ГлавнаяВыбор смолы
Выбор синтетической смолы определяется прежде всего химической устойчивостью, формовочными свойствами, прочностью, включая адгезию к основе и возможность заделки швов. В табл. 4.8 приведены первые указания для выбора. Однако внутри одного вида смол могут встречаться значительные различия в свойствах вследствие модифицирования. Одна из разновидностей модифицирования заключается также в том, что смешиваются друг с другом смолы различной вязкости, эластичности, с различным временем переработки. Из рис. 4.4 принято, что варьированием комбинаций твердоэластичных эпоксидных смол (Т 20-20, T 20-22) с эластичными смолами (Т 50-23) можно добиться желательной растяжимости. В случае полиэфирных смол добавление эластичных смол (MC 1311) в количестве 20—30% по массе обусловливает более высокие ударную прочность и морозостойкость. Аналогичные комбинации возможны и для полиуретановых смол. Все свойства, значимые для применения, должны заранее проверяться.
Выбор заполнителя
Относительно заполнителей для пласторастворов и бетонов на основе синтетических смол имеются некоторые иные закономерности по сравнению с цементными растворами и бетонами. Для пластораствора вместо понятия заполнитель употребляется понятие наполнитель. Свойства пласторастворов и пластобетонов на основе синтетических смол в значительной мере определяются специфическими параметрами и количеством заполнителей.
► Гранулометрический состав
При изготовлении пласторастворов и пластобетонов на основе синтетических смол из-за дороговизны вяжущего необходимо обращать внимание на точное соблюдение необходимого зернового состава заполнителей (обеспечивающего небольшой объем пустот между зернами заполнителя). В случае пласторастворов зерновой состав, отвечающий параболе Фуллера, дает следующие преимущества: очень плотную упаковку зерен и благодаря этому смесь с очень небольшим содержанием пустот; незначительный расход смолы; высокую степень наполнения.
Содержание тонких фракций при этом гарантирует хорошую перерабатываемость раствора при шпаклевочных работах; растрескивания поверхности не происходит. Отделение фракции ≤ 0,1 мм дает несущественное улучшение свойств. Использование заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом положительных результатов не дает. Эти выводы относятся к кварцсодержащим наполнителям.
Кривые ситового анализа заполнителей для пластобетона отличаются от таковых для цементобетона. Такое незначительное содержание тончайших фракций, какое характерно для цементобетона, в случае пластобетонов привело бы к необходимости заполнения пустот, образующихся по причине отсутствия тончайших фракций, несоразмерно более дорогой синтетической смолой для достижения плотной структуры. В то же время содержание тончайших фракций, отвечающее величине цемент плюс тончайшие фракции, потребовало бы ненужного увеличения доли вяжущего. Поэтому рекомендуется зерновой состав, отвечающий кривым рассева в хорошей области (как у цементобетона), с повышенным содержанием тончайших фракций. Наличие микронаполнителя особенно заметно сказывается на снижении внутренних напряжений, уменьшении усадки и расхода вяжущего. В качестве микронаполнителя применяются все виды инертных наполнителей, например кварцевая мука.
Максимальный размер зерен заполнителя зависит в первую очередь от цели использования. Так, он должен составлять максимум одну треть опалубки или три четверти просвета арматуры; для покрытий, как правило, две трети толщины покрытия.
► Виды наполнителей
Кварцсодержащие наполнители, имеющие гладкоокатанную поверхность, требуют незначительного количества смолы для обмазки. Ho не только они применяются для изготовления пласторастворов на основе синтетических смол. К этому могут приводить следующие причины.
• Растворы и бетоны на основе синтетических смол часто используются в агрессивных средах, поэтому и наполнители должны обладать соответствующей химической устойчивостью, например графит устойчив против жидких кислот. Кроме того, он дeйcтвyeт как ингибитор при использовании метакрилатных и ненасыщенных полиэфирных смол.
• Функция наполнителя прежде всего определяется его формой. Одномерные наполнители (волокна) или двухмерные (маты, ткани) приводят к направленному изменению свойств и поэтому применяются там, где наполнитель должен усиливать смолу. Благодаря этому повышаются среди прочего прочность на растяжение и ударная вязкость. Трехмернооформленные наполнители (шары) улучшают в первую очередь текучесть и прочность при сжатии пласторастворов и пластобетонов (например, кварц).
• Наполнители, имеющие более высокую, чем смола, плотность, могут привести к седиментации растворов, если последние приготовлены заранее. Наполнители с пластинчатой формой частиц (например, сланцевая мука) предотвращают седиментацию.
• Отекание шпаклевки на вертикальных стенах предотвращают наполнители с тиксотропным эффектом, например, коллоидная кремнекислота (супрасил), которая состоит из подобных ватным тампонам скатанных когломератов. Слишком большая добавка этих наполнителей (≥ 5% по массе) вызывает существенное повышение содержания воздушных пор в пласторастворе на основе смолы.
