Полимеры и полимерные материалы в строительстве

Полимеры и полимерные материалы в строительстве

Тот факт, что полимерные материалы широко используются в строительстве, вряд ли кого удивит. Даже если не останавливать внимания на полимерной природе гранита, кварца и других каменных горных пород, керамики, цемента и других минеральных вяжущих материалов, - достаточно вспомнить, что добрая половина всех зданий и сооружений, воздвигнутых на Земле за всю историю человечества, была деревянной, т. е. представляла собой конструкции из природных органических полимеров. Искусственные полимерные материалы тоже внесли свою лепту в строительное дело. Стоит упомянуть хотя бы об асфальте или о рубероиде. Но подлинное качественное изменение технологии строительства совпадает по времени именно с эпохой широкого внедрения синтетических полимерных материалов во все области человеческой деятельности. И это совпадение не случайно.

По существующей классификации все строительные материалы делятся на десять групп. Три из них отведены материалам органического, преимущественно синтетического происхождения. Это органические вяжущие и гидроизоляционные материалы; конструкционные, отделочные, звуко- и теплоизоляционные, пленочные и т. п. полимерные материалы; лаки и краски главным образом на полимерной основе.

О каждой группе имеет смысл говорить отдельно.

Использование в строительстве полимерных вяжущих, главным образом фурановых, полиэфирных, эпоксидных или фенолформальдегидных смол, позволило создать и широко применять принципиально новый строительный материал - полимербетон. Он представляет собой затвердевшую смесь высокомолекулярного вещества с минеральными заполнителями. В качестве заполнителей чаще всего используют кварцевый песок, гранитную и т. п. щебенку. Основные преимущества полимербетонов перед обычными бетонами в первую очередь связаны именно с наличием полимера в их составе. Полимербетоны обычно имеют более высокую прочность на растяжение, низкую хрупкость, повышенную водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к действию агрессивных жидкостей и газов. Применяются полимербетоны для изготовления полов, дорожных и аэродромных покрытий, для заделки швов, трещин и выбоин (тут особенно ценна их способность затвердевать и при низких температурах), для гидроизоляции, для отделочных работ, для изготовления шахтной крепи, в качестве теплоизоляции. В последнем случае строители пользуются, во-первых, низкой теплопроводностью самих полимеров, во-вторых, еще более низкой теплопроводностью пористого наполнителя, например, перлитового песка. Мы уже упоминали, что применение полимерных пленок в гидростроительстве позволяет уменьшить потери воды на ее естественную фильтрацию через почву. А полимербетон в теле плотины служит надежным барьером фильтрации через плотину.

Здесь уместно рассказать о норпластах - выдающемся изобретении советских ученых. Гетерогенные материалы, содержащие две или более фазы, принято называть композиционными. Если одна из фаз - полимер, это будет полимерный композит. Под это определение подходят многие из существующих полимерных материалов, например газонаполненные резины, древесностружечные плиты и, конечно, полимербетоны. Полимер в таких материалах, как правило, самый дорогой компонент, поэтому естественно стремление вводить в состав композиции побольше дешевых наполнителей, таких, как мел, каолин, тальк, перлиты и др. Но вся беда в том, что из-за плохой сцепляемости наполнителя с вяжущим свойства композиции резко ухудшаются при высокой дозировке наполнителя. Этого можно избежать, если загодя подвергнуть поверхность наполнителя специальной химической обработке. Во многих случаях так и делают. Но более интересным и перспективным способом оказалось химическое связывание полимера с наполнителем, достигаемое тем, что синтез полимера проводят из мономера, полимеризуя его с помощью инициаторов, загодя размещенных на поверхности наполнителя. Полученный полимерный материал представляет собой тот же самый наполнитель, но покрытый химически привитой к нему тончайшей пленкой полимера, например, полиэтилена. В материале сочетаются 90-95% неорганического вещества и 5-10% пластика, а по многим свойствам, прежде всего по удобству переработки, он напоминает обычный пластик. Такой материал и назвали норпластом. Из него выгодно и удобно делать самые разнообразные строительные конструкции, он найдет широкое применение в электротехнике, годится для антикоррозионной защиты труб и металлоконструкций. Принципы создания норпласта позволят также продлить срок действия минеральных удобрений и химических средств защиты растений. Запечатав каждую гранулу этих веществ в микрополимерную упаковку, можно регулировать сроки растворения этих материалов при их внесении в почву и при обработке растений.

