Композиционные минералполимерные Строительные материалы на основе акриловых сополимеров Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678.744.32

И.М. БАРАНОВ, канд. техн. наук, ООО «НТЦ ЭМИТ» (Москва)

Композиционные минералполимерные строительные материалы на основе акриловых сополимеров

Минералполимеры — это строительные материалы, которые из всего многообразия известных композиционных материалов, в том числе полимербетонов, выделяются прежде всего не только широким диапазоном своих свойств, от особо плотных с высокой прочностью и коэффициентом конструкторского качества до эластичных материалов, но и тем, что на этапе приготовления и формования не требуют сложного оборудования и специальных технологий. Например, минерал-полимеры на акриловых сополимерах отличаются от полимербетонов ещё и тем, что компоненты, входящие в их состав, кроме выполнения основных своих функций выполняют ещё и другие: дополнительно пластифицируют формовочную смесь, отверждают полимерное связующее и придают ему в отверждённом состоянии повышенную эластичность или прочность, пониженную истираемость, модифицируют структуру минеральной составляющей композита. Минералполимеры представляют собой многофазные системы с двумя или более компонентами, где разнородные компоненты при сохранении каждым из них индивидуальных свойств создают композит со свойствами отличными от свойств исходных компонентов. В этих материалах в качестве минеральной составляющей могут использоваться вяжущие вещества (гипс, магнезиальный цемент, портландцемент, шлакоще-лочной цемент и др. связующие) и инертные тонкомолотые наполнители (мел, доломитовая мука, зола ТЭЦ, метакаолин, трепел, диатомит и др). В качестве полимерного связующего в работе были выбраны эмульсии акриловых сополимеров, которые в отвержденном состоянии обладают высокой прочностью, эластичностью, водостойкостью. Они доступны, недорогие, пожаробезопасны и удобны в работе.

Однако в виду того, что акриловые сополимеры отверждаются при температуре 140—160°С, а в технологии промышленности строительных материалов применение такой температуры не практикуется, нам потребовалось для каждого разрабатываемого минералполимер-ного материала подбирать не только акриловые сополимеры, но и разрабатывать системы, отверждаю-щие эти сополимеры при комнатной температуре, которые при эксплуатации минералполимеров обеспечивали бы в зависимости от назначения материалов необходимые им показатели по прочности, эластичности, адгезии, истираемости, водостойкости, морозостойкости и др.

При разработке конкретных композиционных ми-нералполимерных материалов различного назначения были подобраны композиции и технологии их производства при использовании следующих минеральных вяжущих:

• гипсовых вяжущих веществ:

— гипсополимерный материал «СТОЛИЦА» для изготовления декоративных плит, архитектурных изделий облицовки фасадов зданий и изделий садово-парковой архитектуры [1—3, 6];

— гипсополимерный утеплитель «ТИЗОЛ» [4];

— материал для огневой защиты металлических конструкций [5, 6];

• магнезиальных вяжущих веществ:

— материал с нулевыми деформациями для устройства наливных полов [7];

• портландцемента:

— фиброцементный материал для изготовления крупноразмерных декоративно-отделочных плит «МИНЕЛИТ» [8];

— песчаный бетон, штукатурный раствор и цементный клей для ремонта элементов и пролётных конструкций мостов [6];

- пенобетон «ЭКСТРАПОР» [9, 10];

• геосинтетических шлакощелочных (алюмокремне-

щелочных) вяжущих:

- материал для изготовления декоративных плит облицовки фасадов зданий [11];

- безобжиговые керамика и пенокерамика [11-13].

Кроме перечисленных известных минералполимер-

ных композитов в последнее время разработаны и другие материалы.

Фиброцементный песчаный бетон для ремонта транспортных сооружений.

В отличие от песчаного полимербетона, который разрабатывался ранее [6] и имел марки бетона по прочности на сжатие 300 и 350, этот материал на основе эмульсии акрилового сополимера «Акрэмос 101» при подвижности формовочной смеси 10 см (осадка конуса Стройцнила) имеет марку бетона 500. Основные физико-технические свойства данного материала приведены в табл. 1.

