ГЛАВА 13. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ

13.1. Общие сведения о полимерах и пластмассах

В настоящее время в строительстве широко применяются различные виды полимеров. Современные синтетические материалы с успехом используются при конструировании и отделке зданий и сооружений наряду с металлом, бетоном, древесиной, стеклом. В некоторых случаях полимеры выступают в качестве аналогов традиционных стройматериалов, но иногда уникальные свойства синтетических композитов делают их незаменимыми. В отличие от традиционных строительных материалов, нужные технические характеристики полимеров задаются при их производстве. В зависимости от конкретных требований синтетические материалы могут обладать различной прочностью, гибкостью, цветом, степенью прозрачности, стойкостью к температурным воздействиям.

Пластические массы – это композиционные материалы, состоящие из органических связующих, наполнителей и модификаторов, которые при нагревании и давлении способны формоваться и сохранять приданную им форму.

В качестве наполнителей используют:

порошкообразные (молотое кварцевое стекло, тальк, мел);

волокнистые (асбестовые, древесные, стеклянные волокна);

слоистые (бумага, древесный шпон).

Наполнители уменьшают расход полимера, повышают прочность, теплостойкость, долговечность пластмасс, снижают стоимость материалов и изделий.

Полимеры – вещества, в композиционных пластмассах выполняющие роль связующего, если пластик состоит из одного полимера – являются основным материалом.

Пластификаторы применяют для придания пластичности и улучшения формовочных свойств пластмасс. К ним относятся растительные масла, жирные кислоты и др.

Стабилизаторы уменьшают старение пластмасс, повышают долговечность пластмассовых изделий.

К красящим веществам относятся пигменты и красители.

Интересно знать: Производство полимеров из переработки продуктов нефти и газа

13.2. Основные свойства полимеров и пластмасс

Пластмассы – это один из наиболее перспективных классов стройматериалов. Они обладают рядом ценных свойств: низкая плотность полимера, высокие механические свойства (прочность при сжатии и изгибе до 200 МПа и выше). Пластмассы стойки против действия кислот и щелочей, технологичны, водопоглощение плотных пластмасс стремится к 0.

Недостатки пластмасс: низкая теплостойкость (70-200С), высокий коэффициент линейного температурного расширения – (25…120) х 10-6, высокая ползучесть, старение, горючесть многих пластмасс, токсичность.

Физические свойства пластмасс:

истинная плотность пластмасс обычно в 1,5...2 раза меньше, чем у каменных материалов;
пористость пластмасс регулируется в широких пределах от 0 до 95..98 %;
водопоглощение пластмасс не более 1 %;
водостойкость пластмасс высокая;
теплостойкость большинства пластмасс невысокая и составляет 100...200 С, но у фторопластов и кремнийорганических полимеров она достигает 300...500 С;
теплопроводность пластмасс низкая ( λ = 0,23...0,7вт/м с), у пено- и поропластов она близка к теплопроводности воздуха;
коэффициент теплового расширения в 5...10 раз выше, чем у других материалов.

Механические свойства пластмасс:

прочность пластмасс определяется связующим полимером и заполнителем;
модуль упругости пластмасс примерно в 10 раз ниже, чем у бетона и стали, поэтому им характерна высокая ползучесть и деформативность.

Химические и физико-химические свойства пластмасс.

Химическая стойкость – большинство пластмасс стойки к неорганическим кислотам и щелочам, но в органических растворителях, близких по природе полимеру, могут растворяться.

Старение – изменение структуры и состава полимера под действием света, кислорода воздуха, нагревания, при этом появляется хрупкость, исчезает эластичность, в конечном итоге наступает полное разрушение.

Выделение токсичных веществ происходит в результате присутствия в полимерах продуктов их деструкции, появляющихся из-за нарушения технологических режимов производства полимеров, а так же из-за вводимых в пластмассу низкомолекулярных продуктов (пластификаторы, стабилизаторы и др.) В жидком виде все полимеры токсичны.

Горючесть пластмасс связана с горючестью полимеров как органических веществ. Снижают их горючесть антипирены, которые добавляют в пластмассы.

Окрашиваемость полимеров в различные цвета производится путем введения красителей в его расплав или раствор.

Интересно знать: Уникальные свойства пластмассы

13.3. Методы изготовления изделий из полимеров и пластмасс

По способу получения полимеры подразделяются на четыре класса:

А – полимеризационные;
Б – поликонденсационные;
В – модифицированные из природных полимеров;
Г – образовавшиеся в природных условиях и изготовленные путем деструктивной или простой перегонки ряда органических веществ (нефти, угля).

