Свойства модифицированных латексом систем

При изготовлении модифицированных латексом раствора и бетона используют композиционное вяжущее из неорганических цементов и органических полимерных латексов. Полученные раствор и бетон имеют решетчатую структуру, которая состоит из цементного геля и микроволокон полимера. Свойства модифицированного раствора и бетона значительно лучше, чем у обычного раствора и бетона. На свойства затвердевших растворов и бетонов и их Ьсобенности в процессе изготовления влияет множество факторов, в том числе тип полимера, полимерце-ментное отношение, водоцементцое отношение, содержание воздуха и условия выдержки.
Свойства незатвердевших растворов и бетонов.
Удобообрабатываемость. Обычно модифицированные латексом раствор и бетон обеспечивают хорошую удобообрабатываемость по сравнению с обычными раствором и бетоном. Это главным образом объясняется улучшенной консистенцией (вследствие эффекта шарикоподшипника) полимерных частиц и вовлеченного воздуха и диспергирующим эффектом поверхностно-активных веществ в латексах.
Подвижность модифицированных растворов увеличивается с увеличением водоцементного и полимерцементного отношения. Осадка конуса модифицированных бетонов имеет тенденцию к увеличению с повышением содержания единицы воды (или водоцементного отношения) и полимерцементного отношения. С увеличением содержания воды в полимер-цементе увеличивается его подвижность. Эта тенденция возрастает при уменьшении процентного содержания песка и увеличении содержания цемента.
Воздухововлечение. У большинства модифицированных растворов и бетонов наблюдается большее воздухововлечение по сравнению с обычными цементными растворами и бетонами из-за действия поверхностно-активных веществ, содержащихся в полимерных латексах в виде эмульгаторов и стабилизаторов. Некоторое воздухововлечение полезно для получения улучшенной удобообрабатываемости. Излишнее количество вовлеченного воздуха вызывает снижение прочности и должно регулироваться применением подходящих пеногасителей. Последние коммерческие латексы, применяемые в качестве модификаторов цемента, обычно содержат надлежащие пеногасители, которые значительно снижают воздухововлечение. В результате содержание воздуха в большинстве модифицированных растворов составляет от 5 до 20%, а в большинстве модифицированных бетонов — меньше 2%, т. е. в основном столько же, сколько в обычном цементном бетоне. Меньшее содержание воздуха в модифицированных бетонах по сравнению с модифицированными растворами, вероятно, объясняется тем, что воздух с трудом вовлекается в бетон из-за большей крупности используемых в нем заполнителей. Содержание воздуха в модифицированных растворах увеличивается быстрее, чем в модифицированных бетонах, с увеличением полимерцементного отношения.
Водоудерживаюшая способность. Модифицированные раствор и бетон обладают значительно большей водоудерживающей способностью по сравнению с обычным цементным раствором и бетоном. Водоудерживающая способность зависит от полимерцементного отношения. Вероятно, это объясняется гидрофиль-ностью и коллоидными свойствами самих полимеров и замедлением испарения воды из-за изолирующего действия образующихся непроницаемых полимерных пленок. Соответственно достаточное количество воды, требующейся для гидратации цемента, задерживается в растворе и бетоне, поэтому для большинства модифицированных систем более предпочтительно сухое выдерживание, чем влажное или водное.
Высокая водоудерживающая способность модифицированных растворов наиболее эффективна для замедления явления «высыхания» (замедление гидратации цемента из-за потери воды в растворе или бетоне) в тонких облицовочных слоях или покрытиях на таких сильно абсорбирующих воду основаниях, как затвердевшие цементные растворы и керамические плитки.
Выделение цементного молока и расслоение. В противоположность обычным цементным растворам и бетонам, в которых происходит выделение цементного молока и расслоение, модифицированные растворы и бетоны в значительно меньшей степени выделяют цементное молоко и в них не наблюдается расслоения, несмотря на их повышенные характеристики пластичности. Это объясняется гидрофильностью и коллоидными свойствами самих латексов и воздухововлекающим и водопонижающим эффектами поверхностно-активных веществ, содержащихся в латексах. Соответственно в модифицированных системах отсутствуют такие недостатки, как снижение прочности и водонепроницаемости, вызываемые выделением цементного молока и расслоением.
