2 Структура и свойства гидроизоляционных материалов

2.1 Структура гидроизоляционных материалов

Структура (внутреннее строение) физических тел отражает определенный характер связей и порядок расположения частиц, из которых образованы тела.

У ГИМ (гидроизоляционных материалов) структура характеризуется химическими и физико-химическими связями между контактируемыми частицами разной степени дисперсности.

Структура может быть однородной и смешанной. Однородные – кристаллизационные, коагуляционные и конденсационные структуры. Твердые вещества, не обладающие кристаллизационной структурой, являются аморфными.

Кристаллизационные – структуры, сформировавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы и последующего срастания кристаллов в прочный моноили поликристаллический агрегат.

Для кристаллических структур характерно упорядоченное строение кристаллической решетки на всем ее протяжении (дальний порядок). Каждому типу связи соответствует свой тип кристаллической решетки: ионной, молекулярной, атомной, с водородными связями.

Реальные кристаллы существенно отличаются по строению от идеальных кристаллов вследствие дефектности кристаллической решетки (вакансии, межузлия, дислокации, примеси и т.п.), что влияет на их свойства.

Коагуляционные – структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами – ван–дер– ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой фазы. Ван-дерваальсовые силы появляются между молекулами с насыщенными связями (инертные газы, H2, N2, CH4). Силы взаимодействия между ними крайне малы: теплота сублимации Cl2 около 5 ккал/моль. В то время как энергия связи Cl-Cl равна 57 ккал/моль.

Среда образует в структуре своеобразную подвижную пространственную сетку, отличную от жесткой сетки каркаса в кристаллических структурах. За счет подвижных прослоек материалы с коагуляционной структурой обладают тиксотропией, т.е. способностью разжижаться под влиянием механических воздействий с обратимым восстановлением структуры и свойств в последующий период покоя. Тиксотропия, пониженная прочность, ярко выраженная ползучесть наиболее характерные свойства коагуляционной структуры.

Конденсационные – структуры, возникшие при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных ковалентных связей.

Но чаще всего встречается смешанный тип структур, причем преобладание того либо иного типа структуры обуславливает различие свойств.

Подвижную пространственную сетку структур ГИМ образуют органические вяжущие вещества – битумы, дегти, термопластичные синтетические смолы и др., обладающие обычно однородной структурой – коагуляционной, аморфной. В эксплуатационных условиях структура материалов может претерпевать изменения: при пониженных температурах наблюдается кристаллизация с образованием полидисперсных органических кристаллов; при повышении – переходит в вязко-текучее состояние с аморфной структурой. К кристаллизации приводит также и старение структур.

Твердые вещества, не обладающие кристаллизационной структурой, относят к аморфным. Для аморфной структуры характерно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов и молекул, но, тем не менее, прослеживается ближний порядок. Такую структуру имеют каучуки, целлюлоза, ряд других полимеров. С течением времени аморфная структура может перейти в кристаллизационную.

Достаточно значительный объем в структуре занимают замкнутые или сообщающиеся поры. Они могут иметь разное происхождение и размеры. Поры нежелательны, т.к. понижают водонепроницаемость ГИМ. Поры и другие виды дефектов структуры являются концентраторами напряжений и аккумуляторами агрессивной среды.

Анализ структуры рубероида – наиболее массового ГИМ и кровельного материала, – показывает наличие в нем пор, незаполненных битумом. В покровном слое пористость достигает величины от 8 % до 10 %, а в картоне от 10 % до 25 %. Увеличение же объема свободных пор на 25 % ускоряет разрушение рубероида в 2,7 раза.

Оптимальная структура такая, в которой частицы, в том числе поры, распределены по объему равномерно; отсутствуют или содержатся в незначительном количестве дефекты; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде жесткой или подвижной пространственной сетки минимальной толщины.

Неоптимальная структура такая, которая не удовлетворяет хотя бы одному из указанных обязательных признаков оптимальности.

Оптимальные структуры обеспечивают высокое качество ГИМ.