Способы изготовления полимерных изделий:

Каландрирование – способ формования изделий в зазоре между двумя вращающимися валками из термопластичных композиций для получения рулонных, пленочных и листовых материалов. Каландр состоит из 2…4 полых валков с полированной поверхностью. Валки вращаются с одинаковой скоростью и нагреваются до необходимой температуры водой, подаваемой вовнутрь валков под давлением. При каландрировании композиция освобождается от воздуха, уплотняется и выходит в виде непрерывной ленты. Это один из основных методов формования термопластичных композиций (ПВХ – линолеум, релин, ПВХ и кумароновые плитки, полиэтиленовая и полиизобутиленовая пленки, полиизобутиленовые листы).

Экструзия – продавливание формовочной массы через мундштук экструдера (насадку, соответствующую профилю изделия). Применяются шнековые экструзионные машины, в которые полимер подается в виде порошка или гранулята. В экструдере полимер нагревается до вязкотекучего состояния и выдавливается через мундштук. Этим методом изготавливают трубы, погонажные изделия, плитки, пленки и т.д.

Литье под давлением осуществляют при получении изделий из вязкотекучих термопластичных композиций методом инжекции. Порция расплавленной массы, полученной в литьевых машинах, под давлением впрыскивается в форму, где охлаждается и быстро затвердевает. Этим способом получают детали для соединения труб, сифоны, облицовочные плитки.

Термоформование производят вакуумным и пневматическим методами.

При вакуумном термоформовании изделия получают из листовых термопластичных заготовок, которые в пластическом состоянии под влиянием вакуума принимают конфигурацию формы. Этим методом получают крупногабаритные тонкостенные изделия сложного профиля – ванны, раковины, смывные бачки.

При пневмоформовании размягченные заготовки превращают в изделия с помощью сжатого воздуха.

Прессование осуществляют в обогреваемых гидравлических прессах при переработке смесей на основе термореактивных полимеров. Прессованием получают древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, слоистые пластики.

Интересно знать: Большой скачок. Лёгкий и прочный. Пластик

13.4. Применение строительных материалов из полимеров и пластмассы. Применение полимеров в бетонах и растворах.

Направления применения полимеров в строительстве чрезвычайно разнообразны (Табл. 13.1). Часто один и тот же материал может использоваться в различных областях, например – в качестве звуко- и теплоизоляции, конструкционных и декоративно-отделочных элементов. Основные направления применения полимеров в строительстве следующие:

несущие и ограждающие конструкции;
теплоизоляция;
гидроизоляция;
полы и напольные покрытия;
инженерные коммуникации;
клеи, пены;
модифицирующие добавки.

