Полимеры в строительстве: границы реального применения, пути совершенствования

Полимеры в строительстве: границы реального применения, пути совершенствования

В.Г. Хозин, д.т.н. Казанский гос. арх.стр. ун-т.

Прошедшие годы интенсивных исследований и технологических разработок в производстве полимерных материалов выявили новые возможности и определили границы эффективного применения полимеров. Пожалуй, важнейшим достоинством синтетических полимеров является возможность проектирования макромолекул с предсказуемым комплексом свойств материала на их основе. Это стало реальным благодаря применению принципа аддитивности Хаггинса, на основе которого Ван-Кревелен [1] и А.А. Аскадский [2] разработали практические методы расчета всех технических свойств полимеров по их химическому строению и компьютерного конструирования последних [3].

Благодаря этому теоретически любое сочетание свойств, не противоречащее физическим и химическим законам, можно получить в одном полимере. И хотя возможности синтеза новых полимеров безграничны, технико-экономическая целесообразность ставит пределы его практической реализации, уступая место физико-химической и физической модификации (пластификации, легированию, сплавлению, наполнению, ориентации, УЗ-обработке и т. д.) [4]. На базе 40 промышленных полимеров можно получить практически бесконечное множество разнообразных материалов, в том числе и строительных. Полимеры как материалы (прозрачные пленки, органические стекла, трубы и др.) применяются гораздо реже, чем в виде многокомпонентных систем (пластмасс) и других композиционных материалов — стеклопластиков, бумажно-, древесно-слоистых пластиков, полимербетонов и др.

Органические синтетические полимеры — это длинные линейные, разветвленные, сетчатые или другой топологии огромные цепные гибкие макромолекулы, причем связи между атомами вдоль цепей имеют ковалентную природу, то есть очень прочны и термостабильны. Энергия их составляет 710 кДж/моль. Однако связи между гибкими цепями, составляющие межмолекулярное взаимодействие, имеют другую природу — это водородные, ван-дер-ваальсовые, донорно-акцепторные связи, энергия которых более чем на порядок ниже ковалентных (2-50 кДж/моль). Они очень чувствительны к тепловому движению из-за термофлуктуационной природы. Единично они слабы, но при плотной упаковке молекул параллельно друг другу в кристаллизующихся и, особенно в ориентированных полимерах, кооперативность межцепных связей обеспечивает высокую прочность и жесткость материала.

Полимеры обладают присущим только им четвертым физическим состоянием конденсированного вещества — высокоэластичностью, обусловленной термодинамической гибкостью макромолекул. Эта способность к большим обратимым (до сотен процентов) деформациям широко используется в технике в изделиях из линейных эластомеров и резин, в частности в герметиках.

Высокая технологичность полимеров при их переработке в изделия, при применении в строительстве и при эксплуатации обусловлена, с одной стороны, низкими температурами размягчения, плавления, а с другой -низкой плотностью — 900-1400 кг/м3.

Применение полимерных материалов позволяет решить кардинальную проблему в строительстве — снижение массы зданий.

При использовании полимерных материалов в покрытиях полов на 100 м2 снижение массы строительных конструкций составляет 11-19 т, в отделке стен -7-13 т, в теплоизоляции стен и кровли — 3,6-3,8 т.

Пластмассы, будучи легкими, сокращают расходы и на монтаж, снижая потребность в тяжелых и энергоемких грузоподъемных механизмах.

При эксплуатации изделий из полимеров нет необходимости в их антикоррозионной защите, окраске, они легко моются и т. д.

Как особый класс материалов со специфическими свойствами полимеры не столько вытесняют и заменяют повсеместно традиционные материалы, сколько в сочетании с последними занимают те позиции, где они незаменимы.

Однако, при всех их достоинствах, полимеры в силу цепного строения молекул и наличия слабых термофлуктуационных межмолекулярных связей имеют принципиальные конструкционные недостатки: малый модуль упругости, повышенную ползучесть, низкие показатели длительной прочности и теплостойкости. Будучи в большинстве своем органическими веществами, они стареют и горят.

В силу этих недостатков, органические полимерные материалы в обозримом будущем не смогут заменить сталь, бетон и железобетон, алюминий в традиционных несущих конструкциях. Для полимеров следует создавать такие конструкции, в которых максимально использовались бы их лучшие показатели — малая плотность, высокая удельная прочность при растяжении и компенсировались указанные выше недостатки. Пример тому тонкостенные криволинейные и многогранные пространственные оболочки, жесткие и мягкие. Высокая геометрическая жесткость первых создают меньшие напряжения в сечении, малые деформации прогиба компенсируют ползучесть и низкую длительную прочность полимера как материала и обеспечивают эксплуатационную жизнеспособность этих конструкций. В мягких двухосно-растянутых оболочках — тентовых, надувных реализуется высокая прочность и жесткость полимерных волокон и пленок при растяжении.

