких труб, проводя затем укруп-
нится ьную сборку для получения конструкций заданной
формы н размеров. В этом случае возможно применение
клеевых соединений, а также сочетание различных ви-
дов соединений.
В Советском Союзе и за рубежом накоплен значи-
тельный опыт склеивания железобетонных конструкций
[62]. Однако применение бетонополнмеров открывает в
этом направлении новые возможности н требует даль-
нейшего усовершенствования теории н практики склеи-
вания.
Процесс склеивания состоит нз двух стадий — прили-
пания н собственно склеивания. Первая стадия дол-
жна обеспечить нанлучшнй контакт и взаимодействие
со склеиваемой поверхностью, вторая — гарантировать
нормальную работу клеевого шва в эксплуатации под
воздействием влаги, температуры и других факторов.
Силы сцепления при склеивании обусловлены раз-
личными факторами: природой контактирующих тел;
числом точек контакта, приходящихся на единицу пло-
щади поверхности; расстоянием между точками контак-
та; площадью контакта, характером среды между кон-
тактирующими поверхностями. Внешние воздействия —
температура, давление также существенно влияют на
силы сцепления. Качество склеивания бетонополимера
определяется главным образом химической природой
клея и бетонополимера, числом и типом функциональных
групп, находящихся в контакте, и их способностью к
взаимодействию.
Известно, что высокой адгезией к бетону н раствору
обладают полимеры, содержащие гидроксильные, кар-
боксильные, эпоксидные н другие полярные группы.
25-2Ю
409
Эти группы способны обеспечивать водородные связи с
некоторыми составляющими бетона. Однако полимер-
ная фаза в бетоиополимерах изменяет механизм адгезии
при склеивании бетонополнмериых конструкций по срав-
нению с адгезией при склеивании обычного цементного
бетона, так как возникают контакты и связи между по-
лимерными составляющими, что способствует упрочне-
нию клеевого шва.
В настоящее время наибольшее распространение для
склеивания и омоноличивання бетонов получили компо-
зиции на основе эпоксидных смол. Опыты показали, что
клен на основе эпоксидных смол можно применять для
склеивания и омоноличивання бетонополнмериых конст-
рукций. Основные физико-механнческне свойства отвер-
жденных эпоксидных клеев холодного отверждения, при-
готовленных на основе смол ЭД-16 и ЭД-20, приведены
ниже.
Плотность, г/см’ ... 1,2—1,23
Предел прочности, МПа:
при сжатии.................................. 120—130
> статическом изгибе . . . 120—130
> срезе.............................. 65—75
Прочность клеевого шва при сжатии на
сдвиг бетонополнмериых кубиков, МПа 15—25
Модуль упругости, МПа................... (30—40) 10#
Коэффициент линейного расширения, 1/град 50-10—
С целью удешевить клеевые композиции и улучшить
их технологичность были изучены эпоксндиые клен,
модифицированные метилметакрилатом н фурфуролаие-
Таблица 9.1. Составы эпоксидных модифицированных клеев
Компоненты клея Содержание в составе
1 2 3 4
Связующее — эпоксидная смола: ЭД-16 100 80
ЭД-20 — 100 — 80
Пластификатор: фурфуролацетоновый мономер ФА 100 100
метилметакрилат — —• 100 100
Отвердитель: полиэтилен-поли амин 8 8 10 10
беизолсульфокислота (БСК) 16 18 — —•
гипериз —. 4 4
Ускоритель — низкомолекулярный стирольный каучук (ДБС) — — 6 8
410
тоновым мономером ФА (табл. 9.1). Разработанные сос-
тавы можно успешно применять для склеивания и омо-
ноличивания бетонополимерных конструкций. По основ-
ным фнзнко-механическим показателям разработанные
клеевые композиции не уступают известным клеям на ос-
нове эпоксидных смол.
Для практики важное значение имеет выявление кле
евых композиций, более дешевых и менее дефицитных
по сравнению с эпоксидными клеями. Прн разработке
таких составов целесообразно создать более технологич-
ные клеевые композиции, способные отверждаться при
нормальной, а в некоторых случаях н прн отрицатель-
ной температуре.
Известно, что адгезионное соединение получается
наиболее прочным, если адгезия и субстрат содержат
соединения одного и того же ряда. Результаты испыта-
ний показали, что полиэфирные, полиуретановые и фу-
рановые композиции отвечают требованиям, предъявля-
емым к клеям для склеивания бетонополнмериых кон-
струкций. Однако полиэфирные композиции превосходят
по основным физико-механическим показателям осталь-
ные исследованные составы. Исходя из этого, В. А. Тя-
ном были разработаны составы клеев на основе модифи-
цированных полиэфирных смол (табл. 9.2). Составы
только на полиэфирных акрилатных смолах обладают
хорошей адгезией, а составы иа полиэфирных маленно-
Таблица 9.2. Составы клеевых композиций на основе
модифицированных акрилатных смол
Компонент Содержание, ч. п о массе, в составе
1 2 3 4 5 6 7 В
Полиэфирная смола 100 100 100 100 50 100 75 100
МТФ-9 Метилметакрилат 100 100 100 100 100 50 100 75
Гипериз 3 2 3 — 2 3 2
Полиэтилен- полна- 1 1 1,5 — — 1 1 1
мин Нафтенат кобальта 6 6
Порофор — 0,2 0,5 0,2 — 0,2
Низкомолекулярный — — 10 — — —> —.
стирольный каучук Перекись бензоила 10 10
Наполнитель 700 700 700 700 700 700 700 700
Диметиланилин — — — 8 8 — —
26*
411
ВЫх смолах не далн ожидаемого результата. Это объя-
сняется тем, что олнгоэфир МГФ-9 обеспечивает сши-
тую структуру полимера. Результаты адгезионных и ко-
гезионных испытаний показали, что оптимальным соот-
ношением связующего и модификатора является 1:1.
Использование высокоиаполненных клеевых компо-
зиций позволяет не только удешевить клеи, но и умень-
шить коэффициент линейного расширения н соответст-
венно внутренние напряжения.
В качестве наполнителя в исследованных составах
проверялись маршалит, перлит, алунит, андезнт, песок
строительный, песок люберецкий, песок кварцевый, порт-
ландцемент. Лучшим наполнителем с точки зрения проч-
ностных показателей, стоимости, технологичности оказа-
лась смесь песка с цементом в соотношении 2:1.
Составы, приведенные в табл. 9.2, могут отверждать-
ся при комнатной температуре без дополнительного на-
грева. Жизнеспособность композиций составляет 40—
60 мин и может регулироваться в зависимости от содер-
жания инициатора и ускорителей отверждения.
Состав 3 (см. табл. 9.2) предназначен для склеива-
ния бетонополнмерных конструкций прн отрицательной
температуре (до —20°C). Отверждение этой компози-
ции обусловлено разогревом шва за счет образования
нестойких аминных комплексов с большим запасом по-
верхностной энергии. Алифатический полнамнн предна-
значен для создания промежуточных комплексов при
низких температурах, распадающихся на свободные ра-
дикалы, являющиеся основой структурообразования по-
лимера. Для того чтобы не происходил обрыв цепи прн
полимеризации от высокой нестабильности аминных
промежуточных комплексов, в систему отверждения до-
бавляют порофор, который при саморазогреве смесн от
распада амниных комплексов разлагается на свободные
радикалы, продолжая инициирование отверждения. Низ-
комолекулярный стирольный каучук выполняет функ-
ции центра комплексообразования.
По основным физико-механическим показателям раз-
работанные клеевые композиции не уступают известным
клеям на основе эпоксидных смол.
Средняя плотность, кг/м3 . . 1900—2200
Когезионная прочность, МПа:
на сжатие................................ 80—120
» растяжение 14—20
412
Адгезионная прочность к бетонопо-
лимеру, МПа:
на сдвиг при сжатии . .
» равномерный отрыв
Модуль упругости, МПа
Объемная усадка, % .
Жизнеспособность, мин ....
Теплостойкость по Мартенсу, °C .
Водопоглощение за 24 ч, %
16-20
8—10
(1,3—1,8) 10*
1,2-2,8
Не менее 40
90
0,1—0,7
Набор основной прочности происходит в течение
1 сут, а через 2 ч после приготовления смеси составляет
25 МПа. Быстрый набор прочности указанных составов
позволяет повысить производительность труда, оборачи-
ваемость оборудования н приспособлений.
Разработанные клеевые составы хорошо склеивают
увлажненные поверхности (образцы предварительно на-
сыщались в воде в течение 1 сут), характеризуются не-
высокой объемной усадкой (до 3%), которая через 3—
4 сут практически затухает. Введение в состав полнизо-
цината К позволяет получить безусадочные и расширяю-
щиеся при твердении композиции.
В отлнчие от склеивания бетона, когда увеличение
толщины шва в ряде случаев приводит к повышению
прочности склеивания за счет упрочнения отсасываемым
связующим прилегающих зон бетона, при склеивании бе-
тонополнмерных изделий с увеличением толщины шва
прочность склеивания несколько понижается: например,
прн увеличении толщины шва с 1 до 20 мм прочность
снижается на 25—30 %.
Таким образом, имеется много клеевых композиций
для склеивания бетонополнмерных изделий. Выбор клея
должен обосновываться конструктивными и экономиче-
скими требованиями с учетом особенностей поведения
затвердевшего клея как полимерного материала.
ГЛАВА 10. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОПИТКИ
ПОЛИМЕРАМИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ
СВОЙСТВ И РЕМОНТА БЕТОННЫХ
И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ПОВЕРХНОСТНАЯ И ЗОНАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА
БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Эффективным способом повышения качества и эф-
фективности бетонных и железобетонных конструкций
является их поверхностная и зональная обработка спе-
циальными составами на основе полимерных материалов.
Поверхностная пропитка проводится:
для повышения морозостойкости, в том числе в
солевых растворах, коррозионной стойкости, водонепро-
ницаемости, стойкости к истиранию и кавитации н улуч-
шения ряда других свойств материала;
для повышения деформ атнвности и трещиностойкости
защитного слоя и повышения несущих свойств конструк-
ции, в частности преднапряженных железобетонных
конструкций;
для получения изделий с особыми свойствами, напри-
мер электротехнических, декоративных и др.;
для ремонта поврежденных изделий и конструкций.
Для поверхностной пропитки могут использоваться
мономеры с добавками, олигомеры, продукты нефтепе-
реработки, сера н другие пропиточные составы. Наиболь-
шая прочность и стойкость поверхностного пропитанного
слоя наблюдаются после пропитки мономером с после-
дующей полимеризацией его в теле бетона. При поверх-
ностной пропитке проявляется явление размытого фронта.
В результате прн поверхностной пропитке, если не
применяются специальные методики, трудно добиться
такого же заполнения пор, как прн полной пропитке, так
как обычно глубина пропнткн определяется по максиму-
му волны пропитки н, кроме того, после окончания
пропитки происходит некоторое размывание поверхно-
стного слоя пропитки за счет отсоса части мономера
более тонкими капиллярами н также частичное испаре-
ние, в том числе испарение внутри бетона, которое
иногда труднее предотвратить, чем испарение с поверх-
ности.
414
Рис. 10.1. Влияние глубины пропитки на прочность (а) я стойкость (б) бетона
1 — при растяжении и раскалывании; 2 — при сжатии
Размывание границы пропитки имеет положительное
значение, так как способствует появлению пограничного
переходного слоя, как бы повышающего связь пропитан-
ной части с основным бетоном. В результате в этом
случае не наблюдается отслоения пропитанного слоя при
любых условиях воздействия. Однако граница слоя
выражена недостаточно четко.
Для получения более четкой границы пропитанного
слоя, уменьшения потерь мономера за счет испарения и
упрощения технологии применяют для пропнткн фор-
полимеры (растворы полимера в мономере), быстродей-
ствующие системы отверждения. Однако в этих случаях,
как правило, повышается вязкость пропиточного соста-
ва, в результате чего уменьшается скорость н глубина
пропнткн, а также степень заполнения пор за счет того,
что более крупные молекулы пропитывающей жидкости
блокируют устья тонких капилляров, которые остаются
незаполненными.
В некоторых случаях прн отверждении пропиточного
состава возникают в поверхностном слое большие уса-
дочные напряжения, которые суммируются с напряже-
ниями от эксплуатационных воздействий, различными
для слоев с разными свойствами. Это тем опаснее, .чем
резче выражена граница слоев, и в отдельных случаях
может даже вызвать отслаивание пропитанного слоя.
Поэтому необходимо предусматривать специальные ме-
ры, обеспечивающие связь пропитанной части с основным
бетоном.
415
На рнс. 10. 1,а приведены кривые зависимости проч-
ности бетона от глубины пропитки. Прочность бетона
увеличивается несколько сильнее при достаточно глубо-
кой пропитке, приближающейся к полной, чем в началь-
ной стадии. Это объясняется тремя причинами. Во-пер-
вых, прн достаточно толстом слое пропиткн начинает
проявляться так называемый «эффект обоймы», который
становится тем больше, чем толще пропитанный слой.
Во-вторых, с увеличением слоя пропитки повышается
полнота заполнения пор в этом слое, так как успевают
заполниться очень тонкие капилляры; меньше проявля-
ется размывание слоя после пропитки. В-третьих, при
значительном уменьшении сечения непропитаиного ядра
все сильнее начинает сказываться масштабный фактор,
причем если основной объем пор и капилляров остается
все еще не пропитанным, то более крупные дефекты
(микротрещины н др.), скорость пропитки в которых
выше, избирательно заполняются мономером. Прн поли-
меризации мономер как бы частично «залечивает» эти
дефекты, что в свою очередь вызывает некоторое повы-
шение прочности ядра,
Вследствие указанных прнчии для обычных призм и
кубов после значений коэффициента пропитки
2Л
>0,5 наступает период, когда с увеличением глуби-
ны пропитки прочность повышается в большей степени.
Положение этой границы зависит от структуры бетона,
которая определяет размытость фронта пропитки, разме-
ров образца, свойств пропиточного состава и режимов
его отверждения.
Для расчета прочности и трещиностойкости конструк-
ции и для других целей важно знать прочность пропи-
танного слоя. Эту прочность можно прогнозировать по
повышению прочности образцов бетона в результате их
поверхностной пропитки на определенную глубину. Из
рис. ЮЛ, а следует, что полная прочность бетонополи-
мера 7?бп определяется по выражению
°бп—*4 г< т
\ АПр /
где Ki — коэффициент дополнительного повышения прочности при
глубокой пропитке (К[ = /?бп//?1).
Величина, обратная коэффициенту К\, показывает, на-
сколько действительная прочность пропитанного слоя
410
вследствие влияния причин, указанных выше, ниже пол-
ной прочности бетонополимера. В расчетах наряду со
свойствами пропитанного слоя, если глубина пропитки
небольшая, следует учитывать прочность Только при
применения специальных методик, обеспечивающих бо-
лее глубокое насыщение поверхностного слоя, в расчетах
можно использовать значение /?бп.
На рис. 10.1,6 дана зависимость стойкости бетона
от глубины пропитки. Стойкость бетоиа даже при
небольшой глубине пропитки значительно повышается.
Более глубокая пропитка мало влияет на дальней-
шее повышение стойкости. Подобным образом изменя-
ются водопоглощение, морозостойкость, коррозионная
стойкость, электроизоляционные свойства, износостой-
кость и ряд других.
Прн необходимости повысить показатели этих свойств
глубинная пропитка нецелесообразна — достаточно огра-
ничиться поверхностной, но определенной глубины про-
питкой и степенью заполнения пор, гарантирующей за-
данное свойство.
Меняя свойства пропитывающей жидкости, можно
варьировать проницаемость поверхиостиого слоя пропи-
танного бетона и получать эффективные решения изде-
лий и конструкций.
Поверхностную пропитку, как н при производстве бе-
тонополимерных изделий, можно вести по различным
технологическим схемам (см. рис. 9.1). Пропитка по че-
тырехступенчатой схеме будет быстрой и качественной,
но если не предусмотреть специальных мер, то в процес-
се отверждения свойства пропитанного слоя будут ухуд-
шаться за счет испарения мономера и его всасывания в
глубь бетона.
Пропитка по трехступенчатой схеме более проста, од-
нако ее продолжительность дольше, а свойства пропи-
танного слоя несколько хуже.
Весьма перспективной представляется обработка по
двухступенчатой схеме, когда пропитка совмещается с
полимеризацией. В этом случае необходимо строгое со-
блюдение режима, чтобы обеспечить получение задан-
ной толщины и качества пропитанного слоя. Эффектив-
ность этого вида обработки повышается, если использу-
ются специальные методы скоростного подсушивания
поверхностных слоев бетона. При этом возможные ре-
жимы должны гарантировать от растрескивания поверх-
417
ности изделия, для чего необходимо учитывать размеры
изделия, свойства бетоиа, характер армирования.
