Технология кровельных и гидроизоляционных материалов

В. И. Турчанинов, 2012

В учебном пособии рассмотрены вопросы технологии производства гидроизоляционных и кровельных материалов, их свойства, области применения.

3 Теоретические положения качества гидроизоляционных материалов

3. 1 Основные условия надежной гидроизоляции

Высококачественные ГИМ должны отвечать следующим требованиям:

— применяемые для гидроизоляции материалы плохо смачиваются водой;

— исключается возможность свободного перемещения воды по порам и капиллярам изоляционного слоя;

— тормозится диффузное проникновение воды, если нельзя полностью предотвратить диффузию;

— обеспечивается необходимая прочность и деформативность ГИМ;

— сохраняется долговечность материала в конструкции, что адекватно относительной стабильности его структуры.

Таким образом, основным требованием к ГИМ является гидрофобность.

Как ранее отмечалось, ГИМ должен быть гидрофобным, т.е. не смачиваться водой, и тогда водопоглощение, гигроскопичность будут иметь минимальные значения и способствовать повышению долговечности конструкции

Создание не смачиваемой поверхности весьма сложная задача. Способность к смачиванию поверхности характеризуется наличием у нее свободной энергии и зависит от полярности наносимой жидкости. Свободная поверхностная энергия вещества обусловлена наличием на его поверхности некомпенсированных химических связей вследствие ее дефектности.

Рисунок 9 — Схема действия сил поверхностного натяжения на поверхности гидроизоляционного материала

Для ГИМ обычно: 1 — вода, 2 — воздух, 3 — изоляционный материал.

Чем меньше разность в избытке свободной энергии соприкасающихся фаз или разность их поверхностных натяжений, тем полнее и легче происходит смачивание. Из условия равновесия сил, действующих на поверхность смачиваемого тела, следует

где σ₂₃, σ₁₃, σ₁₂ — поверхностные натяжения на границах раздела соответствующих фаз 1, 2, 3.

Из уравнения видно, что смачиваемость уменьшается с ростом краевого угла смачивания ϕ, который для гидрофобных материалов больше 90°. При этом cosφвеличина отрицательная, а, следовательно, и разность σ₂₃‒σ₁₃ — величина отрицательная и желательно получение наибольшей ее величины при уменьшение σ₁₂. Но σ₁₂ (вода-воздух) — величина постоянная и при t=20 °C равна 72,8 эрг/см², поэтому необходимо максимально увеличиватьσ13 и уменьшать σ₂₃. Для понижения σ23 необходимо выбирать материал, обладающий наименьшей полярностью на границе с воздухом.

За меру полярности удобно принимать диэлектрические свойства, например, диэлектрическую проницаемость. Она имеет малые значения для полимеров (от 2,4 до 2,9 для полиизобутилена) и битумов (от 2,5 до 3,0); для воды — 81,0.

Введение в битум минерального порошка с образованием асфальтового вяжущего повышает его диэлектрическую проницаемость (от 4,8 до 6,5). Поскольку замерить σ23 трудно, то основное внимание при разработке ГИМ следует уделять повышению величины σ₁₃, т.е. избытку свободной энергии на границе гидроизоляции с водой, который увеличивается с понижением полярности ГИМ, т.к. полярность воды постоянная.

С приближениемϕк нулю работа адгезии переходит в работу когезии, равную W_k=2σ₁₂. Таким образом, ГИМ 1 должен хорошо смачивать защищаемую поверхность 2, что характеризуется большим значением cosϕ₁, но плохо смачивается водой 3, что характеризуется малым значением cosϕ₂.

ϕ₁ — краевой угол смачивания между фазами 1 и 2;

ϕ₂ — краевой угол смачивания между фазами 1 и 3.

Рисунок 10 — Схема действия сил поверхностного натяжения на поверхности гидроизоляционного материала, смачиваемого водой

Таким образом, необходимо сочетать факторы, способствующие понижению σ₂₃ и повышению σ₁₃, с экспериментальным определением величины углаϕи вычислением обеих значений cosϕ.

Если ГИМ при испытании не дает тупого угла смачивания водой (отрицательного значения cosϕ), то на поверхность конструктивного материала следует нанести тонкий слой пленкообразного гидрофобного вещества. Создание гидрофобной поверхности (наружной и внутри пор) является одним из основных условий хорошей гидроизоляции.

Несмачиваемость поверхности гидроизоляционного слоя — необходимое, но не достаточное условие эффективной защиты конструкции от воздействия воды, т.к. последняя может проникать в материал вследствие капиллярного подсоса. В зависимости от степени гидрофобности стенок капилляра, их способности смачиваться водой изменяется высота или глубина подсоса воды. Если стенки капилляров гидрофобны, то вода в них не заходит, а оказавшаяся в них вода опустится ниже уровня окружающей водной среды.

Проникание воды в капилляры и поры материала предотвращается давлением, возникающим на менисках и направленным вдоль оси. Схема действия сил в капилляре гидрофобного материала представлена на рисунке 11.

1 — вода; 2 — слой гидроизоляционного материала; 3 — конструкция.

Рисунок 11 — Схема действия сил в капилляре

Величина капиллярного давления воды рассчитывается по формуле где σ — поверхность натяжения воды на границе с воздухом (при 20 °C равно 72,8 дин/см);

g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

ϕ — краевой угол смачивания у менисков;

cosϕ — характеристика смачивания;

r — радиус капилляров или пор, см.

Таким образом, для повышения качества ГИМ необходимо уменьшать «r», увеличивать «ϕ».

Это достигается:

1) уменьшение «r»: максимальным уплотнением гидроизоляционной массы;

проектированием состава зернистой смеси ГИМ по принципу наибольшей плотности с последующим заполнением оставшихся пустот вяжущим веществом;

2) увеличение «ϕ» у менисков: достигают теми же способами, что и при снижении смачиваемости наружной поверхности гидроизоляционного покрытия (гидрофобизация).

Необходимо также предохранять поверхность изоляционного покрытия от посторонних наносов, не допуская механического проникновения их в поры. Наносы, обычно гидрофильные по своей природе, уменьшают краевой угол смачивания.

Таким образом, для предотвращения проникания капиллярной воды необходимо повышать плотность слоя изоляции и снижать полярность поверхности внутренних пор, капилляров и других полостей в материале, в том числе путем предварительной гидрофобизации заполнителей физической или химической адсорбцией.

Однако, проникновение воды вовнутрь ГИМ может происходить и вследствие диффузии ее от мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Местами концентрации воды являются «внутренние дефекты» структуры (гидрофильные частицы твердой высокодисперсной фазы), а также поверхностноактивные вещества (ПАВ), коллоидно растворяющие воду.

Для замедления диффузии необходимо:

1) не допускать в вяжущем водорастворимых примесей;

2) ограничивать в вяжущем содержание ПАВ с тем, чтобы после объединения вяжущего с минеральными компонентами не оставалось ПАВ в свободном состоянии;

3) тщательно обрабатывать композиционные смеси в мешалках.

3.2 Регулирование структурно-механических свойств ГИМ

Наряду с гидроизолирующей способностью ГИМ должны обладать достаточной прочностью, деформативностью и рядом других свойств.

Свойства ГИМ зависят от состава и структуры материалов, т.е. количество и качества вяжущего вещества, качества и количества наполнителей и заполнителей, технологии приготовления ГИМ, пористости материала. Основное свойство ГИМ — механическая прочность, определяемая при определенной температуре и скорости приложения нагрузки — обусловлено в основном прочностью вяжущего вещества оптимальной структуры, соотношением фаз и качеством заполнителя. Под соотношением фаз понимают количественное (по массе) соотношение дисперсной среды (С) и дисперсной фазы (Ф), т.е. С/Ф. Дисперсная среда в разных ГИМ — вода (цемент, бетон), битум, полимер, олигомер, коллоидный или истинный раствор и др., а дисперсная фаза — цемент и другие минеральные вяжущие, порошкообразные или иные наполнители.