Конечно, широкое промышленное использование нового метода получения полимерных композиций станет реальным лишь после тщательной разработки технологии, а задача эта не из простых.

Но вернемся к строительным материалам, к использованию полимерных материалов в строительных конструкциях. Условно строительные конструкции обычно делят на несущие и ограждающие. В последние годы такое деление все чаще становится неприменимым. Зачастую это связано именно с широким применением полимеров в строительстве. Судите сами: как различить, где несущая, а где ограждающая часть в надувном складе из полимерной пленки, о котором было рассказано в главе "Воздух в упряжке?" А как быть с двухэтажным домом, целиком изготовленным из пластмасс, который экспонировался на ВДНХ? Тем более что подобные домики уже изготовляются массовыми сериями в разных странах. В ГДР, например, домики из пластмассовых элементов, включая окна и двери, изготовляют централизованно на химическом заводе и транспортируют заказчику в виде плоского пакета. По прибытии на место отдельные детали надо только соединить, склеить специальной синтетической смолой. Кстати, дли установки такого домика даже не надо строить массивный фундамент: легкость пластмасс (а тут еще и облегченные пенопласты!) гарантирует, что дом не даст осадки. Уместно отметить, что стена из пенопласта толщиной 5-10 см по своим теплоизоляционным свойствам равноценна стене из трех кирпичей, а по весу - в 1000 раз легче.

И все же приходится признать, что в качестве конструкционных материалов пластмассы пока используются в строительстве сравнительно редко. Причина этого не только в дороговизне, но и в относительной труднодоступности большинства полимерных материалов, особенно если учитывать их полезность для других отраслей. Из 60 млн. т пластмасс, ежегодно изготовляемых в мире, строительству достается всего-навсего, по разным источникам, от 15 до 18%. Хотя использование полимерных материалов в строительстве сулит экономию за пятилетку сотен тысяч тонн черных металлов, миллионов кубометров древесины, миллиардов рублей и несчетных часов труда, - пока мы вынуждены применять полимеры в строительстве в основном лишь там, где без них просто нельзя обойтись. В первую очередь это относится к гидроизоляции, к покрытиям для полов и крыш, к тепло- и звукоизоляции, к области антисейсмического строительства и др.

Поэтому во многих случаях приходится совмещать синтетические полимеры с природными, особенно такими, которые сами по себе применения пока почти не находят. Характерным примером может служить лигнин - крупнотоннажный отход любого целлюлозно-бумажного предприятия. По свидетельству очевидцев, вокруг целлюлозно-бумажных комбинатов в последние годы стали вырастать целые терриконы никому не нужного лигнина. Ведь даже сжигать его невозможно. И вот оказалось, что обработка древесного гидролизного лигнина аммиаком по специальной технологии позволяет получать высококачественный паркетный лигнопластик. Способ получения такого паркета разработан и опробован в условиях Кададинского опытного лесокомбината Пензенской области.

Не менее интересен и опыт по получению высокопрочного тепло-, влаго- и даже термитоустойчивого паркета и конструкционного материала из мягкой древесины ольхи. Этот материал был создан учеными Белорусского технологического института путем пропитки мягкой древесины полиэфирными смолами. Этот пример, равно как и многие из вышеприведенных, иллюстрирует еще одно существенное преимущество полимерных материалов, применяемых в строительстве, да и не только в строительстве. Речь идет о возможности централизованного изготовления деталей и целых узлов на механизированных поточных линиях. В приложении именно к строительству это направление оказывается настолько перспективным, что, как выразился корреспондент одного из научно-популярных журналов: "Строители, по-видимому, не успокоятся до тех пор, пока не поставят на заводской конвейер весь дом, все его детали, от крыши до фундамента". И тогда работа в наиболее неблагоприятных условиях - на стройплощадке, под открытым небом, будет ограничиваться лишь монтажом, сборкой готовых деталей и узлов, хотя бы с помощью полимерных клеев. А что такие клеи могут и должны широко применяться, убедительно говорит хотя бы пример с клееным монтажом метромоста в Москве.

