Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 - Обзор и анализ литературы и патентной информации о кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных мастиках 13
1.1 Битумные и битумополимерные кровельные водоэмульсионные мастики 13
1.2 Гидроизоляционные мастики на основе битумов и битумополимерньтх композиций 25
1.3 Технология приготовления кровельных и гидроизоляционных мастик 35
1.4 Выводы, цели и задачи исследований. 42
ГЛАВА 2.- Физико-химические представления о структуре водоэмульсионных мастик и теоретические предпосылки ее совершенствования с целью повышения качества 44
2.1 Теоретические аспекты эмульгирования органических вяжущих с использованием порошковых и волокнистых эмульгаторов, структура и стабильность полученных эмульсий 44
2.2 Теоретические принципы регулирования трещиностойкости и долговечности кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных покрытий с учетом качества основания (стяжки) 56
2.3 Выводы 65
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования технологических, физико-химических и эксплуатационных свойств кровельных и гидроизоляционных паст, мастик иматериалов стяжек 67
3.1 Выбор и характеристики материалов, взятых для исследований 67
3.1.1 Вяжущие материалы 67
3.1.2 Порошкообразные и волокнистые эмульгаторы и наполнители 69
3.1.3 Легкие заполнители для стяжек 72
3.2 Методы испытания материалов 74
3.2.1 Стандартные методы испытания паст и мастик 74
3.2.2 Методика определения гранулометрического состава порошков и микрочастиц дисперсной фазы паст и мастик 77
3.2.3 Устройство и методика определения внутренних напряжений, температур растрескивания и устойчивости к старению покрытий 86
3.3 Влияние гранулометрического состава порошкообразных и волокнистых эмульгаторов на свойства битумных паст и мастик 90
3.4 Свойства битумных паст и мастик в зависимости от условий приготовления 103
3.5 Эксплуатационные характеристики мастик и покрытий из них на различных стяжках 111
3.6 Выводы 117
ГЛАВА 4 - Опытно-промышленные испытания водоэмульсионных мастик 119
4.1 Производство и применение кровельных водоэмульсионных битумных мастик на асфальтокерамзитобетонных стяжках. 119
4.2 Опытное производство и применение гидроизоляционных водоэмульсионных битумных мастик 124
4.3 Выводы 127
ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование производства и применения кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных мастик разработанных составов 128
5.1 Технико-экономическая эффективность производства и применения кровельных мастик 128
5.2 Технико-экономическая эффективность производства и применения гидроизоляционных мастик 130
5.3 Выводы 133
Общие выводы 134
Список использованной литературы
- Битумные и битумополимерные кровельные водоэмульсионные мастики
- Теоретические аспекты эмульгирования органических вяжущих с использованием порошковых и волокнистых эмульгаторов, структура и стабильность полученных эмульсий
- Выбор и характеристики материалов, взятых для исследований
- Производство и применение кровельных водоэмульсионных битумных мастик на асфальтокерамзитобетонных стяжках.
Введение к работе
Актуальность работы. Назначение кровельных и гидроизоляционных материалов одинаковое - защитить конструкцию от проникания воды. Практика показывает, что кровельные работы при строительстве зданий и сооружений являются одними из самых дорогих и трудоемких. На долю покрытий (кровельных, гидроизоляционных, отделочных и др.) приходится до 40% стоимости общестроительных работ и до 35% их трудоемкости. Кроме того, кровли и гидроизоляции являются наименее долговечными из конструктивных элементов зданий и сооружений и требуют гораздо более высоких эксплуатационных расходов по сравнению с размерами эксплуатационных затрат на любые другие конструктивные элементы стен зданий и сооружений.
