Технология кровельных и гидроизоляционных материалов

Технология кровельных и гидроизоляционных материалов.

Владимир Ильич Турчанинов.

В. И. Турчанинов.

Технология кровельных и гидроизоляционных материалов.

Необходимость защиты строительных конструкций от воздействия воды в условиях эксплуатации обусловлена ее высоким агрессивным воздействием, как в чистом виде, так и в виде растворов солей, щелочей либо кислот. Под ее воздействием наблюдается снижение прочностных характеристик материалов, развитие коррозионных процессов в бетонах и металлах, загнивание древесины, обрушение штукатурки.

Гидроизоляционные материалы используют для наружной и внутренней защиты подземных сооружений (котлованов, фундаментов, труб под насыпями, коллекторов, туннелей, сводов траншей) от воздействия грунтовых вод; для изоляции водохранилищ, бассейнов, водоемов; для защиты мостов (опоры, проезжая часть);

для защиты междуэтажных перекрытий в производственных помещениях; при устройстве плоской и малоскатной кровель; для заделки стыков в крупнопанельном домостроении и при сооружении трубопроводов и пр.

Гидроизоляционные материалы при эксплуатации подвержены различным воздействиям: температурным, атмосферным (переменная температура, ультрафиолет, кислород, осадки); химически активных реагентов.

Несмотря на значительную абсолютную стоимость гидроизоляции (материалы, работы по нанесению гидроизоляционного покрытия), затраты на ее проведение значительно ниже в сравнении со стоимостью последующих ремонтновосстановительных работ при ее отсутствии.

Использование гидроизоляционных материалов отмечалось уже в глубокой древности (от 4,5 до 5 тыс. лет тому назад). Использовали битум и асфальт (смесь битума с минеральным порошком). В настоящее время наряду с широким использованием битума отмечается использование гидроизоляционных материалов и изделий как на его основе, так и на основе дегтей, полимеров, минеральных веществ.

Герметизирующие материалы используют для герметизации стыков между конструкционными элементами. Особенно широко герметизирующие материалы используют в крупнопанельном строительстве зданий для заделки стыков между панелями. Использование для этой цели цементных растворов неэффективно, так как при твердении они уменьшаются в размере и не обеспечивают надежной герметизации.

Кровельные материалы используют при сооружении кровель жилых, общественных и промышленных зданий. Многообразие типов кровель обусловливает широкий спектр кровельных материалов – от рулонных до штучных.

В данном пособии рассматриваются различные виды гидроизоляционных, герметизирующих и кровельных материалов, их свойства и технология производства. Поскольку свойства материалов зависят не только от состава компонентов, используемых при их изготовлении, но в значительной степени и от технологии, то в пособии значительное внимание уделяется именно вопросам технологии, конструкции используемого оборудования и особенностям его эксплуатации.

Пособие предназначено для студентов, изучающих технологию кровельных и гидроизоляционных материалов, а также будет полезно для лиц, производящих строительно-монтажные работы с использованием этих материалов.

1 Классификация гидроизоляционных материалов.

По функциональному назначению в гидроизолирующем слое различают следующие гидроизоляционные материалы:

Структура гидроизоляционного покрытия приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Гидроизоляционное покрытие.

Подмазочные – предназначены для выравнивания углублений и других местных дефектов на поверхности конструкции.

Шпаклевочные – используют для окончательного выравнивая поверхности перед нанесением на нее изолирующего слоя.

Изоляционные – обеспечивают изоляцию конструкции от контакта с пароводяной средой.

Покровные – наносят для защиты основной гидроизоляции от воздействия внешней среды или придания наружной поверхности дополнительной гидрофобности, глянцевитости или зеркального блеска.

По физическому состоянию и внешнему виду в период использования материала различают:

Жидкие и пластичновязкие материалы характеризуются отсутствием определенной формы их массы; представляют собой эмульсии, пасты, растворы, мастики.

Упруговязкие и твердые характеризуются вполне определенной формой – полотно, пленка, плита и т.п.

По применяемому сырью:

По назначению (производственному):

Наиболее полной является комбинированная классификация, приведенная на рисунке 2.

2 Структура и свойства гидроизоляционных материалов.

2.1 Структура гидроизоляционных материалов.

У ГИМ (гидроизоляционных материалов) структура характеризуется химическими и физико-химическими связями между контактируемыми частицами разной степени дисперсности.

Структура может быть однородной и смешанной. Однородные – кристаллизационные, коагуляционные и конденсационные структуры. Твердые вещества, не обладающие кристаллизационной структурой, являются аморфными.

Кристаллизационные – структуры, сформировавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы и последующего срастания кристаллов в прочный моноили поликристаллический агрегат.

Для кристаллических структур характерно упорядоченное строение кристаллической решетки на всем ее протяжении (дальний порядок). Каждому типу связи соответствует свой тип кристаллической решетки: ионной, молекулярной, атомной, с водородными связями.

Реальные кристаллы существенно отличаются по строению от идеальных кристаллов вследствие дефектности кристаллической решетки (вакансии, межузлия, дислокации, примеси и т.п.), что влияет на их свойства.

Коагуляционные – структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами – ван–дер– ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой фазы. Ван-дерваальсовые силы появляются между молекулами с насыщенными связями (инертные газы, H 2 , N 2 , CH 4 ). Силы взаимодействия между ними крайне малы: теплота сублимации Cl 2 около 5 ккал/моль. В то время как энергия связи Cl-Cl равна 57 ккал/моль.

Среда образует в структуре своеобразную подвижную пространственную сетку, отличную от жесткой сетки каркаса в кристаллических структурах. За счет подвижных прослоек материалы с коагуляционной структурой обладают тиксотропией, т.е. способностью разжижаться под влиянием механических воздействий с обратимым восстановлением структуры и свойств в последующий период покоя. Тиксотропия, пониженная прочность, ярко выраженная ползучесть наиболее характерные свойства коагуляционной структуры.

Конденсационные – структуры, возникшие при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных ковалентных связей.

Но чаще всего встречается смешанный тип структур, причем преобладание того либо иного типа структуры обуславливает различие свойств.

Подвижную пространственную сетку структур ГИМ образуют органические вяжущие вещества – битумы, дегти, термопластичные синтетические смолы и др., обладающие обычно однородной структурой – коагуляционной, аморфной. В эксплуатационных условиях структура материалов может претерпевать изменения: при пониженных температурах наблюдается кристаллизация с образованием полидисперсных органических кристаллов; при повышении – переходит в вязко-текучее состояние с аморфной структурой. К кристаллизации приводит также и старение структур.

Твердые вещества, не обладающие кристаллизационной структурой, относят к аморфным. Для аморфной структуры характерно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов и молекул, но, тем не менее, прослеживается ближний порядок. Такую структуру имеют каучуки, целлюлоза, ряд других полимеров. С течением времени аморфная структура может перейти в кристаллизационную.

Достаточно значительный объем в структуре занимают замкнутые или сообщающиеся поры. Они могут иметь разное происхождение и размеры. Поры нежелательны, т.к. понижают водонепроницаемость ГИМ. Поры и другие виды дефектов структуры являются концентраторами напряжений и аккумуляторами агрессивной среды.

Анализ структуры рубероида – наиболее массового ГИМ и кровельного материала, – показывает наличие в нем пор, незаполненных битумом. В покровном слое пористость достигает величины от 8 % до 10 %, а в картоне от 10 % до 25 %. Увеличение же объема свободных пор на 25 % ускоряет разрушение рубероида в 2,7 раза.

Оптимальная структура такая, в которой частицы, в том числе поры, распределены по объему равномерно; отсутствуют или содержатся в незначительном количестве дефекты; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде жесткой или подвижной пространственной сетки минимальной толщины.

Неоптимальная структура такая, которая не удовлетворяет хотя бы одному из указанных обязательных признаков оптимальности.

Оптимальные структуры обеспечивают высокое качество ГИМ.

Из оптимальных структур выбирается рациональная, при которой ГИМ обладает комплексом заданных показателей качества.

Наряду со структурой ГИМ обладает и определенной текстурой (сложением), т.е. ориентацией главных структурных составляющих. Типичные текстуры – слоистая, волокнистая, зернисто-цементированная, зернисто-рыхлая, неупорядоченная и комбинированная.

2.2 Основные свойства гидроизоляционных материалов.

