книги из ГПНТБ / Литвин, А. Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями

Весьма перспективным для использования в поЛймержелезобетонных конструкциях, контактирующих с многи­ ми горячими агрессивными средами, является сополимер полиизобутплена с изопреном, называемый бутилкаучуком [44]. Этот вид синтетического каучука, помимо выда­ ющейся химической стойкости, обладает меньшей газо­ проницаемостью и лучшими озоностойкостыо и стойкос­ тью против старения, чем многие другие виды каучуков, включая натуральные. Его прочность и сопротивлеление истиранию находятся на достаточно высоком уров­ не [50]. Хорошим комплексом свойств обладают также галогенированные бутнлкаучуки п, в частности, бромбутилкаучук [44]. Важное значение имеет то обстоятель­ ство, что сырую резину на основе бутнлкаучука можно не только склеивать, но и сваривать.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД

Поливинилхлорид, часто именуемый также поли­ хлорвинилом или винипластом, уже десятки лет выпуска­ ется промышленностью и широко применяется в технике и в быту. Из него изготовляют химическую аппаратуру, трубы, линолеум, изоляцию для проводов, моющиеся обои, облицовочные материалы и множество других раз­ нообразных изделий [95].

По масштабам мирового производства поливинилхло­ рид занимает первое место среди термопластичных поли­ мерных материалов причем это место, по-видимому, он будет занимать и в ближайшем будущем, хотя производ­ ство полиэтилена развивается быстрее и в ряде стран, та­ ких, как США и ФРГ, полиэтилена производят уже боль­ ше, чем поливинилхлорида [47].

Поливинилхлорид — относительно дешевый полимер­ ный материал и для организации его производства тре­ буются сравнительно небольшие капиталовложения. Промышленность поставляет поливинилхлорид в непластифицированном и пластифицированном виде. Непластифицированный поливинилхлорид поставляется в виде смолы разных марок, а также в виде прессованных или экструдированных листов, каландрованной пленки и труб. Пластифицированный поливинилхлорид различных ре­ цептур, называемый пластикатом, поставляется в виде гранул, рулонного материала, а также в виде пленок, лент н шлангов.

32

Из данных табл. 1 видно, что непластифицированный жесткий поливинилхлорид, называемый винипластом, представляет собой полимерный материал, обладающий относительно высокими показателями прочности, но ма­ лыми значениями относительного удлинения при разры­ ве. Существенным его недостатком является то, что уже при температуре порядка —10° С он становится хрупким.

Винипласт — непрозрачный полимерный материал с цветом от светло-желтого до темно-коричневого. Не име­ ет запаха, вкуса и в чистом виде физиологически безвре­ ден. В пламени хотя и трудно, но загорается, однако, бу­ дучи вынутым из него, немедленно самопроизвольно зату­ хает. К преимуществам винипласта можно отнести не только его высокую прочность, но также хорошую износо­ стойкость и свариваемость с помощью токов высокой час­ тоты. Благодаря гладкой поверхности трубопроводы, изготовленные из поливинилхлорида, имеют малое гид­ равлическое сопротивление. Как и в случае применения полиэтиленовых труб, в водопроводных трубах из поли­ винилхлорида не наблюдается обрастания их внутренней поверхности .осадками и различными микроорганизмами [24]. При нагревании винипласт легко подвергается де­ струкции, интенсивно ускоряемой продуктами разложе­ ния. В связи с этим процессы его переработки и сварки, осуществляемые с нагревом, должны выполняться с под­ держанием точного температурного режима в довольно узком температурном интервале, так как оптимальные температуры его переработки и сварки лишь немногим ниже температуры начала его разложения [92].

Винипласт относится к числу стойких материалов по отношению к действию многих кислот, щелочей и раство­ ров солей, нефтепродуктов и органических растворителей [57]. Он достаточно стоек также по отношению к холод­ ной воде и реагентам, применяемым для очистки и дезин­ фицирования питьевой воды.

