Бетонополимеры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица:

Влияние  начальной прочности  бетона на прочность бетонополимера.

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

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

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

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

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

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

Таблица:

Данные о прочности  легких  бетонов и бетонополимеров.

Таблица:

Улучшение свойств различных бетонов  после пропитки  полимерами.

Таблица:

Свойства бетонов и бетонополимеров.

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