1 группа – свойства, непосредственно отражающие отношение материала к водной и паровой средам. Таким образом, они характеризуют гидроизолирующую способность материала: водонепроницаемость, водопоглощаемость, водонасыщение, гидрофобность и гидрофильность.

2 группа – механические свойства материалов: прочность, пластичность, упругость, вязкость. Они определяют как способность ГИМ противостоять механическим воздействиям без нарушения сплошности структуры, так и технологичность их обработки.

3 группа – качественные характеристики, показывающие отношение материала к длительному воздействию внешней среды и геофизических факторов, стабильность основных показателей свойств гидроизоляции во времени. Показатели стабильности: набухаемость, водостойкость, морозостойкость, химическая и биохимическая стойкость, погодоустойчивость, долговечность.

4 группа – адгезионные свойства. Показывают способность ГИМ к сцеплению с поверхностью защищаемой конструкции или с промежуточным клеевым слоем.

При комплексной оценке качества ГИМ наряду с рассмотренными свойствами необходимо учитывать и ряд других свойств: теплоемкость, теплопроводность, звукопроводность, газопроводность, огнестойкость, горючесть, диссипативность.

2.2.1 Свойства, отражающие отношение материала к водной и паровой средам.

где ρ m – средняя плотность (масса единицы объема материала в естественном состоянии), г/см 3 .

ρ – истинная плотность (масса единицы объема абсолютно плотного материала), г/см 3 .

Пористость оказывает негативное влияние на свойства ГИМ.

Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду при постоянном гидростатическом давлении. Измеряется количеством воды, прошедшей в течение 1 часа через 1 см 2 поверхности материала при заданном давлении воды. Также водонепроницаемость может характеризоваться периодом времени, по истечении которого появляются первые признаки просачивания воды при определенном гидростатическом давлении через образец испытуемого материала.

Устройство для определения водонепроницаемости кровельных и гидроизоляционных материалов представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 – Устройство для определения водонепроницаемости кровельных и гидроизоляционных материалов.

(процесс впитывания воды – водопоглощение). Характеризуется количеством воды, которую впитывает и удерживает сухой образец после погружения на 24 часа в воду при температуре 20 °С.

m 3 – масса образца после суточной выдержки в воде, г;

m 2 – масса образца после одноминутной выдержки в воде, г;

m 1 – масса образца в сухом состоянии до испытания, г. В ряде случаев определяют объемное водопоглощение.

Водонасыщаемость – свойство материала впитывать воду в поры, в которых предварительно искусственным путем с помощью вакуумнасоса был создан вакуум.

Гигроскопичность – способность материала поглощать влагу из паровоздушной среды, в частности из влажного воздуха. Степень поглощения влаги зависит от относительной влажности и температуры воздуха. За стандартную величину принимают отношение массы влаги, поглощенной при относительной влажности воздуха, равной 100 %, и температуре +20 °C, к массе сухого материала.

В материале пары конденсируются, и влага находится в свободном, капиллярном и связанном (адсорбционно-сольватном) состоянии.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Характеризуется количеством воды, теряемой материалом в сутки при относительной влажности воздуха, равной 60 %, и температуре +20 °C.

Гидрофильность и гидрофобность – это способность и неспособность соответственно материала смачиваться водой. Для ГИМ гидрофобность является средством повышения водостойкости, водонепроницаемости и снижения гигроскопичности.

Влажность – содержание влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии.

2.2.2 Механические свойства.

Между характером структуры и механическими свойствами наблюдается непосредственная взаимосвязь.

Механические (структурно-механические) свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуются наличием деформаций; могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые – упругие и эластичные , – характеризуются полным спадом деформаций, соответственно мгновенным или в течение длительного времени после снятия нагрузок. Величина обратимой деформации – важный показатель качества ГИМ, содержащих каучук и другие каучукообразные компоненты.

Необратимые деформации – пластические , ползучесть – не только не исчезают после снятия нагрузки, но могут даже возрастать, например, под влиянием собственной массы (ползучесть).

Под воздействием силовых факторов наблюдаются как обратимые, так и необратимые деформации.

Характер деформации наиболее четко проявляется после снятия нагрузок по величине и продолжительности их спада (упругому последействию).

Графические зависимости деформаций от времени действия нагрузок представлены на рисунке 4.

Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжений в материале, называется текучестью .

С повышением температуры, уменьшением скорости деформирования, пластическая деформация возрастает (при одинаковой нагрузке).

Ползучесть большинства ГИМ достигает значительных размеров и возрастает с повышением температуры, поэтому деформации ползучести определяются при наивысшей температуре, при которой будет работать материал в конструкции.

При изучении реологических свойств материалов (реология – наука о текучести материалов) пользуются величиной вязкости или обратной ей величиной – текучестью.

Вязкость характеризует внутреннее трение жидкости или сопротивление перемещения одного слоя жидкого вещества относительно другого.

Р – нагрузка; ε о – упругая деформация; ε э – эластическая деформация; ε пл – пластическая деформация.

Рисунок 4 – Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок.

10 ±10 с, у твердых Q.

10 10 с и более (т. е. десятки, сотни лет). С повышением температуры и при отсутствии химических превращений период релаксации уменьшается.

При малых периодах наблюдения (нагружения), значительно (в несколько десятичных порядков) меньших периода релаксации материал ведет себя как упругохрупкое тело, а при длительных периодах воздействия нагрузки (наблюдения) тот же материал, даже под воздействием собственной массы, обнаруживает ньютоновское (вязкое) течение (лед).

Вязкое течение может наблюдаться при эксплуатации ГИМ на вертикальных поверхностях. Его значение рассчитывают по формуле.

где Е – жесткость;

Q – период релаксации.

Таким образом, удлинение материала без разрывов будет зависеть от жесткости Е и времени релаксации Q.

Прочностные свойства характеризуют способность материала не разрушаясь сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под воздействием механических, тепловых и других факторов. Для ГИМ прочность выражается пределом прочности при разрыве, сжатии, сдвиге, пределом упругости и т.д.

Эти величины являются условными, т.к. зависят от методики испытания материалов и, как правило, не учитывают продолжительности действия нагрузки.

Если для ГИМ с кристаллизационной структурой эти условные показатели хрупкого разрушения можно считать достоверными вследствие огромных периодов релаксации, то в отношении вязко-пластичных материалов при испытании следует учитывать фактор времени.

В случае нехрупко-пластичного разрушения образца обычно определяют лишь условный предел прочности, принимая за него величину частного от деления нагрузки, при которой происходит нарастание деформаций без увеличения усилия (регистрируется на шкале силоизмерителя), на площадь начального поперечного сечения образца в форме цилиндра или призмы. Полимеры испытывают при температуре 20 °C.

Изучая кинетику развития деформаций при постоянной нагрузке или кинетику развития напряжений при постоянных деформациях, получают числовые данные для построения реологических кривых в системе координат ε/σ, где ε – градиент скорости деформации.

По реологической кривой устанавливается предельное напряжение сдвига σ к , соответствующее пределу текучести материала.

Сопротивление материала ударному действию нагрузки измеряется количеством работы, затрачиваемой на разрушение образца, принятого по стандарту, отнесенной к единице его объема (кг·см/см 3 ) или к площади поперечного сечения (кг·см/см 2 ).

Рисунок 6 – График предельных напряжений.

Рисунок 7 – Реологическая кривая.

Гибкость – для рулонных ГИМ определяется путем огибания вокруг бруска с криволинейной поверхностью образцов-полосок стандартной ширины на угол 180° при определенной температуре. Качество оценивают по нарушению сплошности материала при изгибе.

Технологические свойства или удобообрабатываемость также отражают механические свойства. Основные среди них – подвижность смесей, жесткость их, уплотняемость, укрывистость.

2.2.3 Свойства, характеризующие долговечность материала.

Набухаемость – способность материала увеличиваться в объеме при насыщении водой. При этом наблюдается поглощение гигроскопичной (пленочной) воды. Это сопровождается раздвижкой отдельных структурных частиц. При последующем высыхании наблюдаются усадочные явления и восстановление структуры, но не полное. Многократное набухание и высыхание сопровождаются разрушением материала.

Водостойкость – способность материала сохранять в водонасыщенном состоянии механические свойства. Характеризуется отношением предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное, циклическое замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Для ГИМ после 5 и более циклов испытания снижение прочности должно быть в определенных пределах, например, не более чем на 10-25 %, а потеря в массе – не более 5 % от первоначальных значений.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться агрессивному действию среды и сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Влияние среды проявляется в старении материалов.

