2.9. Внедрение пластмасс в архитектурно-строительную практику. Эксплуатационно-технические и эстетические свойства пластмасс. Номенклатура и ассортимент строительных материалов

Искусственные полимерные материалы (пластмассы) широко вошли в материальную палитру строителей и архитекторов только в середине ХХ в., однако их внедрение в архитектурно-строительную практику было подготовлено выдающимися успехами химии и технологии еще за столетие до этого. Большая заслуга в создании новых материалов принадлежит русским ученым, среди которых видное место принадлежит создателю теории химического строения А.М. Бутлерову [2, 4].

Несмотря на молодость, пластмассы прочно заняли свое место в ряду современных строительных материалов. В настоящее время пластмассы называют материалами будущего, а XXI столетие – веком синтетических материалов. Это объясняется наличием у пластмасс целого комплекса ценных свойств, таких как высокая прочность при малой средней плотности, низкая теплопроводность, стойкость к различным агрессивным воздействиям, хорошая декоративность, возможность получения изделий любой самой сложной конфигурации, легкость в обработке, хорошая свариваемость и склеиваемость между собой и другими строительными материалами (древесиной, металлом и др.).

Вместе с тем пластмассы не лишены недостатков. Большинство из них горючи, обладают невысокой теплостойкостью (от 60 до 200 ⁰С), под действием высоких температур и длительных нагрузок проявляют большие пластические деформации (ползучесть), длительное воздействие солнечных лучей, повышенной температуры совместно с кислородом воздуха приводят к «старению» пластмасс, большинство из них достаточно дороги.

Начало промышленного производства полимерных материалов относится к 1862 г., когда на Всемирной выставке в Лондоне специалист по художественной обработке металла А. Паркс продемонстрировал новый синтетический материал для формования декоративных элементов. В 1870 г. печатник Дж. Хайэт предложил в качестве заменителя слоновой кости для биллиардных шаров разработанный им целлулоид. Однако многие полимерные материалы были открыты задолго до этого: стирол – в 1831 г., меламин – в 1834 г., винилхлорид – в 1835 г., полиэфир – в 1847 г. и т.д. Но ни один из них не был внедрен раньше ХХ столетия.

Сегодня трудно назвать точную дату, когда был запроектирован и построен первый дом с применением пластмасс. Считают, что это был Даймекшн-хауз, созданный по проекту Б. Фуллера в 1927 г. Конструкции этого висячего на единственной опоре дома из винилпластовых панелей весили около 2 т. Начиная с 1933 г., когда на Чикагской выставке был продемонстрирован жилой дом Вини-лайт-хаус из панелей типа сэндвич, сооружения из полимерных материалов стали непременными экспонатами всех всемирных выставок. А выставка в Японском городе Осака в 1972 г. стала своеобразным парадом архитектуры из пластмасс.

Этапом в освоении полимерных материалов в несущих и ограждающих конструкциях зданий можно считать «Дом будущего», построенный в США в 1955…1957 гг., и «Дом-улитку», сооруженный по проекту французских архитекторов в 1956 г. Эти постройки продемонстрировали широкие технические и формообразующие возможности новых материалов и прежде всего конструкционных стеклопластиков, отличающихся высокой прочностью, малой плотностью, возможностью создавать пластические формы.

В 50…60-е годы ХХ в. ведется экспериментальное проектирование и строительство домов с широким применением пластмасс и в нашей стране. К этому времени в строительную практику прочно входят отделочные, гидро- и теплоизоляционные пластмассы.

В последующие годы в ряде стран с успехом проектируются и изготовляются дома контейнерного и передвижного типа, в которых широко используются многие полимерные и композиционные материалы и алюминиевые сплавы. Компактность и легкость таких конструкций позволяют осуществить их доставку в районы Крайнего Севера, использовать для экстренного расселения в районах стихийных бедствий и др. Под руководством Ф. Отто в 1971 г. разработан проект пневматического покрытия арктического города из светопрозрачной двухслойной синтетической ткани и сетки из полиэфирных тросов. Этот проект не был осуществлен, но его воплощение вполне реально.

Самый длинный пластиковый мост с армированными пролетами находится в гольф-клубе Эберфелди (Великобритания), длина главного пролета моста составляет 63 м, а общая длина – 113 м.

Современные пластмассы представляют собой многокомпонентные системы, основой которых является связующее. Связующее состоит из искусственных высокомолекулярных соединений – полимеров (смол). В состав пластмасс также входят наполнители (органические – древесная мука, шпон, стружка, опилки, бумага; неорганические – кварцевая мука, каолин, тальк; волокнистые – асбест, стекловолокно, стеклоткань), которые способствуют уменьшению расхода связующего, снижению стоимости самих пластмасс, предотвращению усадки при отвердевании, повышению механической прочности. Однако, некоторые пластмассы (например, полиэтилен, оргстекло, полистирол) состоят только из синтетической смолы без наполнителя.

В пластмассы также вводят пластификаторы (трибутилфосфат, трикрезилфосфат и др.), снижающие хрупкость, увеличивающие гибкость, эластичность и относительное удлинение; стабилизаторы, способствующие сохранению физико-механических свойств пластмасс во времени и снижающие скорость деструктивных процессов; антистатики (сажа, графит, порошки металлов), которые уменьшают электризацию полимерных материалов в процессе их переработки и эксплуатации; пигменты (органические – нигрозин; минеральные – охра, сурик, ультрамарин, белила), применяемые для окрашивания пластмасс; отвердители, ускоряющие процессы отвердевания полимеров и образования пространственной трехмерной структуры; порообразователи, служащие для получения газонаполненных пластмасс; антипирены, повышающие стойкость против возгорания.

Наиболее широко полимерные материалы используются для высококачественных отделочных работ (декоративные пленки, линолеум, бумажнослоистый пластик и др.), теплоизоляции (пено-, поро- и сотопласты), гидроизоляции и герметизации (пленки, прокладки, мастики), для санитарно-технического оборудования (трубы, рукомойники, ванны и др.), в малых архитектурных формах (поручни, плинтуса и др.).

Материалы для несущих и ограждающих конструкций получили большое распространение в архитектурно-строительной практике благодаря прочности, стойкости к атмосферным воздействиям и агрессивным средам, огнестойкости.

Полимербетоны – композиционные материалы, в которых заполнителем является кварцевый песок, щебень из базальта и гранита, бой кислотоупорного кирпича, кокс, антрацит, графит, а роль связующего выполняют различные полимеры (полиэфирные, эпоксидные, фурановые и др.). Для уменьшения хрупкости полимербетона применяют волокнистые наполнители: асбест, стекловолокно.

Полимербетоны обладают химической стойкостью, высокими прочностными показателями. Их применяют для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, а также для ремонта железобетонных конструкций, так как полимербетон обладает хорошей адгезией.

Бетонополимеры – затвердевшие бетоны, пропитанные полимером. В результате прочность бетонополимера на сжатие увеличивается в 2…10 раз, на растяжение – в 3…10 раз по сравнению с исходным бетоном.

Стеклопластики – композиционные материалы, изготовляемые из стеклянных волокон или тканей, связанных полимером (эпоксидные, фенольные, полиэфирные и другие смолы).

Выпускают следующие разновидности стеклопластиков: на основе ориентированных волокон (СВАМ), на основе нитей (АГ-4С, АГ-4В), на основе рубленых волокон (полиэфирный стеклопластик МРТУ-21) и на основе тканей или матов (стеклотекстолиты, КАСТ).

Эти материалы обладают большой прочностью, легкостью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью и используются для строительных конструкций, емкостей и труб, соприкасающихся с агрессивной средой.

Сравнительные характеристики стеклопластиков по сравнению с другими конструкционными материалами представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Сравнительные характеристики стеклопластиков с другими материалами

Физико-механические характеристики	Стеклопластик	Стекло	Природный камень (гранит)	Сталь	Тяжелый бетон	Древесина (сосна)
Средняя плотность, г/см3	1,6…2,0	2,2	2,5…2,7	7,8	1,8…2,5	0,5
Предел прочности при сжатии, МПа	410…1180	35	80…280	410…430	40…60	40…80
Предел прочности при изгибе, МПа	690…1240	25…50	4…15	400	3…6	80
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·0С)	0,3…0,35	0,45	3,49	46	1,2…1,9	0,04…0,1

Бумажнослоистые пластики – изготавливают из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанных полимером. Пластик выпускают в виде листов длиной 1…3 м, шириной 0,6…1,0 м, толщиной 1…5 мм с разнообразными рисунками. Изделия хорошо пилятся, сверлятся и фрезеруются.

Оргстекло (полиметилметакрилат) почти полностью прозрачно (90 %), пропускает ультрафиолетовое излучение (75 %, обычное силикатное стекло – только 0,6 %), по сравнению с обычным стеклом обладает меньшей хрупкостью, лучшей обрабатываемостью. Изготовляется в виде прозрачных листов длиной до 1,5 м, шириной от 400 до 600 мм при толщине 0,8…24 мм. Применяется оргстекло в светопрозрачных покрытиях и стенах теплиц, карнизов, оранжерей, в световых фонарях и др.

В последнее время на основе полимерных материалов изготавливают целые строительные конструкции и оболочки (рис. 2.64).

Рис. 2.64. Типы оболочек из пластмасс: 1, 2 – с одно- и двухосным расположением элементов; 3, 5 – цилиндрические; 4, 6 – призматические; 7 – замкнутая; 8 – висячая; 9, 10 – эллиптическая и пирамидальная; 11, 12 – сферическая и многогранная; 13 – замкнутая эллиптическая; 14 – висячая эллиптическая; 15, 16 – гиперболические; 17, 18 – шатровые гиперболические; 19, 20 – воронкообразная и зонтичная гиперболические; 21, 22 – седловидная и с центральной опорой

Благодаря быстроте сборки и разборки, большой вместительности зарекомендовали себя надувные полимерные конструкции. Так в 2004 г. в Лондоне был использован надувной сберегающий шатер для защиты реставрируемого корабля (рис. 2.65).

Рис. 2.65. Надувной сберегающий шатер. Лондон, Англия, 2004 г.

В Южной Корее изготовлен надувной павильон (рис. 2.66), похожий на червяка, который применяется для проведения пресс конференций во время крупных спортивных мероприятий.

Рис. 2.66. Надувной павильон. Южная Корея, XXI в.

Широко применяются полимерные составы для изготовления полов.

Линолеум выпускают безосновный и на теплоизоляционной основе (тканевой, войлочной, вспененной). Линолеум изготовляют с гладкой и рельефной поверхностью, различных цветовых оттенков. Он обладает стойкостью к истиранию, декоративностью, биостойкостью и служит 20…25 лет.

Сверхтвердые древесностружечные плитки применяют для устройства водостойких полов. Однако при сборке пола получаются швы.

Бесшовные полы устраивают, применяя состав на основе водоразбавляемой поливинилацетатной эмульсии. Эмульсию получают в мешалке, смешивая полимер, воду, наполнитель (молотый песок, зола) и пигмент. Готовую смесь в 2…3 слоя наносят распылителем на подготовленное основание.

Полимербетонные наливные полы получают смешением связующего (полимер + пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и др.) с порошкообразным наполнителем и заполнителем (песок, щебень или гравий). Наливные полы обладают химической стойкостью и способны выдерживать тяжелые нагрузки.

Санитарно-технические и погонажные изделия очень быстро и надолго вошли в строительную практику.

Пластиковые трубы получают из поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена экструзивным способом, прессованием, сваркой или склеиванием листовых заготовок. Такие трубы в 3…6 раз легче стальных и чугунных, обладают высокой коррозионной стойкостью, легко пилятся, сверлятся. Их используют при сооружении канализационных и водопроводных сетей, вентиляционных каналов.

Стеклопластиковые трубы изготовляют из полиэфирных полимеров, стекложгута, стеклоткани центробежным методом. Стеклопластиковые трубы значительно прочнее других полимерных труб, они выдерживают температуру до 150 ⁰С.

Санитарно-технические изделия в виде ванн, моек, раковин, сифонов, смывных бочков, смесителей и др. изготовляют из полиметилметакрилата, полипропилена, стеклопластиков. Эти изделия дешевле фаянсовых или чугунных, отличаются малой массой, высокой коррозионной стойкостью.

Погонажные изделия (плинтуса, поручни лестничных перил, наличники, уголки) изготавливают на основе поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола, органического стекла. Такие изделия имеют гладкую поверхность, окрашиваются в различные цвета.

Полимерные клеи и мастики также получили широкое распространение в архитектурно-строительной отрасли.

Клеи изготовляют из различных полимерных смол, каучуков и производных целлюлозы. Для регулирования свойств в клеи вводят растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители. Полимерные клеи обладают хорошей адгезией и водостойкостью. С их помощью можно склеивать древесину, пластмассу, металлы, керамику, стекло, природные и искусственные камни. Широко применяются полимерные клеи для ремонта железобетонных конструкций.

Мастики – высоковязкие полимерные композиции, способные склеивать различные материалы, покрывать поверхность конструкции довольно толстым слоем для предохранения их от коррозии, заполнять щели, пустоты, отверстия для получения гладкой поверхности или обеспечения герметичности.