Перспективы развития технологии полимербетонных изделий и конструкций
Анализ опыта крупносерийного производства армополимербетопных изделий и конструкций позволил определить основные направления разработки более современной технологии изготовления армополимербетонных изделий и конструкций.
При производстве полимербетонов одним из наиболее энергоемких процессов является термообработка. Переход па термообработку с использованием теплоты, получаемой в результате саморазогрева полимербетонной смеси, позволил сократить расход электроэнергии.
Исследования низкочастотного виброформования высоконаполненных композиций свидетельствуют, что формование достаточно эффективно для армополимербетонных конструкций и должно найти более широкое применение на вновь строящихся цехах и заводах. Анализ различных способов отверждения полимербетонов показывает, что отвердение полимербетонов в обычных условиях при температуре 18—20°С в течение 28—30 сут не может обеспечить максимально возможную полноту полимеризации полимерного связующего. Прогрев конструкций или изделий в течение 6—10 ч при 60—70°С после суточной выдержки в обычных условиях также не обеспечивает необходимую полноту отверждения.
Предложенный способ — суточное отверждение при 18—20°С и 20—24-часовой сухой прогрев при 80°С — позволил получить максимально возможную на практике степень полимеризации для широкой номенклатуры армополимербетонных изделий и конструкций. Этот способ нашел применение на большинстве действующих предприятий по производству таких конструкций. Однако общее время отверждения составляет 44—48 ч, что существенно усложняет технологический процесс и удорожает стоимость полимербетонных конструкций.
На основании многочисленных исследований предложен новый способ термообработки, который заключается в следующем: после окончания формования полимербетонные изделия выдерживаются в форме при 18— 20°С в течение 1,5—2 ч. К этому времени под действием тепловыделения за счет экзотермической реакции полимеризации полимерного связующего температура полимербетонной смеси повышается до 60—70°С. Разогретое изделие вместе с формой помещают в камеру термообработки, в которой температуру поднимают до 80°С. При этой температуре изделие выдерживается 16—18 ч, после чего температура плавно снижается до 20—25°С в течение 3—4 ч.
Однако потенциальные возможности полимербетонных смесей далеко не исчерпаны, и первостепенное значение приобретает разработка такого процесса отверждення, который позволит полностью отказаться от термообработки в специальных камерах при сохранении всех необходимых характеристик полимербетонов.
Известно, что термореактивные синтетические смолы в процессе отверждения в зависимости от вида смолы выделяют от 250—300 до 420—580 кДж на 1 кг ненаполненной смолы или от 60 000 до 140 000 кДж на 1 м3 тяжелого полимербетона.
Саморазогрев цементных бетонов растянут во времени и происходит плавно в течение нескольких суток, что затрудняет использовать метод термоса при отверждении цементных бетонов. У полимербетонов реакции полимеризации или поликонденсации полимерного связующего протекают очень интенсивно и время саморазогрева составляет 1,5—2 ч.
Такой характер кинетики саморазогрева полимербетонных смесей и значительное количество теплоты, выделяемой при этом, позволяют весьма эффективно использовать метод «термоса» для отверждения полимербетонных изделий и конструкций.
Результаты экспериментальной проверки показали, что при отверждении полимербетонов на основе ФАМ и ПН-1 объемом 0,15—0,20 м3 в форме, изолированной фенольным пенопластом толщиной 100 мм, в результате саморазогрева температура полимербетонной смеси подымалась до 90—100°С ,и сохранялась на этом уровне более 24 ч. При формовании изделия объемом больше 0,2 м3 и отверждении с использованием метода «термоса» температура саморазогрева может превышать 100°С. При такой температуре саморазогрева в изделии возможно появление температурных трещин.
