Czarnecki.pdf
(
5884 KB
)
Pobierz
Lech CZARNECKI
*
Paweł ŁUKOWSKI
*
*
BETONY POLIMEROWE
1. Wprowadzenie
W wielowiekowej historii betonu od zawsze towarzyszyła mu modyfikacja [1]
polimerami naturalnymi (rys. 1). W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat do modyfikacji
(betony polimerowo-cementowe, betony impregnowane polimerami), a nawet do
wytwarzania betonów (betony Ŝywiczne) stosuje się polimery syntetyczne. Oczywistym
celem wprowadzania polimerów do betonu był zawsze „lepszy beton”. Koncepcja
wykorzystania betonów polimerowych zmieniała się z upływem czasu, w miarę
rozpoznawania naukowych podstaw kształtowania mikrostruktury, a w konsekwencji
właściwości tych materiałów. W latach 1950-1970 wprowadzanie polimeru do betonu
stanowiło przejaw „postępu” i „nowoczesności”. Towarzyszyła mu fascynacja spotkaniem
wielowiekowej technologii betonu z najnowocześniejszym wówczas materiałem –
polimerem, a takŜe nieuzasadnione i niepotwierdzone kolejnymi doświadczeniami
przeświadczenie, Ŝe dodatek polimeru moŜe tylko poprawić właściwości betonu. W miarę
uzyskiwania wiedzy o mechanizmach oddziaływania polimeru w betonie, a takŜe w wyniku
kolejnych (1973, 1979, 2008) kryzysów naftowych, następowała reorientacja funkcji celu
rozwoju betonów polimerowych. Stało się oczywiste, Ŝe ceny polimerów nie tylko nie będą
spadać, ale Ŝe polimery juŜ nigdy więcej nie będą tanimi materiałami.
*
Prof. zw. dr hab. inŜ., Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej
**
Dr hab. inŜ., Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej
79
1800
Cement portlandzki
III tys.
Mezopotamia: modyfikacja
p.Chr.
bitumów gliną, smołą, trzciną
Pierwsze próby modyfikacji:
1900
CaCl
2
, gips
I tys.
Indie: modyfikacja wapna
p.Chr.
mączką roślin strączkowych
1910
Pierwsze preparaty handlowe
III w.
Chiny: modyfikacja wapna
p.Chr.
naturalnymi polimerami
1920
Pierwsze kompozyty polimerowo-
cementowe (modyfikowane
lateksem)
II w.
Egipt: krew zwierzęca,
p.Chr.
mleko, jaja
1930
Domieszki polimerowe -
lignosulfoniany
I w.
Rzym: oleje roślinne, wino
1940
p.Chr.
Domieszki napowietrzające
1950
Pierwsze domieszki upłynniające
1960
Kompozyty epoksydowo-
i akrylowo-cementowe
1970
Beton towarowy
1200
Europa: słód
jęczmienny
1700
Wosk pszczeli
L. Cresson,
British Patent 191474 (1923):
Latex-Hydraulic Cement-System
Superplastyfikatory
1980
Powszechne stosowanie domieszek
Stały rozwój PCC
V. Lefebure,
British Patent 217279 (1924):
Improvements in or related to concrete,
cements, plasters and the like
Rys. 1. Chronologia wprowadzania polimerów naturalnych i syntetycznych do
budowlanych materiałów wiąŜących
Rozwój technologii innych odmian betonu (betony o wysokiej wytrzymałości, HSC
1
;
betony wysokiej uŜyteczności, HPC
2
) umoŜliwił uzyskiwanie (równieŜ bez udziału
polimeru) szczególnych cech dotychczas przypisywanych wyłącznie obecności polimerów
w betonie. Wszystko to przyczyniło się do racjonalizacji stosowania polimerów w betonie.
1
HSC – High Strength Concrete.
2
HPC – High Performance Concrete; w literaturze polskiej określane równieŜ, nietrafnie,
jako BWW – betony wysokowartościowe.
80
Betony polimerowe wprowadzano pod hasłem wysokiej wytrzymałości mechanicznej, duŜej
odporności chemicznej i duŜej szczelności, co łącznie zapewniało podwyŜszoną trwałość. W
roku 1980 K.L. Saucier i wsp. [2] stwierdzili, Ŝe 80 MPa wytrzymałości na ściskanie wydaje
się górną granicą praktycznie osiągalną dla betonów cementowych. Betony o wytrzymałości
powyŜej 100 MPa zakwalifikowano jako „betony egzotyczne”. W tym samym czasie
wytrzymałość na ściskanie 100 MPa i więcej nie była niczym niezwykłym w odniesieniu do
betonów polimerowych [3]. Obecnie Norma Europejska o statusie Normy Polskiej PN-EN
206 obejmuje takŜe betony o wysokiej wytrzymałości. Ta sama norma przewiduje
projektowanie materiałowe z uwzględnieniem trwałości [4]. W odniesieniu do obu tych
zagadnień ani razu w normie nie wspomina się o polimerze. W normach z serii PN-EN 1504
polimer i betony polimerowe są natomiast wymienione ponad 70 razy. Świadczy to o
charakterystycznym przesunięciu akcentów w kierunku takich cech, jak przyczepność do
starego betonu i krótki czas do osiągnięcia sprawności eksploatacyjnej (betony Ŝywiczne).
W tym obszarze uŜyteczności – betony naprawcze – polimer wydaje się niezastąpiony [5].
Dotyczy to równieŜ powłok ochronnych na duŜych powierzchniach, w tym posadzek
przemysłowych [6], oraz elementów prefabrykowanych przewidzianych do uŜytkowania w
szczególnie trudnych warunkach, np. rury.
Obecne, jak i przyszłe, dziesięciolecie jest znamienne tym, Ŝe stale dotychczas rosnącej
produkcji betonu odpowiada „pik petrochemiczny”
1
(rys. 2). Światowa produkcja
polimerów wynosi ok. 200 mln ton [8], z czego budownictwo konsumuje ok. 20%. Udział
polimerów w zbiorze europejskich materiałów budowlanych to jednakŜe tylko 1%
2
, a
wartościowo 10%. Do wytwarzania betonów ogółem (łącznie z domieszkami) spoŜytkowuje
się rocznie w Europie ok. 500 tys. ton polimerów. Oznacza to, Ŝe udział polimeru w
kształtowaniu betonu wynosi przeciętnie 1% masy cementu. W ciągu najbliŜszych
dziesięciu lat oczekuje się zwiększenia tego udziału o ponad 50% [9]. Interesującą ilustrację
tych rozwaŜań przynosi analiza strumienia informacji [11] dostępnych w wyszukiwarce
Google na osi czasu (rys. 3). Dla betonu i polimeru dostępne są dane za okres 1820-2005, a
więc blisko 200 lat; dla betonów polimerowych za ostatnie 45 lat (1960-2005). Począwszy
od 1824, a więc roku uzyskania patentu na cement portlandzki przez Josepha Aspdina,
liczba informacji o betonie stale rośnie, aby w latach 1900-1920 osiągnąć maksimum. To
maksimum moŜna przypisać zarówno osiągnięciom w technologii – wprowadzenie
zbrojenia do betonu, początki Ŝelbetu – jak i tragicznym katastrofom budowlanym. Po tym
okresie intensywność informacji kształtuje się na poziomie ok. połowy maksimum z roku
1910, z niewielką tendencją wzrostową na początku obecnego stulecia.
1
Polimery stosowane w betonach są pochodnymi przetwórstwa ropy naftowej.
2
Dla porównania udział stali to 3%, a aluminium 0,1%.
81
b)
10000
10
8
8000
6000
6
4
4000
2000
2
0
c)
e)
produkcja betonu
300
300
300
10000
10000
10000
8
8
1% C
1% C
produkcja ropy
naftowej
PCC
PCC
8000
8000
8000
7
7
200
200
200
0.1% C
0.1% C
6000
6000
6000
6
6
PMC
PMC
100
100
100
4000
4000
4000
5
5
2000
2000
2000
4
4
0
0
0
1800
2000
2200
0
0
0
0
0
rok
rok
rok
d)
250
250
250
200
200
200
PIC
PIC
150
150
150
100
100
100
PC
PC
PC
50
50
50
PCC
PCC
PCC
0
0
0
1750
1750
1750
1800
1800
1800
1850
1850
1850
1900
1900
1900
1950
1950
1950
2000
2000
2000
2050
2050
2050
Rys. 2. Krzywa Ŝycia betonu: a) uogólniona krzywa Ŝycia betonu. b) światowa produkcja betonu na tle piku naftowego, c) incydentalność
piku naftowego a nieuchronność cywilizacyjna rozwoju betonu, d) betony polimerowe na krzywej Ŝycia betonu, e) światowa produkcja
polimerów a ich wykorzystanie w betonie (w odniesieniu do produkcji cementu)
82
a)
b)
c)
Rys. 3. Strumień informacji o: a) betonach, b) polimerach, c) betonach polimerowych, wg
Google Archives [13]
Informacje dotyczące polimerów są w latach 1820-1920 bardzo nieregularne. W 1922
roku została przyznana H. Staudingerowi Nagroda Nobla za wyjaśnienie budowy
łańcuchowej polimerów, a w 1926 roku Carothers wynalazł syntetyczne włókna
poliamidowe („nylon”). Od tego roku obserwuje się stały, intensywny dopływ informacji,
który swoje apogeum osiąga w latach czterdziestych. Walnie przyczyniło się do tego
powołanie w 1942 Instytutu Badań Polimerów w USA przez H. Marka (a takŜe potrzeby
wojny). Dopiero z początkiem XXI wieku intensywność informacji o polimerze osiągnęła
poziom z lat czterdziestych ubiegłego stulecia.
NatęŜenie informacji o betonie polimerowym aŜ do lat dziewięćdziesiątych utrzymywało
się na względnie niskim poziomie. Począwszy od 5. Międzynarodowego Kongresu Polimery
w Betonie (1987, Brighton)
1
strumień informacji jest intensywnie rosnący.
Koszt polimerów jest 10 do 100 razy (zaleŜnie od rodzaju) wyŜszy od kosztu cementu w
przeliczeniu na jednostkę masy, a 5 do 25 razy w przeliczeniu na jednostkę objętości.
Stanowi to istotne ograniczenie, mimo Ŝe udział polimerów w kompozycie budowlanym z
reguły nie przekracza 10% objętościowo. Z racji synergicznego działania polimerów w
betonie, ich wpływ na kształtowanie właściwości wyrobu jest znacznie większy niŜ
wynikałoby to z ich udziału masowego [10]. Rozpoznanie i wykorzystanie efektów
synergicznych – skutków współdziałania polimeru z innymi składnikami betonu – wytycza
główny wysiłek badawczy i ukierunkowuje racjonalizację stosowania polimeru w betonie.
1
Kongres poprzedziły dwie publikacje o charakterze „state-of-the-Art”: L. Czarnecki,
Status of Polymer Concrete [13] i D.W. Fowler, Structural design of polymer concrete [12].
83
Plik z chomika:
maly_smok
Inne pliki z tego folderu:
Czarnecki.pdf
(5884 KB)
Gołaszewski.pdf
(1752 KB)
Hoła.pdf
(1396 KB)
Inne foldery tego chomika:
Galeria
Prywatne
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin