Получение пластобетонов и области использования их в строительстве

В настоящее время разрабатываются и осваиваются способы получения новой разновидности бетонов, еще не нашедших широкого практического применения, но уже сейчас все больше привлекающих к себе внимание строителей. Это — так называемые пластобетоны, в состав которых вводится полимерное вяжущее (синтетические смолы).

Под общим названием пластобетоны объединяются две весьма различные группы материалов.

В первой из них минеральное вяжущее (порт лапдцемент. гипс) еще продолжает оставаться существенной суглиной частью комбинируясь в оптимальных соотношениях с полимером. В итоге, затвердевшая смесь наряду со свойствами, присущими обычному бетону, приобретает ряд дополнительных сообщенных ей полимером.

Эту группу материалов принято называть полномерцементными бетонами или сокращенно—полимербетонами.

В качестве составной части вяжущего в полимербетонах используются водные дисперсии термопластичных полимеров и латексов натурального или синтетического каучуков. Наиболее широкое применение для этих целей как у нас, так и за рубежом нашли водные дисперсии поливинилацетата.

Регулируя в смеси соотношение фаз минеральной и полимерной составляющих, можно получить В известном интервале бетоны и растворы с различным сочетанием свойств твердости и эластичности. Соотношение этих фаз регламентируется полимерцементным отношением (П/LL).

Если полнмерцементные бетоны имеют уже некоторую историю исследований в строительстве у нас и за рубежом (США. ФРГ.), то бесцементные пластобетоны сейчас впервые ставятся на службу строительства, а технология их разрабатывается и изучается.

В данное время на выбор конкретного целевого назначения того или иного вида пластобетона оказывает фактор стоимости полимера, определяющий применение материала либо в специальных тонкослойных конструкциях и отделках, либо в бетонах особой структурой, которая требует небольшого расхода смолы на единицу объема изделия.

Наиболее характерным представителем тяжелых пластобетонов является плотный органо-минеральный бетон на основе фурфурольно-ацетонового мономера, разработанный сотрудниками институтов ЦНИИПодземшахтострой и НИИПластмасс.

Продукт отверждения фурфурольно-ацетонового мономера относится к конденсационным фурфурольно-кетонным смолам, получаемым на базе фурфурола. Основным методом производства последнего является гидролиз различных отходов сельскохозяйственного производства, а также древесины н торфа.

Высокие прочностные свойства смолы, получаемой при отверждении фурфурольно-ацетонового мономера в присутствии отвердителя — бензосульфокислоты, ее высокая теплостойкость и устойчивость к различным видам химической агрессии создают необходимые условия для целесообразного применения таких бетонов при изготовлении сборных строительных конструкций в шахтном строительстве (тюбинги, армированные элементы сборной крепи, напорные трубы и др.), а также для конструкций. работающих в условиях кислотной и щелочной сред, там, где не представляется возможным применить цементные бетоны в силу их природы н свойств.

Однако плотные органо-минеральные пластобетоны могут быть использованы лишь в специальных конструкциях зданий и сооружений из-за высокого расхода синтетическом смолы, достающего 200—250 кг на 1 бетона.

Технико-экономически приемлемое решение для шрокого применения в строительстве бесцемент ныл пластобетонов было найдено в лаборатории полимербетонов ВНИИНСМа.

Известно, что бетоны крупнопористой структуры требуют сравнительно небольшого расхода вяжущего — лишь в количестве, необходимом, для создания тонкого контактирующего слоя между зернами крупного заполнителя, имеющего малую удельную поверхность.

В результате экспериментальных работ был получен легкий крупнопористый керамзитопластобетон (рис. 1) за счет связывания термореактивными смолами зерен керамзитового гравия.

Керамзитовый гравий имеет небольшую удельную поверхность (4—15 см2/г) и низкий объемный вес (Qr>0—450 кг/м3), что предопределяет эффективное использование крупнопористого пластобетона на основе керамзита в строительных конструкциях. Что же касается применения для этих целей других искусственных легких заполнителей (аглопорит. перлит, термозит, гранулированный шлак и т. п.), то они вследствие своей высокой удельной поверхности потребуют значительно большего расхода дефицитного вяжущего.