Одностадийная обработка может применяться для
сухих изделий или при совмещении сушки и пропитки, на-
пример при пропитке в петролатуме и других специаль-
ных пропитывающих составах.
Для повышения эффективности поверхностной про-
питки составами на основе мономеров большое значение
имеет подбор соответствующих инициирующих комплек-
сов. Наиболее рациональна такая система, которая в на-
чальный период, необходимый для достижения заданной
глубины и качества пропитки, мало изменяет вязкость
пропиточного состава, а затем резко ускоряет полимери-
зацию, уменьшая потери иа испарение и размывание
слоя пропитки за счет отсасывания части пропиточной
массы в глубь бетона. Особенно желательно, чтобы та-
кая система обеспечивала полимеризацию при нормаль-
ной температуре, что еще больше уменьшит потерн на ис-
парение и позволит значительно упростить технологию
пропитки.
Современные достижения химии открывают возмож-
ности получения таких систем. Рассмотрим получение
самоотверждающихся составов с использованием специ-
альных инициирующих комплексов применительно к ме-
тилметакрилату, на основе которого получают наиболее
эффективные пропитывающие составы*.
В качестве инициирующих комплексов можно ис-
пользовать известную систему, включающую органиче-
скую перекись (катализатор) и третичный амин (уско-
ритель) (пат. Франции № 1498617, пат. ФРГ № 1719339),
а также систему, содержащую в качестве ускорителя
полимеризации бензойную кислоту.
В наших опытах совместно С ВНИИжелезобетоиа
были проверены различные самоотверждающнеся сос-
тавы:
1) ММА-Нперекись лаурила (ПЛ)-[-бензойная кис-
лота+диметиламин (ДМА);
2) MMA-J-перекись бензоила (ПБ)-[-ДМА;
3) ММА-|-сшивающнй агент-|-ПЛ-|-бензойная кисло-
та+ДМА;
4) ММА-f-сшивающий агент-рПБ-|-ДМА.
Активность перекиси бензоила как катализатора по
отношению к метилметакрилату несколько выше, чем у
перекиси лаурнла, что позволяет при прочих равных ус-
418
ловнях получать смеси,
полимеризующиеся в от-
носительно короткие сро-
ки (прн поверхностной
пропитке то обстоятель-
ство, что перекись бензо-
ила больше сорбируется
поверхностью бетоиа, не
оказывает заметного вли-
яния, особенно если для
пропитки применяют стро-
го дозированное количе-
ство мономера, рассчи-
танное на полное впиты-
вание).
Различие указанных
пропиточных систем за-
ключается не только в ки-
нетических закономерно-
стях процесса полимери-
зации, ио и в физико-хи-
мических свойствах поли-
мера, образующегося в
поровой структуре бетон-
ной матрицы, оказываю-
щих существенное влия-
ние на конечные свойства
обработанной поверхно-
сти. Системы 3 и 4 в от-
личие от систем 1 и 2 да-
ют полимеры сшитой
структуры, отличающие-
ся более высокой меха-
нической прочностью, тер-
мостойкостью и стойко-
стью к известным органи-
ческим растворителям.
В качестве сшиваю-
щих агентов использова-
Рис. 10.2. Влияние содержания ТГМ-ЗГ
в полимере па образование сшитой
структуры П (сш) (/), определенной
по его растворимости, и па набухание
полимера в хлороформе (2)
Рис. 10.3. Влияние концентрации ката-
лизатора и ускорителя на продолжи-
тельность полимеризации состава
ММА+ПБ+ДМА при 20’С (ПБ соот-
ветстненно: 1 — 7%; 2 — 5%; 3 — 3%;
4-1,5%)
лнсь олигоэфнракрилаты, содержащие в молекуле не ме-
нее двух двойных связей.
На рис. 10.2 приведены данные о растворимости по-
лимера и его набухании в хлороформе а зависимости от
концентрации олигоэфиракрилата. Как видно иа
119
рис. 10.2, наличие в метилметакрилате только 5 % олиго-
эфиракрнлата приводит к образованию сшитого (нерас-
творимого в хлороформе) полимера на уровне 92 %. Оп-
тимальные результаты получены для 20%-ного раствора
олигоэфиракрнлата в ММА: образующийся полимер
практически полностью нерастворим.
Эффективность инициирующих систем зависит от
концентрации нх компонентов. Продолжительность по-
лимеризации определяется концентрацией катализатора
и ускорителя (рнс. 10.3) и температурой окружающей
среды. С увеличением концентрации первых и темпера-
туры время полимеризации сокращается. Зависимость
продолжительности полимеризации от концентрации
ускорителя с оптимальным содержанием ДМА прибли-
зительно 1,4—1,5 носит экстремальный характер (для
полимеризации мономера в блоке).
После смешивания мономера с катализатором и уско-
рителем вначале не происходит заметных изменений сме-
си (индукционный период), а затем начинается быстрая
полимеризация, сопровождающаяся выделением тепла.
Это позволяет четко наблюдать в опытах индукционный
и полимеризационный периоды, длительность которых
зависит от концентрации катализатора и ускорителя и
температуры окружающей среды. При этом ориентиро-
вочно время полимеризации можно определить по ха-
рактерному перегибу на восходящей ветви температур-
ной кривой, а продолжительность полимеризации — по
максимальному экзотермическому эффекту (в опытах
5 мл мономера с инициирующей системой выдерживали
в адиабатических условиях).
Необходимо четко понимать, что приведенные данные
демонстрируют возможность получения самотвердеющих
пропитбч-ных составов, но отнюдь не являются конкрет-
ными рекомендациями по назначению концентрации ком-
понентов. При полимеризации мономера в порах бетона
на ее кинетику оказывают большое влияние наличие
твердого скелета н его теплоемкость. Твердый скелет от-
бирает тепло экзотермин и замедляет эффект самоуско-
рения полимеризации за счет разогрева смеси. В резуль-
тате сроки полимеризации удлиняются, иногда очень
значительно. Для обеспечения полимеризации в этих ус-
ловиях приходится увеличивать концентрацию катализа-
тора и ускорителя.
При использовании сшивающих агентов, например
420
олигоэфиракрилатов, продолжительность полимеризации
при прочих равных условиях сокращается и позволяет
снизить концентрацию катализатора и ускорителя.
Таким образом, меняя концентрацию компонентов
инициирующей системы, можно получать самоотвержда-
ющиеся системы с разной длительностью индукционного
периода и полимеризации, причем требуемый состав си-
стемы следует устанавливать с учетом температуры сре-
ды. структуры н свойств бетона.
Поверхностную пропитку можно проводить, погружая
изделия в мономер с инициирующей системой, погружая
только нижнюю лицевую поверхность или поливая про-
питывающей жидкостью верхнюю лицевую поверхность
изделий.
В зависимости от режима пропитки и состава пропи-
тывающей жидкости возможно получение трех различ-
ных положений пропитанного слоя (рис. 10.4).
Первое положение, когда слой как бы заглублен в
бетон, а его границы размыты, наблюдается, если дли-
тельность полимеризации значительна, количество про-
питывающей жидкости ограничено и она после оконча-
ния пропитки успевает продвинуться вследствие капил-
лярного подсоса тонкими капиллярами внутрь бетона, а
с поверхности частично испариться. Второе положение,
обеспечивающее наибольшую долговечность изделий, на-
блюдается, когда время продолжительности полимериза-
ции приблизительно соответствует продолжительности
пропитки или используются специальные мероприятия,
обеспечивающие фиксированное положение слоя про-
питки.
Для специальных изделий (электроизоляционных, де-
коративных и некоторых других) иногда желательно по-
лучить иа поверхности бетона тонкий слой полимера. Та-
кое положение (третье) наблюдается, если длительность
полимеризации меньше времени, необходимого, чтобы в
бетон впитался весь объем мономера, предназначенного
для пропитки.
Чем больше объем невпитавшегося мономера, тем
толще слой полимера на поверхности. Однако не следует
допускать, чтобы слой на поверхности превышал сотые
доли миллиметра, так как толстые слои обычно растре-
скиваются либо в процессе полимеризации, либо после
короткого периода эксплуатации. При необходимости
получения на поверхности слоя полимера можно, не ме-
421
Рис. 10.4. Возможные положения
пропиточного слоя
ЛФ*ММЛ,°/О
Рис. 10.5. Влияние состава пропи-
точной жидкости иа продолжитель-
ность пропитки бетона
няя состава пропитывающей жидкости, несколько задер-
жать начало пропитки, т. е. выдержать приготовленный
состав некоторое время, чтобы после начала пропитки
быстрее наступила полимеризация.
Таким образом, меняя режимы и технологию пропит-
ки, можно получить различное качество изделий.
Представляет некоторый интерес использование для
поверхностной пропитки раствора полимера в мономере
с целью увеличения вязкости пропитывающей жидкости
и получения более тонкого и менее размытого пропитан-
ного слоя. Могут применяться растворы полиметилмет-
акрилата в метилметакрилате, эпоксидной или поли-
эфирной смолы в метилметакрилате или стироле и дру-
гие композиции.
Не представляется возможным пока получить обоб-
щенную зависимость глубины и длительности пропитки
от вязкости пропитывающей жидкости, так как на ука-
занные параметры влияет и ряд других факторов. В част-
ности, содержащиеся в пропиточном составе большие
молекулы полимера в первую очередь сорбируются на
поверхности твердой фазы бетона и закупоривают поры
и капилляры. В результате резко снижаются скорость и
глубина пропитки (последняя также сильно зависит от
структуры бетона).
В наших опытах прн применении 10 %-ного раствора
полиметилметакрнлата в метилметакрилате привес по-
лимера после окончания радиационной полимеризации
составлял около 1 %, причем большая часть привеса
получена за счет образования тонкой полимерной плен-
422
ки на поверхности образца. При этом прочность иа сжа-
тие кубов 10X10X10 см увеличивалась незначительно
(на 15%), однако бетон становился практически водоне-
проницаемым.
Изменение продолжительности пропитки бетоиа на
определенную глубину при использовании составов,
включающих полиэфирную смолу и метилметакрилат,
показано на рис. 10.5. При этом существенно изменяется
и прочность материала.
Результаты исследований дают возможность пола-
гать, что применение специальных инициирующих систем
является более эффективным приемом, чем использова-
ние раствора полимера в мономере, хотя для ряда прак-
тических условий вполне возможно применение полимер-
ных растворов.
Для поверхностной прбпитки большое значение име-
ет контроль глубины пропитанного слоя. Проще всего
это можно сделать весовым способом.
Глубина h односторонней одномерной пропитки в
этом случае может быть определена по формуле
к = »
где Ом — масса пропитывающей жидкости, поглощенная бетоном,
у ж — средняя плотность пропитывающей жидкости; Кз— коэффи-
циент заполнения объема бетона мономером; F— площадь пропитки.
Коэффициент Кз целесообразно определять опытным
путем, так как он будет зависеть от структуры бетона,
свойств пропитывающей жидкости н технологии про-
питки.
При пропитке бетонных и железобетонных изделий со
всех сторон могут быть два расчетных условия. Если
пропитка осуществляется и а небольшую глубину и оиа
мала по сравнению с размерами сечения изделия, то
можно в расчетах принимать площадь поверхности изде-
лия, которая легко определяется на основании геомет-
рии изделия (призма, куб и т. д.). Прн этом изменением
поверхности фронта пропитки можно пренебречь.
Если глубина поверхностной пропитки в известной
мере соизмерима с размерами изделия, то необходимо
учитывать, что при пропитке со всех сторон, как прави-
ло, постепенно уменьшается поверхность фронта пропит-
ки н одно и то же количество мономера расходуется для
пропитки разной глубины поверхностных и глубинных
слоев.
423
В этом случае глубину пропитки можно определять
по формулам:
для куба со стороной а
Л = 1 Г'
для призмы длиной I, с основанием а
. ° ,* Ул
2 | 4 4Z ’
для цилиндра радиусом R и длиной I
* = Я-1/
V л1
где Vn = ДО/уп Кз (здесь К» — степень заполнения структуры бето-
на полимером); ДО —привес полимера; уп— плотность полимера).
При выведении формул эффектом пропитки с торцов
для длинномерных изделий пренебрегли, так как он ма-
ло влияет на качество и глубину пропитки изделий по
сечеиию.
В практике строительства имеется большой опыт по-
верхностной пропитки, особенно пропиточными состава-
ми на основе нефтепродуктов. В последние годы все бо-
лее широкое распространение получает поверхностная
пропитка мономерами. В этом случае в десятки или да-
же сотни раз сокращается расход мономера по сравне-
нию с глубинной пропиткой, и при расходе мономера
1—3 кг иа 1 м2 поверхности удается получить водоне-
проницаемые и морозостойкие изделия.
При производственной проверке на Подольском
ЗЖБИ морозостойкость (в том числе в растворе солей)
тротуарных плиток после пропитки с поверхности на
глубину до 3—5 мм возросла в несколько раз. Подобные
результаты получены в Минском НИИСМИ, в КТБ Мос-
оргстройматериалов, в МИСИ им. В. В. Куйбышева.
В США (г. Портленд) проводят поверхностную обра-
ботку мостовых балок «двойное Т» длиной до 18 м
(рис. 10.6). На балке укрепляют металлические борта
и легкую обрешетку, на которой закрепляют электрона-
греватели для сушки. Снаружи обрешетки устанавлива-
424
ют плиты теплоизоляции. Затем проводят поверхностную
сушку с нагревом верхнего слоя н вентиляцией с по-
мощью калорифера замкнутого пространства под обре-
шеткой. После окончания сушки разливают по поверхно-
сти нужную для пропитки дозу мономера с инициатором,
закрывают мономер пленкой, после определенного вре-
мени включают электронагреватели и проводят полиме-
ризацию под плеикой.
На рис. 10.7 показаны готовые балки, установленные
на место эксплуатации — мостовой переход иад каналом.
Пропитка верхней части легкого бетона балки (заполни-
тель— вспученные сланцы) предохраняет бетой и арма-
туру от коррозии н резко
увеличивает долговеч-
ность эксплуатации мос-
та без ремонта. Известно
и много других случаев
поверхностной обработки
бетона.
Поверхностная про-
питка является эффектив-
ным приемом, который,
несомненно, будет нахо-
дить все большее приме-
нение в строительстве.
Рис. 10.fi. Схема поверхностной про-
питки мостовых балок
/ — металлические съемные борта; 2 —
защитный короб: 3— электронагрева-
тели; 4 — слой мономера с инициато-
ром; 5 — пленка; 6 — изделие
Рнс. 10.7. Укладка мостовых балок с поверхностной пропиткой верхней полки
(г. Якима, США)
27—210
425
РЕМОНТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ
ПУТЕМ ПРОПИТКИ ИХ СПЕЦИАЛЬНЫМИ
СОСТАВАМИ
При эксплуатации в тяжелых условиях, при особых
воздействиях и а конструкции и в ряде других случаев
возможно появление повреждений бетонных и железобе-
тонных конструкций. Эти повреждения могут быть трех
видов: а) общее изменение (разрыхление) структуры,
в частности изменение характера порового пространства
за счет увеличения числа более крупных пор н появле-
ния мельчайших дефектов, вызывающее снижение проч-
ности бетона и предшествующее более глубоким и опас-
ным разрушениям; б) отслоение защитного слоя, разру-
шение поверхностных слоев бетона; в) появление в
конструкции трещин и других разрушений в более глу-
боких слоях.
Для восстановления свойств бетона в первом случае
достаточно провести пропитку его специальными соста-
вами. Прн этом необходимо учитывать, что в зависимо-
сти от структуры бетона и характера разрыхления необ-
ходимо использовать составы разной вязкости, учитывая
особенности их взаимодействия с твердым скелетом. Ма-
ловязкие составы на основе метилметакрилата или сти-
рола хорошо «залечивают» мельчайшие дефекты и повы-
шают непроницаемость и долговечность поверхности бе-
тона. Более вязкие составы, включающие мономер и
полимер, «залечивают» более крупные дефекты и поры и
понижают проницаемость менее плотных бетонов. Для
«залечивания» крупных трещин используют полимерные
композиции.
Нами исследовано влияние пропитки на свойства бе-
тона, подвергнутого до момента пропитки попеременно-
му замораживанию и оттаиванию (серия 1) илн высуши-
ванию и насыщению водой (серия 2). Для ускорения
испытаний использовались растворы 1:3 при В/Д=0,6.
Результаты испытаний представлены в табл. 10.1.
