Рекомендации по подбору составов П-бетонов
(утв. НИИЖБ Госстроя СССР 28.11.1986)
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДБОРУ СОСТАВОВ П-БЕТОНОВ
Печатаются по решению секции № 4 коррозии и спецбетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 6 ноября 1986 г.
Рекомендации содержат основные положения по выбору материалов и подбору составов П-бетонов различных марок, вида и назначения, включая химстойкие, диэлектрические и электропроводящие. Изложены требования к материалам для приготовления П-бетонов, исходные данные для расчета и подбора их составов. Приведена методика расчета начальных составов полимербетонов. Дана терминология и классификация П-бетонов.
Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников строительных лабораторий и научно-исследовательских организаций.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие Рекомендации составлены в развитие ГОСТ 27006-86.
В Рекомендациях приведены три метода (в том числе ускоренный метод), позволяющие решать задачу подбора рационального состава П-бетона сборных конструкций заводского изготовления или для монолитного строительства.
Использование одного из предложенных методов позволяет подобрать начальный состав бетона для испытаний его с последующей корректировкой по требуемым параметрам.
Настоящие Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук, проф. В.В. Патуроев, кандидаты техн. наук А.Н. Волгушев, Г.К. Соловьев, инж. В.А. Елфимов) при участии КТБ НИИЖБ (инж. М.В. Патуроев), Гипроцветмета Минцветмета СССР (инж. А.М. Фанталов), СУС Норильского ГМК Минцветмета СССР (инженеры Н.В. Еткин, Р.Г. Халиков), ЦНИИЭПсельстроя Госагропрома СССР (инж. В.А. Еремина).
Замечания и предложения просьба направлять в НИИЖБ по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на конструкционные тяжелые и легкие полимербетоны и полимерсерные бетоны и устанавливают правила подбора, назначения и выдачи в производство составов этих бетонов на предприятиях и строительных организациях при изготовлении сборных конструкций и бетонной смеси для монолитных конструкций и сооружений.
1.2. По своему назначению полимербетонные и полимерсерные изделия и конструкции делятся на две основные группы: к первой группе относятся ненесущие защитные, ограждающие или декоративно-отделочные (химические стойкие полы, футеровки, декоративно-отделочные плиты и т.п.), ко второй — несущие химически стойкие, электропроводящие, с высокими диэлектрическими характеристиками и т.п. (трубы, лотки, емкости, фундаментные блоки, балки, колонны и др.).
Проектирование оптимальных составов этих двух групп имеет принципиальное различие, обусловленное их назначением и заданными свойствами.
1.3. При проектировании составов бетонов, относящихся к первой группе, необходимо выбирать связующие, которые обладают помимо заданных свойств повышенной эластичностью. Если эластичность связующего оказывается недостаточной, то в связующее вводят различные пластификаторы.
1.4. Проектирование составов бетонов второй группы для несущих конструкций требует учета многих факторов, главными из которых являются следующие:
в зависимости от вида агрессивной среды, действующей на конструкции в процессе эксплуатации, определяется химическая природа синтетического связующего. Бетоны, получаемые на выбранном связующем, должны обладать максимально возможной прочностью и жесткостью;
наполнители и заполнители для таких бетонов должны обладать необходимой прочностью, химической стойкостью, а для электропроводящих бетонов — соответствующим электросопротивлением;
высокая жесткость полимербетонов и полимерсерных бетонов обуславливает возникновение в таких композициях значительных усадочных напряжений, которые в некоторых случаях могут быть соизмеримы с прочностью материала. Для снижения внутренних напряжений в состав связующего рекомендуется вводить поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве 0,5 — 1,0% массы связующего;
непременным условием проектирования составов должна быть экономическая целесообразность и эффективность применения таких конструкций.
1.5. Рекомендации устанавливают порядок выбора материала (составляющих) для полимербетонов и полимерсерных бетонов и методы подбора их составов различного назначения и марок по прочности на сжатие с использованием различного вида связующих, применяемых для изготовления сборных конструкций или укладки монолитного бетона.
2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ П-БЕТОНОВ
2.1 Для приготовления полимербетонов следует применять следующие синтетические смолы:
фурфуролацетоновую смолу ФАМ или ФА (ТУ 59-02-039.07-79);
ненасыщенную полиэфирную смолу ПН-1 или ПН-63 (ОСТ 6-05-431-78);
карбамидно-формальдегидную смолу КФ-Ж (ГОСТ 14231-78*);
фурано-эпоксидную смолу ФАЭД-20 (ТУ 59-02-039.13-78);
эфир метиловый метакриловой кислоты (мономер метилметакрилат) ММА (ГОСТ 20370-74*Е).
2.2 В качестве отвердителей для синтетических смол рекомендуется использовать:
для фурфуролацетоновых смол ФАМ и ФА — бензолсульфокислоту БСК (ТУ 6-14-25-74);
для полиэфирных смол ПН-1 и ПН-63 — систему, состоящую из гидроперекиси изопропилбензола ГП (ТУ 38-10293-75) и стирольного раствора нафтената кобальта НК (ТУ 6-05-1075-76);
для карбамидно-формальдегидной КФ-Ж — солянокислый анилин СКА (ГОСТ 5822-78);
для фурано-эпоксидной смолы ФАЭД-20 — полиэтиленполиамин ПЭПА (ТУ 6-02-594-80Е);
для метилметакрилата ММА — систему, состоящую из технического диметиланилина ДМА (ГОСТ 2168-83) и перекиси бензоила ПБ (ГОСТ 14888-78*).
2.3. Для снижения летучести метилметакрилата следует применять нефтяной парафин (ГОСТ 23683-79*).
2.4. Для стабилизации протекания реакции отверждения метилметакрилата следует применять эмульсионный полистирол (ГОСТ 20282-74*).