• Желательное сгущение полиэфирных смол достигается при использовании таких наполнителей, как карбонаты кальция и магния, высокодисперсная кремнекислота, вследствие образования солей. К наполнителям, которые взаимодействуют с функциональными концевыми группами ненасыщенных полиэфирных смол, относятся оксиды и гидроксиды некоторых металлов. Химическая реакционноспособность наполнителей может вызывать и ухудшение свойств. Карбонатсодержащие наполнители сказываются, напри мер, отрицательно на свойствах синтетических смол, отверждаемых поликонденсацией, так как в этом случае применяются для отверждения вещества с кислой реакцией. Применение наполнителей, содержащих глину (тиксотропных), проблематично для полиуретанов, поскольку межслоевая вода глинистых минералов взаимодействует с изоцианатным компонентом.
• Из таких требований, как электропроводность полов (например, при использовании графита), низкий Е-модуль (резиновая мука), отражение солнечного излучения (алюминиевый порошок), вытекает применение других соответствующих наполнителей.
Отсюда следует, что нельзя регламентировать зерновой состав наполнителей независимо от их вида по причине очень широкого применения пласторастворов на основе синтетических смол.
► Потребность в смоле.
Потребность наполнителей в смоле позволяет судить о перерабатываемости, свойствах и относительной ценности соответствующих растворов. Определяется теоретическое значение смолопоглощения или адсорбционной способности наполнителя: минимальное количество смолы на каждые 100 г наполнителя, при котором из этой смеси получается замазкоподобный комок. Знания смолопотребности и удельной поверхности наполнителя в большинстве случаев достаточно для идентификации и классификации. Смолопотребность наполнителей повышается с ростом удельной поверхности, повышением пористости, объема пустот в смеси наполнителей.
Многие наполнители имеют максимум смолопотребности в области тончайших фракций, что может объясняться образованием агломератов. Из всех наполнителей кварц обладает наименьшей смолопотребностью и, следовательно, характеризуется наименьшим расходом вяжущего для достижения хорошей удобоукладываемости раствора.
► Влагосодержание
Влажные наполнители негативно сказываются на свойствах смолорастворов и бетонов. Могут иметь место следующие эффекты:
- снижение прочности сцепления между смолой и наполнителем;
- невозможность полного отверждения смолы;
- ухудшение удобоукладываемости раствора, механических и диэлектрических свойств;
- снижение прочности сцепления покрытия с основой.
Причины этих явлений состоят как в физическом действии оболочек воды вокруг зерен наполнителя, препятствующих или нарушающих адгезию смолы к наполнителю, так и в химических процессах. Так, к примеру, в эпоксидных смолах вместо молекул отвердителя могут оказываться гидроксильные группы воды, а некоторые аминные отвердители образуют с водой гидратные оболочки. Следствием этого является нарушение процесса образования полимерных сеток.
По этим причинам содержание воды в наполнителях должно быть для полиуретановых смол ≤0,1% по массе, для полиэфирных и эпоксидных смол ≤0,3%. Так как влажность наполнителей колеблется в зависимости от условий, складирования и транспортирования, необходимо определять ее перед использованием наполнителей. Много воды в виде адгезионной воды могут содержать особенно тонкие материалы и кварцевая мука. Исследования водопоглощения дали следующие цифры: для кварцевой муки 13,9 и 1,7% по массе для кварцевого песка 0,8/1 мм.
Получения и использование
Растворы и бетоны, связанные синтетическими смолами, часто бывают нужны лишь в незначительных количествах. Поэтому наряду с машинной выработкой часто на переднем плане оказывается маломеханизированная ручная работа. При этом необходимо принимать во внимание следующие указания относительно технологии при соблюдении требований техники безопасности.
► Подогрев компонентов
Подогрев реактивных смол вызывает снижение их вязкости, что делает возможным хорошее и быстрое смачивание наполнителей. Наряду с подогревом, осуществляемым в разливочной машине для синтетических смол, смола подогревается посредством инфракрасного излучения на рабочем месте. Многодневное хранение в теплом помещении также дает положительные результаты. Вязкость реактивных смол зависит от температуры, поэтому заполнители нагреваются редко. Фенольные и фурановые смолы не следует нагревать для достижения хорошей перерабатываемости, так как протекающая в них поликонденсация ведет к повышению вязкости.
► Дозирование
Незначительные ошибки в дозировке вызывают сильные изменения свойств затвердевших строительных материалов. В случае полиуретанов, например, передозировка компонента В (NCO-избыток) обусловливает более сильное структурирование и, таким образом, твердоэластичные свойства. При недостаточной дозировке конечный продукт становится слишком мягким. В случае эпоксидных смол с полиамидными отвердителями при неполном отверждении остаются непрореагировавшие эпоксидные группы, что ухудшает образование полимерных сеток и тем самым прочностные свойства и химическую устойчивость. Избыток отвердителя действует как пластификатор. Из-за ослабления межмолекулярных сил получается эластичный материал с незначительной прочностью. Кроме того, вследствие миграции отвердителя могут образовываться вредные выпотевания. При отверждении эпоксидных смол полиаминоамидными отвердителями необходимая точность дозировки составляет всего лишь ±30%. Благоприятно объемное дозирование компонентов. В случае фенольных смол дозирование кислоты, необходимой для отверждения, также производится по объему. У полиэфирных смол незначительные изменения массы компонентов окислительно-восстановительной системы вызывают существенные колебания жизнеспособности смолы. По той причине, что взаимодействие полиэфирных смол с катализаторами или ускорителями протекает при нормальной температуре медленно, раствор в этом случае может приготавливаться в количестве, необходимом для одного дня работы. Для получения раствора производится объемное дозирование необходимого количества каждого компонента (смолы и отвердителя или смолы и ускорителя). В случае метакрилатных смол вяжущая система также может состоять из двух частей: жидкой комбинации мономер /ускоритель и порошкообразный комбинации полимер/отвердитель.