В последние десятилетия наблюдается появление колоссального разнообразия кровельных и гидроизоляционных материалов и мастик, в том числе с фантастически высокими эксплуатационными характеристиками, представляющие собой в основном полимерные рулонные или мастичные материалы на растворителях. Естественно, чем выше качество и долговечность материала, тем выше его цена. Но кроме высоких показателей качества и долговечности, важную роль играют технологические характеристики материала, безвредность и безопасность работ при их приготовлении и нанесении. А об этом, как правило, в рекламных описаниях не сообщается. В послевоенные годы и особенно в 60-70 годы в Советском Союзе и за рубежом весьма большое распространение получили водоэмульсионные кровельные и гидроизоляционные материалы. Работами школы д.т.н., профессора Попченко С.Н. во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Пащенко Н.С., Глебова П.Д., Крейцера Г.Д., Рыбьева И.А., Коржуева А.С., Баглай А.П. в НИИСП Госстроя Украины, Завражина Н.Н. ЦНИИОМТП, Бабаева М.Г., Довмат Т.А. НИИ сейсмостойкого строительства Госстроя Туркменской ССР, Павлюк О.Т. ДИСИ, Манина Л.Н. ХИСИ, Дараган Н.С. ХабПИ, Абдуллаева Т.И. ТашНИИГ, Ван Ас-бека В.Ф., Циганек В. и др. убедительно показана высокая технико-экономическая эффективность производства и применения водоэмульсионных кровельных мае-
тик в различных климатических зонах Советского Союза и за рубежом. Несмотря на явные преимущества водоэмульсионных кровельных и гидроизоляционных мастик по сравнению с горячими и холодными мастиками на растворителях или рулонными материалами по технологическим, экономическим, экологическим и, в частых случаях, по качественным показателям, эти материалы в современной строительной практике используются в ограниченных объемах. Причиной этому является несовершенство технологической и нормативной документации на производство и применение водоэмульсионных мастик из-за недостаточной теоретической и экспериментальной проработки этого водоэмульсионного композиционного материала. Кстати, аналогичное состояние проблемы применения битумных эмульсий наблюдается в дорожном строительстве: - весьма успешные результаты производства и применения их в одних случаях, и неудачи - в других, что ограничивает возможности их применения в этой отрасли. Составы водоэмульсионных кровельных и гидроизоляционных мастик весьма различаются. Например, содержание волокнистого наполнителя асбеста может составлять в мастиках от 25 до 200% по отношению к массе битума, содержание твердого эмульгатора (глинистого компонента самой различной природы) - от 2 до 20%. Однозначно говорить о влиянии на качество и технологию производства мастик того или иного компонента сложно еще и потому, что в их составе содержатся и другие компоненты. Эти вопросы требуют специального изучения.
Кровельные и гидроизоляционные покрытия наносятся на самые различные основания и, естественно, работа покрытия в целом должна рассматриваться с учетом упругих и деформативных свойств слоев покрытия, также как и их диффузионного и адгезионного взаимодействия.
В связи с изложенным, установление оптимальных составов кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных мастик, обеспечивающих высокое качество на различных основаниях, с разработкой оптимальной технологии их производства, требует теоретических и экспериментальных исследований и обоснования.
Настоящая работа выполнена в соответствии с целевой комплексной крае-
7 вой научно-технической программой «Научные разработки по совершенствованию коммунального хозяйства в Ставропольском крае на период 2002-2005г.г.», а также в соответствии с «Международной программой совместных исследований Северо-Кавказского государственного технического университета с корпорацией по исследованию и развитию асфальтов в транспортном секторе и промышленности Республики Колумбия Corasfaltos» от 22 августа 2001 г.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств холодных кровельных и гидроизоляционных мастик и покрытий из них на различных основаниях и создание структуры, обеспечивающей повышение качества кровель и гидроизоляций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
на основании анализа отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы разработать теоретические предпосылки по созданию кровельных и гидроизоляционных покрытий с высокой трещиностойкостью и долговечностью;
теоретически обосновать, подобрать и при необходимости разработать методики для определения внутренних напряжений, трещиностойкости и устойчивости к старению покрытий;
обосновать выбор сырьевых компонентов и составов водоэмульсионных кровельных и гидроизоляционных мастик и материалов стяжек;
провести экспериментальные исследования технологических, физико-химических и физико-механических свойств водоэмульсионных кровельных, гидроизоляционных мастик и материалов стяжек и определить оптимальные составы и технологические режимы их производства и укладки;
провести экспериментальные исследования трещиностойкости и устойчивости к старению кровельных и гидроизоляционных покрытий;
апробировать на производстве составы и технологии производства кровельных и гидроизоляционных мастик повышенного качества;
разработать нормативную документацию для реализации результатов
8 теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна: - теоретически обосновано и экспериментально подтверждено решающее значение критической концентрации твердого эмульгатора (ККТЭм) (порошкового или волокнистого) на эмульгирование битумов в воде. Показана возможность эмульгирования битумов в воде при использовании твердых эмульгаторов самого различного происхождения при достижении их критической концентрации в воде. Предложена методика определения ККТЭм. Установлено влияние дисперсности порошковых эмульгаторов и ККТЭм на эмульгирование битумов в воде в процессе получения мастик;
показано, что при введении в дисперсионную среду (воду) всех волокнистых и порошковых наполнителей в количестве, соответствующем или превышающем ККТЭм, обеспечивается получение мастики высокой дисперсности и однородности, что не достигается при содержании эмульгаторов ниже ККТЭм. В этом случае полученные при ККТЭм покрытия из мастик отличаются высокими эксплуатационными показателями свойств: тепло-, трещино-, водостойкости и долговечности;
разработан прибор и методика определения внутренних напряжений, температур растрескивания и устойчивости к старению покрытий, с помощью которых изучено влияние на эти показатели компонентного состава, технологии приготовления и устройства кровельных и гидроизоляционных мастичных покрытий на различных основаниях;
установлено, что получение трещиностойких и долговечных кровельных мастичных покрытий достигается при нанесении их на стяжки, устроенные на жестких теплоизоляционных слоях из пенополистирола или ячеистого бетона;
наиболее рациональным материалом для стяжек является песчаный ас-фальтокерамзитобетон, приготовленный на битумных эмульсиях. Разработаны составы, технология приготовления и укладки асфальтокерамзитобетона на битумных эмульсиях.
Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено оптимальное содержание твердых эмульгато-
9 ров и усовершенствована технология приготовления кровельных и гидроизоляционных мастик, отличающихся высокой дисперсностью, однородностью и стабильностью.
Разработаны составы кровельных и гидроизоляционных мастик повышенной тепло-, трещино-, водостойкости и долговечности.
Достигнута высокая трещиностойкость и долговечность кровельных водоэмульсионных мастичных покрытий за счет выбора основания кровли: теплоизоляции - пенополистирол или пено-, газобетон; песчаной асфальтокерамзитовои стяжки на битумной эмульсии. Песчаная асфальтокерамзитовая стяжка на битумной эмульсии обеспечивает жесткость слоя за счет внутреннего трения частиц керамзита, а деформируемость керамзитового заполнителя обеспечивает деформируемость и трещиностойкость всей стяжки. Благодаря возможности приготовления и укладки песчаной асфальтокерамзитобетонной смеси на битумной эмульсии в холодном состоянии появляется возможность обеспечить требуемые ровность и уклоны покрытия стяжки и, соответственно, гарантировать поверхностный водоотвод, что создает благоприятные условия работы верхнего слоя мастичного покрытия.
Начиная с 2002 г. в ООО «Ставропольгидроизоляция», ООО «Стройиннова-ция» освоено производство кровельных и гидроизоляционных мастик и произведен ремонт и строительство новых кровель на объектах Ставропольского края общей площадью 18000 м .
В ОАО «СУДР» освоено производство песчаных асфальтокерамзитобетон-ньгх смесей на битумных эмульсиях. Устроены стяжки кровель общей площадью 12600 м2.
Разработаны технические условия «Мастики битумно-эмульсионные кровельные и гидроизоляционные БЭКиГ» и «Песчаный асфальтокерамзитобетон на битумных эмульсиях».
Выполнено технико-экономическое обоснование применения разработанных мастик и смесей для стяжек.
В соответствии с программой совместных исследований, проверка и вне-
10 дрение результатов диссертационной работы было осуществлено также в Колумбийской корпорации CORASFALTOS согласно «Международной программы совместных исследований Северо-Кавказского государственного технического университета с корпорацией по исследованию и развитию битумов в транспортном секторе и промышленности Республики Колумбия CORASFALTOS» от 28 августа 2001 г.
Работа внедрена в учебный процесс СевКавГТУ при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам: «Материаловедение», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий», «Технология производства и применение новых конструкционных материалов», «Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 290300, 290500, 290600, 290700.
Автор защищает:
теоретическое обоснование содержания твердого эмульгатора (критической концентрации твердого эмульгатора ККТЭм), при котором обеспечивается получение высокодисперсной, однородной, стабильной воднодисперсионной битумной мастики;
составы и технологию получения кровельных и гидроизоляционных вод-нодисперсионных мастик повышенной тепло-, трещино-, водостойкости и долговечности;
устройство и методику определения внутренних напряжений, температур растрескивания и устойчивости к старению покрытий;
составы и технологию получения высокотехнологичных трещиностойких песчаных асфальтокерамзитобетонных смесей на битумных эмульсиях для устройства стяжек;
конструкцию кровли на водоэмульсионных битумных кровельных мастиках и асфальтокерамзитобетонных стяжках;
эффективность производства и применения разработанных водоэмульсионных кровельных и гидроизоляционных мастик.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением со-
временных методов исследований, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающих доверительную вероятность 0,96 при погрешности измерений менее 7%, и опытно-промышленной проверкой и внедрением в практику результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и,обсуждены на международных и российских научно-практических конференциях:
VIII, IX региональная научно-техническая конференция «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». (Ставрополь, 2004 г., 2005 г.);
4-as, jornadas internacionales del Asfalto. Agosto 16-20 de 2004 ICP (Cartagena de Indias, Colombia);
XXXIII commission permanente del asfalto. Trigesima tercera reunion del asfalto. 22 al 26 de noviembre de 2004. Ciudad de Mendoza, Republica Argentina;
Международная научно-практическая конференция «Строительство-2005», (Ростов-на-Дону, 2005 г.);
XXXIV научно-техническая конференция по итогам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2004 год. (Ставрополь, 2004 г.);
Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии (VII научные чтения), (Белгород, 2005 г.);
Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития», (Одесса, 2005 г.).
