Полимерцементные композиции

Введение

Полимерцементные материалы — большая группа материалов, получаемых на основе двух вяжущих веществ: минерального и поли­мерного. В качестве минерального вяжущего могут быть использованы гипсовые, магнезиальные и гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, но наиболее часто — различные виды цемента. Полимерный компонент вводится непосредственно в тесто минерального вяжущего (бетонную смесь), и их твердение происходит совместно.
Обычно в полимерцементных материалах минерального вяжущего в несколько раз больше, чем полимерного связующего. Основной характеристикой состава полимерцементных материалов служит соотношение (по массе) полимерного компонента и минерального вяжущего — полимерцементное отношение (П/Ц).
Актуальность темы реферата заключается в том, что совместное использование органических и неорганических вяжущих позволяет повысить технологические и эксплуатационные свойства строительных материалов и конструкций.
Цель работы – более полное изучение полимерцементных композиций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть состав и структуру полимерцементных композиций, технологию полимерцементных бетонов, полимеры, часто применяемые в полимерцементных композициях, композиционные полимерцементные материалы на основе водных растворов мономеров, олигомеров или полимеров, полимерцементные материалы на водных дисперсиях полимеров, а также изоляционные и герметизирующие полимерцементные материалы и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Общие сведения о полимерцементных композициях
1.2 Состав и структура
Полимерцементные материалы можно рассматривать как компози­ционные строительные материалы, основу которых составляет матрица затвердевшего минерального вяжущего с распределенным в ней в той или иной форме затвердевшим полимером. В зависимости от типа наполнителя и заполнителя и степени наполнения различают полимерцементные мастики с тонкодисперсным наполнителем и полимерцементные растворы и бетоны с мелким и крупным заполнителем.
В качестве полимерного компонента в полимерцементных материалах используют термопластичные полимеры (поливинилацетат, акри­ловые полимеры и др.) и каучуки, олигомерные термореактивные смолы (эпоксидные, карбамидные) и мономерные продукты (например, фурфуролацетоновый мономер). Олигомерные и мономерные продукты в процессе твердения материала переходят в полимерные продукты под действием отвердителей, инициаторов или в результате воздействия температуры, рН среды и т. п.
В зависимости от физического состояния вводимого полимерного вяжущего полимерцементные материалы могут быть четырех типов: I — на основе водных растворов мономеров, олигомеров или полимеров; II — на основе водных дисперсий полимеров или олигомеров; III — на основе вязкожидких водонерастворимых олигомеров; IV — на основе порошкообразных полимеров или олигомеров.
Взаимное влияние минерального вяжущего и полимерного связующего приводит к образованию нового композиционного полимерцементного материала. У полимерцементных материалов обычно высокая адгезия к другим материалам (во много раз превышающая адгезию соответствующего минерального вяжущего), высокая износостойкость и стойкость к ударам. Полимерцементные материалы могут быть получе­ны с высокой морозостойкостью, водонепроницаемостью, стабильно высокими диэлектрическими свойствами и многими другими специальными свойствами. Модуль упругости полимерцементных материалов снижается при увеличении содержания полимера.1
Существенное влияние небольших количеств полимерного связующего на свойства материала объясняется структурными особенностями полимерцементных материалов, т. е. характером расположения полимера в матрице минерального вяжущего. Полимерное связующее образует упругие прослойки между кристаллическими новообразованиями минерального вяжущего, адсорбируется на поверхности частиц заполнителя и благодаря высоким адгезионным свойствам повышает прочность и деформативность материала при растяжении и изгибе. Часть полимера закрывает поры, снижая водопоглощение материала, повышая его морозостойкость и водонепроницаемость. Высокая адгезия поли­мерцементных смесей к другим материалам (например, полимерцементный раствор прекрасно сцепляется с поверхностью старого раствора) также объясняется присутствием в материале полимерного связующего, которое концентрируется на поверхности раздела „старый материал — полимерцементная смесь".
Как правило, прочностные свойства полимерцементных материалов мало отличаются от свойств материалов на чистых минеральных вяжущих. Обычно прочность при сжатии у полимерцементных материалов немного ниже, а прочность при растяжении и изгибе выше (в некоторых случаях в 1,5...2 раза), чем у аналогичных материалов на минеральном вяжущем. При применении высокопрочных термореактивных полимеров могут быть получены материалы с повышенными прочностными характеристиками.
В полимерцементных материалах соблюдается определенное соотношение минерального вяжущего к органическому и выражается полимерцементным отношением П : Ц. Полимерцементное отношение П : Ц колеблется от 1 : 50 до 1 : 5, в большинстве оно составляет 1 : 10, т. е. на 10 мае. ч. цемента (или другого минерального вяжущего) приходится 1 ч. органического вяжущего. Такие пропорции связаны с двумя обстоятельствами. Первое состоит в высокой стоимости органических вяжущих, которые в 10—100 раз дороже минеральных. Второе состоит в том, что большое содержание органической составляющей может негативно сказаться на свойствах искусственного камня (повышение содержания полимерной части приводит к снижению модуля упругости и др.).