Сухие наполнители должны вводиться в смолу по массе. Для объемного их дозирования необходимо знание насыпной плотности.
► Процесс смешения
Всякое неравномерное распределение смолы и отвердителя приводит к различного рода дефектам. Поэтому сначала производится перемешивание смолы и отвердителя, а затем подмешивание сухих наполнителей. При короткой жизнеспособности растворов на основе синтетических смол сначала следует смешивать различные наполнители, затем подмешиваются смола и отвердитель, и в последнюю очередь вводится ускоритель. Однако гомогенность смеси должна быть гарантирована. Если предусмотреть использование добавок, таких, как разжижители, ускорители, то они вводятся в смолу. При наличии нескольких добавок необходимо предварительное растворение в растворителях.
В случае некоторых систем производится предварительное смешение. Так, у полиуретанов должен хорошо перемешиваться компонент, содержащий наполнитель, так как при хранении материала наполнитель оседает в нижней части транспортной емкости. Время этого предварительного перемешивания должно составлять 15—20 мин. При приготовлении небольших количеств раствора (емкости из полиэтилена или полиамида) используется ручная электромешалка ( ≤ 1000 об/мин). При использовании перемешивающих устройств с большим числом оборотов существует опасность вовлечения значительных количеств воздуха. Чаще всего они используются для приготовления растворов с высоким содержанием тонких фракций наполнителей. Поры, образующиеся вследствие вовлечения воздуха, ухудшают механические свойства, в частности, долговременные. Высоковязкие смолы особенно склонны к пенообразованию, так как вовлеченный воздух из них практически не удаляется. Перемешивание больших количеств бетона должно производиться, безусловно, в бетоносмесителе. Лучшие результаты: низкое содержание воздушных пор, высокая прочность на сжатие и на растяжение при изгибе, хорошая гомогенность, незначительная ползучесть — получаются при перемешивании во вращающейся смесительной емкости с закрепленным скребком. Время перемешивания должно составлять больше 3 мин. При слишком долгом перемешивании сильно сокращается время переработки раствора или бетона. Большие количества бетона затвердевают относительно быстро. Для очистки смесителей и перемешивающих устройств применяются органические растворители (например, метиленхлорид). Вода для этого непригодна. Смеситель очищается сначала сухим песком, а затем окончательно песком, смоченным растворителем. Смеситель следует очищать после каждой порции материала, пока остатки материала в смесителе еще не затвердели, в противном случае очистка оказывается очень трудоемкой.
► Жизнеспособность
Жизнеспособность растворов на основе синтетических смол это время от начала смешения до тех пор, пока возможна переработка раствора. Жизнеспособность раствора меньше, чем время до начала отвердевания, так как переработка раствора становится невозможной с момента загустевания (желирования) системы. С увеличением температуры жизнеспособность или срок годности раствора снижаются. Повышение температуры, обусловленное экзотермическим характером реакций отверждения смол, сокращает срок годности растворов. Чем больше раствора, чем больше отношение объема к поверхности раствора и чем меньше доля заполнителей в растворе (степень наполнения), тем меньше время переработки. Аналогичный эффект встречается при применении для отверждения форм из различных материалов. Металл вследствие его высокой теплопроводности замедляет отверждение и переработку. Жизнеспособность регулируется добавками; технологически время возможного употребления раствора можно продлить путем охлаждения смесительной емкости.
► Условия отверждения.
Температура отверждения влияет не только на скорость отверждения, но и на свойства затвердевшего материала. Чем ниже температура, тем более неполно протекают реакции отверждения, тем незначительнее структурирование. Поэтому минимальная температура при переработке раствора должна в первую очередь определяться системой смола — отвердитель и составляет при условии неприменения низкотемпературных отвердителей 15°С. Если эта температура не достигается, то происходит не только ухудшение свойств, но и в ряде случаев затухание реакции. Последующее повышение температуры до температуры помещения, например в случае полиуретанов, не приводит к улучшению свойств (табл. 4.8), растворы с эпоксидными смолами, напротив, обнаруживают существенное повышение эксплуатационных качеств (рис. 4.5). С повышением температуры отверждения значительно возрастает скорость отверждения. Кроме того, при повышенных температурах достигается лучшее структурирование, что положительно сказывается на механической прочности, теплостойкости формы, химической устойчивости (табл. 4.9), Двухчасовое дополнительное отверждение растворов и бетонов на основе синтетических смол при повышенных температурах дает лучшие показатели прочности и устойчивости, чем образцы, длительное время выдерживавшиеся при температуре помещения. Для отверждения при повышенных температурах служат сушильные шкафы или печи с регулируемой температурой. Хороший эффект дает и инфракрасное излучение. Охлаждение материалов горячего отверждения должно производиться медленно во избежание образования трещин. Минимальная температура отверждения метакрилатных смол значительно ниже, твердение протекает без проблем и при -10°C.