2.5 В качестве пластифицирующих добавок рекомендуется применять:
алкамон (ОС-2 (ГОСТ 10106-75*));
меламино-формальдегидную смолу К-421-02 (ТУ 6-10-1022-78);
сульфированные нафталинформальдегидные соединения — пластификатор С-3 (ТУ 6-14-10-205-78).
2.6. Хранение материалов, перечисленных в пп. 2.1 - 2.5 настоящих Рекомендаций, производится в соответствии с требованиями ГОСТ и ТУ. Перед применением необходимо провести проверку на соответствие продуктов требованиям ГОСТ и ТУ.
2.7. В качестве крупного заполнителя для тяжелых П-бетонов могут применяться щебень из естественного камня или щебень (дробленый) из гравия, отвечающие требованиям ГОСТ 8267-82, ГОСТ 8268-82, ГОСТ 10260-82 и требованиям «Инструкции по технологии приготовления полимербетонов и изделий из них» СН 525-80 (М., Стройиздат, 1981).
Применение щебня из осадочных горных пород для полимербетонов, отверждаемых кислыми отвердителями, не допускается.
В качестве крупных пористых заполнителей для П-бетонов следует применять керамзитовый, шунгизитовый гравий и аглопоритовый щебень, соответствующие требованиям ГОСТ 9759-83, ГОСТ 19345-83, ГОСТ 11991-83 и Инструкции СН 525-80.
2.8. Для приготовления тяжелых П-бетонов высокой плотности следует применять щебень фракций, указанных в табл. 1.
| Наибольшая крупность щебня, мм | Соотношение между фракциями, %, при размере фракций, мм | |||
| 5 — 10 | 10 — 20 | 20 — 40 | 40 — 60 | |
| 10 | 100 | - | - | - |
| 20 | 35 | 65 | - | - |
| 40 | 45 — 60 | - | 40 — 55 | - |
| 60 | 25 — 35 | - | 25 — 35 | 30 — 50 |
Примечание. При необходимости зерновой состав смеси крупного заполнителя уточняется экспериментально по ее наибольшей средней плотности с учетом местных технико-экономических возможностей.
Зерновой состав каждой фракции должен отвечать требованиям ГОСТ 10268-80. При этом наибольший диаметр рекомендуется выбирать в соответствии с табл. 2.
| Вид конструкции и способ укладки бетонной смеси | Допустимая наибольшая крупность щебня, не более |
|---|---|
| Плиты покрытий, перекрытий Балки, колонны, рамы Ванны электролиза цветных металлов, травильные ванны Подача полимербетонной смеси по хоботу | 1/3 толщины плиты 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры 1/6 толщины стенок ванны 1/4 диаметра хобота |
2.9. Для приготовления П-бетонов на пористых заполнителях следует применять крупный пористый заполнитель с максимальной крупностью 20 мм, который рекомендуется разделять в зависимости от размера зерен на две фракции (5 — 10 и 10 — 20 мм). Зерновой состав каждой фракции должен отвечать требованиям ГОСТ 9759-83.
2.10. Для приготовления П-бетонов в качестве мелкого заполнителя следует применять кварцевые пески, отвечающие требованиям ГОСТ 8736-77* и Инструкции СН 525-80:
природные (в естественном состоянии), природные фракционированные и природные обогащенные;
дробленые и дробленые фракционированные.
Зерновой состав мелкого заполнителя должен соответствовать кривой просеивания, приведенной в ГОСТ 10268-80. Модуль крупности песка должен быть в пределах от 2 до 3.
2.11. Содержание в природных и дробленых песках зерен, проходящих через сито № 014, не должно превышать 2%, а пылевидных, илистых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием, — 0,5%.
2.12. Испытание тяжелых крупных заполнителей следует производить по ГОСТ 9758-77, а песка — по ГОСТ 8735-75.
2.13. Крупные и мелкие заполнители должны быть сухими — влажность не более 0,5%.
2.14. В полимербетонных составах, отверждаемых кислыми отвердителями, не допускается загрязнение заполнителей карбонатами (мел, мрамор, известняк), основаниями (известь, цемент) и металлической пылью (стальной, цинковой).
2.15. Для приготовления П-бетонов в качестве наполнителей следует применять андезитовую муку (ТУ 6-12-101-77), кварцевую муку (ГОСТ 9077-82), маршалит (ГОСТ 8736-77*), диабазовую муку, графитовый порошок (ГОСТ 8295-73*).
Примечание. Допускается применение молотых тяжелого и аглопоритового щебня и кварцевого песка.
2.16. Удельная поверхность наполнителей, перечисленных в п. 2.15 настоящих Рекомендаций, определенная по ГОСТ 310.2-76*, должна быть в пределах от 2500 до 3000 см2/г.
2.17. В качестве водосвязующей добавки при приготовлении полимербетонов КФ-Ж используется полуводный строительный гипс (ГОСТ 125-79) или фосфогипс.
2.18. Влажность наполнителей, перечисленных в п. 2.15 настоящих Рекомендаций, должна быть не более 1%.
2.19. Кислотостойкость песка и наполнителей для кислотостойких полимербетонов, определяемая по ГОСТ 473.1-81, должна быть не ниже 97 — 98%.
2.20. Для приготовления полимерсерных бетонов применяется комковая природная или газовая техническая сера (ГОСТ 127-76*), модифицированная соответствующими добавками — пластификаторами, стабилизаторами, антипиренами, антисептиками. Основные требования, предъявляемые к добавкам-модификаторам: термическая совместимость с расплавленной серой, недефицитность, нетоксичность и низкая летучесть.
