Книги / Rumyantsev_B_M_i_dr_Sistemy_izolyatsii_stroitelnykh_konstruktsiy_2016

Рис. 1.1. Уклон кровли

Такое разделение накладывает свою специфику на составы, принципы работы и технологии устройств этих типов кровель. Поэтому рассматривать их необходимо по отдельности.

1.1. Материалы кровельных систем

Кровельные материалы предназначены для устройства кровельных покрытий; они подвергаются периодическому увлажнению и высушиванию, воздействию прямого солнечного излучения (особенно опасно действие УФ-лучей), нагреву, замораживанию, снеговым и ветровым нагрузкам. Для длительной работы в таких условиях кровельные материалы должны быть атмосферостойкими, светостойкими, водонепроницаемыми, стойкими к низким температурам, имеющими достаточную прочность. В тех случаях, когда крыша является видимым элементом здания (например мансардные, скатные крыши), материал должен отвечать определенным архитектурно-декоративным требованиям.

Кровельные и гидроизоляционные материалы должны быть также технологичными и экономичными.

По внешнему виду и размеру материалы для кровли делят на следующие группы:

•рулонные (битумные и битумно-полимерные материалы; полимерные мембраны, пароизоляционные и диффузионные пленки);

•штучные (черепица, гибкая черепица, природный шифер и т.п.);

•листовые (асбестоцементные листы, профилированные и плоские металлические листы, металлочерепица и др.);

•мастичные (битумные и полимерные мастики).

Это деление достаточно условное, так как штучные и листовые материалы часто различаются только размерами. В данном случае за грани-

цу между этими группами материалов принята площадь кровельного элемента 1 м2.

10

1.1.1. Рулонные битумные

и битумно-полимерные материалы

Общие сведения

Первые рулонные материалы — толь, пергамин, рубероид, с основой из кровельного картона, пропитанного и покрытого битумом или дегтем, — появились еще в XIX в. Они обладали низкой долговечностью, связанной, с одной стороны, с невысокой теплостойкостью, прочностью и биостойкостью картонной основы, с другой — с быстрым «старением» битума и дегтя под воздействием солнечной радиации: из-за испарения масел и окисления битума и дегтя эти вяжущие становились хрупкими, интенсивно шли процессы растрескивания по поверхности полотна. Через образовавшиеся трещины вода беспрепятственно проникала до картонной основы, которая разлагалась под действием влаги, в результате чего через 3—5 лет материал разрушался. Кроме того, битумные материалы имеют низкую морозостойкость, охрупчиваются при отрицательных температурах и требуют укладки до 5 слоев.

Основными направлениями повышения качества рулонных материалов стали замена гниющей картонной основы на негниющую, модификация битумного вяжущего и применение новых видов посыпок.

Первые модифицированные битумные вяжущие появились в 60-х гг. XX в. В битумное вяжущее стали добавлять атактический полипропилен (АПП) — побочный продукт производства полипропилена, а сами материалы стали называться АПП-модифицированными. После разработки в 1967 г. компанией Шелл (Shell) термопластичного каучука СБС (стирол-бутадиен-стирол) появились первые СБС-модифици- рованные битумы. Введение в битум полимерных добавок позволило улучшить физико-механические и эксплуатационные характеристики материалов, а также значительно повысить срок службы кровли.

Классификация

Рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы классифицируют по следующим признакам:

•назначению: кровельные (для устройства однослойного, верхнего

инижнего слоев многослойного кровельного ковра); гидроизоляцион-

11

ные (для устройства гидроизоляции строительных конструкций); пароизоляционные (для устройства пароизоляции строительных конструкций);

•структуре полотна: основные и безосновные;

•виду основы: картонная, стекловолокнистая, из полимерных волокон, комбинированная;

•виду вяжущего: битумные, битумно-полимерные;

•виду защитного слоя: с посыпкой (крупно-, мелкозернистой), с фольгой, с пленкой;

•способу укладки: наплавляемые, приклеиваемые на мастику, механически закрепляемые, свободно укладываемые (под балласт).