Таблица 13.1 – Классификация полимерных строительных материалов

Наименование полимера (полимерного материала)	Область использования
Полиэтилен (ПЭ) и сополимеры
Гомополимерные конструкционно-функциональные материалы	Листовой или рулонный гидроизоляционный материал; ёмкости (ванны, бадьи для раствора, канистры); трубы для водопроводов, сточных вод, газопроводов; фитинги, переходники для них; плёнки; трубопроводы для горячих и химических агрессивных сред; покрытия на другие строительные материалы, ливнеспуски; неткановолокнистый материал для пола, в составе клея-расплава КРУС для зданий всех типов
Полистирол (ПС)	Декоративные плиты, облицовочные плитки для подсобных помещений жилых и общественных зданий, в качестве основы для получения пенополистиролов
Поливинилбутираль	В составе лакокрасочных и клеевых материалов; связующих для армированных пластиков; в составе шпаклевки "Эмульсия" и краски Э-ВА-27А для всех типов зданий.
Полиметилметакрилат (ПММА)	Панели, в том числе цветные, пропускающие свет; блоки; стержни; трубы; профильные и фасонные дета ли и панели; световые купола; бытовые ванны; умывальники; различные корпуса; осветительные приборы; покрытия; модели и шаблоны
Поливинилацетат (ПВА)	В составе красок, покрытий, клеев, шпаклевок, штукатурок, для изготовления рулонного и листового гидроизоляционного материала, устойчивого к воздействию битума
Поликарбонаты (ПК)	Световые купола; жалюзи; остекления спортивных сооружений; стены душевых кабин; защитные каски и другие изделия
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)	Пленки прозрачные; гидроизоляционный листовой и рулонный материал, текстильное волокно
Полиуретаны (ПУ)	В составе лаков, клеев, мастик, шпатлевок; для покрытия монолитных полов, облицовки бетонных емкостей при хранении мазута, для герметизации различных швов, в производстве жестких и мягких пенопластов.
Фенольные смолы и материалы на их основе	Из ненаполненных смол – блоки, панели или стержни, из которых механическим способом изготавливают фурнитуру для окон и дверей; в составе эмалей и клея; в качестве связующего в полужестких теплоизоляционных плитах; из наполненных – фенопласты в составе слоистых пластиков (древесно-стружечных, древесно-волокнистых); биостойкие плиты; многослойную фанеру; связующее для армированных пластиков (стекло-, угле- и органопластиков); в составе пресс-порошков и пресс-волокнитов для изготовления в последующем фурнитуры для интерьеров
Мочевино- и меламиноформальдегидные смолы и материалы на их основе	В качестве связующих в составе пресс-масс при изготовлении столярных материалов и декоративных многослойных клееных плит и санитарно-технического оборудования; для изготовления влагостойких клеев и лаков, облицовочной фанеры; при изготовлении пенопластов
Поликомпонентные конструкционно-функциональные материалы
Пресс-порошки и пресс-волокниты на основе олигомерполимерных связующих, порошкообразных и волокнистых наполнителей	При изготовлении отделочных изделий, строительной фурнитуры, плиток, химстойких труб и вентилей для работы в агрессивных средах
Слоисто-волокнистые материалы: полимеры и полимерные материалы, наполненные хлопчатобумажным, стекло-угле, органоволокном и бумагой, тканями и лентами на их основе	Для изготовления панелей; плиток (плоских или гофрированных, облицовочных фасадных) трехслойных строительных конструкций в гражданских, общественных и производственных зданиях; прозрачных куполов и оболочек; перекрытий; облицовок балконов профильных и погонажных изделий; труб; конструктивных элементов при строительстве бассейнов, емкостей, цистерн для горючесмазочных материалов профильных оболочек; окон; дверей; ворот в гаражах мебели; дорожных знаков и др.
Древесно-волокнистые пластики	В панелях перегородок потолков и в навесных панелях стен, обращенных внутрь помещений
Полимербетоны	При изготовлении крупноразмерных сборных элементов деталей стен и перил, санитарно-технических изделий в промышленном, гидротехническом, дорожном и подземном строительстве
Тепло- и звукоизоляционные материалы
Пено- и поропласты (вспененные пластмассы)	Тепло- и звукоизоляционные материалы; герметизация стыков между стеновыми панелями в трехслойных панелях- средний слой; шпон для отделки листовых и плиточных материалов; утеплитель в асбоцементных панелях, в производстве мебели
Сотопласты	В самонесущих и навесных ограждающих конструкциях здании и сооружений, в качестве среднего слоя трехслойных панелей
Древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты	В качестве тепло- и звукоизоляционных материалов
Теплоизоляционные полимербетоны	В качестве внутреннего слоя в легких навесных стеновых панелях, ограждающих конструкциях
Стекло- и минераловолокнистые плиты на синтетических связующих	Для тепловой изоляции строительных конструкций (стен, перегородок, полов), промышленного оборудования и трубопроводов
Материалы для полов
Материалы рулонные, плиточные, листовые	Для покрытий полов в жилых, общественных и производственных зданиях
Материалы для бесшовных покрытий	Для покрытий полов в помещениях с агрессивными средами, мокрыми процессами, интенсивным движением транспортных средств, при ударных нагрузках
Рулонные материалы
Отделочные материалы, листы, плиты и плитки	Для отделки стен, перегородок, потолков, дверей, изготовление различных видов мебели, солнцезащитных устройств
Погонажные изделия и архитектурно-строительные детали	При отделке стен, потолков, перeгородок, дверей, лестничных маршей, встроенной мебели, в конструкции полов
Лаки, краски и эмали	Для отделки внутренних помещений и фасадов зданий, встроенной мебели
Антикоррозионные материалы
Листовые, плиточные и рулонные материалы	В качестве облицовки бетонных, кирпичных и других поверхностей строительных конструкций, резервуаров, полов, бассейнов, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред
Антикоррозийные мастики, замазки	В строительных конструкциях для защиты материалов и оборудования, эксплуатируемого в условиях воздействия агрессивных сред
Лакокрасочные покрытия	Для защиты конструкций и оборудования от коррозии
Клеи и мастики
Клеи и мастики при креплении отделочных материалов	Для приклейки линолеума, отделочных плиток и ковровых полов на различные основания
Клеи для строительных конструкций	Для склеивания древесины, фанеры, древесноволокнистых и древесно-стружечных плит, полимеров и металлов
Другие материалы на полимерной основе
Полимербетон	Для изготовления труб, несущих строительных конструкций, стоек, перемычек, опор контактной сети, шпал, плит, эстакад в химических производствах, решеток, несущих колонн

Цементные бетоны – главнейший строительный материал – не лишены недостатков. В частности, пористость бетона делает его недостаточно морозо- и коррозионно-стойким и проницаемым для жидкостей. Цементные бетоны быстро разрушаются под действием кислот. В некоторых случаях бетон нельзя применять из-за его хрупкости и невысокой износостойкости, кроме того, свежий бетон плохо сцепляется с поверхностью старого бетона. Этих недостатков не имеют бетоны, в которых минеральное вяжущее частично или полностью заменено полимерами: полимер-цементные материалы, бетонополимеры и полимербетоны.

