Исследования полимербетонов и армополимербетона
Полимербетоны — это полимеры с минеральными гранулированными наполнителями. Они отличаются друг от друга по виду связующей смолы: фурфуролацетоновой, эпоксидной, полиэфирной и т. п.
Наибольшее распространение получил полимербетон на фурфуролацетоновых смолах (мономерах ФА и ФАМ), что объясняется высокими свойствами и доступностью этих смол. Несмотря на длительность и значительный объем исследований полимербетона ФА, широкого внедрения в строительство он до сих пор не получил по той причине, что некоторые его свойства, прежде всего ползучесть и водостойкость, оставались на недостаточно высоком уровне. Лишь интенсивные разработки последних лет, выполненные в МНИТ и других институтах, позволили преодолеть эти недостатки и получить высокопрочные и химически стойкие конструкционные материалы — полимербетон и армополимербетон ФАМ.
В МИИТ разработаны экономичные составы полимербетона. При этом количество дорогостоящего компонента — мономера ФА — удалось снизить в 1,5—2 раза с одновременным упрочнением полимербетона. Например, оптимальный состав с трехфракционным наполнителем следующий 1в % по весу): мономер ФА или ФАМ — 7—8, бензосульфокислота— 1,5—2, щебень гранитный 55— 57, песок кварцевый — 24—25, микронаполнитель— 9—10. Микронаполнитель составлен из кварца, пирита или флюорита, размолотых совместно до дисперсности 0,5—1 м2/г. Компоновка микронаполнителей из бинарных смесей минералов и пород позволила повысить прочность полимербетона на 30—40%.
Установлены закономерности структурообразования полимербетона и определяющее влияние структуры на его прочность, деформативность и стойкость. Исключительную роль играют характер и интенсивность взаимодействия в контакте фая «связующее — микронаполнитель», поверхность которого составляет более 90% общей поверхности наполнителя. В связи с этим разработаны способы физико-химической активности микронаполнителей путем обработки их поверхности октадециламином, катапином, кремнийорганическими продуктами, эпоксидными смолами, хайполоном и другими материалами.
Замена гранитного щебня и кварцевого песка керамзитом и аглопоритом позволила получить легкий полимербетон с объемной массой 1500— 1700 кг/м3 и прочностью при сжатии 500—700 кгс/см2.
Полимербетон на мономере ФАМ обладает высокими механическими свойствами (табл. 1). Однако основное его достоинство в стойкости к большинству химических реагентов. Высокое химическое сопротивление полимербетона делает его незаменимым в современном строительстве, где постоянно увеличивается число предприятий с наличием агрессивных технологических сред. Исследования выявили также стойкость полимербетона к действию знакопеременных температур (300 циклов в интервале—30 + 80°С).
Особое внимание уделено изучению ползучести поскольку излишняя деформативность, как известно, является одним из факторов его применение. Установлено, что деформации ползучести полимербетона состава при сжатии сопоставимы для высокопрочных бетонов (рис. 1). Мера н характеристика ползучести легких полимербетонов ниже соответствующих величин легких цемент 1.1 х бетонов. При растяжении получено затухание текучести при напряжениях в материале до 10 кг/см2. Таким образом, длительная прочность полимербетона установлена в пределах 0,5—0,6 при пжапш и 0,15—0,2 — при растяжении. Коэффициент однородности для полимербетона определен и границах 0,6—0,8.
С учетом специфических свойств полимербетона разработаны принципы конструирования элементов п расчета конструкций из армополимербетона. Нормативная деформативность армополимербетонных конструкций обеспечивается не только совершенствованием структуры полимербетона, но и конструктивными приемами. Так, кафедрой «Строительные конструкции» МИИТ созданы комбинированные конструкции из тяжелого и легкого полимербетона и железобетона. Совмещение в одной конструкции аалеполимербетона и железобетона позволяет наиболее полно и удачно использовать положительные качества обоих материалов. Такое совмещение рационально и с экономической точки зрения, поскольку стоимость полимербетона при современном \ ровне цен в 3—5 раз превышает стоимость бетона.
Наметились два пути в создании комбинированных конструкций. По одному из них в растянутую зону изгибаемых железобетонных элементов укладывается полимербетон либо непосредственно при бетонировании балки, либо повторной операцией после схватывания бетона. Обычно применяется полимербетон на эпоксидно-битумном и эпоксидно-каменноугольном связующих, характеризующийся прочностью при растяжении 70 кгс/см2 и предельней растяжимостью 0,01%, а также хорошим сцеплением с влажным бетоном. При высоте полимер- бетонного слоя, равной четверти общей высоты сечения, трещиностойкость балок увеличивается в 3,5—4 раза, а прочность почти в 2 раза. Совместная, работа полимербетона с цементным бетоном и арматурой обеспечивается надежно вплоть до исчерпания несущей способности двухслойной балки (рис. 2).
Оптимальная высота модифицирующего слоя установлена в пределах необходимой для погружения арматуры в полимербетон. Однако эффект упрочнения и повышения трещиностойкости балки сохраняется при уменьшении полимербетонного слоя даже до 1 мм, т. е. фактически при устройстве полимерного покрытия по растянутой грани элемента (увеличение трещиностойкости на 60—70%).
Другим решением комбинированной конструкции является изгибаемый элемент из сталеполимербетона, в сжатую зону которого при бетонировании помещен железобетонный вкладыш, ограничивающий прогиб конструкции при нагружении. Железобетон защищен со всех сторон полимербетоном, следовательно, такая балка является химически стойкой конструкцией. Такие конструкции, особенно эффективны при использовании легкого полимербетона.
