Betony polimerowe stosowane w budownictwie

Budownictwo XXI w. wymaga stosowania materiałów o takich parametrach użytkowych, które pozwalają uzyskać wysoką trwałość konstrukcji. Jednym z nich jest beton, w którym głównymi składnikami są woda, cement i kruszywa. Materiał ten ze względu na niski koszt wytwarzania oraz łatwą dostępność surowców stał się podstawowym materiałem budowlanym. Jego produkcja na świecie wynosi ok. 4 mld m³ rocznie [1]. W konstrukcjach stosowany jest on najczęściej w postaci żelbetu – betonu zbrojonego drutami lub prętami stalowymi. Beton oprócz wielu zalet charakteryzuje się również dużym stopniem porowatości, która w głównej mierze przyczynia się do jego powolnych procesów korozyjnych zarówno chemicznych, fizycznych, jak i biologicznych. Koszty związane z naprawami konstrukcji betonowych na świecie sięgają wielu miliardów dolarów rocznie. Dlatego też od ponad 50 lat materiał ten jest modyfikowany i poddawany ciągłym badaniom w celu uzyskania lepszych właściwości [1, 2]. Modyfikacja betonów związana jest najczęściej ze zmianą jego składu, co wpływa na jego parametry przed i po procesie utwardzania. Zabieg ten często prowadzi do zmniejszenia porowatości oraz zminimalizowania występowania możliwych defektów struktury. Efekt ten w standardowym betonie uzależniony jest od jakości i rodzaju kruszyw, stosunku wody zarobowej do cementu, stosowanych domieszek oraz dodatków mineralnych lub organicznych. Do ostatniej grupy składników możemy zaliczyć różnego rodzaju związki organiczne, np. związki wielkocząsteczkowe – polimery, które poprawiają właściwości betonu, takie jak: odporność na obciążenie statyczne i dynamiczne, udarność oraz trwałość [2, 3]. Wprowadzenie do betonu polimerów w postaci dyspersji, emulsji, ciekłych żywic lub proszków ma za zadanie wzmocnić lepiszcze – najsłabszą fazę tego materiału. Ich odpowiednia ilość pozwala na uzyskanie dodatkowej przestrzennej struktury, co powoduje, że takie materiały możemy nazwać betonem polimerowym lub inaczej polimerobetonem. Na fot. 1 ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) przedstawiono porównanie przekrojów zwykłego betonu bez dodatków polimerowych (powiększenie 100 razy) i betonu żywicznego na bazie nienasyconej żywicy poliestrowej (powiększenie 300 razy). W matrycy zwykłego betonu widoczne są wyraźne liczne pęknięcia (punkty A). Na zdjęciu przekroju betonu żywicznego, przy dużo większym powiększeniu, widoczne jest tylko pęknięcie w ziarnie kruszywa (punkt B), co potwierdza wyższą wytrzymałość lepiszcza polimerowego.

Fot. 1 Porównanie przekroju zwykłego betonu bez dodatków polimerowych z betonem żywicznym – zdjęcie ze skaningowego mikroskopu elektronowego

Polimerobeton i jego rodzaje

Polimerobeton zaliczany jest do materiałów kompozytowych ceramiczno- -polimerowych. Ze względu na skład i otrzymywanie można go podzielić na następujące podgrupy:

– beton żywiczny (PC) – materiał powstały w procesie sieciowania dwuskładnikowej żywicy wraz z wyselekcjonowanymi napełniaczami i kruszywami;

– beton polimerowo-cementowy (PCC) – materiał powstały w procesie utwardzenia świeżej mieszanki cementowej wraz z niereaktywnymi polimerami (premix) lub reaktywnymi monomerami (postmix);

– beton impregnowany polimerami (PIC) – materiał powstały w procesie sieciowania polimeru wprowadzonego w pory stwardniałego zwykłego betonu bez dodatków polimerowych [2, 4].