Что касается третьей полимерной группы строительных материалов - лаков и красок, то говорить о ней подробно здесь нет смысла. Главное уже сказано в главе "Экономия наизнанку".

Продолжая мысль о централизации и поточном заводском производстве строительных деталей и конструкций, следует отметить, что дефицитность полимеров - не единственное препятствие на пути к массовому внедрению. До сих пор не решены многие попутные технические и организационные задачи. Хотя в СССР имеется немалый опыт конструирования изделий из пластмасс, всегда полезно прислушаться к другим специалистам в этой области. Например, швейцарские исследователи считают, что в первую очередь при решении одной из таких задач необходимо четко определить ответы на такие четыре вопроса:

1. Каково функциональное назначение будущего изделия?

2. На каком предприятии будет налаживаться производство этого изделия?

3. Из какого полимера или полимерной композиции целесообразно изготовлять это изделие?

4. Какие технико-экономические преимущества обеспечит применение и практическое использование именно полимерного изделия?

Лишь после этого рекомендуется приступать к проектированию формы и метода изготовления самого изделия. Чтобы наиболее выгодно использовать комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств полимера, снизить расход сырья и повысить производительность процесса, разработан ряд конкретных технологических, конструкционных и эксплуатационных рекомендаций. Например, считается, что следует отдавать предпочтение криволинейной конфигурации, изделиям с тонкими стенками, но с ребрами жесткости, интегральным пенопластам. Необходимо учитывать такие факторы, как тиражность изделия, производительность процесса и т. д.

В заключение этого приложения, прежде чем перейти к пересказу забавных и колоритных фактов о применении полимеров в строительстве, следует отметить еще одно весьма бурно развивающееся направление такого применения, а именно - изготовление мебели (Природа, 1980, № 8; Наука и жизнь, 1969, № 4).

Краска вместо кондиционера

Всем хороши битумные кровли: влагостойки, светопрочны и сравнительно долговечны, но один серьезный недостаток есть у них. В солнечную погоду, особенно летом, такая крыша сильно нагревается, и в помещении под ней становится слишком жарко. Покрасить бы крышу, скажем, в белый цвет - ан нет. К битуму обычная краска не пристает. Тем более водноэмульсионная: сворачивается она в капельки, а после сушки осыпается чешуйками. Опять слишком жарко под такой крышей. Если на улице температура воздуха 28° С, крыша нагреется до 64° С. И это в средних широтах, что уж говорить о тропиках. Фирма "Скритон петмейкер" (Англия) разработала специальную краску для таких крыш - краску марки "Солафлект" на основе синтетических полимеров. Она не боится ни дождя, ни солнца, ни утренней росы; крепко, ровным слоем держится на поверхности битумных и асфальтовых крыш, а главное - отражает добрую половину падающей на поверхность солнечной энергии. Температура внутри помещения не превышает 30° С - можно сэкономить энергию на кондиционерах. Более того, в зимние холода внутренний слой той же краски отражает обратно идущие изнутри тепловые лучи - экономия на отоплении.

Тайная маркировка

Не так уж трудно при производстве бумаги примешать в ее состав 10% порошкообразного железа. Современный уровень магнитной записи вполне позволяет вписать в эту бумагу наименование партии, условное обозначение субстрата и изделия, дату изготовления и иные сведения. При этом нисколько не пострадает тот печатный узор, которым бумага украшена. С помощью поливинилацетатной эмульсии склеивают такую бумагу с листом фанеры или древесного пластика, получают декоративное изделие, отделочную плиту и т. п., внутри которых в магнитной форме скрыта вся информация о дате и месте изготовления, фирме-изготовителе и прочих технических характеристиках. И рабочий-монтажник, и будущий потребитель в случае надобности могут получить необходимую и четкую информацию с помощью магнитной головки, скользящей по поверхности готового строения или изделия. (Японский патент, 1978, № 53-98, 503).

