Гидрофильные герметики для автомобильных дорог и аэродромов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 625.861

Д.Е. БАРАБАШ, д-р техн. наук, В.В. ВОЛКОВ, канд. физ.-мат. наук, А.И. ЧЕРНИКОВ, канд. техн. наук,

Военный авиационный инженерный университет (Воронеж)

Гидрофильные герметики

для автомобильных дорог и аэродромов

Для надежной работы строительных объектов необходимо использование конструкционных материалов высокого качества, особенно в условиях высокой влажности и изменения температуры окружающей среды. Вместе с тем даже при наличии высококачественных конструкционных материалов необходима их гидроизоляционная и антикоррозионная защита. Указанную защиту обеспечивают разнообразные герметизирующие материалы.

Существующие рецептуры герметиков в силу особенностей их эксплуатации находятся в непрерывном совершенствовании и улучшении качества.

Создание новых видов эффективных герметизирующих материалов является одной из важнейших задач, которая может быть реализована за счет использования нового сырья, изменяющего механизм гидроизоляционного действия изделий. Кроме того, современные герметики должны разрабатываться с использованием экологически чистых природных материалов и ресурсосберегающих технологий.

Основными недостатками предлагаемых современных промышленных герметиков являются малый срок службы и большие трудозатраты на подготовку материалов. При этом главным эксплуатационным недостатком является хрупкость при отрицательной температуре. Кроме того, герметизирующие материалы для защиты деформационных швов дорожных и аэродромных покрытий подвержены образованию трещин при воздействии механических нагрузок, а также разрушению при длительном воздействии воды.

Новым направлением в создании герметиков является использование материалов, увеличивающихся в объеме на 10—200% при набухании в воде, благодаря чему достигается высокая степень гидроизоляции. Применяемые зарубежные гидрофильные уплотнители нестойки к многоцикловым нагрузкам в условиях высыхания и промерзания материала. Это приводит к необратимым изменениям формы и снижению уплотняющей способности изделий.

При кажущемся изобилии разнообразных герметизирующих и гидроизоляционных материалов весьма трудно подобрать именно те, которые наиболее полно отвечают заданным условиям эксплуатации.

Требуемые физико-механические характеристики герметизирующих материалов обусловливают необходимость управления процессами структурообразования на всех этапах их производства.

Авторами с учетом имеющегося опыта проектирования рецептур полимерных композитов [1, 2] разработана методика подбора состава и технологии получения герметизирующих материалов различного назначения, в частности для дорожных и аэродромных покрытий.

Целью проведенных исследований являлась разработка гидрофильных герметизирующих материалов, позволяющих управлять процессами структурообразования.

Базовыми компонентами являлись полимерная основа и алюмосиликатный наполнитель — бентонит.

Дополнительные компоненты: активаторы бентонита и каучуки-добавки, обеспечивающие формирование заданной структуры герметика.

Отличительными особенностями эксплуатации разрабатываемых герметиков являлись повышенная влажность, обусловленная атмосферными осадками, и широкий интервал колебаний температуры окружающей среды:. Основное требование к герметикам — плотное заполнение деформационных швов при набухании с обеспечением заданных адгезионной и когезионной прочности.

При проведении исследований в качестве базовых ингредиентов использовали этиленпропиленовый каучук СКЭПТ-40 и бутилкаучук БК-1675Н. Наполнение осуществляли природным бентонитом Никольского месторождения юго-востока Воронежской области, который относится к алюмосиликатам с общей формулой А12О3^Ю22Н2О. Указанный наполнитель образует в полимере «объемные» цепочечные структуры, которые и обусловливают его набухание в воде [3].

Для придания герметику специальных свойств использовали неорганические и органические модифицирующие добавки: хлорид натрия (№С1), кальцинированную соду (№2С03), гидрокарбонат натрия (№НС03), натрийтрифосфат (№3Р04), натриевые соли жирных кислот (№—СЖК).

В качестве вулканизующей системы применяли: серу, дифенилгуанидин (гуанид Ф), тетраметилтиурам-дисульфид (тиурам Д), 2-меркаптобензотиазол (кап-такс). Указанная система обеспечивает возможность самовулканизации герметизирующего материала.

Для достижения требуемого комплекса свойств и стабильной технологичности смеси образцы герметика изготавливали с постепенным увеличением дозировок наполнителя. В результате удалось достигнуть максимальной степени наполнения 200 мас. ч. бентонита на 100 мас. ч каучука. Однако смеси, содержащие более 150 мас. ч. наполнителя, крошились, что не позволяло получить однородную массу материала. В связи с этим содержание бентонита ограничили 100 мас. ч.

Таблица 1

Характеристики Полимерная основа

БК-1675Н СКЭПТ-40

Когезионная прочность, МПа 0,3 0,35

Пластичность, усл. ед. 0,45 0,2

Вязкость по Муни при 100оС, усл. ед. 65 87

Температура липкости к пневматикам, оС 35 60

Морозостойкость, оС минус 24 минус 37

Относительное удлинение при 20°С, % 100 80

Выносливость к приложению знакопеременной нагрузки, кол-во циклов 25000 28000

Таблица 2

Активатор бентонита, мас. % Характеристики

Максимальная степень набухания, % Когезионная прочность, МПа Пластичность, усл. ед. Вязкость по Муни при 100оС, усл. ед. Температура липкости к пневматикам, оС Морозостойкость, оС Относительное удлинение при разрыве, % Выносливость к приложению знакопеременной нагрузки, количество циклов

Без активатора 25 0,43 0,2 83 60 минус 37 65 28000

NaCl, 4 51 0,47 0,3 89 67 минус 36 73 30000

Na2CO3, 3 77 0,49 0,35 87 70 минус 38 77 31000

NaНCO3, 3 69 0,48 0,3 88 68 минус 37 74 28500

Na3PO4, 4 58 0,46 0,22 89 67 минус 38 76 28500

Na-СЖК, 3 59 0,475 0,28 88 66 минус 36 73 29000

Na2CO3 + Na-СЖК, 3 46 0,465 0,3 89 65 минус 39 77 30000

При определении степени набухания установлено, что она растет пропорционально количеству бентонита и при одинаковом наполнении в большей степени у образцов на основе бутилкаучука, чем на основе СКЭПТ.

Степень набухания герметиков для швов аэродромных покрытий должна быть ограничена 10—15%, чтобы исключить выпирание материала на поверхность. Указанная степень набухания образцов на основе СКЭПТ-40 достигается в течение 48 ч при выдерживании образцов, погруженных на 50% в воду.

Основные характеристики разработанных герметизирующих композиций на основе БК-1675Н и СКЭПТ-40, наполненных 100 мас. ч. природного бентонита, представлены в табл. 1. Отмечено, что материал на основе СКЭПТ-40 обладал большей прочностью при пониженной пластичности.

Экспериментально установлено, что материал на основе СКЭПТ-40 пригоден для герметизации швов аэродромных покрытий при удовлетворительных показателях морозостойкости и липкости к пневмати-кам. Но его деформативность и выносливость к приложению знакопеременной нагрузки не отвечают эксплуатационным требованиям к аэродромным гер-метикам.

При высоких значениях степени набухания применение БК-1675Н более предпочтительно для изготовле-

ния герметиков, работающих при постоянном воздействии воды, например в бетонных фундаментных конструкциях закрытого типа.

Таким образом, применение материала на основе БК-1675Н в соответствии со своими физико-механическими характеристиками нецелесообразно для герметизации швов аэродромов. Предпочтительная область его использования — герметизация деформационных стыков заглубленных сооружений.

В результате проведения постановочных экспериментов установлено, что в целом на основе выбранных каучуков возможно получение герметизирующих композиций различного назначения.

