Битумно-полимерные материалы. Обоснованность применения. Нюансы

Наш российский климат достаточно суров, причем температуры не только достигают низких значений, но и часто «скачут». Мороз не так вреден для кровельного материала, как резкие циклические перепады температур. В Москве, например, средняя годовая температура имеет значение около 14 0С, и это относительно низкая температура, учитывая ее расположение по широте. Свой «вклад» в понижение среднегодового показателя вносят именно температурные перепады. И аналогичная климатическая ситуация существует на большей части территории России. Количество территорий 2-ой климзоны превышает 60% площади страны. Вторая климзона – зона континентального климата, который часто приобретает резкую выраженность, характеризуемая большим числом циклических перепадов температур. За один день температура способна меняться по модулю даже на 20-300С. Такие явления вызывают быстрые смены значений линейных расширений, испытываемых физическими телами. Итогом температурных деформаций становится довольно быстрый износ ограждающих конструкций зданий, особенно кровли. Результаты практических исследований показали, что широкоизвестные кровельные материалы группы «рубероид» в наших климатических условиях утрачивают свою основную функцию – гидроизоляцию за 3 года максимум. Ежегодные затраты на ремонт рубероидных кровель в России составляют около 4 млрд. рублей. Цифра довольно высокая. Поэтому любое ее снижение, возможность сэкономить не в ущерб качеству выглядит весьма привлекательно. Когда выяснилось, что такая возможность есть, отечественные кровельщики относительно оперативно начали внедрять на рынок качественно новую группу мягких кровельных и гидроизоляционных материалов – рулонных наплавляемых битумно-минеральных на негниющих основах. Они способны служить около 10 лет. Если бы все кровли в России сейчас были изготовлены с применением этих материалов, то ежегодные ремонтные затраты были бы снижены на 25-27% и не превышали бы 3 млрд. рублей.

Однако есть еще более экономичные варианты – самая совершенная на данный момент группа мягких кровельных и гидроизоляционных материалов – рулонные наплавляемых битумно-полимерные на негниющих основах способны снизить годовые затраты на 55-57%. Итого затраты будут составлять не более 1,7 млрд. рублей в год (при условии замены всех рубероидных кровель на битумно-полимерные). Экономический результат не может не вызывать желания их применять. Но на данный момент их «кровельная доля» составляет около 15%. Это обусловлено их более высокой стоимостью по сравнению с аналогами рубероида. В итоге имеет место алогичная реальность – вместо того, чтобы один раз в 20-25 лет потратиться, потребитель делает выбор в пользу менее «тяжелой» по единовременным затратам рубероидной кровли. Факт экономии «когда-то там» потребителя волнует мало, главное, смету в бюджет «втиснуть». Результатом этого становится ежегодное исчезновение в кровельной «бездне» ощутимых сумм денег. Причина такой экономической недальновидности на виду – наше «смутное» время ориентирует потребителя на нерациональную логику, понятную только в России. Впрочем, она «в умах и сердцах» участников практически всех отечественных современных рынков. Но в последние годы все- таки налицо некоторые подвижки в лучшую сторону. В этом году намечается выход правительственного указа, запрещающего применение на стационарных кровлях (а их у нас в стране 99%) материалов типа рубероид. Наконец правительство делает шаг «в народ», приучая потребителя думать об общем будущем, обнаружив экономическую «черную дыру».

В настоящее время большинство исследователей, строителей и проектировщиков не подвергает 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.

Какие же качества позволяют битумно-полимерным материалам обеспечивать такие эксплуатационные сроки?
Введение в битумно-минеральный компаунд подходящего для российских условий полимерного модификатора придает битумному вяжущему (БВ) и всему кровельному битумно-полимерному материалу (БПМ):

Мощная адгезия позволяет, во-первых, сэкономить на затратах за счет снижения временных и финансовых издержек при подготовке основания под кровельный ковер при его укладке, во-вторых гарантирует отсутствие отслоений ковра от основы в процессе эксплуатации из-за температурных деформаций, что предотвращает протекания и отрывание кровельного ковра вплоть до обнажения основы.
Отличная сопротивляемость усталостным нагрузкам повышает трещиностойкость ковра, предотвращая образование протечек.