2.21. Введение в расплавленную серу активных минеральных наполнителей с удельной поверхностью 2500 — 3000 см2/г обусловливает образование мелкокристаллической структуры серы в серной мастике по сравнению с крупнокристаллической структурой свободной серы. При оптимальной степени наполнения образуется наиболее плотная и прочная структура серной мастики (рис. 1).
Рис. 1. Изменение прочности при сжатии серных мастик
в зависимости от степени наполнения
1 — данные НИИЖБ; 2 — данные Львовского
политехнического института
2.22. С целью повышения пластичности и стабилизации структурного состояния серы в состав серных композиций рекомендуется вводить следующие модифицирующие добавки: жидкие тиоколы (ГОСТ 12812-80*), дициклопентадиен (ТУ 14-6-137-77), хлорпарафин ХП-1100 (ТУ 6-01-597-76) и др., в количестве от 1 до 3% массы серы. Перечисленные модификаторы являются одновременно пластификаторами и стабилизаторами серной композиции.
2.23. Для конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной пожароопасности, в состав серных композиций следует вводить антипирены: полуторный сульфид мышьяка, пятихлористый фосфор, полифторсодержащие фосфиты, хлорпарафин ХП-1100 в количестве 2 — 3%. Для конструкций, эксплуатируемых в условиях возможного появления тионовых бактерий, вводят антисептики: нафталин (ТУ 6-09-1295-71), тимол (ТУ 6-09-3736-74) и др. в количестве 2 — 3% массы серы.
3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА И ПОДБОРА СОСТАВОВ П-БЕТОНОВ
3.1. Задание на подбор состава П-бетона должно соответствовать требованиям разд. 2 ГОСТ 27006-86 и дополнительно содержать следующие данные:
а) проектную марку бетона к определенному возрасту, требуемую долю марочной прочности к заданному сроку (распалубочную, передаточную прочности), а также характеристики по морозостойкости, истираемости, коррозионной стойкости и электрическим параметрам с указанием срока их достижения;
б) подвижность (см) или жесткость (с), определяемые по ГОСТ 10181.1-81;
г) вид и наибольшую крупность заполнителя, число и размеры фракций, на которые должны разделяться заполнители при приготовлении составов П-бетонов.
3.2. Наибольшая крупность заполнителей в зависимости от видов бетонируемых элементов и способов подачи смеси к месту укладки назначается по табл. 2.
3.3. Соотношение фракций крупного заполнителя в смеси принимается по табл. 1.
3.4. Для приготовления электропроводящих полимербетонов используют коксовый или графитовый щебень. При изготовлении измерительных плит, базовых деталей в станкостроении рекомендуется высокопрочный гранитный и базальтовый щебень ( R_{\text{сж}} до 200 МПа) или щебень из габбро-диабаза ( R_{\text{сж}} до 300 МПа).
3.5. Подвижность и жесткость бетонной смеси устанавливаются по табл. 3 и уточняются на производстве (в зависимости от характера и размеров конструкции, степени армирования, способа уплотнения смеси).
| Вид конструкции из П-бетона | Способ укладки смеси | |||
| с вибрацией | без вибрации | |||
| ОК, см | жесткость, с, по ГОСТ 10181.1-81 | ОК, см | ||
| Сборные плиты, балки, колонны Конструкции с нормально расположенной арматурой Ванны электролиза цветных металлов, травильные ванны Конструкции, сильно насыщенные арматурой и закладными деталями | 4 — 8 8 — 10 12 — 18 16 — 22 | 4 и менее Менее 2 — - | 6 — 12 12 — 15 — - | |
4. ПОДБОР НОМИНАЛЬНЫХ СОСТАВОВ П-БЕТОНОВ
4.1 Подбор номинальных составов П-бетонов производят по следующим этапам:
выбор и определение характеристик исходных материалов для бетона;
подбор начального состава расчетно-экспериментальным способом;
расчет дополнительных составов П-бетонов, отличающихся от начального состава по дозировке составляющих (в большую или меньшую сторону);
испытание образцов и обработка полученных результатов с установлением зависимостей, отражающих влияние параметров состава на нормируемые показатели качества бетонной смеси и бетона и предназначенных для назначения номинального, а также назначения и корректировки рабочих составов бетона;
назначение номинального состава П-бетона, обеспечивающего получение бетонной смеси и бетона требуемого качества при минимальном расходе связующего.
4.2. Подбор номинального состава П-бетона производится согласно требованиям разд. 3 ГОСТ 27006-86 с учетом указаний настоящих Рекомендаций.
4.3. Приготовление опытных замесов производят в лабораторном смесителе принудительного действия, снабженном подогревом (для полимерсерных бетонов). Приготовление опытных замесов объемом до 15 л допускается производить вручную на противне.
4.4. Приготовление опытных замесов полимербетонов начинают с перемешивания сухих материалов, а затем постепенно добавляют в замес назначенное количество связующего и перемешивают до получения однородной массы. В последнюю очередь добавляют необходимое количество отвердителя.
Приготовление опытных замесов полимерсерных бетонов начинают с подогрева серы и заранее перемешанных сухих материалов до температуры 150 °С, а затем постепенно добавляют в замес назначенное количество расплавленной серы.
4.5 Назначение начальных составов П-бетонов производят в следующем порядке:
а) по экспериментальным данным определяют оптимальную степень наполнения связующего (мономера или олигомера) мелкодисперсной фракцией наполнителя. Критерий оптимальности наполнения характеризуется максимальной прочностью образцов, изготовленных из заданного вида мастики (рис. 2);
б) расчетным путем определяют среднюю приведенную толщину полимерной или серной клеящей пленки;
в) расчетным путем определяют оптимальное соотношение между заполнителями и их количество;
г) экспериментально-расчетным путем определяют удельную поверхность заполнителей;
д) расчетным путем определяют количество связующего для П-бетонов известного гранулометрического состава.