Биохимическая стойкость – способность материала сопротивляться биологическим процессам, возникающим в эксплуатационный период и связанными с заражением грибами, порчей насекомыми, прорастанием растений и т.п.

Теплостойкость – способность материала сохранять в допустимых пределах механические и другие технические свойства при нагревании. Определяется температурой, при которой начинается деформирование испытуемого образца.

Температуроустойчивость – способность образцов выдерживать в сушильном шкафу без видимых деформаций в течение определенного времени заданную температуру в подвешенном состоянии.

2.2.4 Свойства, характеризующие адгезию.

Рисунок 8 – Краевой угол смачивания гидроизоляционным материалом гидрофобной поверхности.

где σ ã ‒ â – поверхностное натяжение гидроизоляционного вещества (Г) на границе раздела с воздушной средой (В);

φ – краевой угол смачивания на границе раздела гидроизоляцияподкладка (П).

Для увеличения адгезии необходимо увеличить σ г ‒ в либо снизить φ. Величина φ зависит от природы поверхности подкладки. Необходимо гидрофобизировать ее за счет, например, хемосорбции на границе раздела фаз.

Основным же регулятором адгезии является σ г ‒ в , которое находится в прямой зависимости от вязкости и в обратной – от квадрата толщины склеивающей пленки. Повышение вязкости для каждого материала имеет некоторую предельную границу, поскольку сопровождается быстрым ростом периода релаксации, т.е. развитием упруго-хрупких свойств, что может оказаться крайне нежелательным в области отрицательных температур. Со снижением смачиваемости материала уменьшается и адгезия. Смачиваемость повышается со снижением вязкости, поверхностного натяжения, при повышении температуры и вибрационном воздействии.

Оценка адгезионной способности ГИМ проводится на приборах методом сдвига и отрыва. Эти методы условные, т.к. не учитывают релаксацию напряжений, что приводит к завышению показателей адгезии.

При комплексной оценке качества твердых и вязкопластичных ГИМ учитывают также величину когезии, т.е. прочность связи молекул (атомов, ионов) самого ГИМ, что обусловлено межмолекулярным электростатическим взаимодействием и химической связью.

2.2.5 Стандартные методы и приборы для оценки свойств.

У мастичных ГИМ – битумных, битумно–резиновых и др. – производят проверку внешнего вида, определение теплостойкости, хрупкости, гибкости, клеящих свойств, деформативности, вязкости, содержания воды и водопоглощения, содержания наполнителя и сухого остатка, биостойкости, уровня токсичности, однородности, плотности, времени отверждения и высыхания, цвета и др.

3 Теоретические положения качества гидроизоляционных материалов.

3 . 1 Основные условия надежной гидроизоляции.

– применяемые для гидроизоляции материалы плохо смачиваются водой;

– исключается возможность свободного перемещения воды по порам и капиллярам изоляционного слоя;

– тормозится диффузное проникновение воды, если нельзя полностью предотвратить диффузию;

– обеспечивается необходимая прочность и деформативность ГИМ;

– сохраняется долговечность материала в конструкции, что адекватно относительной стабильности его структуры.

Таким образом, основным требованием к ГИМ является гидрофобность.

Как ранее отмечалось, ГИМ должен быть гидрофобным, т.е. не смачиваться водой, и тогда водопоглощение, гигроскопичность будут иметь минимальные значения и способствовать повышению долговечности конструкции.

Создание не смачиваемой поверхности весьма сложная задача. Способность к смачиванию поверхности характеризуется наличием у нее свободной энергии и зависит от полярности наносимой жидкости. Свободная поверхностная энергия вещества обусловлена наличием на его поверхности некомпенсированных химических связей вследствие ее дефектности.

Чем меньше разность в избытке свободной энергии соприкасающихся фаз или разность их поверхностных натяжений, тем полнее и легче происходит смачивание. Из условия равновесия сил, действующих на поверхность смачиваемого тела, следует.

где σ 23 , σ 13 , σ 12 – поверхностные натяжения на границах раздела соответствующих фаз 1, 2, 3.

Из уравнения видно, что смачиваемость уменьшается с ростом краевого угла смачивания ϕ, который для гидрофобных материалов больше 90°. При этом cosφвеличина отрицательная, а, следовательно, и разность σ 23 ‒σ 13 – величина отрицательная и желательно получение наибольшей ее величины при уменьшение σ 12 . Но σ 12 (вода-воздух) – величина постоянная и при t=20 °C равна 72,8 эрг/см 2 , поэтому необходимо максимально увеличиватьσ13 и уменьшать σ 23 . Для понижения σ23 необходимо выбирать материал, обладающий наименьшей полярностью на границе с воздухом.

За меру полярности удобно принимать диэлектрические свойства, например, диэлектрическую проницаемость. Она имеет малые значения для полимеров (от 2,4 до 2,9 для полиизобутилена) и битумов (от 2,5 до 3,0); для воды – 81,0.

Введение в битум минерального порошка с образованием асфальтового вяжущего повышает его диэлектрическую проницаемость (от 4,8 до 6,5). Поскольку замерить σ23 трудно, то основное внимание при разработке ГИМ следует уделять повышению величины σ 13 , т.е. избытку свободной энергии на границе гидроизоляции с водой, который увеличивается с понижением полярности ГИМ, т.к. полярность воды постоянная.

С приближениемϕк нулю работа адгезии переходит в работу когезии, равную W k =2σ 12 . Таким образом, ГИМ 1 должен хорошо смачивать защищаемую поверхность 2, что характеризуется большим значением cosϕ 1 , но плохо смачивается водой 3, что характеризуется малым значением cosϕ 2 .

ϕ 1 – краевой угол смачивания между фазами 1 и 2;

ϕ 2 – краевой угол смачивания между фазами 1 и 3.

Если ГИМ при испытании не дает тупого угла смачивания водой (отрицательного значения cosϕ), то на поверхность конструктивного материала следует нанести тонкий слой пленкообразного гидрофобного вещества. Создание гидрофобной поверхности (наружной и внутри пор) является одним из основных условий хорошей гидроизоляции.

Несмачиваемость поверхности гидроизоляционного слоя – необходимое, но не достаточное условие эффективной защиты конструкции от воздействия воды, т.к. последняя может проникать в материал вследствие капиллярного подсоса. В зависимости от степени гидрофобности стенок капилляра, их способности смачиваться водой изменяется высота или глубина подсоса воды. Если стенки капилляров гидрофобны, то вода в них не заходит, а оказавшаяся в них вода опустится ниже уровня окружающей водной среды.

Проникание воды в капилляры и поры материала предотвращается давлением, возникающим на менисках и направленным вдоль оси. Схема действия сил в капилляре гидрофобного материала представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема действия сил в капилляре.

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с 2 ;

ϕ— краевой угол смачивания у менисков;

cosϕ— характеристика смачивания;

r – радиус капилляров или пор, см.

Таким образом, для повышения качества ГИМ необходимо уменьшать «r», увеличивать «ϕ».

1) уменьшение «r»: максимальным уплотнением гидроизоляционной массы;

проектированием состава зернистой смеси ГИМ по принципу наибольшей плотности с последующим заполнением оставшихся пустот вяжущим веществом;

2) увеличение «ϕ» у менисков: достигают теми же способами, что и при снижении смачиваемости наружной поверхности гидроизоляционного покрытия (гидрофобизация).

Необходимо также предохранять поверхность изоляционного покрытия от посторонних наносов, не допуская механического проникновения их в поры. Наносы, обычно гидрофильные по своей природе, уменьшают краевой угол смачивания.

Таким образом, для предотвращения проникания капиллярной воды необходимо повышать плотность слоя изоляции и снижать полярность поверхности внутренних пор, капилляров и других полостей в материале, в том числе путем предварительной гидрофобизации заполнителей физической или химической адсорбцией.

Однако, проникновение воды вовнутрь ГИМ может происходить и вследствие диффузии ее от мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Местами концентрации воды являются «внутренние дефекты» структуры (гидрофильные частицы твердой высокодисперсной фазы), а также поверхностноактивные вещества (ПАВ), коллоидно растворяющие воду.

