В статье рассматриваются перспективы использования промышленных и строительных отходов в производстве полимербетонов, что позволяет не только уменьшить себестоимость материала, но и решить важные экологические проблемы. В ходе анализа были изучены ключевые факторы, влияющие на характеристики полимербетонов: тип и соотношение наполнителей, использование различных связующих, а также добавок. Результаты показывают, что применение переработанных материалов в качестве наполнителей, обеспечивает высокую прочность, устойчивость к агрессивным средам и снижает плотность полимербетона. Это делает его подходящим для использования в строительных и ремонтных работах, особенно в агрессивных средах, а также при необходимости быстрого отверждения ремонтного состава. Полимербетоны с использованием промышленных отходов представляют собой экологически безопасное и экономически выгодное решение для строительной отрасли.
Ключевые слова: полимербетон, связующие, наполнители, свойства, применение, эпоксидная смола, полиэтиленполиамин, строительные отходы, рециклинг.
Введение
Бетон на основе портландцементного клинкера, появившийся около двух веков назад, быстро стал популярным строительным материалом, однако, он имеет недостатки: низкую прочность на изгиб, низкую скорость отверждения, склонность к трещинам и слабую химическую стойкость. Перспективным решением для устранения этих проблем является полимербетон [1].
Полимербетон — композиционный материал, создаваемый путем смешивания полимерной, чаще всего, термореактивной смолы, наполнителей и/или заполнителей и добавок. Полимеры, которые чаще всего используются для получения этого типа бетона — метакрилатные, эпоксидные, фурановые, полиэфирные и винилэфирные смолы, также возможны и некоторые др. [2].
Полимербетоны — высоконаполненные (до 95 % массы) полимерные композиции, отличающиеся высокими техническими характеристиками и широко применяемые для изготовления химически стойких строительных конструкций и изделий, архитектурных и скульптурных элементов, элементов дизайна и даже высокопрочных деталей станков и оборудования [3].
Полимербетон зарекомендовал себя в строительстве и архитектуре как универсальный материал, применяемый в самых различных сферах [4]. Основное применение полимербетонов:
– ремонт и восстановление обычного цементного бетона;
– закладка фундаментов в условиях агрессивных грунтовых вод;
– возведение бассейнов, канализационных и дренажных систем, ремонт колодцев и других гидротехнических объектов;
– устройство полов в помещениях промышленных зданий;
– облицовка фасадов, лестниц.
Анализ основных характеристик
Полимербетон обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным бетоном: обладает более высокой прочностью, более ударостойкий и обладает высокой упругостью. Также полимербетон отличается хорошей пластичностью, легко поддаётся ремонту, выдерживает различные климатические условия, имеет эстетически привлекательный внешний вид с множеством оттенков и текстур. Кроме того, он быстро затвердевает и формирует плотную и ровную поверхность [5].
Однако, полимербетон имеет некоторые недостатки, основным из которых является его высокая стоимость [6].
Таким образом, в строительной сфере актуальна задача снижения стоимости полимербетонов. Для её решения требуется тщательный анализ текущих исследований и достижений в этой сфере.
В статье [7] авторы приходят к выводу, что ключевые свойства полимербетонов зависят от характеристик наполнителей и их пропорций относительно полимерной матрицы.
В своем исследовании [8] авторы рассматривают композиции, полученные при отверждении эпоксидной смолы ЭД-20 разными фракциями полиэтиленполиаминов (ПЭПА). Анализ показал, что применение определённых фракций полиаминов в качестве отвердителей эпоксидной смолы повышает прочностные свойства композитов по сравнению с традиционным полифракционным аминным отвердителем.
В статье [9] Ерофеев В. Т. и соавторы исследуют ударные свойства полимерных материалов с различной степенью наполнения: ненаполненные, с малым и высоким содержанием наполнителей. В качестве связующего использована эпоксидная смола, а наполнителями служили портландцемент и гранитный щебень. Тестирование проводили по стандарту ASTM D 7136. Эксперименты показали, что у каркасных композитов после длительного воздействия среды наблюдается снижение максимальной контактной силы и увеличение пластичности, что способствует повышению их способности поглощать энергию при ударах.
В исследовании [10] Селяев В. П., Низина Т. А., Низин Д. Р., Фомин Н. Е. и Юдин В. А. для уменьшения вязкости полимерных композиций на основе эпоксидной смолы ЭД-20 использовали алифатический разбавитель Этал-1. Результаты показали, что эпоксидные композиты, содержащие 10–25 % разбавителя Этал-1 от массы смолы, обладают необходимой подвижностью, высокой упругостью и прочностью. Полученные композиты устойчивы к воздействию щелочных растворов с pH=12,5, что делает их подходящими для защитного покрытия бетонных поверхностей.
