В.Д. Могилевский, ведущий специалист,
Я.И. Зельманович, к.х.н., директор НТЦ “Гидрол-Кровля”
(495) 955-7489, e-mail: gidrol@aha.ru

Система показателей качества битумных гидроизоляционных материалов и покрытий на их основе

В настоящее время при устройстве гидроизоляции различных зданий и сооружений наибольшее распространение получили битумные и битумно-полимерные рулонные материалы. Физико-механические свойства таких материалов характеризуются номенклатурой показателей, определяемых ГОСТ 30547. 
Однако условия службы гидроизоляции (подземной и на кровлях) в реально существующих сооружениях существенно отличаются от условий проведения стандартных испытаний, в связи с чем такие испытания не отражают фактических свойств гидроизоляционных материалов и служат в основном для их косвенной и сравнительной оценки. То же относится и к ряду показателей вяжущего, а также нефтяных битумов, используемых для производства материалов. 
До настоящего времени практически отсутствуют работы по теоретическому обоснованию некоторых важнейших методов испытаний материалов. Это приводит к тому, что ряд показателей кровельных материалов (гибкость, теплостойкость, водонепроницаемость, эластичность и т.д.) оценивается разными методами. Например, теплостойкость битуминозных рулонных материалов определяется при температуре 70, 80, 1000С в течение  2 ч (в большинстве стран), 3 ч (в Индии), 5 ч (в ЮАР). Складывающееся в последнее время некоторое единообразие методов испытаний материалов связано, в первую очередь, с обеспечением возможности сравнения материалов друг с другом, но, чаще всего, не является следствием строгого научного обоснования, выполненного на основании анализа требований, предъявляемых условиями эксплуатации кровель, а также производства кровельных работ, транспортирования и хранения кровельных материалов. Более того, исследования, проведенные еще в 70х гг. под руководством Д.Д.Сурмели, показали, что улучшение некоторых “традиционных” свойств материалов и вяжущего не всегда повышает долговечность материалов /1/.
В связи с перечисленными недостатками стандартные показатели не могут быть использованы для инженерного расчета гидроизоляции. Поэтому для разработки научно обоснованных требований к материалам и выполняемой из них гидроизоляции представляется весьма актуальным переход от условных стандартных показателей к научно-обоснованным, выраженным в физических единицах.
В связи с тем, что область применения битуминозных гидроизоляционных материалов характеризуется интервалом пластичности, для их оценки в мировой практике пользуются методами реологии – наиболее общего раздела механики деформируемых сред, изучающего механическое поведение упруго-пластично-вязких систем.
Нами предлагается метод оценки физико-технических свойств  битуминозных гидроизоляционных материалов и покрытий на основе использования минимального количества реологических констант.
Структурно-механические свойства битумных материалов  в значительной степени определяют долговечность изоляционных покрытий. Известно, что основными причинами нарушения сплошности кровельных ковров и утраты ими гидроизолирующих свойств являются большие по амплитуде одноразовые и повторяющиеся суточные температурные деформация покрытий, прогибы опорных сечений сборных плит, а также осадка зданий. В свою очередь, причиной низкой устойчивости материалов к такого рода воздействиям является совокупность факторов: низкой деформативности, деформации укорочения материалов при охлаждении, увеличения жесткости и снижения деформативности при отрицательных температурах, усталостные изменения в структуре материалов при циклических деформациях и пр.
Осадка зданий приводит к взаимному смещению элементов покрытия до 5  мм при скорости в начальный период эксплуатации 10-5см/с с последующим ее уменьшением до 10-7 см/с. Поэтому в целях наибольшего приближения к эксплуатационным условиям реологические исследования битумных покрытий проводят при весьма малых скоростях деформации, практически исключающих разрушение структуры /1/.
Определение упруго-пластично-вязких свойств дисперсных систем и растворов высокополимеров обычно осуществляют путем обработки семейства кривых “деформация сдвига γ – время t”, полученных в условиях простого сдвига исследуемого материала  под влиянием постоянно сдвигающего напряжения τ, изменяющегося от опыта к опыту /2/. Такая методика применяется для материалов, у которых после развития запаздывающей упругой деформации устанавливается стационарное течение с постоянной скоростью. Время, необходимое для установления стационарного течения, определяется скоростью развития высокоэластической составляющей деформации.
Зависимость деформации от времени воздействия сдвигающего напряжения для дисперсных систем, в том числе битумов часто выражается формулой (1), каждый член которой описывает определенный вид деформации – упругую, пластическую и высокоэластическую: 

(1)

где  γ –  относительная деформация сдвига;
τ –  напряжение;
t -   время;
G1- условно-мгновенный модуль упругости;
G2 – модуль эластичности;
η1 -  наибольшая динамическая вязкость пластического течения;
η2 -  динамическая вязкость высокоэластичности (упругого последействия);
τk -  условный статический предел текучести.