Для замедления диффузии необходимо:

1) не допускать в вяжущем водорастворимых примесей;

2) ограничивать в вяжущем содержание ПАВ с тем, чтобы после объединения вяжущего с минеральными компонентами не оставалось ПАВ в свободном состоянии;

3) тщательно обрабатывать композиционные смеси в мешалках.

3.2 Регулирование структурно-механических свойств ГИМ.

Свойства ГИМ зависят от состава и структуры материалов, т.е. количество и качества вяжущего вещества, качества и количества наполнителей и заполнителей, технологии приготовления ГИМ, пористости материала. Основное свойство ГИМ – механическая прочность, определяемая при определенной температуре и скорости приложения нагрузки – обусловлено в основном прочностью вяжущего вещества оптимальной структуры, соотношением фаз и качеством заполнителя. Под соотношением фаз понимают количественное (по массе) соотношение дисперсной среды (С) и дисперсной фазы (Ф), т.е. С/Ф. Дисперсная среда в разных ГИМ – вода (цемент, бетон), битум, полимер, олигомер, коллоидный или истинный раствор и др., а дисперсная фаза – цемент и другие минеральные вяжущие, порошкообразные или иные наполнители.

4 Основы технологии ГИМ.

При большом разнообразии технологии ГИМ можно выделить ряд типичных процессов и переделов общих для многих технологий. К ним относятся: подготовительные работы, перемешивание отдозированных компонентов, формование смеси и ее уплотнение, специальная обработка материалов и изделий.

4.1 Подготовительные работы.

4.2 Перемешивание.

В производстве кровельно-гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, особенно с использованием полимеров, выбор типа смесителя определяет качество перемешивания, структуру (на микро- и макроуровне) готовой продукции.

Наиболее распространено механическое перемешивание в роторных смесителях принудительного действия.

Основой частью таких смесителей служит ротор, т.е. вращающийся вал с насаженным на нем фигурным валком. В рабочей камере смесителя расположены два валка, вращающихся навстречу друг к другу с разными скоростями. В камеру с помощью плунжера периодически подается перемешиваемая масса из отдозированных компонентов. Выгрузка перемешанной смеси осуществляется через днище, оборудованное скользящей дверцей, приводимой в действие пневмоцилиндром.

Рисунок 12 – Роторный смеситель.

Смесители СМБ. Имеют два вала, оборудованные Z-образными лопастями и расположенными в корпусе, состоящем из двух полуцилиндров. Привод от электродвигателя осуществляется на один из роторов, а на второй передается через шестереночную пару, расположенную снаружи корпуса. Смесь пластифицируется при прохождении ее через узкий зазор между корпусом и поверхностью ротора.

Некоторые смесители СМБ разгружаются посредством шнека, расположенного в нижней части корпуса. Рабочий объем смесителей: 100, 200, 400, 600 дм 3 .

Резиносмеситель (РС). Перемешивание осуществляется двумя роторами. У смесителя вместо крышки корпуса сверху располагается поршень с пневматическим приводом. В закрытом положении поршень увеличивает поверхность пластификации и качество ее. Возрастает производительность смесителя. Смесь выгружается через низ рабочей камеры, днище которой состоит из двух створок, открывающихся при помощи гидропривода. Рабочий объем смесителей 72, 250 и 600 дм 3 .

Шнековые смесители. Представляют собой корпус, в котором размещены два вала с насаженными на них кулачками. Кулачки обоих роторов по длине имеют различную форму двоякой кривизны или треугольную с выгнутыми наружу поверхностями. Корпус имеет паровую рубашку, штуцера для подачи компонентов. Роторы вращаются синхронно в одну сторону; вращение передается от электродвигателя и редуктора через систему шестерен. Мощность привода смесителя СН-800 – 180 кВт при числе оборотов n=80 мин -1 . Производительность смесителя – от 1,5до 2,0 т/ч. Работают по принципу непрерывного процесса.

1) высокая стоимость;

2) небольшая загрузка перемешиваемой массы;

3) способность возвращать массу с последующих участков на предыдущие;

4) большая масса смесителя.

Смесительные вальцы. Используется для приготовления резиновых смесей и пластмасс. По эффективности уступают другим конструкциям смесителей, но вследствие простоты конструкции, обслуживания и низкой стоимости имеют широкое применение. Конструктивно представляют собой два массивных полых вала, установленных на станине. Один валок смонтирован в неподвижных корпусах подшипников, другой в подвижных (могут вручную либо механическим путем перемещаться по станине в направлении перпендикулярном оси валка для регулирования зазора между валками). По центру оси валков (во внутренней полости) устанавливается труба для подачи (при необходимости) воды для охлаждения или пара для обогрева.

Рисунок 14 – Схема смесительных вальцов (поперечный разрез)

Вальцы могут работать как по периодическому, так и непрерывному принципу действия.

Периодический процесс работы: на предварительно нагретые валки загружаются исходные компоненты раздельно в определенной последовательности и соотношении. Загруженный материал затягивается в зазор между валками, подвергаясь при этом сжатию и пластификации, возникающей из-за разной скорости вращения валков.

Рисунок 15 – Смесительные вальцы периодического действия.

Под действием нагрева от вальцов и механического сжатия материал нагревается, когезионные силы ослабевают, адгезия возрастает и он начинает налипать на валки, а затем преимущественно к более нагретому и быстро вращающемуся несущему валку. На нем впоследствии он и формируется в виде пластины, толщина которой зависит от величины зазора между валками. Загружаемый материал должен полностью покрыть весь несущий валок, а в зазоре должно остаться некоторое количества массы, которая размещается над зазором в виде валика, вращающегося при работе валков в ту же сторону, что и несущий валок.

Эффективность смешения зависит от запаса массы на валках (смотри рисунок 16).

Рисунок 16 – Кинетика движения отдельных слоев массы при работе смесительных вальцов.

Непрерывный процесс вальцевания массы осуществляют путем загрузки грубой смеси исходных компонентов на один конец валков и снятия такого же количества смеси с противоположного. Поскольку в месте подачи смеси компонентов диаметр валика запаса максимальный, то при его вращении он стремится выровняться, за счет чего наблюдается перемещение массы в сторону меньшего диаметра запаса (к разгрузочному концу).

Смешение массы происходит, таким образом, как за счет смещения ее слоев в радиальном направлении, так и в осевом, т.е. масса перемещается по винтовой линии. При недостаточной степени перемешивания срезаемую массу передают на другие вальцы.

Рисунок 17 – Смесительные вальцы непрерывного действия.

РЭС конструктивно представляет собой корпус цилиндрической формы при однороторном типе или сдвоенную цилиндрическую форму при двухроторном исполнении.

Рисунок 18 – Однороторный роторно-эксцентриковый смеситель.

Корпус внутри имеет зубчатую поверхность; зубцы располагаются вдоль корпуса. Угол зубцов при вершине 90 °. Одна из плоскостей зубца и касательная к максимальному радиусу кулачка образует угол 30 °, а другая плоскость – 60 °. Ротор вращается в таком направлении, чтобы масса надвигалась на меньший угол. Корпус сварен из уголков, снаружи к которым привариваются такие же уголки. В образующиеся полости подается пар или горячая вода. Крышка разделена по длине на шесть отсеков; в крайних отсеках расположены загрузочный и разгрузочный люки. Ротор вращается со скоростью от 30 до 50 мин -1 .

Работа смесителя протекает следующим образом. Компоненты загружают в загрузочный люк. Попадая в зазор между кулачками и зубцами, материал при вращении ротора сжимается. Одни слои его сжимаются относительно других и материал подвергается активной пластификации. Масса также выдавливается и в боковом направлении относительно плоскости кулачка. Наблюдается перемещение массы в осевом направлении. При непрерывном процессе масса выгружается в противоположном загрузочному конце смесителя; при периодическом она возвращается в начало смесителя по пространству, огороженному специальными заслонками.

Недостатком однороторного смесителя является то, что при загрузке крупных кусков компонентов может возникнуть заклинивание ротора. Поэтому загрузка смесителя осуществляется постепенно, что снижает его производительность. Этого недостатка лишен двухроторный смеситель с рабочим объёмом 60 дм 3 (смотри рисунок 19).

