Материалы на основе органических вяжущих

Лекция №4.

Материалы на основе органических вяжущих.

   На прошлой лекции мы изучали органические вяжущие вещества: нефтяные битумы, каменноугольные дёгти и пеки, таловый пек (продукт переработки древесины).  Эти вещества имеют широкий температурный диапазон так называемого вязко-пластичного поведения, то есть состояние, в котором вещество имеет свойства и жидкости и твёрдого тела (всем известный пример – холодец или мармелад). В чистом виде эти вещества слишком мягкие и пластичные, поэтому на практике они используются в виде композитов, в виде смеси с какими-то органическими или неорганическими добавками. Добавки как раз и придают строительным материалам необходимые физико-механические свойства, а характеристика основы определяет диапазон изменения этих параметров. Например, если мы делаем какой-то материал на основе нефтяного битума с температурой хрупкости -20 °С добавками каучуко-подобных  полимеров можно довести эту температуру до -50 °С, но чтобы получить материал с температурой хрупкости -100 °С необходимо брать иную основу – на битумной таких параметров получить невозможно.

Если количество наполнителей невелико (в пределах 30% по массе), то такие материалы называют мастиками. Хотя специальные, очень дорогие мастики, могут содержать значительно большее количество полимеров. Когда же количество наполнителя значительно превышает количество вяжущего, получаем асфальтобетон и другие органоминеральные смеси для дорожного строительства.

Мастики.

Мастика – это вяжущее с наполнителем, и свойства мастики зависят от количества и качества наполнителя. Вяжущим, в большинстве, случаев выступает битум. Бывают очень специальные и дорогие мастики почти без битума, они как минимум раз в 10-15 дороже, и они обладают очень широким диапазоном вязко-пластичного поведения.

Рассмотрим свойства мастик с наполнителем в виде мелкой резиновой крошки свойства которых регламентированы в  ГОСТ 15836-79 “МАСТИКА БИТУМНО-РЕЗИНОВАЯ ИЗОЛЯЦИОННАЯ”.  Вот таблица характеристик для этих мастик:

Как мы видим, у изоляционных мастик нормируется теплостойкость, вязкость, пластичность, водонасыщение (зачем необходимы эти параметры …) , но нет такого параметра как хрупкость – значит, не предполагается эксплуатация при пониженных температурах. Основной и единственный наполнитель – мелкая резиновая вулканизированная крошка, которая повышает вязкость и твёрдость мастики. Но, обратите внимание, что такой параметр как растяжимость не увеличивается пропорционально количеству крошки!!! Растяжимость (податливость) материала  - это свойство каучуко-подобных полимеров, получается вулканизированная крошка выполняет роль простого мелкодисперсного наполнителя. В этом и заключается основная проблема утилизации резино-технических изделий состоящих из вулканизированных (сшитых) полимеров.

Давайте рассмотри мастики кровельные горячие (горячие - означает, что они используются в нагретом состоянии) по ГОСТ 2889-80. Они представляют собой битум плюс наполнитель (это дешёвый и распространённый материал). Вот их характеристики:

Вот требования на битум для этих мастик:

Более жёсткие требования предъявляются к мастикам  кровельным и  гидроизоляционным по  ГОСТ 30693-2000  где нормируются, прочность на разрыв (стандартного образца),  удлинение при разрыве, прочность сцепления с основанием, прочность сцепления между слоями, прочность на сдвиг, водопоглощение и гибкость на брусе при отрицательных температурах. Давайте обсудим,  какие добавки могут изменять те или иные физико-механические свойства. Прочность на разрыв увеличивают все мелко-дисперсные твёрдые добавки (причём, чем мельче добавка, тем сильнее она изменяет вязкость), но лучше тонковолокнистые, а ещё лучше полимерные, так как при этом происходит более прочная армировка. Но все такие добавки, кроме полимеров понижают гибкость на брусе при отрицательных температурах. Прочность сцепления с основанием – для этого необходимо наличие поверхностно-активных (химически активных) молекул в вяжущем. Это свойство улучшается добавками ПАВ или изменением технологии получения вяжущего, а технология в свою очередь сильно зависит от нефтяного сырья. Прочность на сдвиг – это примерно тоже самое, что теплостойкость. Водопоглощение – полностью зависит от химического состава вяжущего, чем больше полярных, водорастворимых соединений тем хуже этот показатель. Гибкость при отрицательных температурах -  может улучшаться только при добавках каучуко-подобных (не кристаллизующихся) полимеров. Например, полимеры имеющие правильную упорядоченную структуру – полиэтилен, полипропилен (хотя они сами очень пластичны) при добавках в битум дают ухудшение гибкости при отрицательных температурах. 