Do produkcji wymienionych materiałów stosuje się różnego rodzaju polimery, co wraz z dodatkiem różnorodnych wypełniaczy oraz substancji pomocniczych daje olbrzymią ilość kombinacji produktów. W tabl. 1 przedstawiono przykładowe porównanie charakterystycznych parametrów poszczególnych grup betonów polimerowych w porównaniu ze zwykłym betonem bez dodatków polimerowych [2].

Rys. Przykładowe elementy prefabrykowane z betonu żywicznego

Beton żywiczny (PC)

Betony żywiczne (PC, ang. Polimer Concretes) są produktami, w których jako lepiszcze stosowane są syntetyczne żywice chemoutwardzalne. Najczęściej są nimi dwuskładnikowe układy na bazie żywic poliestrowych, poliuretanowych, metakrylowych, winyloestrowych i epoksydowych. Ich zawartość w recepturze waha się w przedziale 8-20% objętości. Pozostały skład to wypełniacze mineralne i drobne kruszywo. Właściwości otrzymanych mieszanin zależą m.in. od parametrów zastosowanych żywic, rodzaju wypełniaczy (wielkości oraz rozkładu ziarna). Grupa tych materiałów charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na ściskanie, nawet powyżej 120 MPa; dodatkowo mają one wysoką odporność chemiczną, przyczepność do wielu materiałów oraz szybki czas utwardzania. W tabl. 2 przedstawiono przykładowe właściwości betonów żywicznych w porównaniu ze zwykłym betonem bez dodatków polimerowych [4].

Główną zaletą betonu żywicznego, oprócz dobrych właściwości mechanicznych, jest szybki czas utwardzania mieszaniny. Spowodowane jest to wysoką reaktywnością żywic, a przede wszystkim stosowanych w nich układów katalizujących. Na szybkość procesu sieciowania znacząco wpływa wzrost temperatury otoczenia oraz mieszaniny przed procesem utwardzania. Wzrost zawartości żywicy w mieszaninie dodatkowo zwiększa szybkość sieciowania, co powoduje wzrost skurczu liniowego otrzymanego produktu po utwardzeniu [5].

Ze względu na niską cenę do produkcji elementów prefabrykowanych najczęściej stosuje się nienasycone żywice poliestrowe. Żywice te nie są wrażliwe na nieznaczne zawilgocenie kruszywa, jednak nadmiar wilgoci może wpływać negatywnie na proces sieciowania i właściwości mechaniczne elementu. Dodatkowo, w celu zmniejszenia zawartości mikroporów oraz pęcherzyków powietrza, w mieszaninach tych zazwyczaj się stosuje mikronapełniacze pozwalające na polepszenie Teologii i uzupełnienie wolnych przestrzeni między większym kruszywem. Wrażliwość pozostałych typów żywic na wzrost wilgotności zwiększa reżim technologiczny, powodując wzrost kosztów wytwarzania. Beton żywiczny jest stosowany w elementach konstrukcyjnych ze względu na wysoką trwałość i odporność na czynniki środowiska. Duża odporność na procesy degradacji sprawia, że można do niego wprowadzić jako wypełniacze substancje odpadowe, takie jak tereftalan etylenu (PET), lotne popioły itp. [6].

Lepiszcze betonu żywicznego często przewyższa właściwości mechaniczne samego kruszywa. Dodatkowo na granicy ziarna kruszywa ze spoiwem powstaje warstewka adhezyjna powodująca ciągłość obydwu faz.

Tabl. 1 Właściwości polimerobetonów w porównaniu ze zwykłym betonem bez dodatków polimerowych [2]

Beton polimerowo-cementowy (PCC)