Большая стойкость к течению при повышенной температуре делает возможным применение материалов в районах с жарким летом без нарушения гидроизолирующих свойств, предотвращая их «уплывание» с нужного места и снижение прочностных свойств.
Морозостойкость снижает риск размораживания ковра в периоды осенне-весенних заморозков, повышает устойчивость к температурному растрескиванию.

Низкотемпературная гибкость делает возможной укладку ковра даже зимой при температурах до – 20-400С, допуская проведение работ «не в сезон».

Эластичность улучшает физико-механические показатели материалов, придает стойкость к действию различных нагрузок, обеспечивает синхронизацию мощных линейных расширений кровли с восстановлением первоначальных размеров без нарушения целостности покрова.
Мировая история изготовления БПМ началась в 60-х годах 20-го века.

На российском рынке материалы, при производстве которых также используются полимерные модификаторы (СБС ТЭП в т. ч.), появились в 1995 году.

На производствах БПМ в России наиболее часто применяется полимер-модификатор блочного строения Стирол-бутадиен-Стирольный термоэластопласт-СБС ТЭП (SBS). Это обусловлено тем, что только он может придать вышеперечисленные качества, имея при этом более низкую цену, чем качественные модификаторы с аналогичным действием.

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 являются мальтены, а дисперсной фазой – асфальтены.

Устойчивость системы, в том числе трещиностойкость, теплостойкость и долговечность битума, зависит от соотношения долей мальтенов и степени их сродства. Чем больше сродство, тем более устойчива система, тем медленнее стареет битум. Масла и смолы обеспечивают пептизацию асфальтенов, то есть поддержание их в виде коллоидного раствора.

В высокоокисленных битумах содержание асфальтенов достаточно велико, при невысоких температурах они образуют сплошную структуру в битуме, обеспечивая его вязкостно-эластические свойства и необходимую устойчивость к течению. Такие битума имеют довольно высокую температуру размягчения. Соответственно, чем ниже температура размягчения (чем менее окислен битум) тем меньше в нем асфальтенов.

Кроме того, необходимо отметить, что в процессе окисления битумов количество масел убывает за счет уменьшения содержания низкомолекулярных ароматических компонентов, в то время как парафино-нафтеновые соединения остаются практически неизменными. Следовательно, их доля в маслах повышается, так же как и содержание асфальтенов в битуме в целом. При окислении дисперсионная среда битумов изменяется как количественно (убывает), так и качественно (обогащается парафино-нафтеновыми и тяжелыми ароматическими соединениями, уменьшая сродство дисперсионной среды к асфальтенам).

При введении в битум СБС ТЭП последний адсорбирует ароматические мальтены битума, набухая в них; при этом размеры ТЭП увеличиваются в 6 - 9 раз. 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 мас.%) 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.

При высокой концентрации полимера (примерно 12 мас. %) происходит инвертация-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 сотни раз, резко уменьшается остаточное удлинение, улучшаются усталостные свойства и др.

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 содержании полимера количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов, и последние коагулируют в виде твердой фазы – битум «распадается».

Таким образом, чем более окислен битум, тем меньшее количество полимера можно в него ввести без ущерба его коллоидной стабильности. Действительно, подтверждено постоянство суммы асфальтенов и полимеров для критических битумных композиций из одинаковых видов сырья.

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. При этом удается получить БПМ с показателем гибкости до –40-45°С и теплостойкости +100°С и выше. Материалы, изготовленные с применением этой технологии соответствуют мировым системам стандартов качества, таким как DIN, например.

Существует эмпирическая зависимость, позволяющая рассчитать предельное количество набухающего полимера, которое можно ввести в битум:

Для приготовления битумно-полимерного вяжущего с СБС ТЭП используют битумы неокисленные БНК-40/180 либо окисленные типа БН-70/30. В таблице представлены средние компонентные составы битумов указанных марок, полученных из нефти Западно-Сибирского месторождения, характеризующегося наибольшей степенью ароматичности.