Червячные машины. Могут заменить вальцы, смесители и даже каландры. Являются агрегатами непрерывного действия. Представляют собой цилиндрический корпус, в котором вращается вал (червяк). Материал загружается в загрузочное отверстие, разрезается, перемешивается и перемещается червяком к выходному отверстию, в котором отдельные частицы смеси спрессовываются и выдавливаются через отверстие мундштука в виде жгутов, труб, пластин в зависимости от необходимости.

Качество готовой смеси оценивается по её однородности, критериями которой являются величина дисперсии, среднеквадратичное отклонение, коэффициент однородности, показатель вариации. Последний должен отвечать нормативам и не превышать 4 % для хорошо перемешанных смесей.

Рисунок 19 – Двухроторный роторно-эксцентриковый смеситель.

4.3 Формование.

Рисунок 20 – Технологическая схема производства (смешение, формование и уплотнение) пленочных материалов.

Рисунок 21 – Расположение валков в каландрах.

На каландры смесь подается после предварительной обработки в смесителях (роторном), вальцевания, а иногда и после пропускания через шприц-машину, из которой масса выходит в виде пластин толщиной от 5 до 8 мм с необходимой температурой.

Каландрируют резиновые и полимерные смеси. Скорость каландрирования до 30 м/мин. Температура первых двух каландрирующих валков находится в пределах от 50 °C до 90 °С. При работе каландра на заданном режиме толщина пленки определяется и регулируется автоматическими приборами. В процессе каландрирования с формированием пленки осуществляется вытягивание, перемешивание, прессование и истечение. На рисунке 22 показаны схемы взаимодействия валков и каландриуемой массы.

Рисунок 22 – Схема взаимодействия валков каландра и каландрируемой массы.

Рисунок 23 – Схема намоточного станка.

Экструзия – это операция непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения – мундштук. Осуществляется в экструдере – шнековом (червячном) либо с помощью шприц-машины, представленной на рисунке 24.

Прессование осуществляют с помощью обогреваемых прессов при изготовлении листовых материалов и плит. В технологии гидроизоляционных материалов таким образом перерабатывают термореактивные полимеры. Обогрев прессов осуществляется паром или водой. Усилие прессования – от 100 до 500 кН.

Рисунок 24 – Шприц-машина со щелевой головкой.

Напыление – нанесение вещества в дисперсном состоянии на поверхность изделий или полуфабрикатов для получения тонких пленок, предохраняющих изделие от коррозии или физического износа. Используют порошкообразные полимеры, которые наносят на подогретую поверхность защищаемой конструкции. Последующее самослипание напыленных частиц создает покрытие в виде сплошной пленки. Для напыления используют газопламенный, вихревой и псевдоожиженный способы.

Пропитка и допропитка кровельного картона горячим битумом и битумнополимерной массой – одна из важнейших операций в технологии гидроизоляционных материалов. Процесс проводится в пропиточных ваннах при температуре 180-200°С. При погружении картона в расплавленный битум наблюдается испарение влаги с поверхности волокон. Часть пара, устремляясь во внутренние слои картона, подсушивает его и частично защемляется там битумом. Благодаря этому до 30 % пор остается незаполненными битумом. Для большей полноты пропитки необходимо охладить полотно картона от 180 °С до 140 °C (воздухом либо более холодным битумом); при этом перегретый пар сорбируется волокнами картона, что способствует допропитке картона битумом.

5 Сырье и полуфабрикаты для производства ГИМ.

5.1 Органические вяжущие вещества.

5.1.1 Битумы.

Битумы – органические вяжущие чёрного или тёмно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т.е. соединений с серой, азотом и кислородом. При комнатной температуре битумы могут быть жидкими, вязкими и жидко-вязкими, при нагревании переходят в легкоподвижные жидкости, при охлаждении вновь застывают. Плотность – около 1 г/см 3 . Хорошо растворяются в органических растворителях. По происхождению битумы бывают природные и искусственные – нефтяные.

5.1.1.1 Химический и групповой состав.

В состав битумов входят углеводороды метанового (C N H 2N+2 ), нафтенового (C N H 2N ) и ароматического (C N H 2N-6 ) рядов. В состав основной части молекул битума входит от 25 до 150 атомов углерода. Молекулярная масса составляет от 400 до 5000 кислородных единиц.

Ароматические углеводороды более устойчивы к атмосферным воздействиям. Метановые (парафины) имеют прямую цепь; при охлаждении способны выкристаллизовываться, ухудшая свойства битумов.

Нафтеновые углеводороды при окислении частично переходят в смолы.

Свойства битумов определяются их групповым составом, который устанавливают по различию растворимости битумов в органических растворителях и адсорбируемости на различных адсорбентах.

Групповой состав битумов представлен маслами, смолами, асфальтенами, карбенами, карбоидами, асфальтогеновыми кислотами, парафинами.

Указанные компоненты группового состава различаются между собой химическим составом, длиной и типом молекулы, свойствами, содержанием в битуме.

Масла – растворяются в бензине или эфире. Молекулярная масса – от 300 до 600; содержание в битуме – от 30 % до 60 %.

Смолы – молекулы циклические или гетероциклические, молекулярная масса – от 600 до 1000; высокое содержание S, O, N обусловливает их повышенную поверхностную активность (адгезию); содержание в битумах – от 20 % до 40 %.

Асфальтены – твердые неплавкие вещества плотностью более 1 г/см 3 , молекулярная масса изменяется от 1200 до 6000; в бензине нерастворимы; растворимы в хлороформе и горячем бензоле; содержание в битуме – от 10 % до 40 %; повышают температуростойкость, вязкость и твёрдость битумов; под действием ультрафиолета переходят в карбены.

Карбены и карбоиды – содержатся в крекинг-битумах в количестве от 1 % до 3 %. По свойствам карбены близки асфальтенам, но содержат больше углерода и имеют большую плотность; растворимы только в сероуглероде CS 2 . Карбоиды не растворимы в известных растворителях.

Асфальтогеновые кислоты растворяются в этиловом спирте, полярны, относятся к ПАВ. Содержание в битумах достигает 3 %. Обеспечивают высокую адгезию битумов к каменным материалам.

Парафины – твердые метановые углеводороды. Ухудшают свойства битумов (повышают хрупкость). В битумах содержатся в количестве от 6 % до 8 %.

По внутреннему строению битумы – коллоидная система, дисперсной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – асфальтены, карбены и карбоиды с размером частиц от 18 до 20 мкм.

5.1.1.2 Получение битумов.

Содержатся в пористых горных породах либо скапливаются на поверхности земной коры в виде озёр. Содержание битума в породах составляет от 5 % до 20 %.

Нефтяные битумы получают при переработке нефти следующими способами:

1) атмосферно-вакуумной перегонкой получают остаточные битумы – гудроны;

2) окислением нефтяных остатков (гудронов) кислородом воздуха – окисленные битумы;

3) окислением (путём продувки воздухом) крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута способом крекинга (при высоких температурах и давлениях) – крекинговые битумы.

Наиболее распространены окисленные битумы. Характер процесса окисления определяется исходной температурой размягчения гудрона (от 18 °С до 22 °C по КиШ – прибору «кольцо и шар»), расходом воздуха, продолжительностью и температурой окисления (от 250 °С до 280 °C).

Окисление может осуществляться в аппаратах периодического либо непрерывного действия. Агрегатами периодического действия являются аппараты полуколонного типа, при объединении их в группу из трёх аппаратов они могут работать по непрерывной схеме.

Схема работы аппарата полуколонного типа представлена на рисунке 25, а конструктивные особенности подобных аппаратов на рисунке 26. Технологическая схема окисления битума в этих установках изображена на рисунке 27.

Рисунок 26 – Схема маточников (барботеров) в горизонтальном (а) и вертикальном (б) конвертерах.

Рисунок 27 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках периодического действия.

Внутри конвертера на расстоянии от 0,3 до 0,5 м от дна расположены две трубы с отверстиями, направленными вниз под углом 45 °. Размеры отверстий увеличиваются от середины к концам труб. Эти трубы-маточники (барботеры) по середине соединены общим патрубком с приваренным к нему стояком (такая же труба). Конец стояка выведен наружу, по нему подается воздух от воздуходувки в барботеры. Вверху корпуса имеется штуцер для отвода газов из конвертера, люк с крышкой для наблюдения и штуцеры для установки измерительных приборов. Конвертеры облицованы кирпичом; снизу имеются топки для сжигания топлива – газа или мазута.

Рисунок 28 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках непрерывного действия.