Для исключения трещинообразования предложен следующий способ отверждения с использованием метода «термоса». Изделие объемом более 0,2 м3 формуют в обычной металлической форме и выдерживают в ней 1,5—2 ч. К этому времени в основном заканчиваются процессы экзотермических реакций полимерного связующего, и смесь разогревается до максимально возможной температуры для данного вида полимербетона и принятой массы. После этого форму устанавливают на термоизолированный поддон, накрывают крышкой «термоса» (термоизолированным кожухом) и выдерживают в «термосе» 16—18 ч. Затем крышку снимают и изделие остывает до температуры 20—25°С.
Физико-механические свойства полимербетонов, отверждениых методом «термоса», практически не отличаются от аналогичных свойств полимербетонов, прошедших термообработку по вышеописанным режимам.
Внедрение этого способа отверждения на вновь строящихся заводах позволит существенно снизить себестоимость полимербетонных конструкций, сократить расход электроэнергии и снизить капитальные затраты на строительство, так как отпадает необходимость в камерах термообработки.
Высокие диэлектрические характеристики полимербетонов обусловливают высокую эффективность использования энергии токов высокой частоты (ТВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ-энергии) для ускоренного отверждения мелкоштучных полимербетонных изделий. При этом нагреваемый материал характеризуется в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Электрическая энергия, выделяемая в виде теплоты, пропорциональна произведению этих величин, и называется фактором или коэффициентом потерь.
Экспериментальные исследования показали, что при использовании серийных генераторов ТВЧ время полного отверждения полимербетонных кубиков с ребром 50 мм составляет 25—30 мин. К недостатку этого способа относится сравнительно большой расход электроэнергии, поэтому использование генераторов ТВЧ в промышленности можно рекомендовать в основном для отверждения контрольных образцов.
Исследования влияния СВЧ-нагрева на скорость отверждения полимербетонов свидетельствуют, что общее время СВЧ-нагревя полимербетонных смесей не превышает 3—4 мин. Характерная особенность СВЧ-нагрева — возможность получения достаточно высокой прочности при минимальном количестве отвердителя. Более продолжительное воздействие СВЧ-нагрева (более 3—4 мин) снижает прочностные характеристики, особенно для составов с повышенным содержанием отвердителя, что свидетельствует о появлении в образцах термической деструкции.
Максимальные значения прочностных характеристик и модуля упругости полимербетонов были получены уже при трехминутном воздействии СВЧ-нагрева. При использовании СВЧ-нагрева расходуется значительно меньше электроэнергии по сравнению с нагревом ТВЧ. К недостатку этого метода следует отнести отсутствие промышленных установок, пригодных для использования на предприятиях по производству полимербетонных изделий и конструкций.
Следует отметить, что для тонкостенных конструкций, имеющих небольшую массу и большую поверхиость теплоотдачи, большинство из приведенных способов термообработки (кроме СВЧ-нагрева) недостаточно эффективно. К числу таких полимербетонных конструкций относятся декоративно отделочные плиты, подоконные доски, лестничные марши, малые декоративные формы и др. Поэтому изыскание принципиально новых путей экономии энергозатрат на стадии термообработки весьма актуально.
Для решения этой проблемы весьма перспективно использование солнечной энергии в южных районах страны. Не останавливаясь подробно на принципиальных возможностях и экономической целесообразности использования энергии солнца для термообработки цементных бетонов, необходимо отметить, что в отличие от цементных бетонов полимербетоны требуют сухого прогрева, и в этом отношении использование энергии солнца наиболее предпочтительно.
Исследования в области использования энергии солнца для термообработки полимербетонных изделий еще недостаточно широко распространены. Однако испытания гелиокамеры для конвейерной термообработки полимербетонных изделий показали ее высокую эффективность и универсальность, а также хорошие физико-механические характеристики получаемых изделий.
Гелиокамера состоит из корпуса, оснащенного теплоизоляцией, двухслойного прозрачного покрытия, конвейера и электронагревателей. В течение солнечного дня температура в такой камере колеблется от 60 утром до 90°С днем. Такая температура вполне достаточна для отверждения тонкостенных изделий за время движения формы внутри камеры.