НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ГОССТРОЯ СССР

РУКОВОДСТВО

ПО РАСЧЕТУ И ПРИМЕНЕНИЮ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АРМОПОЛИМЕРБЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

МОСКВА -1970

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ГОССТРОЯ СССР

РУКОВОДСТВО

ПО РАСЧЕТУ И ПРИМЕНЕНИЮ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АРМОПОЛИМЕРБЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

МОСКВА-1970

3.8. Проектирование составов полимербетонов для несущих конструкций требует учета многих факторов, главными из которых являются следующие:

а)    в зависимости от вида агрессивной среды, действующей на конструкции в процессе эксплуатации определяется химическая природа синтетической смохы. Полимербетоны, получаемые на этой смоле долины обладать максимально возможной жесткостью и прочностью,

б)    наибольшая прочность полимербетона на фурановых смолах может быть получена на кремнеземистых заполнителях. Несколько меньшую прочность обеспечивают углеграфитовые наполнители. Применение карбонатных наполнителей и заполнителей не допускается.

Кроме того, наполнители и заполнители должны обладать высокой химической стойкостью и прочностью,

в)    минимально возможный расход связующего для оптимального зернового состава наполнителей и заполнителей определяется удобо-укладываемостью смеси, прочностью и плотностью отвержденного полимербетона. При расходе связующего меньше определенного предела зерна заполнителей и наполнителей неполностью смачиваются, а смесь получается жесткой и плохо укладываемой. При избытке связующего образуется пластичная хорошо укладываемая смесь, но стоимость её значительно возрастает. В обоих случаях прочность полимербетона будет ниже оптимальной,

г)    введение в состав связующего различных пластификаторов в большинстве случаев не допускается,

д)    количество отвердителя. При его недостатке происходит неполная полимеризация связующего и ухудшение всех физико-механических свойств полимербетона. Избыток отвердителя резко ускоряет сроки до начала схватывания и способствует увеличению температуры экзотермического саморазогрева, что недопустимо. Под действием температурных напряжений в полимербетоне могут появится микро и макро-10

трещины и снижение его прочности,

е)    высокая жесткость полимербетонов обусловливает возникновение в таких композициях значительных усадочных напряжений, которые в некоторых случаях могут быть соизмеримы с прочностью полимербетона. Для снижения внутренних напряжений в состав полимербетонов рекомендуется вводить (0,5 - 1,<&) поверхностно-активных веществ (ПАВ). Кроме того, ПАВ улучшают смачиваемость наполнителей связукь щим, повышают пластичность смеси и на I0-I5& повышают прочность полимербетона,

ж)    известю, что в процессе поли конденсации фурановых и других синтетических смол выделяется некоторое количество воды (до 0,5--0,8£), которая значительна ухудшает физико-механические свойства полимербетонов.

Для улучшения адсорбционного взаимодействия синтетических смол с поверхностью наполнителей, уменьшения деформативности и ползучести в состав полимербетонов реколендуется вводить фтористые соединения, типа кремнефтористого натрия в количестве 1,5-2,0^ от веса связующего. Введение поверхностно-активных веществ и фтористых соединений способствуют образованию более прочных химических связей на границе раздела фаз, полимер-наполнитель,

з)    несущие конструкции из полимербетонов в большинстве случаев могут быть армированы по аналогии с цементными бетонами стальной арматурой. Для конструкций эксплуатируемых в условиях воздействия электрического тока необходимо применять стеклопластиковую арматуру,

и)    непременным условием проектирования составов должна быть экономическая целесообразность и эффективность применения таких конструкций.

II

Б) МЕТОДИКА РАСЧЕТА СОСТАВОВ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

3.9. Расчет состава полимербетона проводится с определения оптимального количества связующего для мастики по формуле:

Ом jet. (Г 4 tfCj    Д-£

УООО

где G-mocr- оптимальное количество связующего для мастики, кг.

