Материалы и изделия на основе компаундированных и комбинированных вяжущих веществ

Компаундированные вяжущие вещества (компаунды), получаемые сплавлением или смешением органических вяжущих веществ различных видов и марок, используют в основном для производства кровельных, гидроизоляционных и герметизирующих материалов и изделий. Но они могут применяться также и для бетонов типа асфальтовых или полимерных, полимерцементных.

Герметик получают на основе двух синтетических каучуков — этиленпропилен-каучука (СКЭП) и бутилкаучука БК с молекулярной массой выше 20 000. Оба синтетических каучука смешивались на вальцах при температуре 60—80°С в течение 10 мин до однородного состояния; затем в массу в качестве мягчителя добавляли минеральное масло ИС-30 и наполнитель — сепарированный мел. Затем масса подвергалась окончательному перемешиванию в течение 30 мин при той же температуре. Каждый компонент, вошедший в состав герметика, выполняет наиболее характерные для него функции: этиленпропиленовый каучук формирует подвижную пространственную сетку мастики; бутилкаучук увеличивает клейкость этого каучука; мягчитель снижает вязкость системы, что особенно важно при внесении герметика в шов; наполнитель упрочняет систему, способствует быстрому нарастанию теплостойкости мастики. Эти компоненты имеют и другие функции, но указанные в основном обусловливают качество нетвердеющего герметика.

Существенно улучшает качество асфальтовых бетонов использование компаундированного битума с добавлением в него резино-каучуковых веществ. У асфальтобетонов повышаются упруго-эластические и теплостойкие свойства, морозои температуростойкость. За рубежом и в нашей стране накопился достаточный опыт добавления каучука и резины в битумы. Наиболее эффективное воздействие на битумы оказывает натуральный каучук и синтетический gR-S марки П. По данным автора, резина (протекторная крошка) резко повышает эластичность битумов, например уфимского: при введении в него резины в количестве 20% кратковременная эластичность возросла почти в 3 раза, а у дрогобычского — в 6 раз по сравнению с исходным битумом. Соответственно у асфальтового вяжущего вещества — на 75% и в 4—5 раз, а с люберецким битумом — в 15—20 раз. По абсолютной величине кратковременная эластичность оставалась наиболее высокой у асфальтовяжущего вещества с уфимским битумом. Рациональное количество резинового порошка, добавляемого в битум и асфальтобетон при заданной температуре, устанавливается экспериментальным путем по оптимальной величине Б/П.

Другим возможным способом обогащения битума каучуковым веществом является впрыскивание каучукового латекса в битум в процессе его горячего потока (200—210°С), чтобы обеспечивалось сравнительно мгновенное и полное испарение воды из латекса, но исключалась возможность деполимеризации каучука. Получаемый новый компаундированный материал, именуемый как гуммированный битум, обладает повышенной эластичностью, увеличивающейся при одновременном добавлении в него серы или серосодержащих органических соединений. За рубежом используется накопленный опыт по компаундированию битума полимерами — эпоксидной смолой, полиэфирной смолой. Получаемый ИСК именуется нередко как «эпон-асфальт». Он отличается высокой прочностью при растяжении и сжатии, высокой сопротивляемостью органическим (нефтяным) растворителям и щелочам, а в эксплуатационный период — высокой теплостойкостью и долговечностью.

Компаундированными вяжущими с применением в них кумароновой смолы, глифталевых и идиоловых полимеров, а в зарубежной практике — светлых синтетических битумов, а также полимеров, пользуются при изготовлении цветных асфальтовых бетонов для устройства парковых дорожек, оформления городских площадей и скверов, пешеходных переходов и других объектов.

Материалы на основе комбинированных вяжущих веществ. Комбинированные вяжущие вещества позволяют изготовлять высококачественные материалы с конгломератным типом структуры. Среди них более часто встречаются комбинации на основе неорганических и органических соединений. В первую очередь это относится к полимерцементным бетонам, бетонополимерам и цементно-полимерным бетонам.

Полнмерцементные бетоны получают на основе традиционных минеральных вяжущих веществ — портландцемента, глиноземистого цемента, извести, гипса, жидкого стекла и др. С принятым неорганическим веществом объединяется мономер или полимер (пропиловый спирт, пропилен, пропиламин и др.), находящийся в виде водного раствора. После отверждения образуется своеобразный полимерцементный (или иного названия) камень, как матричная часть ИСК. Количество вводимого мономера (или полимера) составляет 4—10% или более по массе в пересчете на сухое вещество. В результате прочность бетона (или другого материала) заметно увеличивается при испытаниях на растяжение, изгиб и ударную нагрузку, повышается химическая стойкость ИСК и адгезионная способность вяжущего компонента. Возрастает морозостойкость и водонепроницаемость. Вместе с тем, снижается скорость микроструктурообразования, возможен рост усадочных явлений. Так, например, отмечено, что гидролиз и гидратация алита и СзА в водных растворах мономеров или полимеров замедляется. Наблюдается тенденция к увеличению основности гидроалюмината кальция при росте концентрации СзАНб. Также используются водорастворимые полимеры — эпоксидные смолы С-89, карбамидные смолы, поливиниловый спирт, метилцеллюлоза и др.

Для получения полимерцементного бетона возможно вместо водного раствора полимера (мономера) вводить водную дисперсию полимера, например поливинилацетатной дисперсии, бутадиен-стирольного латекса или латексные дисперсии. Можно также использовать нерастворимые в воде полимеры, например эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые и другие олигомеры, способные с помощью соответствующих эмульгаторов образовывать достаточно устойчивую эмульсию, при интенсивном перемешивании с минеральным вяжущим веществом.

