Состав полимербетона — основные компоненты, характеристики

Использование бетона является обязательным при любом строительстве (промышленном, дачном, частном).

Без этого материала не обойтись при облагораживании садовых участков, утеплении конструкций и т.д.

На помощь строителям пришел новый класс материалов – полимерный фибробетон.

Изготовить его можно самостоятельно, используя при этом отходы пластика, которые в буквальном смысле лежат под ногами. Несложная технология изготовления полимербетона позволяет осуществить этот процесс своими руками.

В этой статье пойдет речь о производстве полимербетона на основе вторичных полимеров.

Преимущества полимерного бетона

Армировать бетон строители научились достаточно давно. Еще в начале прошлого столетия был запатентован способ упрочнения бетона металлом.

Использование же в качестве усиливающих агентов полимеров появилось относительно недавно.

Пластик имеет ряд преимуществ, которые способны потеснить традиционные армирующие материалы: металл и стекло. Полимер более технологичен, он удобен и безопасен в обращении.

Многие строители отрицательно отзываются о пластике, поскольку он может комковаться при смешивании. Сейчас есть множество добавок, которые помогут решить эту проблему.

Полимер более легкий, чем металл или стекло. Поэтому он даже способен несколько облегчить конструкцию. Пластмассовые армирующие частицы устойчивы к коррозии и атмосферному воздействию. Можно добиться такого соотношения ширины и длины волокна, которое позволит упрочнить бетон в несколько раз по сравнению со стандартным образцом.

Полимербетон

Раствор и бетон, изготовляемые из портландцемента, известны во всем мире в качестве строительного материала уже в течение 160 или более лет. Однако цементный раствор и бетон имеют некоторые недостатки, такие, как замедленное твердение, низкая прочность при изгибе, большое трещинообразование при высыхании и низкая химическая стойкость. Для преодоления этих недостатков пытались использовать полимеры. Одним из таких направлений является создание модифицированного полимерами раствора (полимерцемента) или бетона. Для этого применяют модификацию обычного цементного раствора или бетона такими полимерными добавками, как латексы, порошкообразные эмульсии, водорастворимые полимеры, жидкие смолы и мономеры. Раствор и бетон, модифицированные полимером, имеют монолитную структуру, в которой органическая полимерная матрица и матрица цементного геля гомогенизируются. Свойства раствора и бетона, модифицированного полимером, определяются такой совместной матрицей. В системах, модифицированных латексом, порошковыми эмульсиями и водорастворимыми полимерами, дренаж воды из этих систем при гидратации цемента приводит к образованию плёнки или мембраны. В системах, модифицированных жидкими смолами и мономерами, добавка воды стимулирует гидратацию цемента и полимеризацию жидких смол или мономеров.

Первый патент на применение полимерцемента был выдан Крессону в 1923 г. Он касается материала для покрытий с природными каучуковыми латексами, при этом запатентованный цемент был использован в качестве основы. Первый патент такой системы, модифицированной полимерным латексом, был опубликован Лефебром в 1924 г. По-видимому, он — первый исследователь, который намеревался создать растворы и бетон, модифицированные латексом, используя природные каучуковые латексы, путём подбора состава при смешивании. Этот патент важен с исторической точки зрения. Подобная идея была запатентована Кирпатриком в 1925 г. В 20-е и 30-е годы были разработаны раствор и бетон, модифицированные полимерами, с использованием природных каучуковых латексов.

С другой стороны, в 1932 г. был выдан патент Бонду, который впервые предложил использовать синтетические каучуковые латексы для систем, модифицированных полимерами. В 1933 г. был выдан патент Родвеллу, который первый применил латексы синтетических смол, включая поливинил-ацетатные, для модифицированных систем. Другими словами, 1930-е годы стали поворотной точкой в использовании латексов в качестве модификаторов цемента (от природных каучуковых латексов до латексов синтетического каучука или смол).

