Армированная битумно-полимерная мастика. Особенности формирования структуры

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №9, 2017г.

Для долгосрочной работы конструкционных материалов во влажной и агрессивной среде необходима их надежная гидроизоляционная и антикоррозийная защита, осуществляемая, в том числе, посредством битумно-полимерных мастик. Подавляющее большинство материалов строительных конструкций имеет пористую структуру, довольно хорошо пропускающую и впитывающую воду, что является существенным недостатком. Заполнившая поры влага – одна из основных причин разрушения фундаментов и других конструктивных элементов, не обработанных гидроизолирующими материалами. Таким образом, гидроизоляция играет важную роль в обеспечение бездефектной работы всего сооружения в течение всего эксплуатационного срока.

В настоящее время в РФ гидроизолирующая продукция представлена широким спектром [1–22], однако надежный гарантированный результат можно получить лишь тогда, когда обеспечиваются правильный подбор материалов и строгое соблюдение технологии производства работ.

Для устройства защитных покрытий широко применяются материалы, в основе которых лежат полимеры [6–10], в частности низкомолекулярные термоэластопласты, относящиеся к классу стирол-бутадиен-стирол (СБС). К сожалению, в композициях, приготовленных с использованием полимера, как основного модифицирующего компонента, для обеспечения долгосрочной работы конструктива требуется значительное его содержание, иначе не обеспечиваются необходимые эксплуатационные показатели строительного объекта, а это приводит к удорожанию продукции.

Мастики должны обладать стабильными физико-механическими показателями в течение всего периода эксплуатации в интервале рабочих температур; быть однородными – без видимых посторонних включений, примесей и частиц наполнителя или антисептика, не покрытых вяжущим; быть удобонаносимыми, при изготовлении не выделять в окружающую среду вредных веществ в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации. Основным эксплуатационным недостатком предлагаемых современных мастик является хрупкость при отрицательной температуре.

Анализ состояния вопроса показал, что необходим поиск альтернативных технологий приготовления и рецептур битумно-полимерных мастик. Одним из наиболее перспективных направлений в материаловедении последних лет является управление процессами структурообразования на всех этапах производства материала, что позволяет получать заданные характеристики и полностью контролировать его качество.

Основная часть

Как говорилось выше, использование битумно-полимерной мастики, обеспечивающей долговечность и эксплуатационную надежность конструктива, требует значительного содержания в ее составе полимера. Для устранения обозначенного недостатка в данной работе рассматривалась возможность частичной замены полимера минеральным компонентом (шунгитом или золой-уноса ТЭС) в составе мастик.

Выбор минеральных материалов обоснован наличием в их составе различных форм углерода, что в соответствии с последними представлениями,– должно положительно отразиться на физико-механических характеристиках мастик, приготовленных с их использованием.

Шунгит – метаморфическая порода, содержащая углеродные глобулы с фуллеренами – продукт воздействия интрузивных пород на битуминозные осадки. Основной его компонент – углерод С60. Исследователями [22] установлена способность шунгита поглощать кислород, активно с ним взаимодействовать при комнатных температурах в воде и на воздухе, что позволяет закономерно предположить, что его действие в составе мастики в процессе ее приготовления будет аналогично действию антиоксидантов, что положительным образом отразится на низкотемпературных показателях и процессах старения.

Зола-уноса ТЭС представляет собой несгораемый остаток, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании – высокодисперсный аморфный углеродный продукт, частицы которого представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур.

Морфоструктурные характеристики исследуемых минеральных материалов, полученные с помощью растрового электронного микроскопа высокого разрешения MIRA Tescan3, представлены на рис. 1.

а

б

Рис. 1. Морфология поверхности минеральных материалов:а – шунгита; б – золы-уноса ТЭС

Полученные изображения поверхностей исследуемых минеральных материалов подтверждают существующие теоретические представления об их морфоструктурных особенностях.

Результаты изучения элементного химического состава поверхности минеральных материалов с помощью энергодисперсионного спектрометра представлены в табл. 1.

Таблица 1

Элементный химический анализ поверхности минеральных материалов

Наименование материала № п/п Содержание элемента, %
C O Na Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Cr Mn Fe Ni Cu Zn
Шунгит 1 56,37 31,66 0,02 0,22 0,93 9,09 0,01 0,22 0,01 0,44 0,05 0,07 0,01 0,77 0,07 0,03
2 56,57 31,56 0,03 0,21 0,93 9,12 0,01 0,24 0,02 0,46 0,09 0,06 0,02 0,77 0,07 0,03
3 56,36 31,66 0,02 0,22 0,94 9,09 0,01 0,22 0,01 0,44 0,07 0,07 0,01 0,77 0,08 0,02
Среднеквадратичное отклонение 0,009 0,04 0,01 0,01 0,01 0,03 0,0 0,01 0,01 0,02 0,03 0,01 0,01 0,0 0,01 0,01
Зола-уноса ТЭС 1 98,51 1,26 0,03 0,00 0,01 0,01 0,16 0,01 98,5 1,26 0,03
2 98,20 1,28 0,01 0,01 0,01 0,01 0,46 0,01 0,01 0,01 98,2 1,28 0,01
3 98,50 1,33 0,02 0,00 0,00 0,01 0,13 0,01 98,5 1,33 0,02
Среднеквадратичное отклонение 0,14 0,03 0,01 0,0 0,0 0,0 0,14  – 0,00 0,00 0,13 0,03 0,01