Особенности схватывания. Обычно схватывание модифицированных раствора и бетона в некоторой степени замедлено по сравнению с обычным цементным раствором и бетоном. Это замедление зависит от типа полимера и полимерцементного отношения.
Схватывание замедляется при увеличении полимерцементного отношения, что не вызывает затруднений при практическом применении. В растворе, модифицированном ПКЛ, в большинстве случаев схватывание замедляется. Обычно схватывание замедляется при наличии поверхностно-активных веществ—сульфатов алкил-бензола и казеинатов, содержащихся в латексах и замедляющих гидратацию цемента. Реологические исследования бетона позволили установить, что гидратация цемента замедляется из-за адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности вяжущего.
Свойства затвердевшего раствора и бетона.
Прочность. В основном модифицированные раствор и бетон показывают значительное увеличение прочности при разрыве и изгибе, но прочность при сжатии у них не увеличивается по сравнению с обычным цементным раствором и бетоном. Это объясняется высокой прочностью при разрыве самого полимера и общим усилением связей цемента с заполнителями. На прочностные свойства модифицированного раствора и бетона влияют различные взаимодействующие друг с другом факторы: свойства используемых материалов — латексов, цементов и заполнителей, факторы контроля для подбора состава смеси (т. е. полимерцементное и водоце-ментное отношения, отношение вяжущего к объему пор и т. д.), методы выдержки и методы контроля.
Влияние свойств материалов. Свойства полимеров в латексах главным образом зависят от количества мономера в сополимерах, а также от типа и количества пластификаторов. Такие свойства латексов, как механическая и химическая стабильность, выделение воздуха, нормальное схватывание при высыхании, зависят от типа и количества поверхностно-активных веществ и пеногасителей и размера дисперсных полимерных частиц.
Количество мономера влияет на прочность модифицированных латексом растворов в такой же степени, как полимерцементное отношение. Максимальная прочность раствора, модифицированного ПЭВА, достигается при содержании связанного этилена 13%. Прочность раствора, модифицированного БСК, повышается с увеличением содержания связанного стирола. Подобные же результаты получены Черкинским и др. Прочность при растяжении сухой пленки из латекса БСК резко возрастает, когда содержание связанного стирола повышается. Имеется четкая взаимосвязь между прочностью этой пленки и прочностью при изгибе раствора, модифицированного БСК, с по-лимерцементным отношением около 10%.
Так же, как у раствора, модифицированного БСК, прочность раствора, модифицированного поливинилацетатом (с различным содержанием пластификатора), уменьшается с увеличением содержания пластификатора.
Обычно механическая и химическая стабильность латексов улучшается с увеличением содержания поверхностно-активных веществ, выбранных в качестве стабилизаторов. Стабилизированные латексы могут эффективно диспергировать без коагуляции в модифицированных растворе и бетоне. С другой стороны, излишнее количество поверхностно-активных веществ может оказать отрицательное воздействие на прочность модифицированных раствора и бетона из-за уменьшения прочности латекснои пленки, замедления гидратации цемента и избыточного воздухововлечения.
Следовательно, латексы, используемые в качестве модификаторов цемента, должны иметь оптимальное содержание поверхностно-активных веществ, чтобы обеспечивалась высокая прочность модифицированных раствора и бетона. Оптимальное содержание поверхностно-активных веществ колеблется в пределах от 5 до 30% по массе от общего содержания твердого вещества.
Поверхностно-активные вещества обычно добавляют к латексам для того, чтобы воспрепятствовать излишнему воздухововлечению. Повышенное содержание пеногасителя приводит к явно выраженному уменьшению содержания воздуха и увеличению прочности при сжатии.
Размер диспергированных полимерных частиц в латексах может до некоторой степени влиять на прочность модифицированных раствора и бетона. Райст и др., а также Брокард установили, что раствор, модифицированный ПВА (поливинилацетатом), достигает максимальной прочности при размерах частиц от 1 до 5 мкм и от 2 до 5 мкм. Вагнер и другие наблюдали увеличение прочности при сжатии и растяжении раствора, модифицированного ПВДХ, при уменьшении размера частиц.