Имеются сведения, что в США винипласт применяют для устройства непроницаемого и химически стойкого слоя в железобетонных трубах, предназначенных для ка­ нализации химически агрессивных промышленных сто­ ков [97].

Основные недостатки винипласта с точки зрения его применения в полимержелезобетонных конструкциях — малое относительное удлинение при разрыве, сравни­ тельно высокий модуль упругости и хрупкость при

низких температурах — можно устранить, вводя в него различные пластификаторы. Наилучший эффект дает введение в него нелетучих высокомолекулярных пласти­ фикаторов, в качестве которых используют хлорирован­ ные полиолефины [28]. Получаемый при этом ударопроч­ ный поливинилхлорид, имеющий за рубежом торговое на­ именование «хосталлит Z», может быть приготовлен раз­ личной жесткости — от очень мягкого до очень жесткого,

взависимости от принятого соотношения компонентов

[30].Для получения ударопрочного поливинилхлорида,

10 20 30 W 50

Содержание пластификатора в.%

обладающего меньшей хрупкостью и большей морозо­ стойкостью, чем винипласт, разработаны и отечественные методы, в которых используют добавку хлорированного полиэтилена или полярных синтетических каучуков, хоро­ шо совместимых с поливинилхлоридом.

В производстве кабеля и в ряде других областей тех­ ники широко используется пластификация поливинилхло­ рида совмещающимися с ним высококипящими жидкос­ тями. Обычно для этих целей используют дибутилфталат, диоктилфталат, трикрезилфосфат, диоктилсебацинат, пластификатор ВСФ и др. Получаемые материалы назы­ вают пластифицированным поливинилхлоридом, а ч'а- ще — пластикатом ПВХ.

Как видно из рис. 10, введением пластификатора мож­ но увеличить относительное удлинение поливинилхлори­ да при его разрыве в десятки раз и довести его до 400% и больше [87]. Введение пластификаторов, однако, су­ щественно снижает разрушающее напряжение поливи­ нилхлорида при его растяжении (рис. 11). Сопоставляя рис. 10 и 11, можно видеть, что чем выше относительное удлинение при разрыве пластифицированного поливй-

34

иилхлорида, тем ниже величина его разрушающего на­ пряжения при растяжении. Поэтому содержание пласти­ фикаторов в пластифицированном поливинилхлориде обычно принимают не более 30—40%.

Добавки пластификаторов существенно увеличивают эластичность материала при низких температурах. При­ менение диоктилфталата и диоктилсебацината в опти­ мальных количествах позволяет придать пластифициро­ ванному ими поливинилхлориду вполне достаточную мо­ розостойкость.

Рис. 11. Зависимость разруша­ ющего напряжения при растя­ жении поливинилхлорида от ко­ личества и вида введенного пластификатора

1 — трнкрезнлфосфат; 2 — дноктнлфталат; 3 — дноктнлсебацннат

Разрушающее напряжение при растяжении и относи­ тельное удлинение при разрыве пластифицированного по­ ливинилхлорида существенно зависят от температуры. Разрушающее напряжение при растяжении с повышени­ ем температуры быстро снижается, а относительное уд­ линение при разрыве сначала быстро возрастает, а затем быстро уменьшается.

Отечественной промышленностью выпускается много видов пластифицированного поливинилхлорида, изго­ товляемого по различным рецептурам. Для использова­ ния в полимержелезобетонных конструкциях перспек­ тивны светотермостойкие пластикаты рецептур 239 и 288 (ВТУ МХГ1 № 1535-47), обладающие наибольшей долговечностью, износостойкостью и высокой морозо­ стойкостью, а также шланговый светотермостойкий пла­ стикат НШ-2. Эти пластикаты при нагревании пахнут, поэтому если запах недопустим, следует применять пла­ стикат рецептуры М-258, который практически не пахнет.