Состав и строение рулонных битумных и битумно-полимерных материалов

Рулонные кровельные битумные и битумно-полимерные материалы представляют собой многослойные композиции, состоящие из вяжущего вещества, основы, защитных слоев (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Строение рулонного кровельного материала:

1 — посыпка; 2 — битумное (битумно-полимерное) вяжущее; 3 — основа; 4 — полимерная пленка

Битумные вяжущие

Битумами называют жидкие, полутвердые или твердые соединения сложных органических веществ, состоящих из смеси углеводородов и их соединений с кислородом, серой, азотом. Битумы могут быть природного происхождения или получены при переработке нефти, торфа, углей и сланцев.

12

Для производства рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов используют искусственные битумы, полученные при переработке нефти. Для получения нефтяных битумов используют четыре основных способа:

•концентрирование нефтяных остатков путем их вакуумной перегонки;

•окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов) при температуре 180—300 °С;

•крекирование — разрушение части тяжелых углеводородов, содержащихся в нефти путем нагревания до температуры 350—650 °С под давлением и в присутствии катализатора;

•компаундирование — смешивание различных нефтяных остатков

сдистиллятами и с окисленными или остаточными битумами и др.

Структура битумов

По структуре битумы относят к сложным коллоидным растворам асфальтенов и части смол (дисперсная фаза) в среде из нефтяных масел (дисперсионная среда).

Масла — жидкие углеводороды светло-желтого цвета; являются самой низкомолекулярной частью битума: молекулярная масса масел колеблется в диапазоне 360—500, а плотность составляет 800—870 кг/м3. Масла включают в себя парафиновые соединения нормального и изостроения, ароматические соединения, а также гетероорганические соединения, включающие атомы серы, реже азота и кислорода.

Смолы — вязкие углеводороды красновато-бурого цвета, молекулярная масса которых находится в пределах 600—1000, а плотность составляет 990—1080 кг/м3. Смолы относятся к высокомолекулярным органическим соединениям циклической и гетероциклической структуры высокой степени конденсации, связанным между собой алифатическими цепями. В их состав входят, кроме углерода и водорода, кислород, сера, азот и другие элементы, включая металлы. Смолы являются промежуточными веществами между маслами и асфальтенами.

Асфальтены — твердые углеводороды черного или бурого цвета — продукт уплотнения смол. Молекулярная масса асфальтенов 1000— 5000, плотность более 1000 кг/м3.

Обычно в битумах содержится (по массе): масел — 40—60 %, смол — 20—40 %, асфальтенов — 10—25 %.

13

Основные свойства битумов

Основными свойствами, определяющими качество битумов и деление их на марки, являются твердость, температура размягчения, растяжимость, температура вспышки.

•Твердость битума является характеристикой его структурно-меха- нических свойств и зависит от группового состава и температуры.

Сувеличением содержания асфальтенов твердость битумов увеличивается. При повышении температуры твердость снижается, при понижении — резко возрастает; при отрицательных температурах битум становится хрупким.

В соответствии с ГОСТ 11501—78 [2] твердость определяется глубиной погружения иглы пенетрометра в испытуемый образец битума при заданной нагрузке, температуре и времени и выражается в десятых долях миллиметра (0,1 мм). Чем выше твердость битума, тем меньше глубина погружения иглы.

•Температура размягчения характеризует теплостойкость битума и степень его размягчения при нагревании. Температура размягчения определяется в соответствии с ГОСТ 11506—73 [4] на приборе «Кольцо и шар» и измеряется в градусах Цельсия (°С). Сущность метода заключается в определении температуры, при которой битум, находящийся в кольце заданных размеров в сосуде с водой, при нагревании воды размягчится и, перемещаясь под действием стального шарика, коснется нижней пластинки. От температуры размягчения зависит предельная температура применения битумов.

•Растяжимость битума определяется в соответствии с ГОСТ 11505—75 [3] с помощью дуктилометра. Сущность метода заключается в определении максимальной длины, на которую без разрыва может растянуться битум, залитый в специальную форму («восьмерку»), раздвигаемую с постоянной скоростью при заданной температуре; выражается в сантиметрах в момент его разрыва. Растяжимость битумов возрастает при увеличении содержания смол, а также с повышением температуры.

•Температура вспышки — температура, при которой газообразные продукты, выделяющиеся из битума, при нагревании образуют с воздухом смесь, вспыхивающую на короткое время при поднесении к ней пламени. Температуру вспышки определяют для установления безопасности технологического режима их расплавления.