Анализ данных, изложенных в табл. 1, позволил зафиксировать незначительные примеси в золе-уноса ТЭС, их среднее содержание составляет 1,55 %. Тогда как в шунгите содержание примесей значительно – 43 %, основными составляющими компонентами которых являются атомарный кислород и кремний. Полученные результаты подтверждают теоретические представления о способности шунгита поглощать кислород. Рассчитанные значения среднеквадратичного отклонения (< 0,1) говорят о равномерном распределении химических элементов по объему исследуемого материала, что позволяет судить об адекватности проб материала, взятых для изучения.

В качестве сырьевых компонентов для приготовления мастик также использовали: битум 60/90 «Московского» НПЗ, соответствующий требованиям ГОСТа [15] (с исходной пенетрацией при 25 °С 64 мм–1, при 0 °С 27 мм–1), полимер-дивинилстирольный термоэластопласт ДСТ-30Р-01, органический пластификатор – индустриальное масло, минеральный наполнитель – шунгит и зола-уноса ТЭС, соответствующие требованиям ГОСТа [16].

При постановке эксперимента была рассмотрена следующая рецептурная комбинация составляющих компонентов: ДСТ-30Р-01 – 3,0…5,0 %, индустриальное масло – 3,5 %, резиновая крошка – 4 %, шунгит – 5…10 %, зола-уноса ТЭС – 5…10 %, битум БНД 60/90 – остальное. Наличие пластификатора необходимо как среды, увеличивающей растворяющую способность дисперсионной мальтеновой составляющей битума, что позволяет сохранить равновесное состояние в системе и не допустить уменьшения толщины сольватной оболочки в асфальтеновых комплексах, что неизбежно происходит при введении полимера в битум при отсутствии пластификатора. Это может привести к расслаиванию системы в процессе хранения и транспортировки в результате конкурирующей абсорбции между молекулами асфальтенов и молекулами полимера. Содержание пластификатора – 3,5 % было принято, как оптимальное, подобранное ранее [13, 21].

В табл. 2 представлен ряд возможных составов мастик, однако, вариантов их приготовления в зависимости от необходимых конечных свойств продукции множество.

Таблица 2

Компонентный состав образцов мастик

Номер состава БНД 60/90 ДСТ30Р-01 И-40 Резинов. крошка Минеральный наполнитель
шунгит зола-уноса ТЭС
1 84,5 3,0 3,5 4 5
2 82,5 3,0 3,5 4 7
3 79,5 3,0 3,5 4 10
4 84,5 3,0 3,5 4 5
5 82,5 3,0 3,5 4 7
6 79,5 3,0 3,5 4 10
7 89,5 3,0 3,5 4
8 88,5 5,0 3,5 4

В общем виде, приготовление мастик осуществлялось следующим способом: в разогретый до 160–170 °С битум при перемешивании совместно вводились пластификатор и и дивинилстирольный термоэластопласт. Смешение производилось в течение 1 часа. Затем вводился в систему минеральный наполнитель шунгит или зола-уноса ТЭС, после чего приготавливаемая мастика перемешивалась до готовности и далее стабилизировалась (не менее 1 часа). Физико-механические показатели свойств приготовленных образцов полимерно-битумных мастик представлены в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические характеристики образцов мастик

Номер состава Физико-механические показатели
Глубина проникания иглы, 0,1, мм Температура, °С Растяжимость, см, при Эластичность, % Адгезионное сцепление Интервал пластичности
25 °С 0 °С размягчения хрупкости 25 °С 0 °С 25 °С 0 °С
1 55 25 75 –25 27 10 90 84 5 100
2 62 32 80 –29 29 12 96 91 5 109
3 44 21 88 –19 14 7 49 31 5 107
4 50 21 73 –25 20 9 88 81 5 98
5 56 29 83 –26 30 11 92 86 5 109
6 39 18 88 –20 20 8 54 49 5 108
7 72 30 67 –22 56 17 88 84 4 89
8 66 31 78 –26 35 15 95 91 4 104

Анализ полученных результатов показал, что введение в состав мастик минеральных компонентов позволяет сократить содержание полимера в композиции, с одновременным повышением температуры размягчения, эластичности и адгезионной прочности. Так для получения теплостойкой мастики полимер вводится в среднем в количестве 5–12 %, в соответствии с полученными данными содержание полимера в композиции может быть на уровне 3 %. При этом достижение высоких показателей качества мастики возможно при использовании как шунгита, так и золы-уноса ТЭС. Наличие минеральных компонентов в составе мастик увеличивает адгезионные и прочностные характеристики композиционного материала.