Тип цемента не оказывает заметного влияния на прочность модифицированных систем, исключение составляет высокоглиноземистый цемент. Прочность при изгибе и прочность при сжатии возрастают с увеличением модуля крупности, т. е. размеров частиц песка, как и для немодифицированного раствора.
Развитие прочностей при растяжении и изгибе имеет большее значение, чем прочности при сжатии и сдвиге, за исключением показателей для бетона, модифицированного ПВА. Большинство модифицированных растворов и бетонов показывают максимальную прочность при полимерцементных отношениях от 10 до 20% и от 20 до 30% при сухой выдержке и комбинированном водном и сухом режиме хранения, а при водной выдержке — при полимерцементных отношениях от 5 до 15% и от 15 до 25%. Некоторые модифицированные системы имеют минимальную прочность при полимерцементном отношении от 5 до 10% независимо от условий выдержки. Ряд систем показывает резкое снижение прочности при увеличении полимерцементного отношения также независимо от условий выдержки. В общем большинство модифицированных растворов и бетонов, выдержанных в благоприятных условиях, имеют высокие прочностные свойства при полимерцементном отношении 20—30%, после чего прочность может уменьшаться. До этого значения полимеры влияют на улучшение микроструктуры раствора или бетона, но дальнейшее увеличение полимерцементного отношения приводит к разрывам в микроструктуре, которые снижают прочность. Применение низких значений полимерцементного отношения (ниже 5%) неэффективно, поскольку это приводит к низкой прочности. Поэтому на практике используется полимерцементное отношение в пределах от 5 до 20%.
Воздухововлечение оказывает заметное влияние на прочность модифицированных систем.
С целью разработки уравнений для прогнозирования прочности при сжатии модифицированных растворов и бетонов необходимо учитывать различные факторы: полимерцементное отношение, водоцементное отношение и содержание воздуха.
Влияние условий выдержки. Требования к благоприятным условиям выдержки для модифицированного раствора и бетона отличаются от аналогичных требований для обычного цементного раствора и бетона, так как их вяжущее состоит из двух фаз — латекса и гидравлического цемента с различными свойствами. Оптимальная прочность в цементной фазе развивается во влажной среде — при погружении в воду и при высокой влажности, в то время как развитие прочности в латексной фазе достигается в сухой среде.
Из данных очевидно, что оптимальная прочность большинства модифицированных растворов и бетонов достигается при достаточном количестве гидратированного цемента во влажных условиях в раннем возрасте с последующей выдержкой в сухом режиме для стимуляции образования полимерной пленки. Из этих данных очевидно, что условия выдержки для растворов имеют большее значение, чем для бетонов, из-за разницы в водоудерживающей способности, обусловленной размерами их образцов.
Обычно прочность при сжатии бетонов, модифицированных БСК и ПЭВА, не изменяется значительно при дополнительной выдержке и становится почти постоянной в возрасте 182 сут независимо от размера образца. Прочность при сжатии в этом возрасте резко возрастает с увеличением полимерцементного отношения и становится в 2—3 раза выше перед сухой выдержкой, т. е. через 7 сут влажной выдержки. Основная причина заключается в том, что гидратация цемента в модифицированных бетонах прогрессирует весь период сухой выдержки из-за высокой водоудерживающей способности, возникающей благодаря образованию полимерной пленки. Такое эффективное развитие прочности является одним из преимуществ модифицированного бетона перед обычным цементным бетоном. Прочность при сжатии имеет тенденцию к увеличению с увеличением отношения площади поверхности к объему образца, т. е. с уменьшением размера образца независимо от полимерцементного отношения. Аналогичная тенденция наблюдается и у немодифицированного бетона.
Возможность образования трещин и раковин в образце возрастает с увеличением его объема, т. е. с увеличением его размера. Разработан метод получения высокой прочности путем тепловой обработки модифицированных систем с использованием термопластичных сополимеров со специальными термическими свойствами. Сополимеры получены из двух мономеров, которые образуют гомополимер с различными точками перехода выше и ниже температуры окружающей среды. Оптимальные прочностные свойства при этой специальной выдержке достигаются в температурном интервале 70—120 °С. Механизм достижения такой высокой прочности может быть объяснен интенсивным образованием постоянной полимерной пленки и эффектом заполнения пор.