14

Свойства битумов зависят от соотношения его составляющих. Повышение содержания асфальтенов и смол способствует увеличению твердости, температуры размягчения, хрупкости. В свою очередь масла придают битумам мягкость и пластичность.

Битумы обладают и другими важными свойствами: гидрофобностью, водонепроницаемостью, стойкостью к действию водных растворов многих кислот, щелочей, солей и большинства агрессивных газов, а также способностью растворяться в органических растворителях (спирте, бензине, бензоле и др.).

Марки битумов, применяемых для производства кровельных материалов

В зависимости от физико-механических свойств и назначения нефтяные битумы делятся на марки.

Битум нефтяной строительный (БН) является основой для композиционных материалов, применяемых в кровельных работах; используется в качестве составного компонента многослойных кровельных покрытий.

Физико-механические характеристики битумов нефтяных строительных, определяемых по соответствующим стандартам [2; 3; 4; 9; 10; 11; 25], представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Физико-механические характеристики битумов нефтяных строительных

	Показатель	Норма для марки
		БН 50/50	БН 70/30	БН 90/10
	Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм	41—60	21—40	5—20
	Температура размягчения по кольцу и шару, °С	50—60	70—80	90—105
	Растяжимость при 25 °С, не менее	40	3,0	1,0
	Растворимость в органических растворителях, %,	99,50	99,50	99,50
	не менее
	Изменение массы после прогрева, %, не более	0,50	0,50	0,50
	Температура вспышки, °С, не ниже	230	240	240
	Массовая доля воды		Следы

15

Битум нефтяной кровельный (БНК) применяют для изготовления кровельных рулонных материалов. Легкоплавкие битумы (БНК-40/180, БНК-45/190) используют для пропитки основы, тугоплавкие (БНК90/30) — для получения покровного слоя.

Физико-механические характеристики битумов нефтяных строительных [2; 4; 5; 9; 10; 11; 23] представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Физико-механические характеристики битумов нефтяных кровельных

	Норма для марки
Показатель	БНК-	БНК-	БНК-
	40/180	45/190	90/30
Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм	160—210	160—220	25—35
Температура размягчения по кольцу и шару, °С	37—44	40—50	80—95
Температура хрупкости, °С, не выше	—	—	–10
Растворимость, %, не менее	99,50	99,50	99,50
Изменение массы после прогрева, %, не более	0,80	0,80	0,50
Температура вспышки °С, не ниже		240
Массовая доля воды, не более		Следы

Для нормальной эксплуатации зданий температура размягчения покровного вяжущего кровельного материала должна быть не ниже 90 °С. В противном случае материал будет сильно размягчаться летом и сползать с вертикальных поверхностей.

Для повышения температуры размягчения битумов существуют 2 основных способа:

•окисление битумов;

•модификация битумов полимерами.

Битумные вяжущие с окисленным битумом

Впервые в промышленных масштабах окисленные нефтяные битумы начали производить в 1844 г. по предложению Ж.Г. Биерлея путем барботажа воздуха (пропускания в виде мелких пузырей) через слой нефтяных остатков при температуре 204 и 316 °С. Полученный продукт был назван биерлитом. В зависимости от температуры и продолжительности

16

процесса получали битумы различных свойств. В России окисленный битум был впервые получен в 1914 г. в г. Грозном, а развитие производства окисленных битумов в СССР началось с 1925 г. в г. Баку [56].

Современная технология заключается в окислении нефтяных остатков кислородом воздуха без катализатора при температуре 230—300 °С. При продувке сырья воздухом увеличивается содержание асфальтенов и уменьшается содержание масел, при этом содержание смол практически не меняется. При окислении в битуме образуется жесткая структура (рис. 1.3). Увеличение доли асфальтенов в битуме повышает его теплостойкость и температуру размягчения.