В зависимости от назначения полимержелезобетон­ ных конструкций в них могут быть использованы также

пластикаты рецептур 38, 301, 1186, широко применяющи­ еся при производстве кабеля, и газобензостойкие сорта пластикатов, применяемые в газовой и нефтяной про­ мышленности. В перспективе в полимержелезобетонных конструкциях будут применяться пластикаты, изготов­ ляемые по рецептурам, специально подобранным для нужд строительства в каждом конкретном случае.

В заключение следует отметить, что пластифициро­ ванный поливинилхлорид склеивается многими видами клеев, в том числе и клеем ПЭД-Б, содержащим кроме перхлорвиниловой смолы и эпоксидную смолу, отверж­ даемую полиэтиленполиамином [12].

Из сополимеров поливинилхлорида перспективны со­ полимеры с внпилидеихлоридом, широко применяющие­ ся за рубежом под названием «сараи», а также сополи­ мер с метилметакрилатом М-20. Дополнительные сведе­ ния о поливинилхлориде и его свойствах можно найти в литературе [58, 95].

ПРОЧИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для устройства непроницаемого слоя в полимержелезобетонных конструкциях помимо уже перечислен­ ных материалов могут быть применены и многие другие полимерные материалы, главным образом в тех слу­ чаях, когда в конкретных условиях применения они бу­ дут обладать каким-либо существенным преимущест­ вом. В таких случаях другие их недостатки, такие, папример, как относительно более высокая стоимость, малые масштабы производства ит.п., могут не иметь ре­ шающего значения. К числу таких полимерных материа­ лов можно отнести сополимеры полистирола, полиакри­ латы, полиамиды, полиуретаны, фторлоиы (фтороплас­ ты), полиформальдегид, поликарбонаты, пентапласты, термореактивные эпоксидные, полиэфирные и фурановые смолы и стеклопластики на их основе, а также ряд синтетических каучуков.

Возможность эффективного использования этих по­ лимеров в полимержелезобетонных конструкциях обус­ ловливают их ценные свойства. Например, тройной со­ полимер акрилонитрила, бутадиена и стирола характе­ ризуется хорошей нефтестойкостыо и уже успешно

36

применяется в нефтегазовой промышленности в трубо­ проводах небольших диаметров [45]. Он достаточно прочен и может длительно эксплуатироваться при рас­ четном сопротивлении 8,5 МПа [45]. На стенках нефте­ проводов, изготовленных из этого сополимера, при тран­ спортировании парафиновых нефтей наблюдается го­ раздо меньшее отложение парафина, чем на стенках стальных трубопроводов в тех же условиях. В этом от­ ношении еще более эффективными являются нефтепро­ воды из ацетобутиратцеллтолозы [45].

Из полиакрилатов наибольший интерес представляет полиметилметакрилат, широко известный под названием «органическое стекло» или «плексиглас». Этот полимер помимо высокой твердости и прочности обладает про­ зрачностью и хорошим внешним видом. С добавлением соответствующих пигментов и наполнителей полиметил­ метакрилат, по-видимому, сможет найти применение в полимержелезобетоиных элементах, используемых для декоративных целей в различных зданиях и сооружени­ ях. Более подробные сведения о полиметилметакрилате и холодно твердеющих акриловых пластиках можно найти в литературе [5, 12, 28, 58].

Полиамиды, известные под названием поликапролак­ там, капрон, нейлон, амид и др., характеризуются высо­ кой прочностью и износостойкостью, а также хорошими антифрикционными свойствами. Полиамидная пленка, получившая наименование ПК-4, или «перфоль», очень прочна, но быстро стареет. В расплавленном виде полиамиды легкоподвижны, поэтому их не удается пере­ рабатывать экструзией. Однако они хорошо перераба­ тываются центробежным формованием и литьем под давлением. Определенный интерес представляет исполь­ зование полиамидных волокон и тканей для армирова­ ния других полимерных материалов, а также для изго­ товления отдельных деталей, используемых в полимержелезобетонных конструкциях.

