Долговечность строительных материалов

Перед нанесением покрытий поверхность металла очищают механическим, термическим или химическим способами. К механическим способам относятся: очистка ручным или механизированным инструментом, обдувка абразивами - пескоструйная и дробеструйная. Термический способ заключается в обработке металлической поверхности пламенем ацетилено-кислородной или керосиновой горелки. Группу химических способов очистки составляют обработки поверхности: растворами кислот - для удаления окалины и ржавчины; растворами щелочей, органическими растворителями - для удаления старых лакокрасочных покрытий; преобразователями ржавчины - для обработки поверхностей с тонким слоем продуктов коррозии; органическими растворителями - для обезжиривания поверхности металла перед окраской.

В качестве основных материалов для нанесения металлизационных покрытий на металлические пролетные строения мостов применяют цинк и алюминий. Металлизационные покрытия из цинка обеспечивают надежную защиту от коррозии в атмосфере, не загрязненной промышленными газами. В условиях с наличием газов, содержащих сернистые соединения, хлор и углекислый газ, цинковые покрытия неустойчивы и корродируют со скоростью 8-12 мкм/год. Покрытия из алюминия особенно хорошо защищают сталь в атмосфере с содержанием промышленных газов. Скорость коррозии этих покрытий не превышает 3-7 мкм/год. Для более эффективной защиты применяют цинк-алюминиевые покрытия, которые в условиях атмосферной коррозии отличаются более высокой стойкостью, чем цинковые или алюминиевые. Их наносят расплавлением проволоки из сплава этих металлов, либо одновременным распылением цинка и алюминия.

Металлизацию осуществляют сразу же после подготовки поверхности под окраску. Допускаемый разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией зависит от состава, воздуха, его влажности и температуры и не должен превышать на открытом воздухе 3 часов в сухую погоду и 30 мин - в сырую.

Большая пористость металлизационных покрытий ограничивает область их применения. Для устранения этого недостатка применяют комбинированные металлизационно-лакокрасочные покрытия, представляющие собой сочетание двух раздельно наносимых слоев: металлизационного, наносимого газоплазменным напылением и лакокрасочного, наносимого по металлизационному слою кистью, распылением или другим способом. Пористость и шероховатость металлизационного слоя делают его эффективной грунтовкой для лакокрасочного материала. Первый слой лакокрасочного покрытия, являющийся пропиточным, должен обладать высокой смачивающей способностью, хорошей адгезией к напыляемому слою и быть достаточно жидким, чтобы заполнить поры металлизационного покрытия. Лакокрасочные материалы, наносимые в качестве последующих слоев, должны иметь обычную вязкость.

Лакокрасочные материалы и систему покрытий выбирают в зависимости от условий эксплуатации конструкций в различных климатических районах и степени загрязненности атмосферы коррозионно-активными агентами. Выбранный материал и тип покрытия должны отвечать следующим требованиям: 1) надежно защищать металл от атмосферных воздействий в процессе эксплуатации и обеспечивать срок службы покрытия не менее 8-10 лет; 2) создавать плотную эластичную пленку, прочно сцепляющуюся с металлом, непроницаемую для воды и газов и не растрескивающуюся при воздействии переменных напряжений; 3) иметь толщину не менее 100-120 мкм при одном-двух слоях грунтовки и двух-трех слоях эмали.

Покрытие обычно состоит из грунтовки и покрывных слоев. Грунтовкой называют первый слой лакокрасочного покрытия, наносимый на очищенную поверхность металла с целью создания надежного противокоррозионного слоя, обеспечивающего прочность сцепления с окрашиваемой поверхностью и с последующими слоями лакокрасочного покрытия.

Покрывные слои лакокрасочного покрытия для обеспечения надежной защиты от коррозии мостов должны обладать хорошей адгезией, высокой механической прочностью и атмосферостойкостью, обеспечивать стойкость и непроницаемость всей системы покрытия для окружающей среды в эксплуатационных условиях. Лакокрасочные материалы следует накладывать на поверхность несколькими тонкими слоями. Покрытие только одним слоем не может служить надежной защитой от коррозии, поскольку имеет большое количество пор. Последующие слои покрытия перекрывают эти поры и пленка становится более сплошной. Уменьшение количества слоев за счет увеличения их толщины недопустимо, так как это снижает качество покрытия, вызывает его растрескивание и образование подтеков.

Для лакокрасочных покрытий по металлу рекомендуются:

эпоксидная эмаль - биметаллическая смесь порошков цинка и алюминиевой пудры в растворе эпоксидной смолы. Наносится по грунтовке распылением в два слоя, жизнеспособность эмали не менее 7 часов. Покрытие повышенной атмосферостойкости, рекомендуется для защиты от коррозии металлических конструкций в условиях промышленной и морской атмосферы;

перхлорвиниловая эмаль - раствор поливинилхлоридной смолы в смеси летучих органических растворителей с добавлением пластификатора и алюминиевой пудры. Покрытие повышенной атмосферостойкости, предназначается для окраски металлоконструкций в условиях повышенной влажности, морской атмосферы и холодного климата;

полиуретановая эмаль - суспензия пигментов в растворе полиэфира с добавлением отвердителя. Жизнеспособность готовой к употреблению эмали не менее 8 часов. Покрытие атмосферостойко с высокой адгезией, твердостью, морозостойкостью и стойкостью к истиранию. Предназначается для защиты от атмосферных воздействий в условиях повышенной влажности, морской атмосферы и холодного климата.

ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ОТ КОРРОЗИИ

Для защиты применяют гидрофобизирующие, лакокрасочные, оклеечные, облицовочные и футеровочные материалы в различных сочетаниях.

Специфические свойства бетона определяют ряд особенностей защиты бетонных и железобетонных конструкций. Бетон как композитный искусственный материал имеет пористую микротрещиноватую структуру и шероховатую поверхность. Шероховатость и пористость бетона создают условия для образования и удержания в микрокапиллярах бетонной поверхности пленки адсорбированной влаги и иногда в количествах, превышающих допустимые при нанесении некоторых покрытий без предварительного удаления влаги. Вследствие содержания в цементном камне водорастворимых и химически активных соединений, водные растворы которых имеют щелочной характер, к защитным материалам предъявляются требования щелочестойкости. Простой перенос методов защиты других материалов на железобетон не достигает цели.