Отношение называется  периодом релаксации, характеризующим скорость релаксационных процессов.
В современной механике дисперсных систем широко распространено понятие спектра релаксации, однако, как было предложено еще П.А. Ребиндером, при развитии деформации под постоянным напряжением можно оперировать одной величиной – периодом релаксации /3/.
На рис. 1 показана типичная реограмма структурированного материала, по отрезкам которой а, в, с, d, t и tu графо-аналитическим методом определяют все указанные выше реологические параметры /4/.
Однако в ряде случаев не удается достигнуть стационарного течения с η = const не смотря на постоянство внешних воздействий – напряжения и температуры. При этом реограмма имеет вид, изображенный на рис. 2. 
Указанное явление может объясняться внутренними причинами: очень сильно затягивающимися эластичными деформациями и/или перестройкой структуры материалы под влиянием действующих напряжений /5/. В связи с этим возникает задача оценки реологических свойств материала со структурой, упрочняющейся под нагрузкой с течением времени.
В основу предлагаемого метода определения реологических характеристик упрочняющихся материалов положена степенная зависимость γ (t), подтверждаемая многочисленными экспериментами, согласно которым  такая зависимость для битумных материалов соблюдается в большом диапазоне времен, охватывающем более 8 десятичных порядков (от 10-3 до 6·105 сек) /5/.
Реограммы получали на пластометре ПИРС-3 /6/, осуществляющего простой плоскопараллельный сдвиг испытуемого материала под влиянием постоянного, но варьируемого от опыта к опыту напряжения τ в условиях неизменной фиксированной температуры.

Рис.1

Рис.2

Деформацию сдвига материала с упрочняющейся структурой описывает уравнение 

                                                           (2)

где  τk  -  предельное напряжение сдвига;

G0 -  односекундный модуль сдвига;
t      1 сек;
P -    реологический параметр, определяемый молекулярной структурой и энергетическим состоянием исследуемого материала и характеризующий степень его пластичности.
Выражение (2) справедливо для времени действия напряжения большего 1 сек. На меньшие интервалы времени его можно будет распространить только после дополнительных исследований, т.к. в этих интервалах деформация может развиваться по закону, значительно отличающемуся от степенного из-за влияния других факторов, например, массы деформаторов и т.п.
На случай действия напряжения τ меньшего τk  уравнение (2) не распространяется, хотя имеют место упругие деформации, при которых P = 0, а  γ ≠ 0.
Величины τk, G0 и р в выражении (2) представляют собой вышеупомянутые реологические константы, определяющие поведение материала под действием сдвигающих напряжений при заданной температуре. Являясь однозначной характеристикой материала (покрытия), эти константы могут быть использованы для инженерного расчета изоляции и ее поведения при эксплуатации. 
Ниже приведена иллюстрация возможности использования предлагаемого метода для оценки долговременной водонепроницаемости рулонных кровельных материалов.
Методика определения водонепроницаемости приведена в ГОСТ 2678, при этом величина давления воды и продолжительность испытания материалов нормируются техническими условиями на материалы. В соответствии со сложившейся практикой, большую часть рулонных материалов гидроизоляционного назначения испытывают под давлением 0,3 МПа (реже 0,5 МПа) в течение 10 мин. Однако, даже если материал выдерживает испытание, каково будет его дальнейшее поведение под воздействием напора воды, как долго он будет сохранять гидроизолирующие свойства, неизвестно. Таким образом, предлагаемый способ определения водонепроницаемости достаточно условен, не характеризует потенциальную водонепроницаемость и может использоваться только для сравнения материалов друг с другом или для экспресс-оценки их качества.
Известно, что под влиянием гидростатического напора битумное вяжущее рулонного материала начинает “ползти”, продавливаясь через основу материала, и вдавливаться в трещину в бетоне до тех пор, пока не происходит разрушение гидроизолирующего слоя. Если рассматривать такую ползучесть вяжущего как течение в капилляре под влиянием приложенного давления, можно достаточно точно оценить время этого течения, т.е. продолжительность сохранения  материалом гидроизолирующей способности.
Учитывая весьма малую скорость деформации, можно рассматривать течение материала как течение с практически неразрушенной структурой, следовательно, реологические константы материала не зависят от величины напора.   

Для описания течения упрочняющегося материала в круглом капилляре одним из нас предложена зависимость

(3),

где ht – толщина материала (слоя гидроизоляции);
q – гидростатическое давление;
l – длина капилляра;

-	радиус зоны стержневого течения;
-	                                       
R – приведенный радиус капилляра, рассчитываемый по вышеприведенной формуле (3) по результатам ускоренных испытаний по определению фактической длительности сохранения водонепроницаемости при повышенных давлениях.
Таким образом, реальная работоспособность материала (или всей гидроизоляции) в конструкции может быть рассчитана по экспериментально определенным реологическим константам, приведенному радиусу капилляра, его длине (равной толщине металлической сетки в приборе для определения водонепроницаемости по ГОСТ 2678), толщине материала и действующему на практике (для конкретного объекта) гидростатическому давлению.
В табл. 1 представлены результаты определения реологических констант двух рулонных кровельных материалов – материала на окисленном битуме на стеклотканной основе (типа “гидростеклоизола”) и битумно-полимерного АПП-модифицированного материала на стеклотканной основе, а в табл.2 – результаты расчета длительности сохранения сплошности этих материалов, а также вяжущего гидростеклоизола для реальных условий эксплуатации: давления воды 1 ати и температуры 100С.

Таблица 1.
Наименование материала	Температура испытаний, 0С	Реологические характеристики	
		G0, кгс/см2	τk, кгс/см2	Р	
Гидростеклоизол	10	18,6	0,08	0,32	
	20	14,9	0,06	0,44	
Битумно-полимерный материал	10	14,6	0,20	0,22	
	20	13,0	0,17	0,28	

Таблица 2
Наименование материала	Толщина образца, мм	Давление воды, ати	Длительность сохранения водонепроницаемости при 200С, час	R, см	Расчетная длительность сохранения водонепроницаемости при 1 ати и 100С, лет	
Гидростеклоизол	3,0	6,0	5,5	0,034	40	
	3,1	10,0	3,7	0,026		
Вяжущее гидростеклоизола	2,8	4,0	5,6	0,029	8	
	4,8	10,0	4,7	0,025		
Битумно-полимерный материал	3,4	3,0	96	0,063	более 50	
	3,5	5,0	72	0,050		
	3,4	10,0	3	0,060		

Результаты проверочных испытаний указанных материалов на водонепроницаемость при повышенном давлении показали высокую степень корреляции с аналогичными показателями, определенными расчетом, что свидетельствует о высокой степени их  достоверности.
Таким образом, предлагаемая методика позволяет:
-	определить фактические реологические характеристики битуминозных рулонных и мастичных материалов, битумов, изоляционных покрытий из рулонных и /или мастичных материалов;
-	оценивать реологические свойства рулонных материалов, их вяжущего и исходных битумов с помощью минимального количества взаимосвязанных унифицированных реологических характеристик, выраженных в абсолютных физических величинах;
-	перейти от косвенной оценки эксплуатационных свойств гидроизоляционных материалов и покрытий на основе условных показателей к их оценке на основании научно обоснованных реологических свойств, что обеспечивает возможность инженерного расчета покрытий;
-	применить предлагаемую методику для оценки долговечности материалов (покрытий)  на основании определения реологических свойств материалов до и после искусственного старения.
Предлагаемая методика может быть использована как при  проведении научных исследований, так и для экспресс-оценки качества материалов.
После накопления соответствующей базы данных предложенные реологические параметры материалов, а также методика их определения может быть включена в нормативные документы на материалы в дополнение (или взамен) существующим нормам, базирующимся на условных показателях.

Использованная литература:
1.	Бородин В.Н. Структура, состав и свойства рулонных битумных материалов.- Пром-сть строит. материалов. Сер. 6. Пром-сть полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов. Обзорная информация, 1988, вып.4.
2.	Ребиндер П.А. Новые методы характеристики упруго-пластично-вязких свойств структурированных дисперсных систем и растворов высокополимеров.-Труды Института физической химии АН СССР, М., 1950, вып. 1.
3.	Ребиндер П.А. Дополнение к переводу “Реологии”.-Сб. “Реология” под ред. Ф.Эйриха, М., изд-во ИЛ, 1962.
4.	Шапиро Т.М. Метод определения реологических характеристик высоконаполненных строительных термопластов на приборе ЭПИРС-1.- Сб. трудов ВНИИНСМ, М., 1965, вып. 3(11).
5.	Руденская И.М., Руденский А.В. Реологические свойства битумов.- М., изд-во “Высшая школа”, 1967.
6.	Рейнер М. Феноменологическая макрореология.- В сб.: “Реология”/под ред. Ф.Эйриха, М., изд-во ИЛ, 1962.

Статья опубликована в журнале “Строительные материалы”, № 12 (2003).
ООО НТЦ «Гидрол-Кровля», 2003