В 1940-х годах были опубликованы некоторые патенты на системы, модифицированные полимером, с такими синтетическими латексами, как латексы полихлоропренового каучука (неопрен) и полиакрил-эфирные латексы. Для-практического применения были разработаны растворы и бетоны, модифицированные поливинилацетатом. С конца 40-х годов модифицированные полимерами растворы и бетоны стали использоваться для покрытий палуб кораблей, настилов мостов, мостовых, полов, а также в качестве антикоррозионных покрытий. В Великобритании Гриффитсом и Сти-венсом были проведены исследования по использованию систем, модифицированных природным каучуком. В то же время большой интерес вызвало использование синтетических каучуков в модифицированных полимерами системах. В 1953 г. Гэйст и др. опубликовали детальное исследование о растворах, модифицированных поливинилацетатом, и внесли ряд ценных предложений относительно развития модифицированных полимерами систем.

В 60-е годы бутадиен-стирольный каучук, полиакриловый эфир и поливинил иденхлоридвин ил хлор ид были применены для модификации растворов и бетонов. С этого времени практические работы по исследованию и развитию модифицированных растворов и бетонов значительно продвинулись в различных странах, в частности в США, СССР, ФРГ, Японии и Великобритании. Соответственно появилось значительное число публикаций, включая патенты, книги, статьи и доклады. Главные и важнейшие из этих исследований приведены ниже.

Патенты: Е. И. дю Пон де Немур энд Ко.; Мастер Механике Ко.; Америкэн Цианамид Ко.; Доу Кеми-кал Ко.; Онода Цемент Ко..
Книги: Ю. С. Черкинского; Намики и Охама; В. И. Соломатова; Сатал-кина и др.; Патуроева; Вильсона и Крипса; ACI Committee 548.
Статьи: Вагнера; Петри; Мори, Кавано, Охама и др.; Охама.
Доклады, представленные на основных конгрессах и конференциях по полимерам в бетоне.

Недавно во всем мире стали широко применяться такие полимерные латексы, как бута-диенстирольный каучук, полиакриловый эфир, поливинили-денхлоридполивинилхлорид, полиэтиленвинилацетат и поли-винилацетатные латексы. В Японии были изданы JIS (японские промышленные стандарты), влючающие несколько стандартов по качеству и методам испытаний модификаторов цемента и растворов типа латекса:

JIS A 1171 Изготовление образца для испытаний модифицированного полимером раствора в лаборатории
JIS A 1172 Испытание на прочность модифицированного полимером раствора
JIS A 1173 Испытание на осадку конуса модифицированного полимером раствора
JIS A 1174 Испытание на определение удельного веса и содержания воздуха (гравиметрическое) чистого, модифицированного полимером раствора

В 1971 г. Дайку, Штайнберг и др. исследовали ряд других систем. Доннелли и Дафф запатентовали системы, основанные на эпоксидных смолах, соответственно в 1965 и 1973 гг. В. 1959 г. была запатентована система с уретановым преполимером.

Метилцеллюлоза, очень популярная в качестве водорастворимого полимера, используется как модификатор цемента, а с начала 60-х годов она также широко применялась в производстве клеящих модифицированных растворов для керамических плиток. В этом случае содержание полимера составляет 1 % или менее от используемого цемента. Ши-базаки показал, что такие полимеры, как гидроксиэтил-целлюлоза и, поливиниловый спирт, эффективны в качестве водорастворимых полимеров для модификации растворов. В 1974 г. Рамеси и Разл опубликовали обобщающий обзор по модифицированным полимерами системам.

Настоящая глава посвящена технологии производства, свойствам и применению различных модифицированных растворов и бетонов.[2]

Некоторые виды изделий из полимербетона:

Столешницы из «искусственного камня». В данном случае пластоцемент наполняют мраморной или гранитной крошкой, что придаёт ему декоративные свойства.
Раковины для химических лабораторий. Пластоцементы обладают высокой химической стойкостью, что позволяет их использовать таким образом.
Двухкомпонентные шпатлёвки и грунтовки.
Наливные полы.
Изделия для оборудования, декорирования надгробных памятников и других мемориалов.
Художественные декорации (Ландшафт, интерьер, архитектура).
МАФ
Фонтаны, водопады, аквапарки.