Тугоплавкое геосинтетическое алюмокремнещелочное связующее для возврата отходов производства базальто-волокнистых плит в виде брикетов в основное производство.

Данная работа выполнялась для завода базальтово-локнистых плит ООО «ИЗОМИН» (г. Ступино, Московская обл.), где отходы производства, включающие: отсевы базальтового и доломитового щебня, отсевы кокса, корольки, пыль с электрофильтров и от резки плит, обрезки и некондиционные плиты, ежедневно вывозились на свалку. Было предложено названные отходы использовать путём брикетирования и направления отходосодержащих брикетов в основное производство базальтоволокнистого утеплителя. Чтобы не нарушать отработанный режим плавки шихты в печи технологической линии требовалось обеспечить огнестойкость брикетов не ниже 1250°С. Жидкое стекло, выбранное в качестве связующего, такую температуру плавления брикетов не могло обеспечить. Поэтому разрабатывали специальное связующее на основе жидкого стекла с добавками золы ТЭС, трепела, комплексного отвердителя жидкого стекла и регулятора скорости твердения материала в количествах, чтобы при твердении брикетов жидкое стекло с названными добавками образовывало тугоплавкие алюмосиликаты. Брикеты на разработанном связующем изготавливали по рецептурам, включающим: в брикетах на щебне - отсевы базальта, отсевы доломита, корольки, пыль, золу, трепел, жидкое стекло, комплексный отвердитель жидкого стекла, регулятор скорости твердения, воду; в брикетах

на коксе — отсевы кокса, пыль, золу, трепел, жидкое стекло, комплексный отвердитель жидкого стекла, регулятор скорости твердения, воду. Разработанные варианты бетонной смеси имели низкое содержание воды (11,8—17,9) и полужёсткую консистенцию. Кроме того. бетонная смесь как со щебнем, так и с коксом несколько разжижается при интенсивном перемешивании в ктиваторе-смесителе и хорошо укладывается в форму. Бетонная смесь твердеет в течение 45—60 мин, а брикеты после расформовки имеют прочность не менее 0,5 МПа и загружаются в печь после непродолжительного хранения в цехе.

Композиционный геосинтетический минералполимер-ный материал для устройства оснований автодорог с использованием остатков от сжигания бытовых отходов.

Вяжущее для названного материала разрабатывалось в инициативном порядке для решения проблемы утилизации золошлаковых отходов с токсичными веществами мусоросжигающих заводов г. Москвы путём использования этих отходов в композиционном минералполи-мербетоне на алюмокремнещелочном вяжущем при устройстве оснований автодорог. Выбор алюмокремне-щелочного вяжущего для приготовления минералполи-мербетона с названными отходами предопределился по сравнению с портландцементом не только более высокой надёжностью блокирования в бетоне токсичных веществ, содержащихся в отходах, этим связующим, но и тем, что при твердении алюмокремнещелочного вяжущего и формирования новообразований используется химическая активность некоторых составляющих самих токсичных веществ (щелочей, извести и др.), об-

Таблица 1

Наименование показателей Значения

Предел прочности при изгибе в сухом и водонасыщенном состоянии, МПа 17,2 / 16,7

Предел прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, МПа 55,3 / 51,2

Коэффициент размягчения 0,93

Водопоглощение, % 4,2

Морозостойкость, цикл 300

ладающих вяжущими свойствами. Кроме того, тяжёлые металлы, содержащиеся в золошлаковых отходах в оксидной форме, в составе алюмокремнещелочного вяжущего при его твердении связываются путём образования нерастворимых кремнещелочных продуктов.

Составы, ориентировочная стоимость компонентов 1 м3 бетона, свойства бетонной смеси и материалов приведены в табл. 2.