Влажность отрицательно сказывается на свойствах растворов и бетонов на основе синтетических смол. При дожде следует работать под крышей. Влагочувствительность должна при этом учитываться дифференцированно для отдельных систем. Так, в то время, как эпоксидные смолы с полиаминоамидными отвердителями могут перерабатываться и при высокой влажности воздуха, при аминном отверждении контакт влаги с отвердителем препятствует отверждению. Полиуретаны обладают повышенной влагочувствительностью с водой.
► Машинная выработка
На рис. 4.6 показана стационарная смесительная установка для получения бетона на основе полиэфирных смол. Производительность ее составляет от 10 до 400 кг/мин. Дозирование различных жидких компонентов и наполнителей производится в соответствии с предварительно выбранным соотношением. Возможен подогрев смолы, а при необходимости — наполнителей. Смешение всех компонентов происходит в потоке, выход смеси непрерывный. В готовую смесь через специальные сопла может вводиться также красящий компонент. Сначала в головку разливочной машины подаются все компоненты и перемешиваются посредством шнека и могут оставаться в трубопроводах, вентилях, дозирующих устройствах машины; к сожалению, вентили и разливочное устройство чистятся при центральной промывке. Потребность в средстве очистки составляет 0,5 дм3, время очистки 5 с.
Для переработки полиуретановых смол имеются шприц-машины, работающие по следующему принципу. Компоненты А и В находятся в сосудах под давлением и посредством сжатого воздуха через шланги или с помощью шестереночного насоса подаются к головке шприц-машины (раздувной головке), где находится смесительная камера, в которой компоненты смешиваются непосредственно перед выходом из распылительного сопла. Соотношение компонентов в смеси в шприц-машине выдерживается точно. Встроенная система очистки предотвращает затвердевание компонентов внутри головки.
Бетонные элементы с небольшим содержанием вяжущего можно изготавливать вакуумным способом. Центральным звеном установки в этом случае является "вакуумный вибромиксер" — вращаемый вакуумный барабан, в котором благодаря откачиванию воздуха и вибрации образуется блок-заготовка, имеющая незначительную пористость. После теплого отверждения эта заготовка разрезается на отдельные элементы, которые шлифуются и полируются.
► Опалубочные средства и средства для облегчения распалубки.
Растворы и бетоны на основе синтетических смол имеют высокую прочность сцепления с материалами опалубки и форм из металла или дерева. Известные для цементобетона разделительные средства в виде масел в этом случае оказываются недостаточными. Используются:
- фольга на основе полиамида или полиэтилена; опалубочный материал, покрытый фольгой, после затвердевания раствора удаляется без затруднений;
- пленкообразующие пасты, напыляемые и намазываемые, на базе поливинилового спирта или поливинил ацетата; хорошо подходят при сильно расчлененных формах, но не рекомендуются при необходимости большого числа формовок; эти средства должны удаляться без остатка при каждом обновлении во избежание образования контуров;
- защитные средства на основе воска; Exprotect или Aero 46 и полотерный воск; Exprotect белая дисперсия воска в воде, которая после нанесения и высыхания образует прочное, плотное восковое покрытие; Aero 46 после нанесения образует гидрофобную, грязеотталкивающую и полирующуюся пленку с высокой адгезией к материалу формы, при напылении этого средства расстояние пистолета-распылителя от формы должно составлять 60—90 см при давлении распыления 0,2—0,3 МПа; отработанные восковые покрытия удаляются, например, лаковым бензином;
- силиконы в виде напыляемых средств, масел, смазок или лаков; при небольших размерах формы подходит силиконовое напыление, при больших поверхностях напыление 3%-ного раствора метил-силиконового масла в хлорированных углеводородах (например, трихлорэтилена); отверждаемые силиконовые разделительные средства, пригодные для любого материала, формы выдерживают до 50 распалубок, для металлических форм рекомендуется предварительная грунтовка печным силиконовым лаком.
Для получения беспористой поверхности декоративных изделий для внутренних отделочных работ на поверхность формы наносится намазыванием или напылением смола, не содержащая растворителя, с отвердителем, которая удерживается на форме слоем толщиной до 0,5 мм. Заполнение формы и отверждение элемента производятся, пока слой этот находится в клеящем состоянии. После распалубки на бетоне остается тонкая пленка смолы.