Перед нанесением защитных покрытий поверхность бетонных и железобетонных конструкций очищают от загрязнений, выравнивают при помощи ручных и механизированных (песко- и дробеструйных) инструментов, обеспыливают. Жировые загрязнения удаляют растворителем, солеобразования - чистой водой, продукты взаимодействия с кислотами - 4-5%-м раствором кальцинированной соды. Затем бетонные поверхности вновь промывают водой. Все раковины и трещины должны быть заделаны бетоном или раствором одинакового состава с конструкцией. Влажность поверхностного слоя бетона на глубине до 20 мм конструкции, подготовленной к защите покрытиями, не должна превышать 5-6%.

Гидрофобизация.

Эффективным видом защиты бетона от увлажнения водой и водными растворами является гидрофобизация его поверхности. Для этой цели применяются кремнийорганические материалы: метилсиликонаты и этилсиликонаты натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11) и обладающий наибольшим гидрофобизирующим эффектом полиэтилгидросилоксан (ГКЖ-94).

Кремнийорганические соединения, осаждаясь на поверхности бетона, стенках пор и капилляров, адсорбируются, а затем химически взаимодействуют с гидроксильными группами, оксидами и гидроксидами металлов, входящих в состав минералов цементного камня. Образуется тончайшая пленка, в которой связь кремний-кислород ориентирована к поверхности цементного камня бетона, а органический радикал - в противоположную сторону. Такая ориентация и создает водоотталкивание.

Гидрофобизирующие составы получают, растворяя кремнийорганические соединения в растворителях. Эти растворы благодаря низкой вязкости легко проникают в бетон на глубину от 2 до 10 мм и после испарения растворителя образуют на поверхности пор цементного камня пленку. Пропитанный гидрофобизирующим раствором бетон приобретает свойство не впитывать воду. Гидрофобная пленка образуется уже через 2-5 часов после нанесения, а устойчивые водоотталкивающие свойства бетон приобретает в течение 5 суток.

Гидрофобизация поверхности железобетонных конструкций широко применяется для защиты фасадов, наружных поверхностей ограждающих конструкций на химкомбинатах, где солевая пыль, попадая на влажную поверхность стен, проникает в глубь конструкции, вызывая ухудшение их теплоизоляционных свойств.

Лакокрасочные покрытия.

Они широко применяются для защиты бетона и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных газов и жидкостей. Их преимущества: сравнительно высокая химическая стойкость, возможность нанесения на поверхности сложных конфигураций, простота возобновления и ремонта. Недостатком лакокрасочных покрытий является их ограниченная паро-, газо-, водонепроницаемость и небольшой срок службы.

К материалам для покрытий предъявляются требования щелочестойкости и малой чувствительности к наличию адсорбированной влаги на поверхности. Защитные свойства покрытий зависят от состояния поверхности железобетонных конструкций. Капиллярно-пористая поверхность бетона позволяет пропитать ее грунтовочными составами на глубину 1-3 мм в зависимости от плотности бетона. Адгезия покрытия к бетонной поверхности оптимальна при поверхностной пористости не более 5%. При большей пористости требуется дополнительный расход материалов на грунтовку и шпаклевку.

Лакокрасочные покрытия оптимальной толщины пропитывают поверхностный слой бетона, уменьшают проницаемость и увеличивают омическое сопротивление бетона, создают “пассивный” механический барьер на пути веществ, вызывающих коррозию арматуры и бетона.

В практике коррозионной защиты наиболее эффективными являются покрытия из полихлорвиниловых, хлоркаучуковых, эпоксидных, полиуретановых материалов, а также материалов на основе хлорсульфированного полиэтилена. Особым видом покрытий, используемых в качестве гидроизоляции и защиты подземных конструкций от агрессивных производственных и высокоминерализованных природных вод, являются лаки и эмульсии на основе нефтебитумов и каменноугольных смол.

Непроницаемость перхлорвиниловых покрытий толщиной 100-200 мкм на бетоне наиболее высокая. При оптимальных толщинах перхлорвиниловые покрытия стойки к действию большинства минеральных кислот и щелочей различной концентрации при t до 60 C и нестойки к окислителям: 90%-й серной кислоте, азотной кислоте концентрации более 50% и др. При толщине 150-200 мкм покрытия надежно защищают железобетонные конструкции в парогазовых средах в течение 3-5 лет.

Перхлорвиниловые краски и эмали представляют собой растворы перхлорвиниловой смолы в смеси органических растворителей с добавлением других смол, пластификаторов и пигментов. Перхлорвиниловую смолу получают при хлорировании поливинилхлорида. Содержание хлора в смоле достигает 65-68%, что обеспечивает высокую стойкость материала в агрессивных средах.

На бетонную поверхность эти материалы наносят краскораспылителем или кистью. Толщина одного слоя 20-25 мкм. В агрессивных условиях требуются многослойные (4-5) покрытия. Время сушки каждого слоя при 18-20 C - 1-4 часа.

Хлоркаучуковые покрытия по степени проницаемости несколько уступают перхловиниловым. При оптимальной толщине (200 мкм) они обладают высокой химической стойкостью в кислотах и щелочах. Хлоркаучуковые лакокрасочные материалы представляют собой суспензию пигментов и наполнителей в растворе хлоркаучука (50% хлора) с добавлением пластификатора.

Для защиты бетонных и железобетонных конструкций применяют обычные и тиксотропные эмали. Тиксотропные эмали представляют собой суспензию соответствующих пигментов и наполнителей в растворе хлоркаучука с пластификатором и тиксотропной добавкой. Тиксотропные добавки придают хлоркаучуковым эмалям способность увеличивать вязкость при нанесении на защищаемую поверхность. Преимущество высоковязких тиксотропных лакокрасочных материалов состоит в возможности образования толстослойных покрытий толщиной в 200-250 мкм за два-три слоя.