С одного конца реактора осуществляется подача в него воздуха и битума – исходного и рециркулята, – а другой конец реактора соединен с сепаратором, где происходит отделение газа от битума. Газ сжигается в печи дожига, а битум частично идет на рециркуляцию, а частично в продуктовый бак.

Рисунок 29 – Аппарат трубчатого типа.

5.1.1.3 Свойства битумов.

О полярности органических вяжущих судят по коэффициенту растворимости, рассчитываемому по формуле.

где А – растворимость битума в метиловом спирте, %;

В – растворимость битума в бензоле, %.

Для нефтяных битумов значения коэффициента растворимости α изменяются от 5 до 35. Чем больше коэффициент растворимости, тем выше полярность и тем лучше сцепление битума с минеральными материалами. Адгезия битумов в отношении каменных материалов оценивается по сохранению плёнки на щебне в процессе кипячения его зёрен в воде.

Вязкость вязких битумов определяется по глубине проникновения иглы в битум в течение 5 с при температуре 25 °C либо в течение 60 с при температуре 0 °C. Определяемая при этом пенетрация является величиной обратной вязкости. Переход от пенетрации к динамической вязкости осуществляется по формуле Зааля.

где ηн – динамическая вязкость, Па∙с;

П – пенетрация , град.

Вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения, с, определённого количества битума через отверстие вискозиметра при стандартной температуре. Обозначение вязкости C 5 25 либо C 10 60 , где верхний индекс характеризует диаметр отверстия, мм; нижний – температуру испытания °С.

При повышении температуры вязкость битумов снижается. Графическая зависимость вязкости битумов от температуры представлена на рисунке 30.

Температура размягчения характеризует переход битума из твёрдого или вязкопластического состояния в жидкое. Определяется на приборе “кольцо и шар” (КиШ).

Переход битума в хрупкое состояние наблюдается при температуре затвердевания , которую определяют на приборе Фрааса, схема которого представлена на рисунке 31. Ей соответствует появление первой трещины в слое битума, нанесённого на стальную пластинку, подвергаемую изгибу при охлаждении со скоростью 1 °C в минуту. Чем ниже температура хрупкости, тем более трещиностойки материалы на основе этого вяжущего.

Количественной характеристикой вязкого состояния является интервал пластичности – разность температур размягчения и хрупкости битумов. Чем больше интервал, тем выше качество битума.

Рисунок 31 – Прибор для определения температуры хрупкости битума (Фрааса)

где А – коэффициент, рассчитываемый по формуле.

где П25 – пенетрация при 25 °C;

tp – температура размягчения, С по КиШ.

Битумы с ИП менее 2 имеют повышенную чувствительность к изменению температуры, а с ИП более 2 характеризуются высокой термоустойчивостью и малой хрупкостью при низких температурах.

Температура вспышки определяется нагревом открытого тигля с битумом. Периодически к поверхности битума подносят зажженную спичку. За характеристику принимают температуру, при которой пары образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

Начальную температуру, когда пламя держится более 5 с, называют температурой воспламенения .

Теплопроводност ь битума составляет от 1,45 до 1,47 Вт/(м∙К).

В зависимости от основных свойств и назначения битумы подразделяют на следующие разновидности и марки.

Нефтяные дорожные: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 [24].

Цифры дроби показывают на допустимые для данной марки пределы показателей пенетрации при 25 °C.

Кровельные и гидроизоляционные битумы: пропиточные – БНК-40/180 и БНК45/190; покровные – БНК-90/40 и БНК-90/30 [12]. Числитель дроби указывает среднее значение показателей температуры размягчения, в °С, знаменатель – среднее значение пенетрации при 25 °C.

Твердые строительные битумы : БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10 предназначены для изоляции нефте- и газопроводов [10]. Числитель указывает температуру размягчения, а знаменатель – средние значения пределов изменения пенетрации.

Битумы нефтяные изоляционные: БНИ-IV-3, БНИ-IV, БНИ-V; применяют для изоляции трубопроводов от коррозии [13].

Битумы хрупкие марок Б, В и Г выпускают для лакокрасочной промышленности [22]. Характеризуются высокой температурой размягчения (от 100 °С до 135 °C), малой пенетрацией (от 5° до 10°) при 25 °С, полной растворимостью в льняном масле.

Жидкие битумы при нормальных условиях характеризуются жидкой консистенцией [16]. В зависимости от класса и вязкости различают марки:

– среднегустеющие – СГ 40/70 , СГ 70/130, СГ 130/200;

– медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200. Битумы марок МГО получают из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или из их смесей.

Цифры в маркировке – условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при температуре 60 °C.

Битумы класса СГ – среднегустеющие, получают разжижением вязких дорожных битумов легкими фракциями нефтепродуктов; классов МГ и МГО – медленногустеющие. Битумы класса МГ получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами.

При получении битумов класса СГ в качестве разжижителя используют бензин, лигроин, керосин; при получении медленногустеющих – масляные нефтепродукты, природные смолистые нефти, мазут.

При разжижении битумов вязкие битумы нагревают до температуры от 80 °C до 90 °С, если применяют лёгкие разжижители, и от 130 °C до 140 °С при использовании более тяжелых разжижителей. Последние также предварительно нагревают в отдельной емкости, а затем добавляют в разжижаемый битум при перемешивании.

Жидкие битумы используют как подогретыми до 100 °C, так и в холодном состоянии (при температуре от 15 °С до 20 °C). Со временем жидкие битумы загустевают за счет испарения летучих фракций, окисления и других процессов.

К основным свойствам жидких битумов относят условную вязкость, скорость загустевания, свойства остатка после испарения летучих фракций (температура размягчения), адгезию, температуру вспышки, погодоустойчивость.

Наилучшими являются каменноугольные; их применяют для гидроизоляции.

5.1.2.1 Химический и групповой состав.

Дёгти характеризуются переменным групповым составом, который определяют при фракционной разгонке.

В дёгтях содержатся:

– твёрдые углистые неплавкие вещества, нерастворимые в органических растворителях – “свободный углерод”;

– твёрдые неплавкие дёгтевые смолы, растворимые в пиридине;

– вязкопластичные плавкие дёгтевые смолы, растворимые в бензоле и хлороформе (придают дёгтям эластичность);

– жидкие дёгтевые масла (лёгкие – с температурой кипения ниже 170 °C, средние – от 170 °С до 270 °C, тяжёлые – от 270 °С до 300 °C, антраценовые – от 300 °С до 360 °C). При перегонке сырых дегтевых смол получают жидкие фракции и твердый остаток – пек. Пек – черная хрупкая масса плотностью от 1,25до 1,3 г/см 3 . В его состав входят смолистые вещества, свободный углерод и дисперсные частицы угля и кокса.

Дегти – сложная дисперсная система, в которой средой являются масла, а дисперсной фазой – “свободный углерод” и твердые смолы. На поверхности частиц углерода находятся слои молекул вязкопластичных смол, кислых и основных веществ. В дегте имеются как анион-, так и катионактивные вещества, благодаря которым дегти имеют хорошую адгезию как к основным, так и к кислым подкладкам. В присутствии ПАВ дегти быстро окисляются и полимеризуются, а, следовательно, и стареют быстрее, чем битумы. Их структура менее устойчива, чем у битумов.

Примерный состав каменноугольных дёгтей, %:

– дёгтевые масла – от 60 до 80;

– вязкопластичные смолы – от 10 до 15;

– твёрдые смолы – от 5 до 10;

– свободный углерод (нерастворимая часть) – от 5 до 25;

– нафталин – не более 7;

– антрацен – не более 10;

– фенолы – не более 5.

5.1.2.2 Получение дёгтей.

– высокотемпературный – от 1250 °C до 1300 °С;

– среднетемпературный – от 1100 °С до 1200 °C;

– низкокотемпературный – от 500 °C до 700 °С.

Чем ниже температура переработки, тем в большем количестве образуются летучие вещества, которые направляются в холодильники и конденсируются. В состав конденсата входит сырой дёготь и аммиачная вода. Выход дёгтя около 5 % от массы угля.

Отделение дёгтей от воды осуществляется в дёгтеотстойниках, из которых дёготь направляется в дёгтеперегонную установку. Дёгтеперегонные установки бывают периодического и непрерывного действия.