В силу цепного строения макромолекул полимеры при одно- и двухосной вытяжке способны к переходу в высокоориентированное состояние. А для жидкокристаллических и жесткоцепных полимеров высокоориентированное состояние является и термодинамически выгодным. Например, жесткоцепные арамидные волокна имеют высочайшие значения модуля упругости и прочности при растяжении, а высококристаллический полиэтилен в ориентированном состоянии по прочности превосходит сталь. Поэтому конструкции, в которых материал работает на растяжение, предназначены для полимеров, и именно в них они могут успешно конкурировать с другими материалами. В таблице приведены механические свойства волокон из различных материалов.

Таблица 1.

Показатель Арамидное волокно «Кевлар 29» Углеродное волокно Стекловолокно Стальное волокно Полиэтилен высокоориен-

тированный

Плотность, кг/м3 1440 1700 2600 7850 970
Прочность при растяжении, МПа 3275 2000-5000 4200 3500 3000-

4000

Модуль упругости, МПа 120000-

130000

345000 70000-95000 200000 55000-70000

Современные технические достижения, в том числе и в строительном проектировании, базируются на сочетании и совместной работе в одном изделии или конструкции разных материалов или элементов с разными свойствами и функциями. Такое функциональное разделение дает необычайно высокий эффект в композиционных материалах [5] и в комбинированных конструкциях, например стеклопластиках и сэндвич-панелях [6].

В первую очередь это связующие в конструкционных материалах. И не только реакционноспособные мономеры и олигомеры (смолы), жидкие, технологичные, превращающиеся в густосетчатые теплостойкие и прочные: фурановые, эпоксидные, фенолформальдегидные и другие полимерные матрицы, но и термопласты в виде нитей, порошков и пленок, формуемые горячим прессованием совместно с неорганическим или органическим силовым компонентом (волокнами, тканями, листами, шпоном, порошками и зернами). Полимер в композиционном материале — элемент омоноличивания, адгезионно-связанный с «силовым» компонентом, по своей природе механически более податлив, что необходимо для перераспределения механических напряжений. Одновременно полимер изолирует и защищает силовой компонент (волокна, ткани) от внешних агрессивных сред [7].

Еще один тип композиционных материалов получается путем пропитки капиллярно- или волокнисто-пористых материалов жидкими реакционноспособными олигомерами или мономерами с последующим их отверждением в порах. Например, бетонополимеры, импрегнированная стиролом, метилметакрилатом и другими мономерами древесина. Структурной особенностью этих материалов является взаимопроникновение двух непрерывных фаз с огромной поверхностью граничного контакта. Это обеспечивает высокий композиционный эффект взаимодействия и совместной работы, сопротивление механическому разрушению и агрессивным воздействиям. К недостаткам материалов типа взаимопроникающих структур следует отнести технологические трудности их получения.

Особый вид совмещения материалов — комбинированные конструкции, в которых совместно работают два цельных в масштабе изделия элемента из разных материалов, прочно соединенных друг с другом по поверхности контакта. Это трехслойные строительные плиты и панели с жесткими, прочными и тонкими обшивками из металла, стеклопластика, асбоцемента и др. материалов и средним слоем из полимерных пено-, поро- или капилляропластов [6]. Разделение силовых функций, где средний слой воспринимает сдвигающие напряжения, обеспечивающие устойчивость тонких сжатых обшивок, выполняет теплоизолирующие функции, а обшивки распределяют нормальные напряжения, защищают слабый термовкладыш от внешних воздействий. Другой тип конструкций — бипластмассовые оболочки (в основном оболочки вращения) — трубы, царги, емкости, состоящие из внутренней химически стойкой оболочки из винипласта и внешней, несущей — из эпоксидного стеклопластика. Диаметр этих оболочек достигает 3500-4000 мм, а общая длина — многие десятки метров.

Наряду с этими вариантами применения полимеров в конструкционных целях не исчерпан путь прямого усиления их как самостоятельных материалов, способных воспринимать большие механические нагрузки и внешние агрессивные воздействия.

К настоящему времени известны и в разных масштабах используются в технологии переработки полимеров в изделия различные способы химической, физико-химической и физической модификации, изменяющие молекулярную, топологическую, надмолекулярную, а также фазовую структуру [4]. Цель этих способов — увеличение механической прочности, жесткости, теплостойкости, атмосферостойкости. Некоторые из них перечислены ниже.

Легирование — введение малых добавок ПАВ, микронаполнителей.

Наполнение полимеров тонкодисперсными (чаще минеральными) порошками с образованием пограничных слоев полимеров с повышенной когезионной прочностью и ограниченной молекулярной подвижностью.

Антипластификация полярных полимеров растворителями определенного химического строения, повышающая плотность молекулярной упаковки, межмолекулярного взаимодействия.

Получение смесей полимеров с развитой межфазной поверхностью, в частности смесевых термоэластопластов.

