Текст книги "Технология кровельных и гидроизоляционных материалов"

Под ними понимают способность материала сохранять, не изменяя свою структуру, а в ряде случаев упрочнять ее со временем за счет процессов старения. Основными дестабилизирующими факторами являются вода, колебания температуры, климатические и биологические факторы.

Набухаемость – способность материала увеличиваться в объеме при насыщении водой. При этом наблюдается поглощение гигроскопичной (пленочной) воды. Это сопровождается раздвижкой отдельных структурных частиц. При последующем высыхании наблюдаются усадочные явления и восстановление структуры, но не полное. Многократное набухание и высыхание сопровождаются разрушением материала.

Водостойкость – способность материала сохранять в водонасыщенном состоянии механические свойства. Характеризуется отношением предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное, циклическое замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Для ГИМ после 5 и более циклов испытания снижение прочности должно быть в определенных пределах, например, не более чем на 10-25 %, а потеря в массе – не более 5 % от первоначальных значений.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться агрессивному действию среды и сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Влияние среды проявляется в старении материалов.

Биохимическая стойкость – способность материала сопротивляться биологическим процессам, возникающим в эксплуатационный период и связанными с заражением грибами, порчей насекомыми, прорастанием растений и т.п.

Теплостойкость – способность материала сохранять в допустимых пределах механические и другие технические свойства при нагревании. Определяется температурой, при которой начинается деформирование испытуемого образца.

Температуроустойчивость – способность образцов выдерживать в сушильном шкафу без видимых деформаций в течение определенного времени заданную температуру в подвешенном состоянии.

Под адгезией понимают способность двух разнородных материалов сцепляться своими поверхностями, например, гидроизоляционного с конструкционным. Адгезия определяет прочность и стабильность гидроизоляционного слоя на защищаемой поверхности. Различные ГИМ имеют разное сцепление с одной и той же поверхностью. Прочность прилипания, например, мастики, зависит от ее поверхностного натяжения, вязкости, температурных условий, концентрации ПАВ и т.д.

1 – поверхность; 2 – мастика; 3 – воздух

Рисунок 8 – Краевой угол смачивания гидроизоляционным материалом гидрофобной поверхности

Адгезия рассчитывается по формуле

где σ_ã‒â – поверхностное натяжение гидроизоляционного вещества (Г) на границе раздела с воздушной средой (В);

φ – краевой угол смачивания на границе раздела гидроизоляцияподкладка (П).

Для увеличения адгезии необходимо увеличить σ_г‒в либо снизить φ. Величина φ зависит от природы поверхности подкладки. Необходимо гидрофобизировать ее за счет, например, хемосорбции на границе раздела фаз.

Основным же регулятором адгезии является σ_г‒в, которое находится в прямой зависимости от вязкости и в обратной – от квадрата толщины склеивающей пленки. Повышение вязкости для каждого материала имеет некоторую предельную границу, поскольку сопровождается быстрым ростом периода релаксации, т.е. развитием упруго-хрупких свойств, что может оказаться крайне нежелательным в области отрицательных температур. Со снижением смачиваемости материала уменьшается и адгезия. Смачиваемость повышается со снижением вязкости, поверхностного натяжения, при повышении температуры и вибрационном воздействии.

Оценка адгезионной способности ГИМ проводится на приборах методом сдвига и отрыва. Эти методы условные, т.к. не учитывают релаксацию напряжений, что приводит к завышению показателей адгезии.

При комплексной оценке качества твердых и вязкопластичных ГИМ учитывают также величину когезии, т.е. прочность связи молекул (атомов, ионов) самого ГИМ, что обусловлено межмолекулярным электростатическим взаимодействием и химической связью.

Для рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов определяют полноту пропитки картонной основы вяжущим, разрывную нагрузку при растяжении в продольном и поперечном направлениях, гибкость, массу покровного слоя, прочность сцепления крупнозернистой посыпки с покровным слоем, цветостойкость посыпки.

У мастичных ГИМ – битумных, битумно–резиновых и др. – производят проверку внешнего вида, определение теплостойкости, хрупкости, гибкости, клеящих свойств, деформативности, вязкости, содержания воды и водопоглощения, содержания наполнителя и сухого остатка, биостойкости, уровня токсичности, однородности, плотности, времени отверждения и высыхания, цвета и др.

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.