Эпоксидные покрытия на бетоне стойки практически во всех сильноагрессивных средах (кроме растворителей и уксусной кислоты). Оптимальная толщина покрытия на бетоне 100-250 мкм, ориентировочный срок службы -- 5 лет. Эпоксидные лакокрасочные покрытия представляют собой раствор смол в органических растворителях (лаки) и суспензии пигментов в эпоксидном лаке (эмали). Отвердителя в состав вводят 3,5 г на 100 г эмали или лака.

Рулонная оклеечная изоляция.

В практике антикоррозионной защиты железобетонных конструкций от проникания агрессивных жидкостей широко применяют оклеечную рулонную изоляцию. В качестве материалов для такой изоляции применяют полиэтиленовую пленку, гидроизол, бризол, изол, стеклорубероид и др. Высокая прочность, эластичность, низкая проницаемость и практически универсальная химическая стойкость в сочетании с трещиностойкостью при различных способах крепления к поверхности делают полиэтиленовую пленку одним из наиболее перспективных видов химстойкой изоляции для железобетонных конструкций.

Наиболее эффективным видом изоляции является наклеиваемая на бетон изоляция с использованием эпоксидно-каучуковых клеев. Для такой изоляции применяют активированную полиэтиленовую пленку толщиной 200-500 мкм. Трещиностойкость покрытий при непластифицированном клее исчерпывается при ширине раскрытия трещин в бетоне 0,5-0,7 мм. При наклеивании пластифицированными клеями трещиностойкость покрытия на бетоне составляет более 2 мм и в нормальных условиях эксплуатации трещиностойкость до двух лет практически не изменяется.

БЕТОНОПОЛИМЕРЫ

Существенным недостатком обычных бетонов является наличие разветвлённой сети пор, капилляров, различных микродефектов, образующихся при формировании железобетонных изделий, их твёрдении и в процессе эксплуатации. Дефекты и поры понижают прочность бетона, а также его долговечность и стойкость к воздействию агрессивных средств. Свойства бетона можно изменить, если поры и капилляры заполнить другим веществом. Для этого железобетонные конструкции подвергаются специальной обработке, которая включает сушку изделий, вакуумирование, пропитку специальном составом и полимеризацию, если для пропитки используются мономеры.

Если необходимо только закрыть доступ внутрь бетона воде и агрессивным жидкостям и газам, то используются материалы типа петролатума, разбавленных смол, битума и битумов, модифицированных синтетическими смолами. Глубина пропитки зависит в основном от вязкости пропитывающего состава. Вязкие вещества, такие как битум или петролатум, пропитывают бетон на глубину всего 1-3 см. Жидкие мономеры, стирол или метилметакрилат могут за короткое время пропитывать бетон на глубину 10-20 см. Чем более глубокой является пропитка, тем больше времени требуется на её осуществление. Количество мономера, потребное для пропитки бетона, зависит от его пористости. Для полной пропитки плотного бетона, требуется 2-5% мономера по массе, для раствора требуется на 30-70% больше мономера, чем для бетона, а лёгкие пористые бетоны могут впитывать до 30-60% мономера.

При применении жидких мономеров требуется провести их полимеризацию непосредственно в теле бетона. Полимеризация может осуществляться термокаталитическим или радиационным способом. При термокаталитическом способе в мономер перед использованием его для пропитки вводят специальные вещества -инициаторы полимеризации. После пропитки бетона конструкцию нагревают до температуры 70-120⁰ С и через несколько часов жидкий мономер превращается в твёрдый полимер, плотно заполняя и заклеивая все поры и дефекты бетона. При радиационной обработке полимеризация мономера протекает при нормальных температурах.

В результате обработки либо достигают увеличения долговечности и непроницаемости бетона, если его пропитывают вязкими составами без их последующей полимеризации и упрочнения, например битумами, либо получают новые материалы, по свойствам значительно превосходящие бетон, если его пропитывают мономером с последующей его полимеризацией в теле бетона. Такие материалы получили название бетонополимеров. Свойства бетонополимеров зависят как от свойств бетона и полимеров, так и от технологии обработки. Чем прочнее полимер, используемый для пропитки, и больше его содержание в бетонополимере, прочнее сам пропитываемый бетон, тем выше прочность бетонополимера, которая оказывается больше, чем прочность использованных бетона и полимера.

Определяющее значение для получения наибольшего эффекта при пропитке имеет характер пористости бетона. Бетон должен обладать такой структурой, которая по возможности легко пропитывается мономером и создаёт хорошие условия для поляризации мономера. Для получения высокопрочных и особо плотных бетонополимеров необходимо использовать в качестве пропиточных материалов такие вещества, которые обладали бы минимальной вязкостью, хорошей адгезией в твёрдом состоянии к составляющим бетона и полимеризовались бы доступными средствами.

Наиболее часто для пропитки используют метилметакрилат, стирол и их производные. Для поляризации метилметакрилата термическим способом пропитанный бетон нагревают в течение 4-6 ч. при температуре 50-80⁰ С. При радиационном способе полимеризации изделия из пропитанного бетона подвергают облучению в течение 4-10 ч. Полимеризацию стирола в бетоне также можно осуществлять как термическим, так и радиационным способом. В первом случае пропитанное изделие прогревают по ступенчатому режиму в присутствии инициаторов полимеризации: сначала при температуре 80-90⁰ С, а затем при температуре 100-120⁰ С

Пропитка бетона мономером с его последующей полимеризацией в теле бетона приводит к резкому увеличению прочности и улучшению других свойств бетона. Прочность бетонополимера при сжатии по сравнению с исходным контрольным бетоном повышается в 2-10 раз и может достичь 200 МПа, а прочность при растяжении увеличивается в 3-10 раз, достигая 18 МПа. Практически при полной пропитке бетонополимеры являются водо- и газонепроницаемыми материалами. Непроницаемость материала резко повышает его долговечность и морозостойкость. Если исходный бетон выдерживает 300-400 циклов замораживания, то бетонополимер не имеет разрушений и после 5000 циклов. Значительно возрастает стойкость бетона в щелочах, сульфатах, соляной кислоте и других агрессивных средах.

ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Полимербетонами называют бетоны, в которых вяжущими служат различные полимерные смолы, а заполнителями являются неорганические материалы: песок и щебень. Для ускорения твердения, улучшения свойств синтетических смол применяют отвердители, пластификаторы и другие добавки.

Наиболее часто для полимербетонов используются термореактивные смолы: фурановые, эпоксидные и полиэфирные. Фурановые смолы являются наиболее дешевым полимерным вяжущим. В строительстве наибольшее распространение получил мономер ФА, получаемый при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде. Отверждение мономера ФА происходит в присутствии катализатора - бензосульфокислоты, оптимальное количество которой составляет 20-30% от массы ФА.

Эпоксидные смолы - это полимерные вещества линейного строения, содержащие эпоксигруппу. Для полимербетонов наиболее пригодны жидкие эпоксидные смолы ЭД--5 и ЭД--6. Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют полиэтиленполиамин (10-12% от массы смолы), а также высокомолекулярные вещества - полиамиды, полиэфиры и др. Для улучшения деформативной способности в смолу вводят пластификаторы - дибутилфталат в количестве 15-20% от массы смолы.

Для полимербетонов на фурановых и формальдегидных смолах применяют заполнители, стойкие в кислой среде, так как для их полимеризации используют кислые отвердители. Использование известняков, доломитов, цементов и др., имеющих щелочную реакцию, недопустимо, так как это приводит к резкому снижению прочности бетона. Для полимербетонов на полиэфирных и эпоксидных смолах можно применять самые различные заполнители, в том числе карбонатные породы, асбест и др.

Свойства полимербетонов зависят от вида смолы, состава бетона и технологии его получения. В зависимости от вида полимерного связующего и соответствующего ему отвердителя полимербетоны делятся на классы: фурановые, фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные. Полимербетоны отличаются от цементного бетона высокой прочностью, в особенности при растяжении (7-20МПа) и изгибе (16-40 МПа), и химической стойкостью.

Фурановый полимербетон относится к самым стойким полимерным материалам. Он стабильно сохраняет свои свойства в растворах серной и соляной кислоты, хлоридов, щелочей, а также жирах, маслах и нефтепродуктах. Слабо сопротивляется действию окислителей (азотная, уксусная кислота) и некоторых растворителей (ацетон, бензол, спирт).

Фенолоальдегидный полимербетон достаточно стоек к действию кислот, кроме окисляющих, растворителей, масел и нефтепродуктов. Полиэфирный полимербетон характеризуется повышенной стойкостью к окислителям. В то же время сложноэфирные связи в структуре полиэфира снижают стойкость полимербетона к щелочам и солям, имеющим основную реакцию, а также к воде. Степень снижения прочности полиэфирного полимербетона в воде не меньше, чем в растворах кислот и солей.

Химическая стойкость эпоксидных связующих зависит от характера отвердителя и вида, образующихся при твердении межмолекулярных связей. Отвержденные ароматическими полиаминами эпоксидные полимербетоны особо устойчивы к кислотам (соляной, хромовой, уксусной). Повышенной стойкостью к воде, щелочам и окислительным средам обладают эпоксидно--полиамидные составы.

На стойкость полимербетонов существенное влияние оказывают наполнители, которые сами должны обладать достаточной химической стойкостью в конкретных агрессивных средах. Плотность структуры бетона как первое условие химической стойкости подтверждается также количественным влиянием наполнителей на стойкость. Любые мероприятия, повышающие водостойкость полимербетона, обеспечивают одновременно и повышение его химической стойкости.

Способы создания плотной структуры полимербетонов обеспечивают повышение не только водостойкости, но и морозостойкости. Разработаны составы тяжелых полимербетонов плотностью 2200-2400 кг/м³, имеющих предел прочности на сжатие: на основе фенолоформальдегидных смол 40-60 МПа, карбамидных - 50-80МПа, полиэфирных - 80-120 МПа, фураново-эпоксидных - до 160МПа.

При этом водопоглощение полимербетона за 24 часа составляет не более 0,3%, морозостойкость от 300-500 циклов. Механические свойства полимербетонов повышаются при армировании их стальной или стеклопластиковой арматурой, а также при использовании волокнистых наполнителей - асбеста, стекловолокна и др.

Полимербетоны и армополимербетоны находят широкое применение в транспортном строительстве. Из них изготавливают опоры контактной сети, используют для омоноличивания опор моста, заполнения деформационных швов, инъецирования арматурных каналов мостовых конструкций, устройства покрытий проезжей части. Многолетняя эксплуатация сталеполимербетонных шпал показала высокую их надежность в условиях интенсивного движения вагонов, периодического воздействия масел, минеральных удобрений и других реагентов.

9. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Асфальтобетон - это материал, полученный в результате уплотнения специально рассчитанной и приготовленной при соответствующей температуре смеси щебня, песка, минерального порошка и битума. По степени насыщения асфальтобетона основными структурообразующими компонентами в нем различают базальную, поровую и контактную структуру.

В асфальтобетоне с базальной структурой зерна крупного компонента не имеют взаимных контактов и как бы погружены в растворную часть. Дальнейшее насыщение асфальтобетона структурообразующими компонентами приводит к контактированию зерен через тонкие прослойки вяжущего, формируется поровая структура, при которой образуется плотный каркас из зерен, способный воспринимать значительные внешние усилия. В этом случае объем асфальтобетонного раствора соответствует объему пустот в щебеночном каркасе. Дальнейшее увеличение содержания щебня приводит к образованию контактной структуры, в которой объем пустот в щебеночном остове превышает объем асфальтового раствора.

Асфальтобетон, обладающий обратимыми микроструктурными связями, в зависимости от температуры может находиться в следующих структурных состояниях: упруго-хрупком, при котором минеральный остов асфальтобетона строго фиксирован застеклованными прослойками битума; упруго-пластичном, когда зерна минерального остова соединены между собой прослойками битума, которые проявляют при напряжениях не превышающих предел текучести, упругие и эластичные свойства, а при больших напряжениях - упруго-вязкие свойства; вязко-пластичном, при котором зерна минерального остова соединены полужидкими прослойками битума.