► Уплотнение
Пласторастворы на основе синтетических смол практически не нуждаются в уплотнении для уменьшения пористости (например, растворы для ремонта). При условии полного смачивания наполнителей смолой вследствие относительно низкой вязкости раствора требуются лишь небольшие затраты энергии на уплотнение (например, при шпаклевании). Эти растворы, несмотря на отсутствие интенсивного уплотнения, имеют низкую пористость. В случае же бедных вяжущим смолобетонов для достижения высокой прочности необходимо хорошее уплотнение. По сравнению с цементобетоном оно должно быть существенно более мощным. Достаточное уплотнение не гарантируется, если при виброуплотнении значение ускорения падает ниже 10g. При уплотнении трамбованием достигается только 70—80% прочности, получаемой при виброуплотнении. При небольшой толщине стен смолорастворы и—бетоны следует уплотнять высокочастотными вибраторами, так как при нормальной частоте вибрирования получаются, как правило, большие амплитуды, которые не гарантируют хорошего уплотнения. Кроме того, при высокочастотном виброуплотнении снижается время уплотнения.
► Армирование
В армированных смолорастворах и бетонах содержание смолы должно быть по возможности низким ( ≤ 10% по массе), чтобы уравнять коэффициенты теплового расширения смолобетона и стальной арматуры. Воздействие отвердите-лей и катализаторов на арматуру незначительно при условии его кратковременности. В ходе полимеризации или ступенчатой полимеризации отвердитель разлагается или химически связывается, так что арматура после затвердевания бетона находится в нейтральной среде. При армировании бетонов на основе смол, отверждаемых кислотами или веществами, имеющими кислую реакцию, в результате поликонденсации технология их изготовления должна гарантировать разложение этих компонентов, например при нагревании. При соответствующем выборе кислых компонентов, например при использовании трихлоруксусной, соляной кислот, после их разложения получаются продукты поликонденсации, не содержащие кислоты.
Свойства
Пласторастворы - бетоны на основе синтетических смол могут изготавливаться с очень разными свойствами, что позволяет удовлетворять вполне конкретные требования.
► Пористость
Пустоты, встречающиеся в синтетических смолах и связанные с их структурированием, называются внутримолекулярными порами (≤ 1 мкм), через которые вода проникает очень медленно. В молах, содержащих растворители, вследствие испарения или "запирания" растворителя, встречаются поры в субмикроскопической области (до 50 мкм). В растворах и бетонах на основе смол при перемешивании на поверхности раздела смолы и заполнителя образуются поры уже микроскопических (до 0,1 мкм) и макроскопических размеров. Количество и сообщаемость пор увеличиваются с ростом содержания наполнителей. Для достижения оптимальной прочности нужно стремиться к получению возможно менее пористой смеси. Соотношение крупных и тонких фракций должно быть таким, чтобы оно обеспечивало и не слишком высокую пористость, и не слишком большую удельную поверхность наполнителей. При этом необходим избыток смолы по сравнению с теоретически оптимальным ее содержанием, если не применяется давление для достижения наиплотнейшей укладки.
Конечные свойства обусловливаются двумя видами пор. Во-первых, это поры, которые получаются вследствие вовлечения воздуха при перемешивании, литье или шпаклевании и действуют таким образом, что ослабляют материал в поперечном сечении. Изготовление и переработка бетона должны, следовательно, производиться так, чтобы содержание таких пор было незначительным. Во-вторых, частицы наполнителей отчасти окружены воздухом, что приводит к образованию воздушных включений. Это явление имеет место при плохой смачиваемости наполнителей и при недостаточной адгезии смолы к наполнителю. Кроме ослабления материала в поперечном сечении такие поры приводят к тому, что частички наполнителя не могут соприкасаться друг с другом для передачи усилия. Как правило, в смолорастворах и бетонах встречаются закрытые поры, капиллярные поры редки.
► Прочность
Растворы и бетоны, связанные синтетическими смолами, характеризуются высокой прочностью. Бетоны на основе реактивных смол, кроме того, быстро этой прочности достигают. Применение ускорителей полимеризации и повышение температуры также сокращают время набора прочности. В качестве грубого практического правила принято считать, что растворы и бетоны на основе реактивных смол при температуре помещения достигают:
• через 1 день около 70% конечной прочности;
• через 3 дня от 85 до 90% конечной прочности;
• через 7 дней фактически конечной прочности.
Особенно короткие сроки затвердевания имеют растворы и бетоны, связанные метакрилатными смолами.
Растворы и бетоны на основе реактивных смол имеют более благоприятное соотношение прочности на растяжение при изгибе прочности при сжатии, чем цементобетон (это соотношение для цементобетона составляет в лучшем случае 1/5). Прочность на растяжение при изгибе у этих растворов и бетонов при прочности на сжатие около 100 МПа может составлять от трети до половины прочности при сжатии и достигать четырехкратного увеличения по сравнению с хорошим цементобетоном.
Увеличение прочности при сжатии растворов и бетонов, связанных синтетическими смолами, отверждение которых происходит в зависимости от логарифма времени. Прочность стремится к предельному значению, но отверждение и после года не заканчивается полностью.
Склонность к старению растворов и бетонов на основе термореактивных синтетических смол оценивается как незначительная.
Прочность растворов и бетонов, связанных синтетическими смолами, при постоянном хранении их в воде падает, снижаясь, например, у полиэфирсмолораствора до 65—75% нормальной прочности. Бетоны на основе эпоксидной смолы после полной пропитки водой оказывают аналогичное уменьшение прочности.
Прочность растворов и бетонов на основе синтетических смол зависит далее от следующих факторов:
• Соотношение компонентов в смеси
Соотношение между смолой и наполнителем колеблется в широких пределах в зависимости от цели применения материала. При применении раствора для защиты бетона от коррозии требуется не только хорошая плотность материала, но и хорошая удобоукладываемость при шпаклевании вплоть до саморастекания покрытия. Это возможно только при высоком содержании смолы, достаточном для полного смачивания наполнителя. Граничное значение количества смолы, при котором наполнитель смачивается уже не полностью, зависит от зернового состава и с достаточной точностью может характеризоваться смолопотребностью.
При неполном смачивании наполнителя увеличивается пористость, что приводит к ослаблению материала в поперечном сечении и сильному падению значений прочности. В противоположность прочности при изгибе исходных материалов прочность при сжатии наполнителя, например кварца, как правило, выше, чем прочность при сжатии вяжущего. Кварцевые наполнители повышают прочность растворов с высоким содержанием вяжущего при условии, что прочность сцепления смолы и кварца очень высокая (рис. 4.7, кривая 7). Деформации сжатия начинаются непосредственно с жесткого смоляного каркаса. При условии полного смачивания наполнителя прочность увеличивается тем больше, чем меньше имеется смолы.
Прочность при сжатии некоторых богатых смолой растворов, однако, с увеличением степени наполнения (содержания наполнителей) падает, поскольку адгезия смолы к кварцу оказывается слабее, чем когезия самой смолы (рис. 4.7, кривая 2). Еще большее значение прочность сцепления смолы с наполнителем имеет для прочности при растяжении.
Бетоны на основе синтетических смол при слишком низком содержании смолы (рис. 4.8) имеют низкую прочность (большая пористость). Собственная прочность наполнителей и в этом случае имеет значение.
• Вяжущее и его структурирование
Степень отверждения синтетических смол и, следовательно, прочность зависят от образования макромолекулами полимерного каркаса, что, в свою очередь, находится в зависимости от отвердителей системы, температуры, модификаторов. Доминирующую роль играет прочность смолы, достижимая в практических условиях. Повышение температуры при отверждении улучшает структурирование, так как молекулы при этом обретают повышенные подвижность и реакционную активность. С ростом полимерного каркаса подвижность молекул падает, и по истечении определенного времени (4—5 дн. для реактивных смол) изменение структуры происходит очень медленно. Тепловая обработка не всегда ведет к повышению прочности. Если (например, в случае полиэфирсмолораствора) тепловая обработка производится после длительного хранения материала, то часто она обусловливает образование слишком незначительного количества свободных радикалов, недостаточного для взаимодействия с молекулами стирола и завершения процесса структурирования. Кроме того, непрореагировавшие вначале молекулы стирола со временем диффундируют из материала наружу.
Влияние модификаторов на структуру и собственную прочность смолы представлено на примере раствора на основе модифицированной эпоксидной смолы (рис. 4.9). Использованные в данном случае модификаторы действуют следующим образом. Трифенилфосфит как реакционноактивный ускоритель непосредственно участвует в отверждении смолы при взаимодействии ее с отвердителем, обусловливая дополнительную сливку макромолекул. Реакционно-активный разжижитель изобутилглицидэфир хотя и связывается молекулами эпоксидной смолы, однако при этом разрушает полимерные цепочки и таким образом препятствует структурированию. Низковязкие разжижители дибутилфталат и толуол не взаимодействуют с компонентами системы эпоксидная смола — отвердитель. Они и после отверждения остаются между молекулами эпоксидной смолы, "разрыхляя" структуру.
Аналогичным образом модификаторы действуют и в отношении других смол.
Далее большое влияние на структурирование смол оказывает отвердительная система. Например, в случае эпоксидных смол аминные отвердители обусловливают лучшую сшивку молекул, чем по-лиаминоамиды, что приводит к разнице в прочности до 30%.
• Влажность наполнителей
В зависимости от вида раствора, связанного синтетическими смолами, влажные наполнители в разной степени негативно сказываются на механических свойствах. Причины падения прочности при использовании влажных наполнителей уже были названы ранее. Чем незначительнее содержание смолы, тем сильнее падение прочности. Для уменьшения этого эффекта кроме сушки рекомендуется использование силанов. Силановые активаторы сцепления представляют собой химические соединения с органокремниевыми функциональными группами у атома кремния. Благодаря химическим реакциям они способны связывать между собой органические полимеры и неорганические влажные наполнители.
При незначительной влажности наполнителя прочность может быть повышена добавлением цемента. Так, например, при влажности наполнителя 1,5% по массе добавление 5% цемента позволяет достичь примерно 66% прочности при сжатии полиэфирбетона с сухим наполнителем. Вода, образующаяся в бетоне при поликонденсации фурановых смол, может быть химически связана благодаря добавлению к наполнителю гипса до 5% по массе.
