Полимербетоны и изделия из полимербетонов

Полимербетон – высокоэффективный искусственный материал, обладающий целым набором уникальных свойств, что дает возможность применять его в самых различных областях.

Полимербетон относится к большой группе полимерсодержащих бетонов. И хотя применение таких материалов в промышленных масштабах насчитывает несколько десятилетий, до сих пор даже среди профессиональных строителей существует некоторое терминологическое смешение понятий. Существуют вполне определенные критерии, по которым материалы называют так, а не иначе. Как и вообще в технике, здесь нельзя «просто» переставить корневые части в сложных словах. Например, бетонополимер и полимербетон – это совершенно разные материалы.

Полимеры в бетонах используют как совместно с основным вяжущим, так и вместо него. К первой подгруппе относятся композиты, в которых полимер вводится в состав либо непосредственно на стадии перемешивания (полимерцементные, полимергипсовые, полимерсиликатные, полимерсерные составы и т.д.), либо используется для пропитки уже затвердевшего бетона (бетонополимеры). Содержание полимера в полимерцементных составах, как правило, не превышает 15-20% от массы цемента, содержание полимера в бетонополимерах зависит от пористости бетона и технологии пропитки, но тоже невелико.

Полимербетон – это материал на все 100% на основе синтетического вяжущего (полимера). Минеральные вяжущие (тот же цемент), если и используются в полимербетонах, то только в качестве неосновного материала, т.е. в качестве наполнителя.

Состав полимерного бетона

По существу полимербетон занимает промежуточное положение между пластмассами и бетонами, и четкой границы здесь не существует. Если убрать из его состава крупные фракции, т.е. песок и щебень, то полимербетон превращается в обычную пластмассу, но, исходя из преимущественной сферы применения, называется при этом полимерной мастикой или полимерраствором. Традиционно к полимербетонам относят материалы на основе термореактивных смол. Например, асфальтобетон все же не считается полимербетоном, хотя по всем характеристикам он им является. Подобное можно сказать и по отношению к составам на основе других термопластов, полиэтилена, например. Основная причина – возможность использования материала в качестве конструкционного, т.е. замена традиционного бетона. Термопласты в силу своих свойств для этой роли пока не годятся. Хотя это положение со временем, скорее всего, будет меняться. И уже есть ряд перспективных работ и диссертаций с полимербетонами на основе пвх или полиэтилена.

Свойства полимерных бетонов

Нет, видимо, смысла говорить обо всех свойствах, поэтому остановимся только на некоторых:

• Исторически применение полимербетона было обусловлено теми преимуществами, которые имеют полимеры перед минеральными вяжущими. В первую очередь, это, конечно, химическая стойкость. В большинстве своем полимеры, использующиеся в строительстве, имеют почти универсальную химическую стойкость. В зависимости от конкретных условий почти всегда есть возможность подобрать полимерное связующее, инертное по отношению именно к данному типу агрессивной среды. Первое применение полимербетона было связано именно с этим. В СССР стоимость полимербетона была на порядок выше цементного бетона, тем не менее, на некоторых предприятиях он успешно заменял собой традиционные материалы. Например, на предприятиях цветной металлургии и химической промышленности ежегодный «профилактический» ремонт бетонных и стальных конструкций с остановкой целых цехов был обычным делом. Химстойкая футеровка только увеличивала межремонтный интервал на 1-2 года, но проблему в целом не решала. С использованием полимербетонных конструкций (ванн для гидролиза, колонн, плит перекрытия, балок и пр.) сроки ремонта вообще сдвинулись за горизонт: на некоторых предприятиях полимербетонные конструкции служат 30 лет и более безо всяких признаков разрушения.
• Конструкционные свойства материала подразумевают в первую очередь прочность. И с этим у полимербетона тоже все в порядке. Самый рядовой полимербетон имеет прочность при сжатии на уровне 50-60 МПа, полимербетон на современных вяжущих с правильно подобранным составом трудно изготовить с прочностью ниже 80-90 МПа, во многих случаях прочность полимербетона вообще ограничивается прочностью используемых заполнителей. Прочность на растяжение также намного выше, чем у цементного бетона.
• Стойкость к действию воды. Как известно, бетон по природе своей имеет вертикально направленную капиллярную пористость. Система этих сообщающихся пор образует сложную пористую структуру по всему объему – то, чего в полимербетоне получить не удастся при всем желании. Безусловно, и в полимербетоне есть вовлеченный воздух и недоуплотненные зоны (если не используются специальные технологии), но эти поры никак не соединены между собой, потому что процесс твердения полимера принципиально отличается от процесса твердения цемента. Как правило, водопоглощение полимербетона – это доли процентов, морозостойкость по этой причине чаще всего просто «назначается», потому что довести количество циклов замораживания-оттаивания до стандартного уровня разрушения просто не удается. Например, подобные испытания, проведенные в НИИЖБ, показали, что после 1000 циклов потеря прочности составила в пределах 3%, т.е. на уровне статистической погрешности. Абсолютная по сути непроницаемость полимербетона оказывается очень важна не только для гидроизоляции. Например, был успешный опыт по изготовлению из полимербетонных конструкций огромных - в несколько десятков метров - вакуумных камер.
• Тот факт, что полимеры – хорошие диэлектрики, не нуждается в дополнительных комментариях. Есть целый ряд производств и назначений, где без конструкционного диэлектрика обойтись очень сложно, и здесь у полимербетона также нет конкурентов, потому что больше нет таких материалов, сопоставимых с ним по комплексу показателей.

Область применения полимерного бетона

В целом химическая стойкость до сих пор является тем присущим по природе свойством полимербетона, по которому ему практически нет конкурентов. Это касается не только областей с очевидно агрессивной средой. Например, воздух крупных городов разрушает даже природный камень, поэтому использование облицовочных и (в меньшей степени) дорожных плит, бордюрных камней из полимербетона оказывается целесообразным не только с технической и эстетической стороны, но и с учетом долговечности. К подобным областям применения полимербетона можно отнести изготовление труб различного назначения, особенно подземных, конструктивных элементов подземных сооружений (коллекторов, туннелей и пр.) и даже сантехники. Полимербетон используется в таких случаях и в качестве замены традиционных материалов, и совместно с ними. Например, изготавливались металлические трубы с наружным слоем из легкого полимербетона, который выполнял двойную функцию: защита от коррозии и теплоизоляция.

Также одним из очень разработанных направлений специального назначения для полимербетона в развитых западных странах является станкостроение. Здесь полимербетон успешно конкурирует с чугуном, сталью, цементным бетоном, а также с природным камнем. Причина почти та же, что и в других случаях: полимерные композиты просто по природе своей обладают высоким уровнем поглощения вибраций. В современных прецизионных станках эта характеристика является почти определяющей. Из полимербетона при этом изготавливают не только станины, но и другие элементы станков. Количество станков с такими элементами уже в конце 80-ых годов исчислялось тысячами. Полимербетон используется как вместо, так и вместе с другими материалами. Например, полимерные демпфирующие покрытия на стальные конструкции известны достаточно давно, в настоящее время с использованием полимербетона это не просто покрытия – а полноценная часть конструкции.

Наконец, то, о чем трудно не сказать. Полимербетон, там, где это требуется, - просто красивый материал, способный удовлетворить практически любые эстетические вкусы. Он легко окрашивается, из-за своей химической инертности он сочетается с большинством минеральных красителей и материалов, используемых в таком качестве. Изготовление из полимербетона отделочных плит, полов, сантехники, различных декоративных элементов «под природный камень» самых различных цветов и оттенков уже давно ни для кого не является чем-то необычным.

Технология производства полимерных бетонов

Есть некоторые технологические особенности приготовления полимербетонной смеси по сравнению с обычным бетоном, но в целом полимербетон не ставит перед производителями каких-то особенно сложных задач. Серийное производство изделий из полимербетона подразумевает наличие тех же операций:

• дозирование полимербетонной смеси;
• смешивание полимербетонной смеси;
• укладка полимербетонной смеси.