Рис. 2. Изменение прочности на сжатие полимерных мастик ФАМ
в зависимости от вида наполнителя и степени наполнения
1 — с андезитом; 2 — с графитом
В зависимости от степени наполнения связующего минеральными наполнителями определяют среднеприведенную толщину пленки связующего (рис. 1 и 2).
\delta = \frac{m_{\text{св}} \cdot \eta_{\text{усл}}}{S_{\text{н}} \cdot m_{\text{н}} \cdot \rho_{\text{св}}} , (1)
где \delta — толщина пленки связующего, см;
m_{\text{св}} — масса связующего, г;
m_{\text{н}} — масса наполнителя, г;
S_{\text{н}} — удельная поверхность наполнителя, см2/г;
\rho_{\text{св}} — плотность связующего, г/см3;
\eta_{\text{усл}} — отношение фактической вязкости смолы к вязкости смолы, равной 20 с по ВЗ-4, принятой за эталон.
4.7. Расчет составов П-бетонов проводится с определения количества мономера, олигомера или серы для оптимального состава мастики, кг.
m_{\text{св}} = (S_{\text{н}} \cdot m_{\text{н}} \cdot \rho_{\text{св}} \cdot \delta \cdot \eta_{\text{усл}}) \cdot 10^{- 3} ; (3)
m_{\text{св}} = (S_{\text{н}} \cdot m_{\text{н}} \cdot \rho_{\text{св}} \cdot \delta) \cdot 10^{- 3} , (4)
где S_{\text{н}} — удельная поверхность наполнителя, см2/кг;
m_{\text{н}} — масса наполнителя, кг;
\rho_{\text{св}} — плотность серного связующего, кг/дм3.
Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что оптимальное соотношение наполнитель:связующее (m_{\text{н}}:m_{\text{св}}) находится в следующих пределах:
для мастик на основе эпоксидной смолы ЭД-20 ....... 1,0 — 1,5
то же, фурановой смолы ФАМ ........................ 1,5 — 2,0
" ФАЭД ....................................... 2,0 - 2,5 " метилметакрилата ММА ....................... 3,0 - 3,5.
4.8. Для известного гранулометрического состава сухой смеси заполнителей оптимальное количество связующего, кг, определяется следующим образом.
M_{\text{пб}} = [K(S_{1}m_{1} + S_{2}m_{2} + S_{3}m_{3})\rho_{\text{св}}\delta\eta_{\text{усл}}] \cdot 10^{- 3} , (5)
где S_{1} , S_{2} и S_{3} — удельная поверхность заполнителей различных фракций (щебень крупный, щебень мелкий, песок), см2/кг;
m_{1} , m_{2} и m_{3} — масса заполнителей различных фракций, кг;
K — коэффициент, учитывающий увеличение количества связующего, необходимое для раздвижки зерен заполнителя мастикой. K = 1,05.
4.9. Удельная поверхность наполнителей определяется по ГОСТ 310.3-76.
Удельную поверхность заполнителей (песка, щебня), с достаточной для практических целей точностью, можно вычислить по ситовому анализу:
S_{\text{уд}.\text{п}} = 0,06(a_{1} \frac{q_{1}k_{1}}{\rho_{\text{п}_{1}}} + a_{2} \frac{q_{2}k_{2}}{\rho_{\text{п}_{2}}} + a_{3} \frac{q_{3}k_{3}}{\rho_{\text{п}_{3}}} + a_{4} \frac{q_{4}k_{4}}{\rho_{\text{п}_{4}}} + a_{5} \frac{q_{5}k_{5}}{\rho_{\text{п}_{5}}}) , (7)
S_{\text{уд}.\text{щ}} = 0,06(a_{1} \frac{q_{1}k_{1}}{\rho_{\text{щ}_{1}}} + a_{2} \frac{q_{2}k_{2}}{\rho_{\text{щ}_{2}}} + a_{3} \frac{q_{3}k_{3}}{\rho_{\text{щ}_{3}}} + a_{4} \frac{q_{4}k_{4}}{\rho_{\text{щ}_{4}}} + a_{5} \frac{q_{5}k_{5}}{\rho_{\text{щ}_{5}}}) , (8)
где S_{\text{уд}.\text{п}} и S_{\text{уд}.\text{щ}} — удельная поверхность песка и щебня соответственно, см2/кг;
a — коэффициент пустотности заполнителей;
q_{1},...,q_{5} — остаток заполнителя, г (при навеске 1 кг), на ситах с отверстиями соответственно 2,5; 1,2; 0,6; 0,3; 0,15 мм — для песка и на ситах с отверстиями соответственно 5; 10; 20; 30; 40 мм — для щебня;
\rho_{\text{п}} и \rho_{\text{щ}} — удельная плотность песка и щебня соответственно, кг/дм3;
k_{1},...,k_{5} — коэффициенты геометрической формы заполнителя.
Значения коэффициентов «a» и «K» принимаются по таблицам: a — по табл. 4; K — по табл. 5.
| Вид заполнителя | Значение коэффициента a при стандартном наборе сит | ||||
| a 1 | a 2 | a 3 | a 4 | a 5 | |
| Кварцевый песок Щебень | 2,70 1,33 | 5,40 0,67 | 11,00 0,40 | 22,30 0,29 | 44,50 0,20 |
| Вид заполнителя | Значение коэффициента K при размерах зернового состава заполнителя, мм | |||||||||
| Песок | Щебень или гравий | |||||||||
| K 1 | K 2 | K 3 | K 4 | K 5 | K 1 | K 2 | K 3 | K 4 | K 5 | |
| 2,5 — 5 | 1,2 — 2,5 | 0,6 — 1,2 | 0,3 — 0,6 | 0,3 — 0,15 | 5 — 10 | 10 — 20 | 20 — 30 | 30 — 40 | 40 — 50 | |
| Кварцевый песок (речной) Щебень из базальта, гранита и других горных пород Гравий речной | 1,55 — - | 1,45 — - | 1,35 — - | 1,25 — - | 1,15 — - | - 1,80 1,43 | - 1,85 1,50 | - 1,85 1,55 | - 1,85 1,60 | - 1,85 1,60 |
Удельная поверхность наиболее распространенных наполнителей и заполнителей приведена в табл. 6.
| Вид заполнителя и наполнителя | Размер фракций, мм | ||||||||||||
| 40 — 20 | 20 — 10 | 10 — 5 | 3 — 0,15 | мука | |||||||||
| удельная | пористость, | удельная | пористость, | удельная | пористость, | удельная | удельная | ||||||
| плотность, г/см3 | поверхность, см2/г | % | плотность, г/см3 | поверхность, см2/г | % | плотность, г/см3 | поверхность, см2/г | % | плотность, г/см3 | поверхность, см2/г | плотность, г/см3 | поверхность, см2/г | |
| Гранитный щебень | 2,65 | 1,35 | 0,90 | 2,67 | 2,70 | 0,85 | 2,67 | 5,40 | 0,83 | - | - | - | - |
| Базальтовый щебень | 2,67 | 1,40 | 3,70 | 2,64 | 2,72 | 3,40 | 2,64 | 5,43 | 3,40 | - | - | - | - |
| Известняковый щебень | 2,60 | 1,41 | 1,27 | 2,60 | 2,82 | 1,20 | 2,60 | 5,40 | 1,20 | - | - | - | - |
| Гравий речной Песок кварцевый Андезитовая | 2,60 — - | 1,16 — - | 1,64 — - | 2,60 — - | 2,31 — - | 1,60 — - | 2,60 — - | 4,38 — - | 1,52 — - | - 2,65 - | - 140 - | - — 2,60 - | - — 2100 - |
| мука | 2,70 | 3300 | |||||||||||
| Кварцевая | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2,50 - | 2500 - |
| мука | 2,65 | 3200 | |||||||||||
| Графитовая | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2,30 - | 3800 |
| мука | 2,60 | ||||||||||||
4.10. При проектировании и расчете начальных составов П-бетонов гранулометрический состав сухой смеси заполнителей обычно неизвестен и подлежит определению.
Исходя из условий получения П-бетонов с минимальной пористостью, прочностью и достаточно хорошей удобоукладываемостью при наименьшем расходе связующего, выбор составов сухой смеси производится по методу полупрерывистой гранулометрии.
Примечание. Сущность полупрерывистой гранулометрии заключается в том, что наполнитель (минеральная мука) и песок имеют естественную непрерывную гранулометрию, а щебень строго фракционируется в соответствии с теорией плотной упаковки.
4.11. Для получения плотного и достаточно пластичного П-бетона необходимо, чтобы полимерная мастика заполнила все пустоты между зернами песка и щебня и раздвинула их на величину, равную оптимальной толщине связующего. При этом одна массовая часть мастики может заполнить пустотность следующего количества песка:
M_{\text{п}} = \rho_{\text{п}} \frac{\frac{1}{\rho_{\text{н}}} - \frac{m_{\text{см}}}{m_{\text{н}}}}{V_{\text{о}} + d} = (1,3...1,4) \frac{0,375 + 0,4}{0,4 + 0,5} = 1,12...1,20 , (9)
где M_{\text{п}} — расчетное количество песка, кг;
\rho_{\text{п}} — средняя плотность песка, кг/л, \rho_{\text{п}} = 1,3 - 1,4\text{кг}/\text{л} ;
\rho_{\text{н}} — удельная плотность наполнителя (муки), кг/л;
m_{\text{см}} — масса смолы или серы, кг;
m_{\text{н}} — масса наполнителя, кг;
V_{\text{о}} — объем пустот в песке, л; V_{\text{о}} = 0,4\text{л} ;
d — коэффициент удобоукладываемости, равный 0,5.
4.12. Таким образом, для получения плотного П-бетона с двумя фракциями щебня (расчетная пустотность 42,4%) одна массовая часть мастики и 1,12... 1,2 массовых частей песка должны заполнить 42,4% пустот, образованных щебнем. Пересчитав полученные значения в процентах, получим, что для заполнения 42,4% образованных щебнем пустот мастики требуется 20%, а песка 22,4%. В окончательном виде средние значения составов тяжелых П-бетонов (\rho = 2300 - 2400\text{кг}/\text{м}^{3}) на основе полиэфирных и фурановых смол приведены в табл. 7.
| Составляющие | Содержание, % | |
| ФАМ | ПН | |
| Щебень гранитный, D | 50 — 51 | 50 — 51 |
| 1 | ||
| То же, D | 3,0 — 3,5 | 3,0 — 3,5 |
| 2 | ||
| Песок кварцевый | 22 — 23 | 22 — 23 |
| Наполнитель | 12 — 12,5 | 12 — 12,5 |
| Фурфуролацетоновая смола (ФАМ) | 8 — 9 | - |
| Бензолсульфокислота (БСК) | 1,5 | - |
| Кремнефтористый натрий Полиэфирная смола ПН-1 | 1,5 — 2,0 от массы смолы - | - 8 — 9 |
| Гипериз | - | 4 от массы смолы |
| Нафтенат кобальта | - | 8 от массы смолы |
4.13. Для различных месторождений и способов переработки характерны специфическая геометрическая форма и определенная удельная поверхность зерен песка и щебня. Кроме того, необходимо учитывать влияние краевого эффекта, так как в отличие от геометрической модели с бесконечной укладкой шаров реальные конструкции имеют определенные размеры. В этом случае вокруг зерен заполнителя, граничащих с плоскостью формы или оснастки, группируется меньшее число зерен, эквивалентных соответствующим пустотам, или размеры этих пустот отличаются от размеров пустот в объеме изделия. Поэтому составы сухих смесей заполнителей, полученные расчетным путем в производственных условиях, должны уточняться в каждом конкретном случае.