В своей статье [11] Чулимова Т. В. и Струлев С. А. описывают метод определения биостойкости эпоксидного полимербетона согласно ГОСТ 9.048–89. Испытания авторов показали, что полимербетон обладает биостойкостью к слабоагрессивным средам и длительно сохраняет свои физико-механические свойства в биологически опасных средах. Эти данные согласуются с результатами и других исследователей [12–14].
В работе [15] приведены результаты экспериментальных исследований основных технологических параметров модифицированных эпоксидных связующих, полученных с использованием различных типов отвердителей. Для модификации эпоксидной смолы ЭД-20 был добавлен реакционноспособный алифатический разбавитель Этал-1. Также изучались смеси на основе модифицированной смолы Этал-247. По результатам исследований установлено, что замена аминного отвердителя на полиаминный значительно увеличивает жизнеспособность состава в 2–10 раз и понижает экзотермичность при отверждении.
В исследовании [16], проведенном Низиной Т. А. и соавторами, изучались полимерные композиты на основе эпоксидных связующих, подвергавшиеся воздействию умеренного климата. Исследования показали, что наиболее стойким к таким условиям является эпоксидный композит, созданный на основе смолы ЭД-20 и отвердителя Этал-1440Н.
Полимербетоны, благодаря своим положительным свойствам, описанным в работах [8–15], получили довольно широкое распространение. Однако, остается острый вопрос снижения стоимости данного материала.
Одним из решений данной проблемы является использование строительных отходов, которое также подтверждается мнением авторов в статье [17]. Авторы данной работы подчеркивают, что переработка строительных отходов представляет значительные возможности для создания новых строительных материалов из вторичного сырья, что способствует решению экономических проблем, реализуя принцип: «отходы — в доходы». Среди предлагаемых в данной области рециклинга материалов выделяются кирпичный и стеклянный бой, бетонный лом, гипс (гипсокартон), древесина и асбестоцемент.
В добавление к экономическим выгодам, использование строительных отходов в значительной степени способствует улучшению экологической ситуации. К данному выводу приходят Макарычев и его соавторы в своей статье [18]. В данной работе отмечается, что переработка и повторное использование больших объемов материалов в строительной и других отраслях может значительно снизить риск загрязнения окружающей среды, поскольку вторичная переработка более экологически безопасна по сравнению с обычной утилизацией.
Уваровой А. С. и её коллегами в статье [19] было исследовано влияние добавки наполнителя на основные характеристики композитного материала, изготовленного из кирпичного боя и полистирола, полученного путем растворения отходов из пенополистирола в метиленхлориде в определенном соотношении. По результатам проведенных исследований делается вывод о том, что данный материал рекомендуется для использования в качестве облицовочного материала. Разработанный авторами состав сырьевой смеси представляет новую возможность для расширения ассортимента и ресурсной базы композитных материалов в строительной индустрии.
Литвинова Ю. В. и её коллеги исследовали полимербетон, изготовленный из строительных отходов, образовавшихся в результате разрушения зданий. Эти материалы вместе с природным речным песком заменили традиционные заполнители. Вместо минерального вяжущего — портландцемента в качестве связующего использовали ненасыщенную полиэфирную смолу. По результатам исследований был сделан вывод о том, что такие полимербетоны подходят для производства фундаментных блоков [20].
Заключение
Благодаря своим положительным свойствам полимербетон нашел широкое применение в строительстве и архитектуре. Полимербетоны, изготовленные с использованием эпоксидной смолы ЭД-20 демонстрируют значительные преимущества в механических и эксплуатационных характеристиках по сравнению с обычными цементными бетонами. Применение определенных аминных соединений в качестве отвердителей эпоксидных смол повышает прочностные свойства материалов по сравнению с общеизвестными более дешевыми полиаминными отвердителями. Также установлено, что для повышения технологичности связующего без снижения его долговечности следует применять алифатический разбавитель (Этал-1).
Однако, всё еще остается проблема высокой стоимости полимербетонов. Решению данного вопроса способствует использование строительных отходов, которое позволяет снижать конечную стоимость материалов. Помимо этого, рециклинг строительных отходов снижает нагрузку на экологическую среду. Вторичное использование отходов способствует созданию замкнутого цикла в строительной отрасли, где отходы используются как ресурс для получения новых материалов.
Полимербетоны с наполнителями в виде сочетания кирпичного боя и мелких наполнителей рекомендуется применять, в том числе, в качестве облицовочного материала. Замена традиционных материалов на строительные отходы от разрушения зданий и речной песок в качестве мелкого заполнителя позволяет использовать полимербетонов для производства несущих блоков строительных конструкций.
Таким образом, такие экономичные полимербетоны являются перспективным решением для применения в различных строительных задачах, особенно в условиях, требующих повышенной прочности и долговечности при минимальных материальных и ресурсных затратах.