Для изготовления крупнопористого керамзитопластобетона могут быть использованы любые термореактивиые смолы, из которых наиболее подходящими для этой цели по своим свойствам являются фенолформальдегидные смолы, получаемые конденсацией одноатомных н многоатомных фенолов с формальдегидом (формалином). Фенолы в чистом кристаллическом виде получают синтетическими методами, а также выделением из продуктов термической переработки твердого топлиз. но для крупнопористого керамзитопластобетоа целесообразно использовать смолы на основе отходов различных химического производств.

Расход синтетической смолы для крупнопористого керамзнтопластобетота определяется расчетным выражением:


Толщина оболочки зависит от физико-механических свойств применяемой синтетической смолы и ее вязкости. Последняя должна находиться в пределах, препятствующих стеканию вяжущего с поверхности зерен керамзита в процессе формования смеси и ее термообработки, а также отвечать условиям образования контактов-дискретных килец—в местах соприкосновения зерен за счет сил поверхностного натяжения.

Экспериментально было установлено, что при применении фенолформальдегидных или карбамидных смол (НСМ-11, МФ-17) толщина оболочки вяжущего должна составлять 0,15—0,20 мм.

При более толстых слоях смола будет стекать с поверхности зерен сквозь открытые поры на поддон формы, а при более тонких слоях — ее не будет хватать для образования прочной связки.

Следует отметить, что предложенная формула не учитывает дополнительного расхода смолы, необходимого для заполнения открытых пор на поверхности керамзита. А он может достигать значительных величин, превышающих расчетное количество смолы в 1,5 раза.

С целью снижения расхода синтетической смолы и увеличения общего объема вяжущего, в нее вводится тонкомолотая минеральная добавка. При этом преследуется и другая цель: тонкомолотая

добавка удерживает смолу на поверхности зерен, особенно в начальный период термической обработки изделия, когда ее вязкость значительно снижается.

При выборе добавок было исследовано влияние каменноугольных зол, молотого кварцевого песка, молотого керамзита, трепела и глины на прочность отвержденных смол (рис. 2 и 3).

Из приведенных графиков видно, что наилучшими показателями для всех испытанных видов смол обладают составы с молотым песком, находящиеся в пределах весовых соотношений от 2:1 до 1:1 по весу (смола: молотая добавка). Эти соотношения отвечают введению в смолу 50—100% молотой добавки по весу. При использовании фенольных смол (СП-2, НСМ-11), имеющих малую вязкость, количество вводимой добавки сдвигается к максимальному пределу, а при использовании в качестве связующего карбамидных смол (МФ-17) количество добавки должно составлять 40—50%.

Дисперсность добавки (тонкость помола) должна соответствовать удельной поверхности порядка ; 500—2000 см2/г.

Технологические операции по производству пористого керамзнтопластобетона состоят в перемешивании компонентов, формовании и термической обработке изделия.


Влажность применяемого керамзитового гравия не должна превышать 2—3%, так как при более высокой влажности имеет место разбавление смолы, снижение ее вязкости и стекание с поверхности зерен.

Выбор отвердителя при применении карбамидных смол определяется длительностью процесса приготовления керамзитопластобетонной массы. При сильнодействующих отвердителях (соляная кислота, ортофосфорная кислота и т. п.) твердение смеси идет настолько быстро (5—7 мин.) при обычных температурах, что не дает возможности переработать и отформовать из нее изделия.

В качестве отвердителя следует применять хлористый аммонии или щавелевую кислоту, т. к. процесс полимеризации смолы при этом протекает глубже и приводит к лучшим показателям прочности.

Синтетическая смола перемешивается сначала с отвердителем, после чего в смесь вводится тонкомолотая минеральная добавка. Полученное вяжущее перемешивается с сухим керамзитовым гравием в растворо- или бетономешалках в течение 2— 4 мин.

