Кровельные "псевдомембраны": материалы с низким содержанием модификатора

Андронов С.Г.,

Зельманович Я.И. (НТЦ «Гидрол-Кровля»^©, 2001)

КРОВЕЛЬНЫЕ «ПСЕВДОМЕМБРАНЫ»

СТОИТ ЛИ ТРАТИТЬ ДЕНЬГИ?

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 материалы Днепрофлекс, АйСиТекс 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. Розенталь с сотр. /2/ предложил эмпирическую зависимость, позволяющую рассчитать предельное количество набухающего полимера, которое можно ввести в битум:

[П] = (∑ [M] - a_A∙ [A]) / a_П