Новая технология получения плотных высокопрочных бетонов (бетоно-полимеров)
Используемый в громадных объемах цементный бетон имеет ряд несомненных положительных свойств: значительную прочность, приемлемую для многих целей плотность и, что самое существенное, высокую стойкость в атмосфере и воде. Однако существуют условия, в которых цементный бетон не является достаточно прочным, плотным и стойким. В таких условиях оказываются гидротехнические сооружения по урезу воды, некоторые дорожные бетоны, трубы и сваи (особенно в сульфатных водах) и др.
Уже ряд десятилетий для уплотнения бетона использовалась пропитка его битумом и перламутром или синтетическими смолами, но это обычно не приводило к желаемой цели ввиду высокой вязкости пропиточного материала. Прочность же бетона при этом практически не изменялась.
Существенно новая технология обработки бетона пропиткой была предложена Г. А. Туркестано- вым из НИС Гидропроекта. Сущность ее состоит в том, что бетон пропитывается низковязким мономером стирола с последующих: отверждением его в порах бетона термокатализом. В лабораторных пробах была получена высокая прочность (свыше 1000 кгс/см2 при сжатии) н морозостойкость (более 3000 циклов). К сожалению, по ряду причин эта технология не была доведена до производственного внедрения.
Аналогичная технология на более широкой основе, начиная с 1965 г. и до сего времени, разрабатывается рядом крупных лабораторий в США [1, 2], а в самое последнее время — в Дании [3] и некоторых других странах. В США изучен ряд пропиточных материалов (мономеров) и применен радиационный способ отверждения мономеров, известный по использованию в других целях, например для обработки пропитанной древесины.
Лучшим пропиточным материалом для работы бетона в обычных температурных условиях признан метилметакрилаг (оргстекло), а отверждение гамма-излучением оказалось эффективнее термокатализа. Установлено, что образцы, пропитанные метшгметакрилатом, характеризовались высокой прочностью (1000—1600 кгс/см2 при сжатии цилиндров), предельной плотностью и морозостойкостью до 7000 циклов по стандарту) США. В Дании получена прочность пропитанных образцов до 2000 кгс/см2. Прочность при растяжении при этом повышается с 25— 30 кгс/см2 для обычного, бетона до 100-115 кгс/см2, а модуль упругости с 2,5-105 до 4-У5. -105 кгс/см2.
Современная технология обработки бетона пропиткой мономерами для получения бетоно- полимеров представляется в следующем виде:
бетонные изделия изготовляются обычными приемами при соблюдении условия, чтобы бетон был по возможности плотным;
высушивается бетон при температуре 110°С в течение 10— 20 ч;
с целью удаления воздуха и паров воды из порового пространства производится вакуумирование бетона (иногда одновременно с сушкой);
подается в герметическую камеру (типа автоклава) мономер (стирол, метилметакрилат и т. п.) и производится пропитка бе- тоиа (желательно под давлением азота);
готовое изделие извлекается из камеры, а находящийся в порах мономер отверждается гамма- радиацией или термокатализом, т. е. прогревом при определенном режиме, причем во втором случае в мономер вводится катализатор;
для того чтобы мономер не испарился еще до его отверждения, изделие рекомендуется оборачивать в плотную пленку или окунуть в форполимер.
Сушку, пропитку и облучение обычно призводят на ограниченную толщину, т. е. описанная технология пригодна преимущественно для изделий (плит, блоков, труб), но не для монолитного бетона.
Процесс облучения или прогрева должен быть тщательно разработан и выполнен специальным персоналом, так как при этом требуется соблюдение особых правил техники безопасности.
Как видно из приводимого описания, новая технология получения плотного высокопрочного бетона не является простой и дешевой. По американским данным, стоимость бетона при этом удваивается, по датским — утраивается, причем предполагается уже достаточно налаженное производство. Удорожание складывается из стоимости пропиточного материала (100— 150 л на 1 м3) и стоимости обработки.
Технология получения пропитанных мономерами бетонов (бетоно-полимеров) в 1970—1971 гг. проверялась и разрабатывалась также в СССР — в НИИЖБ, ВИА, ИФХ АН СССР [4] и подтверждена ее эффективность.
Лучшие результаты получаются при пропитке метилметакрилатом и несколько ниже при пропитке моностиролом. Однако стоимость стирола приблизительно в 2 раза ниже.
Бетон может быть пропитан целиком на глубину 12—15 см или только частично — на 1—2 см, что существенно влияет на стоимость обработки. Установлено, что при пропитке плотных бетонов (марок 700—900) мономера поглощается только 2—3% по весу, тогда как для менее плотных бетонов поглощение может составлять от 6 до 10% с расходом мономеров от 50 до 200 л на 1 мя. По-видимому, экономичнее пропитывать плотные бетоны.
Отверждение мономера в порах бетона может производиться как термокаталиаом, так и гамма-радиацией, причем последний способ дает лучшие результаты, но технология его сложнее.
Незаконченные испытания на стойкость показывают, что бетоно" полимеры характеризуются весьма высокой морозостойкостью и сульфатостойкостью. Что касается кислотостойкости, то повышение ее остается ограниченным, так как остающийся в бетоне портландцемент постепенно разрушается.
Установлено также, что бетоно-полимеры обладают высокой диэлектричностью, которая мало снижается и при увлажнении.
По нашим и зарубежным данным способом бетоно-полимеров вероятней всего могут изготовляться следующие изделия и конструкции:
армированные и неармированные трубы для воды, нефтепродуктов и слабо токсичных жидкостей; особо плотные и прочные плиты и блоки для облицовок, работающих в атмосферных условиях, в воде и при тяжелых нагрузках; конструкции для опреснительных установок; подводные конструкции; электротехнические изоляторы (траверсы); конструкции специального назначения, где требуется особо высокая прочность, плотность и стойкость.
Касаясь задач исследований бетоно-полимеров на ближайшее время, укажем на более важные вопросы, решение которых будет способствовать внедрению новой технологии в производстве плотных высокопрочных бетонов.
Применение бетоно-полимеров должно установить сравнимость лабораторных и производственных испытаний. Такое сравнение было бы целесообразно в отношении пропитки предварительно изготовленных труб, туннельных опор и облицовок с пропиткой их на месте работ в качестве защиты и ремонта бетонов.
Дальнейшие исследования должны быть направлены на улучшение технологии получения бетонов типа полимербетонов и полимерцементных бетонов при использовании отверждения как радиацией, так и термокатализом.
Необходимо изучить влияние бетонов разного состава, плотности и способов их вызревания на получаемую прочность бетонополимерных материалов.
Продолжая испытания на долговечность бетоно-полнмеров, необходимо исследовать их на длительную стойкость при повышенной температуре, огнестойкость, атмосферостойкость, ще- лочестойкость и стойкость к действию почвенных микроорганизмов. Нужно получить прочностные данные для неармиро- ванных и армированных образцов с целью обоснования расчетных характеристик.
Должны быть получены граничные данные — максимум и минимум прочности для данного мономера, а также разработаны приемлемые методы качества бетоно-полимерных материалов и методы соединения (омоноличивания) блоков и бетоно-полимеров.
В заключение укажем, что необходимо начать капитальные исследования механизма образования бетоно-полимеров для дальнейшего их улучшения, разработать и опробовать методы конструирования бетоно-полимеров.