Betony polimerowo-cementowe (PCC, ang. Polimer Cement Concretes) są to mieszanki betonowe, do których zostały dodane oligomery lub polimery. Jeżeli w czasie dojrzewania nie dochodzi do procesów polimeryzacji, ale jedynie do poprawienia właściwości mieszaniny, taki produkt nazywa się premix. Jeżeli wprowadzony polimer lub oligomer ulega wraz z hydratacją cementu sieciowaniu, produkt taki nazywa się postmix. Do grupy tej można także zaliczyć betony zbrojone włóknami polimerowymi. Najczęściej stosowanymi związkami syntetycznymi w tej grupie są: polimery akrylowe, kopolimery styrenowo-butadienowe, kopolimery styrenowo-akrylowe, octan winylu, kopolimery octanu winylu oraz żywice epoksydowe. Wprowadzenie tych związków do mieszaniny cementu i kruszyw często prowadzi do niepożądanego procesu powstawania agregatów polimerowych. W celu uniknięcia tego zjawiska stosuje się substancje czynne, które stabilizują całą mieszankę. Odpowiednio dodana ilość polimeru współdziała ze spoiwem, poprawiając w ten sposób takie parametry, jak: wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, adhezję do podłoża oraz właściwości barierowe [7].

Tabl. 2 Porównanie właściwości betonów żywicznych ze zwykłym betonem bez dodatków polimerowych [4]

Beton impregnowany polimerami (PIC)

Betony impregnowane polimerami (PIC, ang. Polimer Impregnated Concretes) powstają przez przesycenie struktury dojrzałego betonu monomerami lub polimerami, które następnie ulegają procesowi sieciowania. Otrzymany w tym procesie materiał charakteryzuje się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie – nawet ponad 150 MPa. Dodatkowo produkt ten charakteryzuje się wysokim stopniem szczelności, mrozoodporności i chemoodporności. Jednak uzyskanie idealnego materiału wymaga stosowania wyspecjalizowanego sprzętu oraz odpowiednio dobranego procesu technologicznego. Do impregnacji stosuje się ciekłe żywice metakrylowe, epoksydowe i poliuretanowe [4].

Fot. 2 Uszkodzone korytko odwodnienia liniowego z betonu żywicznego

Zastosowanie betonów polimerowych

Polimerobeton w postaci betonu żywicznego (PC) ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporność chemiczną oraz znikomą nasiąkliwość jest często stosowany w elementach prefabrykowanych (rys.). Głównym zastosowaniem betonów żywicznych są systemy elementów mostowych (gzymsy, krawężniki, wpusty), elementy do odprowadzania ścieków komunalnych (studnie, kanały zbiorniki), zbiorniki na agresywne media stosowane w przemyśle, nowoczesne podkłady kolejowe, posadzki żywiczne, elementy dekoracyjne oraz zastosowania specjalne.

Konstrukcje zbudowane z betonów mogą być zabezpieczane materiałami naprawczymi na różnych etapach życia. Wraz z coraz większą wiedzą na temat technologii budowlanych projektanci często zabezpieczają konstrukcje na etapie ich wybudowania, zmniejszając dość znacznie postęp destrukcyjnego wpływu środowiska. Jest jednak wiele konstrukcji budowlanych, które wymagają renowacji, modernizacji, wzmacniania lub kapitalnego remontu. Do tego celu najczęściej stosowane są materiały PCC, które znalazły swoje miejsce w naprawach konstrukcji, wykonywaniu powłok ochronnych oraz wykonywaniu posadzek przemysłowych. Spowodowane jest to głównie niskimi kosztami modyfikacji istniejących już instalacji produkujących cement portlandzki oraz niskim kosztem polimerów stosowanych w tym procesie technologicznym.

Betony impregnowane polimerami (PIC) wymagają skomplikowanego procesu produkcji i właśnie z powodu kilku etapów technologicznych nie są często stosowane w budownictwie do tworzenia nowych konstrukcji budowlanych. Betony te natomiast są stosowane w naprawach rys i pęknięć konstrukcji oraz powierzchniowej renowacji starych budowli.