Для улучшения технологических и эксплуатационных свойств полученных герметизирующих материалов природный бентонит активировали натрийсодержащи-ми соединениями в дозировках 1—5 мас. % на 100 мас. ч. бентонита. Модификацию бентонита проводили сухим способом при 20оС в течение суток. При активации происходило значительное увеличение содержания обменных катионов в результате замещения ими катионов Са2+. При этом отмечалось изменение структуры бентонита, способствующее улучшению свойств герметизирующих материалов в целом. Значения характеристик герметизирующих композиций на основе СКЭПТ-40, содержащих 100 мас. ч. активированного бентонита, приведены в табл. 2.

Таблица 3

Активатор бентонита, мас. % Характеристики

Максимальная степень набухания, % Когезионная прочность, МПа Относительное удлинение, % Пластичность, усл. ед. Вязкость по Муни при 100оС, усл. ед. Морозостойкость, оС

Без активатора 57 0,3 100 0,35 65 минус 24

NaCl, 4 83 0,37 115 0,42 68 минус 23

Na2CO3, 3 108 0,39 140 0,53 73 минус 25

NaНCO3, 3 101 0,34 112 0,51 75 минус 24

Na3PO4, 4 89 0,32 117 0,4 71 минус 23

Na-СЖК, 3 90 0,35 134 0,41 69 минус 24

Na2CO3 + Na-СЖК, 3 77 0,32 128 0,5 72 минус 25

Таблица 4

Показатели

Полимерная основа Максимальная степень набухания, % Когезионная прочность, МПа Пластичность, усл. ед. Вязкость по Муни при 100оС, усл. ед. Температура липкости к пневматикам, оС Морозостойкость, оС Деформативность, % Выносливость к приложению знакопеременной нагрузки, количество циклов

СКЭПТ-40

СКИ-3 71 0,49 0,39 80 75 -40 90 35000

СКС-30АРКП

Образцы с модифицированным бентонитом изготавливали и исследовали по отработанной методике. Экспериментально установлено, что оптимальное содержание активаторов природного бентонита составляет 3—4 мас. %.

Использование модифицированного бентонита существенно повысило температуру липкости, деформа-тивность и выносливость к приложению знакопеременной нагрузки герметиков.

В ряду применяемых активаторов наилучших показателей удалось достичь при использовании кальцинированной соды в количестве 3 мас. %.

Аналогичные показатели и при введении №2С03 в герметики на основе бутилкаучука. Значения основных физико-механических характеристик для бутилкаучуко-вых герметиков, содержащих 100 мас. ч. активированного бетонита, приведены в табл. 3.

В обоих случаях отмечено, что морозостойкость образцов герметиков на различных каучуках практически не изменилась, поскольку она определяется полимерной основой.

В целях повышения морозостойкости и улучшения технологических свойств эластомерных композиций на основе СКЭПТ-40 (М) использовали добавки диеновых каучуков: СКИ-3, СКД и СКС-30АРКП [4].

Для определения их рационального содержания был проведен полный факторный эксперимент. Варьируемыми параметрами являлось содержание каучуков-

добавок, а функцией отклика — величина деформатив-ности герметика при температуре минус 20оС.

Расчетами получено полиномиальное уравнение:

у = 91,33 + 0,29х1 - 0,3х2 - 0,31х3 + 0,38х4 + 0,06х^2 -0,94х^3 - -0,07х^4 - 0,31х2х3 + 0,37х2х4 + 0,06х3х4 -0,2х!2 - 0,21х22 + 0,55х32 + 0,43х42, (1)

где у - деформативность герметика при минус 20оС, %; X!, х2, х3, х4 - содержание каучуков СКЭПТ-40, СКИ-3, СКД, СКС-30АРКП соответственно, мас. %.

При помощи уравнения (1) установлено, что оптимальным является использование тройной комбинации каучуков СКЭПТ-40 + СКИ-3 + СКС-30АРКП в соотношении 80:10:10, обеспечивающем необходимую де-формативность. Результаты определения значений основных характеристик полученного герметика представлены в табл. 4.

Таким образом, введение диеновых каучуков в состав герметизирующих материалов улучшило перерабатывае-мость смеси и дополнительно обеспечило предпосылки для создания самовулканизующихся композиций.