Небьющиеся стекла - в ассортименте

С самого начала нашего века и по сей день осколки стекла - особенно в автомобилях - грозят тяжелыми увечьями всем, кого подстерег несчастный случай. Точнее говоря, грозили. Ибо обычное силикатное стекло в движущихся экипажах давно уже в чистом виде не применяется. Или это триплекс, изобретение Бенедиктуса, т. е. два слоя силикатного стекла с полиакрилатной, целлулоидной или бутварной прослойкой, или это сталинит - стекло, которое после специальной термической обработки обрело способность рассыпаться на мелкие гранулы. Иное дело в строительстве. Тут пока в большинстве случаев приходится пользоваться дешевым, но осколочно-опасным силикатным стеклом. На смену ему все увереннее идут органические полимерные стекла: прозрачные листовые материалы из акрилатов, целлюлозных полимерею, поликарбонатов и полисульфонов. Высокая ударопрочность, стабильность размеров, хороша" влагостойкость и атмосферостойкость и даже новый, сугубо авиационный термин "птицестойкость" - вот главные достоинства этих стекол. Пока им не хватает только твердости. (Mach. Des., 1980, 62, № 5).

Нескользящие дороги

... На бешеной скорости несется автомобиль Журналиста в погоне за Фантомасом. Тот свернул, ну что ж... Журналист резко тормозит, крутит руль. Автомобиль с визгом разворачивается почти на месте и вот он уже мчится в обратную сторону. Строители автострад знают секрет этого трюка. Каскадер загодя засыпал все шоссе слоем свежей щебенки, иначе автомобиль его скользил бы по гладкому дорожному покрытию невесть как далеко. Значит, во избежание проскальзываний при резком торможении, а тем более в сырую погоду или при гололедице надо засыпать все шоссе щебенкой? Но она же "съест" резиновые покрышки. Где выход из такого противоречия? В Швеции в асфальтобетон добавляли резиновую крошку с размером частиц 3,2 мм. Всего 3-4% таких крошек резко увеличили сопротивление скольжению даже при тонком слое наледи. Оказалось, что вдавливая резину, автомобили одновременно дробили тонкий слой льда и не скользили. Но этот метод пригоден только при тонкой наледи. На Аляске, как известно, морозы покрепче и лед на дорогах потолще. Поэтому там пришлось увеличить содержание крошки чуть ли не до 25%, а толщину слоя - до 50 мм. Зато новое покрытие для дорог оказалось и более износоустойчивым: из 45 кг нового нескользящего покрытия за сутки потери не превышают 135 г, т. е. 0,3%. (Eng. News-Rec., 1980, 204, № 18).

Серный пенопласт

В мире много месторождений самородной серы. Добыча ее сравнительно проста, а применение весьма и весьма ограничено. И это не удивительно: ведь сера сравнительно тяжела, хрупка и низкоплавка. И все-таки, сочетая переработку природной серы с технологией полимерных материалов, удалось получить дешевый и перспективный новый строительный материал. По специальной химической методике смесь 15-18% фенола, 1-2% малеинового ангидрида и до 80% элементарной серы сплавляют в присутствии катализатора, затем вспенивают и получают формоустойчивый пенопласт с кажущейся плотностью не более 0,5 г/см³, вполне пригодный для использования в качестве тепло- и звукоизоляции. (Патент США, 1980, № 4. 219, 364).

Синтетическая травка

Традиционно принято многие спортивные мероприятия проводить на площадках с травяным покрытием. Футбол, теннис, крокет... К сожалению, динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. Можно, конечно, проводить аналогичные состязания на площадках, скажем, с асфальтовым покрытием, но как же быть с традиционными видами спорта? На помощь пришли синтетические материалы. Полиамидную пленку толщиной 1/40 мм (25 мкм) нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают их, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание пожара (вдруг кто-нибудь кинет непогашенную спичку или окурок) к полимеру загодя добавляют огнезащитные средства, а чтобы из-под ног у спортсменов не посыпались электрические искры - антистатик. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание - и вот вам готов травяной корт или футбольное поле, или иная спортивная площадка. А по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми ковриками, изготовленными по той же технологии и того же зеленого цвета. (Патент США, 1980, № 4. 199. 627).