Взаимоотношение между твердостью поверхности и прочностью при сжатии. Твердость поверхности модифицированных систем в основном несколько выше твердости обычной цементной системы в зависимости от типа полимера и полимерцементного отношения. Признано, что имеется определенное соотношение между твердостью поверхности и прочностью при сжатии большинства модифицированных систем.
Взаимоотношение между деформациями напряжения и модулями упругости и растяжимости. Модифицированные раствор и бетон содержат полимеры [модуль упругости — (0,001 —10)-10 3 МПа] со значительно меньшим модулем упругости по сравнению с гидратированным цементом. Соответственно их поведение при деформации и растяжимость (или способность к удлинению) могут значительно отличаться от этих показателей для обычного цементного раствора и бетона.
Большинство модифицированных растворов и бетонов обладает повышенными значениями деформации, растяжимости (или способности к удлинению) и упругости по сравнению с обычными цементным раствором и бетоном в зависимости от типа полимера и полимерцементного отношения. Обычно максимальная деформация при сжатии возрастает с увеличением полимерцементного отношения, в частности при полимерцементном отношении 20 % она увеличивается в 2—3 раза по сравнению с деформацией немодифицированного раствора.
Усадка, ползучесть и термическое расширение. Усадка при высыхании модифицированного раствора и бетона может быть или больше, или меньше, чем для немодифицированного раствора и бетона, и зависит от типа полимера и полимерцементного отношения.
Усадка при высыхании возрастает при дополнительной сухой выдержке и становится почти постоянной в период сухой выдержки (28 сут) независимо от типа полимера и полимерцементного отношения. Обычно усадка при высыхании через 28 сут имеет тенденцию к уменьшению с увеличением полимерцементного отношения. Растворы, модифицированные ПВА, ПКЛ и ПХПК, имеют большую усадку по сравнению с немодифицированными растворами. Наибольшая усадка раствора, модифицированного ПВА, вероятно, вызывается испарением большего количества воды, абсорбированной в полимерной фазе из-за низкой водоустойчивости самого поливинилацетата. Установдено, что такая высокая усадка может быть понижена на 50 % от ее значения для немодифицированного раствора при введении этилена в полимерные образования. Усадка при высыхании уменьшается при увеличении размера образца и полимерцементного отношения в связи с повышенной водоудерживающей способностью.
Модифицированные растворы и бетоны в основном имеют небольшую ползучесть, несмотря на включение упругих полимеров с низкой температурой перехода. Это может быть связано с низким содержанием полимера — около 3 % по объему, повышением прочности вяжущего полимерами и долговременным развитием прочности при улучшенной водоудерживающей способности.
В противоположность этому Соломатов установил, что деформация ползучести при изгибе раствора, модифицированного поливинилацетатдибутилмалеатом, в несколько раз больше, чем для немодифицированного бетона, при температуре 20 °С. Его полная деформация происходит при температуре 50 °С, так как полимер приобретает высокую пластичность, которая выше его температуры перехода.
Обычно на температурный коэффициент линейного расширения модифицированных растворов и бетонов влияет качество используемых заполнителей, как и на обычные растворы и бетоны.
Модифицированные растворы и бетоны обычно имеют температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), равный или несколько больший, чем у обычного раствора и бетона. При полимерцементном отношении 20 % и содержании стального волокна 2 % по объему усадка при высыхании может снизиться примерно на 35 %.
Водонепроницаемость и водостойкость. Модифицированные раствор и бетон имеют структуру, в которой поры могут быть заполнены полимером или закрыты сплошными полимерными пленками. Обычно эффект заполнения полимером и закрытия пор возрастает с увеличением содержания полимера или полимерцементного отношения. Эти особенности сказываются на понижении водопоглощения и водо- и паропроницаемости. В результате модифицированные раствор и бетон имеют улучшенную водонепроницаемость по сравнению с обычным раствором и бетоном. С другой стороны, они обладают меньшей водостойкостью и их прочность снижается при выдержке в воде или при высокой влажности. Водопоглощение возрастает при увеличении времени пребывания образцов в воде, но при более низких полимерцементных отношениях становится почти постоянным при 48-часовой экспозиции независимо от типа полимера.