В настоящее время разрабатываются составы и технологии получения следующих минералполимерных материалов:

• цементополимерный материал для устройства бетонных наливных полов;

• цементополимерный материал для ремонта гидротехнических сооружений;

• минералполимерный материал на алюмокремнеще-лочном вяжущем для устройства полов в специальных промышленных зданиях;

Таблица 2

Наименование компонентов, показателей стоимости, свойств бетонной смеси и материалов Значения показателей расхода компонентов в кг/м3, стоимости, свойств бетонной смеси и материалов

Рядовой бетон на золошлаковых отходах Композиционный бетон на золошлаковых отходах Бетон на портландцементе

Портландцемент М400 - - 350

Золошлаки от сжигания мусора 400 400 -

Зола-унос ТЭС: кислая / основная 400 /- 400 / 340 -

Трепел в композиции с золой: кислой / основной - / - - / 60 -

Активизатор твердения 20 20 -

Акриловое полимерное связующее - 20-30 -

Пластификатор 4 4 4

Песок 400 400 600

Щебень - - 1100

Общая стоимость материалов, р/м3 568 2168 / 2988 3426

Удобоукладываемость формовочной смеси, см ОК 5-6 5-6 -

Время затвердевания, мин 100-120 60-80 >120

Плотность бетона, кг/м3 1300-1600 1300-1600 2200-2300

Предел прочности при сжатии образцов после 28 сут твердения в нормальных условиях, МПа 3,5-4 4-6,5

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, твердевших 28 сут, МПа / по СНиП 2.05.02-85* 2,5-3,1 / 2-6 3,3-5,4 / 2-6 - / 4-7,5

Коэффициент размягчения / по СНиП 2.05.02-85* 0,72 / 0,7 0,81 / 0,7 -

Водопоглощение, % 15 11 -

Применение в соответствии со СНиП 2.05.02-85* Для устройства оснований автодорог V категории Для устройства оснований автодорог IV категории Для устройства оснований автодорог I - III категорий

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МИНЕРАЛПОЛИМЕРНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ

ГИПСОВЫЕ МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ТОНКОМОЛОТЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ

БЕТОН, РАСТВОР

ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЗАТВЕРДЕВШИХ МОНОМИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ, БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЕСЧАНОГО, ЛЕГКОГО И ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА,ПОКРЫТИЯ АВТОДОРОГ

_МИНЕРАЛПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ_

ИЗДЕЛИЯ ПОДЗЕМНЫХ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ, ПОКРЫТИЯ АВТОДОРОГ, ДЕКОРАТИВНЫЕ ПОЛЫ ПРОМЗДАНИЙ, ПОЛЫ СПЕЦПРОМЗДАНИЙ, ДР. ИЗДЕЛИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И МОРОЗОСТОЙКОСТЬЮ, ШТУКАТУРКИ, ШПАТЛЕВКИ

ЗАПОЛНИТЕЛИ

ПРИРОДНЫЕ (ЩЕБЕНЬ, ПЕСОК) ИССКУСТВЕННЫЕ (КЕРАМЗИТ И ДР.) ЗОЛОШЛАКИ ОТ СЖИГАНИЯ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ДОБАВКА, НЕЙТРАЛИЗУЮЩАЯ ЗОЛОШЛАКИ

ПЛАСТИФИКАТОР

ПОЛИМЕРНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

ВОДНАЯ ЭМУЛЬСИЯ АКРИЛОВЫХ СОПОЛИМЕРОВ ОТВЕРДИТЕЛЬ

Рис. 1. Схема классификации составов композиционных минералполимерных строительных материалов

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИЕ МИНЕРАЛПОЛИМЕРНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

I "

АЛЮМОСИЛИКАТНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

3

к и

3

4 о

ш 3

3

к и к

и <

о <

и <

н ш

я 3

Я ©

Рч

о

ш

я

СИЛИКАТНАТРИЕВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

ч ш н К

ч

Рч

ш Я н о

я

ш Ч

Рч

ш я

н

чО

§

н Я

Рч

о и

о ^

эластичный водостойкий негорючий материал

КЛЕИ, ЗАМАЗКИ ЩЕЛОЧЕКИСЛОТО-СТОЙКИЕ

основные оксиды окислосодержащей вяжущей системы

X

X

sio2 -а1203 -№20 -

I I —

X

X

алюмокремнещелочное вяжущее

КЛЕИ, ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ, СКУЛЬПТУРА, ЖАРОСТОЙКИЙ ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН, БЕЗОБЖИГОВЫЕ КЕРАМИКА И ПЕНОКЕРАМИКА

"I—

=п

=п

=п

п=

=п

=п

ЗАПОЛНИТЕЛИ

р

я «

нк на ел

я д

н , У н уи

я ^

са 53 Д

в о

тв о

и

кой

ПОЛИМЕРНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

л е т

и д

р е в т о

ПЛАСТИФИКАТОР

эластичный минералполимерный материал

ШПАТЛЕВКИ, ШТУКАТУРКИ, НАЛИВНЫЕ ПОЛЫ И КРОВЛИ

бетон на геосинтетическом алюмокремнещелочном минералполимерном вяжущем

РАЗЛИЧНЫЕ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ВОДОСТОЙКИЕ ИЗДЕЛИЯ, ПОЛЫ СПЕЦПРОМЗДАНИЙ И ГОРЯЧИХ ЦЕХОВ, ПОКРЫТИЯ АВТОДОРОГ, ПЛИТЫ ВРЕМЕННЫХ ДОРОГ,

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ДОРОЖНЫЕ БАРЬЕРЫ, БОРДЮРНЫЙ КАМЕНЬ

Рис. 2. Схема классификации составов геосинтетических минералполимерных строительных материалов.

• эластичный и водостойкий материал на основе жидкого стекла;

• полимерминеральные эластичные материалы:

— гидроизоляционные штукатурки;

— материал для устройства эластичных наливных полов;

— материал для устройства наливной гидроизоляции кровли.

По результатам проведенных исследований ниже приводится следующая информация о названных разрабатываемых материалах.

Цементополимерный материал для устройства бетонных наливных полов.

Материал разрабатывается с целью упрощения применяющихся в настоящее время технологий устройства бетонных полов, улучшения эксплуатационных свойств и повышения их долговечности. При этом используются пластичные бетонные смеси с рецептурой, включающей: портландцемент; противоу-садочную добавку; песок (щебень); полимерное связующее с комплексным отвердителем, повышающее вязкость бетона и обеспечивающее низкие показатели его по истираемости и водопоглощению; пластификатор; пеногаситель; дисперсное волокно и воду с добавлением пигментов. Такое бетонное покрытие пола не потребует гидроизоляции его от бетонного основания.

Цементополимерный материал для ремонта гидротехнических сооружений.

При разработке этого материала в качестве основы был взят песчаный полимербетон, который разрабатывался для ремонта мостов и других транспортных сооружений [6]. В качестве основной задачи по доработке данного бетона входила задача корректировки его рецептуры с целью увеличению липкости бетонной смеси, повышения адгезии ремонтного материала к поверхности ремонтируемого бетона, а также улучшения его эксплуатационной стойкости по отношению к агрессивному воздействию воды и природных факторов, в первую очередь в зоне переменного уровня воды. Разработанная рецептура ремонтного материала включает: портландцемент; противоусадочную добавку; песок (щебень); тонкомолотый компонент; полимерное связующее с комплексным отвердителем, повышающее липкость бетонной смеси, адгезию затвердевшего бетона, его водостойкость и морозостойкость; пластификатор; дисперсное волокно и воду. Работа выполняется для ЗАО ПКП «ТРАУФ», г. Москва, которое занимается производством сухих смесей для ремонта гидротехнических объектов.

Минералполимерный материал на алюмокремнеще-лочном вяжущем для устройства полов в специальных промышленных зданиях.