Установка периодического действия, схема которой представлена на рисунке 32, имеет в своём составе теплообменник-обезвоживатель, из которого обезвоженный дёготь направляется в перегонный куб, а пары воды в холодильник, а затем в виде конденсата в накопительную ёмкость. Из перегонного куба, имеющего автономный подогрев, пары дёгтя отправляются в теплообменник-обезвоживатель, а затем в холодильники, а из них конденсат сливается в сборники продуктов перегонки, в каждом из которых собирается определённая фракция. Отбор фракций осуществляется поочерёдно от низкотемпературной к высокотемпературной.

По окончании перегонки в кубе остаётся пек, который затем сливается в пекотушитель (пеки воспламеняются при температуре около 400 °C).

5.1.2.3 Свойства дёгтей.

Для получения дёгтя требуемой вязкости часто сплавляют два дёгтя различной вязкости либо сплавляют дёготь с пеком. Такие дёгти называют составленными, в то время как полученные перегонкой – отогнанные.

Дёгти – биостойки, имеют чёрный цвет, токсичны. Температура вспышки – от 150 °C до 190 °С, а воспламенения – от 180 °C до 270 °С. Истинная плотность – от 1,1 до 1,3 г/см 3 .

Вследствие испарения легколетучих фракций, а также окисления и полимеризации ненасыщенных высокомолекулярных углеводородов дёгти быстро стареют и теряют погодоустойчивость.

Для повышения вязкости, теплоустойчивости и улучшения других свойств в каменноугольную смолу или низкомарочный дёготь при температуре от 180 °С до 200 °C вводят серу и серусодержащие материалы. При этом наблюдается дегидратация углеводородов и изменение межмолекулярных связей.

9 – пекотушитель; 10 – пековая емкость.

Рисунок 32 – Технологическая схема дегтеперегонной установки периодического действия.

5.1.3 Основные мономеры, олигомеры, полимеры и сополимеры.

Исходным сырьем для получения полимеров являются мономеры и олигомеры. Мономеры представляют собой простейшие углеводороды с различным характером цепи. Простейшим из них является метан СН 4 , молекулы которого не склонны к полимеризации.

Более сложные углеводороды с многоатомными цепями уже обладают способностью к полимеризации. Различают мономеры:

2) с разветвлёнными цепями, например,

3) с кольцевыми (циклическими) цепями, например,

Углеводороды с насыщенными связями обладают малой химической активностью. Углеводороды с разветвлёнными цепями называют парафинами, а с кольцевыми – циклопарафинами. Они входят в состав битумов, существенно снижая их активность.

Благодаря способности атомов углерода соединяться между собой не только одной, но и несколькими валентностями, в молекулах углеводородов могут наблюдаться как двойные, так и тройные связи. Такие углеводороды называются ненасыщенными. В качестве примера можно рассмотреть: этилен Н 2 С = СН 2 – с двойной связью; ацетилен НС ≡ СН – с тройной связью и циклическое соединение – бензол – с двойными связями.

Соединения, содержащие двойные и тройные связи, легко вступают во взаимодействие с другими веществами либо между собой; при этом наблюдается процесс полимеризации, т.е. увеличения длины цепи и образования полимера. Полимер со сравнительно короткой цепью – три, пять и более мономеров – носит название олигомера.

Как правило, полимеры наряду с углеводородом и водородом в своей цепи содержат и другие атомы в виде так называемых функциональных групп, например, CI, NO, O, NH 2 , SH, N, SO 3 H, NO 2 , COH, CO, COOH.

Сополимеры – полимеры, получаемые совместной полимеризацией двух и более различных мономеров, что обеспечивает приобретение ими комплекса более универсальных свойств.

Наибольшее распространение в технологии ГИМ имеют следующие полимеры.

Относится к термопластичным полимерам, т.е. при нагревании размягчается, а при охлаждении затвердевает, причём такое превращение может наблюдаться многократно.

Полиэтилен получают из этилена способом полимеризации тремя методами: 1) при высоком; 2) при среднем; 3) при низком давлении. Полиэтилен низкой плотности и высокой эластичности, т.е. наиболее ценный, получают при высоком давлении (от 120 до 250 МПа) и повышенной температуре (от 170 °C до 270 °С). В технологии ГИМ полиэтилен используют в виде пленок, лент, защитных покрытий. Может входить в состав смешанного вяжущего. Химически стоек, но теряет эластичность и стареет на свету и под действием кислорода.

Относится к термопластичным полимерам. Используют при изготовлении пленок для парогидроизоляции, листов для облицовки ёмкостей с агрессивными жидкостями. Также как и полиэтилен, быстро стареет и становится хрупким под действием кислорода и ультрафиолетовых лучей.

Процессы старения замедляются при вводе в полиэтилен от 2 % до 3 % сажи, фенолов и аминов, а в состав полипропилена – от 1 % до 2 % пигментов.

Термопластичный полимер, растворяется в органических растворителях. При нагревании до температуры от 140 °C до 150 °С разлагается с выделением хлористого водорода. Обладает низкой светостойкостью, хрупкостью при отрицательной температуре, низкой адгезией к другим материалам. Для гидроизоляции используют в виде плёнок, листов, прокладок.

Представляет собой продукт полимеризации изобутилена – газа, получаемого при крекинге нефти. Относится к каучукоподобным термопластам. Для гидроизоляции применяют высокомолекулярный полиизобутилен (молекулярная масса от 150000 до 225000), близкий по своим свойствам к каучуку, с высокой химической стойкостью, водонепроницаемостью, но с низкой атмосферостойкостью. Растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Обладает хорошей, холодной адгезией к металлу и бетону.

Для гидроизоляции применяют в виде листов и плёнок, для изготовления нетвердеющих герметиков, в качестве добавки к битумам. Асфальтобетоны на таких битумах имеют повышенные упругоэластические свойства, прочность и водоустойчивость.

Получают полимеризацией винилацетата, который в свою очередь синтезируют из ацетилена и уксусной кислоты. Используется в виде водной дисперсии в качестве связующего водоэмульсионных красок при производстве полимерцементных и полимербетонных материалов, клеящих мастик.

Полистирол – является полимером стирола.

Выпускается эмульсионный, в виде порошка, либо «блочный» – прозрачное твердое вещество. Молекулярная масса от 50000 до 300000. Стоек к действию воды, минеральных кислот, щелочей. Имеет высокую прочность, светостоек. Легко перерабатывается литьем под давлением при температуре от 180 °С до 230 °C. Хорошо склеивается синтетическими клеями, но он горюч, хрупок, имеет низкую теплостойкость. Используется в гидроизоляционных покрытиях в виде пленок.

Улучшение свойств полистирола достигают путем его сополимеризации с другими мономерами, каучуками, введением волокнистых наполнителей.

Полиакрилаты – полимеры производных акриловой и метакриловой кислот, чаще всего используют метилметакрилаты и акрилонитрил.

Метилметакрилат представляет собой бесцветную жидкость.

Акрилонитрил CH 2 = CН – CN также бесцветная жидкость.

Получение полиметилметакрилата осуществляют блочным, суспензионным и эмульсионным способами.

Полиакрилаты представляют собой прозрачные твердые, эластичные или мягкие термопластичные полимеры. Обладают высокой водо-, тепло- и химической стойкостью, свето- и атмосферостойкостью.

Листовой полиметилметакрилат используют для изготовления светопрозрачных ограждений, а эмульсионный – для изготовления лаков, красок, добавок в бетоны.

Полиуретан – гетероцепные полимеры; в основной цепи макромолекулы наряду с углеродом содержат кислород и азот. Получают путем ступенчатой полимеризации диизоцианитов с многоатомными спиртами. В зависимости от вида исходного сырья могут быть термопластичными или термореактивными. Характеризуются достаточно высокой химической стойкостью, устойчивостью против действия кислорода и озона. Растворяются фенолами, концентрированными серной и муравьиной кислотами. Имеют высокую механическую прочность.

Используются для изготовления клеев, лакокрасочных покрытий, герметиков, гидроизоляционных пленок.

Инден-кумароновые полимеры – смеси продуктов полимеризации индена и кумарона. Инден С 9 Н 8 и кумарон С 8 Н 6 О – бесцветные маслянистые жидкости, являющиеся продуктами переработки каменноугольных и сланцевых смол и нефти. Полимеры представляют собой твердые продукты, молекулярной массой от 1000 до 3000 и плотностью от 1050 до 1200 кг/м 3 . Хорошо растворяются в органических растворителях (бензол, толуол, скипидар); при нагревании совмещаются с растительными маслами, синтетическими жирными кислотами. Могут быть получены и в виде смол.

