|
В настоящее время большинством исследователей, строителей и проектировщиков не подвергается 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. Введение подходящего полимерного модификатора придает вяжущему и всему кровельному материалу (битумно-полимерной мембране) большую сопротивляемость течению при повышенных температурах, морозостойкость, повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, существенно (до 25-30 лет) повышает долговечность покрытия.
Бόльшая часть выпускаемых в России мембран производится с использованием бутадиен-стирольного термоэластопласта (ТЭП) блочного строения типа СБС. При этом достигается приемлемая теплостойкость, великолепная морозостойкость, высокая эластичность. В многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных специалистов доказано, что материалы с использованием СБС ТЭП соответствуют климатическим особенностям основной части территории России.
Как известно, “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. Таким образом производят материал Днепрофлекс и некоторые другие, относящиеся к классу битумно-полимерных мембран.
К сожалению, с некоторых пор на отечественном рынке возросло предложение материалов, при производстве которых также используется полимерные модификаторы, в том числе СБС ТЭП, однако эти кровельные материалы, являясь формально битумно-полимерными, не могут быть отнесены к мембранам и не обладают совокупностью великолепных эксплуатационных характеристик последних.
Отличием “настоящих” мембран от таких материалов (назовем их “полимерсодержащие”) заключается в существенно более низком содержании модификатора (5-8%). Для того, чтобы достичь показателей теплостойкости и низкотемпературной гибкости, нормируемых ГОСТ 30547-97 "Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Общие технические условия", производители используют другие, более окисленные и потому более теплостойкие марки битума, например, БН 70/30 или БНД-60/90. Таким образом, и те, и другие материалы имеют в исходном состоянии одинаковые (или почти одинаковые) тепло- и морозостойкость. Поскольку стоимость СБС ТЭП довольно высока, производители полимерсодержащих “псевдомембран” имеют возможность “выбрасывать” на рынок более дешевую продукцию, дезориентируя массового покупателя.
Англичане говорят: “Мы не настолько богаты, чтобы покупать дешевое”. А вы? Давайте разберемся.
Как следует из вышеизложенного, промышленностью производится два типа СБС-содержащих материалов; абстрагируясь от деталей, можно сказать, что битумно-полимерное вяжущее первого состоит 12-14% СБС ТЭП + 86-88% битума БНК-40/180, второго - из 5-8% СБС ТЭП + 92-95% битума типа БН-70/30. Столь незначительный дефицит в содержании полимера и разница в марке битума приводит, как говорят ученые, к драматическим последствиям в долговременной стабильности и, как следствие, к недостаточной долговечности кровельных материалов. В чем же причина?
Обратимся к составу и строению битума и его смесей с полимерами.
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 (“растворителем”) являются мальтены, а дисперсной фазой – асфальтены. Устойчивость системы, в том числе трещиностойкость, теплостойкость и долговечность битума зависит от соотношения долей мальтены/асфальтены и степени их “родства”. Чем больше это родство, тем более устойчива система, тем медленнее стареет битум /1/. Масла и смолы обеспечивают пептизацию асфальтенов, т.е. поддержание их в виде коллоидного раствора.
В высокоокисленных битумах содержание асфальтенов достаточно велико, при невысоких температурах они образуют сплошную структуру в битуме, обеспечивая его вязкоэластические свойства и необходимое сопротивление текучести. Ясно, что чем выше содержание асфальтенов, тем выше температура размягчения битума /2/. Соответственно, чем ниже температура размягчения, т.е. чем менее окислен битум, тем меньше в нем асфальтенов. Кроме того, необходимо отметить, что в процессе окисления битумов количество масел битума убывает за счет уменьшения содержания низкомолекулярных ароматических компонентов масел, в то время как парафино-нафтеновые соединения остаются практически неизменными; следовательно, их доля в маслах повышается, также как и содержание асфальтенов в битуме в целом. Иными словами, при окислении дисперсионная среда битумов изменяется как количественно (убывает), так и качественно (обогащается парафино-нафтеновыми и тяжелыми ароматическими соединениями). Таким образом, уменьшается сродство дисперсионной среды к асфальтенам.
При введении в битум бутадиен-стирольного ТЭП последний адсорбирует ароматические мальтены битума, набухая в них; при этом размеры ТЭП увеличиваются в 6-9 раз /3/. 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 вес.%) 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. Наконец, при высоких концентрации полимера (примерно, 12 вес.%) происходит 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 десятки-сотни раз, резко уменьшается остаточное удлинение, улучшаются усталостные свойства и т.д.
Очевидно, что 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, “критическом” содержании полимера количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов и последние коагулируют в виде твердой фазы - битум “распадается”.