Основное отличие – обязательное применение смесителей принудительного действия. Разумеется, как и использование любой химии, производство требует своей культуры работ и комплекса мер по безопасности и защите. И работа с этими материалами не так опасна, как может изначально казаться: химикаты, используемые при производстве полимербетона, относятся к 3-ей группе, т.е. на уровне цементной пыли. Например, метилметакрилат (ММА) - один из основных видов вяжущих в полимербетонах и основной компонент в производстве оргстекла – до сих пор используется при изготовлении пломб для зубов.

Виды полимербетонов по типу вяжущего материала

Трудно сказать, из каких полимерных материалов не делались попытки – в той или иной степени успешности – изготовить полимербетон. Но все же можно выделить три больших класса полимеров, имеющих львиную долю при производстве этого материала:

• Полиэфирные смолы;
• Эпоксидные смолы;
• Акриловые смолы.

Причем под последними в первую очередь подразумеваются составы на основе ММА. Предпочтения могут быть разными, от традиций до доступности, у каждого связующего своя история, свои достоинства и недостатки.

В конце 80-ых годов тогда еще западногерманскими специалистами была проведена комплексная оценка стоимости различных полимербетонов. Всего оценивалось девять показателей, которые включали в себя и технологию, и прочность, и экологию, и собственно цену. Если полиэфирные и эпоксидные составы по этому показателю оказались рядом (с некоторым преимуществом эпоксидных), то полимербетон на ММА превзошел их почти в полтора раза (точнее в 1,42). Конечно, не все так однозначно, и полиэфирные, и эпоксидные составы используются и будут использоваться, но на сегодняшний день ММА в большинстве случаев - явно более выигрышный вариант. Свойства ММА позволяют использовать его и совместно с другими полимерами (сополимерами), такое комплексное сочетание положительных свойств разных материалов часто дает возможность в значительной мере нивелировать их негативные качества.

Стоимость полимербетона

Практически единственный показатель, оказывающий определяющее значение в ограничении применения полимербетона это стоимость. Правда, необходимо сказать, что здесь очень сильное влияние оказывают консерватизм и инерционность мышления. Очевидно, что то, что было безусловно актуальным 20-30 лет назад, сейчас частично или полностью потеряло свою актуальность. Это справедливо и по отношению к полимербетону. Сейчас себестоимость полимербетона вполне сопоставима с хорошими цементными составами. Но есть технологии (каркасная технология, технология с полнораздельной укладкой компонентов), позволяющие снизить содержание полимера в полимербетоне до «неприличных» показателей, 2,5-4%. Понятие «искусственный камень» при этом становится уже не рекламным слоганом, а термином по существу сказанного.

Никто не покушается на то, чтобы строить из полимербетона башни и мосты (кто сказал, что это навсегда?), но во многих направлениях отношение к полимербетону, как к «дорогой игрушке», необходимо менять.

Менять просто потому, что это не так.

В качестве заключения

Полимербетон – все-таки сравнительно молодой материал. Но у молодости есть несомненное преимущество – у нее все впереди. Да и корректнее по отношению к полимербетону говорить не о молодости, а уже и о зрелости. История полимербетона – это всего чуть больше 50 лет. Настоящий пик интереса и в СССР, и на западе пришелся на 70-80 годы при примерно равном уровне научно-исследовательских разработок. По понятным причинам широкие перспективы использования этого материала у нас в стране так и остались в том далеком прошлом. Сейчас в России своего рода ренессанс. И опять же по понятным причинам у российских производителей есть уникальный шанс обратить самое пристальное внимание на успешное использование преимуществ полимербетона - нашего, российского полимербетона. Материала, вобравшего в себя исследовательские идеи и разработки не только из бетоноведения, но и химии, физики, машиностроения.

Материал на стыке нескольких наук – это всегда материал будущего.