Из оптимальных структур выбирается рациональная, при которой ГИМ обладает комплексом заданных показателей качества.

Наряду со структурой ГИМ обладает и определенной текстурой (сложением), т.е. ориентацией главных структурных составляющих. Типичные текстуры – слоистая, волокнистая, зернисто-цементированная, зернисто-рыхлая, неупорядоченная и комбинированная.

2.2 Основные свойства гидроизоляционных материалов

Качество ГИМ определяются их техническими свойствами. Технические свойства объединяются в 4 группы.

1 группа – свойства, непосредственно отражающие отношение материала к водной и паровой средам. Таким образом, они характеризуют гидроизолирующую способность материала: водонепроницаемость, водопоглощаемость, водонасыщение, гидрофобность и гидрофильность.

2 группа – механические свойства материалов: прочность, пластичность, упругость, вязкость. Они определяют как способность ГИМ противостоять механическим воздействиям без нарушения сплошности структуры, так и технологичность их обработки.

3 группа – качественные характеристики, показывающие отношение материала к длительному воздействию внешней среды и геофизических факторов, стабильность основных показателей свойств гидроизоляции во времени. Показатели стабильности: набухаемость, водостойкость, морозостойкость, химическая и биохимическая стойкость, погодоустойчивость, долговечность.

4 группа – адгезионные свойства. Показывают способность ГИМ к сцеплению с поверхностью защищаемой конструкции или с промежуточным клеевым слоем.

При комплексной оценке качества ГИМ наряду с рассмотренными свойствами необходимо учитывать и ряд других свойств: теплоемкость, теплопроводность, звукопроводность, газопроводность, огнестойкость, горючесть, диссипативность.

2.2.1 Свойства, отражающие отношение материала к водной и паровой средам

Пористость – степень заполнения объема материала порами. Рассчитывается по формуле



где ρm – средняя плотность (масса единицы объема материала в естественном состоянии), г/см3.

ρ – истинная плотность (масса единицы объема абсолютно плотного материала), г/см3.

Пористость оказывает негативное влияние на свойства ГИМ.

Водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду при постоянном гидростатическом давлении. Измеряется количеством воды, прошедшей в течение 1 часа через 1 см2 поверхности материала при заданном давлении воды. Также водонепроницаемость может характеризоваться периодом времени, по истечении которого появляются первые признаки просачивания воды при определенном гидростатическом давлении через образец испытуемого материала.

Устройство для определения водонепроницаемости кровельных и гидроизоляционных материалов представлено на рисунке 3.


1 – рабочая камера; 2 – резиновые прокладки; 3 – обра зец; 4 – контактная сетка; 5 – прижимная плита; 6 – зажимные винты; 7 – краны; 8 – резиновая трубка, соединяющая с водопроводом; 9 – манометр

Рисунок 3 – Устройство для определения водонепроницаемости кровельных и гидроизоляционных материалов


Водопоглощаемость – способность материала впитывать и удерживать воду

(процесс впитывания воды – водопоглощение). Характеризуется количеством воды, которую впитывает и удерживает сухой образец после погружения на 24 часа в воду при температуре 20 °С



m3 – масса образца после суточной выдержки в воде, г;

m2 – масса образца после одноминутной выдержки в воде, г;

m1 – масса образца в сухом состоянии до испытания, г. В ряде случаев определяют объемное водопоглощение.

Водонасыщаемость – свойство материала впитывать воду в поры, в которых предварительно искусственным путем с помощью вакуумнасоса был создан вакуум.

Гигроскопичность – способность материала поглощать влагу из паровоздушной среды, в частности из влажного воздуха. Степень поглощения влаги зависит от относительной влажности и температуры воздуха. За стандартную величину принимают отношение массы влаги, поглощенной при относительной влажности воздуха, равной 100 %, и температуре +20 °C, к массе сухого материала.

В материале пары конденсируются, и влага находится в свободном, капиллярном и связанном (адсорбционно-сольватном) состоянии.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Характеризуется количеством воды, теряемой материалом в сутки при относительной влажности воздуха, равной 60 %, и температуре +20 °C.