Полиуретаны и полиуретановые каучуки представ­ ляют значительный интерес для изготовления тех полимержелезобетонных конструкций, к которым предъявля­ ются требования исключительной износостойкости. В этом отношении полиуретановые каучуки превосходят все известные полимерные материалы. Полиуретановые каучуки пока еще дороги и выпускаются в небольшом количестве.

37

Meiree дорогими и в то же время обладающими удов­ летворительной износостойкостью являются полихлоропреновые каучуки, именуемые в СССР иаиритами, а за рубежом — неопренами [44]. Среди этих каучуков есть быстро кристаллизующиеся, которые после шприцева­ ния и быстрого охлаждения приобретают значительную прочность. Вулканизировать их можно под небольшим давлением и при тех температурах и продолжительно­ сти, какие применяют при термообработке отформован­ ных железобетонных изделий. Это позволяет изготовлять из них экструзией необходимые заготовки для износо­ стойких полимержелезобетонных труб или лотков и вул­ канизировать их при термообработке изделий.

Полихлоропреновые каучуки низкотемпературной полимеризации (наириты НТ и НП) позволяют получать достаточно прочные и эластичные покрытия на поверх­ ности железобетона вообще без вулканизации. Покры­ тие наносится в несколько слоев по грунту из хлориро­ ванных каучуков.

Фторлоны (фторопласты) чрезвычайно дороги и по­ этому имеют незначительную перспективу для примене­ ния в полимержелезобетонных конструкциях, хотя и об­ ладают высокой химической стойкостью [84]. После ор­ ганизации промышленного производства безусловно перспективными будут поливинилфторид и фторирован­ ный сополимер этилена с пропиленом.

Для получения теплостойких полимержелезобетон­ ных конструкций определенный интерес представляют кремнийорганическне каучуки.

Для герметизации отдельных разновидностей поли­ мержелезобетонных конструкций могут найти примене­ ние материалы на основе полисульфидных каучуков (тиоколов), которые вулканизуются без нагрева, прев­ ращаясь в высокоэластичный материал, хорошо сцепля­ ющийся с бетоном [33].

Г л а в а II. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для оценки долговечности полимержелезобетон­ ных конструкций очень важное значение имеет выясне­ ние долговечности применяемых в них полимерных ма­

38

териалов, так как уже давно установлено, что с течени­ ем времени многие полимеры «стареют». Старение поли­ меров проявляется в большинстве случаев в уменьшении их относительного удлинения при разрыве, появлении хрупкости, снижении первоначальной прочности, изме­ нении цвета, образовании на поверхности сетки посте­ пенно увеличивающихся трещин, ухудшении электриче­ ских характеристик и других изменениях.

Основными видами старения принято считать теп­ ловое (под влиянием нагрева), световое (под влиянием солнечной радиации) и окислительное (от действия ки­ слорода воздуха, озона и некоторых окислителей). Все эти виды старения почти всегда протекают одновремен­ но и влияют друг на друга.

Старению полимерных материалов и их стабилизации против вредного влияния тепла,света и окислителей по­ священы многочисленные исследования [13, 69]. Имеет­ ся и огромное количество патентов, в которых, в боль­ шинстве случаев, предлагается вводить в полимерные материалы небольшие количества тех или иных ве­ ществ — стабилизаторов, с целью замедления процессов старения. Накопленный опыт позволяет разобраться в основных причинах старения полимеров, разработать способы замедления процессов старения и выбрать наи­ более приемлемые методы проведения соответствующих испытаний. Надобность в таких испытаниях возникла в связи с тем, что результаты наиболее распространенных испытаний старения полимеров в везерометрах не соот­ ветствуют истинной долговечности полимерных материа­ лов в естественных условиях [25, 32]. Объясняется это тем, что в излучении ламп, применяемых в везерометрах, содержится много лучей с длиной волны менее 29Х ХЮ-8 м*, которые в естественных условиях полностью поглощаются верхними слоями атмосферы. Поэтому более надежным представляется метод ускоренного ис­ пытания светостойкости полимеров на гелиоустановках, концентрирующих с помощью специальных зеркал поток солнечной радиации без искажения состава лучей. На таких установках возможно увеличить интенсивность солнечной радиации в 5—10 раз и более, а при примене­ нии автоматических устройств, непрерывно ориентирую­

39

30% [25, 88]. Установки подобного типа имеются в

СССР (в Ереване), а недавно их начали применять и в США [62].