Рекомендуем посмотреть лекцию "Моделирование воздействия риска методом Монте-Карло".

Рассказать про полимеры, которые понижают температуру замерзания. Чтобы жидкость замёрзла (превратилась в кристалл) атомы должны встать на определённые места. Если внести примесь, которая сама на атомном уровне устроена неупорядочена, то она может привести к неупорядочиванию жидкости.

Особыми свойствами обладает  МАСТИКА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩАЯ НЕТВЕРДЕЮЩАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ по  ГОСТ 14791-79. представляющая собой вязкую однородную массу, изготовляемую на основе полиизобутиленового, этиленпропиленового, изопренового и бутилового каучуков, наполнителей и пластификаторов. Нетвердеющая мастика предназначается для герметизации закрытых и дренированных стыков наружных стен и для уплотнения мест примыкания оконных и дверных блоков к элементам стен при сохранении свойств в интервале температур от -50 до +70С, при ширине герметизируемого стыка в пределах 10-30 мм и относительной деформации нетвердеющей мастики в шве не более 10%. Большая отрицательная рабочая температура говорит о высокой концентрации полимера, роль пластификатора может выполнять минеральное (нефтяное) масло, наполнитель придаёт мастике необходимую твёрдость, а также может придавать цвет.

Эмульсии.

Говоря об органических вяжущих материалах нельзя не упомянуть о новом направлении, приобретающем всё более широкое применение – об эмульсиях. Одна из основных проблем органических вяжущих – технологичность применения. Большинство используемых в промышленности и быту органических веществ: красители, смазки, гидроизоляционные материалы, герметики – это высокомолекулярные вещества, а значит очень вязкие. Чтобы вязкое вещество равномерно, тонким слоем, нанести необходимо его разжижить. Основная масса разжижителей - горючие, токсичные, взрывоопасные, экологически вредные жидкости. А так как сейчас загрязнители поджидают нас на каждом шагу, то создавать загрязнение своими руками не хотелось бы. Одно из решений – использовать безопасный и дешёвый разжижитель. Единственный вариант – это вода, но, к сожалению, большинство вышеперечисленных соединений не смешиваются с водой, т.е. раствор этих соединений с водой моментально расслаивается. Рассказать про спирт. Решение нам подсказала сама природа на примере очень полезного и интересно устроенного продукта – молока. Молоко это эмульсия жиров в воде, а белки выполняют роль стабилизаторов эмульсии. Почему частички эмульсии не слипаются? Давайте подробнее рассмотрим строение эмульсии и разберём, что может стабилизировать эмульсию. Стабилизатором может быть только поверхностно-активное вещество, то-есть вещество молекулы которого стремятся расположиться на границе раздела двух жидкостей. ПАВы бывают анионоактивные (которые в растворе распадаются на большой анион и маленький катион – это обычные мыла, как правило натриевые соли органических кислот),  катионоактивные (которые в растворе распадаются на большой катион и маленький анион – обычно это азотсодержащие соединения) и неионогенные ПАВ – молекулы которых содержат в своём составе группы различной полярности. Любой ПАВ работает только в определённом диапазоне значений водородного показателя воды pH. Поэтому для приготовления эмульсии необходима вода с заданными свойствами. Обычно эмульсии характеризуются следующими показателями: текучестью, временем распада (после обработки), адгезией к обрабатываемому материалу.

Чем хороша эмульсия – проникает во все маленькие щели, так как очень жидкая и, что очень важно, не боится сырости. Подробно объяснить почему. А вот работа на морозе с эмульсией не эффективна, тоже объяснить почему. Так как водная эмульсия должна высохнуть необходим достаточно длительный тёплый период дозревания.

Большое распространение эмульсия получила в дорожном строительстве, но так как дорожники не представляют строение и свойства эмульсии они думают, что если она жидкая, то ей можно пользоваться и в холодное время. Кроме того, свойства эмульгатора определяют адгезию эмульсии к различным материалам (для каждого типа пород лучше подходит определённый эмульгатор) и скорость распада эмульсии. Эмульсия склонна к расслаиванию и любит постоянное взбалтывание.