Литература:
1. Попов К. Н. Полимерные и полимерцементные бетоны, растворы и мастики: Учеб. пособие для СПТУ. — М.: Высш. шк., 1987–72 с.
2. Паламарчук А. А., Шишакина О. А. Полимербетон — современный строительный материал. // Journal of Advanced Research in Technical Science. — 2019. — № 16. — С. 123–125. — DOI 10.26160/2474–5901–2019–16–123–125.
3. Малбиев С. А. Полимеры в строительстве: Учебное пособие для вузов/ С. А. Малбиев, В. К. Горшков, П. Б. Разговоров. — М.: Высш. шк., 2008–456 с.
- Котляревская А. В., Вагурина А. Ю. История исследования и потенциал будущего применения бетонов на основе полимерных вяжущих // Инженерный вестник Дона. — 2023. — № 2(98). — С. 319–334.
- Джанкулаев, А. А. Применение полимербетонов в строительстве. // Вопросы науки и образования. — 2021. — № 3(128). — С. 43–45.
6. Свечкарев, И. Н. Полимербетон, область применения. // Инновации. Наука. Образование. — 2021. — № 27. — С. 998–1002.
7. Пахомов В. Е., Поздняков В. А., Королев В. А. Исследование влияния наполнителей на прочностные характеристики полимербетонов // Современные строительные материалы и технологии. Выпуск 5. — Калининград: Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, 2023. — С. 57–60.
8. Севаева Г. С., Андреев А. Н., Олихова Ю. В. Исследование свойств композиционных материалов на основе эпоксидной смолы и фракций полиэтиленполиаминов. // Успехи в химии и химической технологии. — 2019. — Т. 33, № 6(216). — С. 82–84.
- Ерофеев В. Т., Старцев О. В., Смирнов И. В., Максимова И. Н., Ерастов В. В., Махоньков А. Ю. Ударная прочность эпоксидных полимербетонов. // Известия вузов. Строительство, 2015. — № 11–12. — С. 5–11.
10. Селяев В. П., Низина Т. А., Низин Д. Р., Фомин Н. Е., Юдин В. А. Влияние алифатического разбавителя Этал-1 на упругопрочностные характеристики и щелочестойкость эпоксидных композитов // Известия вузов. Строительство, 2014. — № 8. — С. 14–19.
11. Чулимова Т. В., Струлев С. А. Биостойкость эпоксидного полимербетона. // Точная наука. — 2017. — № 11. — С. 32–35.
- Строганов В. Ф. Исследование влияния эпоксидных полимерных покрытий на биостойкость и гидроизоляционные свойства бетонных поверхностей // В. Ф. Строганов, Д. А. Куколева, А. М. Мухаметова // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 4(22). — С. 340–345. — ISSN 2073–1523.
- Строганов В. Ф. Полимерные защитные покрытия от биокоррозии // В. Ф. Строганов, Е. В. Сагадеев, В. А. Бойчук [и др] // Вестник Казанского технологического университета. — 2014. — Т. 17 — № 18. — С. 149–154.
- Струлев С. А. К вопросу о водопоглощении полимербетона на основе полиэфирной смолы с добавлением отходов производства // С. А. Струлев, А. В. Соломатина // Приволжский научный вестник. — 2014. — № 2(30). — С. 63–65. — ISSN 2224–0179.
- Селяев В. П., Низин Д. Р., Фомин Н. Е., Юдин В. А., Чернов А. Н. Влияние вида отвердителя на вязкость, жизнеспособность и экзотермичность составов модифицированных эпоксидных связующих. // Известия вузов. Строительство, 2016. — № 6. — С. 47–57.
- Низина Т. А., Артамонов Д. А., Низин Д. Р., Чернов А. Н., Андронычев Д. О. Анализ влияния отвердителя на климатическую стойкость эпоксидных композиционных материалов // Известия вузов. Строительство, 2017. — № 1. — С. 55–64.
17. Баруздин А. А., Закревская Л. В. Перспективы рециклинга в строительстве с целью создания инновационных композиционных материалов // Умные композиты в строительстве, 2023. — Т. 4. — № 3. — С. 29–54.
18. Макарычев К. В., Тарасова К. Г., Харина А. О., Стукалин А. А. Вторая жизнь строительного мусора: Вторичное использование строительных материалов на практике // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых: сб. мат-лов III Всероссийской научной конференции перспективных разработок: в 4-х томах.: Курск, Юго-Западный государственный университет, 2022. — Том 3. — С. 369–372.
19. Уварова А. С., Виткалова И. А., Пикалов Е. С., Селиванов О. Г. Влияние кирпичного боя на свойства облицовочного композиционного материала на основе вторичного полимерного связующего. // Экология промышленного производства. — 2021. — № 2(114). — С. 13–17.
20. Литвинова Ю. В., Литвинова В. А. Изучение свойств полимербетонов. // Университетская наука. — 2019. — № 1(7). — С. 41–47.