Рецептура и состав

Содержание армирующего наполнителя никак не отражается на основной рецептуре бетона.

Фото 2
Вот примерное соотношение компонентов, рекомендуемое для приготовления смеси:

Цемент. Берется из расчета 1 части. В зависимости от типа производимых работ, можно выбрать быстро отверждаемые марки, либо стандартные.
Песок. В рецептуру рекомендуется добавлять из расчета 4 части на 1 часть цемента. Для более прочных марок допустимо уменьшить пропорции до 3 частей. Требования к качеству песка довольно высокие. Его нужно хорошо просеять от крупных частиц и при необходимости промыть водой. Такая процедура позволит сделать матрицу прочнее.
Армирующие компоненты. Измельченный пластик рекомендуется добавлять из расчета от 3 до 10 килограмм на 1 кубометр смеси.
Пластификаторы. Это тип добавок, улучшающих пластичность смеси при заливке и повышающих прочностные характеристики. Дозировка указана на упаковке, обычно стандартно вводят от 0,25 до 0,50% от общей массы.
Гидрофобизатор. Позволяют повысить устойчивость к водной эрозии, поскольку создают слой на поверхности бетона. Дозировка небольшая, до 0,5%, в зависимости от рекомендации на этикетке.

Этапы изготовления

Технология создания полимерного композитного бетона и изготовление продукции будет предусматривать такие этапы:

Подготовка всех компонентов.

Смешивание.

Формирование.

Рассмотрим все по отдельности. Во время изготовления материала самым главным является оптимальный подбор всех компонентов, которые будут соответствовать назначенной цели.

Как подготовить все компоненты

Когда вы ознакомитесь с составом композита, подготовьте все составляющие для того, чтобы выполнить замешивание:

Очистите все от инородных добавок, промойте гравий, который будет играть роль заполнителя.
Просейте кварцевый песок.
Просушите фракцию, чтобы удалось обеспечивать концентрацию влаги до 1%.

Как делать смесь?

Изготовление смеси

Полимерный состав следует готовить по предложенному алгоритму:

Поместите щебень в миксер, а также добавьте кварцевый песок и заполнительный ингредиент, при этом соблюдайте последовательность, предложенную в инструкции.

Смешайте компоненты, причем процесс должен длиться примерно 2 минуту, добавьте горячую воду и выполните повторное смешивание.

Размягчите связующий компонент при помощи такой добавки, как растворитель.

Введите пластификатор внутрь смолы, хорошенько смешайте.

Размешайте связующие вещества с заполнителем, введите компонент для отвердевания.

Тщательно смешивайте состав примерно 3 минуты.

Теперь, когда состав готов, следует сразу ж приступить к заливке, так как материал имеет свойства быстро затвердевать.

Заливка

Выполняйте работы и при этом соблюдайте следующее последовательность:

Нанесите смазочное масло на поверхность формы или же используйте вместо него технический вазелин, что поможет исключить прилипание.
Заполните при помощи композита емкость, выровняйте поверхность.
Уплотните раствора на площадке вибрационного типа.
Готовое изделие можно достать через сутки, не ранее.

На этом инструкция заканчивается, остается лишь радоваться плодам своих рук.

Требования к армирующим пластикам

В качестве усиливающего компонента рекомендуется использовать полиолефиновые марки (полиэтилен, полипропилен). Они удачно сочетают в себе прочность и гибкость, что позволяет не ломаться при воздействии нагрузки.

Полиолефины отличаются морозостойкостью, которая позволит армирующей добавке противостоять атмосферному воздействию и даже проводить работы при отрицательных температурах.

Пластик наиболее проявляет свои усиливающие свойства тогда, когда соблюдается большое соотношение длины и ширины кусков.