4 Основы технологии ГИМ

Технология – наука о процессах и способах производства. Химическая технология – наука о методах и процессах химической переработки сырья в продукты, материалы и изделия.

При большом разнообразии технологии ГИМ можно выделить ряд типичных процессов и переделов общих для многих технологий. К ним относятся: подготовительные работы, перемешивание отдозированных компонентов, формование смеси и ее уплотнение, специальная обработка материалов и изделий.

4.1 Подготовительные работы

Цель подготовительных работ – придание сырью технологичного состояния, удобного для прохождения его по всей последовательности технологических операций. В них входят: дробление, помол, распушка и другие способы диспергирования сырья; фракционирование и очистка поверхности частиц; обогащение, т.е. повышение однородности сырья по массе и по качественным показателям. Эти операции зачастую совмещаются с физико-химической обработкой с целью повышения активности поверхности частиц или изменения ее полярности, поверхностного натяжения и др. К подготовительным операциям относятся также нагревание компонентов, высушивание и увлажнение.

4.2 Перемешивание

Перемешивание отдельных сырьевых компонентов и всей смеси – основная технологическая операция. При перемешивании наблюдаются процессы смачивания, растворения, набухания, формирования гетерогенных многофазных систем.

В производстве кровельно-гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, особенно с использованием полимеров, выбор типа смесителя определяет качество перемешивания, структуру (на микро– и макроуровне) готовой продукции.

Наиболее распространено механическое перемешивание в роторных смесителях принудительного действия.

Основой частью таких смесителей служит ротор, т.е. вращающийся вал с насаженным на нем фигурным валком. В рабочей камере смесителя расположены два валка, вращающихся навстречу друг к другу с разными скоростями. В камеру с помощью плунжера периодически подается перемешиваемая масса из отдозированных компонентов. Выгрузка перемешанной смеси осуществляется через днище, оборудованное скользящей дверцей, приводимой в действие пневмоцилиндром.

1 – загрузочная воронка; 2 – откидная дверца; 3 – пневматический цилиндр; 4 – запирающее устройство; 5 – камера смесителя; 6 – фигурные смесительные роторы; 7 – фундаментная чугунная плита; 8 – скользящая дверца разгрузочного устройства; 9 – пневматический цилиндр для перемещения нижнего затвора

Рисунок 12 – Роторный смеситель

Наряду с роторными используются смесители других конструкций как периодического, так и непрерывного действия: барабанные – стальные цилиндры, вращающие на цапфах; лопастные – имеют два лопастных вала, вращающихся навстречу друг к другу с разной скоростью и перемешивающие смесь в горизонтально либо вертикально расположенном корпусе; валковые – со смешением на вальцах, вращающихся навстречу друг другу при некотором зазоре между ними; червячные – типа шнеков; гравитационные – со свободным перемешиванием при падении смеси под действием силы тяжести.

Смесители СМБ. Имеют два вала, оборудованные Z-образными лопастями и расположенными в корпусе, состоящем из двух полуцилиндров. Привод от электродвигателя осуществляется на один из роторов, а на второй передается через шестереночную пару, расположенную снаружи корпуса. Смесь пластифицируется при прохождении ее через узкий зазор между корпусом и поверхностью ротора.

Рисунок 13 – Схема смесителя СМБ

Для выгрузки готовой смеси корпус посредством винтового механизма поворачивается вокруг оси приводного вала ротора на угол от 120° до 130°.

Некоторые смесители СМБ разгружаются посредством шнека, расположенного в нижней части корпуса. Рабочий объем смесителей: 100, 200, 400, 600 дм³.

Резиносмеситель (РС). Перемешивание осуществляется двумя роторами. У смесителя вместо крышки корпуса сверху располагается поршень с пневматическим приводом. В закрытом положении поршень увеличивает поверхность пластификации и качество ее. Возрастает производительность смесителя. Смесь выгружается через низ рабочей камеры, днище которой состоит из двух створок, открывающихся при помощи гидропривода. Рабочий объем смесителей 72, 250 и 600 дм³.