Обычно водопоглощение значительно уменьшается с увеличением полимерцементного отношения. Раствор, модифицированный ПВА, имеет низкую водонепроницаемость. Поливинилацетат разбухает из-за водопоглощения и частично гидролизуется в щелочной среде с образованием поливинилового спирта и ацетата кальция.
На начальной стадии проникания воды через раствор, модифицированный ПВА, разбухание вызывает самозакрывание пор и в растворе может оказаться меньшее количество проникшей воды.
Стойкость к водопоглощению значительно возрастает с увеличением полимерцементного отношения. Подобно водопоглощению, проникание паров воды значительно уменьшается с увеличением полимерцементного отношения.
Низкая водостойкость, по-видимому, обусловлена частичным реэмульгированием (или редиспергированием) полимерной фазы в модифицированных растворах. Вторичное высыхание обычно позволяет восстановить показатели прочности, если не произошли необратимые химические изменения в полимерной фазе.
Раствор, модифицированный ПВА, имеет наиболее низкую водостойкость. Причины этого явления рассмотрены выше. Проведен ряд исследований с целью повышения водостойкости раствора и бетона, модифицированных ПВА. Для решения данной проблемы использовали модификаторы сополимера, например латекс полиэтиленвинилацетата (ПЭВА) и латексы типа винилацетатного сополимера для модифицированных растворов и бетонов с высокой водостойкостью, которые имеются на рынке. В частности, широко используется латекс ПЭВА. Водостойкость раствора, модифицированного ПЭВА, повышается при оптимальном содержании связанного этилена примерно на 20 %.
Сцепление и прочность сцепления. Повышенная по сравнению с обычным бетоном прочность сцепления с различными основаниями является очень полезным свойством модифицированных растворов и бетонов, что связано с очень высоким сцеплением, присущим полимерам. Обычно на сцепление влияют полимерцементное отношение и свойства используемых оснований. Данные о сцеплении часто имеют значительный разброс и могут отличаться в зависимости от методов испытаний, условий проведения или пористости оснований.
Сцепление большинства модифицированных растворов имеет тенденцию к возрастанию с увеличением полимерцемеитного отношения, хотя для нескольких видов растворов имеются оптимальные полимер-цементные отношения. На сцепление влияет также , состав раствора основания. При составе раствора основания 1:2 разрушение при изгибе происходит главным образом через поверхность раздела, но при составе 1:3 — скорее через основание, чем через поверхность раздела. Подобные улучшения сцепления наблюдаются также при давлении сдвига.
Охама установил почти десятикратное увеличение сцепления с обычным цементным раствором модифицированного БСК раствора при П/Ц-20%, по сравнению с немодифици-рованным раствором. В этом случае важно соотношение мономеров сополимера. Высокая степень сцепления была получена при содержании связанного стирола 70 %.
Одним из недостатков модифицированных растворов и бетонов является снижение сцепления при эксплуатации их во влажных условиях. Однако сила сцепления большинства модифицированных растворов после погружения в воду выше, чем для немодифицированных растворов, что не препятствует практическому использованию модифицированных растворов.
Сцепление между керамическими плитками и между плиткой и обычным цементным раствором возрастает с увеличением полимерцементного отношения. Большинство модифицированных латексом растворов имеет хорошее сцепление со сталью, деревом, кирпичом и камнем.
Сопротивление удару. Модифицированные растворы или бетоны имеют более высокое сопротивление удару по сравнению с обычным раствором и бетоном, поскольку сами полимеры обладают высоким сопротивлением удару. Сопротивление удару обычно возрастает с увеличением полимерцемеитного отношения. Данные о сопротивлении удару значительно отличаются в зависимости от методов испытаний.
