Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 691.58

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступенякандидата технічних наук

МОДИФІКОВАНІ БІТУМНІ ЕМУЛЬСІЙНІ ПАСТИ І МАСТИКИ ДЛЯ УЛАШТУВАННЯ ГІДРОІЗОЛЯЦІЇ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

Коннов Микола

Сергійович

Макіївка - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький державний технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій;

кандидат технічних наук Попов Сергій Володимирович, Дочірнє підприємство «Науково-дослідний інститут «Донецький ПромбудНДІпроект Української державної будівельної корпорації «Укрбуд», завідувач відділу будівельних матеріалів, виробів і конструкцій.

Захист дисертації відбудеться «17» вересня 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий « 10» серпня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Назім Я.В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гідроізоляція є, як правило, прихованим конструктивним елементом (за винятком гідроізоляції покрівель), ремонт якої дуже складний, а при її відновленні витрати в 2-3 рази перевищують первинні. З великого різноманіття гідроізоляційних матеріалів - асфальтових, полімерних і мінеральних - найбільш універсальними для улаштування захисних покриттів підземних конструкцій і покрівель є мастичні: гарячі бітумні і бітумногумові, холодні на основі розріджуваних бітумів, бітумнолатексні та ін. Як показано у роботах Попченко С.Н., Трегуба В.Д., Лазько О.Д., Рєзниченко А.Д., Патуроєва В.В., Глєбова В.Д. й ін. вчених, за умови забезпечення зниженої енергоємності виробництва і улаштування гідроізоляційного шару, екологічної безпеки, охорони і продуктивності праці, індустріальності улаштування гідроізоляційних шарів і економічності перевагу слід надавати бітумноемульсійним пастам і мастикам.

На цей час у країнах СНД виконано більш 10 млн. м2 безрулонних покрівель із холодних асфальтових мастик. У результаті обстежень, проведених спеціалізованими організаціями, встановлено, що вони недостатньо тріщиностійкі і в більшості випадків розтріскуються після 1-2 років експлуатації. Це обумовлено тим, що традиційні будівельні, покрівельні і дорожні нафтові бітуми, що складають основу матриці бітумноемульсійних паст і мастик, не забезпечують такі важливі експлуатаційні характеристики покрівельних і гідроізоляційних шарів, що сформовані на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій, як тріщиностійкість (не вище мінус 40єС при розкритті тріщин 0,3 мм) і міцність зчеплення з апретованою поверхнею (0,2-0,3 МПа). Найбільш ефективним способом роз-ширення інтервалу пластичності композиційних матеріалів на основі бітуму, є модифікація останнього комплексною добавкою, що включає бутадієнметилстирольний каучук і технічну сірку, а як емульгатор доцільно використовувати комбінований твердий емульгатор, а саме комплекс, що представлений гідратованим вапном і хризотиловим азбестом, які забезпечують агрегативну і седиментаційну стійкість модифікованих бітумноемульсійних паст і мастик.

У той же час для таких систем не вивченими є параметри технологічних режимів виробництва бітумнополімерсіркових емульсійних паст і мастик; не оптимізовані склади мастики; не досліджені деформаційно - міцнісні характеристики, атмосферостійкість і фізичні властивості гідроізоляційного шару штукатурки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані відповідно до державної науково-дослідної роботи на замовлення Міністерства освіти і науки України «Розробка наукових, технічних і технологічних основ створення бетонних і залізобетонних конструкцій, будівельних виробів з високими фізико - механічними властивостями» (2006 - 2008 рр., № 0106U002949) та «Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 р.» у межах науково-технічного проекту «Ресурсозберігаючі технології переробки мінеральних відходів промисловості Донбасу в ефективні будівельні матеріали та вироби» (здобувач виконав експериментальні дослідження: проектування складів модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик; вивчив технологічні властивості їх; деформаційно - міцнісні характеристики і властивості гідроізоляційних покриттів).

Метою дослідження є розробка складу та технології виробництва енергоекономічних модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик для улаштування довговічних гідроізоляційних покриттів на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій на основі встановлення закономірностей формування структури і властивостей бітумнополімерсіркових емульсійних мастик.

Задачі дослідження:

- сформулювати теоретичні положення про закономірності формування довговічного антифільтраційного штукатурного покриття на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій на основі бітумнополімерсіркової емульсійної мастики оптимального складу;

- визначити параметри технологічних режимів виробництва бітумнополімерсіркової емульсійної пасти;

- оптимізувати склад модифікованих бітумних емульсійних мастик;

- визначити деформаційно - міцнісні і фізичні властивості гідроізоляційного покриття;

– виконати дослідно-виробничу апробацію модифікованих бітумних емульсійних мастик в будівництві і використати в навчальному процесі при підготовці фахівців з напряму 0921 «Будівництво»; розробити «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик»; виконати економічне обґрунтування доцільності використання модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик для улаштування антифільтраційної гідроізоляції на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій.

Об'єкт дослідження - модифіковані бітумні емульсійні пасти і мастики, що вміщують бітумнополімерсіркове в'яжуче і комбінований твердий емульгатор (гідратоване вапно і хризотил-азбест), в мастиці наповнювач - мелений відвальний мартенівський шлак.

Предмет дослідження - процеси і явища, які визначають закономірності формування структури бітумнополімерсіркових емульсійних мастик, міцнісних і деформаційних характеристик антифільтраційних гідроізоляційних покриттів.

Методи досліджень. Теоретичні положення сформульовані на основі положень фізичної і колоїдної хімії. Експериментальні дослідження виконані з використанням стандартних і спеціальних методів. Технічні властивості і процеси структуроутворення гідроізоляційного покриття вивчались з використанням диференціальної сканувальної калориметрії, термогравіметрії, рН-метрії, електронної сканувальної мікроскопії, ІЧ-спектроскопії. Для опрацювання і аналізу результатів експериментальних даних використані методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- сформульовані теоретичні положення про закономірності формування структури довговічного антифільтраційного асфальтового штукатурного покриття на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій з використанням бітумнополімерсіркової емульсійної мастики оптимального складу;

- визначені параметри оптимальних режимів емульгування бітумнополімерсіркової емульсійної пасти;

– встановлені оптимальні концентраційні співвідношення в системі «бітумнополімерсіркова емульсійна паста - мелений мартенівський шлак - вода»;

– вивчені фізичні, механічні і експлуатаційні властивості затверділої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик»;

– модифіковані бітумні емульсійні пасти і мастики для улаштування гідроізоляції залізобетонних конструкцій впроваджені в ТОВ «Донбасрембуд»;

– результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів з напряму 0921 «Будівництво» в курсі лекцій і лабораторних робіт з дисциплін «Будівельне матеріалознавство» і «Тех-нологія будівельного виробництва».

Особистий внесок здобувача:

– сформульовані теоретичні передумови про закономірності формування довговічного покриття на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій з бітумнополімерсіркової емульсійної мастики оптимального складу;

– досліджено параметри режимів емульгування бітумнополімерсіркової емульсійної пасти;

– визначені оптимальні концентраційні співвідношення компонентів в бітумнополімерсірковій емульсійній мастиці;

– розроблені «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик».

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладені на національних і міжнародних конференціях: «Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних матеріалів і конструкцій» (Одеса, ОДАБА, 2008 р., 2009 р.); Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Будівлі і споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів» (м. Макіївка, ДонНАБА, 2008 р., 2009 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 статей у наукових фахових виданнях, що включені до переліку ВАК України (три статті одноосібно).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел зі 172 найменувань на 18 сторінках і трьох додатків на 9 сторінках. Містить 116 сторінок основного тексту, 22 рисунки та 15 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення та галузі реалізації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання щодо уявлень про склад, структуру і властивості бітумних емульсійних паст і мастик, а саме: «Умови експлуатації і вимоги, що пред'являються до мастичних покриттів і матеріалів в покрівлях і підземних конструкціях цивільних і промислових будівлях»; «Взаємозв'язок складу, структури і властивостей бітумноемульсійних паст і мастик, технологія виробництва»; «Сучасні способи модифікації бітумних емульсійних паст і мастик з метою підвищення довговічності і економічності гідроізоляційних покриттів».

Виконано аналіз нормативних документів, в яких сформульовані вимоги до бітумних емульсійних паст і мастик, що використовуються для улаштування антифільтраційних шарів бетонних і залізобетонних конструкцій. Показано, що чим вище адгезія мастики до ізольованої поверхні і міцність при розтягу гідроізоляційного матеріалу покриття, тим вище тріщиностійкість гідроізоляційного шару:

А > уу < ур,

де: А - адгезія гідроізоляційного матеріалу до поверхні бетонної конструкції, МПа; уу -напруження від усадки в покритті, МПа; ур - межа міцності при розтягу матеріалу покриття, МПа.

Розглянуті дві концепції при оцінці деформативності покрівлі: еластична або міцна покрівля, а також критерії водостійкості і термостабільності гідроізоляційних шарів з використанням органічних в'яжучих. Сформульовані основні напрями розвитку технологій гідроізоляційних матеріалів. Наведені типові склади бітумноемульсійних паст і мастик, технологічне устаткування для виробництва паст і мастик, параметри технологічних режимів.

Аналіз світового досвіду показує, що для підвищення якості антифільтраційних бітумноемульсійних паст і мастик, покрівельні, будівельні і дорожні бітуми, що складають матрицю паст і мастик, доцільно модифікувати комплексною добавкою, яка вміщує бутадієнметилстирольний каучук і технічну сірку. Як емульгатор необхідно використовувати комплекс, що представлений гідратованим вапном і хризотиловим азбестом, а у мастиці тонкодисперсний наповнювач - мелений відвальний мартенівський шлак, що характеризується гідравлічною активністю і питомою поверхнею 350-400 м2/кг.

Встановлено, що для бітумнополімерсіркових емульсійних паст і мастик не вивченими є параметри технологічних режимів виробництва паст, не визначена оптимальна концентрація меленого відвального мартенівського шлаку у мастиці, не вивчені фізичні, механічні і експлуатаційні властивості затверділої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики.

У другому розділі сформульовано теоретичні передумови досліджень, що полягають у наступному.

При приготуванні бітумнополімерсіркових емульсійних паст і мастик у результаті розчинення бутадієнметилстирольного каучуку до надмолекулярного рівня і технічної сірки до молекулярного і колоїдного рівня у модифікованому бітумі формується комбінована просторова спряжена сітка, вузлами якої є асфальтени, хімічно зв'язана сірка, кристали сірки і колоїдно-диспергована сірка. Комбінований твердоподібний емульгатор у пасті буде сорбуватися гідрофобними ділянками поверхонь до крапель бітумнополімерсіркової в'яжучої речовини і формувати структурно-механічний бар'єр агрегативної стабілізації паст і мастик, а розпушений хризотил-азбест забезпечить седиментаційну стійкість паст і мастик при зберіганні і транспортуванні їх до місця улаштування гідроізоляційного покриття. До того ж використання пачок хризотил-азбесту забезпечить дисперсне армування гідроізоляційного штукатурного покриття в результаті об'ємно-просторової орієнтації. Введення в бітумноемульсійну пасту меленого мартенівського шлаку дозволяє в результаті взаємодії кислих оксидів, що входять до його складу, створити з гідратованим вапном такі кристалогідрати як тоберморит, риверсайдит, гіроліт, гідрогранат та ін., що дозволить сформувати в гідроізоляційному шарі конденсаційно - кристалізаційні структури.

Структуроутворення з водних дисперсій олігомера на гідроізоляційній поверхні може розглядатися як процес ліквідації міжфазної границі «олігомер (модифікований бітум) - дисперсійне середовище» на поверхні підложки при одночасному видаленні дисперсійного середовища. Це явище супроводжується зменшенням вільної енергії ?G (?Gпов > 0). Плівкоутворення пов'язане із золь-гель-переходом (астабілізацією ліофобної мастики) і наступним стиском (контракцією) утвореного проміжного гелю до стану монолітної плівки (адгезованого шару мастики). Астабілізація досягається за рахунок концентрування дисперсії (випаровування води).

При формуванні покриттів з бітумнополімерсіркової емульсійної мастики за допомогою випаровування води можна виділити три стадії (рис. 1). Перша стадія - стадія утворення проміжного гелю - характеризується зближенням частинок і посиленням взаємодії між ними. В'язкість мастики в адгезованому шарі різко підвищується, він стає пастоподібним; вміст рідкої фази не перевищує 30%. Швидкість випаровування води на цій стадії приблизно постійна й близька до швидкості випаровування її з вільної поверхні.

Рис. 1. Втрата води m, зміна об'єму V і поверхневої енергії ДG при формуванні структури адгезованого антифільтраційного штукатурного покриття на основі бітумнополімерсіркової емульсійної мастики з часом (ф).

Швидкість випаровування W при цьому може бути обчислена за рівнянням Лангмюра - Кнудсена:



де: m - маса води, що випаровується, кг; ф - час випаровування, с; Ро - парціальний тиск насиченого пару над розчином, Па; М - молекулярна маса; Т - температура, К; R - універсальна газова постійна, Дж/(кг•К); е - постійна, е<1.

Друга стадія - синерезис (стиск) проміжного гелю. Відбувається подальше видалення води із плівки й руйнування на поверхні глобул адсорбційно-гідратних оболонок. Коагуляційні контакти між краплями бітуму заміняються на конденсаційні. Частинки деформуються: втрачають кулясту форму і набувають вигляду щільно покладених багатогранників (рис. 2).

Рис. 2. Схема структурних перетворень бітумнополімерсіркової емульсійної мастики на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій при фізико-хімічному отвердінні.

Третю стадію становлять як аутогезійні процеси між крапельками модифікованого бітуму, так і процеси гідратації мінералів порошкоподібного мартенівського шлаку. Злиття глобул бітуму при формуванні адгезованого шару гідроізоляційної штукатурки відбувається під впливом багатьох діючих сил: капілярного тиску рідини, поверхневого натягу на границі «бітумнополімерсіркова речовина - вода», міжмолекулярної взаємодії, сил ваги частинок.

Затверділа бітумнополімерсіркова емульсійна мастика формує на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій пластично-еластичне, щільне покриття, міцне і водонепроникне. Це забезпечить отримання ресурсозберігаючих і довговічних гідроізоляційних покриттів на основі модифікованих бітумних емульсійних мастик.

У третьому розділі наведено характеристики об'єктів та методик досліджень.

За матеріали досліджень прийняті: бітум нафтовий дорожній БНД 40/60 (ДСТУ 4044-2001); модифікатори нафтового дорожнього бітуму: каучук синтетичний бутадієнметилстирольний СКМС-30 АР-КІ-15 (ГОСТ 11138-75) і технічна сірка (ГОСТ 127.3-93 із зміною 1); як розчинник СКМС-30 використовували бензин неетилований, що відповідає вимогам ГОСТ 2084; вапно гашене (ДСТУ Б В. 2.7-90-99); хризотиловий азбест 7-го сорту (ГОСТ 12871-93);

мелений відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку з питомою поверхнею СаО = 45,43-47,72; SiO2 = 22,15-24,07; Fe = 0,53-1,10; FeO = 0,42-0,81; Fe2O3 = 0,31-0,72; MnO = 11,14-13,48; Al2O3 = 6,05-7,12; MgO = 8,72-9,51; P2O5 = 0,77-1,07.

Крім стандартних, прийняті спеціальні методи досліджень: оптична мікроскопія (мікроскоп Dino-lite PRO (марка АМ-41375, збільшення у 500 разів); електронносканувальна мікроскопія (растровий електронний мікроскоп ІСІ-60 англійської фірми «ЮНІ-ЕКСПЕРТ»); термогравіметрія (дериватограф Q-1500 системи Paulyc-Paulyc); диференційно - сканувальна калориметрія (використано ДСК моделі 912 у складі термоаналітичного комплексу Du Pont 9900).

Для одержання достовірних експериментальних даних результати дослідів опрацьовані методами математичної статистики.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень.

При механічному способі емульгування в диспергаторі бітумнополімерсіркової в'яжучої речовини при температурі в'яжучого 160-170єС в емульгаторі (водна суспензія комбінованого емульгатора - гідратоване вапно + хризотиловий азбест з температурою 80-90єС) під дією механічних зусиль (удару, сколювання, розтягу, тертя) краплі модифікованого органічного в'яжучого розтягуються у нитки, що приймають форми циліндра, і коли висота його стає рівною 3,14 діаметра окружності його перерізу, перпендикулярного до осі, він стає нестійким і розривається на частинки. Отримані крупні краплі модифікованого бітуму подальше розтягуються у нитки нестійкої форми і розпадаються на більш дрібні краплі, що супроводжується підвищенням поверхневої енергії.

Характерно, що роль технічної сірки у бітумнополімерсірковому в'яжучому полягає не тільки у високій структуруючій здатності комплексного органічного в'яжучого, але і в тому, що технічна сірка виступає як розріджувач модифікованої в'яжучої речовини. При температурах 108,65 - 114,75єС відбувається плавлення технічної сірки (ендоефект на залежності W = f (T) (W - тепловий ефект, T - температура). Відбувається полімеризація циклоактасульфану у зигзагоподібні бірадикальні ланцюги. При цьому виникають більш стійкі молекули сірки (S2, S3, S4), що характеризуються високою реакційною здатністю, обумовленою існуванням їх у вигляді бірадикалів або диполів. Інфрачервоні спектри показують, що введення у бітумнополімерсіркове в'яжуче технічної сірки приводить до суттєвого зниження смуг поглинання нафтового дорожнього бітуму (СН2 - груп бокових ланцюгів, СН3 - групи, С=О - груп, V = 1700 см-1 і ін.). Це свідчить про те, що частина технічної сірки бере участь у вулканізації бутадієнметилстирольного каучуку, частина сірки, а саме бірадикали сірки до 10% вступають у хімічну реакцію з бітумом з утворенням зв'язків сірка-вуглеводні. Виникають полімерні ароматичні сполуки меркаптани, сульфіди і полісульфіди.

Збільшення числа обертів змішувача-диспергатора, починаючи з 140 об/хв., приводить до стабілізації дисперсності бітумнополімерсіркової емульсійної пасти (рис. 3).



Рис.3. Залежність дисперсності Д (залишок на ситі з розміром отворів 1 мм) від числа обертів вала змішувача N.

Таким чином, число обертів вала змішувача (диспергатора) повинно бути не менш 140 об/хв. У роботі число обертів вала змішувача при виробництві бітумнополімерсіркової емульсійної пасти прийнято 150 об/хв.

При вивченні однорідності бітумнополімерсіркової емульсійної пасти, що характеризує агрегативну стійкість, встановлено, що бітумнополімерсіркова паста протягом шести місяців частково коагулює. В той же час дисперсність пасти залишається у межах допустимих нормативних значень.

Бітумнополімерсіркова емульсійна паста є мікрогетерогенною грубо-дисперсною системою з широким діапазоном частинок дисперсної фази, з середнім діаметром 20,4 мкм (рис. 4, 5).

Рис.4. Гістограма і диференціальна крива розподілення частинок в бітумнополімерсірковій емульсійній пасті (d - діаметр частинок; m - масовий вміст частинок даного розміру дисперсної фази у пасті).

Дисперсність паст визначали мікроскопічним методом з опрацюванням мікрофотографій за ГОСТ 22023 «Матеріали будівельні. Метод мікроскопічного кількісного аналізу структури».

Рис. 5. Фрагменти структури бітумнополімерсіркової пасти, що отримані на мікроскопі Dino-lіte PRO (марка АМ-41375, збільшення у 500 разів).

При оптимізації концентрації наповнювача, меленого відвального мартенівського шлаку в бітумнополімерсірковій емульсійній пасті складу: бітумнополімерсіркове в'яжуче 50 м.ч. (бітум нафтовий дорожній БНД 40/60 - 100м.ч., модифікований 2 м.ч. СКМС-30 і технічної сірки - 40 м.ч. від маси бітуму); вапно гашене 16%; хризотил-азбест 7го сорту - 8%; вода 26% до консистенції, що характеризується глибиною занурення конуса БудЦНДЛ 12-14 см, у пасту вводили 5, 10, 15, 20% від маси пасти меленого мартенівського шлаку і кожний раз добавляли таку кількість води понад 100%, яка забезпечує рухомість за глибиною занурення конуса БудЦНДЛ 12-14 см.

На цементно-піщану пластину (бетон марки 200) у 4 шари по праймеру (бітумнополімерсіркова емульсійна паста, що розріджена водою 1:5) після 12 годин наливу наносили шар мастики товщиною 3-4 мм. Після формування структури поверхневого шару при температурі 20±2єС у повітряно-сухих умовах нарізали зразки-куби з ребром 1,2-1,6 см, а також зразки-лопатки за ГОСТ 26589. Зразки-куби використовували для визначення межі міцності при стиску при 20єС, а зразки-лопатки - умовної міцності і відносного подовження за ГОСТ 26589 (у віці 28 діб).

Як свідчать дані, що наведені на рис. 6, при концентрації меленого відвального мартенівського шлаку в модифікованій емульсійній мастиці більше 16% різко знижується відносне подовження.

Рис.6. Залежність межі міцності при стиску при 20 єС (R20, крива 1) і відносного подовження (е, крива 2) у віці 28 діб стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики від масової концентрації меленого мартенівського шлаку Смш.

Таблиця 1 В'яжучі властивості меленого відвального мартенівського шлаку

Показники якості шлакового каменю, активованого вапном	Термін гідратації
	діб	років
	1	28	60	90	180	1	2
Межа міцності при стиску, МПа	0,5	2,8	4,3	5,8	5,5	14,4	14,7
Коефіцієнт лінійної деформації, %	0,32	1,88	1,65	2,14	1,68	2,29	1,98
Загальна втрата маси, %	7,58	9,29	9,16	9,66	8,97	10,73	10,98
Вміст зв'язаної води, %	5,38	6,82	6,20	6,74	5,36	6,31	5,84
Вміст СО2, %	2,21	2,48	2,86	2,93	3,60	4,42	5,18
рН	13,03	12,64	12,88	11,87	12,16	10,03	10,26

Це обумовлено тим, що в стабілізованій модифікованій бітумній емульсійній мастиці зростає кількість кристалізаційних контактів, обумовлених утворенням кристалогідратів у результаті гідратації і гідролізу активованих вапном гідравлічно активних мінералів шлаку (табл. 1, рис. 7).



Рис. 7. Електронномікроскопічні фотографії (х 2000) розлому затверділої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики в віці:

а - 28 діб; б - 2 роки (ділянки друз карбонізованого вапняку).

Встановлено, що число пружніх контактів у стабілізованій модифікованій бітумній емульсійній мастиці складає nу = 0,42. Таким чином, у стабілізованій бітунополімерсірковій емульсійній мастиці формується комбінована коагуляційно-гелево-кристалізаційна структура (nу = 0,4-0,6) і відбувається зміцнення її за рахунок кристалогідратів 5СаО·6SiO2·H2O, 5СаО·6SiO2·3H2O, 2СаО·3SiO2·2,5H2O, 3СаО·Al2O3·1,5SiO2·3H2O, хемосорбційних мікрозв'язків на межі поділу фаз «емульговане бітумнополімерсіркове в'яжуче - частинки меленого відвального мартенівського шлаку, активованого вапном» (утворюються водонерозчинні кальцієві мила), структурування плівкого органічного в'яжучого гідратними новоутвореннями шлаку.

Наявність адсорбційно-сольватних шарів води на поверхні частинок меленого відсіву подрібнення мартенівського шлаку забезпечує бітумнополімерсірковій мастиці рухомість. Повільні терміни гідратації тонкодисперсних частинок шлаку дозволяють транспортувати такі мастики на значні відстані, тиксотропність адсорбційно - сольватних шарів забезпечує нормативну щільність свіжоукладеної мастики на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій.

В бітумнополімерсірковій емульсійній мастиці в стабілізованому стані на поверхні апретованих бетонних і залізобетонних конструкцій зі зростанням концентрації наповнювача з гідравлічною активністю змінюється відношення мінерального наповнювача (частинок гашеного вапна, хризотил-азбесту, меленого шлаку) до органічного в'яжучого (ов, бітумнополімерсіркове в'яжуче) при 5% концентрації мартенівського шлаку (МШ) МП:ОВ-0,58; при 10% МШ - 0,68; при 15% МШ-0,78; при 20% МШ-0,88. Враховуючи те, що у складі бітумнополімерсіркового в'яжучого міститься технічна сірка, частка якої перебуває у колоїдному стані і яка викристалізовується у часі, то в цьому випадку змінюється відношення між мінеральною і органічною складовими наступним чином: при 5% концентрації МШ-МП: ОВ = 0,81; при 10% МШ-0,91; при 15% МШ-1,01; при 20% МШ-1,11. Орієнтовні розрахунки свідчать про те, що при 20% концентрації наповнювача у бітумнополімерсірковій емульсійній мастиці різко змінюється співвідношення між коагуляційними контактами і гелево-кристалізаційними контактами, що приводить до різкого зниження відносного подовження стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики (рис. 6). штукатурний бетонний емульсійний мастика

Виходячи із концепції еластичної покрівлі, згідно з якою деформації основи покрівлі (температурні, усадочні та ін.) компенсуються еластичністю гідроізоляційного шару, що мають повне адгезійне зчеплення з основою і повинні мати відносне подовження не менше 150%, в роботі прийнято концентрацію меленого мартенівського шлаку в мастиці в межах 14-16% за масою. До того ж у часі продовжується процес гідратації і гідролізу гідравлічно-активних мінералів частинок мартенівського шлаку, зростає кількість кристалізаційних і гелевих ділянок внаслідок дисперсності кристалогідратних новоутворень, що призводить до зростання поверхні поділу фаз і посиленню жорсткості бітумнополімерсіркових емульсійних мастик у стабілізованому стані у разі збільшення концентрації наповнювача більше 16% за масою (рис. 6, 7).

Властивості стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики наведено у табл. 2.

Таблиця 2 Фізико-механічні властивості стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики

№ з/п	Показник	Одиниця виміру	Значення
1	Щільність	кг/м3	1248
2	Водопоглинання за масою протягом 24 годин	%	2,82
3	Набухання, % за об'ємом	%	0,76
4	Умовна міцність	МПа	0,43
5	Відносне подовження при розриві	%	175
6	Межа міцності при стиску	МПа	1,35
7	Гнучкість на брусі з закругленим радіусом 5,0±0,2 мм при -150С	-	витримує
8	Теплостійкість протягом 5 годин під кутом 900, при температурі	0С	115
9	Водопроникненість протягом 72 годин при тиску 0,001 МПа	-	витримує
10	Максимальний тиск водопроник-нення	МПа	>1,0
11	Адгезія до бетону	МПа	0,4

Показники якості, які характеризують поведінку затверділої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики на поверхні бетонних конструкцій пропонованого складу значно перевищують регламентовані показники, що наведені у ДСТУ Б В.2.7-108.2001.

Бітумнополімерсіркові емульсійні мастики атмосферостійкі. Так, коефіцієнт теплового старіння (тепловий прогрів виконано при температурі 75°С і ультрофіолетовому опроміненні в кліматичній камері ШП-1) після 1200 годин складає Кст=1,2, що свідчить про термічну стабільність покрівлі протягом 12 років в натурних умовах. Значення коефіцієнта довготривалої водостійкості після 90 діб водонасичення після вакуумування Квд=0,83 свідчить про те, що стабілізована бітумнополімерсіркова емульсійна мастика забезпечить антифільтраційну гідроізоляцію залізобетонних конструкцій. Коефіцієнт морозостійкості затверділої бітумнополімерсіркової мастики після 100 циклів поперемінного заморожування-відтавання становить F=0,75.

П'ятий розділ присвячено практичній реалізації результатів досліджень. Для ТОВ «Донбасрембуд» розроблені «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик». Для улаштування гідроізоляції конструкцій фундаментів об'єктів, що побудовані ТОВ «Донбасрембуд», а саме: складу обладнання, парокотельні та оздоровчого корпусу СТО автомобілів (350 м2) і покрівель трансформаторної підстанції 35/6 кВ у м. Донецьку (644 м2) та бісквітного цеху №1 Горлівської кондитерської фабрики (470 м2)- використано бітумнополімерсіркову емульсійну мастику. Зниження собівартості виробництва 1 т модифікованої бітумної емульсійної мастики з урахуванням економії бітуму і подовження термінів експлуатації гідроізоляційних покриттів складає 916,7 гривен. Результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі у Донбаській національній академії будівництва і архітектури при підготовці бакалаврів з напряму 0921 «Будівництво» при викладанні дисциплін «Будівельне матеріалознавство» і «Технологія будівельного виробництва».

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано і експериментально визначено склади та розроблено технологію виробництва модифікованих бітумноемульсійних паст, що вміщують бітумнополімерсіркове в'яжуче 48-52% (бітум БНД 40/60 - 100 м.ч., бутадієнметилстирольний каучук СКМС-30 - 2 м.ч. і технічна сірка - 40 м.ч. понад 100 м.ч. бітуму); вапно гашене - 15-17%; хризотил-азбест 7го сорту - 7-9%; вода 25-27% і бітумнополімерсіркової емульсійної мастики складу: бітумнополімерсіркова емульсійна паста 84-86%, мелений відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку з питомою поверхнею S1,2 = 350-400 м2/кг 14-16%, вода замішування понад 100% для забезпечення рухомості, що характеризується глибиною занурення конуса БудЦНДЛ 12-14 см.

2. Встановлено, що для забезпечення оптимальних параметрів технологічного процесу виробництва бітумнополімерсіркової емульсійної пасти: температура суспензії з комбінованим емульгатором (вапно гашене + хризотил-азбест) - 80-90єС, температура бітумнополімерсіркового в'яжучого - 160-170єС і швидкості вала змішувача (диспергатора) більше 140 об/хв. у часі утворюється грубодисперсна мікрогетерогенна система з широким діапазоном частинок дисперсної фази в діаметрі від 0,01 мкм до 50 мкм з середнім діаметром частинок дисперсної фази бітумнополімерсіркової емульсійної пасти - 20,4 мкм.

3. З використанням методів диференціального термічного аналізу, рН-метрії, електронної сканувальної мікроскопії і визначення деформаційно - міцнісних характеристик затверділої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики встановлено оптимальну концентрацію у бітумнополімерсірковій емульсійній мастиці наповнювача - меленого відвального мартенівського шлаку (14-16%), при якій у стабілізованій мастиці у часі утворюється комбінована мікроструктура, що представлена взаємопроникними коагуляційними (контакти через прошарки бітумнополімерсіркового в'яжучого) і конденсаційно - кристалізаційними контактами (контакти прямого зрощування кристалів гідратованих мінералів шлаку). Коагуляційна еластична мікроструктура забезпечує релаксацію внутрішніх напружень, що виникають при механічних навантаженнях і при низькотемпературних діях, а конденсаційно - кристалізаційна визначає міцність антифільтраційного шару на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій.

4. Визначені фізичні, механічні і деформаційні характеристики стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики оптимальних складів і встановлено, що за низкою властивостей вони перевищують показники якості бітумноемульсійних мастик, які наведені у ДСТУ Б В.2.7-108-2001 «Мастики покрівельні і гідроізоляційні. Загальні технічні умови», а саме: межа міцності при стиску (R20 = 1,25-1,40 МПа; відносне подовження - е = 175-190 %; теплостійкість - 115єС; водонепроникність W = 1 МПа.

5. Теоретично і експериментально встановлено, що після нанесення на поверхню бетонної або залізобетонної конструкції процес формування гідроізоляційного штукатурного покриття відбувається у три стадії. Плівкоутворення визначається золь-гель переходом (астабілізацією ліофобної бітумнополімерсіркової емульсійної мастики і наступним самотужним стискуванням (контракцією), утвореного проміжного гелю до стану монолітної плівки (адгезованого шару мастики). Астабілізація досягається за рахунок концентрування дисперсії (випаровування води).

6. Для ТОВ «Донбасрембуд» розроблено «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик». Результати дослідження впроваджені у 2009 році при улаштуванні антифільтраційної штукатурки фундаментів та покрівлі об'єктів, що побудовані ТОВ «Донбасрембуд». Результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів з напряму 0921«Будівництво» в курсі лекцій і лабораторних робіт з дисциплін: «Будівельне матеріалознавство» та «Технологія будівельного виробництва».

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Братчун В.И. О параметрах технологических режимов эмульгирования битумнополимерсерных паст / В.И. Братчун, Н.С. Коннов, Н.А. Столярова // Вісник Одеської державної академії будівництва і архітектури. - 2009. - Вип. 35. - С. 38-44.

Особистий внесок - визначені оптимальні параметри змішувача диспергатора при виготовленні бітумнополімерсіркових емульсійних паст.

2. Коннов Н.С. О закономерностях формирования структуры антифильтрационного асфальтового штукатурного покрытия на поверхности бетонных и железобетонных конструкций на основе модифицированной битумополимерсерной эмульсионной мастики / Н.С. Коннов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Сучасні будівельні матеріали для будівництва. Композиційні матеріали для будівництва. - 2009. - Вип. 1 (75). - С. 46-51.