Кроме температурных факторов, асфальтобетон подвергается воздействию атмосферных и талых вод, вода проникает в поры асфальтобетона и ослабляет взаимную связь минеральных материалов с пленкой вяжущего. Поэтому оценку прочности асфальтобетона дают по результатам испытаний цилиндрических образцов на сжатие при температурах +50, +20 и 0⁰ С. Если при температурах +50⁰ С ограничивается нижний предел прочности (1,0-1,2 МПа), то при температуре 0⁰ С ограничивается верхний предел прочности (не более 12 МПа). Показатель прочности при +50⁰ С характеризует сдвигоустойчивость асфальтобетона при высокой температуре и сопротивляемость материала образованию пластических деформаций в покрытии. Показатель прочности при 0⁰ С косвенно характеризует трещиностойкость асфальтобетона при низкой температуре.

Водостойкость и морозостойкость. Асфальтобетонные покрытия при длительном увлажнении вследствие ослабления структурных связей могут разрушаться за счет выкрашивания минеральных зерен, что приводит к повышенному износу покрытия и образованию выбоин. Водостойкость асфальтобетона зависит от его плотности и устойчивости адгезионных связей. Вода как полярная жидкость хорошо смачивает все минеральные материалы и потому при длительном увлажнении возможна диффузия воды под битумную пленку. При этом минеральные материалы с положительным потенциалом заряда поверхности (доломит, известняк, кальцит) в большей степени препятствуют вытеснению битумной пленки водой, чем материалы с отрицательным потенциалом поверхности (кварц, гранит, андезит).

Вода, проникая в микродефекты структуры асфальтобетона, приводит к адсорбционному понижению прочности материала за счет снижения поверхностной энергии стенок трещин и ослабления структурных связей у вершины трещины по мере ее развития. Закономерное снижение прочности асфальтобетона с увеличением срока выдерживания его в воде объясняется постепенной диффузией воды внутрь материала и все увеличивающимся расклинивающим действием воды. Значительно разрушает структуру асфальтобетона его частое попеременное увлажнение и высыхание. Большое влияние на водостойкость асфальтобетона оказывает его пористость, которая составляет 3-7%. С уменьшением размера зерен в асфальтобетоне увеличивается количество замкнутых недоступных воде пор. Так, в крупнозернистом бетоне практически все поры открыты, а в мелкозернистом открытые поры составляют 30-40%. Водостойкость определяется величиной водонасыщения, набухания и коэффициентом водостойкости (отношение прочности водонасыщенных образцов к прочности сухих). Коэффициент водостойкости должен быть не меньше 0,9, а при длительном водонасыщении (14 сут.) не менее 0,8.

Морозостойкость асфальтобетона связана в основном с количеством открытых пор и характером взаимодействия между битумом и минеральным материалом. Наиболее разрушительное действие оказывает происходящее весной и осенью попеременное замораживание и оттаивание асфальтобетона. Знакопеременные температуры приводят к возникновению трещин, развивающихся при многократных циклах замораживания и размораживания.

Морозостойкость асфальтобетона обычно оценивается коэффициентом морозостойкости К_м, показывающим снижение прочности при растяжении после определенного количества циклов замораживания и размораживания. Морозостойкость асфальтобетона на гранитном материале значительно ниже, чем на известняковом. Это объясняется тем, что природа сил связи битум-гранит физическая, в то время как связь битум-известняк физико-химическая. Напряжения, возникающие при замерзании воды, легко разрушают физические связи и не в состоянии разрушить химические.

Износостойкость. Износ асфальтового покрытия происходит под действием сил трения, вызываемых проскальзыванием колес автомобилей по поверхности покрытия и вакуумных сил, возникающих под движущимся автомобилем. Износ покрытия определяется: истиранием его структурных элементов, отрывом и уносом с его поверхности зерен песка и раздробленных частиц щебня. Износостойкость асфальтобетона тем выше, чем больше его плотность, чем выше твердость входящих в его состав минеральных материалов и выше сцепление зерен щебня и песка с битумом. Асфальтобетоны, приготовленные на гранитном щебне, более износоустойчивы, чем бетоны на известняковом щебне. Высокую износоустойчивость имеют асфальтобетоны, в состав которых входит щебень с наименьшей дробимостью при укатке. Истираемость асфальтобетонного покрытия при интенсивном автомобильном движении составляет 0,3-1,0 мм в год.

10. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ЕЕ ОТ ГНИЕНИЯ И ВОЗГОРАНИЯ

Агрессивное воздействие на деревянные конструкции оказывают биологические агенты - дереворазрушающие грибы, вызывая биологическую коррозию древесины, а также агрессивные химические среды (газообразные, твердые, жидкие), вызывая химическую коррозию древесины.

В сухих условиях и при надлежащем проветривании древесина сохраняется долго. Столь же долговечна древесина, постоянно находящаяся в воде без доступа воздуха. Однако попеременное увлажнение и высыхание деревянных элементов создает благоприятную среду для гниения древесины. Так, в соответствии со СНиП 2.03.11-85 степень агрессивного воздействия биологических агентов на древесину столбов, свай, конструкций береговых опор, элементов мостов в условиях увлажнения атмосферными осадками следует принимать как средне агрессивную, а в условиях контакта указанных конструкций с грунтом и в зоне переменного уровня воды - как сильно агрессивную.

Стенки клеток, из которых сложена древесина, состоят из мицелл, т.е. кристалликов целлюлозы микроскопических размеров, окруженных гидратными оболочками. Гниение - это процесс разложения целлюлозы древесины, происходящий вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганизмов. Питательной средой для грибов служит растворимый сахар (глюкоза), являющийся продуктом разлагаемой ими целлюлозы. При содействии фермента, выделяемого грибом, нерастворимая в воде целлюлоза гидратируется и переходит в растворимое вещество - глюкозу. В теле гриба глюкоза окисляется кислородом воздуха, образуя углекислый газ и воду. Следовательно, для жизнедеятельности гриба необходимы влага и кислород воздуха. Вот почему легко загнивает древесина, находящаяся в условиях переменной влажности. Споры различных грибов почти всегда имеются на дереве, оставаясь пассивными до тех пор, пока не наступят благоприятные условия. При достаточной влажности (более 18-20%) и положительной температуре споры прорастают и появляется грибница, сначала в виде ватообразного, а затем в виде плотного тела на поверхности материала.

