Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за 17.09.2015

14.1. Общие сведения о полимерах и их получение

Некоторые органические вещества обладают способностью об­разовывать очень большие молекулы из исходных коротких звень­ев (радикалов). В зависимости от образующихся связей между зве­ньями (ионных или ковалентных) различают ионный и радикаль­ный[8] механизмы укрупнения молекул. Макромолекулы полиме­ров изображают в виде элементарного звена, заключенного в скоб­ки (например: [ — СН2—СН2—]„), где п — показатель полимери­зации (число элементарных звеньев в макромолекуле).

Показатель полимеризации определяют по формуле

п = М/ т,

где М — молекулярная масса полимера; т — молекулярная масса элементарного звена.

У мономеров п = 1. Соединения с п > 1 называются олигомера­ми, если п мало, и полимерами, если п велико. Самые длинные из известных — макромолекулы ДНК. У них п достигает 109… Ю10.

По происхождению полимеры подразделяются на три группы: природные (целлюлоза, натуральный каучук); модифицирован­ные, получаемые химической обработкой природных полимеров (эфиры целлюлозы, целлулоид, резина); синтетические, получа­емые из мономеров.

Разрыв двойной связи и образование Рост Обрыв н 1 радикалов Н н 1 цепи Н 1 н 1 н 1 н 1 н 1 Н цепи і 1 с 1 —*■ — с ) -с- 1 — х-С- | 1 с- 1 1 с- 1 с- 1 -с- 1 С-х | 1 н 1 н 1 н 1 н 1 н 1 н 1 н 1 н 1 н Этилен Радикалы Макромолекула (газ) полиэтилена

Рис. 14.1. Реакция полимеризации на примере получения полиэтилена

Побочный

+ ИН20

Синтетические полимеры в зависимости от процесса их полу­чения подразделяются на полимеризационные и поликонденса — ционные. Если радикалы образуются в результате разрыва двой­ных связей, то процесс укрупнения молекул называется полиме­ризацией (рис. 14.1). Если свободные связи образуются за счет от­щепления от мономеров функциональных групп (активных кон­цевых атомов или их сочетаний), то процесс называется поликон­денсацией (рис. 14.2). При поликонденсации, в отличие от полиме­ризации, происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов. Некоторые полимеры (полиуретаны, эпоксидные смо­лы) получают в результате ступенчатой полимеризации (поли­присоединения). В этом случае молекулы мономера образуют вна­чале короткие молекулярные цепочки (преполимеры), которые затем соединяются в макромолекулы.

Реакции образования полимеров протекают в три стадии.

1. Инициирование реакции. Реакция полимеризации не начи­нается сама по себе. Необходимо затратить энергию для разрыва двойной связи, в результате чего образуются свободные радикалы или ионы. Это происходит под влиянием теплоты, света, радио­активного облучения и в присутствии 0,1… 1,0 % инициаторов — веществ, содержащих в своих молекулах неустойчивые химиче­ские связи (О — О, N —N, S — S, О —N и др.), которые разрыва­ются гораздо легче, чем связи в мономере.

В отличие от полимеризации поликонденсация происходит са­мопроизвольно при взаимодействии функциональных групп.

2. Рост цепи. При полимеризации происходит последователь­

ное присоединение мономерных радикалов к растущей полимер­ной цепи по схеме [—А — ]„ + —А > [—А — ]я+При этом мак­

ромолекула должна оставаться свободным макрорадикалом.

При поликонденсации происходят независимые друг от друга акты объединения мономерных радикалов и образующихся из них цепочек по схеме [—А—]х+ [-А — ]у-> [—А — ]х + у. По такой же схеме протекает реакция полиприсоединения, однако она явля­ется разновидностью полимеризации, так как активные центры образуются в результате разрыва двойных связей.

3. Обрыв цепи. Конец процесса связан с исчезновением сво­бодной связи у последнего звена макромолекулы, например в ре­зультате присоединения вещества с одной функциональной свя­зью: х— [— А — ]п—х.

Процесс поликонденсации может прекратиться также вслед­ствие недостаточного количества одного из мономеров.

Асфальтовый бетон получают в результате отвердевания асфаль­тобетонной смеси, состоящей из битумного связующего (смесь битума и минерального порошка) и заполнителей — мелкого (пес­ка) с диаметром зерен до 5 мм и крупного (щебня или гравия) с диаметром зерен 5…40 мм. Асфальтовые бетоны подразделяются на мелкозернистые с диаметром зерен до 15 мм; среднезернистые с диаметром зерен до 25 мм; крупнозернистые с диаметром зерен до 40 мм. Если в составе заполнителей используется только песок, то материал называется асфальтовым раствором. Асфальтовый ра­створ содержит обычно 9… 11 % битума по массе. Расход битума в асфальтобетонах составляет примерно 4…9%.

Асфальтовые бетоны применяются для устройства дорожных, тротуарных, аэродромных покрытий, укрепления и гидроизоля­ции откосов гидротехнических сооружений, для устройства полов в промышленных цехах, складских помещениях и для других це­лей. Асфальтовый раствор используется в основном для тех же целей, но по сравнению с асфальтобетоном он обладает более высокой деформативной способностью, что требует применения высоковязких битумов. Укладку этих материалов осуществляют чаще всего в горячем состоянии. В некоторых случаях для верхних слоев дорожных покрытий или при ремонтных работах используют хо­лодные составы на битумных растворителях (лигроине и др.). Иногда холодный асфальт изготавливают на битумной эмульсии.

Асфальтовое связующее. Помимо битума асфальтовое связую­щее содержит тонкомолотый минеральный наполнитель, части­цы которого рассматриваются как центры активного структуро — образования, образующие вокруг себя ассоциаты из асфальтенов и смол битума. По этой причине концентрация минерального по­рошка в асфальтовом связующем для битумов, богатых асфальте­нами, должна быть меньше, чем для битумов, обедненных этой фракцией. Для битумов БНД-60/90 и БНД-90/130 эта концентра­ция равна 55… 60, а для БНД-130/200 и БНД-200/300 она состав­ляет 65… 70 %.

Увеличение содержания минерального порошка повышают вяз­кость и предел текучести, а также твердость и прочность связую­щего. При этом снижаются деформативные свойства и удобообра — батываемость смеси, понижается адгезия. Превышение оптималь­ного содержания минерального порошка приводит к увеличению пористости и снижению прочности асфальтобетона.

Заполнители. Чем крупнее заполнители, тем меньше расход асфальтового связующего и ниже стоимость асфальтобетона. С уве­личением размера зерен возрастают прочность, твердость и теп­лостойкость бетона, но снижаются деформативность и удобоукла — дываемость асфальтобетонной смеси.

Твердение горячего асфальтобетона продолжается несколько часов. При охлаждении битума в нем происходят структурные из­менения, связанные с постепенным выделением из переохлаж­денной дисперсионной среды твердых частиц с наибольшей мо­лекулярной массой. Дисперсная система при этом увеличивает вязкость. Микроструктура битумной фазы зависит от скорости охлаждения. При медленном охлаждении происходит образование частично-кристаллической структуры. При быстром понижении температуры растет содержание стекловатой фазы, что понижает долговечность связующего.

Прочность асфальтобетона как на сжатие, так и на растяжение невысока. Если у цементного бетона прочность составляет в сред­нем 20…60 МПа, то у асфальтобетона при нормальной температу­ре — только 5… 10 МПа. С понижением температуры прочность асфальтобетона возрастает и при -15 °С может достигать 15… 20 М Па. При водонасыщении прочность асфальтобетона снижается.

Долговечность асфальтобетона определяется воздействием среды как на его органическую, так и на минеральную составляющие. В условиях атмосферы битумы быстро стареют. В условиях посто­янного пребывания гидроизоляции под водой главным фактором разрушения является поглощение битумом воды и его набухание. Интенсивность этих процессов зависит от химического состава битума и минерального наполнителя и растет с увеличением ко­личества водорастворимых веществ в битуме (особенно кислот и щелочей) и длительности контакта с водной средой. С понижени­ем марки битума растет его водопроницаемость.

В чистых битумах диффузионное водопоглощение идет интен­сивно, и уже через три года строительные битумы разрушаются. Наиболее агрессивное воздействие на битумы оказывают щелоч­ные и кислотные растворы. Далее по агрессивности следуют мор­ские воды, минерализованные грунтовые и пресные воды. Спо­собность битумов противостоять действию агрессивных вод зави­сит от структуры битума. Чем меньше непредельных связей в мак­ромолекулах битума, тем выше его стойкость. Для повышения во­доустойчивости необходимо либо наполнить битум минеральным наполнителем, либо совместить его с полимерными добавками (см. подразд. 13.8).

Для получения коррозионно-стойкого асфальтобетона вид за­полнителей и наполнителей выбирают с учетом химического со­става воды-среды. Кислые породы (кварцевые пески, кварциты, гранит) нестойки в щелочной среде, в которой наиболее стойки­ми являются карбонатные породы. Однако последние разрушают­ся в кислых и углекислых водах.

Повышение долговечности асфальтобетона возможно путем создания плотной водонепроницаемой структуры. Высоконапол — ненные и плотные гидротехнические асфальтобетоны с первона­чальной пористостью менее 3 % вполне водоустойчивы — их во — допоглощение через 10 лет не превышает 6%, а коэффициент размягчения (отношение пределов прочности на сжатие водона­сыщенного и сухого образцов) около единицы. Пористые асфаль­тобетоны, наоборот, с первоначальной пористостью 3…5% по­степенно разуплотняются в воде, и их водопоглощение достигает 15%, а коэффициент размягчения уменьшается до 0,5.

Опалубка для асфальтобетона не должна иметь адгезии к биту­му. На металлическую опалубку наносят антиадгезионное покры­тие.

Кровли, выполненные с применением рубироида и пергами­на, недолговечны. Это обусловлено быстрым старением битума и

загниванием картонной основы. Средняя периодичность ремонта таких кровель составляет три года. В то же время в связи с низкой стоимостью эти материалы наиболее выгодны для временных со­оружений со сроком эксплуатации до пяти лет. В капитальном стро­ительстве применяются более долговечные материалы на основе модифицированного битума.

Модифицированный битум. Модифицированный битум получа­ют введением полимерных добавок. При этом существенно возра­стают гибкость при отрицательных температурах[7], теплостойкость, эластичность, сопротивляемость усталостному разрушению, стой­кость к старению. Содержание полимера в связующем обычно не превышает 30 %.

Применяются следующие модификаторы: атактический поли­пропилен (АПП) иногда в смеси с изотактическим (ИПП); сти — рол-бутадиен-стирол (СБС); этилен-пропилен-бутен (ЭПБ).

Качество модифицированного битума определяется:

1) совместимостью битума с модификатором;

2) количеством модификатора, достаточным для того, чтобы произошла фазовая инверсия (непрерывную среду должен обра­зовать полимер, а битум — диспергироваться в ней в виде мель­чайших включений);

3) однородностью смеси.

Битумно-полимерные рулонные кровельные материалы в 4 — 8 раз дороже, чем битумные. Однако срок их службы составляет 15…20 лет, и покрытие из них делают в два слоя (вместо 4…5 слоев битумных материалов).

АПП модифицированный битум не имеет главных недостатков битумных материалов: низкой гибкости на холоде и склонности к старению. Атактический полипропилен является побочным про­дуктом получения изотактического полипропилена и в отличие от последнего содержит звенья различной конфигурации (см. рис. 14.4). Молекулы изотактического полипропилена содержат звенья, отвечающие только одной из этих конфигураций. Атактический полипропилен — эластичный материал, похожий на каучук. Как у любого побочного продукта, свойства АПП варьируются в широком диапазоне. Поэтому он не нашел другого применения, кроме ис­пользования в качестве добавки к битумным связующим. Сохраняя присущие битумам высокие показатели адгезии и водонепроницае­мости, АПП сообщает материалам высокую стойкость к ультрафио­летовому излучению и высокую теплостойкость (выше 120 °С).

АПП относится к пластомерам, поэтому АПП модифицирован­ные материалы имеют эластичность и гибкость на холоде (до -15 °С) ниже, чем у СБС материалов. Сгибание их при укладке на сильном морозе может привести к образованию сетки мелких трещин.

СБС модифицированный битум получают с применением бута — диен-стирольного каучука — продукта сополимеризации бутадие­на и стирола: (-СН2-СН = СН-СН2-)„-(-СН2-СНС6Н5-)ш.

Бутадиен-стирольный каучук, являясь эластомером и имея блоч­ное строение, придает битуму очень высокую эластичность и гиб­кость при температурах до -25 °С. Относительное удлинение СБС модифицированного битума (без основы) достигает 1500%. По теплостойкости (90… 100 °С) он уступает АПП материалам.

В отличие от АПП модифицирования, получаемого путем про­стого механического смешивания, СБС модификация битума пред­ставляет также химический процесс взаимодействия молекул ка­учука и битума, при котором создается трехмерная сетчатая струк­тура макромолекул полимера, обусловленная взаимодействием полистирольных блоков.

Старение СБС модифицированного битума обусловлено разру­шением двойных связей в молекуле каучука, что приводит к умень­шению эластичности. АПП модифицированные битумы более ус­тойчивы к старению, так как молекулы полипропилена не содер­жат двойных связей.

Гибкость является косвенным критерием качества СБС мате­риалов. Лучшие образцы достигают гибкости до -30 °С. Материалы гибкостью выше -20 °С либо имеют недостаточное содержание по­лимера, либо в них использован несовместимый с СБС битум. Такие материалы быстро стареют.

ЭПБ модифицированный битум, получаемый на базе гетеропо­лимера этилен-пропилен-бутена, сочетает в себе преимущества АПП битумов (повышенная теплостойкость и устойчивость к ста­рению) с достоинствами СБС композиций (низкотемпературная эластичность). ЭПБ модификатор выпускается концерном Hills (ФРГ) под названием Vestoplast. Он производится в виде гранул, которые вводятся в расплавленный битум с температурой около 200°С. Чтобы повысить твердость, добавляется АПП (2…3% от массы смеси). Для обеспечения фазовой инверсии требуется доба­вить не менее 16 % модификатора Vestoplast.

ЭПБ модификатор имеет насыщенные связи, что обеспечива­ет невосприимчивость к ультрафиолетовому облучению и низкую степень окислительной деструкции. ЭПБ-материалы наиболее стой­ки к старению.

Свойства модифицированных битумов приведены в табл. 13.3.

Рулонные битумно-полимерные материалы. Их получают с ис­пользованием армирующей основы: стеклоткани, стеклохолста (нетканого материала из стеклянных волокон), полиэстра (нетка­ного материала на основе полиэфирных волокон) и некоторых других (табл. 13.4).

Свойства	Окислен — ный битум	Модифицированный битум
СБС	АПП	ЭПБ
Гибкость на холоде, °С	5	-25	-15	-25
Теплостойкость, °С	70	90… 100	120	120
Стойкость к старению	—	++	+++	+++
Эластичность	—	+++	++	-н-
Сопротивление усталостному разрушению	—	+++	++	++
Способность к наплавлению	+	++	+++	+++
Возможность работы с мате­риалом зимой	—	+++	++	++

Примечание. «-» — неудовлетворительно; «+» — удовлетворительно; «++» — хорошо; «+++» — отлично.

Стеклоткань обладает высокой прочностью при растяжении, но незначительным удлинением при разрыве. Характеристики по­лиэстера значительно лучше, но выше его стоимость. При одина­ковой со стеклотканью прочности его относительное удлинение больше в 10 — 25 раз, что позволяет воспринимать деформации основания без разрушения.

Каждый вид кровельного материала выпускается в двух испол­нениях: для верхнего (К) и нижнего (П) слоя кровельного ковра.

Лицевая поверхность материала для верхнего слоя защищается от воздействия солнечных лучей и кислорода воздуха чаще всего крупнозернистой (песок, гранулят кристаллического сланца и др.) или чешуйчатой (слюда-вермикулит) посыпкой. Для некоторых материалов используют алюминиевую или медную фольгу.

Нижнюю поверхность материала для верхнего слоя и обе по­верхности материала для подстилающего слоя защищают от сли­пания в рулонах мелкозернистым песком или пылевидной посып-

Таблица 13.4 Показатель Вид основы Стеклохолст Стеклоткань Полиэстр Сила разрыва полосы шириной 50 мм, Н Около 400 600… 800 500… 800 Относительное удлинение при разрыве, % 2…4 Около 2 25…50

кой, если предполагается приклеивание полотнищ, а в случае наплавляемых материалов — легкоплавкой полиэтиленовой плен­кой.

Рулонные материалы очень разнообразны (табл. 13.5), однако принципиальные различия между ними сводятся к виду основы и типу модификатора.

На Российском рынке представлена также продукция запад­ных фирм: Imperbel (Бельгия); Icopal, Katepal, Lemminkainen (Фин­ляндия); МИДА (Литва); Polyglass (Италия); Sika-Trocal (ФРГ— Швейцария) и др.

Устройство кровли из битумно-полимерных материалов. Ее осу­ществляют по любому сплошному (деревянному, бетонному и др.) основанию при уклонах от 0 до 45… 50° двумя способами: прикле­иванием и наплавлением.

Приклеивание мастиками осуществляется либо по всей площа­ди, либо пятнами, полосами и т. д. При выполнении «дышащей» кровли воздушные полости между кровельным ковром и основа­нием должны сообщаться с наружным воздухом. «Дышащие» кров­ли устраивают с целью удаления влаги из основания, что бывает необходимо при ремонте старых покрытий и работах в зимнее время. Удаление влаги может быть ускорено увеличением толщи­ны воздушной прослойки, например за счет укладки первого слоя крупнозернистой посыпкой вниз, или применением перфориро­ванного материала.

Применение растворителей для размягчения битумного слоя называется диффузионной сваркой, хотя по своей сути — это раз­новидность приклеивания. Применяются также материалы с кле­ящим слоем.

Наплавление осуществляется чаще всего с помощью газовых горелок (огневым способом). Существует также горячий безогне- вой способ с помощью оборудования инфракрасного излучения. В обоих случаях расплавляют слой модифицированного битума, нанесенного на нижнюю поверхность полотнища, и раскатывают рулон по основанию.

Мягкая битумная черепица. Мягкая битумная черепица, часто называемая гонтом или шинглсом, представляет собой неболь­шие листы с фигурными вырезами по одному краю, имитирую­щими 3…4 черепицы в форме трапеции, шестиугольника, пря­моугольника или волны. Существует много цветовых решений би­тумной черепицы. Этот материал по своей структуре, технологии и применяемым компонентам аналогичен рулонным материалам.

Битумную черепицу можно применять на крышах любой слож­ности, формы и конфигурации с уклоном не менее 10°. При укло­нах 10… 18° необходимо устройство подкладочного гидроизоля­ционного слоя, иначе возможно подтекание влаги при сильных дождях.

Производитель	Материал	Основа	Модификатор	Марки
Компания «Т ехноНИКОЛ Ь» (Москва)	Линокром	Т, X или Э	—	ХПП, ХКП, ТПП, ткп, эпп, ЭКП, ОПП, ОКП (3,0; 4,0; 5,0)
Техноэласт	X или Э	СБС
Бикрост	О, X или Т	—
Экофлекс	X или Э	АПП и (или) ИПП
Унифлекс	X или Т	СБС
Завод «Изофлекс» (г. Кириши)	Изопласт	X или Э	АПП
Изоэласт	X или Э	БС
Кинепласт	Т	АПП + ИПП
Мостопласт	э	ЭПБ
ООО «Завод АК-Мембрана»	Петрофлекс: «Стандарт» «Экстра» «Норд»	Т, X или Э	По специальной рецептуре	П40-3,0 В40-4,5 С110-5,0 К110-5,0
Выборгский рубероидный завод	Бикрост	Т или X	—	—
Бикропласт	Т, X или Э	АПП
ОАО «Завод “ Филикровяя ” » (Москва)	Филизол	Т, X или Э	СБС, АПП
Гидростеклоизол
Фольгоизол

Производитель	Материал	Основа	Модификатор	Марки
Рязанский картонно — рубероидный завод	Рубероид	Картон	—	РКК, РКП
Рубемаст	Картон, X	—	РНК, РНП
Стекломаст	Т	—	-п, — к
Стеклобит	X	—	-п, — к
Элабит	Т, X или Э	Т ермопластичный каучук	-п, — к

Примечание. Условные обозначения, принятые в таблице и при обозначении марок: Т — стеклоткань; X — стеклохолст; Э — полиэстер; О — спецкартон; Ф — фольга; Д — перфорированный стеклохолст; К — крупнозернистая посыпка; М — мелкозерни­стая или пылеватая посыпка; П — защитная пленка. Пример обозначения материалов завода «Изофлекс»: ЭКП-5,0. Здесь первая буква означает материал основы, вторая буква — вид верхнего покрытия, третья буква — вид нижнего покрытия, число — масса 1 м2 материала, кг, что численно примерно равно толщине материала, мм, так как плотность материалов близка к 1 г/см3. Пример обозначения материалов «Петрофлекс»: В 110-4,5 к «Экстра». Первая буква означает материал покрытия: В — вермикулит; К — крошка (гранит); С — гранулят (сланец); П — пленка. Первое число (110) — сила разрыва, кг; второе число (4,5) — масса 1 м2 материала, кг, или толщина, мм. Следующая буква (к) — цвет. Далее указан один из трех классов материала: «Стандарт» (гибкость -5 °С), «Экстра» (-15 °С) или «Норд» (-25 °С).

Битумной черепице не требуется высокая эластичность, как рулонным материалам. Усадка при старении локализуется в пре­делах каждой плитки, что не вызывает напряжений в покрытии.

В России в основном применяется мягкая черепица иностран­ных производителей: ICOPAL, KATEPAL, LEMMINKAINEN (Финляндия); TEGOLA (Италия), MIDA (Литва); GAF, SHINGLE (США), ОНДУЛИН (Франция) и др.

Начало производству битумных рулонных материалов было положено в 1906 г., когда в Великобритании начал работу завод Ruberoid Building Products Ltd, на котором впервые пропитали бумагу битумом.

Рулонные кровельные материалы бывают основные и безоснбвные. Основные материалы изготавливают обработкой ос­новы (кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани, ме­таллической фольги) битумами, дегтями и их смесями. Безоснбвные материалы получают прокаткой смесей, составленных из органи­ческого связующего, наполнителя (порошкообразного или волок­нистого) и добавок (пластификаторов, антисептиков и др.). Эти материалы выпускаются в рулонах шириной около 1 м.

Рубероид изготавливают, пропитывая кровельный картон лег­коплавким нефтяным битумом с последующим покрытием одной или обеих сторон тугоплавким битумом. В состав покровных слоев вводят наполнители и добавки, в том числе полимеры, антисеп­тики и др.

Лицевую поверхность кровельного рубероида покрывают круп­нозернистой посыпкой. На нижнюю поверхность кровельного ру­бероида и на обе стороны подкладочного рубероида наносят мел­козернистую или пылевидную посыпку, предотвращающую сли­пание материала в рулонах. Кровельный картон подвержен гние­нию, поэтому в состав битума вводят антисептик. Рубероид марок РКК-400, РКК-350, РКЦ-400, РКП-350 (ГОСТ 10923-93) пред­назначен для верхнего слоя кровельного ковра, а марок РПП — 300, РПЭ-300 — для нижнего слоя кровельного ковра, на что указывает вторая буква в обозначении. Третья буква в обозначе­нии — вид посыпки: К — крупнозернистая; П — пылевидная; Ц — цветная. Число означает плотность картона, г/м2.

Пергамин — рулонный беспокровный материал, получаемый пропиткой кровельного картона легкоплавким нефтяным биту­мом с температурой размягчения не ниже 40 °С. Он служит под­кладочным материалом под рубероид. Используется пергамин для гидро — и пароизоляции.

Кровельный толь получают пропиткой и покрытием кровельно­го картона каменноугольными или сланцевыми дегтями с посып­кой обеих сторон кварцевым песком или минеральной крошкой. Толь без покровного слоя и посыпки применяют в качестве под­кладочного материала при устройстве многослойных кровель, для паро — и гидроизоляции и т. д.

Гудрокамовые рулонные материалы РГМ-420 и РГМ-350 изго­тавливают путем пропитки кровельного картона и последующего покрытия его с обеих сторон гудрокамом. Эти материалы уклады­вают в многослойные кровельные ковры как на холодных, так и на горячих битумных, дегтевых и гудрокамовых мастиках.

Гидроизол — беспокровный гидроизоляционный рулонный ма­териал, изготовленный пропиткой асбестовой бумаги нефтяными битумами. Асбестовая бумага не гниет и не набухает. Выпускается гидроизол гидроизоляционный марки ГИ-Г и кровельный марки ГИ-К (ГОСТ 7415-86).

Стеклорубероид получают нанесением битумного связующего с двух сторон на стекловолокнистый холст и применяют для верх­них и нижних слоев кровли или гидроизоляции. По ГОСТ 15879 — 70 выпускают стеклорубероид следующих марок: С-РК (с круп­нозернистой посыпкой), С-РЧ (с чешуйчатой посыпкой) и С-РМ (с мелкозернистой посыпкой).

Фольгоизол — двухслойный рулонный материал, состоящий из тонкой рифленой или гладкой фольги, покрытой с одной сторо­ны защитным составом из модифицированного резинобитумного связующего. Он может быть окрашен в различные цвета атмосфе­ростойким лаком или краской. Фольгоизол предназначен для гид­роизоляционного слоя кровельного ковра плоских и водоналив­ных крыш зданий, устройства пароизоляции, герметизации сты­ков и т. д.

Фольгоизол по ГОСТ 20429 — 84 подразделяется на кровельный ФК (для верхнего слоя ковра) и гидроизоляционный ФГ (для уст­ройства защитного покрытия тепловой изоляции трубопроводов).

Изол — безосновный биостойкий гидро — и пароизоляционный рулонный материал, получаемый из резинобитумного связующе­го, пластификатора, наполнителя (тонкомолотых талька, извест­няка и др.), антисептика и полимерных добавок. Армирующим наполнителем являются волокна асбеста. Резинобитумное связую­щее получают в процессе термической девулканизации утильной резины с избытком битума в течение 30 мин при температуре 180…200°С. После этого вводят наполнители. Полученную массу прокатывают на каландровых вальцах.

Достоинствами изола являются высокие растяжимость — не менее 60 %, сохраняющаяся при температуре до -15 °С и гнилос — тойкость. Изол по ГОСТ 10296 — 79 подразделяется на две марки: И-БД (изол без полимерных добавок) и И-ПД (изол с полимер­ными добавками).

Битумные и дегтевые эмульсии. Они представляют собой систе­мы, в которых битум (деготь) диспергирован в воде в виде частиц размером около 1 мкм. Получение битумной эмульсии основано на способности битумных материалов образовывать с водой кол­лоидные растворы в присутствии эмульгаторов. В качестве твердых эмульгаторов используют известь, жирные глины, цемент, ка­менный уголь, сажу. В качестве жидких эмульгаторов используют ПАВ (мыла нафтеновых и других органических кислот, лигносуль — фонаты и т. д.) в сочетании с едким натром, так как устойчивые эмульсии получаются в щелочной среде.

Молекулы водорастворимых эмульгаторов адсорбируются на поверхности диспергированных в воде частиц битума или дегтя, образуя разделительный слой, препятствующий их слипанию.

Эмульсии приготавливают в специальных машинах — дисперга­торах, гомогенизаторах, установках с использованием ультразву­ковых колебаний. Приготовление эмульсии включает в себя: разог­рев битума (дегтя) до температуры 50… 120°С, приготовление и подогрев эмульгатора до температуры 80…90°С, диспергирование связующего в растворе эмульгатора. Содержание битума (дегтя) в обычных эмульсиях составляет 50… 60 %, в пастах — 60… 70 %. Ко­личество водорастворимых эмульгаторов в эмульсии обычно не пре­вышает 3 %; твердых (в зависимости от вида эмульгатора) — 8… 20 %.

Битумные пасты. Они являются высококонцентрированными эмульсиями. Их получают также при использовании твердых эмуль­гаторов. Пасты можно разбавлять водой для получения нужной вязкости. Эмульсии и пасты применяют для грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных и штучных битум­ных и дегтевых материалов, устройства гидро — и пароизоляцион­ного покрытий, а также в качестве связующего вещества при из­готовлении асфальтовых (дегтевых) растворов и бетонов. Мастику готовят, смешивая в мешалках периодического действия битум­ную пасту или эмульсию с наполнителем.

Битумные мастики. В отличие от эмульсий и паст битумные ма­стики содержат наполнители, которые бывают пылевидные, во­локнистые и комбинированные (составленные из двух первых). Пылевидные наполнители получают из отсевов дробления диаба­за, андезита, известняков, доломитов, помолом талька, кирпич­ного боя, различных шлаков. Используют также дисперсные по­роды (трепел, диатомит, мел, каолин) и вяжущие вещества (гипс, цемент, известь-пушонку). Кроме того, применяют сульфид и оксид цинка, диоксид титана, графит, газовую сажу, литопон (белый пигмент — смесь сернистого цинка и сернокислого бария). К во­локнистым наполнителям относятся коротковолокнистая шлако­вата, сечка стекловолокна, торфяная крошка, асбест и др. Напол­нители снижают расход связующего, повышают теплостойкость и твердость мастики. Волокнистые наполнители армируют матери­ал, увеличивая его сопротивление растяжению и изгибу.

Битумные (дегтевые) мастики бывают горячие и холодные.

Горячие мастики применяют нагретыми до 160…200°С. Горя­чие битумные мастики готовят варкой в специальных котлах при постоянном перемешивании. Когда температура битумного спла­ва достигает 160… 180 °С, в него постепенно порциями вводят про­сушенный и подогретый до 180…200 °С наполнитель (10… 30% от массы мастики). Варку продолжают до получения однородной мас­сы и оседания пены. Марки горячих битумных мастик по ГОСТ 2889 — 80: МБК-Г-55… МБК-Г-100[6]. Присутствие в мастике анти­септиков или гербицидов обозначают буквами А или Г (напри­мер: МБК-Г-65А или МБК-Г-85Г).

Дегтевые горячие мастики готовят на основе дегте­вого связующего, составленного путем сплавления каменноуголь­ного пека с антраценовым или каменноугольным маслом и тех же наполнителей. Марки горячих дегтевых мастик: МДК-Г-50…МДК — Г-80.

Гудрокамовая горячая мастика изготавливается из гудрокама, нефтяного битума и наполнителей и обозначается мар­кой МГ-Г-70. Она отличается от битумной повышенной эластич­ностью и адгезионной способностью.

Гудрокам — органическое связующее, получаемое при окис­лении гудрона или нефтебитума с антраценовым маслом в про­порции 1 : 1 при температуре 200… 250 °С. Гудрокам также получа­ют из нефтебитума, пека и антраценового масла в пропорции 3:1:1.

Холодные мастики могут быть приготовлены на разбавлен­ном связующем или на основе эмульгированных битумов (дег — тей).

Мастики на разбавленном связующем содержат органический растворитель, который разбавляет битум и делает его текучим.

При изготовлении мастики битум расплавляют и в варочный котел небольшими порциями при непрерывном перемешивании вводят смесь наполнителя (извести-пушонки, асбеста) с раство­рителем (соляровым маслом или керосином). Перемешивание про­должают до прекращения вспенивания и получения однородной массы.

Мастики, на основе эмульгированных битумов приготавливают, смешивая битумные эмульсии или пасты с ми­неральным наполнителем. В качестве разбавителя для таких мас­тик применяют воду. В отличие от разбавленных мастик эмульси­онные мастики не токсичны, не имеют запаха, стоят дешевле. Их можно наносить на влажную поверхность. Однако они медленно твердеют и не пригодны для сплошного приклеивания рулонных материалов, так как вода как низколетучий растворитель при ис­парении не находит выхода и образует вздутия и пузыри под ру­лонным ковром.

Битумно-полимерные мастики. Битумно-полимерные мастики (БПМ) изготавливают на битумах, модифицированных полимер­ными добавками, улучшающими свойства битума. Они, так же как и битумные, бывают горячими и холодными.

Из горячих БПМ наиболее распространена битумно-бутилкау — чуковая мастика (марок МББ-Г-70 и МББ-Г-80), которую при использовании разогревают до температуры 140… 160 °С. Она при­меняется по бетону для мастичных кровель при уклонах до 10 %.

Перспективны горячие мастики на основе нефтебитума и низ­комолекулярных атактических полиэтилена или полипропиле­на.

Холодные БПМ на органических растворителях («Славянка», «Гиссар-1», «Гиссар-2» и др.) являются высыхающими с содер­жанием сухого остатка (ССО) от 40 до 60 %. В качестве полимер­ного компонента используются инден-кумароновая смола, бутил­каучук, полиизобутилен и др. В состав мастик могут входить рези­новая крошка, асбест, канифоль, пластифицирующие и другие добавки. Эти мастики можно наносить при отрицательной темпе­ратуре.

Битумно-латексные мастики получают на основе ла­тексов — коллоидных растворов (эмульсий, дисперсий) различ­ных каучуков в воде.

Битумно-латексные мастики представляют собой смесь битум­ной эмульсии и латекса, выпускаемого заводами синтетического каучука. Наполнители не вводятся. Эмульгатор для приготовле­ния битумной эмульсии должен обеспечить ее совместимость с латексом. В качестве латексов применяют бутадиенстирольный, дивинил стирольный, хлоропреновый, карбоксил атный, этилен — пропилендиеновый, этиленпропиленовый, нитрильный, акри — латные и др.

По сравнению с органическими растворителями латексы по­зволяют получать экологически менее вредные водоразбавляемые материалы.

Битумно-латексные эмульсии бывают анионные и катионные.

Анионная эмульсия очень устойчива, поэтому перед нанесе­нием в нее вводят коагулятор (например, 5%-й раствор СаС12), чтобы обеспечить ее распад и пленкообразование в покрытии. В ани­онной эмульсии применяют дивинилстирольный (мастаки БЭЛ С), нитрильный (БЭЛН), хлоропреновый (БЭЛКК) и другие ла­тексы.

Катионная эмульсия начинает коагулировать сразу после со­единения битумной эмульсии с латексом, поэтому готовят ее не­посредственно перед нанесением состава. Коагулятор здесь не тре­буется.

Битумно-латексные мастики характеризуются высоким значе­нием относительного удлинения (400…600%) и гибкостью (от -10 до -40 °С).

Битумно-полимерные отверждающиеся масти­ки являются, как правило, двухкомпонентными. Они могут со­держать растворители, снижающие ССО. Так, мастика «Вента» (марка МББ-Х-120) на основе нефтяного битума и бутилкаучу — ка, содержащая 75 % растворителя (ксилола, толуола), имеет ССО = 30 %. Эта мастика отверждается при добавке 0,5 % отверди — теля (парахинондиоксина).

Определение температуры размягчения прибором «Кольцо и шар».

Расплавленный битум заливают в латунные кольца 7 (рис. 13.1), ох­лаждают и устанавливают на среднюю полочку прибора. На битум кладут стальные шарики 5 и помещают прибор в стакан с водой.

Рис. 13.1. Прибор «Кольцо и шар» для определения температуры размяг­чения битума: 1 — термометр; 2 — стеклянный стакан; 3 — стойка штатива; 4 — вода; 5 — шарик; 6 — битум; 7 — кольцо; 8 — нижняя полочка; 9 — верхняя полочка

Рис. 13.2. Пенетрометр:

/ — лимб; 2 — кремальера; 3 — сто­порная кнопка; 4 — перемещающийся стержень с грузом; 5 — игла; 6 — чаш­ка с битумом; 7 — кристаллизатор с водой; 8 — основание

/ 2„ / _________ ^5 gf-Т п / х И………….. ………… в 1 •• /• , ‘

Рис. 13.3. Дуктилометр Дау-Смита (а) и разъемная форма (б):

1 — штифт; 2 — червячная пара; 3 — электродвигатель; 4 — кремальера (зубчатая рейка); 5— металлическая ванна; 6— вода; 7— каретка; 8— подвижная опора; 9 — неподвижная опора; 10 — измерительная линейка; 11 — шестерня; 12 —

битум

ю 00 4^	Таблица 13.2 Вид битума Марка битума Пенетрация, при 2 5 °С Температура размягчения, °С, не ниже Растяжимость при 25°С, см, не менее Температура вспышки, °С, не ниже Температура хрупкости, °С, не выше Дорожный БНД 200/300 201 …300 35 — 220 -20 БНД 130/200 131. ..200 40 70 220 -18 БНД 90/130 91…130 43 65 230 -17 БНД 60/90 61…90 47 55 230 -15 БНД 40/60 40…60 51 45 230 -12 БН 200/300 201 …300 33 — 220 -14 БН 130/200 131.„200 38 80 230 -12 БН 90/130 91.„130 41 80 240 -10 БН 60/90 60…90 45 70 240 -6 Строительный БН 50/50 41 …60 50 40 230 — БН 70/30 21…40 70 3,0 240 — БН 90/10 5…20 90 1,0 240 — Кровельный БНК 40/180 160…210 37 — — — БНК 45/190 160…220 40 — — — БНК 90/30 25.„35 80 — — 10

 

Воду в стакане нагревают и отмечают температуру, при которой шарик, продавив битум, коснется нижней полочки прибора.

Определение глубины проникания иглы (пенетрации). Расплав­ленный битум заливают в металлическую форму, охлаждают и выдерживают в ванне с водой при температуре 25 °С не менее 1 ч, после чего образец в кристаллизаторе 7 (сосуде с водой, имею­щей ту же температуру) ставят на столик пенетрометра (рис. 13.2). Иглу 5 доводят до соприкосновения с поверхностью битума и, нажимая на стопорную кнопку 3, дают ей погружаться в течение 5 с под весом иглодержателя с грузом и иглой 5 (100 г). Глубину проникания иглы определяют по лимбу 1 в градусах пенетрации (Г пенетрации равен глубине погружения иглы 0,1 мм).

Определение растяжимости (дуктильносте). Расплавленный би­тум заливают в латунные формы-восьмерки (рис. 13.3), охлажда­ют и выдерживают в ванне дуктилометра при температуре 25 °С в течение 1,5 ч. После этого проушины формы надевают на штифты 1, убирают боковые части форм и, включив электродвигатель, растягивают битум со скоростью 5 см/мин. Определяют длину об­разца, см, в момент разрыва.

Определение температуры хрупкости. Температуру хрупкости определяют прибором Фрааса, периодически изгибая металли­ческую пластинку с нанесенным на нее тонким слоем битума при медленном его охлаждении с помощью твердой углекислоты. Тем­пература, при которой появляются трещины на поверхности би­тума, принимается за температуру хрупкости.

Марки нефтяных битумов и требования к ним приведены в табл. 13.2.

Дегти — это вязкотекучие продукты конденсации летучих ве­ществ, получаемых при сухой высокотемпературной перегонке различного вида топлив и других органических веществ. Дегти в зависимости от исходного сырья подразделяются на каменно­угольные, буроугольные, сланцевые, торфяные, древесные и не­фтяные.

Пеки являются остатками от перегонки различных органиче­ских веществ и подразделяются на дегтевые, жировые, феноль­ные, восковые и т. д. Дегтевые пеки, являясь остатками от пере­гонки соответствующих дегтей, частично проявляют свойства пос­ледних. Чем сильнее отогнан деготь и, значит, чем тверже пек, тем больше характерных дегтевых черт от теряет.

От битумов пеки отличаются преимущественно содержанием ароматических углеводородов и обилием свободного углерода, обусловливающего интенсивный черный цвет пеков. Для пеков как переохлажденных смесей характерно стекловидное аморфное строение.

Нефтяные битумы по способу получения подразделяются:

1) на остаточные — полученные в остатке как при прямой перегонке нефти, мазута, гудрона, так и при крекинге нефти;

2) окисленные — полученные путем окисления кислородом воздуха (продувкой через расплав при температуре 180…300°С) различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, экстрактов се­лективной очистки масел, крекинг-остатков или их смесей);

3) смешанные — полученные смешиванием различных нефтя­ных остатков с дистиллятами и окисленными или остаточными битумами.

Плотность окисленных битумов ниже, а твердость и темпера­тура размягчения выше, чем у остаточных битумов. Смешиванием продуктов добиваются улучшения основных свойств битумов.

Нефтяные битумы широко используются как связующие и плен­кообразующие вещества для производства лакокрасочных мате­риалов, кровельных и гидроизоляционных мастик, рулонных ма­териалов, а также асфальтовых растворов и бетонов.

При нагревании до сравнительно невысокой температуры (35… 130°С) битумы размягчаются и приобретают способность к вязкому течению. Битумы не имеют точки плавления; их переход из твердого состояния в жидкое происходит постепенно, по мере нагревания. Чем выше температура, тем меньше вязкость битума. Для сопоставления битумов принята условная температура раз­мягчения, при которой битум приобретает стандартную текучесть.

Определяют температуру размягчения с помощью прибора «Кольцо и шар» (см. подразд. 13.5). Способность битума размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении лежит в основе его ис­пользования в качестве связующего вещества в композиционных материалах. Другой особенностью, также предопределившей ис­пользование битума как связующего и пленкообразующего веще­ства, является его растворимость в органических растворителях.

В воде битумы нерастворимы и проявляют водоотталкивающие свойства. Используя эмульгаторы и соответствующую технологию, получают коллоидный раствор битума в воде (битумную эмуль­сию).

Битумы характеризуются высокой адгезией к металлам, кир­пичу, бетону, поэтому применяются для получения приклеиваю­щих мастик.

Материалы на основе битума обладают высокой водостойкос­тью и широко используются для гидроизоляции подводных и под­земных частей сооружений, а также для окраски подводных час­тей речных и морских судов.

В условиях атмосферы из-за склонности к окислению и под действием солнечных лучей битумы быстро стареют, приобрета­ют хрупкость, растрескиваются и дают усадку.

Старение битума происходит в основном по двум механизмам: термодистилляции и термоокислительного старения.

Термодистилляция заключается в испарении из битума летучих компонентов, что приводит к обогащению его тяжелыми фракция­ми, повышению температуры размягчения, охрупчиванию и усадке.

Термоокислительное старение обусловлено реакцией между кис­лородом воздуха и компонентами битума при воздействии тепло­ты и ультрафиолетового излучения. При окислении масла перехо­дят в смолы, которые, в свою очередь, превращаются в асфальте­ны, карбены, карбоиды.

Необходимым условием старения битума является наличие до­статочно большой площади его контакта с воздухом. Поэтому би­тум имеет ограниченное применение для наружных покрытий. Для подземных конструкций и под водой битумные мастики служат достаточно долго. Их целесообразно применять также в качестве приклеивающих. Последние защищены от контакта с воздухом слоем рулонного материала.

Предполагают, что природные битумы образовались главным образом из нефти в результате дегидрогенизации углеводородов с образованием непредельных связей и последующей полимериза­ции. Образовавшиеся из масляной фракции смолы, подвергаясь, в свою очередь, окислительной полимеризации, переходили в асфальтены. Способность смол переходить в асфальтены подтвер­ждается нагреванием их до температуры 260…300 С. Природные битумы встречаются как в чистом виде (без минеральных приме­сей или с незначительным их содержанием), так и в составе биту­минозных горных пород. Это в основном песчаники, известняки и доломиты, поры которых пропитаны битумом. Битум извлекают из измельченной породы вываркой в кипящей воде или экстраги­рованием с помощью органических растворителей. Извлечение битума является целесообразным только в случае его содержания в породе, превышающего 10… 15%. Различают следующие при­родные битумы.

Асфальтовые битумы — пластичные, растворимые, плавкие, обладающие характерными вяжущими свойствами.

Асфальтиты — хрупкие, плохо растворимые, высокоплавкие или почти неплавкие, с сильным или слабым блеском, имеющие темную окраску от темно-коричневой до черной, растворяющие­ся в сероуглероде.

Пиробитумы — нерастворимые и неплавкие, но в результате термической обработки приобретающие и растворимость, и плав­кость.

Озокерит (горный воск) — масса темного цвета. Температура плавления озокерита — 65… 100°С. Его отделяют от горной поро­ды горячей водой. Из озокерита получают церезин. Сплав озоке­рита, парафина и церезина употребляют для пропитки ткани, бумаги, электроизоляционных материалов при производстве ре­зинотехнических изделий.

Плотность природных битумов составляет 1 050…1 150 кг/м3; температура размягчения — 110… 210 °С.

13.1. Состав битумов

Битумы — это смолообразные термопластичные вещества, пе­реходящие в вязкотекучее состояние при нагревании до 80… 180 °С и способные к пленкообразованию без химических превращений.

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекуляр­ных углеводородов и их соединений с кислородом, азотом, серой (элементарный состав: СХНУ — (02; N; S)). Содержание в битуме С составляет 75…85; Н — 8,0… 11,5; О — 0,2…4,0; S — 0,5…7,0; N — 0,2…0,5%.

Для определения группового (фракционного) состава битума используют разделение веществ по температуре кипения или из­бирательному отношению к растворителям. Согласно Ричардсону в битумах различают следующие фракции (в порядке увеличения молекулярной массы и снижения растворимости в органических растворителях): петролены, мальтены, асфальтены, карбены и карбоиды.

Петролены и мальтены — жидкие маслянистые вещества, ра­створимые в петролейном эфире, четыреххлористом углероде (СС14) и сероуглероде (SC2). С повышением их содержания в биту­ме растет его пластичность, растяжимость и адгезия, снижаются твердость и температура размягчения.

Асфальтены — твердые, неплавящиеся хрупкие вещества, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в четырех­хлористом углероде и сероуглероде.

Карбены — твердые вещества, не растворимые в петролейном эфире и четыреххлористом углероде, но растворимые в сероугле­роде.

Карбоиды — твердые вещества, не растворимые в органических растворителях. При повышении содержания в битуме асфальте­нов, карбенов и карбоидов растут твердость, хрупкость, темпера­тура размягчения битума, снижается его растворимость. Содержа­ние карбенов и карбоидов в битуме невелико (0,5…0,8 %), поэто­му их часто относят к асфальтенам.

Битумы рассматривают как сложную коллоидную систему, в которой дисперсионной средой является маслянистая часть (пет­ролены и легкие мальтены), а коллоидной фазой — асфальтены. Смолы (тяжелые мальтены) играют роль стабилизатора, частич-

Таблица 13.1 Фрак­ ция Кон­ систен­ ция Цвет Плотность То, г/см3 Молекулярная масса Содержание в битумах, % при­ родных нефтя­ ных Масла От жид­ких до вязких От бесц­ветных до светло­окрашен­ных 0,6… 1,0 100… 500 15…30 43…46 Смолы От вяз­ких до твер­дых плав­ких От желтых до темно­бурых 1,0…1,1 300.., 1 000 13. „45 15…39 Ас­ фаль­ тены Твер­ дые, не­ плав­ кие От бурых до черных 1,10…1,15 1 000… 100000 32…68 16…41

но адсорбируясь на коллоидах. Свойства компонентов битума (по В. А. Успенскому) представлены в табл. 13.1.