Лаборатория кровельных технологий
научно-информационный сайт о кровле

Особенности эксплуатации битумных материалов на кровлях.
Кровельное покрытие в течение всего срока эксплуатации подвергается воздействию многочисленных неблагоприятных факторов внешней среды, свойства кровельного покрытия изменяются со временем, способность материала выполнять гидроизоляционные функции определяет долговечность кровельного покрытия.
При перепадах температуры происходит старение и деформация, как самого материала, так и основания кровли. Способность выдерживать температурные деформации в течение длительного срока (10-15-20 лет) является одним из основных критериев, определяющих долговечность кровли.
Со временем материалы под воздействием кислорода и ультрафиолетового излучения солнца теряют свою эластичность, становятся хрупкими, ухудшаются их гидроизолирующие свойства. При высоких температурах (летом до 80-90°С и выше) процессы старения идут быстрее, поскольку ускоряется окислительная реакция битумного или битумно-полимерного вяжущего с кислородом, при низких - старение замедляется.
Такие качества, как улучшенная гибкость, эластичность, сопротивление текучести и прочность относятся к постоянно повышающимся требованиям, предъявляемым к кровельным материалам.
Сырьевой битум имеет низкую теплостойкость: ниже +50°С. Чтобы поднять теплостойкость до приемлемого уровня, битум окисляют: через нагретый битум пропускается воздух. При этом происходит искусственное старение битума. К сожалению, на кровле процесс окисления не заканчивается, поскольку такая технология "запускает" процесс ускоренного старения битума. При окислении битумов в молекулах углеводородов происходит окислительная реакция замещения, в следствие которой цепи углеводородов рвутся в местах замещения кислородом. В связи с тем, что не все окислительные реакции завершаются при приготовлении битума, в нем остаются молекулы с незавершенной реакцией окисления и в будущем они становятся очагом разрушения материала вследствие продолжения реакции окисления в процессе эксплуатации этих материалов. В этом процессе битум теряет эластичность, вследствие этого при температурных деформациях начинает растрескиваться и теряет гидроизолирующие свойства.
С введением полимерных добавок в битум был найден компромисс между 100%-ным битумом и 100%-ными синтетическими материалами, что позволило соединить преимущества обоих материалов.
Из всех испытанных многочисленных комбинаций различных синтетических материалов с битумами всех сортов только два способа дали положительные результаты:
- Модификация битума добавкой атактического полипропилена (АПП). Поскольку сам полимер имеет не очень сильную прочность, концентрация его должна быть довольно высокой (до 30%).
- Модификация битума добавкой сшитого блоксополимера стирол-бутадиен-стирола (СБС). В результате даже небольшой добавки свойства битума значительно улучшаются. Обычно добавляют от 8 до 12%.
При меньшем проценте введения полимеров в битумную мастику объемная кристаллическая решетка, являющаяся защитным «каркасом» материала, из полимера необразуется и сама битумно-полимерная смесь становится нестабильной.
Отдельно от модифицированных битумов развивалось направление улучшения армирующих материалов.
Когда неармированное покрытие проверяется в свежем состоянии, то даже окисленный не модифицированный полимерными добавками битум показывает сравнительно высокое относительное удлинение. Под воздействием погодных условий с течением времени, свойства битума меняются, особенно удлинение на разрыв. Для окисленного битума такое снижение пластичности критично, поэтому для него необходимо жёсткое армирование. Свойства модифицированного битума ухудшаются значительно меньше. На рис.1 показаны кривые удлинения при разрыве в зависимости от времени экспозиции на крыше.
Битумные покрытия, особенно окисленные битумы, подвержены старению в результате воздействия ультрафиолетового солнечного излучения. Для защиты кровельных битумных материалов применяются различные виды защитных минерализованных посыпок, защитная окраска поверхности, покрытие материалов в заводских условиях защитной алюминиевой или медной фольгой.
Чтобы максимально продлить срок службы материалов до ремонта (минимум до 10 лет), в этих материалах чрезвычайно важно выполнять количественные требования к адгезии минерального защитного слоя. Сравнительные испытания показали, что адгезия гранул защитной минеральной посыпки к АПП-модифицированным битумам в среднем значительно лучше, чем к СБС-модифицированным битумам. Кроме того, АПП-модифицированный битум стоек к ультрафиолетовому излучению.
Кровельные покрытия с цветным защитным слоем могут выбираться так же из эстетических соображений.
Основное отличие между битумами, модифицированными АПП и СБС заключается в том, что битум АПП изначально пластичен (пластичность, по современным представлениям - это свойство материалов необратимо деформироваться под действием либо внешних, либо внутренних напряжений), а битум СБС эластичен (стремится восстановить первоначальную форму после деформации). Поэтому усилия, вызываемые деформацией основы у битумов АПП всегда меньше, а у битумов СБС они достигают высокого значения. С другой стороны, битум СБС после деформации принимает почти первоначальную форму, в то время как с битумом АПП это происходит лишь после небольшой деформации.
С точки зрения долговечности, применяя оба типа материалов, можно выполнять кровельные покрытия, намного превосходящие кровли из материалов на окисленном битуме.
Ниже показаны некоторые преимущества и недостатки битумов с АПП и СБС, исходя из вышеназванных свойств. Но эти недостатки и преимущества относительны, т. к. на реальное поведение сильное влияние оказывает армирующая основа материала (как правило, полиэфир).
СБС-модифицированные битумы
Преимущества:
- хорошая гибкость при низких температурах;
- высокая сопротивляемость усталости высокая эластичность (определяемая армирующей основой материала);
- подходит для применения с материалами на окисленном битуме;
- может применяться при исключительно низких температурах.
Недостатки:
- меньшая сопротивляемость ультрафиолетовым лучам, в большинстве случаев требуется защита;
- легко проявляется возможная усадка полиэфирной основы в виде складок на поверхности наклеенного на основание кровли материала;
- адгезия гранул защитной посыпки хуже.
АПП-модифицированные битумы
Преимущества:
- стабильность при высокой температуре;
- высокое сопротивление старению, не требуется защитная посыпка;
- очень хорошая адгезия гранул защитной посыпки.
Недостатки:
- меньшая гибкость при низких температурах;
- менее высокая сопротивляемость усталости (определяемая армирующей основой материала).
Общий вывод: СБС-модифицированные материалы оптимально использовать в регионах с преобладанием холодного климата. Допускается совместное применение СБС-модифицированных материалов с материалами на окисленном битуме, где СБС-модифицированный материал применяется для верхних слоев, обеспечивая лучшую защиту от воздействия атмосферных условий. АПП-модифицированные материалы хорошо подходят к применению в регионах с высокими температурами.
Основное отличие между битумами, модифицированными АПП и СБС, заключается в том, что битум с АПП изначально пластичен, а битум с СБС более эластичен. Поэтому усилия, вызываемые деформацией основы у битумов с АПП всегда меньше, а у битумов с СБС они быстрее достигают высокого значения. С другой стороны, битум с СБС после деформации принимает почти первоначальную форму, в то время как битум с АПП - лишь после небольшой деформации. Известно, что преимущество СБС-модифицированных битумов состоит в том, что они обладают хорошей гибкостью при низких температурах, высокими сопротивляемостью усталости и эластичностью, больше подходят для сочетаний с окисленным битумом, поэтому их можно применять при исключительно низких температурах. Недостатком таких битумов является меньшая сопротивляемость ультрафиолетовым лучам, из-за чего необходима специальная защита таких материалов. Кроме того, адгезия гранул в составе материала хуже.
Очень важные преимущества АПП-модифицированного битума состоят в том, что они в большей мере сохраняют стабильность физических и химических свойств при высокой температуре, обладают высоким сопротивлением старению. Поэтому для такого битума не требуется почти никакой защиты. Отмечена очень хорошая адгезия гранул в составе этого композиционного материала. Недостатками его являются меньшие гибкость при низких температурах, сопротивляемость усталости, эластичность.
Значительное влияние на долговечность материалов оказывает вид применяемого армирующего материала. Нецелесообразно применение картонной основы, подверженной гниению. Применение не гниющей прочной основы значительно увеличило срок службы наплавляемых материалов. Развитие и начало применения нетканых материалов на полиэфирной основе было обусловлено следующими основными причинами:
- Вследствие применения в строительстве предварительно собранных элементов строительных конструкциях имеется значительное количество стыков и швов, подверженных температурным расширениям. Кроме того, увеличивается теплоизоляция, что означает значительно больший температурный перепад. Результатом этого является более тяжелая "нагрузка" на битумные мембраны.
- Получили развитие эксплуатируемые кровли. Это означает более высокие требования к механическим свойствам, таким как прочность на растяжение, сопротивление продавливанию, прочность на разрыв.
- Обозначилась тенденция применения 2-слойных и даже однослойных (битумных) покрытий.
- Одним из методов, снижающих стоимость работы, является развитие технологий наклеивания материалов с минимальным расходом времени. Важной технологией в этой связи является использование метода тепловой пластификации (разогрева) битумного слоя и холодного нанесения с помощью растворителей. Эти технологии позволяют минимизировать количество наклеиваемых слоев материала: фактически основное количество необходимого битума уже нанесено на рулоне.
Соответствие этим требованиям обеспечивает применение качественных армированных материалов. Чтобы понять это, необходимо рассмотреть некоторые аспекты о теории долговечности кровли.
Существующая теория напряжений в многослойных мембранах описывает поведение полностью приклеенного к основанию гидроизоляционного армированного слоя в зависимости от температурного расширения (движения) конструкций. Модель появления трещины под воздействием температурного расширения (движения) основания показана на рис. 2.
Анализ этой модели приводит к нескольким закономерностям. Так для долговечности битумной кровли возможно наиболее важным фактором является допустимое удлинение битума. Для достижения хорошей усталостной прочности существенно важно, чтобы повторное удлинение битума было ограничено. Именно битум обеспечивает материалам свойства водонепроницаемости. Полностью приклеенный к основанию материал, как гидроизоляционный слой, находится под воздействием температурных расширений в течение дня. На рис. 3 показано возможное изменение температуры в течение дня в различных точках структуры кровли. Существует значительная разница в температурном нагреве основания между кровлей с теплоизоляционным слоем и без него. Эта разница может превышать 40 %, это означает, что движение в стыках основания тоже увеличивается на 40 %.
В течение многих лет битум находится под постоянным влиянием различных неблагоприятных факторов. Усталость кровли изучена меньше, чем усталость металлов, но обладает схожими характеристиками старения. Это обусловлено постоянным температурным движением основания. Противодействие кровельных систем этой усталости выражает ее долговечность. Так же следует отметить, что максимально негативным воздействиям по перепаду температур и ультрафиолетовому облучению кровля подвергается в летний период. Зимой поверхность кровли становится хрупкой, но находится в относительно стабильных температурных условиях.
Определены факторы, влияющие на долговечность кровли и ограничивающие удлинение битума:
1. ограничение движения стыка L (см. рис. 2);
2. снижение жесткости битума;
3. увеличение твердости адгезивного слоя битума h;
4. увеличение модуля эластичности основы.
Ограничение движения стыка может быть достигнуто конструкционными мерами, из которых независимость гидроизоляционного слоя от температурных деформаций основания (1), конечно, является наиболее важным. Это решается технологическим путем за счет применения частичной приклейки материалов, механическим креплением или «сухой» укладкой с последующим пригрузом. Также увеличение твердости (3) адгезивного битума - фактически является конструкционной мерой, как следствие, нанесения большего количества битума при устройстве кровли. Это приводит к удорожанию. Другие два фактора (2, 4) относятся к свойствам битума и основы.
Для того, чтобы снизить жесткость битума, а также улучшить сопротивляемость старению, были разработаны модифицированные битумы. Следует отметить, что использование модифицированного битума позволило подчеркнуть многие свойства армирующей основы, а не только модуль эластичности. Такие свойства, как растяжение, разрыв и сопротивление продавливанию.
Повторное удлинение окисленного битума составляет лишь 4 %. Для АПП- модифицированного битума оно увеличивается до 15 %, а для СБС- модифицированного достигает 25 % (см. рис. 1).
Применение стекловолокна (стеклохолст и стеклоткань) для армирования кровельных материалов пришло на замену использования картонов, т.к. все известные стекловолокна имеют самые высокие показатели модуля эластичности. Более того, стекловолокно не чувствительно к влаге. Поэтому, в сочетании с другими требованиями, как минимализация движения стыков и увеличение толщины материалов, дают хорошие результаты по долговечности кровельных покрытий. Некоторые свойства стекловолокна хуже, чем у полиэфирных тканей: оно разрывается при 3% удлинении под воздействием относительно низких усилий; при низких температурах, когда хорошие свойства особенно необходимы, оно становится хрупким; прочность на растяжение, сопротивление продавливанию для стекловолокна очень низки. Поэтому стекловолокно (стеклоткань) лучше использовать с окисленными битумами, а полиэфирные ткани (напр. полиэстер) с битумно-полимерными смесями.
Наиболее существенными являются различия между стекловолокном и полиэфиром (у полиэфира более высокие показатели) в прочности при растяжении (в 2-4 раза), разрывной прочности (в 10-18 раз) и сопротивлении продавливанию (в 12-18 раз). Также как прочность при растяжении, важно знать разницу значений удлинений (в 11-16 раз), т. к. удлинения в процессе эксплуатации будут иметь взаимосвязь с последующими повторными удлинениями битума, что учитывается при пропитке армирующей основы материала.
Модифицированный битум позволяет объединить преимущества традиционного окисленного битума и синтетических материалов.
Сравнение между АПП- и СБС- модифицированными битумами показывает только относительные преимущества и недостатки: используя оба типа материалов можно достичь отличного качества кровли, если приняты во внимание особенные свойства. На сегодняшний день существенным фактом является то, что наиболее значительное улучшение качества кровельных покрытий достигнуто с использованием полиэфира в качестве армирующего материала. Такие материалы, в сочетании с отработанными технологиями устройства кровли и применяемым оборудованием, могут обеспечить реальный срок службы кровли 20 лет и более.
Если обобщить указанные свойства битумов и основы их армирования, то можно выделить группы материалов с оптимальными свойствами по их структуре. Так битумные материалы на окисленном битуме следует армировать стеклотканью, а полимер-модифицированные материалы следует армировать полиэфиром (полиэстер). Армированные материалы стеклохолстом в зарубежной практике не считаются пригодными для применения в кровлях и гидроизоляции из-за низкой прочности армирующей основы. Введение подобной классификации позволило бы выделить эксплуатационные свойства битумных материалов по классам (группам), что позволило бы проектировщикам выбирать применяемые материалы и количество слоев по их свойствам, в зависимости от условий эксплуатации. Хорошим примером условий эксплуатации являются немецкие строительные нормы, где имеется разделение указанных условий на:
- покрытия со свободно стекающей водой,
- покрытия с подпором воды (внутренним и внешним).
Важнейшими строительными свойствами битумов являются:
1) способность при разогревании (до 80—165° С) или добавления разжижителей (керосин, нефть и др.) переходить в текучее состояние и объединяться с каменными или другими строительными материалами;
2) способность при понижении температуры (до 20—25° С и же) или испарении разжижителя вновь загустевать и сцеплять в монолит минеральные зерна песка и щебня, образуя бетоны и растворы;
3) способность придавать гидрофобные (водоотталкивающие) свойства другим материалам, обработанным битумом. Кроме этих свойств, битумы обладают и другими свойствами — вязкостью, пластичностью, теплостойкостью, а также гидрофобностью, адгезией и др.
Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.
Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов.
В настоящее время имеются рекомендации по толщине наносимого битумного слоя, но они не имеют такой четкой градации по возможным классам материалов и условий их эксплуатации на кровле и гидроизоляции. В европейских нормах имеется такое деление по условиям эксплуатации и типам материалов, что значительно упрощает работу проектировщиков и строителей. Отсутствие такого деления в отечественном строительстве породило коммерческое деление кровельных материалов по цене (например, премиум, бизнес, стандарт, эконом классы), что только условно отражает свойства материалов и не дает строителям четкого понимания применения материалов по условиям их дальнейшей эксплуатации в зависимости от их физико-механических свойств. Это примерно так, если бы бетоны применялись не по их марке и воздействующим нагрузкам, а по их цене. Такое деление материалов по цене накладывает определенный негативный отпечаток на долговечность выполняемых кровель, лишая строителей объективной оценки устраиваемых гидроизоляционных покрытий по их реальным характеристикам. Этот абзац написан с точки зрения опыта работы в лаборатории кровельных работ ЦНИИОМТП, и опыта работы руководителем кровельной организации с годовым объемом кровель 150 тыс. кв.м., когда приходилось принимать решения по конструкции кровли, технологиям и применяемым материалам, чтобы обеспечить срок гарантии кровель до 7 лет, не увеличивая общую стоимость кровельных работ.