4.14. Для уточнения оптимального состава заполнителей по наибольшей плотности в сухом состоянии рекомендуется использовать прибор, схема которого представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема прибора для подбора наиболее
плотной смеси фракций заполнителей
1 — съемный цилиндр диаметром 160 и высотой 400 мм;
2 — основание цилиндра; 3 — направляющая втулка;
4 — стойки; 5 — свободно перемещающийся шток;
6 — диск, жестко закрепленный к штоку
В съемный цилиндр прибора насыпаются определенные объемы щебня двух фракций, которые смешиваются и виброуплотняются.
По разности между суммой объемов до смешивания и объемов, полученных после смешивания и виброуплотнения, строится график изменения плотности сухой смеси (рис. 4).
Рис. 4. Изменение средней плотности сухой смеси щебня
крупной фракции в зависимости от количества
щебня более мелкой фракции
Максимальная плотность смеси соответствует наиболее плотной упаковке двух фракций. Принимая за постоянное значение массу смеси двух ранее взятых фракций, к ней добавляют массу третьей (более мелкой фракции) и определяют максимальную массу. Таким образом, можно последовательно осуществить подбор сухого состава заполнителей с любым количеством фракций.
Примечания. 1. Прибор струбцинами крепится к плите лабораторного вибростола.
2. При внутреннем диаметре цилиндра 160 мм максимальный размер щебня не должен превышать 50 мм.
5. КОРРЕКТИРОВКА НОМИНАЛЬНЫХ СОСТАВОВ П-БЕТОНОВ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И УСАДОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
5.1. При отверждении термореактивных синтетических смол за счет экзотермических реакций полимеризации или поликонденсации общее количество выделяемого тепла составляет от 250 до 590 кДж/кг. Ненаполненные полиэфирные, фурфуролацетоновые и многие другие синтетические смолы и мономеры не могут быть отверждены в значительных объемах, так как в процессе полимеризации или поликонденсации они разогреваются до 250 — 300 °С. При такой температуре может наступить термическая деструкция полимера и появляются большие температурные напряжения, которые полностью разрушают изделие.
5.2. Перед организацией выпуска новых изделий для каждой конкретной конструкции необходимо рассчитать максимальные температурные напряжения и сравнить их с временным сопротивлением полимербетона растяжению.
\sigma_{t} = \frac{(\alpha\Delta t_{\text{мак}} - \alpha_{0}t_{1})(E_{\text{пб}} - Kt_{\text{мак}}) \cdot 10^{3}}{1 - \mu} \psi , (10)
где \sigma_{t} — температурные напряжения, МПа;
E_{\text{пб}} — модуль упругости полимербетона, МПа;
K — коэффициент, равный 0,95 МПа/°С;
t_{1} и t_{\text{мак}} — температура саморазогрева на поверхности и в центре сечения соответственно, °С;
\alpha — коэффициент температурных деформаций, 1/°C;
\psi — коэффициент релаксации температурных напряжения, равный 0,6 — 0,7.
5.3. Если температурные напряжения окажутся выше допустимых, необходимо пересмотреть номинальный состав полимербетона и снизить количество связующего. Если по технологическим или другим условиям снизить количество связующего не представляется возможным, следует изменить геометрическую форму конструкции таким образом, чтобы улучшить теплообмен с окружающей средой. Весьма эффективным способом является образование конструктивных пустот или полостей, так как наличие пустот и более развитая поверхность конструкции обусловливают снижение общего объема полимербетона, укладываемого в форму, и улучшают теплообмен с окружающей средой.
5.4. Усадочные деформации, не проявляющиеся в процессе отверждения полимербетонов и полимерсерных бетонов, вызывают появление внутренних усадочных напряжений. При этом на поверхности конструкции развиваются напряжения сжатия, а в центре сечения — напряжения растяжения. Эти напряжения в ряде случаев могут привести к появлению усадочных трещин.
5.5 Максимальные усадочные напряжения армированных П-бетонов могут быть определены по формуле
\sigma_{\text{ус}} = \frac{\text{У}_{\text{ост}}E_{\text{пб}}A\psi_{1}}{(1 - \mu)(1 + m) \cdot 10^{3}} , (11)
где \sigma_{\text{ус}} — усадочные напряжения, МПа;
\text{У}_{\text{ост}} — величина остаточной, непроявившейся усадки П-бетона, мм/м, \text{У}_{\text{ост}} = \text{У}_{\text{мак}} - \text{У}_{\text{пр}} ;
\text{У}_{\text{мак}} — максимальная усадка ненаполненного связующего, мм/м;
\text{У}_{\text{пр}} — проявившаяся усадка П-бетона, мм/м;
E_{\text{пб}} — модуль упругости П-бетона, МПа;
A — величина упругих деформаций, мм/м (0,3 — 0,4);
\psi_{1} — коэффициент релаксации усадочных напряжений (0,4 — 0,6);
где E_{\text{ст}} — модуль упругости стали, МПа;
\nu — коэффициент армирования конструкции, %.
5.6. Для П-бетонных конструкций, работающих на растяжение и изгиб, усадочные напряжения наиболее опасны, так как в этом случае возможно наложение напряжений от внешних силовых нагрузок на усадочные напряжения и в материале могут появиться усадочные трещины.
Для снижения критических величин усадочных напряжений в состав полимербетонов необходимо вводить поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа алкамона или октадециламина в количестве 1 — 2%. Для полимерсерных бетонов следует использовать модификаторы типа хлорпарафина ХП-1100, тиокола или дициклопентадиена.
6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАЧАЛЬНЫХ СОСТАВОВ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ С ФИКСИРОВАННЫМ ЩЕБЕНОЧНЫМ КАРКАСОМ
6.1. Технология формования с фиксированным щебеночным каркасом распространяется на мелкоразмерные детали прямоугольной формы типа плит, стоек, направляющих и т.п.
6.2. Эта технология позволяет совместить в единую операцию процессы приготовления смеси и ее формования.
6.3. Использование технологии формования с фиксированным щебеночным каркасом обеспечивает сокращение расхода связующего, снижение усадки, повышение стабильности геометрических размеров и прочностных характеристик.
6.4 Формование деталей из полимербетонов с фиксированным щебеночным каркасом производят в следующей последовательности:
укладка отдозированного количества щебня в форму и уплотнение его вибрированием в течение 2 — 3 мин;
фиксация уплотненного щебеночного каркаса перфорированной крышкой;
заполнение пустот в щебеночном каркасе полимерраствором.
6.5. Подбор начального состава полимербетона с фиксированным щебеночным каркасом осуществляют в следующей последовательности:
определение оптимального состава клеящей мастики и отношения наполнителя к мономеру или олигомеру (m_{\text{н}}:m_{\text{св}}) ;
подбор фракционного состава щебня и определение пустотности при укладке его в форму;
расчет состава растворной части полимербетона исходя из пустотности щебеночного каркаса.
6.6. В соответствии с пунктом 4.7 настоящих Рекомендаций, по формуле (3) определяют количество мономера или олигомера для получения оптимального состава полимерной мастики с учетом коэффициента 0,6 — 0,7.
6.7 Пустотность щебеночного каркаса определяется по формуле
где \text{П}_{\text{о}} — пустотность щебня фракции 10 — 20 мм, определяется в емкости 10 x 10 x 10 см;
f — эмпирический коэффициент, учитывающий уменьшение пустотности щебня за счет использования двухфракционного состава. В диапазоне
p — коэффициент, учитывающий изменение пустотности в зависимости от размеров формы детали.
p = 1 - (f_{1} - \frac{l_{min}}{V_{\text{ф}}})f_{2} ; (14)
V_{\text{ф}} — объем формы, м3;
f , f_{2} — эмпирические коэффициенты, равные f_{1} = 0,011/\text{м}^{2} ; f_{2} = 7,65 - 7,7\text{м}^{2} .
6.8 Расход щебня M_{\text{щ}} , т, на одну форму (деталь) определяется по формуле
M_{\text{щ}} = (1 - \text{П}_{\text{щ}})V_{\text{ф}} \cdot \rho_{\text{щ}} , (15)
где \text{П}_{\text{щ}} — пустотность щебня, определенная по формуле (13);
V_{\text{ф}} — объем формы, детали, м3;
\rho_{\text{щ}} — плотность щебня, т/м3.
6.9. Количество полимерраствора, т, для заполнения пустот щебеночного каркаса, определенное по п. 6.5 настоящих Рекомендаций, находится в зависимости от \text{П}_{\text{щ}} . При этом количество песка M_{\text{п}} , т, в составе полимерраствора определяется по формуле
M_{\text{п}} = V_{\text{ф}} \cdot \text{П}_{\text{щ}} \cdot \rho_{\text{п}} \cdot \text{к}_{\text{з}.\text{п}} , (16)
где \rho_{\text{п}} — плотность песка, т/м3;
\text{к}_{\text{з}.\text{п}} — коэффициент заполнения пустот в щебеночном каркасе песком.
6.10. Значение \text{к}_{\text{з}.\text{п}} зависит от формы зерен песка, вида связующего и отношения наибольших диаметров щебня и песка (d_{\text{щ}}/d_{\text{п}}) , которое должно быть не менее 16. \text{к}_{\text{з}.\text{п}} принимается по табл. 8.
| d щ -- d п | к з.п | |||
| Дробленый песок | Речной песок | |||
| ММА | ФАЭД | ММА | ФАЭД | |
| 16 | 0,530 | 0,387 | 0,630 | 0,460 |
| 32 | 0,570 | 0,415 | 0,680 | 0,490 |
| 64 | 0,580 | 0,430 | 0,700 | 0,500 |
6.11 Количество мастики M_{\text{м}} , т, определяется из выражения
M_{\text{м}} = \text{П}_{\text{щ}}(1 - \text{к}_{\text{з}.\text{п}})V_{\text{ф}}\rho_{\text{м}} , (17)
где \rho_{\text{м}} — плотность мастики, т/м3.
6.12. Оптимальное соотношение наполнитель:связующее (m_{\text{н}}:m_{\text{св}}) определенное в соответствии с п. 4.7, находится в следующих пределах:
для полимербетона на ММА ........................... 1,1 — 1,3
для полимербетона на ФАЭД .......................... 0,8 — 1,0.
1. Щебень гранитный фракции 5 — 10 мм,
2. Песок дробленый гранитный; d_{\text{щ}}/d_{\text{п}} = 16 ;
размер зерен 0,3 — 0,6 мм; \rho_{\text{п}} = 2,6\text{т}/\text{м}^{3} .
3. Мука диабазовая, \rho_{\text{н}} = 2,8\text{т}/\text{м}^{3} .
4. Связующее — компаунд на ММА, \rho_{\text{св}} = 1\text{т}/\text{м}^{3} .
Количество щебня на 1 м3 формы (V_{\text{ф}} = 1) определяем по формуле (15):
\text{М}_{\text{щ}} = (1 - \text{П}_{\text{щ}})V_{\text{о}}\rho_{\text{щ}} = (1 - 0,4) \cdot 1,0 \cdot 2,6 = 1,56\text{т} .