Если принять, что коэффициенты аА и аP для СБС ТЭП и битума близких единице, то подстановка значений из таблицы в формулу дает максимальное содержание полимера, при котором система находится в критическом состоянии:
- для битума марки БНК-40/180 – 15-20 мас. %;
- для битума марки БН-70/30 – менее 8 мас. %.

Таким образом, битумно-полимерные вяжущие с использованием среднеокисленных битумов типа БН-70/30 оказываются весьма близки к критическому состоянию. Такие битумы обеднены маслами, кроме того, ароматичность масел, а, следовательно, сродство битума с СБС ТЭП снижается. При незначительном нарушении состава битума, например, в процессе эксплуатации кровли – при выпотевании (экссудации масел), термодинамически и агрегативно неустойчивая двухфазная система, которой является это вяжущее, распадается, происходит выделение асфальтеновой фазы, битум теряет блеск, становится мутным, охрупчивается.

Известно, что в процессе атмосферного старения материалов бывает изменение состава битумов, аналогичное изменениям при искусственном окислении битумов, содержание масел постоянно убывает, а асфальтенов – увеличивается. Следовательно, в процессе старения композиции, (назовем их полимерсодержащими) на основе среднеокисленных битумов и 5-8% СБС ТЭП оказываются более неустойчивыми, чем традиционные составы, которые можно обозначить как полноценно-полимерные.

Как правило, уже через короткий промежуток времени полимерсодержащие материалы приближаются по свойствам к материалам из окисленного битума, имеющим сроки эксплуатации около 10 лет.

Отечественным ГОСТом 2678-94, регламентирующим методы испытаний материалов на соответствие стандартам качества при их приемке испытательной лабораторией, не предусмотрено тестирование материалов на концентрацию модификатора в БВ.

Другой «кровельный» ГОСТ 30547 не предписывает обязательную концентрацию СБС ТЭП именно на уровне не ниже 12% по массе. Не предписывает он и минимальный эксплуатационный срок кровельного ковра из БПМ.

Поскольку стоимость СБС ТЭП довольно высока, а грамотного контроля со стороны госорганов нет, производители имеют легитимную возможность выпускать псевдо-БПМ, формально соответствующие требованиям качества, предъявляемых ГОСТами, но непотверждающие предполагаемое неосведомленным потребителем ожидаемое качество.

Производители полимерсодержащих материалов выбрасывают на рынок более дешевую продукцию, дезориентируя потребителей, подрывая заслуженный имидж статуса БПМ.

Эти кровельные материалы только формально являются битумно-полимерными, так как не обладают всеми эксплуатационными характеристиками настоящих БПМ.

Отличием псевдо-БПМ является существенно более низкое содержание модификатора (5-8%). Для того чтобы достичь показателей теплостойкости и низкотемпературной гибкости, нормируемых ГОСТом, производители используют другие, более окисленные и потому более теплостойкие марки битума, например БН-70/30 или БНД-60/90. И те, и другие материалы в исходном состоянии соответствуют требованиям ГОСТа по тепло- и морозостойкости.

Таким образом, в настоящее время производится два типа СБС-модифицированных материалов. В первом случае битумно-полимерное вяжущее содержит 12-14% СБС ТЭП и 86-88% битума БНК-40/180, во втором – 5-8% СБС ТЭП и 92-95% битума типа БН-70/30. Уменьшение содержания полимера и разница в марке битума приводит к снижению долговременной стабильности и, как следствие, к недостаточной долговечности кровельных материалов. Причина этого, как вы поняли, заключается в составе и строении битума и его смесей полимерами.
К сожалению, действующие в настоящее время стандарты не оценивают поведение материалов в процессе эксплуатации. Более того, настоящие БПМ и полимерсодержащие материалы относятся, в соответствии с ГОСТом, к одному и тому же классу материалов – битумно-полимерным материалам на негниющих основах. Действительно, набор основных физико-технических параметров, обязательных к проверке, соответствует этому стандарту (теплостойкость, низкотемпературная гибкость и др.) у обоих материалов сразу после их производства. В тоже время у БПМ эти свойства проявляются благодаря наличию пространственной эластичной матрицы полимера, а у полимерсодержащих материалов – в основном за счет изменения свойств дисперсионной среды битума.