Материал разрабатывается путём введения специально разработанной полимерной композиции в состав безобжиговой керамики, получаемой на основе шлако-щелочных (алюмокремнещелочных) вяжущих, что позволит использовать его при устройстве полов в горячих цехах и зданиях химических производств.

Рецептура материала включает: кислую алюмоси-ликатную золу-унос ТЭС или метакаолин с добавлением трепела, диатомита и др. пуццолановых добавок; натриевое жидкое стекло; комплексный отвер-дитель жидкого стекла; полимерное связующее со своим отвердителем; дисперсно-армирующее волокно; воду.

Эластичный и водостойкий материал на основе жидкого стекла.

Целесообразность и актуальность начатой работы по разработке технологии производства названного материала диктуются тем, что нами в инициативном

порядке впервые были получены образцы эластичного, водостойкого и негорючего материала из жидкого стекла.

Полимерминеральные эластичные материалы.

Материалы имеют высокую эластичность и водостойкость, водопоглощение их составляет не более 1—2 %. Конкретные показатели для каждого материала эластичной группы полимерминералов зависят от свойств подобранных полимерных составляющих, вида тонкомолотого инертного наполнителя и его содержания, а у материала для наливных полов ещё и от содержания мелкой фракции щебня. Разрабатываемые материалы затвердевают в течение 1,5—2 ч., а затем должны высохнуть до начала эксплуатации.

На рис. 1 и 2 представлены схемы классификации составов композиционных минералполимерных и геосинтетических минералполимерных строительных материалов.

Ключевые слова: минералполимер, композиционный материал, акриловый сополимер

Список литературы

1. Баранов И.М. Новые композиционные гипсовые материалы для облицовки фасадов зданий // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 4—5.

2. Баранов И.М. Облицовочные изделия на основе композиционных гипсополимерных вяжущих // Жилищное строительство. 2008. № 7. С. 30—31.

3. Ферронская А.В., Коровяков В.Ф., Баранов И.М., Бурьянов А.Ф. и др. Гипс в малоэтажном строительстве. М.: Изд. строительных вузов, 2008. 240 с.

4. Успенский Д.Д., Баранов И.М., Поляничев В.Н. Новый эффективный утеплитель из полимергипса // Строительные материалы. 1996. № 10. С. 14—15.

5. Лунин Е.М., Баранов И.М. Новый композиционный фибропенополимергипсовый конструкционно-огнезащитный материал металлических конструкций // Сб. докладов международной научно-практической конференции «Гипс, его исследование и применение». Красково, 2005. С. 5.

6. Баранов И.М. Композиционные гипсополимерные материалы // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 25-29.

7. Баранов И.М. Достоинства ипроблемы магнезиальных полов // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 4-6.

8. Лунин Е.М., Баранов И.М. Фиброцементные крупноразмерные декоративно-отделочные плиты «МИНЕЛИТ» для облицовки фасадов зданий // Строительные материалы. 2004. № 7. С. 14-15.

9. Баранов И.М. Прочность неавтоклавного пенобетона и возможные пути ее повышения // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 26-30.

10. Баранов И.М. Способ получения сырьевой смеси для изготовления неавтоклавного пенобетона. Патент РФ, № 2197451, 2001.

11. Баранов И.М., Разумовский С.А., Хундиашвили А.Д. Керамическая безобжиговая композиция, облицовочный материал и ячеистый бетон на её основе. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2009146862 от 17.12.2009.

12. Баранов И.М., Разумовский С.А., Хундиашвили А.Д. Ячеистый бетон наоснове керамической безобжиговой композиции. Патент РФ, № 2440941, 2009.

13. Баранов И.М. Пенобетон неавтоклавный на золосиликатном вяжущем // Строительные материалы. 2009. № 8. С. 28-29.

14. Баранов И.М. Получение, свойства и производство безобжиговой пенокерамики // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 74-77.