Fot. 3 Gzymsy mostowe z betonu żywicznego po kilkuletniej ekspozycji na warunki atmosferyczne

Przykładowe problemy eksploatacyjne

Istotny wpływ na właściwości uzyskanych betonów polimerowych mają także takie parametry, jak temperatura oraz wilgotność w czasie magazynowania substratów podczas produkcji oraz stosowania na placu budowy. Każdy materiał budowlany w odpowiednim środowisku ulega procesowi korozji, na który istotnie wpływają takie czynniki, jak: temperatura, wartość pH środowiska, wilgotność, promieniowanie UV oraz czynniki mechaniczne. Szybkość i intensywność zmian właściwości wyrobu zależą od jego morfologii, możliwych defektów struktury, miejsca zastosowania oraz intensywności i rodzaju czynnika powodującego zmiany. Dlatego też badania zarówno zastosowanych materiałów, jak i gotowych wyrobów ze względów bezpieczeństwa powinny być przeprowadzane na etapie ich wytworzenia oraz po próbach starzeniowych. To pozwala wykluczyć wiele błędów projektowych, konstrukcyjnych, wykonawczych, a także ograniczyć procesy degradacji otrzymanych produktów [8].

Środowisko naturalne wraz z czynnikami mechanicznymi przyczyniają się do powolnego procesu degradacji, co najczęściej doprowadza do osłabienia struktury materiału [9]. Dodatkowo taki proces może pogorszyć źle dobrana receptura; przykład przedstawiono na fot. 2 – korytko odwodnienia liniowego. W tym przypadku nie dostosowano receptury do uzgodnień normy PN-EN 15564:2009 [10], w której określono, że dla elementów prefabrykowanych wielkość ziarna nie powinna być większa niż 1/3 najcieńszej ścianki produktu. Zastosowanie frakcji kruszywa o ziarnie powyżej połowy przekroju elementu (powiększenie – fot. 2) znacząco obniża właściwości mechaniczne tego prefabrykatu. Ponadto złe wmontowanie elementu (powyżej krawędzi chodnika) spowodowało zwiększone narażenie na uszkodzenia mechaniczne (zniszczenie krawędzi oraz powstanie nadpęknięć elementu). Brak pęknięć w kruszywie oznacza powstanie niedostatecznie dużej siły adhezji między kruszywem i spoiwem. Powodem braku tych sił może być nieodpowiednie oczyszczenie kruszywa przed wprowadzeniem w szybkowiążącą masę betonu żywicznego, zastosowanie kruszywa o dużo większej wytrzymałości na ściskanie od masy polimerobetonowej lub przekroczenie krytycznego stężenia objętościowego, co powoduje niedostateczną zwilżalność powierzchni kruszywa [8].

Innym przykładem może być starzenie się powłok ochronnych na gzymsach mostowych, co przede wszystkim wpływa na walory estetyczne obiektu. Powłoki te najczęściej stosowane są w postaci żelkotów (mieszaniny żywicy z wypełniaczami, barwinkami i dodatkami) nakładanych na formę pokrytą warstewką antyadhezyjną, a po utwardzeniu zalewaną mieszaniną betonu żywicznego. Po stwardnieniu masy produkt jest wyjmowany z formy z jednolitą i równą kolorową warstwą. Coraz częściej na tego typu warstwach zabezpieczających można zauważyć zmianę barwy związaną z kredowaniem. Wada ta ma związek z powierzchniowym rozpadem łańcuchów polimeru pod wpływem promieniowania UV Taka destrukcja lepiszcza powoduje również uwolnienie wypełniaczy i barwników, na powierzchni elementu konstrukcyjnego widać wtedy biały proszek powstały z degradacji spoiwa zabarwiony często kolorem barwników i wypełniaczy. Proces ten przy odpowiednim doborze materiału powinien być widoczny nie wcześniej niż po 10-15 latach. Jednak często tańsze materiały wypierają materiały lepsze, ale droższe, co powoduje, że powłoki są w małym stopniu odporne na promieniowanie UV czy procesy osmozy. Dzieje się tak, gdy np. żelkoty ortoftalowe wypierają dużo bardziej odporne żelkoty iso-npg.

Fot. 4 Pęknięcia zaprawy PCC na podporze mostu w środowisku miejskim

W konstrukcjach mostowych projektanci powinni dodatkowo unikać stosowania pewnych kolorów, a w szczególności jasnoniebieskich, wiśniowych, czerwonych i żółtych (kolor zależy od rodzaju użytych pigmentów). Są to kolory, które wykazują stosunkowo małą odporność na promieniowanie UV. Materiały PCC ulegają także procesom niszczenia spowodowanym warunkami otaczającego środowiska. Na fot. 4 przedstawiono zaprawę PCC, która nie została odpowiednio dobrana do środowiska eksploatacji. Zauważalne są duże pęknięcia na łączeniach podbudowy i mniejsze na całej powierzchni spowodowane zmianą obciążenia konstrukcji oraz eksploatacją w środowisku miejskim. W przypadku przemrożenia produktów, w których recepturze występują wodne dyspersje, następuje ich nieodwracalne zniszczenie. Przy stosowaniu takiego materiału może dojść do szybkiej delaminacji od zabezpieczanej powierzchni oraz szybkiego kruszenia materiału.

Podsumowanie

Betony polimerowe są materiałami, które są znane człowiekowi od ponad pięćdziesięciu lat. Można je podzielić na trzy podstawowe grupy: betony żywiczne (PC), polimerowo-cementowe (PCC) oraz impregnowane polimerami (PIC). Jednak ze względu na wysoką cenę polimerów ich stosowanie było mało opłacalne. Powszechnie wiadomo, że betony polimerowe charakteryzują się lepszymi właściwościami mechanicznymi i trwałością w porównaniu ze standardowymi betonami otrzymywanymi z cementu portlandzkiego. Najczęściej stosowane są produkty na bazie betonów polimerowo-cementowych oraz betonów żywicznych, co jest spowodowane coraz szerszym poznaniem ich technologii oraz obniżeniem cen polimerów stosowanych do ich produkcji. Betony impregnowane polimerami znalazły swoje miejsce w zastosowaniach specjalnych. Przedstawione materiały pomimo wielu zalet nie są pozbawione wad, które najczęściej związane są ze złym doborem receptury produktu do warunków środowiska oraz miejsca zastosowania, a także błędami powstającymi w samym procesie stosowania.

mgr inż. Rafał Kasak

Zespół Zabezpieczeń Antykorozyjnych

Instytut Badawczy Dróg i Mostów

Literatura

1.  Z. Kohutek, Beton przyjazny środowisku, Stowarzyszenie Producentów Betonu Towarowego w Polsce, Kraków 2008.

2.  L. Czarnecki, Concrete – polymer Composites: Trends Shaping the Future,Int, J, Soc, Mater, Eng, Resour, Vol, 7 No 1 [1-5] [2007].

3.  V Morin i inni, Effect of polymer modification of the paste-aggregate interface on the mechanlcalproperties of concretes, „Cement and Concrete Research” nr 41/2011.

4.  L. Czarnecki, Betony polimerowe, „Cement Wapno Beton” nr 2/2010.

5.  R. Bedi, R. Chandra, S.P Singh, Mechanlcal Properties of Polymer Concrete, „Journal of Composites”, Volume 2013, Article ID 948745.

6.   G. Singh, H. Kansal, Polymer Concrete Composites Made from Industrial Waste Materials: A Review, Springer 2014.

7.   L. Czarnecki, Betony polimerowo-cementowe, „Cement Wapno Beton” nr 5/2010.

8.   D. Sobków i inni, Badanie odporności materiałów na działanie czynników środowiska naturalnego, „Chemik” nr 68(4]/2014.

9.   E. Wołłejko, Problem korozji biologicznej w budownictwie, „Civil and Environmental Engineering” nr 2/2011.

10.  PN-EN15564:2009 Prefabrykaty z betonu – Beton modyfikowany żywicą – Wymagania i metody badań.

Artykuł przygotowany na podstawie materiałów zaprezentowanych na IX Konferencji Naukowo-Technicznej „Współczesne technologie przeciwkorozyjne” Polskiego Stowarzyszenia Korozyjnego, Ostróda 2015.