Одной из составляющих ежегодных затрат на ремонт транспортных сооружений является преждевременное разрушение гидроизоляции (до 10% общей стоимости ремонтных работ) в интервале низких отрицательных и высоких положительных температур, что, главным образом, связано с изменением свойств битумов.
Опыт эксплуатации гидроизоляционных материалов на основе битума показывает, что, несмотря на технологические преимущества применения данных материалов, последние, в большинстве случаев, не обеспечивают надежную защиту бетонных конструкций в интервале эксплуатационных температур. Характерными видами деформаций битумных гидроизоляционных материалов является их растрескивание при низких отрицательных температурах и пластические сдвиги и наплывы при высоких положительных температурах, что, объективно, определяется реологическим состоянием битума при этих температурах.
При температурах ниже значений температуры хрупкости (Тхр) битумы находятся в хрупком состоянии, с повышением температуры они последовательно переходят в упруго-хрупкое, эластическое, упруго-пластическое и упруго-вязкое состояние (при этом, температурные границы перехода битума из одного реологического состояния в другое зависят, главным образом, от структурного типа битума [1]). При температурах выше значений температуры размягчения (КиШ) битумы находятся в истинно вязком состоянии.
Исходя из изложенного, одной из главных проблем повышения качества битумных гидроизоляционных материалов является расширение температурного интервала [2] их надежной работы (интервала пластичности), как разница между температурой хрупкости и температурой размягчения.
Одним из способов расширения интервала пластичности гидроизоляционных материалов является применение полимербитумов, за счет введения в структуру битума полимеров с целью создания пространственной эластичной структурной сетки [3]. При этом, очевидно, свойства полимербитумов будут зависеть от особенностей свойств исходного битума, совместимости вводимого полимера с битумом, соблюдения технологии приготовления полимербитумов с учетом особенностей свойств полимерных пластификаторов [4].
В настоящей работе в качестве исходного битума был принят битум БНД 60/90 Рязанского НПЗ, групповой химический состав которого представлен в табл.1.
Таблица 1 – Групповой химический состав битума Рязанского НПЗ
|
Наимено- вание битума |
Углеводороды (масла), % |
Смолы, % |
Асфа- льте-ны, % |
||||||
|
Парафино-нафтеновые (ПН) |
Моно- цикло- ароматика (МЦА) |
Би- цикло-ароматика (БЦА) |
Поли- цикло- ароматика (ПЦА) |
Сумма масел |
Петролейно бензольные смолы (ПБС) |
Спирто бензольные смолы (СБС) |
Сумма смол |
||
|
БНД 60/90– II структур- ного типа |
2,1 |
12,4 |
19,8 |
8,4 |
42,7 |
19,0 |
18,7 |
37,7 |
19,6 |
Данный битум по количественному содержанию основных групп химических соединений и значению индекса пенетрации (ИП=-1,2) приближается ко II структурному типу (в соответствии с классификацией А.С. Колбановской [2]), поэтому, при введении в него различного количества полимеров возможно более наглядно проследить изменения свойств вяжущего в зависимости от структурных изменений, связанных с созданием эластичной структурной сетки.
Свойства битума Рязанского НПЗ приведены в табл.2.
Таблица 2 – Свойства битума Рязанского НПЗ
|
Наименование показателя |
Битум рязанский БНД 60/90 |
Требования ГОСТ |
|
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: |
|
|
|
при 25°С |
64 |
61-90 |
|
при 0°С |
20 |
20 |
|
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С |
48 |
47 |
|
3. Растяжимость, см: |
|
|
|
при 25°С |
Более 100 |
55 |
|
при 0°С |
4,5 |
3,5 |
|
4. Температура хрупкости, °С |
-17 |
-15 |
|
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С |
5 |
5 |
В качестве полимерной добавки использовался полимер класса термоэластопластов (блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС) – ДСТ-30Р-01. Такие полимеры имеют молекулярную массу 80000-100000к.е., хорошо совмещаются с битумами и одновременно сочетают в себе высокую прочность, присущую пластмассам, высокую эластичность и очень низкую (до - 80-1000C) температуру стеклования, свойственную эластомерам.
Для изучения влияния особенностей свойств разжижителя при введении в битум полимерного раствора на свойства полимерно-битумного вяжущего были проведены сравнительные исследования при использовании в качестве растворителя: керосин (ГОСТ 10227-86), машинное масло (ГОСТ 17479.1-85), индустриальное масло (ГОСТ 20799-88).
Получение раствора полимера производилось при температурах, учитывающих температуры вспышки растворителя: 70оС (керосин), 140оС (машинное масло), свыше 200 оС (индустриальное масло), при 20% растворителя от массы битума.
При введении в битум 2, 3, 4, 5, 6% полимеров от массы битума исследовалась кинетика изменения температуры размягчения, температуры хрупкости и интервала пластичности полимерно-битумного вяжущего в зависимости от количества вводимого полимера и вида пластификатора (граф. 1, 2, 4) и индекса пенетрации на граф. 3.
Анализ полученных результатов в сравнении со свойствами исходного битума (табл.2) показывает, что при введении в битум 2% полимера в полимербитумах, полученных с использованием в качестве растворителя керосин и машинное масло еще не происходит образование пространственных структур, а повышение температуры размягчения (граф.1) и температуры хрупкости (граф.2) связано с повышением вязкости дисперсной среды. Для полимербитума с использованием в качестве растворителя керосина не происходит изменение его структуры и при 3% полимера.
При использовании индустриального масла уже при 2% полимера в полименобитумном вяжущем происходит образование дополнительных пространственных структур, и оно по значению ИП (граф.3) соответствует I структурному типу. При введении 3% полимера полимербитум с применением в качестве растворителя машинного масла также соответствует I структурному типу.
С увеличением содержания полимера в битуме Рязанского НПЗ до 4 и далее до 6%, независимо от вида применяемого пластификатора, в полимербитуме дополнительно к пространственной структуре асфальтенов образуется пространственная структура полимера, в результате чего увеличивается жесткость системы, вызывая повышение температуры размягчения (граф.1) и температуры хрупкости (граф.2) вяжущего в среднем на 28% и 16% соответственно.
При этом, значение интервала пластичности (граф.4) вяжущего уже при введении 2% полимера повышается на 14-17оС, возрастая по мере увеличения содержания полимера в битуме на 25-29 оС в зависимости от вида применяемого растворителя.
Таким образом, анализ результатов проведенных исследований гидроизоляционных материалов на основе полимербитума позволяет сделать следующие выводы:
1. Введение полимерных наполнителей в битум значительно расширяет температурный интервал надежной работы гидроизоляционных битумных материалов без нарушения их сплошности.
2. Свойство полимерно-битумного вяжущего зависят от свойств исходного битума, свойств полимера и его совместимости с битумом, качественных характеристик пластификатора.
3. Требуемое количество полимера для получения полимерно-битумного вяжущего, обеспечивающего надежную работу гидроизоляции будет зависеть от структуры исходного битума и климатических условий эксплуатации транспортного сооружения.
Литература:
1. А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. Дорожные битумы. – М.: Транспорт, 1973. – 264 с.
2. Г.С. Духовный, Н.В. Хоружая. Преимущества использования битумнополимерных материалов (БПМ) в гидроизоляции искусственных сооружений. Материалы второй научно-практической конференции «Наука и молодежь в начале нового столетия». Губкин, 2009. – 247-249 с.
3. Л.М. Гохман. Влияние добавок дивинилстирольного блоксополимера на свойства битума. Материалы Второй научно-технической конференции по вопросам дорожного строительства. Алма-Ата, 1971.
4. А.С. Колбановская. Процессы структурообразования в битумах в свете основных положений физико-химической механики. Сб. «Труды Союздорнии», вып 80 – Москва.: 1975. – 4-23 с.