В связи с этим разработан легкий керамзитополимербетон ФАМ и исследованы его механические свойства в воздушно-сухих и влажных условиях (рис. 3). Видно, что водное хранение понизило призменную прочность примерно на 40%, а деформативность возросла в 2—2,5 раза. Из керамзитополимербетона изготовлены комбинированные балки длиной 1,2 м.
Показательно, что деформативность комбинированных элементов, усиленных жесткими армосистемами, после выдерживания в воде возросла только на 10—15% (рис. 4 и 5). Как видно из рисунков деформативность обычно армированной сталеполимербетонной балки № 55 за 1,5 года в 1,5—1,7 раз превысила деформативность Салки ЛЬ 54 (комбинированной). При этом тенденция к затуханию ползучести обычной балки выражена слабее по сравнению с комбинированными балками.
Установлено, что комбинированные конструкции даже из легкого полимербетона могут надежно эксплуатироваться в самых тяжелых влажностных условиях. Армирование таких конструкций целесообразно производить сварными каркасами, растянутая арматура которых жестко связана со вкладышами, расположенными в сжатой зоне, а в окружающий полимербетон вводится мелкозернистая арматура для восприятия и нивелировки усадочных напряжений.
Наряду с созданием и изучением полимербетонов изыскиваются пути рационального внедрения конструкций из армополимербетона в строительстве. Разработана конструкция облегченной шахтной крепи, применение которой повышает производительность труда проходчиков на 10—15%. Выполнена проходка путем проталкивания канализационного коллектора, кольцевые элементы которого изготовлены из полимербетона. Десятилетняя эксплуатация коллектора подтвердила его химическую стойкость и герметичность. Полимербетоны применены для крепления шахтных стволов калийных рудников, подверженных воздействию агрессивных подземных вод с высоким гидростатическим давлением. Работы начального периода доказали возможность создания из полимербетона конструкций различных размеров и очертаний. Выбор объектов применения носил, в известной мере, случайный характер. Приготовление полимербетонной смеси производилось по технологии, принятой для обычного бетона и железобетона. Вопросы создания заводской технологии изготовления конструкций из армополимербетона не получили на этом этапе должной разработки.
Диэлектрические свойства и химическая стойкость полимербетона побудили применить его для изготовления опор контактной сети (табл. 2) и шпал, предназначенных для участков железных дорог с почвенной и атмосферной коррозией. Опоры готовились в формах, используемых для изготовления преднапряженных железобетонных опор двутаврового профиля, и, следовательно, имели те же размеры и очертания.
Длина опор 13,6 м. Изготовлены и испытаны 4 опоры, в том числе одна с преднапряженной арматурой. С целью повышения жесткости одна опора была снабжена железобетонным вкладышем, расположенным в сжатом от нагрузки поясе. Установлены соответствие сталеполимербетонных опор нормативным требованиям и полезность предварительного натяжения арматуры в конструкциях из сталеполимербетона.
Шпалы из сталеполимербетона готовились на киевском заводе преднапряженными (аналогичными железобетонным шпалам С-56-2). Армирование шпал производилось высокопрочной проволокой диаметром 3 мм. Общее число проволок — 44. Напряжения в полимербетоне от обжатия составили 15—20% предела прочности. Твердение полимербетона в изделиях протекало при температуре 16— 18°С без внешнего прогрева. Распалубка шпал и передача натяжения на полимербетон производились через 12 сут. Предел прочности полимербетона к этому моменту достиг 550 кгс/см2. Общее падение напряжения в арматуре составило около 1000 кгс/см2.
Кафедрой разработаны основы рациональной технологии полимербетонов, на которые получено б авторских свидетельств. Четкое фракционирование и физико-химическая активация наполнителей, раздельное приготовление смеси и интенсивное уплотнение ее в изделиях, ускоренная термохимическая обработка позволили получать равнопрочные, и экономичные элементы конструкций из сталеполимербетона. На базе предложенных принципов разработана заводская технология, которая реализована при строительстве завода химически стойких конструкции из сталеполимербетона в Белорусской ССР. Научное обоснование технологии выполнено кафедрой, проектирование и строительство завода осуществлено ПКБ и трестом Химремстроймонтаж.
В 1971 г. заводом изготовлялись плиты, предназначенные для замены вышедших из строя железобетонных плит перекрытий прядильных цехов заводов искусственного волокна, подвергающихся сильнейшей коррозии, вследствие чего они выходят из строя через 4—5 лет. Периодические ремонты их связаны с большими затратами и сопряжены с остановками основного производства, потери от которого многократно превышают расходы на восстановление конструкций. Сталеполимербетонные ребристые плиты имеют размер 5660X1190 мм с высотой ребра 350 мм.
Несмотря на повышенную стоимость таких плит, эффективность их применения очевидна. Расчеты, проведенные ПКБ треста Химремстроймонтаж применительно к конструкциям светлогорского завода искусственного волокна, показали, что годовой экономический эффект от внедрения сталеполимербетонных плит составит около 3 млн. руб. Таким образом, завод конструкций из сталополимербетона производительностью 10 тыс. м3 в год способен обеспечить высокую экономию средств на противокоррозионных работах.
Дальнейшее совершенствование методов расчета и технологии изготовления сталеполимербетон- ных конструкций еще больше повысит их эффективность и расширит масштабы их применения, в первую очередь в коррозиестойких конструкциях зданий и сооружений химической промышленности.