Шнековые смесители. Представляют собой корпус, в котором размещены два вала с насаженными на них кулачками. Кулачки обоих роторов по длине имеют различную форму двоякой кривизны или треугольную с выгнутыми наружу поверхностями. Корпус имеет паровую рубашку, штуцера для подачи компонентов. Роторы вращаются синхронно в одну сторону; вращение передается от электродвигателя и редуктора через систему шестерен. Мощность привода смесителя СН-800 – 180 кВт при числе оборотов n=80 мин^-1. Производительность смесителя – от 1,5до 2,0 т/ч. Работают по принципу непрерывного процесса.

Недостатки:

1) высокая стоимость;

2) небольшая загрузка перемешиваемой массы;

3) способность возвращать массу с последующих участков на предыдущие;

4) большая масса смесителя.

Смесительные вальцы. Используется для приготовления резиновых смесей и пластмасс. По эффективности уступают другим конструкциям смесителей, но вследствие простоты конструкции, обслуживания и низкой стоимости имеют широкое применение. Конструктивно представляют собой два массивных полых вала, установленных на станине. Один валок смонтирован в неподвижных корпусах подшипников, другой в подвижных (могут вручную либо механическим путем перемещаться по станине в направлении перпендикулярном оси валка для регулирования зазора между валками). По центру оси валков (во внутренней полости) устанавливается труба для подачи (при необходимости) воды для охлаждения или пара для обогрева.

1 – плита станины; 2 – станина; 3 – ограничивающая стрела; 4 – траверса; 5 – привод механизма перемещения переднего валка; 6 – валки; 7 – поддон

Рисунок 14 – Схема смесительных вальцов (поперечный разрез)

Валки приводятся во вращение от одного привода через редуктор и шестереночную пару. Валок, расположенный в неподвижных подшипниках, вращается с большей скоростью, нежели валок, расположенный в подвижных подшипниках. Различие в скорости вращения валков определяется коэффициентом фрикции – отношением большей скорости вращения к меньшей. Значение коэффициента фрикции – от 1,05 до 1,25.

Вальцы могут работать как по периодическому, так и непрерывному принципу действия.

Периодический процесс работы: на предварительно нагретые валки загружаются исходные компоненты раздельно в определенной последовательности и соотношении. Загруженный материал затягивается в зазор между валками, подвергаясь при этом сжатию и пластификации, возникающей из-за разной скорости вращения валков.

1 – валок несущий; 2 – валок смешивающий; 3 – масса в запасе; 4 – масса на несущем валке

Рисунок 15 – Смесительные вальцы периодического действия

В первые моменты обработки материал не имеет достаточной пластичности, а на выходе из зазора между валками стремится принять первоначальную форму или разрывается на куски. Эти куски падают на поддон вальцов или транспортер и возвращаются обратно на вальцы.

Под действием нагрева от вальцов и механического сжатия материал нагревается, когезионные силы ослабевают, адгезия возрастает и он начинает налипать на валки, а затем преимущественно к более нагретому и быстро вращающемуся несущему валку. На нем впоследствии он и формируется в виде пластины, толщина которой зависит от величины зазора между валками. Загружаемый материал должен полностью покрыть весь несущий валок, а в зазоре должно остаться некоторое количества массы, которая размещается над зазором в виде валика, вращающегося при работе валков в ту же сторону, что и несущий валок.

Эффективность смешения зависит от запаса массы на валках (смотри рисунок 16).

а – малый объем запаса массы; б – средний объем запаса массы; в – большой объем запаса массы

Рисунок 16 – Кинетика движения отдельных слоев массы при работе смесительных вальцов

При малом ее запасе очень небольшое количество подвергается пластификации (только запас); при чрезмерном запасе внутренние слои ее не перемешиваются – «мертвый запас». И только при умеренном запасе наблюдается интенсивная пластификация. В этом случае верхние слои массы на несущем валке при подходе к запасу теряют скорость и меняют направление. Происходит активный сдвиг между отдельными слоями при одновременном активном перемешивании за счет различных скоростей движения отдельных слоев массы. При подходе к зазору между валками оба этих слоя захватываются валками и втягиваются в зазор. При этом происходит пластификация и интенсивное смешение, т.к. ранее контактировавшие слои подходят к зазору в разное время.

Непрерывный процесс вальцевания массы осуществляют путем загрузки грубой смеси исходных компонентов на один конец валков и снятия такого же количества смеси с противоположного. Поскольку в месте подачи смеси компонентов диаметр валика запаса максимальный, то при его вращении он стремится выровняться, за счет чего наблюдается перемещение массы в сторону меньшего диаметра запаса (к разгрузочному концу).