Гидрофильность и гидрофобность – это способность и неспособность соответственно материала смачиваться водой. Для ГИМ гидрофобность является средством повышения водостойкости, водонепроницаемости и снижения гигроскопичности.

Влажность – содержание влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии.

2.2.2 Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться силовым, температурным, усадочным и другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры и при полном сохранении сплошности.

Между характером структуры и механическими свойствами наблюдается непосредственная взаимосвязь.

Механические (структурно-механические) свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуются наличием деформаций; могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые – упругие и эластичные, – характеризуются полным спадом деформаций, соответственно мгновенным или в течение длительного времени после снятия нагрузок. Величина обратимой деформации – важный показатель качества ГИМ, содержащих каучук и другие каучукообразные компоненты.

Необратимые деформации – пластические, ползучесть – не только не исчезают после снятия нагрузки, но могут даже возрастать, например, под влиянием собственной массы (ползучесть).

Под воздействием силовых факторов наблюдаются как обратимые, так и необратимые деформации.

Характер деформации наиболее четко проявляется после снятия нагрузок по величине и продолжительности их спада (упругому последействию).

Графические зависимости деформаций от времени действия нагрузок представлены на рисунке 4.

Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжений в материале, называется текучестью.

С повышением температуры, уменьшением скорости деформирования, пластическая деформация возрастает (при одинаковой нагрузке).

Ползучесть большинства ГИМ достигает значительных размеров и возрастает с повышением температуры, поэтому деформации ползучести определяются при наивысшей температуре, при которой будет работать материал в конструкции.

При изучении реологических свойств материалов (реология – наука о текучести материалов) пользуются величиной вязкости или обратной ей величиной – текучестью.

Вязкость характеризует внутреннее трение жидкости или сопротивление перемещения одного слоя жидкого вещества относительно другого.


а – упругая деформация; б – упругоэластическая деформация; в – пластическая деформация; г – упруговязкопластическая деформация

Р – нагрузка; εо – упругая деформация; εэ – эластическая деформация; εпл – пластическая деформация

Рисунок 4 – Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок


Рисунок 5 – График текучести (а) и ползучести (б)


Материал, подвергшийся воздействию внешних сил, способен самопроизвольно снимать часть внутренних напряжений за счет молекулярных перемещений и перестройки структуры со снижением упругой энергии и переходом ее в теплоту до состояния устойчивого равновесия в новых условиях. Процесс снижения напряжений в материале при постоянной деформации, строго зафиксированной жесткими связями, называется релаксацией. Время, в течение которого напряжение в материале понижается в е=2,72 раза, называется временем или периодом релаксации (Q). У жидких ГИМ Q~10±10 с, у твердых Q~1010 с и более (т. е. десятки, сотни лет). С повышением температуры и при отсутствии химических превращений период релаксации уменьшается.

При малых периодах наблюдения (нагружения), значительно (в несколько десятичных порядков) меньших периода релаксации материал ведет себя как упругохрупкое тело, а при длительных периодах воздействия нагрузки (наблюдения) тот же материал, даже под воздействием собственной массы, обнаруживает ньютоновское (вязкое) течение (лед).

Вязкое течение может наблюдаться при эксплуатации ГИМ на вертикальных поверхностях. Его значение рассчитывают по формуле



где Е – жесткость;

Q – период релаксации.

Таким образом, удлинение материала без разрывов будет зависеть от жесткости Е и времени релаксации Q.

Прочностные свойства характеризуют способность материала не разрушаясь сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под воздействием механических, тепловых и других факторов. Для ГИМ прочность выражается пределом прочности при разрыве, сжатии, сдвиге, пределом упругости и т.д.

Эти величины являются условными, т.к. зависят от методики испытания материалов и, как правило, не учитывают продолжительности действия нагрузки.