Термообработка с целью снятия внутренних напряжений, доупаковки цепей, докристаллизации и перекристаллизации.

Виброакустическая, магнитная обработка олигомеров и мономеров перед отверждением изменяет ассоциатную структуру жидких смол, повышает плотность упаковки и степень отверждения сетчатых полимеров на их основе.

Особое значение имеет диффузионное поверхностное упрочнение полимеров, аналогичное широко применяемому в металлообработке, поскольку структура и свойства поверхности материала в изделиях в решающей степени обусловливают их эксплуатационную долговечность. На кафедре ТСМИК КГАСУ впервые разработан способ диффузионного поверхностного усиления линейных и сетчатых полимеров реакционноспособными жидкими олигомерами и мономерами. Исследованы закономерности процессов, структура и свойства образующихся градиентных приповерхностных слоев и достигнут высокий эффект усиления.

Велики возможности применения полимеров в качестве модифицирующих добавок в традиционные строительные материалы — бетоны, битумы, когда 0,05-5% полимеров в составе основного материала резко улучшают их технологические и эксплуатационные свойства.

Ниже приведены строительные функциональные ниши, в которых применение полимеров эффективно с технических и экономических точек зрения:

  • материалы и изделия для покрытия полов;
  • отделочные и конструкционно-отделочные материалы и изделия;
  • профильно-погонажные изделия, в том числе в стыках крупнопанельного домостроения, окна из
  • ПВХ-профилей;
  • мастики и клеи;
  • теплоизоляционные и акустические материалы;
  • гидроизоляционные, кровельные и антикоррозионные материалы;
  • лакокрасочные, шпаклевочные, штукатурные мате риалы;
  • трубы, фасонные изделия к ним и сантехническое оборудование;
  • элементы и конструкции зданий и сооружений;
  • стекло- и базальтопластиковая арматура и гибкие связи на эпоксидных, винилэфирных и гибридных связующих;
  • полимерные волокна — фибры из полипропилена, по лиамида и др. для изготовления фибробетона;
  • олигомерные и полимерные функциональные добавки в цементные бетоны и асфальтобетоны.
  • В настоящее время полимерные материалы во всем мире нашли применение в архитектуре [8]. Однако технико-экономические преимущества полимеров как нового класса строительных материалов еще не могут сами по себе привести к появлению нового качества архитектурных форм. Связь между материалом, технологией и архитектурой обеспечивается не только социально-экономическим и научно-техническим уровнем развития общества, но и его эстетической культурой.

    Незакрепленность системы архитектурных форм, влияние дизайна требуют новых материалов. Таковыми являются полимерные материалы.

    Сейчас очевидно, что полимеры в новых высокопрочных материалах, тонкостенных оболочках, складчатых пневмо- и тентовых конструкциях, прозрачных пленках, микроячеистых материалах способствуют приобретению архитектурой новых качеств, свойств «невесомости» и воздушности, прозрачности.

    Каждый материал должен применяться там, где его свойства реализуются максимально. Полимеры уже давно не называют заменителями других материалов, ибо их технико-экономическая эффективность объективно вне конкуренции, так как технически грамотное их применение обеспечивает незаменимость в конкретном месте.

    Возможности синтеза новых полимеров и их модификация безграничны и в этом их большая притягательная сила для исследователей — материаловедов-технологов, для конструкторов и архитекторов. Кропотливая работа на этом поприще «обречена» на эффективный положительный результат.

    Список литературы

  • Ван-Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. М.: Химия. 1976. 416 с.
  • Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия. 1983.248 с.
  • Аскадский А.А., Кондращенко В.И. Компьютерное материаловедение полимеров. Атом но-молекулярный уровень. М.: Научный мир. 1999. Т. 1. 544 с.
  • Хозин В.Г. Усиление эпоксидных полимеров. Казань: Дом печати. 2004. 446 с.
  • Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В.Васильева и Ю.М.Тарнопольского. М.: Машиностроение. 1990. 512 с.
  • Губенко А.Б. Строительные конструкции с применением пластмасс. М.: Стройиздат. 1970. 270 с.
  • Промышленные полимерные композиционные материалы / Под ред. М.Ричардсона. М.: Химия. 1980. 472 с.
  • Айрапетов Д.П.и др. Пластмассы в архитектуре. М.: Стройиздат. 1981. 190 с.
  • В.Г. Хозин. Полимеры в строительстве: границы реального применения, пути совершенствования //Строительные материалы.- 2005. — №11. — С. 8-10


    Обсудить: Полимеры в строительстве

    Комментарии

    • Тому, кто придумал использовать полимеры в строительстве памятник нужно поставить. Одни только металлопластиковые трубы чего стоят. Если раньше для ремонта системы отопления нужна была сварка, то теперь очень быстро всё можно смонтировать самостоятельно без применения каких-либо специальных инструментов. Плюс красота и долговечность.

    Обсуждение закрыто