Изменяя процентное соотношение минеральных составляющих, было установлено их влияние на показатели качества мастик. Так, например, содержание минеральных наполнителей в количестве 5 % (составы № 1, № 4) не обеспечивает формирование улучшенных показателей качества битумно-полимерной мастики. Они достигаются при содержании микронаполнителей в количестве 7 % для двух случаев. Это объясняется тем, что введение указанного количества микронаполнителей (7 %), в органическое вяжущее достаточно, для того чтобы формировались центры структурирования за счет содержания в их составе смесей разнообразных углеродных аллотропов, чьи небольшие решётки соединены аморфным углеродом [19, 20]. Эти особенности строения позволяют при оптимально подобранном наполнении минеральным наполнителем битумно-полимерно-резиновой композиции сохранить низкую температуру хрупкости, пластичность при низких температурах, эластичность при 0 °С, а также высокую адгезионную прочность мастики к поверхности каменного материала. Дальнейшее увеличение наполнителя переводит смесь в очень вязкое состояние с приобретением хрупких свойств.

В составе рассматриваемых композиций резиновая крошка выполняет функцию наполнителя, который повышает температуру размягчения системы. Введение резиновой крошки в состав мастики снижает расход дорогостоящих компонентов, позволяет удешевить модификацию вяжущего, тем самым приводит к значительной экономии. В процессе перемешивания резиновой крошки и полимера с битумным вяжущим в присутствии прекурсора, под воздействием высокой температуры происходит частичная девулканизация поверхностных слоев резиновой крошки. Происходящий при этом разрыв связей C–S–C приводит к образованию боковых ответвлений производных изопрена, которые растворяются в модифицированном органическом пластификаторе. Они же, в свою очередь, несут на себе радикалы –C–S, способные к взаимодействию с оставшимися двойными связями в бутадиеновых блоках СБС полимера [17, 20]. В результате такого взаимодействия происходит прививка молекул полимера на поверхность частично девулканизированной резиновой крошки и образование пространственной «пластично» армированной структуры в вяжущем, состоящей из частиц нерастворившейся резиновой крошки и привитых молекул полимера.

В соответствии с требованиями к готовой продукции по теплостойкости, количество резиновой крошки может доходить до 5 %. Дальнейшее увеличение содержания резиновой крошки создает трудности при приготовлении мастики, так как усложняется процесс ее перемешивания и получения однородной стабильной системы.

Все изменения свойств материала базируются на структурных изменениях. Для того чтобы

На рис. 2, а представлен контрольный состав битумно-полимерной мастики, на рис. 2, б и 2, в – составы с оптимальным содержанием минеральных компонентов. Полученная морфология структур позволяет закономерно сделать вывод о том, что наличие минеральных наполнителей в композиции инициирует структурирующие процессы, в результате чего формируется упрочненная рельефная структура, обеспечивающая улучшение эластичности и теплостойкости. Шероховатость поверхности изучаемых образцов минеральных наполнителей (см. рис. 1) способствует увеличению внутренней структурной (когезионной) и адгезионной прочности композиции.

а

б

в

Рис. 2. Морфоструктурные особенности битумно-полимерных мастик:а – состав № 8; б – состав № 5; в – состав № 2

Очевидно, что при оптимально подобранном содержании минерального компонента происходит сближение частиц в упрочненную органоминеральную-полимерно-резиновую матрицу. Приповерхностные структурирующие слои, образующиеся вокруг частичек минерального материала, начинают соприкасаться с последующим сближением в общую для всех частиц упрочненную за счет армирования матрицу, за счет этого композиция становится более прочной, но сохраняет свою пластичность и эластичность, что окажет положительное влияние на продление эффективного эксплуатационного периода объекта, герметизированного с ее помощью.

Выводы

Предложенные в работе пути решения проблемы гидроизоляции объектов строительно-го назначения за счет разработки улучшенного модифицированного материала – битумно-полимерной мастики с комплексным армированием матрицы, способствуют обеспечению бездефектной работы объектов строительства и их надежное, долгосрочное и бездефектное функционирование.

Авторами рассмотрены ключевые моменты модифицирования, армирования полимером и резиновой крошкой, наполнения минеральным материалом, а также вариативные воздействия этих составляющих в совокупности. Разработаны оптимальные составы мастик, в зависимости от необходимых эксплуатационных условий, получены оптимальные технологические режимы, обеспечивающие получение однородного, стабильного, модифицированного композита с высокими показателями когезионной и адгезионной прочности и широким температурным интервалом работоспособности.