Для оценки вредных последствий старения полимер­ ных материалов, предназначенных для использования в полимержелезобетониых конструкциях, нужно рассмат­ ривать вопросы старения отдельно для каждого вида по­ лимера.

СТАРЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИЭТИЛЕНА

К настоящему времени многочисленными исследо­ ваниями [19, 31, 80] установлено, что полиэтилен низ­ кой плотности и его композиции с полиизобутиленом во время их хранения в темноте при температурах, не пре­

полиэтилена низкой плотности за тот же период хране­ ния в аналогичных условиях остались неизменными и

высоких температурах и в темноте, физпко-мехаинческие свойства полиэтилена низкой плотности сравнительно быстро ухудшаются [13].

Поэтому можно сделать вывод, что в полимержелезобетонных конструкциях, длительно эксплуатируемых в темноте без нагревания (подземные трубопроводы для транспортирования холодных сред, подземная и закры­ тая гидроизоляция сооружений и т. п.), полимерный слой из полиэтилена низкой плотности и его композиций с полиизобутиленом не будет подвержен заметному ста­ рению и поэтому будет очень долговечным, разумеется, в тех случаях, когда он одновременно будет достаточно стоек и к другим воздействиям на него со стороны кон­ тактирующих с ним сред.

Другой вывод заключается в том, что в этих услови­ ях тепловое и окислительное старения, по-видимому, идут столь медленно, что их последствий можно опасать­ ся лишь в особых случаях, когда может иметь значение поверхностное окисление.

С повышением температуры скорость окисления по­ лиэтилена и его композиций с полиизобутиленом увелп-

40

чивается. Применительно к полиэтилену низкой плотно­ сти известны следующие данные о времени, необходи­ мом для достижения содержания кислорода 0,2% в лис­ товом материале толщиной 1 мм:

Так как температура переработки полиэтилена низ­ кой плотности методом экструзии обычно не превышает 150° С, а время пребывания материала в нагретом до та­ кой температуры состоянии редко превышает 10—15 мин, то существенного окисления полиэтилена за это время не наблюдается, что подтверждается практикой. При более высокой температуре (250° С) поверхность полиэтилена окисляется почти мгновенно. Это предло­ жено использовать для улучшения его адгезионных свойств [79].

С ускорением окисления полиэтилена низкой плот­ ности при повышении температуры соответственно ухуд­ шаются его физико-механические свойства во времени. В несколько меньшей мере это справедливо и для его композиций с полиизобутиленом. Результаты испытаний (рис. 12) [31] свидетельствуют, что при 50° С старение идет уже с заметной скоростью, но и в этом случае после десятилетнего срока хранения в темноте прочностные и эластические свойства испытывавшихся полимерных материалов еще остаются на достаточно высоком уров­ не. По-вндпмому, для полимержелезобетонных конструк­ ций с полимерными слоями из полиэтилена и его ком­ позиций с полиизобутиленом, эксплуатируемых в темно­ те, температура 50° С должна считаться предельно допустимой, при которой еще может быть обеспечена их долговечность порядка нескольких десятилетий. С даль­ нейшим повышением температуры процессы старения в темноте полиэтилена и его смесей с полиизобутиленом еще более ускоряются: при 80° С уже через месяц отно­ сительное удлинение при разрыве полиэтилена снизи­ лось в 1,75 раза [31], хотя значения его разрушающих напряжений при растяжении снизились совсем незначи­ тельно. При выдерживании всех испытывавшихся мате-

41