Для пропитки использовали метилметакрилат, отвер-
ждение термокаталитическое. Как показали опыты, в
случае, когда еще не появилось видимых трещин и раз-
рушений, а наблюдалось лишь общее разрыхление
структуры поверхностных слоев, пропитка не только вос-
становила свойства бетона, но и значительно повысила
его прочность.
Таблица 10.1. Влияние пропитки на свойства бетона
№ серии Первоначальная прочность в возрасте 28 сут. МПа Прочность через 200 циклов испы- тания. МПа Прочность после пропитки и полн- ые риза!ля, МПа
1 2 24,6 24,6 21,8 18,4 71,4 67,1
Ремонт поверхностных повреждений осуществляют
различными способами: обработкой специальными со-
ставами на основе неорганических вяжущих (например,
на основе жидкого стекла, серы и ряда других), поли-
меррастворами и полимербетонами, обычными раствора-
ми или бетонами, в том числе с дисперсным армировани-
ем, с последующей пропиткой ремонтного слоя и зоны
сцепления полимеризующимися составами для повыше-
ния монолитности конструкции и долговечности ее по-
верхности.
Для «залечивания» трещин в бетоне разработана
специальная методика, которая включает устройство по-
верхностной оболочки или зачеканку трещин и установ-
ку специальных патрубков, через которые в трещниы
под давлением нагнетают полимерный состав. Чаще все-
го используют композиции на основе эпоксидных смол.
Нами в 1969—1970 гг. совместно с Новочеркасским по-
литехническим институтом проверялась возможность
применения составов на основе смол ЭД-5 и ЭД-6 для
ремонта бетонных и железобетонных конструкций. Эти
испытания показали, что в ряде случаев после ремонта
почти полностью восстанавливается несущая способность
конструкции.
На рнс. 10.8 представлена классификация возможных
случаев ремонта железобетонных и бетонных изделий.
Ремонт и восстановление конструкций производятся
в различных областях строительства: в гидротехнике,
промышленных сооружениях, иа транспорте и во многих
других случаях. Все более широкое распространение по-
лучает ремонт железобетонных сооружений и конструк-
ций за рубежом. Одно нз ведущих мест в этой области
занимает голландская фирма USBD. Ею разработаны и
выпускаются специальное оборудование и составы для
«залечивания» трещин шире 0,15 мм (возможна заделка
и более мелких трещин, но для оценки эффекта в этом
случае требуются специальные опыты). Причем составы
27* 427
Рис. 10.8. Возможные схемы ремонта
г >
бетонных и железобетонных конструкций
а — ремонт бетонного покрытия (/) вновь уложенным бетоном (2); б —то же,
но с пропиткой (3) вновь уложенного слоя и прилегающей поверхности старо-
го бетона для повышения сцепления и долговечности; в — залечивание трещин
в бетоне (/) полимером (2); г — то же. но с пропиткой прилегающих объемов
старого бетона: д — пропитка полимером (2) ослабленной бетоном поверхно-
сти (/); е — пропитка дефектных зон бетона через внутренние шурфы
Рис. 10.9. Схема ремонта бетонных
и железобетонных конструкций
/ — поверхностное герметизирующее
покрытие с отверстиями для пода-
чи пропитывающего состава; 2 —
смесительная головка для подачи
пропитывающего состава; 3 — бе-
тонное изделие
на эпоксидном связующем,
предлагаемые фирмой, мо-
жно впрыскивать как в су-
хие, так и в мокрые бетон-
ные конструкции даже при
наличии противодавления
воды.
Смолу и
смешивают в
отвердитель
сопле специ-
альной смесительной голов-
ки и вспрыскивают в трещи-
ну через специальный саль-
ник, установленный во вре-
менном уплотнении на по-
верхности трещины (рис.
10.9). Могут применяться
составы со скоростью затвер-
девания от 15—25 мин до
суток и прочностью на сжа-
тие 30—113 МПа в зависи-
мости от условий ремонта
и
требований,
предъявляемых
к прочности конструкции.
С помощью этого способа были отремонтированы бе-
тонные основания коксовых печей на металлургическом
заводе в Эймейдене (Голландия), мосты, колонны, ре-
зервуары и другие сооружения во многих странах мира,
428
ГЛАВА 11. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Железобетонополимерные изделия являются разно-
видностью железобетонных изделий, н их рассчитывают
в соответствии с общими принципами расчета. При по-
верхностной обработке, когда создается тонкий защит-
ный слой, имеющий целью только повышение долговеч-
ности или коррозионной стойкости конструкции или
изделия, расчет проводят по существующим нормам и
правилам.
При расчете конструкций и изделий с более глубокой
или полной пропиткой необходимо учитывать повышен-
ную прочность и модуль упругости бетонополимера, его
более высокое спепление с арматурой и ряд других осо-
бенностей поведения железобетонополимерных конструк-
ций.
СЦЕПЛЕНИЕ БЕТОНОПОЛИМЕРА С АРМАТУРОЙ
Для изучения сцепления бетонополимера с армату-
рой было проведено три серин опытов. В опытах одно-
временно испытывали контрольные бетонные образцы и
бетоиополимериые образцы, полученные термокаталити-
ческим и радиационным способами отверждения, для
Таблица 11.1. Сцепление арматуры с бетоном
№ состава Состав бетона Марка бетона Глубина заделки армату- ры, а арматуры Сила сцепления МПа, образцов Упроч- нение ’А МПа
конт- рольных пропи- танных «п>
1 Ц:П- 1:3 при ад «0,45 МЗОО 5 6,6 8,3 4,33 4 4,08 14,3 12,1 10 3,3 3 2,4
II Ц:П:Щ= = 1 :2 : 5,5 при ад=о,8 М200 5 6,6 8,3 2,05 2,74 3 12,1 11,1 9,54 5,9 4 3,1
Ill Ц:П:Ш- = 1 : 1 : 5,3 при ад=0,4 М400 5 6,6 8.3 6,17 5,24 5,7 15,07 11,4 Ю 2,44 2,17 1,75
429
армирования использовали арматуру гладкого профиля,
силы сцепления определяли путем выдергивания сталь-
ных стержней из образцов.
В первой серии испытаний использовали кубы 10Х
XЮХЮ см, в которые на различную глубину заделыва-
ли один стержень диаметром 14 мм (табл. 11.1). После
пропитки бетона мономером сцеплеине арматуры в об-
разцах увеличилось в 2—6 раз.
Сила, необходимая для выдергивания стержня нз об-
разцов, прямо пропорциональна длине заделки, однако
эта зависимость у бетонополнмерных образцов выраже-
на значительно слабее: у образцов состава I с увеличе-
нием площади сцепления от 22,2 до 37 см2 сила сцепле-
ния увеличилась на 57 %, тогда как у бетонополнмерных
образцов — только иа 13 %. Такая же закономерность
наблюдается и у образцов с крупным заполнителем (со-
ставы II и III), для которых указанные величины будут
равны соответственно для состава II — 143 н 32 %, а для
состава III — 57 и 11 %.
На основе полученных результатов можно предполо-
жить, что глубина заделки для стальной арматуры, обес-
Таблица 11.2. Сцепление с бетоном арматуры различного
диаметра
$ /?Сц. МПа Упрочнение
с бетонопо- с бетоно-
0-3 лимером полимером
о тер моката- раднацион-
М» О литическоро ного отвер-
Sr о отверждения кдения
2 10 2 18,3 Н,1 9 5,5
2 15 2,3 12,5 10,5 5,4 4,5
2 20 1,8 10 9,5 5,5 5,2
2 25 2,5 9,5 8,5 3,8 3,4
2 30 2,7 — — —
3 10 3,9 12,4 14,8 3,2 3,8
3 13,3 2,9 10,6 8 3,9 2,7
3 16,6 3 10 8,5 3,3 2,8
3 20 3,8 8,8 8,8 2,3 2,3
3 23,3 2,1 — — —
6 5 4,4 18,3 12,3 4,1 2,7
6 6,6 3,2 13,3 12,2 4,1 4
6 8,3 4,4 3,9 11,9 9,9 2,7 2,2
6 10 9,9 10,6 2,5 2,7
6 11,6 3,6 9,9 9,7 2,5 2,4
430
Рнс 11.1, Зависимость прочности
сцепления арматуры с бетонопо-
лимером
о—влияние прочности обычно-
го (/’, 2’, 3'} я пропитанного
(1, 2, 3) бетона: /-М 200; 2 —
М 300; 3 —М 400; б—влияние
коэффициента упрочнения бето-
на (/ — гладкая арматура, 2 —
арматура периодического про-
филя) и содержания полимера
(соответственно 3 н 4)
печивающей равнопрочиость стальных образцов на раз-
рыв и иа выдергивание арматуры из бетонополимера,
будет меньше, чем у обычного бетона.
Для изучения влияния глубины заделкн на выдерги-
вающее усилие была проведена вторая серия опытов с
использованием проволочной арматуры диаметром 2, 3
и 6 мм, которую заделывали в образцы-балочки 4Х4Х
X16 см из песчаного бетона.
Испытания показали (табл. 11.2), что при армирова-
нии 2-мм проволокой для предотвращения ее выдерги-
вания площадь сцепления должна быть не менее 3,5 см2.
Это соответствует глубине заделки арматуры 30 d, тогда
как с учетом того, что среднее удельное сопротивление
смещению арматуры в бетоне 3 МПа, граничная длина
армирования для обычного бетона составит 80 d.
Прн армировании 8-мм проволочной арматурой воз-
можно уменьшение граничной глубины армирования с
45 до 23 d, а при 6-мм арматуре — с 43 до 11 d.
Результаты испытаний бетонополимериых образцов,
полученных с использованием термокаталитического ме-
тода полимеризации мономера, показали лишь неболь-
шое отклонение в сторону увеличения силы сцепления по
431
сравнению с результатами, полученными при испытании
образцов радиационного способа отверждения.
В третьей серии опытов изучали влияние на силу
сцепления исходной прочности бетона, прочности бетоно-
полимера и расхода мономера. Результаты этих опытов
приведены па рис. 11.1, на котором также показаны дан-
ные, полученные в опытах других исследователей [57,
79]. Анализ рис. 11.1 доказывает, что пропитка бетона
мономером с последующей полимеризацией значительно
повышает сцепление арматуры с бетонополимером, что
позволяет создавать более эффективные железобетоно-
полнмерные конструкции.
Представляет интерес и испытание на прямой отрыв
стали от бетона. Для этого изготовляли «восьмерки», в
шейку которых заделывали стальные пластинки. Для
обычного бетона сцепление ие превышало 0,3 МПа, по-
сле пропитки оно составляло 1,6—17,2 МПа, причем это
значение зависело от площади непосредственного кон-
такта мономера со сталью, качества ее поверхности и
режима обработки. Пропитка является хорошим спосо-
бом надежного крепления различных закладных деталей
и открывает' хорошие перспективы модернизации монта-
жа конструкций.
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ
ЖЕЛЕЗОБЕТОНОПОЛИМЕРНЫХ КОНСТРУКЦИИ
ПРИ НАГРУЖЕНИИ
Особенности свойств и расчета конструкций опреде-
ляются как материалами н строением самой конструк-
ции, так и условиями ее нагружения и работы. Примене-
ние бетонополимеров, обладающих повышенной проч-
ностью, сцеплением с арматурой и рядом других поло-
жительных свойств, позволяет получать эффективные
конструкции и изделия.
Для опенки поведения железобетонополимерных кон-
струкций автором совместно с Г. И. Поповым н О. И. Ко-
четковым была исследована работа изгибаемых элемен-
тов из железобетона и железобетонополнмера при стати-
ческом нагружении, что позволило выявить особенности
их свойств. Балки 8,5X10X100 см изготовляли из бето-
на состава 1:2,5:4,5 при В/Д=0,7 и расходе цемента
432
274 кг/м3. Балки серии I армировали двумя стержнями
диаметром 14 мм из стали класса А-Ш (р=о,85%).
балки серии II — четырьмя стержнями диаметром 12 мм
из стали класса A-V (р=6,45 %)•
После достижения бетоном определенной прочности
часть образцов пропитывали метилметакрилатом с по-
следующим его отверждением в порах и капиллярах бе-
тона. Образцы испытывали статической нагрузкой на
гидравлическом прессе с созданием в средней части про-
лета зоны «чистого нзгнба». Нагружение производили
этапами, доводя образцы до разрушения. В зоне чистого
изгиба измеряли средние деформации крайних волокон
бетона индикаторами часового типа, локальные дефор-
мации крайних волокон бетоиа—теизорезисторами, рас-
крытие трещин — с помощью микроскопа. В середине
пролета индикатором часового типа измеряли прогиб.
Прочность бетона контрольных образцов (серий 1к и
Пк) на сжатие составила 24 МПа. Прочность бетона
пропитанных образцов (серий In и Пп) к моменту обра-
ботки мономером была равна 21,6 МПа, а после обра-
ботки — 90 МПа, коэффициент увеличения прочности на
сжатие бетона после пропитки равен 4,16. Прочность
исходного бетона на растяжение составила 1,94 МПа, а
бетонополимера — 8—10 МПа, модуль упругости равен
соответственно 2,9-104 и 4 -104 МПа.
При испытании балок серии I разрушающий момент
у контрольных балок в среднем был равен 360 кН-см
(у отдельных балок ЛТраяр колеблется от 340 до
380 кН «см), разрушающий момент у железобетонополи-
мерных балок был равен 800 кН-см (у отдельных балок
Мразр изменялся от 680 до 920 кН-см; всего было испы-
тано семь балок).
Таким образом, несущая способность балок с армату-
рой из стали класса А-Ш после пропнткн возросла в
2—2,5 раза. Принято считать, что изменение марки бе-
тона мало влияет на прочность нормальных сечений из-
гибаемых элементов, так как сказывается лишь на зна-
чении плеча внутренней пары сил. В нашем случае балки
серии 1к были переармированнымн (^>0,55), следова-
тельно. напряжения в арматуре в предельном состоянии
элемента были меньше предела текучести. После про-
питки балок серии In напряжения в их арматуре к мо-
менту дробления бетонополимера оказались не равными
пределу текучести, как можно было ожидать, а значи-
433
тельно его превосходили, приближаясь к временному
сопротивлению.
Расчетное значение , подсчитанное по формуле
СНиП, для балок серии 1к было равно 360 кН'см, для
балок серии 1п — 590кН-см.
Опытные и расчетные М’балок серии 1к
близки один к другому. Что же касается железобетоио-
полимерных балок, то их действительная несущая спо-
собность на 14—55 % выше, чем подсчитанная по фор-
мулам СНиП. Такое несоответствие объясняется следу-
ющими причинами:
значительным превышением прочности бетоиополи-
мера иа сжатие при изгибе Rw его призменной прочнос-
ти /?пр=0,7R (обработка опытных данных показала, что
для 5=0,2—0,25 правильнее принимать /?изг= l,5Rm);
большей предельной сжимаемостью бетонополимера в
зоне изгибаемого элемента, которой соответствуют боль-
шие средине деформации арматуры к моменту разруше-
ния сжатой зоны [начало отслоения бетона у верхней
кромки контрольных балок началось при деформациях
₽'=0.0025—0,003, а у пропитанных — при е' =0,0046—
0.0050; средняя (по длине) условная деформация сжатия
крайнего волокна, соответствующая пределу несущей
способности, составила для балок серии 1к гк=0,0033—
0,0037, а для серии In еп=0,0052—0,0077];
высоким сцеплением растянутой арматуры с бетоно-
полимером и большой неравномерностью пластических
деформаций по ее длине (средние деформации армату-
ры к моменту дробления бетона балок серии In находи-
лись в пределах в',.= 0,011—0,0186, в то время как де-
формации в сечении с трещиной были порядка га=
= 0,042—0,068; значения коэффициента неравномернос-
ти деформаций изменялись в пределах =0,173—
0,443).
Действие каждого из перечисленных факторов сво-
дится к увеличению деформации растянутой арматуры в
основном сечении элемента (по сравнению с наблюдае-
мой в обычном железобетоне), а если эта деформация
оказалась за пределами площадки текучести —к увели-
чению напряжения в арматуре и росту прочности сече-
ния за счет изменения не только плеча внутренней пары,
но и усилий в растянутой и сжатой зонах.
Важно отметить, что превышение AfJJ надЛ4^
434
на десятки процентов получено для пропитанных балок,
имеющих относительную высоту сжатой зоны (|=0,2—
0,25), характерную для средиеармированных изгибаемых
элементов.
Выявленное свойство железобетонополимера — на-
дежная работа под нагрузкой при напряжениях в арма-
туре, превосходящих предел текучести, — позволяет эф-
фективно использовать прочностные свойства мягких
арматурных сталей в изгибаемых элементах с малым и
средним процентами армирования. Расчетные сопротив-
ления растянутой арматуры этих элементов могут быть
значительно повышены, что позволит экономить арма-
турную сталь.