Используют для изготовления лаков, красок, клеевых мастик, плиток для полов.

Фенолформальдегидные полимеры получают реакцией поликонденсации, которая протекает по механизму замещения и сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спирта, аммиака и др.). Могут быть получены термопластичными (новолачные) и термореактивными (резольные).

Реакция образования полимера протекает по схеме.

2n C 6 H 5 OH + n CH 2 O → [ – C 6 H 3 OH – CH 2 – C 6 H 3 OH ] n + n H 2 O (11)

Применяют для изготовления твердеющих мастик, лаков, клеев, пластмасс.

Фурановые полимеры получают в результате взаимодействия фурфурола С 5 Н 4 О 2 либо фурилового спирта С 5 Н 6 О 2 с ацетоном СН 3 СОСН 3 . При этом получаются фурфуролацетоновые олигомеры (низкомолекулярные полимеры), которые хорошо сочетаются с различными термопластичными и термореактивными полимерами, синтетическими каучуками и битумами.

При повышении температуры они переходят в неплавкое и нерастворимое (термореактивное) состояние без отвердителей. Используют в качестве связующего полимербетонов, противокоррозионных мастик, при производстве клеев и лаков.

Эпоксидные полимеры – отвержденные продукты, получаемые на основе соединений, содержащих эпоксидную группу.

Сначала получают эпоксидные олигомеры с низкой молекулярной массой (от 400 до 600), представляющие собой вязкие жидкости. Превращение олигомера в нерастворимое состояние (полимер) происходит как на холоде, так и при повышенных температурах, в зависимости от вида отвердителя. Отверждение олигомера не сопровождается образованием побочных продуктов.

Эпоксидные полимеры менее хрупки, чем другие, например фенолформальдегидные; имеют высокую прочность – от 100 до 130 МПа при сжатии; химически и водостойки.

Олигомеры выпускают немодифицированными и модифицированными каучуками, фторопластами и др.

В строительстве используют для изготовления плёнок, лаков, герметиков.

Кремнийорганические полимеры (полиоргансилоксаны) – высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи макромолекул атомы кремния.

Исходными компонентами для их производства служат алкил(арил)хлорсиланы и замещенные эфиры ортокремневой кислоты. Алкил (арил) хлорсиланы R-Si-Cl 3 , R 2 -Si-Cl 2 , R 3 -Si-Cl (где R – органический радикал) – бесцветные жидкости. Замещённые эфиры ортокремневой кислоты R-Si-(OR) 3 , R-Si-(OR’) 2 , R-Si-OR» – также бесцветные жидкости.

Процесс синтеза полимеров сводится к поликонденсации исходных вышеперечисленных компонентов. В зависимости от свойств исходных веществ образуются как термопластичные, так и термореактивные полимеры жидкой, высокоэластичной или твёрдой консистенции.

Для изготовления лаков твёрдые полимеры растворяют в толуоле.

Полиоргансилоксаны – нетоксичны, не обладают коррозионной активностью, плотность от 920 до 2000 кг/м 3 , водо- и термостойки.

Для гидроизоляции используют кремнеорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ11, ГКЖ-94 и ГКЖ-94М, представляющие собой растворы в органических растворителях либо водные эмульсии этих растворов.

Недостаток полиоргансилоксанов – слабая адгезия к древесине, металлам и ряду других материалов. Полимеры можно использовать для изготовления низкомолекулярных каучуков, герметизирующих мастик.

Представляют собой продукты полимеризации мономеров: бутадиена, дивинила, стирола, акрилонитрила, хлоропрена, изобутилена, дихлорэтана, силанов, изоцианитов, фторсоединений и др.

Основной способ их производства – полимеризация в водных эмульсиях. Выпускают в виде водных дисперсий (латексов), а также в виде кусков, брикетов, полотнищ, скатанных в рулоны.

Структура каучуков линейная; макромолекулы его представляют собой гибкие длинные цепи, чем и объясняется эластичность каучуков.

В промышленности каучуки в чистом виде практически не применяют. Более популярны резина или вулканизированный каучук. Вулканизация заключается в сшивке линейных молекул каучука поперечными связями и осуществляется с помощью вулканизаторов (как правило, серы) и ускорителей вулканизации (окись цинка, тиурам, дифенилгуанидин).

Каучуки используют при производстве гидроизоляционных и герметизирующих материалов, клеев, водоэмульсионных красок, полимербетонов.

В технологии ГИМ наибольшее распространение получили следующие разновидности каучуков.

Хлорпреновый каучук. Имеет высокую свето- и атмосферостойкость, хорошую эластичность, прочность. Наиболее дешевыми с высокой адгезией хлорпреновыми каучуками являются наириты; добавленные в небольшом количестве в виде латекса в битум они существенно улучшают его растяжимость. Их используют и для изготовления герметиков.

Тиоколовые или полисульфидные каучуки. Имеют высокую морозостойкость, стойкость к органическим растворителям, но теплостойкость и атмосферостойкость у них ограничены. Применяют для изготовления герметизирующих замазок и мастик, в качестве антикоррозионного покрытия, наносимого газопламенным напылением.

Бутилкаучук. Продукт сополимеризации изобутилена и изопрена. Может вулканизироваться, имеет высокую химическую стойкость. Относительное удлинение от 600 % до 750 %, предел прочности при растяжении от 12,8 до 19,2 МПа. Используют при изготовлении герметизирующих мастик и прокладок.

Бутадиеновые каучуки. Являются наиболее распространёнными. До 90 % синтетических каучуков выпускаются с использованием бутадиена. Из них наиболее широко используемым является бутадиенстирольный СКС-30. Характеризуется большой эластичностью, теплостойкостью.

В гидроизоляционных работах каучуки чаще всего используются в виде синтетических латексов, представляющих собой водные дисперсии полимеров и синтетических каучуков. В состав латексов также входят эмульгаторы, противостарители, регуляторы полимеризации, а для улучшения качественных характеристик плёнок также вводят наполнители, смолы, пластификаторы.

5.1.4 Битумно-дегтевые вяжущие материалы.

Содержание дегтя не должно превышать значений от 20 % до 30 %, что обеспечивает устойчивость и однородность композиции. При увеличении количества дегтя следует выбирать маловязкие дегти, т.е. с малым содержанием «свободного углерода», который повышает вязкость и температуру размягчения дегтевых материалов. При смешивании битумов с дегтевыми маслами достигается полная смешиваемость при высоких концентрациях масел.

К битумно-дегтевым материалам может быть отнесен гудрокам . Имеет повышенную биологическую и химическую стойкость, эластичность, адгезию; однороден; сохраняет свойства при многократных разогревах. Получают совместным окислением гудрона или битума с антраценовым маслом (или другой антисептической добавкой) в реакторах периодического или непрерывного действия. Технологическая схема производства гудрокама в трубчатом реакторе непрерывного действия представлена на рисунке 33.

Окисление циркулирующей массы до необходимой вязкости гудрокама проводится при температуре от 240 °C до 250 °С воздухом, подаваемым через смеситель из компрессора. При совместном окислении вяжущее имеет повышенную термостойкость, более стойко к атмосферным воздействиям.

Гудрокампек получают окислением предварительно смешанного антраценового масла с пеком и битума. В дальнейшем технология гудрампека не отличается от таковой для гудрокама.

Рисунок 33 – Технологическая схема производства гудрокама в трубчатом реакторе.

5.1.5 Битумно-резиновые вяжущие материалы.

Получение регенерированной резины осуществляют из износившихся автопокрышек, содержащих более 50 % каучука, либо из отходов заводов резинотехнических изделий. Старую резину предварительно измельчают в крошку размером от 1,0 до 1,5 мм и очищают с помощью кислот и щелочей, нагревают, добавляют мягчители. При производстве гидроизоляционных материалов регенерация резины упрощается; на резину находящуюся в среде горячего битума или дегтя, воздействуют механически, что приводит к девулканизации резины.

Получение резиновой крошки из покрышек осуществляется следующим образом (рисунок 34):

1) от покрышек отрезают бортовые кольца;

2) режут покрышки ножницами на некрупные куски, которые затем подают на размалывающие вальцы, валки которых имеют винтовую нарезку на поверхности.