Приготовленной бетонной смесью заполняются разъемные металлические формы. Укладка смеси в формы производится путем обычного для крупнопористого бетона легкого ее уплотнения. Надо избегать встряхивания и вибрации форм, вызывающих стекание вяжущего с керамзита.

Формы с уложенной в них керамзитопластобетонной смесью следует немедленно направлять на термическую обработку в полимеризационную камеру.

Выбор режима температурной обработки изделий из керамзнтопластобетона определяется видом применяемой синтетической смолы и толщиной изделий.

Для фенольных смол максимальная температура не должна превышать 150—160°, для карбампсных —120—130°. Подъем температуры до данной величины производится со скоростью 6— 10 град/мин., время выдержки составляет — 25— 35 мин. н остывания изделий в форме — 40—50 мин.


При изготовлении блоков из керамзитопластобетона целесообразно просасывать горячие газы снизу вверх через слой материала. Это обеспечивает сокращение времени термообработки и устраняет специфический запах изделий, создаваемый в первое время смолой. Для просасывания теплоносителя через слой материала поддон формы должен быть перфорированным, причем с отверстиями не больше 2—3 мм, чтобы избежать просыпания материала.

В случае производства изделий непосредственно на керамзитовых заводах полимеризационные камеры могут быть рассчитаны на использование в качестве теплоносителя отходящих газов вращающейся печи.

Предел прочности при сжатии крупнопористого керамзитопластобетона составляет 15—25 кг/см2 и в основном определяется прочностью заполнителя и вяжущего; в меньшей мере он зависит от расхода последнего. Количество вяжущего должно определяться условием образования контактной связки между зернами.

Практически расход синтетической смолы составляет 30—40 кг/м3 бетона. Дальнейшее увеличение количества смолы не приводит к эффективному росту прочности бетона (рис. 4). Как видно из графика, теоретически требуемое количество синтетической смолы (38 кг/м3), определенное расчетным путем для данной смеси керамзитового гравия, хорошо согласуется с опытными данными.

Следует также отметить, что при испытании на сжатие образцов крупнопористого керамзитопластобетона, в которых содержание смолы отвечало указанным пределам, во всех случаях разрушение происходило по зернам керамзита, а не в местах их контактов.

Это положение позволяет сделать вывод, что при

стяжении данных условий прочность контакта становится уже выше прочности самого керамзита к дальнейшее увеличение расхода смолы не может иметь какого-либо практического смысла.

Сочетание низкого объемного веса у крупнопористого керамзитопластобетона со сравнительно высокими прочностными показателями позволяет использовать этот материал в качестве жесткой теплоизоляции в многослойных конструкциях панелей и плоских железобетонных кровель, а низкий расход смолы делает его конкурентоспособным всем мелкоштучным жестким теплоизоляционным материалам, используемым для этих целей в настоящее время (пеностекло, пенокералит и др.).

Плиты из крупнопористого керамзитопластобетона целесообразно укладывать непосредственно на отформованный армированный слой цементного или силикатного бетона или на виброкирпичную панель с последующей их накрывкой отделочными слоями.

Вместе с тем крупнопористый керамзитопластобетон может быть эффективно использован в виде самонесущих стеновых блоков в малоэтажном строительстве, а также для устройства стен в каркасных зданиях.

Перечисленные разновидности пластобетонов охватывают далеко не все возможности получения материалов с весьма ценными строительными свойствами и различного целевого назначения с применением полимеров. Уже в настоящее время известно, что с помощью полимеров удается получать высокопрочные и водостойкие гипсовые бетоны, создать водо- и бензонепроницаемые железобетонные оболочки, работающие в условиях высоких давлений, значительно повысить коррозионную стойкость бетонов к различным видам химической агрессии и т. п.

Дальнейшее развитие химической промышленности в текущем семилетии обусловит возможность создания новых пластобетонных материалов и их широкое внедрение в строительство.