Существующие методы расчета железобетонных эле-
ментов неприменимы для оценки прочности средне- и
слабоармированных железобетонополимерных балок с
арматурой из мягкой стали. Некоторые факторы, кото-
рыми пренебрегают при расчетах обычных железобетон-
иых балок и плит, необходимо учитывать прн расчете
элементов из железобетонополимера: не только проч-
ностные, ио и деформативные свойства арматуры н бе-
тонополимера; изменение положения нейтральной осн по
длине элемента, а также силы сцепления между бетоно-
полимером и арматурой в стадии ее пластического де-
формирования.
Разрушающий момент у контрольных балок серии II
(Пк) оказался равным 360 кН-см, разрушающий момент
у железобетонополимерных балок (Пп) в среднем
1520 кН«см (у отдельных балок Мра3р изменялся от 1340
до 1640 кН-см, всего было испытано семь балок). Балки
серии Пк были переармированнымн; характеристика про-
питанных балок сернн Пп —вблизи границы переарми-
рования. Относительная высота их сжатой зоны была в
пределах £=0,6—0,7; предельная сжимаемость пропи-
танного бетона е^=0,0044—0,0049—почти такая же, как
у балок серии In; одиако средняя условная деформация
сжатого крайнего волокна еп-0,0042—0,0055, соответ-
ствующая пределу несущей способности балки, близка
к вследствие быстрого распространения разрушения
по высоте сжатой зоны.
Прочность бетонополимера выше прочности бетона в
3,74 раза (к моменту испытания), а несущая способность
пропитанных балок серии Пп увеличилась в среднем
435
h 4,27 раза. Значит, прочность бетонополимера иа сжа-
тие при изгибе ДиэГ даже в переармированиых балках
значительно превосходит призменную Яяэг=(1,25—
1,3)7?пр (как известно, прочностным, показатель #изг у
обычных высокопрочных цементных бетонов близок к
призменной прочности /?Пр).
Обработка опытных данных показала, что балки се-
рии Пп разрушались при напряжениях арматуры, равных
условному пределу текучести или несколько превышаю-
щих его оо,2 = 1000 МПа. В балках из обычного бетона
высокопрочная арматура без преднапряжения недоис-
пользуется при |>0,3, а при |>0,4 применение высоко-
прочной арматуры признается нецелесообразным.
Результаты испытаний балок серии Пп говорят о воз-
можности эффективного применения высокопрочной ар-
матуры без предварительного напряжения в сильноар-
мированных железобетонополимерных балках, даже если
относительная высота сжатой зоны находится в преде-
лах | = 0,6—0,7 (предельная относительная высота сжа-
той зоны напряженных изгибаемых элементов из обыч-
ного бетона марки /?>М 600 принимается равной |тр=
= 0,41)
В процессе испытания установлены значения момен-
та образования трещин в балках: визуально, по кривым
локальных деформаций бетона растянутой зоны и по
кривым прогибов образцов. Усредненные опытные зна-
чения Мт составили: для образцов серий 1к и In —83,2
и 181,1 кН'См (рост в 2,18 раза); для образцов серий Пк
и Пп—135 и 257 кН-см (рост в 1,9 раза). Расчетные зна-
чения момента трещинообразования в балках серий 1к
и Пк, соответственно равные 75,6 и 120 кН-см, достаточ-
но хорошо согласуются с опытными. При вычислении
моментов трещинообразования в балках серий In и Пп
оказалось, что для соответствия расчета опыту (при
#р=8—10 МПа) необходимо принимать эпюру напряже-
ний в растянутой зоне не прямоугольной, а криволиней-
ной.
Анализ изменения кривизны и прогибов (рис. 11.2)
балок серий 1к н In с ростом нагрузки показывает, что
интеисивиость их увеличения после возникновения тре-
щин в контрольных и пропитанных балках различна.
Жесткость железобетонополимерных элементов значи-
тельно выше, чем жесткость элементов из обычного бе-
тона. Например, при нагрузке, равной 70 % разрушаю-
436
щей, прогибы балок серии in лишь на 10 % выше проги-
бов балок серин 1к, в то время как нагрузка выше в 2,2
раза.
Повышенная жесткость балок из железобетонополи-
мера объясняется более высоким значением модуля уп-
ругости бетонополимера (в результате пропитки он уве-
личился на 38 %), особенностью деформирования бето-
нополимера: на большом диапазоне нагружения он
работает упруго, и лишь при очень высоком уровне на-
пряжений (о«0,85 /?Пр) в нем проявляются пластические
деформации, — а также повышенным сцеплением бето-
нополимера с арматурой.
Проявление пластических свойств бетонополимера в
сжатой зоне и арматуре при достижении напряжениями
в ней предела текучести вызывает интенсивное увеличе-
ние прогибов балок при незначительном увеличении
нагрузки; железобетонополимерные балки обладают
большим запасом пластических деформаций.
Существующий метод расчета деформаций изгибае-
мых железобетонных элементов не позволяет достоверно
описывать характер изменения прогибов жслезобетоно-
полимерных балок под нагрузкой. При достаточно хо-
рошей сходимости с опытом в обычных балках расчет-
ные значения прогибов балок из железобетонополимера
437
на всем диапазоне их нагружения —от возникновения
трещин до наступления текучести арматуры — пример-
но в 1,5 раза выше. Причиной является неучет указан-
ных выше факторов.
На рис. 11.3 приведены данные изменения ширины
раскрытия трещин при испытаниях балок серий In и Пп.
В балках серии In до наступления текучести’ арматуры
раскрытие трещин ие превышало 0,2 мм; с наступлением
текучести оно интенсивно увеличивалось и к началу раз-
рушения балок достигало 0,65—0,7 мм. Раскрытие тре-
щин в балках серии Пп не превысило 0,2 мм вплоть до
их разрушения.
Таким образом, прочность и а сжатие железобетонных
элементов после обработки мономером повышается в
438
3—6 раз. Это открывает возможность создания армиро-
ванных конструкций очень высокой несущей способнос-
ти, которая не может быть достигнута при использовании
обычного железобетона.
Дополнительные резервы прочности обусловлены осо-
бенностями совместной работы бетонополимера и арма-
туры: повышенным зиачеиием отношения Rmr/Rm, боль-
шей предельной сжимаемостью бетонополимера, более
высокими напряжениями сцепления арматуры с бетоно-
полимером, более высокой границей предельного арми-
рования.
Прн рациональном применении бетонополимера мож-
но добиться облегчения конструкций н определенной эко-
номии бетона и арматуры
Жесткость и трещиностойкость железобетонополи-
мерных балок значительно выше, чем железобетонных.
Железобетонополимерные элементы с высокопрочной
арматурой можно в некоторых случаях эффективно при-
менять без предварительного напряжения так как рас-
крытие трещин в ннх остается допустимым, а жесткость
сеченнй сохраняется высокой вплоть до начала текучес-
ти арматуры.
Насыщение железобетонополимериых балок армату-
рой может быть увеличено в несколько раз по сравнению
с железобетонными. Это позволит получить особо высо-
копрочные облегченные железобетонополимерные кон-
струкции.
Американские исследователи также изучали проч-
ность и деформативность железобетонополнмерных ба-
лок [133]. Они испытывали пропитанные метилметакри-
латом железобетонные балки сечением 7,6X12.7 и дли-
ной 137 см, армированные одним стальным стержнем
(d=12,7 мм). Предел текучести арматуры 336 МПа. Ис-
пытано 6 пропитанных н 5 непропитанных балок. Сред-
нее содержание полимера —7 % массы бетона. Балки
нагружали двумя сосредоточенными нагрузками, распо-
ложенными симметрично на 40 и 54 см от опор (расстоя
ине между опорами 121,72 см). Испытание показало,что
после пропитки метилметакрилатом прочность в среднем
увеличивалась только на 24 %. Предельные деформации
верхнего сжатого слоя бетона пропитанных балок со-
ставляли 250-Ю-5, а непропитанных -200-10—5. В этих
опытах пропитанные балки разрушались от текучести
арматуры, прочность сжатой зоны недоиспользовалась.
«39
В связи с этим прочность пропитанных балок увеличи-
валась незначительно, так как она определялась проч-
ностью арматуры, а влияние свойств бетонополимера на
прочность балок проявлялось в малой степени.
Для железобетоиополнмерных балок в связи с повы-
шенной прочностью бетонополимера и лучшим его сцеп-
лением с арматурой оптимальная степень армирования
будет иной, чем в обычных железобетонных балках. Об-
ширные опыты по изучению свойств железобетонополи-
мерных балок были проведены Г. В. Марчукайтисом
[57, 111]. В этих опытах применяли железобетонные бал-
ки сечением 7X10 и длиной 99 см, армированные про-
странственными арматурными каркасами. Рабочая рас-
тянутая арматура класса А-Ш с временным сопротивле-
нием разрыву Овр=605 МПа. Процент армирования—1,8;
2,7; 4. Для исследования влияния технологии изготовле-
ния железобетонного изделия на пропитку и дальнейшую
работу под нагрузками варьировали В/Ц в бетоне от 0.4
до 0,6 и условия твердения: часть образцов твердела в
естественных условиях, а другую подвергали тепловлаж-
ностной обработке при разных скоростях подъема тем-
пературы (табл. 11.3). Расход цемента — 400 кг на 1 м3
бетона, пропитка и полимеризация у-излучением Со-60
(мономер — метилметакрилат).
Таблица 11.3. Показатели пропитанных мономерами
железобетонных балок
4А8
4Б8
GA8
6Б8
5В10
4А12
4Б12
6А12
6Б12
0,40 1
0,40
0,60'
0,60
0,50
0,40
0,40
0,60
0,60
0
20
0
20
60
0
20
0
20
Прочность. МПа ТрСЩИНОСТОЙ- кость, МПа
К =? 4 V
39,6 44,5 1,12 5 18 3,6
36,3 43,9 1,21 4,2 17,1 4,1
32,7 44,8 1,37 3,1 14.6 4,7
28,4 44,7 1,58 2 14 7
48,1 63,9 1,32 2 16 8
61.2 87 1,4 6,5 22,5 3,5
51,2 87 1.74 5 23 4,6
— 86,9 — 22 —
— 88,2 — — 20 —
тр
1.3
2,29
1,94
2,18
2,05
2,63
2,63
Прогибы при
М=0,6 Ме, мм
Р
fn
*тр
0,14
0,68
0,92
0,19
0,59
1,56
1,43
2,
3,
2,
4,
3,48
1,69
1,65
5
3
1
5
Примечание, е — испропитанные балки, п — пропитанные
балки.
440
Данные табл. 11.3 показывают, что пропитка моно-
мерами с последующей полимеризацией значительно
улучшала свойства железобетонных балок. Разрушеине
пропитанных балок начинается в растянутой зоне. Перед
самым появлением трещин в растянутой зоне невоору-
женное ухо улавливает треск. Почти вплоть до самого
разрушения сжатая зона работает упруго. На несущую
способность некоторое влияние оказывает растянутая
зона бетона, так как прочность на растяжение и предель-
ная растяжимость у пропитанного мономерами бетона в
несколько раз больше, чем у обычного.
Все балкн, пропитанные мономерами, разрушались
от пластического течения арматуры с последующим раз-
дроблением сжатой зоны (при d=12 мм), а непропитан-
ные — от дробления сжатой зоны бетона. Обычные бал-
ки имели нормальный н завышенный проценты армиро-
вания, а для пропитанных такой процент оказался
заниженным, в связи с этим их сравнение является при-
близительным. Несущая способность сжатой зоны балок
не использовалась. Прн наибольшем проценте армиро-
вания пропитка полимерами увеличивает несущую спо-
собность балок в 1,74 раза, а при наименьшем —в 1,58
раза. Пропитка полимерами в 8 раз увеличивает трещи-
нестойкость железобетонных балок, значительно умень-
шает раскрытие трещин. В балках, пропитанных моно-
мерами, расстояние между трещинами в 1,5—2,3 раза
меньше. Эти опыты подтвердили, что на раскрытие тре-
щин влияет не только количество арматуры, ее диаметр,
но и прочность бетона, его сцепление с арматурой. При
одинаковой нагрузке (0,6 прочности непропитанных ба-
лок) балки, пропитанные полимерами, в зависимости от
процента армирования, прочности арматуры н бетоиа
имели в 1,65—4,46 раза меньшие прогибы, чем иепропи-
танные (рнс. 11.4). Увеличение жесткости можно объяс-
нить не только большим модулем деформации, но и
влиянием растянутой зоны бетона и большей прочностью
сцепления между арматурой и бетоном.
Большой интерес представляет нсследованне влияния
длительных нагрузок на прочность и деформативиость
пропитанных полимерами железобетонных балок. Про-
веденные опыты с балками, нагруженными длительными
нагрузками, составляющими 0,5, 0,6 и 0.7 кратковремен-
ной разрушающей, показали, что пропитка оказывает су-
щественное влияние на деформацию ползучести сжатой
28—210
441
зоны бетона и прирост
прогибов. Деформации
ползучести как непропи-
танных, так и пропитан-
ных балок зависят от ин-
тенсивности нагружения
(см. рис. 11.4). Однако
оии почти в 2 раза мень-
ше у пропитанных балок
и их рост после 20—30 сут
(в зависимости от нагруз-
ки) почти стабилизирует-
Рис. 11.4. Прогибы железобетонных СЯ, В ТО ВреМЯ КЭК у Не-
(Л и железобетонополимерных (2) ба- прОПИТЗННЫХ баЛОК Да-
же после 50 сут стабили-
зации прироста деформа-
ций ползучести не наблюдается. Такой же характер име-
ет прирост прогибов прн действии длительных нагрузок.
Меньшие деформации ползучести и тем самым меиьший
прирост прогибов пропитанных полимерами балок мож-
но объяснить более плотной структурой пропитанного мо-
номерами бетона и значительно меньшнм числом мнкро-
трещин, чем у непропитаниых балок. Кроме того, запол-
нение микротрещин, пор и капилляров полимерами не
только упрочняет структуру бетона, повышает границы
микроразрушення и мнкротрещннообразования, ио и пре-
пятствует излому отдельных структурных составляющих
цементного камня. Одной из причин ползучести бетона
является механическое отжатие воды из скелета цемент-
ного камня при длительном действии нагрузки. В пропи-
танном мономерами бетоие вода отсутствует. Поры и ка-
пилляры заполнены «невыжнмаемыми» полимерами, что
способствует уменьшению необратимых деформаций,
Испытания железобетонных элементов иа сжатие по-
казали, что пропитка прочными полимерами также су-
щественно увеличивает их несущую способность, глав-
ным образом за счет повышения прочности бетона. Нами
совместно с КТБ Мосоргстройматерйалов и заводом
ЖБИ №7 были испытаны колонны сечением 30X30 см,
высотой 3000 см. Для облегчения колонн за счет учета
повышенной прочности бетонополимера по центральной
оси с помощью бумажной трубы образовывали цилинд-
рическую пустоту диаметром 159 мм. Марка бетона —
М 300. Колонны армировали четырьмя стержнями диа-
442
метром 12 мм из стали класса А-П. Опорные участки
усилены двумя сетками косвенного армирования из ар-
матуры d=5 мм класса В I,
При испытании колоии измеряли деформации стре-
лочными индикаторами и тензодатчиками. Тензодатчики
располагали цепочками по 3—4 прибора, индикаторы
устанавливали на базе 500 мм, крепления для них при-
клеивали к граням колонн эпоксидной смолой. Непропи-
тайные колонны разрушались при нагрузке 1,5 мН. Про-
питанные колонны разрушились при нагрузке 2,75 и
4 мН. Деформации пропитанных колонн были несколько
меньше, чем деформации непропитаиных. Таким обра-
зом, обработка существенно повысила несущую способ-
ность колонн.
Н. Г. Матков [79] исследовал фрагменты бетонных
и железобетонных колонн 20X20X80 см с поверхност-
ной пропиткой на глубину 30—80 мм, т. е, иа глубину,
превышающую толщину защитного слоя. Опытные об-
разцы пропитывали метилметакрилатом при радиацион-
ном и термокаталитическом способах отверждения.
Испытания показали, что прочность железобетонопо-
лимериых образцов увеличивается в 1,5—2,5 раза по
сравнению с прочностью непропитаниых контрольных
образцов, повышаясь с увеличением глубины пропитки.