Полимерцементные материалы получают, добавляя полимер непосредственно в бетонную или растворную смесь. В качестве полимерной добавки используют водорастворимые смолы, водные дисперсии полимеров и жидкие водо-нерастворимые термореактивные олигомеры (смолы); последние вводят в бетонную смесь с помощью эмульгаторов. Количество полимерной добавки от 1 до 30 % от массы цемента в зависимости от вида полимера и целей модификации бетона или раствора. Наибольшее распространение получили полимерцементные растворы и бетоны с добавкой водных дисперсий полимеров (например, поливинил-ацетатной и акриловой дисперсии, латексов синтетических каучуков). Полимерные добавки используют также для модификации гипсовых материалов.

Полимерцементные растворы и бетоны отличаются высокой адгезией к большинству строительных материалов, низкой проницаемостью для жидкостей, высокой износостойкостью и ударной прочностью.

Применяют полимерцементные материалы для покрытия полов промышленных зданий, взлетных полос аэродромов, для наружной отделки по кирпичным и бетонным поверхностям, устройства резервуаров для воды и нефтепродуктов.

В последнее время полимерцементные растворы начали применять для кладки стен зданий в сейсмических районах; здесь используются хорошие адгезионные свойства и высокая деформативность таких растворов.

Бетонополимер представляет собой бетон, пропитанный после затвердевания мономерами или жидкими олигомерами, которые после соответствующей обработки переходят в твердые полимеры, заполняющие поры бетона. В результате этого более чем в 2 раза повышаются прочность бетона и его морозостойкость. Бетонополимеры практически водонепроницаемы. Для получения бетонополимера используют главным образом стирол и метилметакрилат, полимеризующиеся в бетоне соответственно в полистирол и полиметилметакрилат.

Существенный недостаток бетонополимера – значительное усложнение технологии бетона: затвердевшее бетонное изделие перед пропиткой необходимо высушить, пропитывают его под вакуумом. Кроме того, работа с мономерами требует тщательного соблюдения техники безопасности.

Полимербетон – разновидность бетона, в котором вместо минерального вяжущего использованы термореактивные полимеры: эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные. Полимербетон получают, смешивая полимерное связующее и заполнители. Связующее состоит из жидкого олигомера, отвердителя и тонкомолотого минерального наполнителя, который уменьшает расход полимера и улучшает свойства полимербетона. Твердеют полимербетоны при нормальной температуре в течение 12.,.24 ч, а при нагревании – еще быстрее.

Главное свойство полимербетона – высокая химическая стойкость как в кислых, так и в щелочных средах. Кроме того, полимербетоны обладают высокой прочностью, плотностью, износостойкостью и отличной адгезией к другим материалам. Наряду с этим полимербетоны характеризуются повышенной деформативностью и невысокой термостойкостью.

Хотя стоимость полимербетона намного выше стоимости обычных бетонов, его применение экономически оправдано для получения защитных покрытий и целых конструкций, работающих в условиях химической агрессии (химические и пищевые заводы), и для ремонта каменных и бетонных конструкций (например, восстановление поверхности, заделка трещин и т. п.).

БЛОК САМОКОНТРОЛЯ

Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентацией

Презентация «Строительные материалы и изделия на основе полимеров»

Дайте ответы на следующие вопросы:

Где в строительстве используются современные синтетические материалы?
Из каких компонентов состоят пластические массы?
Какие материалы используют в качестве наполнителей пластических масс?
Какие синтетические материалы называются полимерами?
Какие вещества являются пластификаторами, и для чего их применяют?
Перечислите физические свойства пластмасс.
Какими физико-химическими свойствами обладают пластмассы?
Перечислите основные недостатки пластмасс.
Назовите способы изготовления полимерных изделий.
Какие полимерные изделия получают методом каландрирования?
Каким методом изготавливают древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, слоистые пластики?
Перечислите основные направления применения полимеров в строительстве.
Назовите область использования фенольных смол и материалов на их основе.
Для чего используется полимербетон?
Как получают полимерцементные материалы?
Какие вещества используются в качестве полимерных добавок?
Какие полимеры вместо минерального вяжущего используются в полимербетоне?
Назовите главное свойство полимербетона.