Расход полимеров в полимерцементных материалах составляет 2—20% от массы минерального вяжущего (П/Ц = 0,02—0,2), но его стоимость значительно выше (в 10—100 раз), чем стоимость минеральных вяжущих. Поэтому стоимость полимерцементных растворов и бетонов значительно выше, чем обычных цементных. Так, например, латексцементный раствор на латексе СКС-65 с П/Ц = 0,12 дороже обычного раствора в 1,5 ...2 раза. Стоимость полимерцементных материалов на термореактивных водонерастворимых олигомерах еще выше: так, эпоксидно-цементные растворы с П/Ц = 0,10—0,15 дороже обычных цементно-песчаных растворов в 10 раз и более.
1.2 Технология полимерцементных бетонов
Технология таких бетонов практически не отличается от обычной, технологические схемы различаются лишь по способу введения полимерных добавок:
1. Введением в бетон при смешивании водных дисперсий полимеров (поливинилацетата или синтетического каучука), распадающихся в бетонной смеси с выделением воды, при этом обезвоженный полимер выполняет роль дополнительного связующего.
2. Добавлением в воду затворения водорастворимых мономеров и полимеров (фуранового и поливинилового спиртов, эпоксидных, фенолформальдегидных смол и т.п.) с последующим их отверждением в бетоне нагревом или с помощью отвердителей.
3. Добавлением в воду затворения водонерастворимых олигомеров и полимеров.
4. Пропиткой бетона на необходимую глубину маловязкими полимерами (карбамидами, стиролом и др.), которые утверждаются непосредственно в бетоне.
Выбор полимерного компонента зависит от различных факторов: стоимости, а также требований, которые предъявляются к готовому материалу по плотности, деформационной прочности, химической стойкости и ряду других характеристик.
1.3 Полимеры, часто применяемые в полимерцементных композициях
Рассмотрим полимеры, часто применяемые в П/Ц-композициях:
1. Поливинилацетат (ПВА). Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацетата - чувствительность к воде: материалы набухают и на них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в дисперсии поливинилового спирта и способностью самого полимера набухать в воде

. Так как дисперсия имеет слабокислую реакцию (рН 4,0...6,0), при ее нанесении на металлические поверхности возможна коррозия металла.
2. Полиэфирные смолы. Твердение полиэфирных смол сопровождается значительной усадкой – до 10% по объему, что может привести к появлению трещин и разрушению изделий.
3. Карбамидные смолы. Основная трудность применения карбамидных смол в полимерных бетонах – наличие значительного количества свободной воды в твердеющей смеси, а использование их в полимерцементных материалах затруднено необходимостью поддержания кислой реакции среды.
4. Фенолальдегидные смолы. В отвержденном виде фенолальдегидные смолы хрупкие и требуют дополнительной модификации другими полимерными веществами.
5. Ацетоноформальдегидные (АЦФ) смолы. Благоприятное влияние щелочной среды на твердение АЦФ смол указывает на возможность их использования в полимерцементных материалах. Однако их применение в технологии полимербетонов и полимерцементных материалов сдерживается их дефицитностью.
6. Полиуретановые смолы. Химически активные олигомеры, легко отверждающиеся водой, гликолями. Обладают высокой прочностью, эластичностью, износо- и химической стойкостью. Применение их в технологии полимербетонов и полимерцементных материалов сдерживается их дефицитностью.2
Системы модифицированные эпоксидной смолой обладают такими свойствами, как высокие прочность и сцепление, хорошая водостойкость и химическая стойкость, устойчивость к коррозии и т.д. Существуют полимеры, которые по определенным характеристикам (температуре стеклования, модулю упругости и др.) превосходят отвержденные ЭС, но по комплексным свойствам эпоксиды не имеют равных среди других полимеров, что и позволяет их использовать в качестве одного из главных компонентов полимерцементных композитов. Исследования в области модифицирования цементных систем эпоксидной смолой не получили широкого развития, в связи с высокой стоимостью и повышенной трудоемкостью.
1.4 Применение
Полимерцементные материалы обладают ценными физико-механическими свойствами более выраженными, чем у материалов на основе минеральных вяжущих. Они характеризуются большей адгезией (она может во много раз превышать таковую для обычных бетонов), высокой износо-, ударо-, морозостойкостью, стабильными и высокими диэлектрическими и специальными свойствами, что обеспечивает этим материалам широкие области применения. Достаточно высокая стоимость полимерцементных материалов определяет рациональные области их использования. Рассмотрим некоторые из них. За счет высокой износостойкости и стойкости к ударным воздействиям их широко применяют для изготовления полов и дорожных покрытий. Из этих материалов получают мастичные составы, позволяющие получать бесшовные цветные покрытия полов, обладающих долговечностью и декоративностью в тех случаях, когда на такие полы нет больших ударных нагрузок.3
Полимерцементные материалы применяют при изготовлении полимерцементных бетонов, которые идут на изготовление отделочных и шпаклевочных составов, так как они характеризуются высокими декоративными и эксплуатационными свойствами, долговечностью отделочного слоя. Используют их для штукатурных, приклеивающих и кладочных растворов, которые применяют в облицовочных, штукатурных и других видах строительных работ. Широкое применение полимерцементные материалы нашли в производстве изоляционных и герметизирующих строительных материалов и др.