2

- удельная поверхность наполнителей (муки)

&_м - вес наполнителя (муки), кг. fa - удельный вес связующего, кг/дм³ <t - толщина пленки связующего (f* 0,00015 см

отношение фактической вязкости смолы к вязкости смолы * 20 сек по ВЗ-4 - принятой за эталон.

Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что оптимальное отношение связующее-наполнитель составляет от 1:1,5 до 1:2,0.

ЗЛО. Для известного гранулометрического состава сухой смеси оптимальное количество связующего для полимербетона определяется по формуле:

iooo    ’    ^С2;

оптимальное количество связующего для полимербетона принятого состава, кг

удельная поверхность заполнителей различных фракций (щебень крупный, щебень мелкий, песок), см^/кг. вес заполнителей различных фракций, кг. коэффициент, учитывающий увеличение количества связующего необходимого для раздвижки зерен заполнителя мастикой (К =■ 1,05).

3.II. Удельная поверхность наполнителей (муки) определяется по известным методикам*^.

Удельную поверхность заполнителей (щебня, песка), с достаточной для практичесгах целей точностью, можно вычислить по ситевому анализу:

где %9.я и Фуд.щ- удельная поверхность песка и щебня соответственно см²/кг

О. - пустотность заполнителей fy '-fys ~ остаток заполнителя в г.(при навеске I кг) на ситах с отверстиями соответственно 2,5; 1,2;

0,6; 0,3 и 0,15 мм для песка и на ситах с отверстиями соответственно 5; 10; 20; 30; 40 мм для щебня.

fa ^н fa ~ удельныГ. вес песка и щебня, кг/дм³ K_f... K_s - соответственные коэффициенты геометрической формы заполнителя.

Значение коэффициентов "а" и "к" принимаются по таблицам I и 2. Удельная поверхность наиболее распространенных наполнителей и заполнителей приведена в табл.З.

Г.С.Ходаков "Основные методы дисперсионного анализа порошков* Стройиздат 1968 г.

3.12.    При проектировании и расчете составов полимербетонов гранулометрический состав сухой смеси обычно неизвестен, в таких случаях он подлежит определению.

Исходя из условий получения полимербетонов с максимальной плотностью, прочностью и достаточно хорошей удобоукладываемостью при минимальном расходе синтетических смол, выбор составов сухой смеси производится по методу полупрерывистой гранулометрии.

Примечание: Сущность полупрерывистой гранулометрии заключается в том, что наполнитель (минеральная мука) и песок имеют естественную непрерывную гранулометрию, а щебень строго фракционирует в соответствии с теорией плотной упаковки.

3.13.    На основании теории плотной упаковки шарообразные зерна одинакового диаметра d занимают объем

Ущ =    °>^5гз6    ,    (5)

Размер и отношение между самым крупным диаметром щебня и последующими фракциями определяется исходя из следующей математической зависимости:

Д_х : Д₂ : Д₃ » 1:1:2 Д₂ * 0,414 Д_г; Д₃ = 0,225 Д_х

^где Д1 - размер наиболее крупной фракции щебня,

Д^ Д₃ - последующие размеры щебня.

При этом Д_г выбирается в пределах 1/5 «- l/б минимального сечения конструкции.

3.14.    Бели принять размер Д^ равным I, то объем занимаемый тремя фракциями щебня составит:

Д_х ♦ Д₂ ♦ 2Л₃ * 0,5230 + 0,037 + 2(0,0057) - 0,570

Третья фракция щебня увеличивает степень заполнения на I#. Поэтому для полимербетона с максимальной крупностью щебня до 30 мм можно принимать одну фракцию щебня. Для полимербетонов с максимальной крупностью 35 мм и выше рекомендуется две фракции щебня. В этом случае одна фракция щебня займет 52# объема, а две фракции Д1 ♦ Д₂ - 56# объема.