Материалы, полученные в работе, экспонировались на: IV и V Московских международных салонах инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 25 - 28 февраля 2004 г., 15 — 18 февраля 2005 г.); Ганноверской международной выставке (Hannover, den 23, April 2004); Тюменской международной ярмарке (Дни экономики Ставропольского края, 30 марта — 2 апреля 2004 г., г. Тюмень); 7-ой специа-лизированной выставке «СТРОЙКА» в рамках Форума строителей Южного Фе-
12 дерального округа (г. Ставрополь, 13-15 мая 2004 г.); выставке «Неделя высоких
технологий в Санкт-Петербурге "Ш-ТЕСН"» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); ежегодной специализированной выставке «КМВ строй-индустрия» (г. Пятигорск, выставочная компания «Artex», 25 - 27 ноября 2004 г.), а также удостоены 1 золотой, 1 серебряной медалями и 3 дипломами.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных трудов, включая тезисы докладов, доклады и научные статьи в сборниках и научных журналах, и получено положительное решение по заявке на 1 изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, содержит 148 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 17 таблиц, список литературы из 146 наименований и 10 приложений.
Битумные и битумополимерные кровельные водоэмульсионные мастики
Мастичные материалы стали применять для кровельных работ сравнительно недавно и сейчас разработка и совершенствование этих материалов интенсивно развивается как в нашей стране, так и за рубежом. По структурным признакам мастичные материалы разделяют на три больших класса - расплавы, растворы, эмульсии [1-4]. Классификации мастик по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды связана с тем, что мастики, как правило, содержат наполнитель и являются дисперсными системами. Расплавы представляют собой суспензии, состоящие из дисперсионной среды (битума, полимера) и дисперсной фазы - наполнителя. Мастичные расплавы крайне неустойчивы. Частицы наполнителя быстро коагируют и происходит процесс их седиментации. Применяют мастичные расплавы обычно при 150-180С. Покрытие из расплава мастики считается сформированным после его охлаждения до температуры окружающей среды. Растворы битумов являются высокодисперсными коллоидными системами, в которых растворители (толуол, керосин, бензин и др.) являются дисперсионной средой. В растворах частицы битума имеют размер 0,001-0,1мк, чем и определяется их сендиментационная устойчивость (до нескольких месяцев). Применяют растворы обычно при температурах окружающей среды или несколько подогретыми для понижения вязкости (но не выше 90С) [1].
Эмульсии - дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является битум, а дисперсионной средой - водный раствор эмульгатора (сульфитно-спиртовой барды, казеина, одлеата натрия, суспензии извести, пластичных глин и т.д.)- Битумные эмульсии имеют размер частиц 0,1-1,0мк и являются седиментационно относительно малоустойчивыми (срок хранения эмульсионных мастик не превышает нескольких месяцев). Полимерные эмульсии (латексы) более устойчивы [1].
Мастики согласно ГОСТ 25591 классифицируют по следующим основным признакам: - по назначению; - по виду основных исходных компонентов; - по виду разбавителя; - по характеру отверждения; - по способу применения. Ю.Д.Нациевский и др. кроме горячих и холодных мастик выделяют полугорячие [3]. Гармаш А. К. и др. приклеивающие мастики классифицируют [4]: - по виду исходных; - по виду разбавителя; - по достижению рабочей консистенции.
Битумные, резино-битумные и битумно- полимерные мастики из расплавов используют в горячем состоянии для устройства мастичной изоляции, армированной стеклохолстами, тканями и другими полотнами. Наиболее распространенные битумные мастики. Промышленность выпускает битумные мастики марок МЕК-Ґ-55, МБК-Г-60, МБК-Г-75, МБК-Г-85, МБК-Г-100, МБУ-100 [1 - 6]. Резинобитумные мастики в своем составе содержат резинобитумное вяжущее, наполнитель, пластификатор и антисептик. Резинобитумное вяжущее получают путем термомеханической обработки вулканизированной резины или ее регенерата и нефтяного битума и применяется при кровельных работах для приклеивания рулонных материалов (изола, бризола, стекло-изола). Выпускаются следующие марки такого.материала: РБВ- 25, РБВ- 35, РБВ-50 [1,3]. Известна битумно- резиновая мастика резапласт (ТУ 21-27-105-83) [5]. НИИас-боцементом разработаны и применяются битумно- резиновые мастики (ГОСТ 15836) для наклеивания рулонных кровельных материалов: МБР-Г-55, МБР-Г-60, МБР-Г-70, МБР-Г-75, МБР-Г-85, МБР-Г-100 [1,4 - 6]. Битумно- полимерные мастики включают в своем составе битумно-полимерное вяжущее, наполнитель и ряд добавок специального назначения. Производятся такие мастики в ограниченном количестве для устройства кровель и гидроизоляции. Известны горячие битумно- полимерные мастики: битумно- бутилкаучуковые мастики МББГ-70, МББГ-80, МББГ-90, МББП-65 (Лило 1) и МББП-80 (Лило 2) [1,2,4]; битумно-полимерные мастики МБПК-Г-75, БПАМ [4,7]; битумно-этиленпропиленовая мастика БИТЭП, битумно-полимерная мастика - скар-бит, битумно-полиизолбутиленовая [1 - 7]. Высококачественным видом гидроизоля 15 ционной мастики может быть асфальтовая мастика, употребляемая в горячем состоянии. Она представляет собой смесь взятой в определенном соотношении молотой асфальтовой породы (асфальтового порошка.) с расплавленным нефтебитумом или литой асфальтобетон [8].