Однако стандарт не содержит требований к свойствам материалов, например к эластичности, которые могли бы легко продемонстрировать преимущества настоящих БПМ. Термодинамическая устойчивость вяжущих этих материалов, а, следовательно, и их долговечность могут сильно отличаться.

И все-таки полимерсодержащие материалы все же лучше, чем не содержащие полимерных модификаторов рулонные кровельные материалы. Но это не настоящие БПМ, а, следовательно, нельзя рассчитывать на свойственную им надежность и долговечность.

Следовательно, использование в массовом строительстве относительно дешевых полимерсодержащих материалов вместо настоящих БПМ может обернуться весомыми потерями при эксплуатации кровель, значительно превышающими экономию при приобретении. Авторам известны случаи, когда заказчики, устроившие кровлю из разрекламированных СБС-модифицированных материалов, оказавшихся полимерсодержащими, через 3-5 лет (а не через 15 и более!) были вынуждены производить ремонтные работы.

Известны и другие моменты. Для знающих людей не является секретом, что некоторые производители не брезгуют изготовлением эрзац-БПМ, являющихся, по сути, подделками уже итак «нечестных» по параметру цена / качество псевдо-БПМ. Они просто проводят модификацию состава вяжущего даже не полимером, а масляной эмульсией. Она способна придать подделке свойства реальных БПМ на срок около 0,5 года с момента выпуска. А потом такие материалы стремительно ухудшаются, показывая себя во всей «красе». В итоге такие неэтичные трюки выколачивают деньги из заслуженно поверивших в качество БПМ потребителей, подрывая авторитет серьезных производителей.

Очевидно, что изменение государственного стандарта, выделение для каждой группы материалов своей ниши и разработка соответствующей конструкции кровли стали насущной задачей. Решив ее, удастся «урезать» пространство для торговых трюков, иногда довольно возмутительных.

Итак, что можно посоветовать всем заказчикам РБМ перед закупкой:

1) Определить для себя, какой срок эксплуатации кровли необходимо обеспечить:

-РБМ типа рубероида на картонной основе при правильной укладке «проживут» 3-5 лет (в среднем по России для большинства климатических зон), сохранять же свои гидроизолирующие свойства будут мах. 1 год. Но они очень дешевы. Но(!) ежегодная замена слоев и ремонт несущих конструкций через 5-10 лет могут сделать такую кровлю «золотой». Один кв. м. БП-кровли по единовременной затрате обойдется примерно на 50-70 рублей дороже (включая стоимость работ). Но, например, за 20 лет эксплуатации даст экономию как минимум в 340-350 рублей только по деньгам, что весьма приятней, чем затраты в 600 рублей на метр рубероидной кровли за 20 лет. С учетом времени, сэкономленном на отсутствии ремонта, окупаемость метра БП-кровли наступит через 1 год после укладки в сравнении с рубероидной, бухалтерски убыточной.

-БПМ по определению сверхдолговечны (дают до 25 лет эксплуатации без протечек), реальный же срок здесь определяется честностью и дальновидностью производителя, думающего сохранить довольного клиента.

2) Подробно опросить представителей, предлагающих БПМ организаций. Запросить у них ТУ, паспорта на модификатор, описания, выяснить концентрацию полимера в БВ. Из отечественных химпредприятий только «ВоронежСинтезКаучук» производит хороший СБС ТЭП-модификатор.

3) Проконсультироваться у независимых экспертов - организаций или лиц при недостаточной осведомленности по общей части либо при проблемах, требующих особого внимания.

Автор: Дармов П.И., Дармов А.А сотрудники АОЗТ «Эверест»

Список статей