Степень воздействия химически агрессивных газообразных и твердых сред на конструкции из древесины зависит от состава среды и влажностного режима помещений. С точки зрения химической коррозии, по данным СНиП 2.03.11-85 речная, озерная и морская вода, нефть и нефтепродукты, масла минеральные, растительные и животные являются неагрессивными при воздействии на древесину. Растворы кислот и щелочей, в зависимости от их концентраций, по степени агрессивного воздействия на древесину могут оцениваться как слабо -, средне - или сильноагрессивная жидкая среда. Для деревянных конструкций, предназначенных к эксплуатации в химических средах средней и сильной степени агрессивного воздействия, необходимо предусмотреть следующие дополнительные требования:

для изготовления конструкции следует применять древесину хвойных пород (сосна, ель и др.);

склеивание элементов конструкций должно осуществляться фенольными, резорциновыми, фенольно-резорциновыми клеями;

несущие конструкции следует проектировать из элементов сплошного сечения (клееных, брусчатых).

При проектировании деревянных конструкций для эксплуатации в химических средах средней и сильной степени агрессивности действие биологических агентов не учитывается

Защита древесины от гниения. Основным способом борьбы с гниением является химический способ - введение в древесину антисептиков - веществ, ядовитых для грибов. Антисептики, обладая токсичностью по отношению к грибам, должны быть безвредными для людей и животных, не должны понижать прочность древесины и не вызывать коррозию металлических креплений. Для воздушных условий эксплуатации обычно применяют антисептики, растворимые в воде. Антисептирование деревянных элементов, подвергающихся действию воды (шпалы, столбы, сваи и т.д.), осуществляют нерастворяющимися маслянистыми веществами.

К группе водорастворимых антисептиков относятся: фтористый натрий (Na F) в водном растворе концентрацией 2-3%, обладает высокой токсичностью к грибам и насекомым, а при соединении с известью, цементом переходит в нерастворимый фтористый кальций и теряет свою токсичность; кремнефтористый натрий (Na_z SiF₆)применяют совместно с фтористым натрием в виде водного раствора; хлористый цинк (Zn Cl₂) применяют в водном растворе 5%- й концентрации, т.к. вызывает коррозию металла; медный купорос (СuSO₄*5H₂O) используют в виде 10%-го водного раствора.

Маслянистые антисептики не растворяются в воде, поэтому их используют для консервации древесины, находящейся на открытом воздухе, в воде или земле. Токсичность антисептиков этой группы обусловливается наличием в них фенола и его производных. К ним относятся: антраценовое масло - продукт перегонки каменноугольного дегтя (при 270-410⁰С), сильно токсичен, с резким запахом; каменноугольное креозотовое масло получают при дистилляции каменноугольного дёгтя (при 250-280⁰С), применяют в подогретом состоянии, сильное антисептирующее действие, является лучшим антисептиком для шпал, столбов, мостов; сланцевое масло применяется наряду с антраценовым. Древесина, пропитанная маслянистым антисептиком, приобретает тёмный цвет, имеет фенольный запах, не поддается окраске и увеличивает горючесть.

Антисептические пасты состоят из трёх частей: водорастворимого антисептика, связующего вещества, обеспечивающего прилипание пасты к поверхности древесины и наполнителя - торфяного порошка. Битумную пасту готовят путём добавления в расплавленный битум зелёного масла в качестве растворителя, NaF и торфяного порошка (5-10%). Силикатную пасту готовят из кремнефтористого натрия (15-20%), жидкого стекла (~75%), воды и добавки каменноугольного масла для придания отвердевшей пасте эластичности.

Способы антисептирования древесины - поверхностная обработка, пропитка в горячехолодных ваннах, пропитка в высокотемпературной ванне и пропитка под давлением - применяют в зависимости от типа и условий службы конструкций.

Защита древесины от возгорания. Температура воспламенения древесины, соответствующая вспышке горючих газов, колеблется в пределах от 250 до 300⁰С в зависимости от породы дерева. Горят продукты термической деструкции древесины, образующиеся при нагревании её после удаления влаги, начиная с температуры 170⁰С. Интенсивное же выделение горючих газов происходит при 280⁰С. При температуре выше 350⁰С газы, выделяющиеся из древесины, воспламеняются даже при отсутствии открытого пламени.

Для предохранения от огня поверхность деревянных конструкций покрывают огнезащитными красочными составами или пропитывают антипиренами.Огнезащитное действие краски проявляется в том, что при пожаре краска пузырится, образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Если же горючие газы все же образуются и прорывают красочное покрытие, то их воспламенение происходит на некотором удалении от поверхности деревянного элемента.

Защитное действие антипиренов основано на том, что некоторые из них при пожаре плавятся и древесина покрывается пленкой, затрудняющей доступ кислорода. Другие антипирены выделяют при нагревании негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде вокруг конструкции. Антипиренами являются фосфорнокислые и сернокислые соли аммония. Сернокислый аммоний при нагревании диссоциирует и образовавшаяся сильная кислота дегидратирует слой древесины, который защищает внутреннюю необугленную древесину от сильного нагрева. Бура - борнонатриевая соль при нагревании выделяет пары воды и плавится, образуя пленку на поверхности древесины. Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработки и пропитки древесины, используют для повышения огнестойкости древесины.

11. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Пластичными массами называют большую группу материалов, основой которых являются природные или искусственные высокомолекулярные соединения - вещества с молекулами, состоящими из сотен или тысяч атомов, соединенных между собой валентными связями.

Одной из особенностей пластических масс является их способность в процессе переработки легко переходить в вязкотекучее состояние и под действием внешних сил принимать заданную форму, устойчиво сохраняя ее.