Смешение массы происходит, таким образом, как за счет смещения ее слоев в радиальном направлении, так и в осевом, т.е. масса перемещается по винтовой линии. При недостаточной степени перемешивания срезаемую массу передают на другие вальцы.

1 – несущий валок вальцов; 2 – холостой ход вальцов; 3 – вход массы; 4 – смешиваемая масса; 5 – ограничивающая среда; 6 – выход массы

Рисунок 17 – Смесительные вальцы непрерывного действия

Роторно-эксцентриковые смесители (РЭС). Эти смесители просты в изготовлении, менее металлоемки, дешевы. Могут работать по периодическому и непрерывному циклам. Производительность их высока, т.к. рабочим пространством у РЭС является вся рабочая загрузка смесителя, в то время как у вальцов рабочий объем – только запас между валками.

РЭС конструктивно представляет собой корпус цилиндрической формы при однороторном типе или сдвоенную цилиндрическую форму при двухроторном исполнении.

1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – люк для загрузки компонентов; 4 – люк для выгрузки готовой смеси; 5 – корпус ротора; 6 – вал ротора; 7 – кулачки ротора

Рисунок 18 – Однороторный роторно-эксцентриковый смеситель

Однороторный смеситель состоит из корпуса и крышки, соединенных при помощи фланцев. Внутри корпуса размещен ротор, состоящий из полого вала, на котором эксцентрически размещены цилиндрические кулачки. На последней модификации на валу установлено 18 полых кулачков диаметром 450 мм, шириной 100 мм и эксцентриситетом 25 мм. Кулачки устанавливаются на валу таким образом, чтобы угол между их максимальными радиусами был равен 120 градусам; их поверхность образует винтовую линию. Расстояние между гребнем зубцов корпуса и максимальным радиусом кулачка от 5 до 10 мм.

Корпус внутри имеет зубчатую поверхность; зубцы располагаются вдоль корпуса. Угол зубцов при вершине 90 °. Одна из плоскостей зубца и касательная к максимальному радиусу кулачка образует угол 30 °, а другая плоскость – 60 °. Ротор вращается в таком направлении, чтобы масса надвигалась на меньший угол. Корпус сварен из уголков, снаружи к которым привариваются такие же уголки. В образующиеся полости подается пар или горячая вода. Крышка разделена по длине на шесть отсеков; в крайних отсеках расположены загрузочный и разгрузочный люки. Ротор вращается со скоростью от 30 до 50 мин^-1.

Работа смесителя протекает следующим образом. Компоненты загружают в загрузочный люк. Попадая в зазор между кулачками и зубцами, материал при вращении ротора сжимается. Одни слои его сжимаются относительно других и материал подвергается активной пластификации. Масса также выдавливается и в боковом направлении относительно плоскости кулачка. Наблюдается перемещение массы в осевом направлении. При непрерывном процессе масса выгружается в противоположном загрузочному конце смесителя; при периодическом она возвращается в начало смесителя по пространству, огороженному специальными заслонками.

Недостатком однороторного смесителя является то, что при загрузке крупных кусков компонентов может возникнуть заклинивание ротора. Поэтому загрузка смесителя осуществляется постепенно, что снижает его производительность. Этого недостатка лишен двухроторный смеситель с рабочим объёмом 60 дм³ (смотри рисунок 19).

Червячные машины. Могут заменить вальцы, смесители и даже каландры. Являются агрегатами непрерывного действия. Представляют собой цилиндрический корпус, в котором вращается вал (червяк). Материал загружается в загрузочное отверстие, разрезается, перемешивается и перемещается червяком к выходному отверстию, в котором отдельные частицы смеси спрессовываются и выдавливаются через отверстие мундштука в виде жгутов, труб, пластин в зависимости от необходимости.

Качество готовой смеси оценивается по её однородности, критериями которой являются величина дисперсии, среднеквадратичное отклонение, коэффициент однородности, показатель вариации. Последний должен отвечать нормативам и не превышать 4 % для хорошо перемешанных смесей.

1– загрузочный патрубок; 2 – разгрузочный патрубок; 3 – привод ротора; 4 – полумуфта привода; 5 – корпус; 6 – вал ротора; 7 – станина; 8 – кулачкиэксцентрики

Рисунок 19 – Двухроторный роторно-эксцентриковый смеситель