а б

Рис. 1.3. Структура битумов: а — малоокисленный битум; б — окисленный битум; 1 — асфальтены; 2 — масла; 3 — смолы

	Возможно также использовать
	метод доокисления слабоокислен-
	ных битумов в специальных окисли-
	тельных установках. Для этого ис-
	пользуют битум с температурой раз-
	мягчения 45 и 40 °С (например БНК
	45/190 или БНК 40/180). В окисли-
	тельную колонну закачивают разо-
	гретый битум со специальными до-
	бавками, снизу через маточник по-
	дают разогретый воздух, который,	Рис. 1.4. Схема окислительной
	поднимаясь вверх по окислительной
	колонне в виде небольших пузырь-	установки: 1 — удаление газообраз-
		ных продуктов реакции; 2 — окислен-
	ков, окисляет битум (рис. 1.4). В про-
		ный битум; 3 — подача битума;
	цессе доокисления битума темпера-	4 — маточник; 5 — подача воздуха

17

туру размягчения доводят до 89—94 °С, сохраняя при этом пенетрацию на уровне 3,0—4,0 мм. Данная технология доокисления битума широко применяется компанией ТехноНИКОЛЬ для получения битумного вяжущего, которое используется при производстве таких кровельных материалов, как Бикрост и Линокром.

Однако образование жесткой структуры при окислении влечет за собой некоторую потерю битумом эластичности. Именно поэтому срок службы кровли, выполненной из двух слоев материала с вяжущим из окисленного битума, не превышает 10 лет.

С целью улучшения физико-механических свойств битумных материалов и повышения их долговечности битумные вяжущие модифицируют полимерами.

Битумные вяжущие, модифицированные полимерами

При модификации полимер образует в битуме непрерывную фазу, при этом битумно-полимерные смеси приобретают свойства, схожие со свойствами полимера-модификатора. Поэтому в отличие от окисленного битума модифицированный битум не имеет жесткой структуры из асфальтенов. Характеристики битумно-полимерной смеси намного превосходят свойства исходного битума. У смесей повышается теплостойкость, гибкость при отрицательных температурах, стойкость к циклическим деформациям и ударным нагрузкам. Кроме этого, полимер защищает битум от дальнейшего окисления кислородом воздуха и от воздействия солнечного излучения, поэтому срок службы битумно-по- лимерных материалов значительно выше срока службы материалов, произведенных из окисленного битума.

В качестве модификаторов битума наиболее распространены два типа полимеров: стирол-бутадиен-стирол (СБС) и атактический полипропилен (АПП).

СБС-модифицированные битумы получают путем введения в битумную массу стирол-бутадиен-стирол. СБС — искусственный каучук, относящийся к термоэластопластам, представляет собой полистирольные блоки, соединенные между собой полибутадиеном, выполняющим роль эластичной «пружинки». При введении в битум полимер адсорбирует ароматические соединения масел, набухая в них. СБС активно влияет на свойства битума, понижая его температуру хрупкости (до –35 °С),

18

повышая температуру размягчения (до +110 °С). Кроме того, СБСмодифицированные битумы отличаются высокой эластичностью (удлинение при разрыве более 600 %).

АПП-модифицированные битумы получают путем введения в битумную массу атактического и изотактического полипропилена (изомеров полипропилена). АПП довольно легко растворяется в битуме, для производства качественного материала достаточно высокоскоростного миксера. При перемешивании полимер с растворенными в нем маслами образует защитную оболочку вокруг мелких частиц битума. Чем равномернее распределен полимер в битуме, тем выше защита битума от преждевременного старения. АПП-модифицированные смеси, применяемые для производства битумно-полимерных материалов, имеют высокую температуру размягчения (до +140 °С) и относительно небольшое удлинение при разрыве (около 150 %). Температура хрупкости по Фраасу находится в пределах от –15 до –20 °С. АПП-битумы отличаются высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению, а также химической стойкостью к щелочам и кислотам, более высокой тепловой стойкостью по сравнению с СБС-модифицированными битумами.

Армирующие основы

Кровельное покрытие в течение всего срока эксплуатации подвергается воздействию неблагоприятных факторов внешней среды. При изменении температуры окружающей среды происходит деформация как самого кровельного материала, так и основания, на которое он уложен. Способность противостоять таким деформациям является важнейшей характеристикой кровельного материала, зависящей от основы, применяемой при его изготовлении.

В настоящее время при изготовлении рулонных материалов применяют негниющие основы, выполненные из стеклянных (стеклохолсты, стеклоткани) и синтетических волокон (рис. 1.5).

Стеклохолст — основа, состоящая из резаных стеклянных волокон длиной 12—25 мм, скрепленных между собой связующим (рис. 1.5, а).

При производстве материала применяют дополнительное армирование стеклонитями в продольном направлении, которое препятствует разрывам основы при ее пропитке и нанесении покровных слоев битум- но-полимерного вяжущего.

19