Использование в качестве заполнителей отходов производства является перспективным направлением в создании новых, более дешевых мастичных материалов. Например, известны разработанные в Чехословакии мастики PLASTONIT К и PLASONIT L, получаемые на основе отходов от производства диметилфталата [9] . Используются эти мастики для гидроизоляции плоских покрытий с наклоном до 7 градусов. Предложен состав и способ получения горячей битумо-полимерной кровельной и гидроизоляционной мастики [10]. Приготовление битумно-полимерной мастики включает подачу в турбосмеситель низкомарочного битума при 160-180С, введение в него при постоянном перемешивании полимерной добавки дивинилстирольного тер-моэластопласта ДСТ-30, тонкодисперсного наполнителя и перемешивание их. В качестве тонкодисперсного наполнителя используют фосфогипс полугидрат - отход производства фосфорной кислоты, часть которого вводят в битум в соотношении битум: наполнитель 1:0,028, затем в полученную смесь порциями в течение 5-Ю мин вводят полимерную добавку до получения смеси с соотношением компонентов битум : добавка : наполнитель 1: 0,058 - 0,11 : 0,028, смесь перемешивают в течение 40-60 мин, после чего добавляют оставшееся количество наполнителя и осуществляют окончательное перемешивание до получения композиции, содержащей, мас.%: битум 72 - 85, ДСТ-30 5-8, фосфополугидрат сульфата кальция 10-20. Предложена масса для изготовления кровельного материала [11], которая содержит на 1000 м2 покрытия нефтяной битум 1250-1410 мас.ч., глину 600-680 мас.ч., древесный отход, образующийся после измельчения роспуском в волокна древесины, 2500-2700 мас.ч., окисленный петролатум 30-38 масч. Прочность при разрыве такого материала составляет 6,9-7,6 МПа, долговечность под действием ультрафиолетового облучения 1800 ч.
Теоретические аспекты эмульгирования органических вяжущих с использованием порошковых и волокнистых эмульгаторов, структура и стабильность полученных эмульсий
Рассмотрим сложившиеся физико-химические представления о структуре водоэмульсионных мастик на порошковых и волокнистых твердых эмульгаторах и процессах ее образования, а также возможности управления ими с целью повышения качества получаемых мастик и покрытий из них. В теоретических представлениях раннего периода не совсем четко описаны функции составляющих компонентов водоэмульсионных мастик па твердых эмульгаторах. Так в работах ВНИИГ им. Веденеева [14, 16], НИИСП г. Киев [17,82] и в разработанных ими нормативных документах на водоэмульсионные пасты и мастики, роль эмульгаторов при. получении битумных эмульсий отводилась глине, лессу, извести и волокнистому компоненту (асбесту). Такие битумные дисперсии назывались пастами. При введении в пасту минеральных порошков, цемента, латексов получали дисперсию, которая называлась мастикой.
Известно, что минеральные порошки также являются эмульгаторами битума. И становится естественным для эмульгирования битумов использовать в качестве битумных эмульгаторов все порошкообразные твердые составляющие, входящие в состав мастик. При создании водоэмульсионной битумной мастики следует, очевидно, изучить отдельно роль компонентов в качестве эмульгаторов и их влияние на процесс эмульгирования битумов, роль этих же компонентов в качестве наполнителей и их влияние на технологические, физико-механические свойства мастик и эксплуатационные свойства покрытий из них. Естественно, процесс эмульгирования битумов в воде осуществляется при какой-то критической концентрации эмульгаторов. Это правило справедливо для анионных, катионных и неионогенных битумных эмульсий.