• Температура использования
При повышении температуры вследствие теплового вращения молекул увеличивается подвижность отдельных сегментов макромолекул. Это увеличение подвижности в значительной мере зависит от полимерного каркаса и обусловливает изменение свойств материала. Поэтому для всех случаев применения растворов и бетонов на основе синтетических смол имеет значение зависимость механических свойств от температуры (рис. 4.10). С уменьшением содержания смолы снижается влияние температуры на прочность. При этом при охлаждении, как правило, достигается более высокая прочность (дополнительное твердение).
► Изменение формы
Растворы и бетоны на основе синтетических смол, как и цементобетоны, подвержены отчасти значительному изменению формы при действии нагрузки, при колебаниях температуры, при затвердевании, а также при поглощении и отдаче влаги.
• Эластичность и пластичность
Общая деформация состоит из идеально эластичной и зависящей от времени пластической деформации. Закон Хооке относится только к линейной области диаграммы сила — деформация, что у растворов и бетонов на основе синтетических смол имеет место только при небольших деформациях. Е-модуль является параметром, зависящим от переменных величин, в первую очередь от времени и температуры. Значения E-модуля, получаемые из ускоренных испытаний, нельзя в дальнейшем привлекать для расчета строительных деталей и конструкций. Е-модуль растворов и бетонов на основе синтетических смол находится между E-модулем смолы и Е-модулем наполнителя. Он в значительной мере обусловливается полимерным каркасом смолы.
При одинаковом зерновом составе наполнителей отмечается повышение Е-модуля с повышением степени наполнения раствора (например, при кварцевом наполнителе), однако эта зависимость не имеет линейного характера. Основывается это прежде всего на различной толщине слоя смолы вокруг зерен кварца. В случае растворов и бетонов с высоким содержанием наполнителей растяжение вяжущего ограничено, что приводит к более крутому ходу кривых и повышению линейности.
Зависимость Е-модуля от температуры в значительной мере обусловливается структурой синтетической смолы.
• Тепловое расширение
В каждом строительном сооружении встречаются вынужденные напряжения, вызываемые ограниченными возможностями изменения формы строительных материалов вследствие температурных изменений. В конструкциях с использованием растворов на основе синтетических смол величину напряжений обусловливают среди прочего различные коэффициенты теплового расширения. Так как коэффициент теплового расширения почти всех неорганических наполнителей (табл. 4.11) значительно ниже, чем коэффициент теплового расширения синтетических смол, коэффициент теплового расширения растворов и бетонов на основе синтетических смол снижается с повышением содержания в них наполнителей. Так, например, наполнитель кварц с коэффициентом расширения 11*10в-66 К-1 значительно снижает коэффициент расширения раствора на основе эпоксидной смолы с коэффициентом расширения 90*10в-6 К-1 (рис. 4.11).
Следует учитывать, что при достижении области размягчения смолы коэффициент теплового расширения растворов повышается.
• Усадка
Различают реакционную усадку, усадку при охлаждении и техническую усадку. Под реакционной усадкой понимается необратимое уменьшение объема, вызываемое химическими реакциями полимеризации, тогда как усадка при охлаждении получается в результате чисто физического эффекта снижения температуры по окончании экзотермической реакции полимеризации. Техническая усадка складывается из того и другого, но имеет место только на стадии твердения уже упрочненного материала. И, наконец, вся усадка называется свободной усадкой. На рис. 4.12 показана зависимость усадки от времени для растворов на основе реактивных смол. Наибольший вклад в общую усадку вносится на главной стадии отверждения, которая в зависимости от условий может продолжаться от нескольких минут до нескольких дней. Техническая усадка составляет незначительную часть свободной усадки. Только техническая усадка обусловливает напряжения в основе железобетонных конструкций.
Величина усадки определяется не только типом смолы, но и условиями отверждения и толщиной слоя. Так, например, при горячем отверждении и усадка при остывании, и реакционная усадка (образование более плотных полимерных сеток) значительно больше. Усадка увеличивается и с ростом толщины слоя вяжущего вследствие повышения максимальной температуры в растворе. И, напротив, усадка снижается с повышением содержания наполнителей. Например, раствор на основе эпоксидной смолы при соотношении компонентов 1:1 имеет усадку 0,8%, а при соотношении 1:5 только 0,1%. В то время как эпоксидная смола и полиуретаны обладают относительно незначительной усадкой, полиэфирные и метакрилатные смолы имеют существенно более высокую усадку. На усадку может также накладываться явление усыхания при использовании модификаторов с низким давлением пара.