Предельные деформации пропитанных образцов с сетка-
ми возросли до 350-10“®, а разрушение фрагмента носи-
ло плавный характер единого целого без отслоения за-
щитного слоя. Таким образом, поверхностная пропитка
обеспечила совместную работу защитного слоя бетона с
ядром сечения, ограниченного контурами стержней попе-
речных сеток. Это позволяет вести расчет несущей спо-
собности таких элементов с учетом всей площади сечения
и несколько более высокой прочности бетона пропитан-
ного контура, что повысит несущую способность подоб-
ных элементов по сравнению с обычными железобетон-
ными.
РАСЧЕТНЫЕ И НОРМАТИВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
В последние годы были проведены исследования и
внесен ряд предложений по уточнению расчетов железо-
бетонополнмерных элементов [79]. НИИЖБ обобщил
результаты различных исследований [68] н иа основе ус-
редненных зависимостей предложил как первый шаг вес-
28*
443
ти расчет железобетоиополимерных конструкций как же-
лезобетонных с рядом дополнений.
В основу прогнозирования значений нормативной и
расчетной прочностей бетоиополнмеров положены реко-
мендации СНиП 11-21-75 по коэффициенту безопас-
ности Кг>.с по бетону при сжатии, равному 1,5, и коэффи-
циенту вариации прочности, равному 0,15. Нормативные
значения Кубиковой и призменной прочностей бетонопо-
лимера получены по результатам проведенных опытов и
опытов других исследователей с их соответствующей
статистической обработкой по критерию Стьюдеита при
обеспечеииости 0,99.
Для бетонополнмериых конструкций предусматрива-
ются следующие проектные марки бетонополимера по
прочности на сжатие: МБП 800, МБП 1000. МБП 1200,
МБП 1400. Им соответствуют следующие марки исход-
ного бетоиа:
Марка бето- нополимера МБП 800 МБП 1000 МБП 1200 МБП 1400
Марка исход- ного бетона М 200-М 250 М 250-М 350 М 400-М 450 М 500-М 600
За проектную марку бетонополимера по прочности
на сжатие принимается сопротивление осевому сжатию
/?5п, МПа, эталонного куба из бетонополимера.
Нормативную кубиковую прочность бетонополимера
R"„, по аналогии со СНиП 11-21-75 определяют по
формуле
с=«бп 0
где v — коэффициент вариации кубиковой прочности бетонополиме-
ра, принимаемый равным 0,15 по результатам статистической обра-
ботки соответствующих имеющихся опытных данных.
Нормативную призменную прочность бетонополимера
Япр.бл определяют по формуле
«5p.6„ = O.85RJ„,
где 0,85 — коэффициент приведения нормативной кубиковой проч-
ности бетонополимера к его нормативной призменной прочности.
Расчетное сопротивление бетонополимера на осевое
сжатие (призменную прочность) для предельных состоя-
ний первой и второй групп /?Пр.бп определяют путем деле-
444
иия его нормативной призменной прочности 7?пр.бп на ко-
эффициент безопасности бетонополимера при сжатии
Яе.с=1,5:
^пр.бп^’^'
Значения нормативной призменной прочности бетоио-
полимера /?"яр.вп (с округлением) в завнснмости от про-
ектных марок по прочности на сжатие бетонополимера
приведены в табл. 11.4.
Нормативную прочность бетонополимера на осевое
растяжение определяют по формуле
₽“6„= С - l.64v(i)(0,9Rp.e + 6l),
где Яр. в — сопротивление осевому растяжению бетона, МПа, кото-
рое в соответствии со СНиП П-21-75 определяют по формуле
где Я p g — нормативное сопротивление осевому растяжению бето-
на; ve — коэффициент вариации сопротивления осевому сжатию
бетона.
Расчетное сопротивление бетонополимера осевому
растяжению Яр.бп определяют делением его соответствую*
щей нормативной прочности на осевое растяжение Яр.бп
на коэффициент безопасности при растяжении Кб.Р, рав-
ный 1,5:
Лр.вв=^.«п/'-5.
Таблица 11,4 Расчетные и нормативные характеристики
бетонополимера
Прочность бетонополимера, МПа Прочность на сжатие бетонополимера Яеп, МПа при проектной марке
МБП 800 МБП 100U МБП 1200 МБП 140-
Нормативная призменная ^Пр.бП 51 64 77 90
Расчетная призменная Япр.бп 34 42,5 51 60
Нормативная иа осевое рас- тяжение Яр,бп 5,6 5,8 6,3 6,7
Расчетная на осевое растя- жение Я"бп 3,7 3,8 4,2 4,5
445
Значения расчетных сопротивлений бетонополимера
осевому растяжению Яр.бп в зависимости от проектных
марок по прочности на сжатие бетонополимера приведе-
ны в табл. 11.4.
Расчетное сопротивление бетонополимера иа вынос-
ливость определяют по формуле
Ябп = Япр.бп тбп2,
где 7?пр, бп — расчетное сопротивление бетонополимера на осевое
сжатие; л?5П1—коэффициент условий работы бетонополимера при
многократно повторяющейся нагрузке,
Значения коэффициента принимают в зависи-
мости от коэффициента асимметрии цикла р:
р 0 0.. 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0.372 0.415 0,459 0,502 0.545 0.587 0.630 0,673 0,716 0,759
Начальный модуль упругости бетонополимера при
сжатии £бп определяется в зависимости от проектных
марок бетонополимера по прочности на сжатие.
Проектная марка по проч- ности на сжатие бетонопо- лимера Яви, МПа МБП 800 МБП 1000 МБП 1200 МБП 1400
Начальный модуль упруго- сти бетонополимера при сжатии ЕбпХЮ”3, МПа 38 42 44 46
Коэффициент Пуассона бетонополимера независимо
от его проектной марки иа сжатие принимается равным
0,24. Предельная сжимаемость бетонополимера на сжа-
тие Ебп принимается равной 0,003, а предельная растя-
жимость £р.бп— порядка 0,0002 независимо от проектной
марки по прочности на сжатие.
Предельную марку ползучести бетонополимера Сбп»
МПа, при эксплуатационных значениях напряжений
сжатия 0бл«О,5Я"р бп в зависимости от марки ползучес-
ти исходного бетона можно определить по формуле
Сбп = Сб Кс>
где Сб —мера ползучести бетона-матрицы за 100 сут наблюдения
при эксплуатационных значениях напряжений сжатия Об«0,5 «
446
Кс — эмпирический коэффициент приведения меры ползучести бето-
на-матрицы к мере ползучести бетонополимера (на основании опыт-
ных данных, равный 0,08).
При частичной пропитке элемента бетоиа-матрицы
последний следует рассматривать как композитную кон-
струкцию, состоящую из зоны полной пропитки и непро-
питаниой зоны (ядра).
Конечно, приведенные предложения являются ориен-
тировочными, онн будут уточняться и развиваться. По-
скольку в них рассмотрены только тяжелые бетон о поли-
меры, получаемые по определенной технологии, измене-
ние процесса обработки илн структуры и свойств
исходного бетона может существенно изменить свойства
бетонополимера, что необходимо учитывать при проекти-
ровании конструкций.
ГЛАВА 12. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ
БЕТОНОПОЛИМЕРОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
ПРИМЕНЕНИЯ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
Особенности структуры н свойств бетонополимеров
определяют их рациональные области применения.
В первую очередь это получение новых материалов с
ранее неизвестной совокупностью свойств. Такие мате-
риалы обладают высокой долговечностью в ряде агрес-
сивных сред и другими положительными качествами.
В этом случае технико-экономнческая эффективность
их применения обусловливается получением новых ви-
дов конструкций и новой областью применения материа-
лов, способствующей техническому прогрессу в строи-
тельстве.
Другим важным направлением является повышение
качества и долговечности традиционных материалов.
В этом случае значительный технико-экономический
эффект может быть обусловлен увеличением сроков
службы изделий н конструкций, резким снижением рас-
ходов на их ремонт и восстановление.
Важным направлением использования новых мате-
риалов является замена бетоиополимерами традициои-
117
иых дорогих и дефицитных материалов, например при-
родных камней, металлов и др. Кроме того, в ряде
случаев технико-экономический эффект может быть
обусловлен улучшением технологии получения изделий,
например, скульптурных и ряда других.
Весьма существенно иа технико-экономический эф-
фект влияет степень пропитки или характер обработки
бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
(Применение поверхностной пропитки значительно снижа-
ет стоимость обработки конструкций и вместе с тем по-
вышает их долговечность, улучшает ряд других
свойств, и поэтому такие конструкции могут оказаться
весьма эффективными, применение полной пропитки
целесообразно в основном для тонкостенных высоко-
прочных конструкций, конструкций с эффективным про-
филем, а также для специальных видов изделий. Прн
полной пропитке на технико-экономические показатели
конструкций будут влиять возможности их совершенст-
вования и применение новых конструктивных форм и
решений, так как полная пропитка без изменения раз-
меров и форм конструкций не всегда оказывается
достаточно эффективной: эффект от повышеиня проч-
ностных и некоторых других показателей конструкции
не показывает заметного повышения ее стоимости.
В этом отношении значительные возможности от-
крываются при применении зонной пропитки, например
пропитки наиболее нагруженных зон, получении комп-
лексных конструкций, в которых разные объемы мате-
риала имеют различные свойства и вместе с тем проч-
но связаны между собой. На рис. 12.1 приведены три
возможных решения: слева показана балка, работаю-
щая на изгиб, в которой пропитаны только наиболее
напряженные зоны; в центре — колонна, пропитанная
по контуру, что обусловливает работу ядра как бы в
обойме и повышает несущую способность колонны,
справа — многопустотная плита с зонной пропиткой, по-
вышающей ее несущую способность. ^Зонная пропитка
значительно снижает расход полимера и удешевляет
бетонополимерную конструкцию. Кроме того, такие из-
делия должны иметь очень небольшие защитные слои
(2—3 мм вместо 2—3 см), что будет также способство-
вать снижению массы конструкции и экономии бетона.
Выше уже говорилось о возможностях повышения не-
сущей способности бетонополнмериых конструкций, за
448
a)
Рис. 12.1. Возможные решения поверх-
ностной и зонной пропитки (пропитан-
ные зоны заштрихованы)
а — пропитка растянутой и сжатой зон
в изгибаемых элементах; б — пропитка
защитного слоя и контура колонн; в —
пропитка отдельных зон плиты пере-
крытия с целью повышения ее несу-
щей способности
е)
счет более высокого со-
держания высокопрочной
арматуры. Все это откры-
вает широкие возможно-
сти совершенствования
строительных конструк-
ций и объемно-планиро-
вочных решений при при-
менении обработки бето-
на полимерами.
Стабилизация свойств
бетона путем пропитки
его мономером с последу-
ющей полимеризацией от-
крывает новые возможно-
сти совершенствования
технологии обычного бе-
тона, применения добавок в других количествах и с
другим эффектом, чем это допустимо для обычного бе-
тона, а также использование в бетоне материалов,
обычно нестойких в щелочной среде, например стеклян-
ных волокон и ряда других материалов. В этом случае
эффект может быть получен за счет упрощения техноло-
гии бетона и повышения ее эффективности, а также за
счет использования в нем ранее не применявшихся мате-
риалов, способствующих значительному повышению каче-
ства бетона и бетоиополимеров.
Приведенный перечень не исчерпывает возможных
путей рационального применения бетонополнмеров ч
449
факторов, обусловливающих получение соответствую-
щего технико-экономического эффекта. Новые компози-
ционные материалы —бетонополимеры имеют еще ма-
лый опыт развития и применения, и нет сомнения, что с
повышением технической оснащенности их производства*
с развитием новых конструктивных форм и способов
проектирования могут быть найдены и другие весьма
эффективные в технико-экономическом отношении об-
ласти применения бетоиополимеров и бетонных и желе-
зобетонных конструкций с поверхностной и зонной об-
работкой полимерами илн другими пропиточными соста-
вами.
Проведение специальной обработки конструкций и
использование для пропитки дорогостоящих мономеров
удорожают материал. Наиболее эффективные с точки
зрения прочностных и других свойств мономеры — ме-
тилметакрилат и стирол стоят соответственно около 800
й 380 руб/т. Как показывают расчеты, при пропитке
всего объема обычного тяжелого бетона в зависимости
от его состава, количества поглощенного мономера, вида
изделия и его стоимости окончательная стоимость изде-
лий может возрасти в 2—4 раза, а иногда и больше. Как
правило, значительная доля удорожания приходится на
стоимость мономера, однако при этом необходимо учи-
тывать и затраты на организацию специальной обра-
ботки и иа развитие химической промышленно-
сти.
При поверхностной пропитке целесообразно относить
затраты не ко всему объему конструкций, а к удорожа-
нию обработки определенной поверхности, и, как прави-
ло, подобное удорожание обычно составляет всего не-
сколько рублей иа 1 м2 изделия и дает большой технико-
экономический эффект за счет повышения долговечности
и улучшения ряда других свойств конструкций или из-
делий.
Весьма перспективным является применение пропит-
ки, главным образом поверхностной, для изделий, в про-
изводстве которых используются отходы или вторичные
продукты промышленности. В этом случае возможно вы-
сокое насыщение нмн бетона, использование более ши-
рокой гаммы отходов, упрощение технологии изготовле-
ния бетонных и железобетонных конструкций и изделий.
В результате может быть получен определенный техни-
ко-экономический эффект, одиако более важным пред-
450
ставляется социальное значение подобного производства,
способствующего охране окружающей среды.
Интересно рассмотреть, как влияет содержание по-
лимера на прочностные свойства н иа увеличение стои-
мости бетонополимеров (рис. 12.2). Сравнение зависимо-
стей увеличения прочности с повышением степени насы-
щения бетона полимером для обычного тяжелого бетона
и повышения стоимости бетонополимера за счет увели-
чения расходов на полимер (расходы иа производство и
обработку при разном содержании полимера можно счи-
тать приблизительно одинаковыми) показывает, что
прочностные свойства материала возрастают с увеличе-
нием расхода мономера в не меньшей степени, чем повы-
шение его стоимости. Это указывает на то, что, если
имеется возможность соответствующего снижения мате-
риалоемкости конструкций за счет повышения ее проч-
ности, применение бетонополимера может быть технико-
экономически оправданно даже из условий сравнения
прочностных показателей конструкций. Прн этом следу-
ет отметить, что более тонкие и более легкие конструк-
ции из бетонополимера могут оказаться более эффектив-
ными при монтаже и возведении. Однако в большинстве
случаев сложно снизить в необходимой степени материа-
лоемкость конструкций, и, кроме того, иногда ие
прочность бетонополимера, а ряд других факторов опре-
деляет несущую способность конструкций, например ра-
ботающих на изгиб, и в этом случае получение техннко-
экоиомического эффекта только за счет повышения
прочности материала в результате пропитки может ока-
заться недостаточным для организации соответствующе-
го производства.
Поэтому наиболее целесообразным является либо ис-
пользование в расчетах повышенной долговечности ма-
териала, либо получение новых материалов и свойств,
которые невозможно достигнуть другим путем. Рассмот-
рим один из возможных конкретных примеров на основе
проведенного НИИЖБ и ВНИИ Водгео технико-эконо-
мического обоснования возможности использования бе-
тоиополимеров для изготовления труб. В этом случае
применение пропитки бетонных труб позволяет переве-
сти обычные бетонные безнапорные трубы в разряд труб
напорных. Поскольку отпускная цена по действующему
прейскуранту напорных труб значительно выше, чем
труб безнапорных, то оказывается, что стоимость вводи-
431
Таблица 121. Сравнение стоимости различных труб
Диаметр труб, мм Отпускная цена 1 м труб, руб.*
бетонополнмерных стальных (ГОСТ 8732—78) чугунных класса А (ГОСТ 55-25—61**, ГОСТ 9583—75) железо- бетонных асбесто- цементных
на метил метакри- лате на стироле
200 3,46 2,48 13,38 7,95 . 2,45
300 9,9 7,15 22,8 13,4 4,45
400 16,38 11,8 26,79 20,21 7,56
500 25,6 18,5 34,5 28,1 28,8 11,62
600 35,1 25,3 48,36 37,11 31,3 —
700 45,43 35,5 82,24 46,8 40,5
800 60,5 43,6 97,5 56,5 46,7
900 76,5 54,8 118,5 67,8 55,6 —
1000 91 65,6 128,7 81,4 60,3 —
* Отпускная цена стальных труб приведена с учетом коэффициен-
тов увеличения стоимости, введенных 23 января 1975 г. Госстроем
СССР для расчетов сравнительной экономической стоимости, исхо-
дя нз цен импортных стальных труб, металлических конструкций
и других металлических изделий.
лого в бетон мономера и удорожания в результате спе-
циальной обработки окупается. В табл. 12.1 приведены
результаты расчета эффективности перевода безнапор-
ных труб в напорные при различной стоимости мономе-
ра, выполненные во ВНИИ Водгео. При малых диамет-
рах труб пропитка оказывается эффективной даже при
высокой стоимости мономера, и, наоборот, при больших
диаметрах пропитка бетонных труб неэкономична даже
при сравнительно дешевом мономере. Бетонополимерные
трубы могут оказаться эффективнее металлических труб
при небольшом диаметре трубы. Однако в этих условиях
не учитывается высокая коррозионная стойкость бетоно-
полимериых труб, которая значительно повышает нх
эффективность при службе в специальных условиях.
Испытания обычных бетонных труб, пропитанных мо-
номером, показали значительные возможности совершен-
ствования качества труб путем нх обработки. При этом
возможно повышение как классности труб, так и стойко-
сти их в специальных условиях, что делает применение
таких труб технико-экономически оправданным.
Одиако для труб больших диаметров только пропит-
кой затруднительно решить проблему получения высо-
452
кой напорности. Как правило, иаилучшне результаты
могут быть получены при сочетании предварительного
напряжения с последующей пропиткой.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ
ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕТОНОПОЛИМЕРОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Обработка бетонных и железобетонных конструкций
путем пропитки их мономером или другими пропитыва-
ющими жидкостями имеет целью значительное улучше-
ние свойств и долговечности этих конструкций. Так как
большинство технологических приемов по пропитке бе-
тонных или железобетонных конструкций появилось не-
давно и разработка технологии бетонополимеров нача-
лась немногим более десяти лет назад, в эти годы глав-
ное внимание уделялось определению наиболее эффек-
тивных областей использования этого вида обработки
нли применения новых видов изделий из бетонополи-
мера.
Поскольку опыты показали, что пропитка весьма эф-
фективна для повышения непроницаемости и долговеч-
ности материала, то именно в этом направлении велись
широкие исследования. Изучалась также возможность
получения высокопрочных конструкций или специальных
изделий и деталей. При определении перспектив разви-
тия бетонополнмерных конструкций и применения про-
питки целесообразно рассмотреть результаты опытных
проработок по изготовлению тех нли иных видов кон-
струкций.
В Советском Союзе получен определенный опыт по
изготовлению широкой номенклатуры изделий из бето-
нополимеров и по применению пропитки бетонных и же-
лезобетонных конструкций разными составами для повы-
шения их долговечности при их ремонте и в ряде других
случаев. Большое внимание было уделено разработке
технологии и возможности применения бетонополимеров
в производстве труб. При этом было пЬказаио, что обыч-
ные бетонные трубы, изготовляемые методом радиацион-
ного или послойного формования, в результате пропитки
могут получить высокую водонепроницаемость и могут
быть отнесены к напорным трубам. Во ВНИИ Водгео
были испытаны бетонополнмерные трубы, полученные
453
путем пропитки бетонных труб, изготовленных методом
осевого прессования, метилметакрилатом с радиацион-
ной или термокаталитической полимеризацией его. Как
показали опыты, материал труб отличается высокой
прочностью, благодаря чему выдерживает давление до
2 МПа. В бетонополимерных трубах можно значительно
уменьшить толщину стеикн и приблизить параметры бе-
тонополимериой трубы к параметрам асбестоцементной.
Однако прн этом сохраняется высокая стойкость трубы
в коррозионных условиях.
При расчетах необходимой толщины стенки трубы в
зависимости от условий ее эксплуатации предполага-
/ 23456789
12 3 4 5 8 7 8 9^ин,кг/СМ
Рис. 12.3. Зависимость толщины стенки бетонополимерной трубы от внутрен-
него диаметра прн нормативной прочности бетонополимера на растяжение 20.
16, 12 н 8 МПа (соответственно кривые /, 2, 4, 3) для безнапорных труб (s)
и для труб с рабочим давлением 0,5; 1; 2 МПа (б, 8, е); S— линейная плот-
ность при нормативной прочности бетонополимера 16 МПа
454
лось, что основание под трубы является естественным,
спрофилированным, глубина заложения трубы 3 м, рабо-
чее. давление в трубах до 2 МПа, внутренний диаметр
трубы 15—120 см, нормативная прочность материала на
растяжение при изгибе 8—20 МПа, что соответствует
показателям бетонополимера. Результаты расчетов
(рис. 12.3) позволяют сделать вывод, что бетоиополимер-
ные трубы с широким диапазоном диаметров и давлений
являются эффективными тонкостенными конструкциями,
так как могут иметь отношение толщины стенки к диа-
метру 1 : 10. Была разработана установка для формова-
ния труб с гибкой металлической и неметаллической ар-
матурой. Такое армирование позволяет повысить несу-
щую способность бетонополимсрных труб.
Можно проводить пропитку бетонных труб или фи-
тингов, изготовленных методом вибрирования или полу-
ченных литьем из бетонных смесей с суперпластифика-
тором. При этом будут значительно повышены непрони-
цаемость труб и нх сопротивление коррозии. Однако спо-
собность трубы выдерживать определенное внутреннее
давление будет определяться ее прочностью на растяже-
ние, которая зависит как от свойств исходного бетона,
так и от способа н эффективности пропитки; поэтому
для получения лучших результатов необходимо стре-
миться к получению однородного и достаточно прочного
бетона и его хорошей пропитке. В этом отношении наи-
лучшие результаты достигаются при использовании мел-
козернистых бетонов, особенно на дробленых известня-
ковых песках, а также применении мероприятий, повы-
шающих внутреннее сцепление материала.
Пропитка обычных железобетонных труб (иа опыт-
ной установке ЗЖБИ № 7 Москвы) с уменьшенной тол-
щиной стенки метилметакрилатом с последующей термо-
каталитической полимеризацией показала, что непрони-
цаемость трубы в результате пропитки возрастает в 2—
3 раза, однако ее сопротивление внутреннему давлению
определяется общей прочностью трубы прн растяжении
и в большей мере — характером ее армирования.
Опыты по пропитке внброгидропрессоваиных железо-
бетонных труб как метилметакрилатом, так и другими
пропиточными средами, в частности жидким стеклом,
показали, что при использовании метилметакрилата зна-
чительно повышается нат^рность труб, что позволяет
перевести их в более высокий класс.
455
Однако сложность и дороговизна обработки в этом
случае ие компенсировались повышением цены. Приме-
нение подобной обработки, очевидно, будет целесообраз-
но в том случае, если одновременно будут выполняться
и другие условия, в частности учитываться условия дол-
говечности службы трубы в определенных агрессивных
средах нли тяжелых условиях эксплуатации.
Пропитка жидким стеклом является сравнительно
простой операцией, и ее применение позволяет несколько
повысить непроницаемость труб, однако действие этого
приема непродолжительно.
ВНИИ Водгео изготовил опытную партию бетоиопо-
лимерных труб, которая эксплуатируется с 1976 г. в ус-
ловиях сульфатной агрессин и до настоящего времени
находится в хорошем состоянии. Бетонополнмерные тру-
бы, приготовленные методом осевого послойною формо-
вания, использовались также для телефонных коллекто-
ров, укладываемых в условиях сульфатной агрессии в
почве, и для некоторых других специальных целей.
Опытные участки, эксплуатирующиеся в течение не-
скольких лет, показали, что трубы сохраняют свое ка
чество, и признаков разрушения не обнаружено.
Были также проведены работы по изготовлению и
применению некоторых гидротехнических изделий, на-
пример бетоиополимерных плит для защиты водосбросов
плотины от эрозии. Вследствие значительного повыше-
ния сопротивления бетонополимера к кавитации н изно-
су эти материалы оказались эффективными для этих це-
лей и заменили дорогостоящие н дефицитные чугунные
плиты.
Проводились исследования по изготовлению и приме-
нению специальных бетоиополимерных конструкций в
опреснительных установках и в установках, предназна-
ченных для использования солнечной энергии. Здесь так-
же эти материалы обеспечивали высокую надежность в
суровых условиях эксплуатации.
На заводе ЖБИ № 7 (рис. 12.4) были изготовлены
бетонополнмерные дорожные плнты, колонны, ригели и
ряд других изделий. Помимо повышения прочности ма-
териала было отмечено повышение их долговечности, в
частности в дорожных изделиях. На опытной установке
этого завода были также изготовлены бордюрные камни,
в том числе облегченного профиля, и проведена пропит-
ка свай с внутренними полостями, способствовавшая
456
снижению материалоемкости изделий, Испытание этих
опытных изделий подтвердило их эффективность.
В НИИЖБе исследовали возможность пропитки за-
щитного слоя бетонополимерных колонн с косвенным
армированием, Подобная пропитка обеспечивала хоро-
шую работу под нагрузкой ядра колонны н защитного
слоя и способствовала повышению несущей способности
колонн в 1,5—1,7 раза. В Белоруссии были изготовлены
опытные бетонополнмерные конструкции для зданий ка-
лийных комбинатов. Конструкции эксплуатируются в те-
чение ряда лет и не имеют признаков разрушения, что
показывает перспективность применения подобного ре
шенля прн возведении ряда производственных зданий и
сооружений.
Представляет интерес получение долговечных деко-
ративных материалов из декоративного бетона с после-
Рис. 12.4. Опытная партия различных бетонополимерных изделий
29—210
457
дующей его пропиткой полимерами. В КТБ Мосорг-
строй мате риалов были изготовлены ступени с пропиткой
серой, установленные в одном из переходов на улицах
Москвы. Здесь же иа опытной установке были изготов-
лены тротуарные декоративные плиты, использованные
иа опытном участке одного из заводов. В Минске были
испытаны двухслойные декоративные тротуарные плиты,
обладающие высокой долговечностью н заменяющие
естественные каменные породы, например гранит. Эти
плиты были использованы при изготовлении малых ар-
хитектурных форм. Опытная партия двухслойных деко-
ративных плнт была выпущена также на Подольском
заводе железобетонных изделий. В этом случае осущест-
влялась пропитка метилметакрилатом в специальной
установке.
Специальное направление образуют различные элек-
тротехнические и нагревательные детали и изделия, из-
готовляемые из бетонополимеров. В этом направлении
можно отметить изготовление опытных партий электри-
ческих траверс, сопротивлений, нагревательных элемен-
тов и других изделий. Сочетание долговечности со ста-
билизацией структуры материала и его электротехниче-
ских свойств открывает широкие перспективы примене-
ния бетонополимеров в этой области.
Важным направлением в пропитке бетонных и желе-
зобетонных изделий и конструкций являются их ремонт
и применение склеивания для получения особых видов
изделий.
Были изготовлены опытные конструкции транспорт-
ных изделий, например тюбингов для метрополитена,
скульптурных произведений и ряда специальных кон-
струкций. Приведенное перечисление некоторых видов
опытных изделий позволяет определить и области при-
менения бетонополимеров. В этом отношении представ-
ляет интерес также зарубежная практика изготовления
бетонополнмерных изделий или применения пропитки
бетонных и железобетонных конструкций полимерами.
В США были проведены исследования возможностей
применения бетонополимеров для самых различных кон-
струкций и изготовлены опытные партии изделий: дре-
нажные канализационные и водопропускные трубы,
предварнтельио-иапряженные панели для настилов мо-
стов. Есть опыт пропитки поверхности настилов мостов
иа месте, применения бетонополнмерных тюбингов для
458
тоннелей, использования бетонополимеров в обычных и
легких панелях, в сферическом корпусе для морских
сооружений, для бетонных судов, цилиндрических свай,
для железнодорожных свай, буровых платформ в откры-
том море, в электротехнических конструкциях и ряде
других случаев.
По литературным данным известно, что в Японии
имеются три завода, производящих бетонополимериые
изделия, в том числе балки из предиапряженного бетона,
пропитанные полимером, строительные панели, архитек-
турные панели, водопропускные и канализационные тру-
бы, потолочные панели лучистого отопления, высоко-
прочные сваи, статуэтки и некоторые другие изделия.
Японские исследователи считают, что область буду-
щего широкого применения бетонополнмерных изде-
лий— это морские сооружения. Проводится большая
работа по усовершенствованию техники пропитки по-
верхности. Имеются сведения об использовании пропит-
ки поверхностей основаняй для иасосов на заводе по
производству серной кислоты. Для этой цели ранее ис-
пользовались чугун и нержавеющая сталь, но обычно
этн основания выходили из строя менее чем за год. Уста-
новленные бетонополимериые основания для насосов
оказались в хорошем состоянии и после двухлетней экс-
плуатации. На этом же заводе бетонополимериые пане-
ли использовались для покрытий и защиты металличес-
кой трубки проводов электропроводки высокого напря-
жения. Это позволяло избежать возможной потери
электроэнергии и появления магнитного поля вокруг
проводов.
Бетонополимериые панели использовались как плиты
покрытий над газопроводом, по которому транспортиро-
вались газы, вызывающие сильную коррозию материала.
По. японским источникам, бетонополнмерные панели де-
шевле, чем панели из нержавеющей стали, для данного
случая применения.
Разработаны оконные рамы для подводного рестора-
на. Кроме высокой прочности, водонепроницаемости и
антикоррозионных свойств бетонополимерная рама удоб-
на еще и тем, что легко подгоняется в проемы армиро-
ванной конструкции. Были испытаны асбестоцементные
изделия, пропитанные полимером, в том числе с исполь-
зованием токарной обработки, для их соединения или
применения винтовой сборки. Пропитка полимером деко-
29*
459
ративных асбестоцементных плнт увеличила их блеск и
повысила эксплуатационные качества этого материала,
предназначенного для наружной отделки. В Японии про-
водятся эксперименты по применению бетонополимера
для подогреваемых панелей шоссейных дорог. Эти пане-
ли используются для растапливания снега на до-
рогах.
Большие исследования по бетонополимерным изде-
лиям и конструкциям проводила Итальянская ассоциа-
ция по цементу, Она получила материал с прочностью
до 276 МПа, качество поверхности которого путем ма-
шинной обработки может быть сопоставимо с допусками
на металлические изделия. Этот высокопрочный с высо-
ким сопротивлением удару бетоиополимер обладает от-
носительно невысоким модулем упругости (около
20 000 МПа). Были проведены работы по пропитке плит
размером 7,6X7,6 м и толщиной 5 см для использования
их при строительстве судов. Проводились также работы
по изучению возможности применения бетонополнмер-
ных материалов для канализационных труб, асбестоце-
ментных труб, нефтепроводов, силосов для хранения
зерна и для отделки зданий.
Одна из фирм в ЮАР построила опытную установку
по производству бетонополнмериых изделий санитарно-
техиического назначения. С помощью особой обработки
поверхность этих изделий получалась очень гладкой,
имитирующей фарфор. Предполагается изготавливать из
таких бетоиополимеров умывальники, раковины и ванны.
В Осло иа одной из улиц установлено 200 м бор-
дюрного камня из бетона с поверхностной пропиткой по-
лимером. Этот опытный участок показал высокие экс-
плуатационные качества.
Разработка изделий и конструкций из бетонополиме-
ра и выпуск опытных партий проводятся и в других
странах. Число разработок н различных предложений
в мировой практике увеличивается с каждым годом. На-
копленный опыт по изготовлению опытных конструкций
в СССР и за рубежом позволяет определить основные
направления использования нового материала — бетоно-
полимера н последующей обработки бетонных и железо-
бетонных конструкций путем пропитки их мономером
с последующим его отверждением в теле бетона,
Пропитка бетонных и железобетонных конструкций
или производство бетонополнмериых изделий открывает
460
широкие возможности совершенствования конструкций
н технологии в различных областях стронтельстна.
В гражданском строительстве — это декоративные
изделия повышенной долговечности, балконные плиты,
детали лестниц, нагревательные панели и полы, полы в
сантехнических кабинах, кровельные плиты, подокон-
ные доски, закладные детали, зонная пропитка стыков,
сван для особых условий работы и другие изделия.
В промышленном строительстве — это прежде всего
конструкции, работающие в тяжелых условиях эксплуа-
тации, полы, фундаменты под агрегаты, станины тяже-
лых машин, изоляционные изделия, трубы для промыш-
ленных стоков, элементы отстойников для ряда жидко-
стей, детали градирен и опреснителей, кровли н прочие
изделия.
В дорожном строительстве — это элементы мостов и
дорожных покрытий в первую очередь с поверхностной
пропиткой для повышения нх стойкости в суровых усло-
виях эксплуатации, бордюрный камень, тротуарные пли-
ты, трубы, элементы тоннелей, а также ремонт дорож-
ных покрытий н мостов.
В энергетическом строительстве — это детали рези-
сторов, заземлителей, электрические траверсы, электро-
нагревательные элементы, детали преобразователей сол-
нечной энергии и др.