Количество песка определяем по формуле (16):
\text{М}_{\text{п}} = \text{М}_{\text{ф}} \cdot \text{П}_{\text{щ}} \cdot \rho_{\text{п}}\text{к}_{\text{з}.\text{п}} = 1 \cdot 0,4 \cdot 2,6 \cdot 0,53 = 0,55\text{т} .
Принимаем соотношение между количеством наполнителя и связующего равным 1,3; плотность мастики \rho_{\text{м}} = 1,57\text{т}/\text{м}^{3} .
Количество мастики находим по формуле (17):
\text{М}_{\text{м}} = \text{П}_{\text{щ}}(1 - \text{к}_{\text{п}.\text{з}})V_{\text{ф}} \cdot \rho_{\text{м}} = 0,4 \cdot 0,47 \cdot 1 \cdot 1,57 = 0,3\text{т} .
Количество связующего и наполнителя:
\text{М}_{\text{св}} = 0,3 \cdot \frac{1,3}{2,3} = 0,17\text{т} ;
M_{\text{н}} = 0,3 \cdot \frac{1}{2,3} = 0,13\text{т} .
Расход составляющих на 1 м3 полимербетона приведен в табл. 9 и 10.
| Составляющие | Расход на 1 м3 полимербетона | ||
| по массе | по объему | ||
| кг | % | % | |
| Щебень Песок Наполнитель Компаунд ММА | 1560 550 170 130 | 64,7 22,8 7,1 5,4 | 60 21,2 6,0 12,8 |
| Составляющие | Расход на 1 м3 полимербетона | ||
| по массе | по объему | ||
| кг | % | % | |
| Щебень Песок Наполнитель ФАЭД | 1560 400 195 195 | 66,4 17,0 8,3 8,3 | 60 15,5 7,0 17,5 |
Б. Исходные материалы — те же, что в А, кроме связующего.
Связующее — ФАЭД, \rho_{\text{св}} = 1,126\text{т}/\text{м}^{3} , M_{\text{щ}} = 1,56\text{т}/\text{м}^{3} .
M_{\text{п}} = V_{\text{ф}} \cdot \text{П}_{\text{щ}} \cdot \rho_{\text{п}} \cdot \text{к}_{\text{з}.\text{п}} = 1 \cdot 0,4 \cdot 2,6 \cdot 0,387 = 0,40\text{т} .
Соотношение m_{\text{н}}:m_{\text{св}} принимаем равным 1, \rho_{\text{м}} = 1,61\text{т}/\text{м}^{3} .
M_{\text{м}} = \text{П}_{\text{щ}}(1 - \text{к}_{\text{п}.\text{з}})V_{\text{ф}}\rho_{\text{м}} = 0,4 \cdot 0,613 \cdot 1 \cdot 1,61 = 0,39\text{т} .
ТЕРМИНОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ П-БЕТОНОВ
1. Из общей группы П-бетонов в настоящих Рекомендациях рассматриваются методы подбора составов только полимербетонов и полимерсерных бетонов (см. упрощенную схему рис. 5).
Рис. 5. Схема классификации П-бетонов
2. Под полимербетонами понимаются бесцементные составы на основе синтетических смол (мономеров или олигомеров) с преимущественно кислотостойкими заполнителями и наполнителями различной дисперсности.
3. Полимербетоны и полимерсерные бетоны содержат в своем составе три фракции наполнителей и заполнителей: тонкодисперсные наполнители с размером частиц менее 0,15 мм и удельной поверхностью 2500 — 3000 см2/г, заполнители — песок с модулем крупности от 2 до 3 и щебень с размером зерен до 40 мм. В отличие от полимербетона полимерраствор (мелкозернистый полимербетон) не содержит в своем составе щебня. Полимерные мастики содержат только одну тонкодисперсную фракцию наполнителя.
4. Полимербетоны и полимеррастворы классифицируются следующим образом: для неармированных материалов после наименования «полимербетон» указывается сокращенное название полимерного связующего и вид основного наполнителя. Для армированных материалов (армополимербетонов) перед названием указывается вид армирующего материала. Армирование полимербетонов и полимерсерных бетонов возможно стальной арматурой, рубленым стекловолокном и стеклопластиковой арматурой.
Например: полимербетон ФАМ на графите, сталеполимербетон ПН на андезите и т.п.
5. Под полимерсерными бетонами понимаются бесцементные составы, которые содержат наполнители и заполнители, аналогичные наполнителям и заполнителям для полимербетонов, а в качестве связующего — модифицированную серу.
6. В отличие от терминологии, принятой для силикатных материалов (вяжущее, твердение и т.п.), терминология применительно к П-бетонам включает следующие выражения:
связующее — представляет собой синтетическую смолу с отвердителями, ускорителями, а при необходимости — с пластификаторами, красителями и другими компонентами или модифицированную серу;
отверждение — полимеризация или поликонденсация синтетического связующего. Применительно к полимерсерным бетонам это остывание смеси до нормальной температуры и кристаллизации серы.
7. Полимербетоны и полимерсерные бетоны подразделяются по следующим признакам:
виду заполнителей и наполнителей.
8. В зависимости от вида наполнителей и заполнителей и их зернового состава плотность этих бетонов может изменяться в широких пределах: от 0,4 до 4,0 т/м3. Поэтому основные свойства полимербетонов и полимерсерных бетонов характеризуются не только видом синтетического связующего, но и видом наполнителей и заполнителей. В Рекомендациях рассматриваются тяжелые с плотностью 2,2 — 2,4 т/м3 и легкие с плотностью 1,2 — 1,8 т/м3 П-бетоны.