Из изложенного следует, что, чем более окислен битум, тем меньшее количество полимера можно в него ввести без ущерба его коллоидной стабильности. Действительно, в работе /4/ подтверждено постоянство суммы асфальтенов и полимеров для “критических” битумных композиций из одинаковых видов сырья. Для приготовления битумно-полимерного вяжущего с СБС ТЭП используют битумы неокисленные БНК-40/180 либо среднеокисленные типа БН-70/30. В таблице представлены /2/ средние компонентные составы битумов указанных марок, полученных из западно-сибирских нефтей, т.е. нефтей с наибольшей степенью ароматичности (ПН-парафино-нафтеновые углеводороды, Аром. - ароматические мальтены, М - сумма масел, См.- смолы, Асф. - асфальтены). Марка битума Массовые доли компонентов, % ПН Аром. М См. Асф. БНК-40/180 10-20 15-20 35-40 40-45 15-20 БН-70/30 10-20 10-15 20-30 40-50 25-28 Если принять, следуя /2/, что коэффициенты аА и аП для СБС ТЭП и битума близки к 1, то подстановка значений из таблицы в формулу (1) дает максимальное содержание полимера, при котором система находится в критическом состоянии: для битума марки БНК-40/180 - 15-20 вес.%, для битума марки БН 70/30 - менее 8%. Таким образом, битумно-полимерные вяжущие с использованием "среднеокисленных" битумов типа БН 70/30 оказываются весьма близки к критическому состоянию. Битумы обеднены маслами, кроме того ароматичность масел, а следовательно "сродство" битума с СБС ТЭП снижается. При незначительном нарушении компонентного состава битума (например, в процессе эксплуатации кровли - при "выпотевании", или эксудации масел) термодинамически и агрегативно неустойчивая двухфазная система, которой является это вяжущее, распадается: происходит выделение асфальтеновой фазы, битум теряет блеск, становится мутным, охрупчивается. Известно, что в процессе атмосферного старения материалов имеет место изменение компонентного состава битумов, аналогичное изменениям при искусственном окислении битумов, - содержание масел постоянно убывает, а асфальтенов - увеличивается. Следовательно, в процессе старения композиции на основе среднеокисленных битумов и 6-8% СБС ТЭП оказываются более неустойчивыми, значительно более близкими к "распаду", чем "традиционные" составы.
К сожалению, действующие в настоящее время стандарты не оценивают поведение материалов в процессе эксплуатации. Более того, настоящие мембраны и "псевдомембраны" относятся, в соответствии с ГОСТ 30547-97, к одному и тому же классу материалов - "битумно-полимерным материалам на негниющих основах". Действительно, набор основных физико-технических параметров, обязательных к проверке, согласно этому стандарту (теплостойкость, низкотемпературная гибкость и др.) у обоих материалов сразу после их производства близок. В то же время у мембран эти свойства проявляются благодаря наличию пространственной эластичной матрицы полимера, а у "псевдомембран" - благодаря, в основном, изменению свойств дисперсионной среды битума. Однако стандарт не содержит требований к свойствам материалов (исключительно важных с эксплуатационной точки зрения, например, к эластичности), которые могли бы легко продемонстрировать преимущества настоящих мембран. И, разумеется, главное: термодинамическая устойчивость вяжущих этих материалов, а следовательно и их долговечность могут сильно отличаться.
Объективности ради следует отметить, что такие полимерсодержащие "псевдомембраны" все же лучше, чем вообще несодержащие полимерных модификаторов рулонные кровельные материалы. Кроме того, согласно /3/, введение в готовую, уже инвертированную систему битум-полимер окисленного битума может сопровождаться существенным повышением долговечности смеси (кстати, так поступают некоторые "продвинутые" производители мембран).
Тем не менее, использование в массовом строительстве относительно дешевых “псевдомембран” вместо настоящих может обернуться весомыми потерями при эксплуатации кровель, значительно превышающими экономию при приобретении этих относительно недорогих полимерсодержащих материалов. Авторам известны случаи, когда заказчики, устроившие кровлю из широко разрекламированных СБС-модифицированных материалов, оказавшихся "псевдомембранами", через 3-5 лет (а не через 15 и более!) были вынуждены производить ремонтные работы.
Что же делать? Очевидно, менять государственный стандарт, выделить для каждой группы материалов свою "нишу" и в соответствии с этим разработать адекватные конструкции кровель. А пока… Пока тщательно взвешивать свои выгоды - потратиться сегодня, чтобы "забыть" о кровле на 15-20 лет, или Бог с ней, пусть течет!
Список использованной литературы
- Посадов И.А. и др.- Коллоидный журнал, т.47, №2, с.315 (1985).
- Розенталь Д.А., Таболина Л.С., Федосова В.А. Модификация свойств битума полимерными добавками.-Обзорная инф.. -ЦНИИТЭнефтехим., м., 1988, вып.6
- Heimerikx G.W.J. Styrenic block copolimer for bitumen-based roofing felt.-8th International Waterproofing Congress.-Madrid, Spain, 1992.
- Розенталь Д.А., Федосова В.А., Худякова Т.С., Лавров Ю.И.- ХТТМ, №6, с.13 (1979). ООО НТЦ «Гидрол-Кровля»
Андронов С.Г., Зельманович Я.И.,
ООО НТЦ «Гидрол-Кровля»
|
