CC BY
78
УДК 69.024.004
ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРОВЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРБИТУМНЫХ
КОМПОЗИЦИЙ
Бареев В. И. - к. т. н., профессор Братошевская В. В. - к. т. н., доцент Мирсоянов В. Н. - к. т. н., доцент
Кубанский государственный аграрный университет
В статье приводится расчетно-экспериментальный способ прогнозирования долговечности кровельных покрытий, выполненных на основе битума и полимербитумных композиций "крунам". Расчеты основаны на принципе суммирования напряжений, когда под воздействием разных причин испытуемый материал теряет определенную долю долговечности (критерий Бейли). Полученные результаты позволяют сделать вывод о предпочтительном применении полимербитумных материалов при устройстве кровельных покрытий в Краснодарском крае.
Ключевые слова: ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КРОВЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВА ПОЛИМЕРБИТУМНЫЕ КОМПОЗИЦИИ
Наиболее распространенными материалами для производства кровельных и гидроизоляционных работ являются нефтяной битум и рубероид. Однако покрытия, выполненные с использованием битума, имеют сравнительно невысокую долговечность (6-10 лет) из-за хрупкости при низких зимних температурах. Поэтому такие покрытия нуждаются в частом ремонте, а после 10-ти лет эксплуатации стоимость их практически удваивается.
Более современны гидроизоляционные материалы на основе поли-
мербитумных композиций, которые позволили расширить температурный интервал работоспособности за счет повышения тепло- и морозостойкости и, таким образом, обеспечить более высокую надежность и долговечность конструкций. Кроме того, добавки полимеров, изменяя свойства битумов, позволяют механизировать работу по устройству кровель, например, наплавлять, а не наклеивать кровельные материалы, что значительно облегчает и упрощает работу.
Известно, что важнейшими факторами старения битумов в кровельных покрытиях являются:
- термоокисление под действием ультрафиолетового излучения в тонком поверхностном слое 0,1-0,15 мм, в результате чего он интенсивно стареет, растрескивается и смывается водой. Покрытие толщиной 2 мм полностью разрушается в течение 6-ти лет, а битум, наполненный минеральным порошком, разрушается через 12-15 лет;
- термонапряженное состояние и растрескивание поверхностного слоя под влиянием усилий, возникающих в покрытии из-за разности коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) битума и бетона основания (стяжки) при изменении температуры.
При известных структурно-реологических характеристиках материалов в результате сезонных изменений температуры прогнозирование долговечности сводится к определению температурных напряжений. В том случае, если они не превышают предела длительной прочности материала покрытия при расчетной температуре, условие сплошности покрытия не нарушается.
Таким образом, расчетно-экспериментальный способ прогнозирования долговечности покрытия сводится к экспериментальным исследованиям свойств материала покрытий при различных режимах испытаний и дальнейшему расчету долговечности этих покрытий.
В данной работе приводятся результаты расчетно-
экспериментальных исследований долговечности покрытий, выполненных из разных материалов:
- 1 слой рубероида РКМ-350 по расплавленному стеклобиту СП;
- наплавляемый рулонный материал "крунам" марки СТ 3,5(В) по двум слоям рубероида РКМ-350 на битумной мастике.
Поскольку наиболее распространенной причиной разрушения кровельных материалов является образование трещин вследствие различия температурных деформаций покрытия и основания или покровного слоя и основы, то для сравнительных исследований возникающих температурных напряжений были приняты:
- гидроизоляционное покрытие из битума БН-1У (БН 70/30) - для рубероида РКМ-350;
- гидроизоляционное покрытие из полимербитумного состава (БН 70/30+10% сополимера этилена с пропиленом) - для "крунама".
Сравнение стандартных свойств рулонных материалов с полимер-битумной покровной массой и рубероида сводилось к определению изменения структурно-реологических и физико-механических свойств, в том числе атмосферостойкости и водоустойчивости, и в итоге определялись сроки службы и надежность этих материалов.
Подготовка и испытание образцов и фрагментов покрытия проводились в соответствии с ГОСТ 2678-97. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Методы испытаний. Значения температурных интервалов для исследования определены путем интерполяции по данным СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. Так, для г. Краснодара количество дней в году со средней температурой +20' с составляет 95, +10'с - 102, 0 'с - 109, -10'с - 64, -20'с - 21, а с грозами -10 дней.
Температурные напряжения в покрытиях определялись по формуле, применяемой для вязко-упругих тел:
Еу ■ Еэ (1)
^ г = К - ао ) ■А---^-----— <о о,
Еэ + Еу (1 - е/е )
где ап - коэффициент линейного температурного расширения для покрытий, апбит = 2,19 10-4; 1/град; ап.полим.бит = 4,3 10-4, 1 /град; ао - коэффициент линейного температурного расширения для бетонной стяжки,
а0 = 0,1 10-4; 1/град; Аг - разность температур; Еу =— - модуль упругости;
Є э
Па; Еэ = — - модуль эластичности, Па; 0 = - время релаксации, с;
еэ Е э
І0 = - наибольшая структурная вязкость, Па ■ с.
/&
Значения структурно-реологических констант устанавливались в результате испытаний образцов покрытий и построения реологических кривых (табл. 1).
Таблица 1 - Структурно-реологические константы
(° с Покрытие 1 (битум) Покрытие 2 (полимербитум)
Еу, Па Е э, Па 0,с ак, 1 / град Еу, Па Е э, Па 0,с ак, 1 / град
+20 * С 2,5-106 2,18-106 4,6-102 4,3-102 5,76-106 5,02-106 1,4-102 2,9510 -4
+10 * С 6,3-106 5,45-106 11,1-102 - 7,9-106 6,84-106 3,39-102 -
0 * С 1,55-107 1,15-107 27,2-102 - 1,41-107 1,05-107 8,3-102 -
-10 * С 3,9-107 2,94-107 1,51-103 - 2,59-107 1,95-107 1,55-103 -
-20 * С 9,9-107 2,07-107 5,7-104 - 3,08-108 6,45-107 1,74-103 -
Гроза 6,3-106 6,3-106 11,1-102 - 7,9-106 6,84-106 3,39-102 -
Расчеты значений температурных напряжений, возникающих в покрытиях при разных температурах, приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Температурные напряжения в покрытиях
Напряжение о, о, в интервале температур, Па
Тип покрытия +20 * С +10 * С 0 * С -10 * С -20 * С Гроза
Битум (БН 70/30) 4,86 12,24 27,7 70,24 90,7 62,5
Полимербитум "крунам" 5,57 7,62 12,5 2,14 43,36 38,17
Расчет прочности армирующего материала (рубероид-картон, "кру-нам"-стеклосетка) производился по формуле:
Ка = К5„Ь„ о,, (2)
где К - коэффициент запаса К = 2,5; 5п - толщина покровной массы (принята для рубероида РКМ-350-2,5 мм, для "крунама" - 3 мм); Ьп - расчетная ширина полосы материала (принимаем Ьп = 50 мм по ГОСТ 2678-97. Материалы рулонные кровельные); о, - температурные напряжения:
- для рубероида о,. тах = 90,7 Па;
- для "крунама" о,. тах = 43,36 Па;
Яа тах = 2,5 • 0,4 • 5,0 • 90,7 = 90,7 Па; Яа тах = 2,5 • 0,4 • 5,0 • 43,36 = 216,8 Па.
" " " " " У С*2 7 7 7 7 7
Полученные результаты сравниваем с прочностью на разрыв армирующего материала:
- для рубероида РКП-350 - 350 Н/5см;
- для "крунама" СТ 3,5 (В) - 750 Н/5см.
При расчете долговечности кровельных покрытий были использованы экспериментальные данные, изложенные в работе [1], в которой исследованы закономерности изменения долговечности полимербитумных композиций от температуры (в интервале температур +20...-20'С) и действующих напряжений (табл. 3).
Таблица 3 - Долговечность материалов при определенной
температуре
Тип покрытия
Долговечность (лет) при температуре * С
+20 * С +10 * С 0 * С -10 * С -20 * С Гроза
Битум БМ 4 (рубероид) 52 44 62 20 11 0,4
Полимербитум "крунам" 240 280 890 250 76 0,79
В основу расчета приняты допущения, что температура и напряжения меняются непрерывно, а процесс разрушения необратим согласно критерию Бейли (принцип суммирования напряжений). Под воздействием разных напряжений материал каждый раз теряет определенную долю долговечности, и когда сумма достигает единицы, наступает его разрыв.
После определения значений долговечности покрытий при различных температурах в зависимости от действующих напряжений определялась общая долговечность материалов по формуле:
т, , -________100_______ (3)
«’■’> р р2 р„ g ’
— + — +.... + — + —
Х1 12 1 п 1 g
где Р1 ■ Р2;..Рп - процентное содержание дней в году с температурой Т1 ■ Т2 ■■■■■Тп ;
т1 ,т2■■■.тп - долговечность материала соответственно при температурах Т1Т■■■■Тп.
Рассчитанная по этой формуле прогнозируемая долговечность материалов покрытий для условий г. Краснодара составила:
- для битума БН4 (рубероида) - 10,1 года;
- для полимербитума "крунам" - 24,7 года.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о предпочтительном применении полимербитумных материалов при устройстве кровельных покрытий в Краснодарском крае.
Список литературы
1. Кисина, А. М. Полимербитумные кровельные и гидроизоляционные материалы / А. М. Кисина, В. И. Куценко. - Л. : Стройиздат, 1983. - 133 с.
