НОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В связи с развитием химии полимеров в последние годы в различных областях промышленности и в гидротехническом строительстве все большее применение находят новые синтетические материалы. К таким материалам прежде всего следует отнести синтетические каучуки, модифицированные эпоксидные смолы, эластичные пенопласты и др. Развитие крупнопанельного домостроения привело к разработке целого ряда повых герметизирующих материалов представляющих в настоящее время совершенно обособленную и специфическую группу, называемую строительными герметиками. В отечественной и зарубежной практике промышленного и гражданского строительства для уплотнения стыков панелей, в покрытиях автодорог и взлетных полос аэродромов находят применение такие материалы, как синтетические каучуки, модифицированные эпоксидные смолы, эластичные пенопласты и др.
Современные строительные герметики подразделяются на следующие группы: 1) вязко-пластичные уплотнители, сохраняющие пластичную консистенцию длительной, а иногда и практически неограниченный период времени и обладающие в некоторой степени упруго-эластичными свойствами; 2 ) самовулканизирующиеся эластичные герметики, применяемые в пластичном или жидком виде и затем отверждаемые (вулканизирующиеся) на месте, превращаясь в резиноподобный продукт; 3) резиновые и поливинилхлорйдные ленты, жгуты, прокладки. и профильные изделия.
Вязко-пластичные уплотнители изготовляются на основе синтетических каучуков (бутилхшучука, полихлоропрена, полибутадиена, полиизобутилена и др.). Применяются полимеры с низким молекулярным весом. Увеличение содержания полимеров в составе материала уплотнителя позволяет более длительное время сохранять его пластичное состояние, необходимое для надежного уплотнения шва. Уплотнители этой группы поставляются в виде относительно жидкой массы, наносимой при помощи шприца, пастообразной массы, вводимой в стык ножом или лопаткой, и несколько более жестких, но эластичных липких лент.
Пластичные невысыхающие мастики на основе бутилкаучука и полиизобутилена выпускаются рядом зарубежных фирм: Сэкомэстик (США), Эвомэстик ЛТД (Франция) и др. Их применение охватывает самые различные области промышленности и строительства. Они поставляются в виде пасты, шнуров и полос. В СССР также выпускаются гидроизоляционные и герметизирующие материалы на основе полиизобутилена.
К пластоэластичным уплотнителям следует отнести битумнорезиновые мастики. В настоящее время мастика "изол", применяемая в горячем виде для заливки деформационных швов, несмотря на улучшенные по сравнению с асфальтовыми мастиками свойствами, обладает недостаточной деформативностыо. Поэтому необходимы глубокие исследования в направлении улучшения свойств существующих и создания новых герметиков, удовлетворяющих требованиям гидротехнического строительства.
Имеется несколько видов мастики: для уплотнения горизонтальных и вертикальных швов, для приклеивания рулонных гидроизоляционных материалов и для других целей. В определенном интервале они отличаются друг от друга тепло- и морозоустойчивостью, прочностью и деформативностыо.
Рулонные гидроизоляционные материалы, относящиеся к пластоэластичным, обладают ценными свойствами: водонепроницаемостью, эластичностью, прочностью, морозостойкостью и долговечностью. За рубежом широко применяется "оппанол" - листовой материал на основе полиизобутилена, наклеиваемой битумной мастикой.
Рулонный изол изготовляется из битумно-резиновой мастики и различных наполнителей (тальк, отходы асбеста и т. п.) и обладает следующими физико-механическими свойствами: предел прочности при разрыве 14 кгс/см, относительное удлинение при разрыве 200%, морозостойкость до -15° С, водопоглощение за 24 ч до 1%. Изол выпускается в рулонах длиной 50 м, шириной 80 см, толщиной 2 мм. Стоимость 1 м изола 13 коп. Осваивается производство стеклоизола, рулонного изола, армированного стеклотканью. Резко сократилось применение битумных гидроизоляционных материалов.
Долговечен рулонный материал ГМП, который получается путем смешения битума марки 1У или У, полиизобутилена, фенолформальдегидной смолы № 17 с волокнистыми и дисперсными наполнителями и прокатки смеси в полотнища определенных размеров.
При всех достоинствах материалов на основе полиизобутилена им свойственна заметная хладотекучесть. Этот недостаток в значительной мере устранен в листовом материале ПОВ (ПОВ-1 5 и ПОВ-30), представляющем собой смесь полиизобутилена с полиэтиленом (цифры в марке указывают на процентное содержание полиэтилена в композиции). Кроме того, ПОВ при той же эластичности обладает повышенными прочностными свойствами.
Самовулканизирующиеся герметики - группа уплотнителей, включающая в себя, главным образом, материалы на основе жидких каучуков. В настоящее время известно несколько десятков жидких синтетических каучуков, способных после вулканизации превращаться в резину со всеми ее характерными свойствами. Однако в герметизирующих составах промышленного значения пока используют жидкие каучуки лишь 4-5 наименований. Важнейшими представителями жидких каучуков, производящимися в СССР и за рубежом, являются полисульфидные каучуки (тиоколы), хлоропреновые (нейриты или неопрены - по зарубежной терминологии), кремнийорганические (полисигаоксаны), уретановые (полиуретаны) и карбоксилсодержащие дивиниловые (карбоксилатные).
Наиболее широкое практическое применение нашли герметики на основе жидких тиоколов. Они обычно выпускаются двухкомпонентными. В состав основного пастообразного или жидкого компонента входит тиокол, различные модификаторы, наполнители и разбавители. Вторым компонентом является отверждающий агент, содержащий вулканизирующие вещества. Тиокоповые герметики обладают хорошим сцеплением с большинством строительных материалов - бетоном, деревом, металлами, стеклом и др. Из тиоколовых герметиков, выпускаемых в СССР, в строительстве получили распространение двухкомпонентные мастики.
Составы на основе наирита, благодаря его высокой химической стойкости, получили широкое распространение в антикоррозионной технике, но в связи с высоким содержанием летучих растворителей, вызывающих усадку материала в толстых слоях, а также трудностью и длительностью вулканизации без нагрева, в герметизации они используются значительно реже.
Жидкие силоксановые каучуки, как и другие кремнийорганические полимеры, характеризуются высокой теплостойкостью и долговечностью, вулканизуются без нагревания, дают при этом малую усадку и при использовании соответствующих грунтов имеют хорошую адгезию ко многим материалам. Однако пока они значительно дороже других каучуков и получили широкое распространение лишь в таких областях, как электро- и радиотехника и медицина.
Полиуретаны отличаются исключительной инертностью к действию активных органических растворителей, обладают высокой износостойкостью, однако, в некоторой степени подвержены гидролизу. В последнее время разработаны вспенивающиеся и мастичные составы для герметизации стыков путем напыления или заливки непосредственно в стык свежеприготовленной композиций. Отверждение (вулканизация) происходит в течение короткого времени.
Широко применяемые компаунды и другие изолирующие составы на основе эпоксидных и других термореактивных смол не обладают эластическими свойствами. Однако путем модификации их жидкими эластомерами удается получить достаточно эластичные материалы с высокими прочностными показателями, отличной адгезией к большинству строительных материалов и высокой, почти универсальной стойкостью к природным и агрессивным воздействиям. Например, во Франции фирмой "Снимает" разработан целый ряд материалов на основе эпоксидных смол, модифицированных бутадиенстирольными каучуками от жестких и высокопрочных до эластичных, резиноподобных продуктов. Они предназначены для самых различных целей, в том числе некоторые из них (более эластичные) рекомендуются для герметизации деформационных швов строительных конструкций.
Штучные уплотнители заводского изготовления. Эта группа герметиков отличается большим разнообразием исходных материалов и конструктивных форм. Широкое применение в различных областях промышленности и строительства нашли пористые и плотные эластичные уплотнители различных профилей из резины, а также уплотнители и ленты-компенсаторы из мягкого поливинилхлорида и его сополимеров с синтетическими каучуками.
Фирмой Гэйтс Рабер К° создана специальная резиновая смесь под названием "поливинилхлорид" (ПВХ или PVC-SP), очень долго сохраняющая свои первоначальные свойства. В США, Японии и других странах накопленный опыт применения PVC-SP в подземных и других сооружениях говорит о возможности использования его для гидроизоляции и уплотнения деформационных швов.