Органические соединения, имея высокие эксплуатационные качества, широко используются в строительной индустрии. Однако многие из них являются опасными с экологической точки зрения. В эксплуатационных условиях они могут разлагаться и выделять в окружающую среду токсические вещества, негативно воздействующие на человека и другие организмы. Применение органических растворителей в строительных работах приводит к негативным последствиям из-за раздражающего воздействия на органы чувств и др. Вещества, введенные в бетон, могут ухудшать процессы естественной аэрации и т. д. Все это требует учета воздействия органических веществ на организм человека и природные экологические процессы с целью обеспечения экологической безопасности населения. Необходимо комбинировать естественные и искусственные материалы с целью создания комфортных условий в будущих жилых и производственных зданиях. Принимая оптимальные экономические решения при производстве строительных работ, необходимо исходить из постулата о том, что никакая экономия не компенсирует потерь, связанных со здоровьем человека, нарушением здоровой экологической среды его обитания.
2. Группы полимер цементных композиций
2.1 Композиционные полимерцементные материалы на основе водных растворов мономеров, олигомеров или полимеров
Это наиболее распространенный тип полимерцементных материалов. П : Ц для этих систем составляет от 3 : 100 до 1: 5. Размеры глобул органических веществ колеблются от 0,1 до 10 мкм; это позволяет избежать угнетающего воздействия органических веществ на твердение минерального вяжущего. Для стабилизации водных дисперсий вводят ПАВ в количестве до 1% от массы вяжущих, что связано с низкой стабильностью дисперсий полимеров. Полимерные дисперсии сильно пластифицируют бетонную смесь, что позволяет уменьшить водоцементное отношение. Это нужно учитывать при разработке технологии и проектировании качеств искусственного камня.
2.2 Полимерцементные материалы на водных дисперсиях полимеров
Полимерцементные материалы на водных дисперсиях полимеров — наиболее распространенный тип полимерцементных материалов.Введение

полимера в тесто минерального вяжущего в виде водной дисперсии позволяет получать материалы с П/Ц до 0,15...0,20. Это объясняется тем, что сам водонерастворимый полимер, находящийся в дисперсиях в виде частиц-глобул размером 0,1 ...10 мкм, не оказывает угнетающего действия на твердение минерального вяжущего. Основной причиной такого воздействия служат стабилизаторы полимерных дисперсий — водорастворимые органические поверхностно-активные вещества, содержание которых в дисперсии составляет 5—10% от массы полимера. Таким образом в полимерцементных материалах на основе водных дисперсий полимеров при П/Ц = 0,1—0,2 содержание водорастворимых органических веществ будет не более 1—2% от массы минерального вяжущего, что соответствует верхнему пределу содержания ПАВ и других органических добавок в растворах и бетонах.
С какой же целью в дисперсии, используемые для полимерцементных материалов, вводят такое большое количество стабилизирующих ПАВ? Полимерные дисперсии являются термодинамически неустойчивыми системами. Различные внешние воздействия на дисперсию могут привести к ее коагуляции (примером коагуляции водной дисперсии высокомолекулярного вещества может служить створаживание прокисшего молока при нагревании). При коагуляции частицы дисперсии соединяются друг с другом, образуя крупные агрегаты.
Одна из наиболее частых причин коагуляции — действие электролитов. При этом их действие тем сильнее, чем больше заряд коагулирующих ионов. Кроме того, причиной коагуляции могут быть механические воздействия (например, интенсивное перемешивание при получении масла из молока). При перемешивании или вибрации возрастает частота и интенсивность соударений частиц дисперсии, что повышает вероятность их слияния. При механических воздействиях коагуляционные процессы протекают локально и сопровождаются появлением отдельных частиц коагулюма, а не одновременной коагуляцией всей дисперсии.
Часто коагуляция происходит в результате десорбции стабилизатора с полимерных частиц, что облегчает их слияние при соударениях. Десорбция стабилизатора может произойти при добавлении к дисперсии каких-либо порошкообразных материалов с развитой поверхностью (в нашем случае цемента и песка), на которую и переходит часть стаби­лизирующего ПАВ. Другой причиной десорбции может быть разведение дисперсии водой (при малых П/Ц и большом водосодержании полимерцементных смесей)