Объем пустот составит:

У,ш I - 0.52 - 0,48 и Ц = I - 0,56 = 0,44

3.15. Для получения плотного и достаточно пластичного полимербетона необходимо чтобы полимерная мастика заполнила все пустоты между зернами песка и щебня и раздвинула их на величину равную средней крупности зерен наполнителя (муки). Одна весовая часть полимерной мастики может заполнить пустотность следующего количества песка:

Ь =    -    I.»    =    Mis <б)

где G_n - расчетное количество песка, кг,

f'n - объемный вес песка *1,3 + 1,4 кг/т, jf_H - удельный вес наполнителя (муки),

G_Cm - вес смолы, кг,

&н - вес наполнителя, кг,

U_n - объем пустот в песке = 0,4, а - коэффициент удобоукладываемости - 0,5

3.16. Таким образом, для получения плотного полимербетона с двумя фракциями щебня одна весовая часть мастики и 1,119 весовых частей песка должны заполнить 44£ пустот образованных щебнем.

Пересчитав (путем несложных преобразований) полученные величины в процентах получим, что для заполнения 44# образованных щебнем

15

ПРЕДИСЛОВИЕ

Строительные конструкции предприятий химической, металлургической, нефтеперерабатывающей, бумажной и других отраслей промышленности, как правило, эксплуатируются в условиях воздействия различных агрессивных сред.

Защита строительных конструкций химически стойкими покрытиями в ряде случаев не обеспечивает достаточной надежности и долговечности сооружений. В связи с этим назрела необходимость в применения таких строительных конструкций, которые сочетают высокую химическую стойкость с высокой прочностью и устойчивостью.

Создание на базе полимербетонов химически стойких строительных конструкций повышает эффективность их эксплуатации (увеличение сроков службы) на предприятиях, подверженных интенсивному воздействию агрессивных сред.

В настоящем Руководстве обобщены и систематизированы результаты научно-исследовательских работ и опытного внедрения химически стойких конструкций из полимербетонов, включающие технологию изготовления, основные физико-механические и физико-химические свойства полимербетонов, прочностные и деформационные характеристики и основные положения по расчету армополимербетонов.

Руководство разработано лабораторией полимербетонов НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР -(канд.техн.наук В.В.Патуроевым) совместно с Московским институтом инженеров транспорта-МИИТ (канд. техн.наук А.И.Чебаненко) и Воронежским инженерно-строительным инсти-тутом-ВИСИ(инж.П.А.Андриановым) под руководством д-ров техн.наук профессоров Н.А.Мощанского, С.С.Давыдова и А.М.Иванова.

3

В подготовке Руководства принимали участие какд.техн.наук И.Е.Путляев, инк.С.Н.Кудинова (НИИЖБ), канд.техн.наук А.С.Жиров, инк.В.М.Бобряшов (МИИТ), кандидаты техн.наук А.Н.Ерофеев, В.Е.Беляев, Л.У.Задан, Ю.Б.Потапов и инх.В.А.Ломухин (ВИСИ).

В Руководстве использованы также материалы Ферганской отраслевой лаборатории фурановых соединений НИИПМ, ЦНИИПодземшахтостроя и др. организаций.

Все предложения и замечания по содержанию настоящего Руководства, а также данные по опытному проектированию и применению армо-полимербетонов в строительстве просим направлять в НИИЖБ Росстроя СССР по адресу: Москва, Ж-389, 2-ая Институтская ул., д.б.

Дирекция НИИЖБ

I. ТЕР11ИЮЛ0Г1Я

1.1.    Под полимербетонами понимаются бесцементные составы на основе термореактивных синтетических смол с преимущественно кислотостойкими заполнителями и наполнителями различной дисперсности.

1.2.    Полимербетоны, как правило, содержат в своем составе три фракции наполнителей и заполнителей: мелкодисперсные наполнители с размером частиц менее 0,15 мм и заполнители - песок с размером зерен до 5,0 мм и щебень до 40 мм.