• Ползучесть
Ползучесть растворов и бетонов на основе синтетических смол в значительной мере зависит от вяжущего и его способности к структурированию и обусловливается нагрузкой и температурой. Ход кривой деформации позволяет ожидать дальнейшего ее увеличения, конечное значение ее еще не достигнуто. После снятия нагрузки появляется обратная деформация, связанная с обратной ползучестью. Таким образом, существенная часть деформации, называемой ползучестью, является задержанной во времени эластичной деформацией. Величина ползучести, кроме типа смолы, в значительной мере зависит от зернового состава и наибольшего размера зерен наполнителей. При постоянном гранулометрическом составе и тонких пленках вяжущего вокруг зерен наполнителя ползучесть снижается. В то время как бетоны на основе фурановых смол имеют высокую ползучесть, растворы на основе эпоксидных смол с аминным отвердителем и высоким содержанием наполнителей, как и полиэфирсмолорастворы, обладают меньшей ползучестью под нагрузкой. В строительной практике следует учитывать, что повышенные температуры и при кратковременном воздействии должны приниматься во внимание. При первом повышении температуры имеет место такая общая деформация, какая получается при длительном испытании на ползучесть при повышенной температуре и той же нагрузке.
► Устойчивость
Высокая устойчивость растворов и бетонов на основе синтетических смол является их существенным преимуществом при применении. В противоположность цементобетонам они имеют ряд особенностей, обусловленных структурой высокополимеров, например, склонны к набуханию при действии химически агрессивных сред, имеют недостаточные огне- и жаростойкость.
• Морозостойкость
По причине низкой пористости эти растворы и бетоны более стойки к попеременному замораживанию и оттаиванию. Незначительное водопоглощение предотвращает возможные повреждения. В составных конструкциях, как, например, цементобетон, покрытый раствором на основе синтетических смол, повреждения возможны вследствие термических напряжений.
• Химическая стойкость
При химическом действии жидкостей на растворы и бетоны на основе синтетических смол в противоположность металлическим и неорганическим строительным материалам доминирующую роль играет набухание вследствие абсорбции и диффузии чужеродных молекул. Кроме химического взаимодействия синтетических смол с агрессивными средами, высокое поглощение ими чужеродных молекул ведет к нежелательному ухудшению свойств. Особенно это зависит от следующих факторов:
- пористости;
- вида вяжущего и его структурирования;
- вида, размера, концентрации и вязкости чужеродных молекул;
-температуры.
Пример взаимосвязи между структурированием смол и химической стойкостью показан на рис. 4.13. Структурирование эпоксидной смолы в случае раствора на ее основе увеличивается, например, с повышением температуры отверждения. Устойчивость против уксусной кислоты при этом сильно возрастает.
Растворы и бетоны на основе синтетических смол обладают хорошей устойчивостью против многих агрессивных сред (см. также табл. 4.12). Соответствующие данные следует брать из таблиц устойчивости. Некритическое восприятие таких литературных сведений пока проблематично, поскольку наряду с большим разнообразием этих растворов и бетонов как в отношении исходных материалов, так и температуры отверждения, различные методы и условия испытаний часто делают несравнимыми эти сведения.
Старение, реакция разукрупнения молекул вследствие термических, окислительных и фотохимических процессов, протекает чаще всего медленно и имеет небольшое значение. Причиной относительно хорошей устойчивости является незначительное проникновение ультрафиолетовых лучей в бетоны на основе синтетических смол.
• Устойчивость против повышенных температур и огня
При применении смолораствора и -бетонов в строительстве особенно следует учитывать их воспламеняемость. При оценке существенное значение имеют степень наполнения растворов и бетонов (содержание наполнителей) и наличие модификаторов, препятствующих воспламенению. Полиэфирсмолораствор горит только при действии высоких температур (горелка Бунзена, огонь сварки) и гаснет при удалении источника огня. Эпоксидные и фенольные смолы сгорают также только при непосредственном соприкосновении с пламенем; некоторые фенольные смолы не воспламеняются.
Смолорастворы и -бетоны могут характеризоваться степенью распространения огня. Под этим понимают различный характер повреждения образцов при определенных условиях испытания относительно таких критериев, как наличие повреждений, стекание по каплям, распространение тепла и дыма, падение несущей конструкции. Покрытия из эпоксидных смол по бетону, к примеру, относятся к группе "умеренное распространение огня".
Образующиеся при горении газы затрудняют не только тушение, но и вредны для здоровья вплоть до того, что приводят к смерти. Причина их токсичности заключается прежде всего в высоком содержании оксида углерода (CO), за его ядовитостью отступает на задний план раздражающее действие других газов. Заключение о токсичности газов от сгорания не точно, так как речь при этом идет о величинах, зависящих от температуры и кислорода.
► Другие свойства
Из других свойств с точки зрения технического применения на переднем плане оказывается прежде всего износостойкость.
• Износ или истираемость
Они зависят от содержания смолы, зернового состава и наибольшего размера зерен наполнителей. Высокое содержание смолы обусловливает незначительную прочность на истирание. Величина истираемости составляет, например, для растворов на основе полиэфирных и эпоксидных смол от 4 до 8 см3 на каждые 50 см2 поверхности (шлифовальный круг, см т. 3) и соответствует истираемости твердых минеральных пород.
• Теплопроводность
Теплопроводность бетонов на основе синтетических смол составляет от 0,9 до 2,3 Вт/ (м*К), в случае смесей с высоким содержанием смолы — менее 0,9 Вт/(м*К).