Основные свойства пластмасс как строительного материала

Статья с онлайн ресурса  Производство изделий из пластмассы и полимеров - www.poliolefins.ru

Новизна пластмасс как строительного материала, сложная химическая структура полимеров и чрезвычайная жесткость их работы в некоторых строительных конструкциях требуют всестороннего, глубокого и научно объективного изучения проблемы поведения пластических масс во времени и их долговечности.

Ценным свойством пластических масс является их малый объемный вес. Объемный вес различных широко применяемых пластиков, в том числе пористых поропластов, колеблется от 1 до 2200 кг/м3. Специальные пластики, например рентгенонепроницаемые с сернокислым барием в качестве наполнителя, могут иметь объемный вес и значительно выше. В среднем объемный вес пластмасс, за исключением поропластов, в 2 раза меньше веса алюминия и в 5—8 раз меньше веса стали, меди, свинца. Совершенно очевидно, что даже частичная замена этих металлов, а также силикатных материалов пластмассами дает значительное снижение веса сооружения, правда, в тех случаях когда пластические массы применяют в качестве конструктивного стенового материала, заполнителя в зданиях каркасного типа и материала междуэтажных перекрытий.

Прочностные характеристики пластмасс особенно высоки у пластмасс с листообразными наполнителями. Например, у стеклотекстолита предел прочности при растяжении достигает 2800 кГ/см2 (сталь марки Ст.З 3800—4500 кГ/см2), у дельта-древесины— 3500 кГ/см2 и у стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМ) —4600 кГ/см2. Из приведенных данных видно, что слоистые пластики можно применять для несущих нагрузку конструктивных элементов зданий. Пределы прочности при сжатии этих материалов также достаточны, а именно: у дельта-древесины 2000, у стеклотекстолита 1600 и у СВАМ 4000 кГ/см2. Интересны и обнадеживающи с точки зрения применения пластмасс в строительстве соотношения у этих материалов пределов прочности при сжатии и растяжении, а именно: у дельта-древесины 0,7, у стеклотекстолита 0,6, у СВАМ 0,9, для сравнения - у стали 1, у сосны 0,4, у бетона 0,1. Таким образом, основные прочностные характеристики пластмасс по пределу прочности при сжатии и растяжении достаточно высоки и превосходят в этом отношении многие строительные материалы силикатной группы. Прочностные характеристики пористых пластмасс, например мипоры, очень невысоки, но удовлетворяют предъявляемым ним требованиям.

Важнейший показатель для конструктивных материалов — это коэффициент конструктивного качества материала, т. е. коэффициент, получаемый от деления прочности материала на его объемный вес. Широкое применение в строительстве материалов с высоким коэффициентом конструктивного качества предопределяет правильное решение одной из основных задач прогрессивного строительства — снижение веса зданий и сооружении. По этому показателю пластмассы занимают первое место. Коэффициент конструктивного качества кирпичной кладки составляет 0,02 (самый низкий из всех строительных материалов), бетона обыкновенного марки 150—0,06, стали марки Ст.З— 0,5, сосны — 0,7, дюралюминия—1,6, СВАМ — 2,2 и, наконец, дельта-древесины — 2,5. Таким образом, по коэффициенту конструктивного качества слоистые пластики являются непревзойденными до сих пор материалами, из них можно создавать самые прочные и самые легкие конструкции.

Теплопроводность плотных пластмасс колеблется от 0,2 до 0,6 ккал/м*ч*град. Наиболее легкие пористые пластмассы имеют теплопроводность всего лишь 0,026, т. е. их коэффициент теплопроводности приближается к коэффициенту теплопроводности воздуха. Совершенно очевидно, что низкая теплопроводность пластмасс позволяет широко использовать их в строительной технике.

Ценным свойством пластических масс является химическая стойкость, обусловленная химической стойкостью полимеров и наполнителей, которые использованы для изготовления пластмасс. Химическую стойкость следует понимать в широком смысле этого термина, включая и стойкость к воде, растворам солей и к органическим растворителям. Особенно стойкими к воздействию кислот и растворов солей являются пластмассы на основе политетрафторэтилена, полиэтилена, полиизобутилена, полистирола, поливинилхлорида. Химически стойкие пластмассы могут быть использованы в качестве строительных материалов при сооружении предприятий химической промышленности, канализационных сетей, а также для изоляции емкостей при хранении агрессивных веществ.

Ценным свойством пластмасс является их способность окрашиваться в различные цвета органическими и неорганическими пигментами. При подборе красителей и пигментов для пластмасс приходится, естественно, учитывать возможное химическое взаимодействие между полимером и красителем. Хорошая окрашиваемость пластмасс по всей толщине изделия дает возможность избегать периодических покрасок, чего требуют многие другие строительные материалы и что повышает эксплуатационные расходы.

Высокая устойчивость пластмасс к коррозийным воздействиям, ровная и плотная поверхность изделий, получаемая при формовании, также позволяют в ряде случаев отказаться от окрашивания. К качеству окраски пластических масс, применяемых как строительный материал, должны быть предъявлены значительно более высокие требования, чем к качеству окраски пластмасс, используемых, например, в самолетостроении и машиностроении. Это объясняется тяжелыми условиями службы строительных материалов и продолжительностью службы зданий. К покраске их должны быть предъявлены высокие требования в отношении устойчивости к атмосферным воздействиям, в частности к наиболее активному фактору — действию света.

Большой интерес представляет такое свойство пластмасс, как их низкая истираемость, т. е. способность сопротивляться истирающим усилиям. Это открывает большие перспективы для широкого применения пластических материалов в конструкциях полов. Испытания полов на основе полимеров дали хорошие результаты. Так, истираемость поливинилхлоридных плиток для полов составляет 0,05, линолеума глифталевого 0,06 г/см2.

Очень ценным свойством некоторых пластических масс без наполнителя является их прозрачность и высокие оптические свойства. Многие из них называются органическими стеклами и могут при снижении их стоимости найти достаточно широкое применение как материалы с более высокими свойствами, чем силикатное стекло. Органические стекла отличаются высокой прозрачностью и бесцветностью, но могут быть легко окрашены в различные цвета. Они пропускают лучи света в широком диапазоне волн, в частности ультрафиолетовую часть спектра, причем в этом отношении превосходят в десятки раз обычные стекла. Следует отметить их значительно меньший объемный вес. Так, объемный вес «стекла» из полистирола 1060 кг/м3, а обычного оконного 2500 кг/м3. Коэффициенты преломления полиметилметакрилатных и полистирольных «стекол» весьма близки к коэффициенту преломления обычного оконного стекла (1,52). Прозрачность органических стекол по сравнению с принятой за 100 (для алмаза) колеблется в пределах от 83 до 94 (для полиметилметакрилата). Органические стекла отличаются легкостью формования, так как требуют лишь незначительного нагрева. Достаточно высокие прочностные характеристики позволяют широко применять эти стекла в строительстве.

Ценнейшим свойством пластмасс является легкость их обработки — возможность придавать им разнообразные, даже самые сложные, формы. Бесстружечная обработка этих материалов (литье, прессование, экструзия) значительно снижает стоимость изготовляемых изделий. Столь же целесообразна по технологическим и экономическим соображениям станочная их переработка (пиление, сверление, фрезерование, строгание, обточка и др.), позволяющая полностью использовать стружку и отходы (при применении термопластичных полимеров).

Возможность склеивания пластмассовых изделий как между собой, так и с другими материалами, например с металлом, деревом и др., открывает большие перспективы для изготовления различных комбинированных клееных строительных изделий и конструкций.

Легкая свариваемость материалов из пластмасс (например, труб) в струе горячего воздуха позволяет механизировать и рационализировать некоторые виды строительных работ, в частности санитарно-технические.

Простота герметизации мест соединений и сопряжений для материалов из пластмасс позволяет широко их использовать в гидроизоляционных и тазоизоляционных конструкциях. Это свойство хорошо сочетается с легкой способностью пластмасс давать тонкие и прочные газо- и водонепроницаемые пленки, которые могут быть применены как надежный недорогой и удобный материал в гидроизоляционных и газоизоляционных конструкциях.

Способность многих из этих пленок не разрушаться под действием органических растворителей дает возможность применять их как изоляционный материал при строительстве бензохранилищ и других хранилищ для светлых нефтяных продуктов, имеющих очень широкое распространение в народном хозяйстве. Свойство пластмасс образовывать тонкие пленки в сочетании с их высокой адгезионной способностью по отношению к ряду материалов делает их незаменимым сырьем для производства на их основе лаков и красок. Лакокрасочные материалы среди других видов строительных материалов на основе полимеров будут особенно быстро и успешно развиваться как наименее полимероемкие. Понятие полимероемкости строительного материала является чрезвычайно ценным для перспективного планирования развития производства строительных материалов на основе полимеров.

При установлении этого понятия следует иметь в виду две составляющие полимероемкости — количественное содержание полимера в данном материале и абсолютный вес данного материала, приходящегося на единицу площади конструкции (стены, пола, кровли). Так, например, при использовании полиэтиленовой пленки толщиной 0,085 мм весом 80 г для двухслойной гидроизоляции площадью 1 м2 требуется 160 г полиэтилена, так как эта пленка состоит из чистого полиэтилена. Следовательно, полимероемкость полиэтиленовой пленки равна 160 г/м2. Полимероемкость поливинилхлоридного линолеума с 50% полимера, 1 м2 которого весит 2600 г, составит = 1300 г/м2. Низкую полимероемкость имеют окрасочные составы на основе полимеров — 50—75 г\м2. На широкое внедрение могут рассчитывать только те строительные материалы на основе полимеров, которые будут иметь низкий коэффициент полимероемкости.

К положительным свойствам пластмасс следует отнести также неограниченность и доступность сырьевой базы, на которую опирается промышленность полимеров, являющихся основой производства пластических масс. Синтетические пластики, на которые ориентируется развитие промышленности пластических масс, получают путем химических превращений на основе реакций поликонденсации и полимеризации из простейших химических веществ, которые в свою очередь получают из таких доступных видов сырья, как уголь, известь, воздух, нефть, газы и т. д.

К недостаткам пластмасс как строительного материала должен быть отнесен их низкий потолок теплостойкости (от 70 до 200°С). Это относится к большинству пластических масс и только некоторые типы пластиков, например кремнийорганические, политетрафторэтиленовые, могут работать при несколько более высоких температурах (до 350°С). Правда, этот недостаток может ощущаться лишь при нижнем пределе этой теплостойкости. Особенно важна теплостойкость для кровельных материалов на оснозе пластмасс, так как на кровле за счет радиации температура на поверхности материалов в некоторых географических районах может достигать 85°С.

Существенным недостатком пластических масс является их малая поверхностная твердость. Для пластмасс с волокнистыми наполнителями она достигает 25, для полистирольных и акриловых пластиков—15 кГ/мм2. Наиболее низкой твердостью отличаются целлюлозные пластики (этролы) — 4 —5 кГ/мм2 (у стали этот показатель около 450). Твердость по Бринеллю равна (в кГ/мм2): бумажных пластиков 25—30, текстолита — 35, асботекстолита — 45, дельта-древесины— 20, органического стекла — также примерно 20.

Значительным недостатком пластмасс является их высокий коэффициент термического расширения. Он колеблется в пределах (25—120) 10-6, в то время как для стали он равен всего) 10*10-6. Высокий коэффициент термического расширения пластмасс следует учитывать при проектировании строительных конструкций, особенно большеразмерных элементов, например стеновых панелей, Большой коэффициент термического расширения пластмасс: в сочетании с малой теплопроводностью обусловливает значительные остаточные внутренние напряжения, которые могут быть причиной появления трещин в строительных изделиях при резких изменениях температур. Совершенно очевидно, что эти напряжения особенно значительны при армировании пластмассовых изделий металлом.

Не следует игнорировать и еще одно отрицательное свойство пластмасс — их повышенную ползучесть. Даже жесткие типы пластмасс с минеральными порошкообразными наполнителями в гораздо большей степени, чем это наблюдается для керамических материалов, бетонов и металлов, обладают медленно развивающимся пластическим течением — ползучестью, сильно возрастающей даже при сравнительно незначительных изменениях температур.

Существенным недостатком пластмасс является их горючесть. Однако есть все основания полагать, что в ближайшее время этот недостаток будет преодолен. Разрабатывая новые виды полимеров — не только карбоцепные, т. е. те, основная цепь которых состоит из углеродных атомов, но и гетероцепные, основная цепь которых наряду с углеродными содержит также и другие атомы, и в первую очередь кремния, — химическая промышленность дает строительству новые виды трудносгораемых пластмасс.

Как отрицательное свойство некоторых пластмасс следует отметить их токсичность. Последняя в ряде случаев зависит не только от токсичности самих полимеров, но и токсичности тех компонентов, которые входят в пластмассы (стабилизаторы, пластификаторы, красители). Токсичность полимерных строительных материалов изучена еще недостаточно, и этому вопросу следует уделить серьезное внимание, так как это особенно важно для тех пластмасс, которые применяют во внутренней отделке жилых помещений и в системах водоснабжения.

К неизученным свойствам пластмасс следует отнести их долговечность. Между тем вопросы долговечности материалов, изменяемости их свойств во времени являются решающими и определяющими возможность и целесообразность их применения в строительстве.