1.3.    Полимербетоны и полимеррастворы (мелкозернистые полимербетоны) классифицируются следующим образом: для не армированных материалов после наименования "полимербетон" указывается сокращенное название полимерного связующего и вид основного наполнителя. Для армированных материалов (арыополимербетонов) перед названием указывается вид армирующего материаха. Армирование полимербетонов возможно не только сталью, но и стеклопластиковой арматурой.

Например: полимербетон ФАМ на графите, сталеполимербетон ФАМ на андезите и т.п.

1.4.    В отличие от терминологии принятой для силикатных материалов (вяжущее, твердение и т.п.), терминология применительно к высоконаполнениым полимерным композициям, в том числе и полимербетонам, включает следующие выражения:

а)    связующее - представляет собой синтетическую смолу с отвердителями, ускорителями, а при необходимости с пластификаторами, поверхностно-активными и другими компонентами,

б)    отверждение - полимеризация или поликонденсацяя синтетического связующего. Практически полное отверждение полимербетонов при обычной температуре 18-20°С и относительной влажности воздуха 60-6 5^ происходит в течение 28-30 суток. Для ускорения

5

отверждения рекомендуется - после суточного выдерживания полимербетона в обычных условиях сухой прогрев при 8(Яс в течение 24 часов.

2. ВИДЫ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ И ОООН2ННОСТИ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

2.1.    В эависаюсти от назначения для получения полимербетонов, в качестве связущего могут использоваться терыореактивные смолы типа полиэфирных, фенолформальдегидных, фурановых, карбамидных, эпоксидных и их модификаций с другими смолами.

2.2.    В зависимости от вида наполнителей и заполнителей и их зернового состава объемный вес полимербетонов может изменяться от 0,5 - 0,6 т/м³ до 3,5 - 4,0 т/м³.

Поэтому основные свойства полимербетонов характеризуются не только видом синтетического связущего, но и видом наполнителей и заполнителей.

2.3.    Однако, полимербетоны на фурановых смолах типа ФА или ФАМ относятся к наиболее дешевым материалам этого вида и обладают практически универсальной химической стойкостью (кроме окислительных сред высокой концентрации), высокой прочностью и ограниченной ползучестью. Поэтому полимербетоны на этих смолах с объемным весом 2,1 - 2,3 т/м³ в настоящее время получили наибольшее распространение и в Руководстве рассмотрены преимущественно.

2.4.    В отличие от низкомолекулярных материалов полимерные материалы в том числе и полимербетоны в зависимости от скорости деформации, температуры и напряженного состояния могут иметь упругие, высокоэластические и деформации вяакого течения

Высокоэластическая деформация - особый вид деформации, присущий только полимерным материалам.

Под действием внешней нагрузки, деформации молекул полимера

б

происходят путем последовательного перемещения её сегментов, т.е. протекают во времени. Поэтому высокоэластическая деформация отстает от изменения внешнего силового поля и тем в большей степени, чем более жесткую пространственную структуру имеет полимер.

2.5.    На механические свойства полимеров существенное влияние оказывает температура и время, в течение которого полимер находится под действием внешнего силового поля. Поэтому, при оценке прочностных и деформационных характеристик полимербетонов необходимо учитывать не только величину внешнего усилия ( 6 ), деформации ( 6 ) и температуру ( i ), но и дополнительный фактор - время С ), которое в конечном итоге определяет длительную прочность полимербетонных конструкций.

2.6.    В отличие от цементных бетонов полимербетоны имеют значительно большую усадку и коэффициент температурного расширения (см.табл.6).

2.7.    Для стабильных темп ер атурно-влажностных условий во второй части Руководства приводятся расчетные формулы и методика расчета несущих химически стойких полимербетонных конструкций. Влияние на длительную прочность поваленной температуры, увлажнения, действия агрессивных жидкостей и других внешних факторов должно учитываться соответствующими коэффициентами.