В гидротехническом строительстве — это износостой-
кие плиты водосбросов, трубы, плиты покрытий каналов,
детали мелиоративных сооружений, различные конструк-
ции сооружений, возводимых на морском шельфе.
Дальнейшее совершенствование технологии бетонопо-
лимеров и развитие техники откроют новые эффективные
области применения бетоиополимерных конструкций и
изделий н последующей обработки железобетонных кон-
струкций полимерами и другими материалами с целью
значительного повышения их качества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1, Абуталиев Ф. Б. Решение задач неустановившейся фильтра-
ции. Численные аналитические методы. — Ташкент, 1972.
2. Александровский С. В. Расчет бетонных и железобетонных
конструкций на температурные и влажностные воздействии (с учетом
ползучести).—М., 1976.
3. Алферов В. Напорная фильтрация в неоднородных по про-
ницаемости пористых средах. — Томск, 1971.
М Аитоновский В- Л. Органические перекисные инициаторы. —
5. Аскадский А. А. Деформации полимеров.— М.., 1973.
6. Ахвердов И. Н., Смольский А. Б., Скочеляс В. В. Моделиро-
вание напряженного состояния бетона и железобетона. — Минск,
19б6? БагдаСарян С’ ТеоРия радикальной полимеризации. М.,
8. Баренблатт Г. И., Енотов В. М., Рыжик В. М. Теория неста-
ционарной фильтрации жидкости и газа. — М., 1972.
1970^ Баженов Ю. М. Бетон при динамическом нагружении. — М.,
10. Баженов Ю. М., Милков С. Б. Силикатный бетонополимер. —
Сб. статей/МИСИ.—М., 1977. Новые строительные материалы. А
И. Баженов Ю. М. Модифицирование бетонов полимерами.— ®
Сб. статей/ЦНИИЭП жилища. — М, 1972. Технология домострое-
ния.
12. Баженов Ю. М. Повышение коррозионной стойкости бетона
пропиткой полимерами. — Промышленное строительство, 1978, № 8.
13. Баженов Ю. М. Совершенствование технологии и свойств
бетона. — Бетон и железобетон, 1977, № 9.
14. Баженов Ю. М., Косенко В. С. Новый строительный мате-
риал—бетонополимер.—Транспортное строительство, 1974, Ns 7.
15. Баженов Ю. М., Махмудов Ш. М. Применение полимербето-
нов и бетонополимеров в строительстве. — Строительство и архи-
тектура Узбекистана, 1974, № 4.
16. Баженов Ю. М., Косенко В. С., Кудояров Л. И. Бетонопо-
лимер— новый эффективный материал для сооружений энергети-
ческого строительства. — Энергетическое строительство, 1973, № 3.
17. Баженов Ю. М. Перспектива применения бетонополимеров в
строительстве. — В кн.: Повышение долговечности промышленных
зданий н сооружений за счет применения полимеров. — М., 1978.
18. Баженов Ю. М. Полимеры в бетоне. — Сб. тезисов/НТО
Стройиндустрии. — М., 1976. Перспективы применения бетонополи-
меров и полимербетонов в строительстве.
19 Баженов Ю. М., Скобленок Г, А. Электрические свойства це-
не нтно-полимерного бетона. — В кон.: Применение полимерных смол
в железобетонных конструкциях. — Вильнюс, 1971.
20. Баженов Ю. М. Технология бетона.—М., 1978.
21. Баженов Ю. М., Угинчус Д. А., Улитина Г. А. Бетонополи-
мерные материалы и изделия.—Киев, 1978.
462
22. Берг О. Я., Щербаков Е. Н., Писанко Г. Н. Высокопрочный
бетой. — М., 1971.
23. Бетон, обработанный мономерами/Г. С. Рояк, И. В. Гра-
новская, Б. А. Борисов, Ф. 3. Райчук. — Транспортное строительст-
во, 1975, № 5.
24. Бунауэр С. Адсорбция газов и паров. — М., 1948.
25. Ващук В. Я. Долюк В. П. Влияние пористости на прочность
бетонополимеров. — Сб. тезисов/НТО стройиндустрии. — М., 1976.
Перспектива применения бетонополимеров и полимербетонов в стро-
ительстве.
26. Гейлорд Н., Марк Г. Линейные и стереорегулярные полиме-
ры.—М., 1962.
27. Гольфман Г. Н., Кокорев С. И., Оратовская А. А. Защита
свай от коррозии методом пропитки. — В кн.: Строительство пред-
приятий нефтяной и газовой промышленности.—М„ 1966. ,
28. Госстрой Литовской ССР. Инструкция по изготовлению бе-
тонов, пропитанных полимерами, и определению их прочности н де-
формативных характеристик (РСН 75-79). —Вильнюс, 1979
29. Гуль В, Е., Кулезнов В. Н. Структура и механические свой-
ства полимеров. — М., 1972.
30. Давлесов С. С. Использование полимеров для улучшения
свойств бетона и железобетона. — М., 1963.
31. Де Бур Я. Динамический характер адсорбции. — М., 1962.
32. Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых
тел. — М., 1973.
33. Десов А. Е. Некоторые, вопросы структуры, прочности и де-
формации бетонов. — М., 1966.
34. Енотов В. М. О роли структуры материала в механике раз-
рушения. — Механика твердого тела,'1976, № 3.
35. Збинден Р. Инфракрасная спектроскопия высокополиме-
ров.—М., 1966.
36. Иванов В. С. Радиационная полимеризация. — Л., 1967.
37. Идерн Г. М., Фордос 3. Цементно-полимерные материалы. —
Труды Шестого Международного конгресса химии цемента. М., 1974.
38. Изучение процессов пропитки бетона полимеризующимися
мономерами/Г. И. Горчаков, В. В. Воронин, Ю. М. Баженов и др.—
Сб. статей/МИСИ им. В. В. Куйбышева. М., 1977. Новые строитель-
ные материалы.
39. Инструкция по обработке железобетонных изделий стиро-
лом.— Л., 1973.
40. Ицкович С. М. Заполнители для бетона.—Минск, 1972.
41. Казанский М. Ф. Анализ форм связи влаги в пористых ад-
сорбентах с помощью термограммы изотермической сушки. — Кол-
лоидный журнал, 19, 6, 1957.
42. Каргин В. А. Слонимский Г. А. Краткие очерки по физико-
химии полимеров. — М., 1967.
43. Кей Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических посто-
янных.— М., 1962.
44. Коллинз Р. Течение жидкости через пористые материалы. —
М„ 1964.
45. Кононенко А. С. Высокотемпературный прогрев бетона в
петролатуме. — Бетон и железобетон, 1959, № 5.
46. Коиопленко О., Бойко В., Строжук М. Просочения вакуумбе-
тону полимерами. — Буд1вельни материалы и конструкции, 1964,
№ 4.
463
М. Колотыркин Я. М., Карпов В. Л. Перспективы использова-
ния достижений радиационной химии в народном хозяйстве. ЖВХО
мм. В. И. Менделеева, 1973, т. XV1I1, № 3.
48. Крылов Н. А., Калашников В, А., Полищук А. К. Радиотех-
нические методы контроля качества железобетона. — М., 1966.
49. Липатов Ю. С. Физнко-химия наполненных полимеров.—
Киев, 1967.
50. Липатов Ю. С., Сергеева Л. М. Адсорбция полимеров. — Ки-
ев, 1972.
51. Лыков А. В. Явление переноса в капиллярно-пористых те-
лах,—М., 1954.
52. Лыков А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. — М.,
1956.
53. Лыков А. В. Теория сушки. — М., 1968.
54. Малиновский Ю. М. О влиянии твердой поверхности на про-
цессы релаксации и структурообразования в пристенных слоях по-
лимеров. — Успехи химии, 1970, 39.8.
55. Марек О., Томка М. Акриловые полимеры. — М., 1966.
56. Маркова Г. С., Садовская Г. К., Каргин В. А. Изменение ин-
фракрасных спектров поглощения при размягчении п затвердении
кристаллических и амфорных полимеров. ЖВХ, 1956, т. XXX, вып. 2.
57 Марчукайтис Г. В. Пропитанный мономером бетон и желе-
зобетон. - Вильнюс, 1975.
58 Марчукайтис Г. В. Влияние пропитки бетона мономерами
на его леформативные свойства. — Бетон и железобетон, 1977, № 6.
59. Марчукайтис Г. В. Структурная модель и некоторые вопросы
расчета объемного напряженного состояния бетонополимера во вре-
мя полимеризации. — Труды вузов Лит.ССР. — Вильнюс, 1979. № 9.
60. Материалы Всесоюзного совещания по применению полимер-
ных смол в бетонных и железобетонных конструкциях. — Вильнюс,
1971.
61. Метод пропитки бетона синтетическими материалами/
/Э. К. Касимов, Ю, П. Чеховский, Н. А. Мещанский и др. — Строи-
тельство трубопроводов, 1964, № 12.
62. Микульский В. Г., Козлов В. В. Склеивание бетона. — М.,
1975.
63. Михалков В. Р., Удачкин И. Б. Выбор материала для гид-
роизоляционной пропитки ячеистобетонных изделий. — Бетон и же-
лезобетон, 1969, № 4.
64. Мощанский Н. А. Плотность и стойкость бетона, —М., 1951,
65. Мчедлов-Петросян О. П., Либенко Ю. П., Угинчус Д. А.
Низкотемпературная десорбционная термография как метод иссле-
дования гидросиликатных систем, — Тезисы докладов VI Всесоюз-
ного освещения по термическому анализу. — М., Наука, 1976.
66. Мэнсон Дж., Сперлинг Л* Полимерные смеси и композиты. —
М., Химия, 1979.
67. Наканнси. К. Инфракрасные спектры органических соедине-
ний. — М., 1965.
68. НИИЖБ Госстроя СССР. Рекомендации по расчету и изго-
товлению конструкций из бетонополимеров. — М., 1980.
69. Николаев А. Ф. Синтетические полимеры и пластические
массы па их основе. — М.—Л., 1966.
70. Никонов М. Р., Патуроев В. В. Бетонополямеры и харак-
терные особенности их структуры. — Бетой и железобетон, 1978,
№ 8.
464
71. Никонов М. Р., Сазонова М. М. Выбор материалов для эф-
фективной пропитки бетона. — Труды/НИИЖБ.— М., 1974, вып. 11.
72. Новая технология получения плотных высокопрочных бето-
нов/П. Ф. Бакума; С. В. Александровский, Н. А. Мещанский,
Ю. М. Баженов. — Бетон и железобетон, 1972, № 3, 5.
73, Новый строительный материал бетел/Б. Н. Долгинов,
Е. К. Маевский, Л Е. Вреблевский, В, Н. Шмигальский. — Ново-
сибирск, 1973.
74. Орловский Ю. И. Свойства пропитанных серой бетонов.—
Бетон и железобетон, 1979, №2.
75. Панченко С, Н., Кудояров Л. И. Закономерности капилляр-
ной пропитки пористых камней органическими материалами —
Известия ВНИИГ им. Л. Веденеева, 1972, т. 100.
76. Патуроев В. В., Волгунов А. Н. Основные характеристики
Жетонов, пропитанных серой. — М., 1976.
77. Патуроев В. В. Технология полимербетонов. — М., 1977.
78. Перспективы применения полимербетонов и бетонополиме-
ров в строительстве. — Сб. тезисов/НТО Стройиндустрии. — М.,
1976.
79, Повышение долговечности промышленных зданий и соору-
жений. — М., 1978.
80. Покровский Н. С. Пропиточная гидроизоляция бетона. —М..
1964.
81. Получение и использование бетонополимера/Э. К. Касимов
и др. — Строительство и архитектура Узбекистана, 1978, № 2.
82. Попченко С. М., Кудояров Л. И. Закономерности капилляр-
ной пропитки пористых камней органическими материалами. — Из-
вестия/ВНИИГ, № 100. — М., 1972.
83. Прикладная инфракрасная спектроскопия/Под ред. Д. Кен-
дала. — М., 1970.
64. Радиационно-модифицированный бетонополимер — новый
конструкционный материал для строитсльства/Ю. М. Баженов,
Ф. 3. Райчук, А. А. Брегер и др. — В кн.: Вопросы надежности же-
лезобетонных конструкций. — Куйбышев, 1973.
85. Радушкевич Л. В. Попытки статистического описания пори-
стых сред. — В кн.: Основные проблемы физической адсорбции. —
М., 1971.
86. Райнер М. Реология. — М., 1965.
87. Райчук Ф. 3., Блинов Г. А. Технология получения высоко-
прочного цементно-полимерного бетона метолом радиационной по-
лимеризации мономеров. — В кн.: Применение полимерных смол.—
Вильнюс, 1971.
88. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика. — М., 1958.
89. Руководство по пропиточной гидроизоляции железобетонных
и асбестоцементных изделий.—Л., 1976.
90. Саталкии А. В., Солнцева В. А., Попова О. С. Цементно-по-
лимерные бетоны.— Л., 1971.
91. Сб. докладов и сообщений XI Менделеевского съезда по об-
шей и прикладной химии. —М., 1975, № 9.
92. Свойства бетонных труб, пропитанных метилметакрилатом/
В. Н. Баженова, Г. А. Улнтина н др.— Тезисы докладов VII Всесо-
юзной конференции по бетону и железобетону. — Харьков, 1972.
93. ‘Симонов М. 3. Основы технологии легких бетонов. — М„
1973.
94. Смирнов Н. А. Пропитка бетона битумом. — М., 1939.
465
95. Соломатов В. И. Полимерцемеитные бетоны и пластбетоны.—
М., 1967.
96. Спирин Ю. А., Оильгинский А. Г., Мчедлов-Петросян О. Пп
Угинчус Д. А. Взаимодействие органических и минеральных состав-
ляющих в цементных композитных материалах. — ДАН СССР, 241,
97. Тагер А. А. Физико-химия полимеров. — М., 1968.
98. Тезисы докладов III Всесоюзного научно-технического сове-
щания по применению полимерных материалов в гидротехническом
строительстве. — Л., 1976.
99. Технология восстановления водонепроницаемости напорных
труб/Г. С. Иванов, О. И. Крикунов, А. И. Дмитриев. Г. В. Топильс-
кий. — Бетон и железобетон, 1978, № 6.
ЮС Тот Л. Ф. Расположение на плоскости, на сфере и в про-
странстве. — М., 1958.
101. Труды/Водгео. — М., 1975, вып. 55.
102. Труды/СибНИИЭ. — М... 1972, вып. 22.
103. Труды Шестого Международного конгресса по химии це-
мента. — М., 1964.
104. Труды Пятого Международного конгресса по химии це-
мента. — М., 1971.
105. Труды Шестого Международного конгресса по химии це-
мента.— М., 1976.
106. Термодинамические и структурные свойства граничных сло-
ев полимеров/Р, А. Турусов, К. Т.'Вуба, А. С. Фрейдин и др. —Ки-
ев, 1976.
107. Туркестанов Г. А. Способ улучшения бетона и железобето-
на. — Бюллетень изобретений, 1960, № 1.
108. Угинчус Д. А. Высокопрочный цементный бетон, наполнен-
ный полиметилметакрилатом. — Тезисы докладов VIII Всесоюзной
конференции по бетону и железобетону. — Харьков, 1977
109. Угинчус Д. А. Микрореологнческий метод оценки взаимо-
действия заполнителя и цементирующей массы. — Матер, совещания
«НИ^ИЖ^М И стРУктУР°°бРазование неорганических вяжущих»/
110. Ужполявкчус Б. О прочности пористых твердых тел. —
Каунус, 1969.
111. Физико-механические свойства бетонов с полимерами. —Сб.
докладов Минвуза Лнт. ССР. — Вильнюс, 1978.
112. Фриш Г. Л., Симха Р. Вязкость коллоидных дисперсий и
растворов, содержащих макромолекулы. — В кн.: Реология/Под
ред. Ф. Эйриха. — М., ИЛ, 1962.
113. Хигерович М. И., Меркин А. П. Физико-химические и физи-
ческие методы исследования строительных материалов. — М., 1968.
114. Цыганков И. И. Экономическая эффективность применения
бетонополимеров и полимербетонов в строительстве. — В ки.: Пер-
спективы применения бетонополимеров н полимербетонов в строи-
тельстве.— М., 1976.
115. Чеховский Ю. В. Понижение проницаемости бетона. — М.,
1968.
116. Чнзмаджев Ю. А. Макрокннетика процессов в пористых
средах. — М., 1971.
117. Шейкии А. Е., Чеховский Ю. В„ Бруссер М. И. Структура
и свойства цементных бетонов. — М., 1979.
118. Шорыгнна А. В. Стирол, его полимеры. — М., 1976.
46G
119. Электротехнические бетоны/Под ред. Ю. Н. Вершинина —
Новосибирск, 1964.
120. Adams М., Browne R. D. and French Е. L. Using polymer-
concretes. «Building Research and Practics», July—August, 1973.
121. Albertsen N. D., Haynes H. H. Polymer impregnated con-
crete spherical nulls for seafloor structure. Polymers in Concrete.
Publication SP-40. American Concrete institute, Detroit, 1973.
122. Aleszka J. C., Beaumont P. W. R. The work of fracture of
concrete and polymer impragnoted concrete composites. Proceedings
of the first International Congrers on Polymer concrete. London, 1976.
123. Alexanders S. A. Single Equation for the stress-strain Curve
of Concrete, indian Concrete Journal. Vol. 39, Nr. 7, 1965. \
124. Arredondo F„ Fontau J., Canovas M. F.r Madruga J. Poli-
merisienter Beton. «Betonverk—Fertigateil—Technik, Heft 12, 1972.
125. Ashley S. The use of polymesr in concrete. «Building»,
vol. 229, Nr. 6906(43), 1975.
126. Auskern A. The strength of Concrete—Polymer Systems.
BNL 12890, New York, 1968.
127. Auskern A. Review of Polymer of Properties Impregnated.
Concrete. Proc, of the Conference on Now Materials in Concrete
Construkction. Chicago, 1972.
128. Auskern A. Model for the elastic constants of polymer impreg-
nated composities. Brookhaven National Laboratory BNL 16731, New
York, 1972.
129. Auskern A., Horn W. Some propeties of Polymer Impreg-
nated Cements and Concrets. — J. Amer- Ceram. Soo. 63, 282—5
130. Auskern A., Horn W. The role of Polymer in Polymer Im-
pregnated Concrete. — Informal Report BNL 17572, 1973.
131. Bhargava J. K., Radiographic Studies of the structure of po-
lymer Impregnated Concrete. Polymers in Concrete. Publication SP—40.
American Concrete tnstltuts. Detroit, 1973.
132. Chorn H. Polymerislerter Beton —Stand der Entwicklung.
Betonwerk—Festigkeil—Technik, Heft, 12, 1974.
133. Concrete—Polymer materials. Brookhaven National Laboro-
torv,Topical Reports, 1—V, N. V. 1968—1973.
134. Datta R. K. Studies on Polystyrene Impregnated Cement
Mortars and Concrete. — Indian Concr. Journ, 1974, vol. 48, nr. 7.
135. De Puy G, W., Dlkeou J. T. Development of Polymer—Im-
pregnated Concrete as a construction Material for engineering projects.
Polymers in Concrete. Publication SP—40. American Concrete Insti-
tute, Detroit, 1973. < _
136. Dikeou J. T., Kukacka L. E., В acks tгл m J. E. and Stein-
berg M. Polymerization Makes Taugher Concrete\j. of the Amer. Con-
crete Inst. October, 1969. \
137. Dikeou J, T. An introduction to polymers inxoncrete. «World
Construction», vol. 28, Nr. 8, 1975. X
138. Dikeou J. T., Ganren J., Smoak W. G. Hallin J. P. US con-
crete industry uses of polymers in presstreised and other con-
crete construction. Proceedings of the 8-th congress of FIP, Part 1,
London, 1978.
139. Dutruel F. Concrete impregnation techniques «Precast Con-
crete», 1974, v. 5, № 4.
140. Dutruel F. Impregnation partielle du beton par des resines
polymerisablcs. Publikations techniques du CER1B. Eperon, 1975.
467
141. Elichl Tazava and Sadao Kabayashl. Properties and Applica-
tions of Polymer Impregnated Cementitions Materials. Polymers In
Concrete, Publication SP—40. American Concrete Institute, Detroit,
1973.
142. Ettel W. P. Impregnierung von Baustoffen. 5. Internetionale
Baustoff —und Silikattagung, 1973.
143. Escalona A., Ramos C. Polymerization rate and mechanical
properties of polymer-impregnated mortar. Cement and Concrete Re-
search, vol. 6, 1976.
1Q75144. First International Congress of Polymer Concrete. London,
145. Flajamen F., Cahn D. S., Phillips J. C. Polymer—Impregna-
ted Fiber — Reinforud Mortars. Journal of the American ceramic so-
ciety, vol. 54, Nr. 3, 1971.
146. Fowler D. W., Houston J. T., Paul D. K. Polymer — impreg-
nated Concrete surface treatment for highway bridge decks. Poly-
mers in Concrete. Publication. SP—40. American concrete institute.
Detroit, 1973.
147. Fowler D. W., Paul D. R., Yimprasert P. Corrosion protection
of Reinforcing Provided by Polymer—impregnated Concrete. J. of the
Amer. Concrete Just., 1978, October.
148. Gebaner J., Hasselman D., Thomas D. A. Effect of Tempera-
lure on the Strength of Polymer—Impregnated Porous Ceramic.— J.
Amer. Ceram. Soc. vol. 55, №3, 1972.
149. Haselman D. P. H. and Penty R, A. Stress Concentrations
in Polymer—Impregnated Poraus Brittle Materials. J. of the Amer.
Ceram. Soc. 1973, 2.
150. Hastrup K., Radjy F.. Bach L. Pore structuzc, mechanical
properties and polymer charakteristies of porous materials inpragnated
with MMA. Proceedings of the first International Congress on Poly-
mer Concrete, London, 1975.
151. Heins C. F. Ambient pressure impregnation of concrete by
low viscosity monomers. «Amer. Chem. Soc. Polym. Prepr.», 1973,
v. 14, N 2.
152. Idorn G. M„ Fordo S. Z. Cement—Polymer Materials. «Се-
mento» 2, 1975.
163. Kameswara Rao С. V. S., Swamy R. N., Mangat P. C. Me-
chanical behaviour of concrete as a composite material. «Materiau et
constructions, Vol. 7, 1974.
154. Kukacka L, E. Applications testing of polymerimpregnated
concrete World Construction, vol. 28, Nr. 8, 1975.
155. Kukacka L. E. et. al. The use of Polymer—Concrete for Brid-
ge Deck Repairs on the Major Deegan Expressway. — BNL 19672 and
FHWA-RD-75-513 Jan., 1975.
156. Kukacka E. E. et. al. Introduction to Concrete-Polymer ma-
terials.—BNL 19525 and FHWA-RD-75-507, Dec., 1974.
157. Kukacka L. E. et. al. Preliminary Cost Estimate for Radia-
tion-Induced Plastic Impregnation of Concrete. — BNL Rep.. N.Y.
1969, BNL 11263.
158. Lange H., Richter B. Herstellung, Eigenschaften und Berech-
nung von polymerimpregniertem Betonelemint. 5, Internationale Bau-
stoff- und Silikattagung, 1973.
159. Lange H. Polymerimpragnierter Beton. «Baustoffindustrie»,
15, (1972—В) 2.
160. Levitt M, Polymerisierter Beton. Betonwerk—Fertigteil—
Technik, Heft. 12, 1972.
468
161. Manning D. G., Hope В. B. The effect of Porosity on the
Compressive Strength and Elastic Medulus of Polymer impregnated
Concrete. «Cement and Concrete Research» 1971, vol. 1, Nr. 6.
162. Manson J. A. Modification of Concrete with Polymers. —
J. Mater. Scince and Engineering, 1976.
163. Manson J. et. al. Polymer impregnation of Non-Deterioratei
Highway Concrete. — NCRP Program at Lehigh University, Jul., 1976.
164. Mehta C., Manson J. A. Innowations in Impregnated Tech-
niqes for Highway Concrete.— Transportation Research Record, 1975,
№ 542.
165. Murray M. A., Schultheis V. F. Polymerisation of Concrete
Fights Cavitation. Civil Engineering—ASCE, Apr., 1977.
166. Ogishi S. Fiber zeinforud polymer-impregnated concrete.
Concrete Journal (Japan Concrete Institute) 1978, Nr. 7.
167. Ohama Y., Demura K. Length change of polymethyl metha-
crylate-impregnated Concrete During Processing. Material for In-
ternational Symposium — Polymers in Concrete, Detroit, 1978.
168. Okada K., Ohama Y. Improvments in Performance of Concre-
te by Use of Polymers in Japan. — International Journal of 'Сетей':
Composites, 1979, № 3, vol. 1.
169. Polymer impregnated concretes «Precast Concrete», vol. 6,
Nr. 11, 1975.
170. Polymer impregnated concrete: first aplications. «Civil Eng
neering», vol. 44, Nr. L 1974.
171. Polymers in Concrete. ACI Spec Publ., Detroit, 1973, SP-40.
172. Pomeroy C. D. Evaluating modified concrete.» «Concrete*
March. 1973.
173. Principal Report 7 International Congress on the Chemis-
try of Cement. Paris, 1980.
174. Proceedings of Conference «Роге Structure and Propeties uf
Materials».—Prague, vol. 11, 1975.
175. Ramachandran V. S., Sereda P. J. Differential Thermal Stu-
dies of Polymethylmetacry late—Imprgnated cement Pastes. —Ther-
mochim. Acta., 1973, v. 5, N. 4
176. Rio A., Cernio E. M. Polyblends of Cement Concrete and
Organic Polymers.—J. Polym. Sci. Macromol. Rev., 1974, v. 9.
177. Roy D. M., Gonda G. Porpsity-Strength Relation in Cemeti-
tions Materials with Very High Strength. —J. Amer. Ceram. Soc., 5»,
1973.
178. Sacse R. Theoretische Uberlegungen zur Festigkeitsentwick-
lung bei polymerisierten Betonen. Betonwerk — Festigkeil — Technik.
Heft 12, 1972.
179. Scharader E. K. Repairs of Dworshak Dam with Fiber Rein-
forced and Polymer Impregnated Concretes. — Walla-Walla District
Corps of Engineers, Nov., 1975.
180. Second International Congress of Polymer Concrete. Ostin,
1978.
181. Sekisan Industry Co., Inc. (Mitani Inc.). — Representative
Resin Concrete Piling, Kukui, Japan, 1975.
182. Sereda P. J., Feldman R. F., Ramachandran V. S. Structure
Formation and Development in Hardened Cement Pastes. — 7th In-
ternational Congress on the Chemistry of Cement., Paris, 1980.
183. Singer R., Vinter A. et. al. Cost Evaluation of Radiation Cu-
red Concrete-Polymer Materials of Pipe Manufacture. — Concr. Res
Lab. Karlstrup Rep., Danmark, 1970, BEL-IR-236.
169
184. Smoak W. G. Partial Impregnation of New Concrete Bridge
Deck Surfaces. — In terium Users' Manual of Procedurs and Specifi-
cations, FHWA-RD-75-72, Jul., 1975.
185. S6pler B. Plymerimpregneret Belong. — Nord. Betong, 1973,
N. 1.
186. Spenser R. W., Carpenter L. R., Cowan W. C. Polymer Im-
pregnated Concrete Tunnel Support and Lining. — Engineering and
Research Center Bureou of Reclamation, REC-ERC-73-23, Dec., 1976.
187. Steinberg M. Concrete Polymers: Past, Present and Futu-
re. — BNL 11973, Dec., 1976.
188. Steinberg M., Colombo P., Kukacka L. E. Method for Pro-
ducing Plastic Impregnated Concrete. — Assigned to U. S. Atomic
Energy Commission, U. S. Patent 3,567,369, Mar., 1971.
189, Steinberg M. et. al. Concrete Polymer Materials for Highway
Application. — Prigress Report N. 1, Informal Report BNL 15395, Sep.,
190. Tanlgawa Y. Model Analysis of Fracture of concrete as a
Composite Material. —Cement and Concrete Research, v. 6, 1976,
191. Tazawa E., Kobayachl S. Propetles and Applications of Poly-
mer Impregnated Cementitious Materials. — Polymers in Concrete.
Publ. SP-30, Amer. Concr. Institute, Detroit, 1973.
192. Third International Congress on Polymer in Concrete.—
Koriyame, 1980.
193. Wai-Fan Chen, Daul-Jorgensen E. Polymer—Impregnated
Concrete as a Structural Material.— Maj. Con. Res., 26, 1974.
194. Weyers R. E., Blankenhorn P. E., Cadym P. D. The effects
of Deicer cults on the Pressure Impregnation of Bridge Deck Type
Concrete with Methyl methacrylate. — Concr. and Concr. Res., v. 6,
195. Wittnann F. H. Properties of Hardened Cement Paste.—
7 Intern. Congress on Chemistry of Cement, Paris, 1980.
196. Zagar L. Ermittlung der Grosenverteilung von Poren in
Fouerfesten Baustoffen. — Archlv fur Eisenhuttenwesen. Heft 9. 1955.
Стр
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1. Основные направления применения полимеров для улучше-
ния свойств бетона ...
Модифицирование бетона полимерами . 5
Классификация бетонополимеров 9
Глава 2. Материалы для бетонополимеров 15
Бетон как компонент бетонополимеров . .15
Материалы для пропитки..................................... 40
Глава 3. Физико-химические основы получения бетонополимеров . 45
Поверхностные явления при пропитке бетона полимерами . 45
Физнко-химическне особенности упрочнения бетонов при про-
питке полимерами . .................................. 66
Предварительное напряжение бетонополимера ... 85
Глава 4. Технология бетонополимеров
Удаление влаги из бетона . 92
Вакуумирование бетона . . и
Пропитка бетона ... 116
Полимеризация мономера в бетоне ... 133
Глава 5. Моделирование технологических процессов получения бетоио-
полимеров..........................................................145
Модели пористой структуры ..................... 145
Кинетика пропитки различных пористых сред .... 151
Математическая модель процесса полимеризации в капилляр-
но-пористых телах .... 163
Глава 6. Структура бетонополимеров 169
Особенности структуры .... .... 169
Влияние структуры бетонополимера на его поведение при
действии нагрузки .................................... . 182
Глава 7. Свойства бетонополимеров . 192
Прочность ... ... 192
Деформативные свойства . 212
Физические свойства 223
Диэлектрические свойства . . 229
Долговечность ... . .231
Коррозионная стойкость . . . 235
Специальные свойства...................................... 240
Прогнозирование свойств бетонополимера 250
Глава 8. Особые виды бетонополимеров 262
Легкие бетоиополимеры 262
Силикатные бетоиополимеры .284
Декоративные бетоиополимеры . . . . 294
Бетоны, Пропитанные серой ,................................308
Бетоны, пропитанные продуктами переработки нефти и ка-
менного угля...................................... ... 312
Бетоиополимеры с дисперсным армированием . 319
Износостойкие бетоиополимеры .... ... 337
Электротехнические бетоиополимеры . 346
Гипсобетонополимеры....................................... 354
Бетоиополимеры с внутренней пропиткой 360-
Глава 9. Производство бетонополнмерных изделий ... 366
Производство сборных бетонополнмерных изделий 366
Способы обработки монолитного бетона
Контроль качества бетонополнмерных изделий. 399
Особенности монтажа бетонополнмерных изделий 408
471
Стр.
Глава 10. Применение пропитки полимерами для улучшения свойств и
ремонта бетонных и железобетонных конструкций.....................414
Поверхностная и зональная обработка бетонных и железобе-
тонных конструкций........................................414
Ремонт железобетонных конструкций путем пропитки их спе-
циальными составами................................... 426
Глава 11. Особенности расчета железобетонополимерных изделий 429
Сцепление бетонополимера с арматурой.....................429
Особенности поведения железобетонополимерных конструкций
при нагружении.......................................... 432
Расчетные и нормативные характеристики бетонополимеров 443
Глава 12. Технико-экономические показатели и опыт применения бе-
тонополимеров в строительстве ................................... 447
Технико-экономические показатели применения бетонополи-
меров ....................................................447
Опыт применения и рациональные области использования бе-
тонополимеров в строительстве ,.........................453
Список литературы 462
Юрий Михайлович Баженов
БЕТОИОПОЛИМЕРЫ
Редакция литературы по строительным материалам и конструкциям
Зав. редакцией П. И. Филимонов
Редактор И. Г. Захарова
Внешнее оформление художника В. А. Козлова
Технический редактор В. Д. Павлова
Корректор Л. В. Федина •
ИБ № 918
Сдано в набор 20.08.82. Подписано в печать 10.01.83. Т-03111. Формат 84Х 1087м.
Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая, Уел. печ. л. 24,78.
7сл. кр.-отт. 24,78. Уч.-изд. л. 25,64. Тираж 9000 экз. Изд. № VI—6383.
Заказ № 210. Цеиа 1 р. 60 к.
Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а
Владимирская типография «Союзполиграфпрома» при Государственном
комитете СССР по делам нздатсльств, полиграфии и книжной торговли
600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7