Бетонополимеры получают путем обычной технологии цементного бетона, однако на завершающей стадии твердения бетонного изделия производится его вакуумная сушка и последующая пропитка мономером. Среди употребляемых мономеров — метилметакрилат, стирол, низкомолекулярные эпоксидные смолы, ФАМ и др. Они заполимеризовываются в порах цементного камня и бетона под влиянием кислорода воздуха, повышенных температур, отвердителей и др. Пропитка полная или только верхнего слоя на глубину 10—20 мм изделия снижает сквозную пористость, повышает прочность исходного цементного бетона. Его предельная прочность при сжатии может составить до 120—300 МПа. Возрастает в 3—4 раза сопротивление истиранию. Резко снижается ползучесть с возрастанием модуля упругости. Повышается морозостойкость, увеличиваясь с 200 до 500 циклов, водонепроницаемость, химическая стойкость. Но введение мономера удорожает бетон, поэтому его используют в ответственных конструкциях, при производстве тюбингов и др.

Порошкообразный водонерастворимый полимер или мономер может быть внесен в бетон как обычный наполнитель на стадии производства бетонной смеси. Для придания дисперсной системе повышенной гидрофильности в нее вводят ПАВ.

Из неорганических веществ для пропитки бетона применяют жидкое стекло и серу. Состав серных бетонов: сера 58—70%, минеральный наполнитель 30—40%, пластификатор 1—4%. При температуре 180—200°С и последующем быстром охлаждении образуется полимерная сера: в макромолекуле находятся многие десятки тысяч атомов серы.

Цементно-полимерный бетон получают так же, как и полимерцементные. Однако количество вводимых полимеров ограничивается 1—3% по массе или даже меньше (в пересчете на сухое вещество). Присутствие полимера в бетоне даже в таких малых количествах приносит техническую пользу.

Фибробетон — разновидность цементного бетона, в котором достаточно равномерно распределены обрезки — «фибры». Под этим собирательным названием подразумеваются волокна из металла, отрезки тонкой стальной проволоки, отходы гвоздевого производства и др., а также из щелочестойкого стекловолокна, полимеров (главным образом полипропилена) и т. п. Фибра в бетоне выполняет функции армирующего компонента, что способствует улучшению качества бетона (фибробетона), повышает его трещиностойкость и деформативность. Вследствие того, что фибра вносится в процессе перемешивания, распределение волокон становится неорганизованным, хотя вибрационное воздействие на бетонную смесь при уплотнении благоприятствует направленному размещению отдельных волокон. При параллельной ориентации их к действию растягивающих усилий на изделие из фибробетона прочность последнего значительно (в 2—3 раза) возрастает по сравнению с хаотическим (объемно-произвольном) армированием, когда меньшая часть волокон участвует в восприятии усилий от нагрузок.

К фибре предъявляются определенные технические требования, например в отношении ее химической стойкости к щелочной среде бетона, длины волоконец по сравнению с их диаметром (не менее 10:1). По зарубежным данным, оптимальным является отношение lid = 100—150. Требования также касаются показателя прочности на растяжение, модуля упругости, адгезии к бетону, коэффициента линейного расширения и др. Концентрация фибры в объеме бетона устанавливается на стадии проектирования оптимального состава и зависит, в частности, от ее комкуемости при перемешивании бетонной смеси. Рациональное содержание армирующих волоконец в бетоне уменьшается по мере увеличения количества крупного заполнителя, особенно после 30—35% его по массе. Предельное насыщение матрицы стальными волокнами при обычном способе перемешивания составляет 2—3%, стеклянной — 3—5%.

При упрочнении матрицы оптимальной структуры фиброй упрочняется и ИСК, что соответствует закону конгруэнции.

Исследования показывают, что при использовании нейлона, полиэтилена, полипропилена и других армирующих волокон с низким модулем упругости увеличивается их относительная растяжимость, а у фибробетонов и других ИСК повышаются ударная вязкость, сопротивляемость истиранию и выкалыванию линз, каверн и т. п. Применение волокон из стали, щелочестойкого стекла, асбеста и других волокон с высоким модулем упругости (по сравнению с матрицей) увеличивает прочность бетона (ИСК) при растяжении и даже сопротивляемость динамическим воздействиям. Более целесообразно — комбинирование армирующих волокон.

Эффективным является введение фибры, подвергшейся поверхностной обработке полимерными веществами или их компаундами. Максимальные прочностные показатели (например, при сжатии до 40 МПа и более) достигаются при 3%-ном содержании фибры (по объему) и длине фибры 40—45 мм.

В технологии фибробетона наиболее трудной операцией является перемешивание бетонной смеси с фиброй. В основном пока используют обычные типы мешалок — барабанные, растворные с принудительным лопастным перемешиванием. Однако дальнейший успех эффективного фибробетона связан с совершенствованием технологии и разработкой специальной техники, способной обеспечить высокое качество перемешивания разнородных компонентов при любых необходимых количествах волокон в бетонной (растворной) массе.

Фибробетоны применяют в сборных и монолитных конструкциях, работающих на знакопеременные усилия. В нашей стране эта прогрессивная разновидность бетона не получила массового распространения, хотя используется на некоторых строительных объектах, например при возведении станций Московского и Санкт-Петербургского метрополитена для заполнения зазоров в металлических и железобетонных конструкциях, на МКАД с использованием в их конструкциях стеклофибробетона. В других случаях, например на третьем транспортном кольце Москвы, стеклофибробетон используют в качестве несъемной опалубки-облицовки в тоннелях путепровода.