При использовании твердых эмульгаторов для эмульгирования битумов их содержание находится в весьма широких пределах от 30 до 200% по отношению к массе битума [16-21, 26], что очевидно обусловлено разницей в составе и свойствах эмульгаторов и стремлением получить водоэмульсионную битумную композицию с определенными технологическими и эксплуатационными свойствами. Образование стабильной битумной эмульсии произойдет при условии покрытия битумных микрочастиц частицами твердого эмульгатора. Для выполнения этого условия при использовании твердых эмульгаторов будут способствовать, кроме их оптимальной концентрации в воде и химического состава, также оптимальный дисперсный состав эмульгаторов. Поэтому представляет теоретический и практический интерес установление зависимостей эмульгируемости битумов от химического, дисперсного состава и концентрации в воде твердого эмульгатора или смеси твердых эмульгаторов. Твердые или волокнистые тонкодисперсные эмульгаторы вследствие проявления загущающего эффекта в водно-дисперсионных битумных композициях определяют в значительной степени и реологические свойства мастик, которые должны быть оптимальными при получении, хранении и нанесении мастик. Параллельно с загущающим эффектом, твердые эмульгаторы являются наполнителями мастик, в функции которых входит повышение прочности, тепло-, трещиностойкости, атмосферостойкости, паро-, водонепроницаемости покрытия из мастики.
После выяснения перечисленных вопросов и определения критической концентрации твердых эмульгаторов, при которой получают стабильные, однородные, высокодисперсные битумные мастики, представляет интерес изучить свойства битумных мастик и покрытий из них в зависимости от концентрации того или иного порошкового или волокнистого наполнителя, использованного в качестве эмульгатора. Одними из эмульгирующих агентов при получении битумных эмульсий используют, как уже упоминалось, тонкоизмельченные нерастворимые порошки. Под микроскопом можно увидеть, что частицы образуют монослой, который обволакивает каплю битума. Условия для получения таких оболочек очень строгие и определяются физической природой и размером частиц, а не их химическим составом [83-86]. Невозможно охарактеризовать устойчивость эмульсии простым методом, применимым при всех обстоятельствах. Известно, что скорости расслоения разных типов эмульсий сильно отличаются. Например, нестабилизированные масляные гидрозоли расслаиваются в течение секунд или минут. Процесс разрушения происходит в результате столкновения капель под действием броуновского движения, седиментации, случайных конвективных токов. Все это приводит к коа-лесценции. При слабом перемешивании процесс ускоряется, так как малые и большие капли двигаются с различными скоростями и поэтому чаще сталкиваются. Этот процесс называется ортокинетической флокуляцией. При интенсивном перемешивании большие капли растягиваются и делятся. Если вести перемешивание в течение достаточно долгого времени с умеренной интенсивностью, то можно достичь динамического равновесного состояния распределения капель по размерам. Аналогичное явление наблюдается при облучении эмульсий ультразвуком: волны сжатия заставляют капли сталкиваться, что способствует их разрыву [86]. Для стабилизации эмульсий применяют достаточно высокодисперсные порошки [85]. Получаемый тип эмульсий зависит от избирательной смачиваемости твердых частиц одной из фаз [85, 87]. Если частицы лучше смачиваются масляной фазой, образуется эмульсия типа В/М, в случае лучшего смачивания водой — эмульсия типа М/В. Исследования, проведенные Шульманом и Леем [84, 85], подтвердили эти выводы. Кроме того, они показали, что в присутствии ПАВ и твердых эмульгаторов образуется эмульсия М/В, если краевой угол, измеренный со стороны водной фазы, почти равен 90. Химическая природа частиц твердого эмульгатора является менее важной, чем их поверхностные свойства. Основные требования к ним: 1) размер частиц должен быть очень малым по сравнению с размером капли; 2) частицы должны иметь определенный угол смачивания в системе масло — вода — твердое. Твердые, сильно гидрофильные частицы (например, двуокись кремния в среде с рН =10) легко переходят в водную фазу; наоборот, сильно гидрофобные частицы, в частности, твердые частицы с очень длинными углеводородными цепями переходят в масло.
Выбор и характеристики материалов, взятых для исследований
В экспериментальных исследованиях диссертационной работы в качестве вяжущих были взяты обычно применяемые для кровельных и гидроизоляционных мастик битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130, получаемые в ОАО «Пермьнеф-теоргсинтез» путем окисления в колонне остатков западно-сибирских нефтей, а также нефтяное битумное сырье ОАО «Пермьнефтеоргсинтез» с условной вязкостью при 80С по ТУ 38101583-88, равной 45с, Нефтяное сырье взято с целью изучения возможности получения высокотрещиностойких покрытий на маловязких нефтяных остатках с сажевым эмульгатором (наполнителем). В качестве порошкообразных твердых эмульгаторов были взяты глины Ко-чубеевского, Ивановского и Надеждинского карьеров Ставропольского края, различающиеся по химическому и гранулометрическому составу и свойствам (таблицы 3.3, 3.4), а также минеральный порошок известковый активированный и неактивированный Черкесского завода (таблица 3.5).