2.8.    Наличие в полимербетоне большого количества составляющих значительно влияет на его однородность. Поэтому при определении кратковременной кубиковой или призменной прочности в первую очередь определяется коэффициент однородности К_л,_п, а затем в зависи-

иДН

мости от условий эксплуатации и вида напряженного состояния определяются остальные необходимые коэффициенты: длительной прочности Кдд, температурный 1^, увлажнения и степени агрессивности

^кагр’

7

3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ,ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СОСТАВОВ

3.1.    Полимербетон ФАМ состоит из связующего - фурфурол ацето новой смолы ФАМ, отвердителя - бензолсульфокислоты (БСК) и минеральных наполнителей и заполнителей: молотой минеральной фракции - муки крупностью менее 0,15 мм, песка крупностью 0,15-5,0 мм и щебня крупностью 10-40 мм.

3.2.    Фурфурол-ацетоновая смола ФАМ выпускается Ферганским гидролизным заводом и должна соответствовать МРТУ Я 6-05 945-64 г.

Бензолсульфокислота (БСК) выпускается Новомосковским химическим заводом в соответствии с ТУ МХП 307-54.

3.3.    Для полимербетонов в качестве наполнителей используют кварцевую муку, молотый андезит, кокс, графит и др. В качестве заполнителей кварцевый песок, щебень гранитный, андезитовый, бой кислотоупорной керамики и др.

3.4.    Наполнители и заполнители должны быть сухие (влажность муки не более # и песка не более 0,9© и без посторонних примесей. Не допускается загрязнения заполнителей карбонатами (мел,-мрамор, известняк и т.п.), основаниями (известь, цемент) и металлической пылью (стальной, цинковой). В случае невыполнения указанных требований, полимербетон будет иметь низкую прочность, плотность и кислотостойкость. При влажности заполнителей и наполнителей выше 2-3# и чрезмерном загрязнении полимербетон может не отвердеть.

3.5.    Фурфурол-ацетоновые смолы и бензолеулЪфокислота должны храниться в герметичной таре (металлические бочки или бидоны). Попадание воды в смолу или отвердитель не допускается.

Хранение всех остальных компонентов, используемых для приготовления полимербетонов должно производиться с учетом вышеприведенных

требований, исключающих попадание воды и загрязнений.

Примечание: Бэлее подробно технологические параметры изложены в^пРуководетве по приготовлению и использованию составов на основе термореактивных смол в строительстве". НИИ1Б, Стройиздат. 1969 г.

А) ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

3.6.    По своему назначению полимербетонные конструкции делятся на две основные группы. К первой группе относятся не несущие - защитные или ограждающие конструкции (химически-стойкие полы и футеровки, в том числе различных емкостей). Ко второй группе относятся несущие химически стойкие конструкции (трубы, лотки, емкости, фундаментные блоки, балки, колонны, опоры линий электропередач и др.).

Проектирование оптимальных составов этих двух групп имеет принципиальное различие, обусловленное их назначением и свойствами полимербетонов.

3.7.    При проектировании составов для полимербетонов относящихся к первой группе необходимо выбирать такие смолы, которые обладают необходимой химической стойкостью в данной среде, сравнительно небольшой жесткостью, малой усадкой и повышенной эластичностью. Такие свойства способствуют релаксации внутренних напряжений и тем самым обеспечивают повышенную долговечность пола и защитных футе-ровок.

Если эластичность смол оказывается недостаточной, то в связующее вводят различные пластификаторы. При этом повышенная деформа-тивность полимербетона не только не является отрицательным свойством, но практически необходима.

Для таких конструкций во многих случаях вполне достаточна прочность 300*400 кгс/см² на сжатие, а иногда и ниже. Поэтому некоторое снижение прочности, связанное с введением пластификаторов также не является определяющим фактором.