Поэтому качественный и правильный упрочняющий материал можно получить экструзией и резкой на рубильном станке соответствующего полимера.

Фото 3
Эта технология более затратная и трудоемкая, но полученный таким способом армирующий пластик может использоваться даже в промышленном строительстве.

Если не стоит задача получить бетонную смесь для фундаментальной застройки, то можно использовать дробленый на мелкую фракцию пластик.

Для равномерного распределения полимера по матрице лучше предварительно обработать его замасливателем.

Это силиконовые составы, например, гидрофобизатор или грунтовка на основе силана. Они тонким слоем покрывают дробленку, предотвращая комкование.

Полимербетон: состав, характеристики

Основные эксплуатационные свойства зависят от химической природы синтетической смолы, содержания и вида мелкодисперсной фракции наполнителей.

Промышленная технология изготовления основана на применении смол следующих модификаций:

фурановых;
полиэфирных;
карбамидных.

Виды синтетических смол для производства материала: краткая характеристика

Фурановые смолы — это результат конденсации фурфурола с кетонами и фенолами. Этот вид, благодаря небольшой стоимости, значительно превосходит своих конкурентов.

Фурановый вид

В качестве связующего, в этой группе компонентов обычно выступает фурфуролацетоновый мономер. Жидкость с высокой температурой кипения не растворимая в воде, но растворимая в сложных эфирах и кетонах. Отвердение мономера ФА происходит при помощи сульфокислот, сульфохлоридов и др.
Основное требование Применение заполнителей, взаимодействующих с кислотами (известняк, доломит и др.), недопустимо.
Полиэфирные смолы Процесс отвердения их происходит за счет перекиси метилэтилкетона или гидроперекиси изопропилбензола и ускорителей реакции — активаторов. Более дешевой и распространенной является полиэфирмалеинатная разновидность.

Полиэфирная вид

Карбамиды — это продукты синтеза мочевины и формальдегида в водном растворе.

Карбамидный вид

Ферментами отверждения выступают органические и неорганические кислоты, а также: хлориды цинка и аммония, солянокислый анилин. Последний используют наиболее часто.
Значительное воздействие на качество материала оказывают дисперсные минеральные наполнители. Благодаря их разнообразным характеристикам открывается возможность регулирования свойств.
Так, добавление углеродсодержащих наполнителей значительно увеличивает их влаго- и морозостойкость.

Наполнители: кварцевая мука, андезит, взаимодействуя с полиэфирами, способствуют повышению прочности.

В этом видео Вы можете ознакомиться с технологией легкого полимербетона.

Заполнители и наполнители

Производство изделий должно отвечать одному главному условию — необходимо строго соблюдать технологические пропорции, т.к. для любого вида синтетических смол существуют строго определенные степени наполнения, обеспечивающие максимальную прочность изделию. Минеральные наполнители выполняют роль отощающих добавок, значительно снижающих себестоимость материала.

минеральные добавки

Повышенное содержание заполнителей и наполнителей позволяет:

снизить расход полимерного связующего, цена которого значительно влияет на конечную стоимость;
ограничить температурные и усадочные деформации;
контролировать прочность, плотность, твердость и другие физико-механические свойства изделий.

Неизменным условием применения наполнителей и заполнителей, есть их химическая совместимость с катализаторами и отвердителями. Наполнителями выступают дисперсные порошки (полимерные или минеральные) с величиной частиц не более 0,15 мм.

Наиболее распространенные наполнители это:

порошок андезита;
порошок диабаза;
порошок маршаллита;
цемент;
графит.

Степень воздействия их на свойства напрямую зависит от их химической составляющей, формы частиц и дисперсности, состояния основания, процентного содержания и др.

Крупный щебень

Крупным заполнителем ввыступает щебень, величина фракции которого выбирается исходя из условий эксплуатации, размеров и формы изделия. Щебень и песок выполняют функции скелета структуры изделия, и не оказывают влияния на качественные показатели эксплуатационных характеристик. Не допускается употребление щебня из осадочных пород.