3. Братчун В.И. Модифицированные битумные эмульсионные пасты и мастики для устройства гидроизоляции железобетонных конструкций / В.И. Братчун, Н.С. Коннов, М.В. Деркач, Н.П. Нагорная // Вісник Одеської державної академії будівництва і архітектури. - 2008. - Вип. 31. - С. 52-57.

Особистий внесок - наведено закономірності формування багатошарового антифільтраційного покриття бетонних і залізобетонних конструкцій з бітумнополімерсіркоемульсійних матеріалів.

4. Коннов Н.С. О технологии производства битумных эмульсионных паст и мастик / Н.С. Коннов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Сучасні будівельні матеріали для будівництва. Композиційні матеріали для будівництва. - 2008. - Вип. 1 (69). - С. 44-47.

5. Коннов Н.С. О составах битумных паст и мастик / Н.С. Коннов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Сучасні будівельні матеріали для будівництва. Композиційні матеріали для будівництва - 2007. - Вип. 1 (63). - С. 86-89.

6. Колесниченко В.Г. Современные материалы для ведения малярных работ и прогрессивные малярные технологии / В.Г. Колесниченко, Н.С. Коннов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. - 2005. - Вип. 1 (49). - С. 48-54.

Особистий внесок - наведено закономірності формування шару гідроізоляції на поверхні бетонних і залізобетонних конструкцій з водоемульсійних матеріалів.

АНОТАЦІЯ

Коннов Микола Сергійович. - Модифіковані бітумні емульсійні пасти і мастики для улаштування гідроізоляції залізобетонних конструкцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2010 р.

Теоретично обґрунтовано і експериментально визначено склад і розроблено технологію виробництва модифікованих бітумноемульсійних паст, що вміщують бітумнополімерсіркове в'яжуче 48-52% (бітум БНД 40/60 - 100 м.ч., бутадієнметилстирольний каучук СКМС-30 - 2 м.ч. і технічна сірка - 40 м.ч. понад 100 м.ч. бітуму); вапно гашене - 15-17%; хризотил-азбест 7го сорту - 7-9%; вода 25-27% і бітумнополімерсіркової емульсійної мастики складу: бітумнополімерсіркова емульсійна паста 84-86%, мелений відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку з питомою поверхнею S1,2 = 350-400 м2/кг 14-16%, вода замішування понад 100% для забезпечення рухомості, що характеризується глибиною занурення за конусом БудЦНДЛ 12-14 см.

Встановлено, що для забезпечення оптимальних параметрів технологічного процесу виробництва бітумнополімерсіркової емульсійної пасти: температура суспензії з комбінованим емульгатором (вапно гашене + хризотил-азбест) - 80-90єС, температура бітумнополімерсіркового в'яжучого - 160-170єС і швидкості вала змішувача (диспергатора) більше 140 об/хв. у часі утворюється грубодисперсна мікрогетерогенна система з широким діапазоном частинок дисперсної фази в діаметрі від 0,01 мкм до 50 мкм з середнім діаметром частинок бітумнополімерсіркової емульсійної пасти - 20,4 мкм.

Визначено фізичні і деформаційні характеристики стабілізованої бітумнополімерсіркової емульсійної мастики оптимальних складів і встановлено, що за низкою властивостей вони перевищують показники якості бітумноемульсійних мастик, які наведені у ДСТУ Б В.2.7-108-2001 «Мастики покрівельні і гідроізоляційні. Загальні технічні умови», а саме межа міцності при стиску (R20 = 1,25-1,40 МПа; відносне подовження - е = 175-190 %; теплостійкість - 115єС; водо-непроникність W = 1 МПа.

Для ТОВ «Донбасрембуд» розроблені «Рекомендації з виробництва і застосування модифікованих бітумних емульсійних паст і мастик». Результати дослідження впроваджені у 2009 році при улаштуванні антифільтраційної штукатурки підземних конструкцій і покрівель, що побудовані у 2009 році ТОВ «Донбасрембуд».

Результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі при підготовці бакалаврів з напряму 0921 «Будівництво» в курсі лекцій і лабораторних робіт з дисциплін «Будівельне матеріалознавство» і «Технологія будівельного виробництва».

Ключові слова: модифіковані бітумні емульсійні пасти і мастики, технологія виробництва, структура, властивості покрівельних і антифільтраційних гідроізоляційних шарів.

Коннов Николай Сергеевич. - Модифицированные битумные эмульсионные пасты и мастики для устройства гидроизоляции железобетонных конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2010 г.

Теоретически обоснованы и экспериментально запроектированы составы и разработана технология производства модифицированных битумноэмульсионных паст, включающих битумнополимерсерное вяжущее 48-52% (битум БНД 40/60 - 100 м.ч., бутадиенметилстирольный каучук СКМС-30 - 2 м.ч. и техническая сера - 40 м.ч. сверх 100 м.ч. битума), известь гашеную 15-17%, хризотил-асбест 7-го сорта 7-9%, вода 25-27 % и битумнополимерсерной эмульсионной мастики состава: битумнополимерсерная эмульсионная паста 84-86%, молотый отсев дробления отвального мартеновского шлака с удельной поверхностью 350-400 м2/кг - 14-16%, вода затворения сверх 100% для обеспечения консистенции, характеризуемой по конусу СтройЦНИЛ 12-14 см.

Установлено, что при обеспечении оптимальных параметров технологического процесса производства битумнополимерсерной эмульсионной пасты: температура суспензии с комбинированным эмульгатором (гашеная известь + хризотил-асбест) - 80-90єС, температура битумнополимерсерного вяжущего 160-170 єС и скорости перемешивающего устройства более 140 об/мин во времени образуется грубодисперсная микрогетерогенная система с широким диапазоном частиц дисперсной фазы в диаметре от 0,01 мкм до 50 мкм, со средним диаметром частиц битумнополимерсерной эмульсионной пасты - 20,4 мкм.