Отличительным свойством многих пластмасс, особенно армированных стекловолокном, является их высокая прочность при изгибе и растяжении. Пластмассы хорошо сцепляются с металлом, бетоном, стеклом и деревом, что определяет высокую эффективность при применении их в качестве клеев, красочных покрытий, облицовок и слоистых пластиков.

Однако наиболее важным свойством синтетических смол и материалов на их основе является высокая и часто практически универсальная химическая стойкость.

Используемые в промышленности и строительстве смолы и пластмассы на их основе подразделяют по способу получения на полимеризационные и поликонденсационные, а по отношению к нагреванию - на термопластичные или термопласты и термореактивные или реактопласты. В отдельную группу выделяют полимерные материалы, обладающие высокой эластичностью - эластомеры.

ВИДЫ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ТЕРМОПЛАСТОВ

Термопластичными называются смолы, способные при нагревании размягчаться, а затем и плавиться и при последующем охлаждении снова затвердевать. Это свойство термопластов обусловлено линейным строением их макромолекул, представляющих собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев с гибкими связями. К термопластам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат, фторопласты, поливинилацетат, полиамидные смолы и др.

Полиэтилен. Он имеет прочность на растяжение около 14,0МПа, обладает высокой химической стойкостью и диэлектрическими свойствами, эластичностью, способностью образовывать прочные водо-, паро- и газонепроницаемые пленки. Легко сваривается и перерабатывается в изделия.

К недостаткам, ограничивающим область применения полиэтилена, можно отнести подверженность старению под действием кислорода воздуха и ультрафиолетовых лучей, низкую теплостойкость, повышенную хрупкость при низких температурах (ниже -20⁰ С), горючесть и малую твердость. Полиэтилен применяют для создания защитных слоев методами центробежного, газопламенного или вихревого напыления. Из него изготовляют пленки, ленты и химически стойкие трубы.

Поливинилхлорид. Имеет прочность на растяжение в пределах 40,0-50,0 МПа (жесткий не пластифицированный), обладает высокой стойкостью в кислых и щелочных средах, нерастворим в спиртах и маслах, трудно воспламеняется, хорошо формуется в нагретом состоянии, легко сваривается и склеивается, хорошо совмещается с наполнителями, что позволяет получать пластмассы с разнообразными физико-механическими свойствами.

К недостаткам его следует отнести низкую теплостойкость при нагреве свыше 50⁰ С, хрупкость при отрицательных температурах (ниже -20⁰ С), слабую адгезию к некоторым материалам и способность растворяться в эфирах. Из пластифицированного эластичного поливинилхлорида изготовляют пленки, а из непластифицированного жесткого (винилпласта) - трубы, погонажные изделия.

Полистирол. Характеризуется прочностью на растяжение до 40,0 МПа, теплостойкостью до 70⁰ С, практически полной водостойкостью и высокой химической стойкостью в кислых и щелочных средах. Он бесцветен и прозрачен (пропускает до 90% лучей видимой части спектра ), имеет большое электрическое сопротивление, высокую морозостойкость, хорошо сваривается при нагреве до температур 220-250⁰ С, хорошо склеивается и также подвергается механической обработке (сверлению, пилке и т.д.).

Недостатком его является повышенная хрупкость даже при комнатных температурах, низкая теплостойкость, повышенная в сравнении с другими полимерами подверженность старению (под действием солнечного света полистирол темнеет и растрескивается), плохая адгезия к другим материалам. Путём прессования или литья под давлением из него изготовляют облицовочные плитки.

Органическое стекло (полиметилметакрилат) отличается высокой прочностью на растяжение (до 70,0 МПа²) высокой стойкостью к действию воды, а также кислых и щелочных сред, постоянством свойств при изменении температуры в пределах от -180 до +60 ⁰С, прозрачностью, бесцветностью, способностью пропускать ультрафиолетовые лучи, хорошей формуемостью в нагретом состоянии.

Недостатком полиметилметакрилата является малая твёрдость и повышенная хрупкость. Используют органическое стекло для изготовления стойких светопрозрачных ограждений и как связующее в акрилатных лаках.

Фторопласты имеют прочность при растяжении в пределах 17,0-40,0 МПа, высокую химическую стойкость, теплостойкость и диэлектрические свойства.

Фторопласт-4 (тетрафторэтилен) обладает универсальной химической стойкостью - хорошо противостоит действию царской водки (смеси 1 ч азотной кислоты с 3 ч соляной) при температуре 100 ⁰С, концентрированной серной кислоты, растворов щелочей, значительной термостойкостью (от 90 до 250 ⁰С), постоянством физико-механических свойств в интервале температур от -60 до +200 ⁰С. Однако применение тетрафторэтилена в строительстве ограничивается его высокой стоимостью и трудной обрабатываемостью в изделия (из-за большой вязкости в расплавленном состоянии).

Фторопласт-3 (трифторэтилен) характеризуется пониженной в сравнении с тетрафторэтиленом химической стойкостью и термостойкостью (от 60⁰ до 150⁰ С). Фторопласты применяют в виде пластин, междуслойной изоляции и труб для транспортирования сильно агрессивных жидкостей, а также в виде пленок для защиты стальных труб от коррозии.

Поливинилацетат обладает способностью образовывать эластичные светостойкие бесцветные пленки, высокой адгезией к ряду материалов. Однако невысокая водостойкость, низкая морозо- и теплостойкость ограничивают области его применения в строительстве. Используется главным образом в производстве лаков, в виде эмульсий он пригоден для изготовления мастичных полов.

Полиизобутилен характеризуется высокой водостойкостью, повышенной газонепроницаемостью и высокой стойкостью к действию соляной, серной, фосфорной, уксусной и других минеральных кислот, концентрированных едких щелочей и других агрессивных сред. В строительстве применяется как весьма стойкий антикоррозийный материал в виде футеровочных листов и защитных пленок. Кроме того, он используется для уплотнения стыков в крупнопанельном домостроении. Таким образом, рассмотрев отдельные виды термопластичных полимеров, можно выявить основные общие для них физико-механические свойства. Это прежде всего небольшая плотность (с = 1-2 г/см³), высокая прочность при растяжении и сжатии, низкая теплопроводность, хорошие диэлектрические свойства, малое водопоглощение, достаточная морозостойкость, высокая водо - и химостойкость.