Наиболее распространенные составы материала на основе фурфуролацетонового мономера приведены ниже в таблице:

Производство, состав

Технология изготовления раствора

Очень важен порядок загрузки компонентов:

Если используется аппрет, то лучше предварительно замешать его с дробленкой в бетономешалке. Перемешивание лучше вести до тех пор, пока не покроются равномерным слоем все куски пластика.
Далее в определенной пропорции засыпают цементо-песочную смесь и все тщательно перемешивают.
Постепенно, не прекращая вращение, вливается вода. Количество жидкости определяется необходимой вязкостью смеси. Если нужен бетон для блоков, то состав делают более густым. И наоборот, для заливки фундамента можно делать раствор более текучим.
При добавлении армирующего пластика рекомендуется увеличить время смешения примерно в 2 раза по сравнению со стандартным бетоном.

Необходимое оборудование

Фото 5
Процесс можно разделить на два ключевых этапа, исходя из которых можно определиться с основными единицами оборудования:

Изготовление дробленого пластика. Для этого в самом простом исполнении нужна дробилка роторного типа и приемник для дробленки (лоток, бак, ёмкость большого объема). Зазор между ножами должен регулироваться для наработки фракции дробленки нужного размера.
Приготовление смеси в бетономешалке. Подойдет стандартная с перемешивающими лопастями. Вспомогательный инструмент – лопата, ведра, совки и т.д.

Технология создания

Что понадобится?

Для создания данного вида продукта нам нужен:

Наполнитель крупной фракции (щебень, измельченное крупное стекло, песок).
Заполнитель меньшей фракции тонкого помола, что позволит уменьшить стоимость. Это может быть порошок из андезита, графита или кварца.
Связующее – всего 5% от общего объема. Обычно это полимерные смолы, к примеру, эпоксидная, карбамидоформальдегидная, полиэфирная (ненасыщенная), фурановая.
Пластификатор, отвердитель, краситель, модифицирующие добавки.
Смазка для форм и разделения, а также гелькоут для покрытия с внешней стороны.

Способы создания

Производственный процесс может выполняться по непрерывной или периодической технологии.

Как правило, непрерывная технология используется только на крупномасштабных производствах. При этом для слаженного руда и организации единой цепочки используют дозаторы, литьевые машины и смесители автоматического типа.
При периодическом изготовлении после каждого законченного цикла емкости, которые используют, следует постоянно отмывать. Но есть и плюсы – сделать полимербетон можно даже в бетономешалке или ведре.

Области применения

Армированный бетон может применяться там, где необходима высокая прочность и долговечность.

Тонкие волокна, равномерно распределенные по всем направлениям, усиливают конструкции. Поэтому из армированного бетона можно изготавливать блоки для монолитного строительства.

Полимерные частицы позволяют повысить прочность бетона на растяжение, повысив тем самым его марку.

Поскольку сейчас технологии строительства изменились, то использование тяжелых блоков, армированных стальными прутьями, более невозможно. На смену им приходят такие же прочные, но гораздо более легкие полимербетоны.

Кроме того, введенный в состав цемента пластик может повысить теплоизоляционные свойства бетонной плиты.

Полимерцемент не дает сильную усадку, что важно при отливке сборных конструкций, когда есть риск получить детали разного размера. Помимо изготовления строительных блоков, полимербетон можно использовать для заливки фундаментов, тротуарной плитки, несъемной опалубки и т.д.

Есть интересные идеи изготовления садовых скульптур, скамеек, фонтанов и вазонов. Из полимербетона такие конструкции получаются более прочными.

Применение полимербетонов

Высокая прочность, повышенная сопротивляемость истиранию, положительные физико–химические свойства дают возможность их применения на самых ответственных участках гражданского и промышленного строительства.
Наиболее востребован этот материал при строительстве следующих сооружений:

ирригационных плотин и износостойких конструкций припортовых сооружений;
изготовление химически стойких покрытий промышленных зданий, сточных лотков и других ответственных сооружений с повышенными эксплуатационными свойствами;
химически стойких дренажных труб, шахтных стволов и коллекторов подземных коммуникаций;
сливных колодцев и различных резервуаров для агрессивных жидкостей;
контактных опор ЛЭП и других аналогичных конструкций с повышенным электрическим сопротивлением;
в гражданском строительстве: для изготовления внутренних и наружных элементов декора зданий и сооружений.