По содержанию окислов AI2O3 + Т1О2 все образцы глин относятся к группе полукислой с высоким содержанием красящих окислов Fe203- По гранулометрическому составу и по содержанию тонкодисперсных фракций глины относятся к тонкодисперсным.
По числу пластичности глины Кочубеевского и Ивановского карьеров относятся к среднепластичным, глина Надеждинского карьера к высокопластичным. Таблица 3.5 - Свойства активированного и неактивированного известняковых минеральных порошков
Испытания минеральных порошков произведены по ГОСТ 12784-78.
В качестве волокнистого эмульгатора и наполнителя был принят для исследований асбест хризотиловый 7-го сорта по ГОСТ 12871-93 марки А-7-450 с на-сыпной плотностью 412 кг/м . Использование асбеста в составе композиционных материалов значительно повышает прочность на растяжение, изгиб и удар. Кроме того он оказывает большое влияние на технологические свойства сырьевых смесей, повышает структурную прочность водоэмульсионных смесей, обладает значительной водоудерживающей способностью. Асбест — природный минерал, обладающий способностью расщепляться в тончайшие гибкие и прочные волокна. Хризотил-асбест представляет собой водный силикат магния (гидросиликат магния), характеризуемый формулой Mg3Si0205(OH)4.
Модуль упругости иедеформированных волокон для всех отечественных месторождений асбеста составляет (1,75 - 1,85)1011 Па. Предел прочности при растяжении в зависимости от длины волокна составляет 3200-5400 МПа. Электрокинетические показатели принятого для исследований хризотил-асбеста Баже 71 новского месторождения, характеризуемые величиной -потенциала и знаком заряда их волокон на границе с дистиллированной водой, равны +14, на границе с раствором Са(ОН)2 +45.
Отобранные в ЗАО «Невинномысский азот» 2 пробы сажевой пульпы, образующейся при производстве ацетилена, имели следующие показатели: - плотность, определенная капельно-пикнометрическим методом [129] при 20С, проба №1 - 2074,1 кг/м2, проба №2 - 2123 кг/м2. -концентрации сажи в воде: проба №1 -21,2%, проба №2-46,4%.
Известь строительная комовая для исследований была отобрана на Ставропольском ОАО «Завод ЖБИК», относится ко 2 сорту по ГОСТ 9179-77 и имела следующие показатели свойств: - содержание активных CaO+MgO без добавок 89%, активных MgO - 2,8%, С02 - 1,2%, пеногасившихся зерен - 6,9%. Известь относится к среднегасящейся продолжительность гашения 18мин. Испытания извести произведены по ГОСТ 2268.
Фильтрпрессная грязь - отход сахарного производства ОАО «Изобильнен-ский сахарный завод» отобраны из отвалов завода для исследований 2 пробы: 1 проба - после хранения в течение примерно 1 года, 2-я проба после хранения в течение примерно 5 лет. Фильтрпрессные отходы сахарных заводов состоят, в основном, из кристаллов углекислого кальция, образовавшихся в результате реакций между известковым молоком и углекислым газом. Фильтрпрессные отходы имеют достаточно высокий отрицательный электрокинетический потенциал, равный от -22 до -28, что обеспечивает достаточно интенсивное взаимодействие их с битумом. Наряду с отрицательным зарядом на поверхности фильтрпрессных отходов имеются и положительные заряды. Наличие в фильтрпрессных отходах органических примесей в виде белков, известковых веществ и др., а в некоторых случаях и гумусированного грунта способствует их эмульгирующей способности битумов.
После мокрого рассева содержание частиц мельче 0,071 мм в пробе №1 фильтрпрессной грязи было равным 98%, в пробе №2 - 96%. 3.1.3 Легкие заполнители для стяжек
В исследованиях использовались составы битумокерамзитовых смесей, включающие керамзитовый гравий и песок, минеральный порошок и нефтяной битум дорожных марок.
Для приготовления битумокерамзитовых смесей использовался керамзитовый гравий марки 400, выпускаемый Ставропольским заводом силикатного кирпича, фракции мельче 8мм, а также после его дробления в лабораторной дробилке и рассеивания на фракции: 2,5-5; 1,25-2,5; 0,63-1,25; 0,315-0,63; 0,14-0,315 и менее 0,14мм. Сырьем для производства керамзитового гравия служили гидрослюдистые глины с содержанием кварца 28%. Общее содержание S1O2 - 65%, AI2O3 -18%, Fe203 + FeO - 9%, органические примеси - 1,5%,
Производство и применение кровельных водоэмульсионных битумных мастик на асфальтокерамзитобетонных стяжках.
В ООО «Ставропольгидроизоляция», начиная с 2002г, начали осваивать производство водоэмульсионных кровельных и гидроизоляционных мастик по разработанной нами технологической схеме (рисунок 4.1). Получение мастики осуществлялось в турбулентном смесителе-диспергаторе СБ 138 Д, в котором объем одного замеса мастики составлял 0,8м3. Основное оборудование смесителя: ротор, неподвижный бак, разгрузочное устройство и электродвигатель.
Составляющие мастики загружаются отдельными порциями через отверстия в крышке бака. Компоненты смеси перемешиваются с помощью быстровращаю щегося ротора, который представляет собой своеобразное рабочее колесо насоса, помещенное в неподвижном цилиндрическом баке с основанием в виде усеченного конуса, днище которого футеровано. Вращение ротора осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу. При вращении ротор лопатками отбрасывает смесь к конусной части бака. Две лопатки, установленные на внутренней стенке бака, тормозят движение смеси от окружности и направляют ее спирально вверх, откуда смесь, падая на ротор, вновь вовлекается в движение. Разгрузочное устройство находится в нижней части бака. При загрузке компонентов мастики и перемешивании оно закрывается крышкой с резиновым уплотнением. Через нижний рычаг, который может свободно поворачиваться на оси относительно кронштейна, крышка шарнирно присоединяется к баку. Электродвигатель крепится к основанию, что позволяет осуществлять натяжение ремней при ослабленных болтовых креплениях. Сверху электродвигатель закрыт щитком.
Смеситель загружается отдозированными порциями при включенном электродвигателе в строгой последовательности: вода, порошкообразный эмульгатор, асбест, модификатор не менее, чем за 30с, и перемешивается в течение не менее, чем 15мин. После чего в работающий смеситель в течение не менее чем за 10 мин, подается битум при температуре 165-175С. Температура дисперсионной среды (вода + эмульгатор + асбест + модификатор) должна быть в пределах 20-26С. Концентрация твердой фазы в воде (ККТЭм) определялась экспериментально по перегибу на зависимости условной вязкости при 20С, определяемой с помощью вискозиметра КП-975Д, системы: эмульгатор + асбест + модификатор + вода от концентрации дисперсной фазы в воде или соотношении дисперсной фазы и воды (см. рисунки 3.25, 3.26). После приготовления вязкость мастики обычно составляла 6-8см осадки конуса ЦНИИЛ, добавлением воды к мастике при работающем смесителе вязкость ее доводилась до рабочей консистенции по осадке конуса, равной 12-13см.
На основании проведенных исследований были разработаны технические условия ТУ 5718-003-02067965-004 «Мастики битумно-эмульсионные кровельные и гидроизоляционные БЭКиГ трех марок I, II, III (приложение 3). В состав мастик входит порошкообразный эмульгатор, асбест, модифицирующая добавка и вода. Физико-механические показатели покрытий из мастик представлены в таблице
Приготовленная опытная партия кровельной мастики в количестве 3,8 тн была передана ООО «Стройинновация» для устройства кровли. 12 июня по 23 июля 2004г был произведен ремонт кровли дома «Межком-банк» вг. Ставрополе по ул. Коминтерна, 14, общей площадью 2380м . Старая кровля: 4-х слойное рулонное покрытие из стеклорубероида. Срок службы старого покрытия кровли 6 лет.
Ремонт старой кровли был произведен термодинамической обработкой, после чего была нанесена выравнивающая стяжка из асфальтокерамзитобетонной смеси на битумной эмульсии. Через 8 дней на основание была нанесена кровельная водоэмульсионная мастика БЭКиГ марки III по ТУ 5718-003-02067965-04, приготовленная в ООО «Ставропольгидроизоляция» (приложение 5). Нанесение мастики на основание кровли осуществлялось с помощью агрегата СО-2 тремя слоями. По первому слою не отвердевшей мастики была уложена стеклосетка (рисунок 4.2а). Второй и третий слои наносили на следующие сутки после нане-сения первого или второго слоя. Расход кровельной мастики на 1м покрытия составлял в среднем 0,6-0,7кг (приложение 5). Общий вид устроенной кровли представлен на рисунке 4.26. 28 июня 2004г. в ООО «Ставропольгидроизоляция» была изготовлена опытная партия водоэмульсионной гидроизоляционной мастики марки БЭКиГ II по ТУ 5718-003-02067965-04 (приложение б).
Состав мастики: битум марки БНД 60/90 ОАО «Нефтекамскоргсинтез» - 46% мае; эмульгатор глина Надеждинского карьера 15% мае; асбест 7-го сорта - 8%, вода - остальное. Количество приготовленной опытной партии гидроизоляционной мастики БЭКиГ II составило 1,8 тн. Опытная партия была передана ООО «Стройинновация» для выполнения гидроизоляционных работ.