Общими для большинства термопластичных смол недостатками являются: низкая теплостойкость, низкий модуль упругости, повышенная хрупкость при понижении температуры (ниже -20⁰ С), большая ползучесть при сравнительно низких уровнях начальных напряжений, склонность к старению.

ВИДЫ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ РЕАКТОПЛАСТОВ

В основном термореактивными свойствами обладают смолы, получаемые поликонденсацией (фенольные, фурановые, эпоксидные, полиэфирные), в результате которой образуются макромолекулы полимера сетчатой структуры с прочными химическими связями в поперечном направлении.

При образовании такой сетчатой структуры физико-механические свойства термореактивных смол в сравнении с термопластами существенно изменяются, они теряют способность растворяться в растворителях и переходить при повторном нагревании в пластическое состояние (размягчаться). Термореактивные смолы характеризуются большей прочностью, твердостью, хрупкостью, теплостойкостью и значительно меньшими деформациями ползучести под действием постоянной нагрузки.

Фенолоформальдегидные смолы в твердом состоянии представляют собой хрупкие стеклообразные массы янтарного цвета с высокой поверхностной твердостью. Они способны хорошо совмещаться с наполнителями, что позволяет получать пластмассы более прочные и теплостойкие и менее хрупкие, чем сами смолы; характеризуются высокой адгезией и химической стойкостью, особенно в кислых средах. Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол называют фенопластами.

Они хорошо сопротивляются действию неомыляющих кислот, бензина и органических растворителей даже при высоких температурах (до 120⁰ С), а при обычных температурах (до 25⁰ С) выдерживают действия сухого хлора и ряда окисляющих кислот (азотной 5%-й, серной 70%-й, хромовой 10%-й концентрации). Однако фенопласты могут разрушаться щелочами и основными солями.

Мочевиноформальдегидные (карбамидные) смолы характеризуются отсутствием запаха и цвета, светостойкостью, способностью окрашиваться в различные цвета при введении в их состав красителей. Стоимость их ниже стоимости фенолоформальдегидных смол, однако в сравнении с последними они менее водостойки, имеют меньшую химическую стойкость и повышенную хрупкость.

Фурановая смола (смола ФА) является наиболее химически стойкой и теплостойкой, хорошо совмещается с фенольными и эпоксидными смолами, обладает достаточной прочностью и высокой адгезией к керамике, металлу и цементному бетону. Недостатками наполненных и ненаполненных фурановых смол являются высокая хрупкость, черный цвет, значительная деформативность (усадка, ползучесть, температурные деформации), токсичность при нанесении.

Фурановая смола хорошо выдерживает при температурах до 120⁰ С действие неокисляющих кислот, щелочей, солей, бензина и органических растворителей, а также сернистого газа. Действие сухого хлора и 5%-й раствора окисляющих кислот (азотной, хлорной и т. д.) она удовлетворительно выдерживает только при обычных температурах (до 25⁰ С). Влажный хлор и концентрированные растворы окисляющих кислот разрушают фурановую смолу.

Эпоксидные смолы обладают высокой прочностью в затвердевшем состоянии, исключительно высокой адгезией к металлу, бетону, древесине, керамике, стеклу и т. д., хорошо совмещаются со многими синтетическими смолами и после отвердения характеризуются высокой химической стойкостью и относительно высокой теплостойкостью (100-150⁰ С). Недостатками эпоксидных смол являются их высокая стоимость до отверждения, а также низкая деформативность и невысокая ударная вязкость.

По химической стойкости эпоксидные смолы уступают только изделиям из фенольных и фурановых смол, выдерживая воздействия любых агрессивных сред, за исключением сильных окислителей и влажного хлора.

Полиэфирные смолы в ненасыщенном состоянии образуют высокопрочные, плотные и стойкие, светлые и цветные гладкие покрытия, не выделяющие летучих веществ, но дающие большую усадку в процессе отверждения. Полиэфиры могут применяться при температурах от -60⁰ до +100⁰ С. В строительстве из полиэфиров используют в основном глифталевые смолы, которые характеризуются повышенной хрупкостью и низкой атмосферостойкостью. При длительном воздействии воды прочность полиэфирного полимера понижается (до 40%), уменьшается и его адгезионная способность.

Полиэфирные смолы являются стойкими к большинству кислот любой концентрации до температуры 80⁰,за исключением сильно окисляющих, муравьиной, уксусной и некоторых других; они ограниченно стойки к сухим щелочам, некоторым солям (углекислый калий, сернистый натрий) и растворителям (ацетон, анилин и др.). Даже при высоких температурах полиэфирные смолы стойки к различным сульфатам и хлоридам, а также к действию спиртов, хлора, нефти, бензина, масел, ртути и многих других веществ. Активным агрессором по отношению к полиэфирным смолам является вода.

Кремнийорганические смолы, или силиконы - это материалы, в которых совмещаются достоинства неорганических и органических веществ. Они отличаются высокой теплостойкостью (до 500⁰ С) и вместе с тем водоотталкивающими свойствами, хорошей адгезией к бетону, металлу, стойкостью к химическим реагентам, диэлектрическими свойствами и высокой прочностью при сжатии и изгибе.

Силиконовые смолы характеризуются стойкостью в атмосферных условиях, условиях тропического климата, действия агрессивных газовых сред и значительной гидрофобностью.

Существенное влияние на свойства и стойкость реактопластов, так же как и других видов пластмасс, оказывает введение в их состав различных наполнителей.

При введение наполнителей в смолу, как правило, увеличивается прочность изделий при одновременном снижении их хрупкости (усадки, ползучести). Теплостойкость и морозостойкость наполненных смол выше, чем ненаполненных, но разные температурные перепады могут разрушающе действовать на структуру системы смола - наполнители.