В 1960 г. в США было одобрено применение PVC-SP при определенных условиях вместо каучука. Тем не менее, опытами корпуса военных инженеров США и фирмами "Экспандайт" (Англия) было установлено, что уплотнители из PVC-SP несколько более жесткие и менее упругие, но обеспечивают такое же надежное уплотнение, как каучуковые. Поэтому имеется тенденция изготовлять уплотнители ребристыми, обеспечивая большое количество точек соприкосновения с бетоном. Однако это приводило к образованию воздушных карманов и раковин в бетоне. В тех случаях, когда применяются гидроизоляции плоского профиля, больше вероятности обеспечить эффективное уплотнение бетона и его проработку. На основании этих испытаний рекомендуется в тяжелых условиях, при наличии значительных деформаций, особенно осадочных, применять каучуковые компенсаторы. Значительно большее распространение чем PVC-SP получили уплотнители-компенсаторы из сополимера PVC-SP с бутадиеннатрильным каучуком, имеющие достаточную эластичность и упругость и значительно более прочные, чем резиновые.
ПВХ нашел применение и для изготовления стеклопластика - рулонного армированного стеклотканью материала, обладающего высокой эластичностью, прочностью, водонепроницаемостью. Он может быть с успехом использован вместо металлических компенсаторов. Изделия на основе ПВХ соединяются между собой путем сварки горячим воздухом (при температуре около 200° С) и при небольшом давлении на шов.
Стеклопластик представляет собой стеклянную ткань, опрессованную с одной или двух сторон пленкой поливинилхлоридного пластика, придающей водонепроницаемость стеклянной ткани, несущей основную нагрузку. В отношении химического воздействия воды пластик более стоек, чем любые цветные металлы.
Диафрагмы из стеклопластика находят применение для небольшого напора (до 15-20 м) как уплотнение деформационных швов. Наибольшее распространение они получили в Англии, Канаде, ФРГ и других странах.
Проведенные в 1958 г. во ВНИИГ испытания опытной партии стеклопластика, изготовленной Охтинским химкомбинатом (г. Ленинград) показали, что в воздушной среде стеклопластик имеет прочность на разрыв 70 кгс/см по основе, относительное удлинение соответственно 9 и 6% и высокую эластичность при многократном изгибе. Однако прочность на разрыв при длительно действующей нагрузке снижается более чем в два раза; в воде, щелочных и кислых растворах, а также в керосине механическая прочность стеклопластика существенно снижается, особенно в 1%-ном растворе NaCl.
Стеклоткань неустойчива к действию этих сред, пластикат не обеспечивает надежной ее зашиты.
Большой интерес представляют профильные ленты из стеклопластиков (листовых или рулонных полимерных материалов, армированных: металлическими сетками). Их применение позволит существенно уменьшить расход полимеров, увеличить прочность, водонепроницаемость и долговечность уплотнений по сравнению с неармированными профилями при сохранении высокой деформативности.
Полиэтилен, по-видимому, удовлетворителен при определенных условиях за счет своей начальной жесткости (что является преимуществом при укладке бетона) и относительно низкого предела текучести, Для улучшения сцепления с бетоном, вместо изготовления лент с большим числом ребер, их поверхность можно бронировать путем втапливания подогретого до 250-300 С песка или металлических опилок. Вместе со сравнительно редко расположенными анкерными ребрами это может обеспечить хорошую проработку бетонной смеси и надежную заделку ленты в бетоне.
За рубежом (в США, ФРГ, Канаде, Франции, Швейцарии, Чехословакии, Швеции, Японии, Италии и ряде других стран) выпускается большое количество различных типов профильных лент из резины и термопластов (в основном ПВХ-пластикатов).
На многих стройках в зарубежных странах успешно применяются пластмассовые уплотнительные ленты типа «Wey».
В Англии, а также во многих других странах широко применяются уплотнительные профильные ленты из резины и ПВХ-пластиката, выпускаемые фирмой "Экспандайт". В Швейцарии фирмой "Каспэр Винклер К0" выпускаются профили Binda широкого ассортимента из ПВХ-пластиката.
Экспериментальным анализом проведенным отделом полимерных материалов НИС Гндропроекта, установлено, что большинство новых строительных герметиков, выпускаемых отечественной промышленностью, во многом не удовлетворяют предъявляемым требованиям и нуждаются в доработке и модификации. Так, обнаружилась низкая водостойкость нетвердеющей мастики УМС-50 и тиоколового герметика ГС-1, выражающаяся в высоком водопоглощении и значительном ухудшении физико-механических свойств при длительном контакте с водой. Пропитанные прокладки из эластичного пенополиуретана в этих условиях подвергаются гидролитическому разрушению.Мастика изол, несмотря на значительно улучшенные по сравнению с битумом свойствами, обладает недостаточной деформативностью.
В НИС Гидропроекта разработана технология изготовления сетке — пластика на основе проволочных сеток из латуни, нержавеющей и углеродистой стали. Сеткопластик получают путем вплавления нагретой армоосновы между двумя листами полимера на холодных опрессовочных валках. На основании исследования ряда полимерных материалов, для сеткопластика выбраны полиэтилен низкой плотности ПНП-2003 и композиция ПНП-2003 с 5% бутилкаучука. Ориентировочная стоимость уплотнений из сеткопластика составляет 5-7 руб/м. При замене латунных листов толщиной 2 мм и шириной 700 мм армированными полимерными уплотнителями той же ширины с двухрядным армированием латунной сеткой (с квадратной ячейкой 2x2 мм и диаметром проволоки 0,6 мм) между тремя листами ПНП-2003 толщиной по 0,8 мм экономия затрат по материалам составляет более 20 руб/м. Расход латуни при этом сокращается на 10 кг/м. В ряде случаев использование армированных полимерных уплотнителей, вероятно, позволит отказаться от устройства асфальтовых шпонок, стоимость которых составляет от 100 до 250 руб/м.
Разработаны также безанкерные поверхностные уплотнения оклеенного типа на основе эпоксидно-каучуковых и эпоксидно-тиоколовых мастик холодного отвержения.
Оклеечный армоэластик может применяться для устройства контурных горизонтальных и вертикальных уплотнений деформационных швов (способы производства работ изложены в пятой главе).
Уплотнения из озшеечного армоэластика выгодно отличаются от закладных компенсаторов из металла, резины и пластмасс надежным сцеплением с бетоном, простотой устройства, возможностью выполнения независимо от производства бетонных работ, простотой контроля качества выполнения работ и ремонта. Результаты лабораторных испытаний и наблюдения (с 1965 г.) за состоянием уплотнений из оклеенного стеклопластика (на основе стеклоткани), выполненных на канале Северный Донец - Донбасс, Суклейской оросительной системе, Волжской ГЭС имени ХХП съезда КПСС (на кровле машинного зала), Каунасской ГЭС и Байпазинском гидроузле, позволяют оценить срок службы этих уплотнений в 25-30 лет при переменном горизонте воды без защиты от солнца, льда, резкой смены температур и других агрессивных факторов.
При использовании в качестве армоосновы сеток из латуни, нержавеющей стали или капроновых волокон и конструктивной защите поверхностного уплотнения от указанных агрессивных факторов срок службы таких уплотнений будет значительно больше. Расчеты показывают, что усиленные оклеенные уплотнения с армированием металлическими сетками в 3-4 слоя могут быть использованы на контурных горизонтальных и вертикальных напорных гранях плотины высотой 100 м и более. Стоимость таких уплотнений составит 10-15 руб/м шва.
В деформационно-осадочных швах с большой величиной относительных вертикальных, горизонтальных и других перемещений элементов конструкции упругие прокладки следует проклеивать нетвердеющими пластичными мастиками и клеями (типа полиизобутиленовых), обладающих определенной текучестью под нагрузкой. Однако в этом случае необходимо принимать меры против выдавливания прокладок из шва гидростатическим давлением.
Важной особенностью упругих прокладок из пенокаучука и других материалов является возможность применения индустриальных конструкции уплотнений, сводящих к минимуму сложные и трудоемкие работы с герметизирующими материалами на стройплощадке, и позволяющих получить более надежные и дешевые решения. Возведение монолитных и сборно-монолитных гидросооружений в этом случае можно осуществлять с применением сборных конструкций уплотнений деформационных швов.
Основными направлениями, в которых полимерные материалы могут дать значительный технико-экономический эффект, являются:
1. Использование армированных и неармированных профильных лент из мягкого поливинилхлорида, резины и других полимеров, взамен контурных металлических диафрагм и компенсаторов (из листовой латуни, нержавеющей стали и т. п.).
2. Применение индустриальных и экономических конструкций уплотнений заводского изготовления на основе комплексного использования различных полимеров (термопластов, реактопластов, каучуков) и традиционных материалов.
3. Применение наружных оклеечных уплотнителей. Для выбора материала определяющие конструктивные параметры уплотнений, допустимого напряжения и деформации, а также для оценки долговечности необходимо провести длительные стендовые испытания в натурных условиях.
А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975