Сопротивление удару модифицированных растворов с эластомерами выше, чем в растворах с термопластичными смолами. Растворы, модифицированные ПКЛ и БСК и имеющие полимерцементное отношение 20 %, имеют сопротивление удару примерно в 10 раз выше, чем немодифицированные растворы. Получено высокое сопротивление удару типичных модифицированных латексом растворов (оцененное при испытании образцов балочек на изгиб при ударе). Подборка других данных для раствора, модифицированного БСК, показывает, что ударное сопротивление значительно снижается при увеличении содержания связанного стирола.
Сопротивление истиранию. Сопротивление истиранию модифицированных растворов и бетонов зависит от типа используемого полимера, полимерцементного отношения и условий истирания. Обычно сопротивление истиранию значительно повышается с увеличением полимерцементного отношения.
Сопротивление истиранию при полимерцементном отношении 20 % увеличивается в 20—50 раз по сравнению с немодифицированным раствором. Согласно данным Охама, сопротивление истиранию модифицированного БСК раствора увеличивается с увеличением содержания связанного стирола. Химическая стойкость. Химическая стойкость модифицированных растворов и бетонов зависит от природы полимеров, полимерцементного отношения и свойств агрессивных химических веществ. Большинство модифицированных растворов и бетонов чувствительно к действию неорганических или органических кислот и сульфатов, так как они содержат гидратированный цемент, который не обладает стойкостью к этим веществам, но стоек к щелочам и различным солям, кроме сульфатов. Модифицированные растворы и бетоны отличаются химической стойкостью по отношению к эфирам и маслам, но они не устойчивы к действию, органических растворителей. Раствор, модифицированный АНБДК, имеет высокую стойкость к действию органических растворителей и масел, а раствор, модифицированный ПКЛ, подвергается воздействию этих веществ. Отмечено, что раствор, модифицированный ПВДХ, устойчив к действию кислот и большинства растворителей.
Обычно раствор, модифицированный ПВА, с трудом сопротивляется действию кислот и щелочей, но в значительной степени стабилен к действию органических растворителей, в том числе различных масел.
Влияние температуры, термическая стойкость и горючесть. Прочность модифицированных растворов и бетонов зависит от температуры окружающей среды, поскольку от нее зависит и прочность самих полимеров (особенно термопластичных). В модифицированных растворах прочность и сопротивление изгибу обычно быстро снижаются с увеличением температуры. Эта тенденция значительна при температуре, которая выше температуры изменения структуры полимеров, а также при увеличении полимерцементного отношения. Большинство термопластичных полимеров в латексе имеет температуру изменения структуры 80—100 °С.
При температуре от 100 до 150 °С различие в прочности при различных полимерцементных отношениях становится меньше, и прочность модифицированного раствора равна или больше прочности иемодифицированного раствора. Большинство модифицированных растворов теряет 50 % или больше своей прочности при температуре, превышающей 50 °С. С другой стороны, их прочность при температуре ниже 0 °С больше, чем при 20 °С.
Термическая стойкость модифицированных растворов и бетонов определяется их свойствами, особенно температурой изменения структуры. Возгораемость лежит в пределах от степени 1 до степени 3 кроме модифицированного ПХПК раствора с полимерцементным отношением 20 %. Растворы, модифицированные хлорсодержащими полимерами, т. е. ПХПК и ПВДХ, а также ПВА, имеют высокую стойкость к возгоранию. Низкая возгораемость растворов, модифицированных ПВА, обусловлена присутствием большого количества уксусной кислоты, образующейся при термическом разложении полимера. Стойкость к возгоранию большинства модифицированных растворов уменьшается с увеличением полимерцементного отношения. Растворы с полимерцементным отношением 5 % относятся к степени 1 по возгораемости.
Морозостойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям. Модифицированные растворы и бетоны имеют повышенную морозостойкость по сравнению с обычными растворами и бетонами. Это объясняется снижением пористости в результате использования пониженного водоцементного отношения и наполнения пор полимерами, а также воздухововлечением, происходящим под действием полимеров и поверхностно-активных веществ. Увеличение полимерцементного отношения модифицированных латексом растворов не обязательно приводит к улучшению морозостойкости.
При долговременном воздействии внешней среды, включая воздействие мороза и карбонизацию, модифицированные растворы показывают повышенную стойкость к воздействию атмосферы по сравнению с обычными растворами и бетонами.