Вывод

Полимербетон – более современный материал, в отличие от традиционных цементных составов. Помимо своих полезных характеристик, он уникален тем, что может послужить отличным способом использования вторичного пластика.

Количество отходов на нашей планете колоссальное, а использование их в бетоне – отличная идея утилизации.

Возрастающие темпы строительства и, соответственно, нарастающие объемы потребления полимербетона могут наладить использование пластиковых отходов в строительных технологиях не только в кустарных, но и промышленных масштабах.

Зная, как смешивать компоненты и обладая соответствующим оборудованием, вполне возможно изготовить полимерцементный раствор в домашних условиях.

Создание своими руками

А сейчас мы поговорим о том, как делать небольшие изделия из модного литьевого камня самостоятельно, затратив минимум средств. К примеру, это могут быть горшки для цветов, столешницы, подоконники (особенно популярные, так как они теплее мраморных или гранитных).

Выбор помещения и его обустройство

Для начала нужно подумать о помещении – понадобится метров 80 квадратных общей площади. Желательно где-то на отшибе подходящий домик присмотреть. И 12 квадратных метров сразу же надо будет отгородить для литьевого помещения, причем придется постараться максимально загерметизировать все щели. Чтобы стирол не утекал.

В центре этой комнаты мастерим стол на раме из железных уголков, покрыв его столешницей из ДСП. Выставляем его поверхность по уровню – это важно! Над столом устанавливаем вытяжку – металлический короб с электродвигателем.

Чтобы было светло, крепим сверху лампы дневного света. В соседнем помещении ставим такой же стол – для отделочных и прочих работ. Здесь же разместим инструмент и емкости для сушки мела и песка (металлические низкие короба).

Необходимое сырье

Необходимое сырье:

Речной кварцевый песок (расфасован по 20 килограммов). Его надо высушить хорошо.
Просеянный мел – его также сушим.
Смола полиэфирная – в ведерках по 20 литров покупается.
Отвердитель, гелькоут, разделительная паста.

Процесс изготовления

Понадобится чистое пластиковое ведро для размешивания, перфоратор на 450 ватт и строительный миксер (к нему приделаем перфоратор, приварив сверло для перфорирования — получим смеситель).
Форму мастерим из ламинированных древесных плит, делая ее разборной. Разделительную пасту удобно наносить кистью, растирая капроновым чулком.
Гелькоут разбавляем смолой (добавив ее 10 процентов) и наносим флейцевой кистью. Делаем это дважды. Следим, чтобы волоски с кисти не прилипли.
Смешав в чистом ведерке смолу с отвердителем, добавляем 15 процентов мела, а затем – порциями песок. Масса должна стать вязкой. Чтобы удалить пузырьки воздуха, время от времени постукиваем ведерком по полу.
После готовности заливаем раствор в форму. Теперь разгладим поверхность: два человека берутся руками за форму (непременно снабженную ручками) и, приподняв, постукивают ее о стол. Смесь оставляют (минут на 40) и выходят из литьевой комнаты.
После застывания до «резинового» состояния — можно это определить по очень горячей поверхности и особому звуку при постукивании — вынимаем изделие из формы (разобрав ее) и переворачиваем заливочной стороной вниз. Даем полностью затвердеть, затем шлифуют и полируют.

Меры безопасности: взвешивая смолу, а также работая с ней, с гелькоутом и с залитой в форму смесью, трудимся только в респираторе, под вытяжкой. Отвердитель добавляем шприцом, надев резиновые перчатки.

О том, как изготовить своими руками полимербетон с разводами, расскажет следующее видео: