Битумно-полимерные материалы. Обоснованность применения. Нюансы.
Наш российский климат достаточно суров, причем температуры не только достигают низких значений, но и часто «скачут». Мороз не так вреден для кровельного материала, как резкие циклические перепады температур. В Москве, например, средняя годовая температура имеет значение около 14 0С, и это относительно низкая температура, учитывая ее расположение по широте.
Свой «вклад» в понижение среднегодового показателя вносят именно температурные перепады. И аналогичная климатическая ситуация существует на большей части территории России. Количество территорий 2-ой климзоны превышает 60% площади страны. Вторая климзона – зона континентального климата, который часто приобретает резкую выраженность, характеризуемая большим числом циклических перепадов температур. За один день температура способна меняться по модулю даже на 20-300С. Такие явления вызывают быстрые смены значений линейных расширений, испытываемых физическими телами. Итогом температурных деформаций становится довольно быстрый износ ограждающих конструкций зданий, особенно кровли. Результаты практических исследований показали, что широкоизвестные кровельные материалы группы «рубероид» в наших климатических условиях утрачивают свою основную функцию – гидроизоляцию за 3 года максимум. Ежегодные затраты на ремонт рубероидных кровель в России составляют около 4 млрд. рублей. Цифра довольно высокая. Поэтому любое ее снижение, возможность сэкономить не в ущерб качеству выглядит весьма привлекательно. Когда выяснилось, что такая возможность есть, отечественные кровельщики относительно оперативно начали внедрять на рынок качественно новую группу мягких кровельных и гидроизоляционных материалов – рулонных наплавляемых битумно-минеральных на негниющих основах. Они способны служить около 10 лет. Если бы все кровли в России сейчас были изготовлены с применением этих материалов, то ежегодные ремонтные затраты были бы снижены на 25-27% и не превышали бы 3 млрд. рублей.
Однако есть еще более экономичные варианты – самая совершенная на данный момент группа мягких кровельных и гидроизоляционных материалов – рулонные наплавляемых битумно-полимерные на негниющих основах способны снизить годовые затраты на 55-57%. Итого затраты будут составлять не более 1,7 млрд. рублей в год (при условии замены всех рубероидных кровель на битумно-полимерные). Экономический результат не может не вызывать желания их применять. Но на данный момент их «кровельная доля» составляет около 15%. Это обусловлено их более высокой стоимостью по сравнению с аналогами рубероида. В итоге имеет место алогичная реальность – вместо того, чтобы один раз в 20-25 лет потратиться, потребитель делает выбор в пользу менее «тяжелой» по единовременным затратам рубероидной кровли. Факт экономии «когда-то там» потребителя волнует мало, главное, смету в бюджет «втиснуть». Результатом этого становится ежегодное исчезновение в кровельной «бездне» ощутимых сумм денег. Причина такой экономической недальновидности на виду – наше «смутное» время ориентирует потребителя на нерациональную логику, понятную только в России. Впрочем, она «в умах и сердцах» участников практически всех отечественных современных рынков. Но в последние годы все- таки налицо некоторые подвижки в лучшую сторону. В этом году намечается выход правительственного указа, запрещающего применение на стационарных кровлях (а их у нас в стране 99%) материалов типа рубероид. Наконец правительство делает шаг «в народ», приучая потребителя думать об общем будущем, обнаружив экономическую «черную дыру».
В настоящее время большинство исследователей, строителей и проектировщиков не подвергает сомнению тот факт, что использование полимерных модификаторов битума позволяет добиться такой долговечности кровли, которая вполне сопоставима с нормативной долговечностью остальных ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Какие же качества позволяют битумно-полимерным материалам обеспечивать такие эксплуатационные сроки?
Введение в битумно-минеральный компаунд подходящего для российских условий полимерного модификатора придает битумному вяжущему (БВ) и всему кровельному битумно-полимерному материалу (БПМ):
- повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, возникающим при циклических перепадах температур,
- мощные адгезивные свойства,
- морозостойкость,
- низкотемпературную гибкость и эластичность,
- большую стойкость к течению при повышенной температуре.
Мощная адгезия позволяет, во-первых, сэкономить на затратах за счет снижения временных и финансовых издержек при подготовке основания под кровельный ковер при его укладке, во-вторых гарантирует отсутствие отслоений ковра от основы в процессе эксплуатации из-за температурных деформаций, что предотвращает протекания и отрывание кровельного ковра вплоть до обнажения основы.
Отличная сопротивляемость усталостным нагрузкам повышает трещиностойкость ковра, предотвращая образование протечек.
Большая стойкость к течению при повышенной температуре делает возможным применение материалов в районах с жарким летом без нарушения гидроизолирующих свойств, предотвращая их «уплывание» с нужного места и снижение прочностных свойств.
Морозостойкость снижает риск размораживания ковра в периоды осенне-весенних заморозков, повышает устойчивость к температурному растрескиванию.
Низкотемпературная гибкость делает возможной укладку ковра даже зимой при температурах до – 20-400С, допуская проведение работ «не в сезон».
Эластичность улучшает физико-механические показатели материалов, придает стойкость к действию различных нагрузок, обеспечивает синхронизацию мощных линейных расширений кровли с восстановлением первоначальных размеров без нарушения целостности покрова.
Мировая история изготовления БПМ началась в 60-х годах 20-го века.
На российском рынке материалы, при производстве которых также используются полимерные модификаторы (СБС ТЭП в т. ч.), появились в 1995 году.
На производствах БПМ в России наиболее часто применяется полимер-модификатор блочного строения Стирол-бутадиен-Стирольный термоэластопласт-СБС ТЭП (SBS). Это обусловлено тем, что только он может придать вышеперечисленные качества, имея при этом более низкую цену, чем качественные модификаторы с аналогичным действием.
Известно, что битум состоит в основном из трех групп веществ: масел, в том числе ароматической и парафино-нафтеновой природы, смол и асфальтенов; вместе масла и смолы называют еще мальтенами. Битум – сложная дисперсная система, в которой дисперсионной средой являются мальтены, а дисперсной фазой – асфальтены.
Устойчивость системы, в том числе трещиностойкость, теплостойкость и долговечность битума, зависит от соотношения долей мальтенов и степени их сродства. Чем больше сродство, тем более устойчива система, тем медленнее стареет битум. Масла и смолы обеспечивают пептизацию асфальтенов, то есть поддержание их в виде коллоидного раствора.
В высокоокисленных битумах содержание асфальтенов достаточно велико, при невысоких температурах они образуют сплошную структуру в битуме, обеспечивая его вязкостно-эластические свойства и необходимую устойчивость к течению. Такие битума имеют довольно высокую температуру размягчения. Соответственно, чем ниже температура размягчения (чем менее окислен битум) тем меньше в нем асфальтенов.
Кроме того, необходимо отметить, что в процессе окисления битумов количество масел убывает за счет уменьшения содержания низкомолекулярных ароматических компонентов, в то время как парафино-нафтеновые соединения остаются практически неизменными. Следовательно, их доля в маслах повышается, так же как и содержание асфальтенов в битуме в целом. При окислении дисперсионная среда битумов изменяется как количественно (убывает), так и качественно (обогащается парафино-нафтеновыми и тяжелыми ароматическими соединениями, уменьшая сродство дисперсионной среды к асфальтенам).
При введении в битум СБС ТЭП последний адсорбирует ароматические мальтены битума, набухая в них; при этом размеры ТЭП увеличиваются в 6 - 9 раз. Загущая дисперсионную среду, ТЭП активно влияет на свойства всего битума, понижая его температуру хрупкости и пенетрацию и повышая температуру размягчения. У системы появляются признаки эластичности.
При большем содержании ТЭП в битуме (4-8 мас.%) объемная доля набухшего полимера настолько высока, что он выделяется в отдельную фазу: образуется квазидвухфазная система – фаза, обогащенная ТЭП, и фаза, обогащенная асфальтенами. Поведение полимера адекватно поведению высокоактивного эластичного наполнителя битума, армирующего своими волокнами битумную матрицу.
При высокой концентрации полимера (примерно 12 мас. %) происходит инвертация-обращение фаз, и полимер из наполнителя становится наполняемым материалом (матрицей), а битум – наполнителем. Поведение системы битум – полимер напоминает свойства полимера: относительное удлинение при разрыве увеличивается в сотни раз, резко уменьшается остаточное удлинение, улучшаются усталостные свойства и др.
Введение набухающего полимера, как и процесс окисления битума, приводит к уменьшению доли масляной фракции и перераспределению ассоциированных асфальтенами масел. Иными словами, при введении полимера типа СБС ТЭП молекулы последнего «конкурируют» с асфальтенами за мальтены битума. При достаточно высоком содержании полимера количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов, и последние коагулируют в виде твердой фазы – битум «распадается».
Таким образом, чем более окислен битум, тем меньшее количество полимера можно в него ввести без ущерба его коллоидной стабильности. Действительно, подтверждено постоянство суммы асфальтенов и полимеров для критических битумных композиций из одинаковых видов сырья.
Классическая технология получения СБС-модифицированного битумного вяжущего для кровельных материалов заключается в коллоидном растворении СБС ТЭП в количестве 12-14% в неокисленном (низкоокисленном) битуме марок БНК-40/180 или БНК-45/190. При этом удается получить БПМ с показателем гибкости до –40-45°С и теплостойкости +100°С и выше. Материалы, изготовленные с применением этой технологии соответствуют мировым системам стандартов качества, таким как DIN, например.