С использованием методов дифференциально-термического анализа, рН-метрии, электронной сканирующей микроскопии и определения деформационно-прочностных характеристик затвердевшей битумнополимерсерной эмульсионной мастики установлена оптимальная концентрация в битумнополимерсерной эмульсионной мастике наполнителя - молотого отсева дробления отвального мартеновского шлака (14-16%), при которой в стабилизированной мастике во времени формируется комбинированная микроструктура, представленная взаимопроникающими контактами коагуляционной (контакты через прослойки битумнополимерсерного вяжущего) и конденсационно-кристаллизационных контактов (контакты прямого срастания кристаллов гидратированных минералов шлака). Коагуляционная эластичная микроструктура обеспечивает релаксацию внутренних напряжений, возникающих при механических нагрузках и при низкотемпературных воздействиях, а кондесационно-кристаллизационная обеспечивает прочность антифильтрационного (гидроизоляционного) штукатурного слоя на поверхности бетонных и железобетонных конструкций.

Определены физические и деформационно-прочностные характеристики стабилизированной битумнополимерсерной эмульсионной мастики оптимальных составов и установлено, что по ряду свойств они превосходят показатели качества битумноэмульсионных мастик, приведенных в ДСТУ Б В.2.7-108-2001 «Мастики кровельные и гидроизоляционные. Общие технические условия», а именно: предел прочности при сжатии (R20=1,25-1,40 МПа); относительное удлинение - е = 175-190%; теплостойкость - 115 єС; водонепроницаемость W=1 МПа.

Теоретически и экспериментально установлено, что после нанесения на поверхность бетонной или железобетонной конструкции мастики процесс формирования гидроизоляционного штукатурного покрытия происходит в три стадии. Пленкообразование определяется золь-гель переходом (астабилизацией лиофобной битумнополимерсерной эмульсионной мастики) и последующим самопроизвольным сжатием (контракцией) образованного промежуточного геля до состояния монолитной пленки (адгезированного слоя мастики). Астабилизация достигается за счет концентрирования дисперсии (испарения воды).

Для ООО «Донбассремстрой» разработаны «Рекомендации по производству и применению модифицированных битумных эмульсионных паст и мастик». Результаты исследований внедрены в 2009 году при устройстве антифильтрационной штукатурки подземных конструкций и безрулонной кровли на объектах, которые построены в 2009 году ООО «Донбассремстрой». Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению 0921 «Строительство» в курсе лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Строительное материаловедение» и «Технология строительного производства».

Ключевые слова: модифицированные битумные эмульсионные пасты и мастики, технология производства, структура, свойства кровельных и антифильтрационных гидроизоляционных слоев.

Konnov Mykola S. - Modified Bituminous Emulsive Pastes and Mastics for Water Proofing of Reinforce-Concrete Structures. Manuscript.

The thesis submitted for the scientific degree of PhD (Eng) on a speciality 05.23.05 - Building Materials and Products. - The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiyivka, 2010.

The dissertation is devoted to the theoretical study and experimental verification of the composition and to the development of the production technology of modified bituminous emulsive pastes which comprise a bitumen-polymer-sulphur binding - 42-52% (bitumen BND - 40/60 measure units (m.u.), butadiene-methyl-styrene rubber SKMS - 30-2 m.u. and industrial sulphur - 40 m.u. above 100 m.u. of bitumen); slaked lime - 15-17%; chrysotile-asbestos of the 7th grade - 7-9%; water - 25-27% and bitumen-polymer-sulphur emulsive paste - 84-86%, grounded riddlings of waste open-hearth slag of the specific surface S1.2=350-400 m2/kg - 14-16%, and addition of water above 100% to provide mobility which is characterized on the cone of the Building CNDL 12-14 cm.

It has been found out that to guarantee the optimal parameters of the industrial production process of the bitumen-polymer-sulphur emulsive paste the following conditions should be observed: temperature of the suspension with a combined emulsifying agent (Slaked lime+chrysotile-asbestos) - 80-90oC; temperature of the bitumen-polymer-sulphur binding - 160-170 oC, and the rate of a mixer shaft (powder dispenser) - more than 140 revolutions per minute. At these conditions there is formed a coarse-dispersive micro-heterogeneous system with a wide range of the disperse phase particles of 0.01…50 mkm in diameter, the middle diameter of the bitumen-polymer-sulphur emulsive paste being 20.4 mkm.

There have been determined physical and deformation characteristics of the stabilized bitumen-polymer-sulphur emulsive paste of the optimal compositions and it has been found out that because of some properties they are higher than the parameters of bitumen-emulsive mastic quality which are given in the State Standard B.V.7.108.2001 «Roof and Ware Proofing Mastics. General Specifications», namely, compressive strength resistance (R20=1.25-1.40 MPa; relative elongation (е=175-190%); heat stability - 115 oC; water permeability W>10 at.

For the Public Company «Donbasrembud» (Repair of Buildings in the Donbas) there heve been developed «Recommendations for Producing and Using Modified Bituminous Emulsive Pastes and Mastics». The research results were put into practice in 2009 when creating anti-filtration plaster in the underground structures and roofs built by the Company «Donbasrembud» in 2009.

The results of the dissertation study are used in the educational process to train students by the direction 0921 «Civil Engineering» at lectures and laboratory lessons by the discipline «Building Materials Science» and «Constructional Engineering».

Key words: modified bituminous emulsive pastes and mastics, production technology, properties of roof and anti-filtration water-proofing levels.

Размещено на Allbest.ru

...