Для проведения экспериментов по подбору состава изделия, вулканизующегося при температуре эксплуатации, использовали вулканизующую группу следующего состава: сера как вулканизующий агент; дифенилгуани-дин, тетраметилтиурамдисульфид и 2-меркаптобензтиа-зол как ускорители вулканизации. Выбор дополнительных компонентов обусловлен способностью каучука СКЭПТ-40 эффективно вулканизоваться серными системами в присутствии ускорителей, но при пониженных значениях температуры вулканизации необходимо применение тройной комбинации ускорителей, имеющих различную активность и индукционный период.

Подбор дозировок вулканизующей группы проводили постановкой полного факторного эксперимента с получением уравнения следующего вида:

у = 83,33 - 0,42х1 + 0,58х2 - 0,17х3 - 0,06х4 - 0,5х1х2 +

1,25х1х3 + 0,5х1х4 +0,13х2х3 + 0,38х2х4 - 0,13х3х4 +

0,71х12 + 0,58х22+ 0,96х32 + 0,71х42 , (2)

где у - деформативность герметика при температуре минус 20оС, %; х1, х2, х3, х4- содержание серы, дифенилгу-анидина, тиурама, каптакса, мас. ч., соответственно.

Экспериментально установлено, что в результате самовулканизации изделий несущественно снизилась степень набухания. Одновременно значительно возросли значения основных эксплуатационных характеристик, что способствует расширению возможности примене-

Таблица 5

Время вулканизации при 20оС, ч Характеристики

Максимальная степень набухания, % Когезионная прочность, МПа Температура липкости к пневматикам, оС Морозостойкость, оС Деформа- тивность, % Выносливость к приложению знакопеременной нагрузки, количество циклов

0 70,5 0,49 75 минус 40 90 35000

12 67,8 0,49 76 минус 40 92 35000

24 60,4 0,51 76 минус 41 94 35500

48 52,1 0,52 77 минус 42 97 35500

72 48,3 0,53 78 минус 42 100 36000

120 34 0,55 79 минус 43 102 36000

240 32,2 0,59 80 минус 45 104 36000

ния герметика. Для самовулканизующегося герметика были определены значения основных характеристик, представленные в табл. 5.

Следует отметить, что герметизирующий материал пригоден для эксплуатации через час после заполнения шва.

Проведенными исследованиями по стандартным методикам установлено, что герметизирующий материал соответствует требованиям ГОСТ 30740—2000, а по некоторым показателям превосходит их.

Герметик устойчив к действию топлив, масел и антигололедных реагентов.

Сравнительный анализ стоимости показал, что затраты на производство герметика на основе СКЭПТ-40 значительно ниже зарубежных аналогов.

Ключевые слова: бентонит, жидкие каучуки, гидрофильные герметики.

^исок литературы

1. Барабаш Д.Е., Волков В.В., Сидоркин О.А. Материалы специального назначения на основе модифицированных олигомеров. Военный авиационный инженерный университет. Воронеж, 2009. 183 с.

2. Черников А. И. Разработка рецептур строительных герметизирующих композиций // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2009. № 4. С. 96-103.

3. Горюшкин В. В. Бентонитовые глины юго-востока Центрально-Черноземного района // НИИ геологии ВГУ. Воронеж: ВГУ. Труды. Вып. 37. 2006. 176 с.

4. Кулезнев В. Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. 304 с.

ПОДПИСКА

и О мм

О А С V т О П и и и 1-П

JIILII I I UIIIIJIU

DC DPI М.п

U LI Ы'МУ

журнала «Строительные материалы»®

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

С 1953 года ПГТУ подготовил более 118 тысяч специалистов с высшим профессиональным образованием для отраслей разведки и разработки полезных ископаемых; энергетики; металлургии; машиностроения; авиационной и ракетно-космической техники; автоматики и управления; химической и биотехнологии; связи; строительства и др.

АВТОДОРОЖНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Подробности на сайте www.pstu.ru

614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 19а Тел./факс: +7 (342) 2-391-492 E-mail: dkadf@pstu.ac.ru

Реклама

научно-технический и производственный журнал