Если для ГИМ с кристаллизационной структурой эти условные показатели хрупкого разрушения можно считать достоверными вследствие огромных периодов релаксации, то в отношении вязко-пластичных материалов при испытании следует учитывать фактор времени.

В случае нехрупко-пластичного разрушения образца обычно определяют лишь условный предел прочности, принимая за него величину частного от деления нагрузки, при которой происходит нарастание деформаций без увеличения усилия (регистрируется на шкале силоизмерителя), на площадь начального поперечного сечения образца в форме цилиндра или призмы. Полимеры испытывают при температуре 20 °C.

Изучая кинетику развития деформаций при постоянной нагрузке или кинетику развития напряжений при постоянных деформациях, получают числовые данные для построения реологических кривых в системе координат ε/σ, где ε – градиент скорости деформации.

По реологической кривой устанавливается предельное напряжение сдвига σк, соответствующее пределу текучести материала.

Сопротивление материала ударному действию нагрузки измеряется количеством работы, затрачиваемой на разрушение образца, принятого по стандарту, отнесенной к единице его объема (кг·см/см3) или к площади поперечного сечения (кг·см/см2).


σs – предел упругости; σт – преде л текучести; σр – предел прочности

Рисунок 6 – График предельных напряжений


где σ – напряжения; ε – деформации; η – текучесть

Рисунок 7 – Реологическая кривая


Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него других, более твердых тел. Метод определения твердости основан на вдавливании в испытуемый образец стального шарика или на перемещении по поверхности образца специального твердого наконечника (индентора). Мерой твердости служит отношение нагрузки к площади отпечатка.

Гибкость – для рулонных ГИМ определяется путем огибания вокруг бруска с криволинейной поверхностью образцов-полосок стандартной ширины на угол 180° при определенной температуре. Качество оценивают по нарушению сплошности материала при изгибе.

Технологические свойства или удобообрабатываемость также отражают механические свойства. Основные среди них – подвижность смесей, жесткость их, уплотняемость, укрывистость.

2.2.3 Свойства, характеризующие долговечность материала

Под ними понимают способность материала сохранять, не изменяя свою структуру, а в ряде случаев упрочнять ее со временем за счет процессов старения. Основными дестабилизирующими факторами являются вода, колебания температуры, климатические и биологические факторы.

Набухаемость – способность материала увеличиваться в объеме при насыщении водой. При этом наблюдается поглощение гигроскопичной (пленочной) воды. Это сопровождается раздвижкой отдельных структурных частиц. При последующем высыхании наблюдаются усадочные явления и восстановление структуры, но не полное. Многократное набухание и высыхание сопровождаются разрушением материала.

Водостойкость – способность материала сохранять в водонасыщенном состоянии механические свойства. Характеризуется отношением предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное, циклическое замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Для ГИМ после 5 и более циклов испытания снижение прочности должно быть в определенных пределах, например, не более чем на 10-25 %, а потеря в массе – не более 5 % от первоначальных значений.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться агрессивному действию среды и сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Влияние среды проявляется в старении материалов.

Биохимическая стойкость – способность материала сопротивляться биологическим процессам, возникающим в эксплуатационный период и связанными с заражением грибами, порчей насекомыми, прорастанием растений и т.п.

Теплостойкость – способность материала сохранять в допустимых пределах механические и другие технические свойства при нагревании. Определяется температурой, при которой начинается деформирование испытуемого образца.

Температуроустойчивость – способность образцов выдерживать в сушильном шкафу без видимых деформаций в течение определенного времени заданную температуру в подвешенном состоянии.

2.2.4 Свойства, характеризующие адгезию

Под адгезией понимают способность двух разнородных материалов сцепляться своими поверхностями, например, гидроизоляционного с конструкционным. Адгезия определяет прочность и стабильность гидроизоляционного слоя на защищаемой поверхности. Различные ГИМ имеют разное сцепление с одной и той же поверхностью. Прочность прилипания, например, мастики, зависит от ее поверхностного натяжения, вязкости, температурных условий, концентрации ПАВ и т.д.


1 – поверхность; 2 – мастика; 3 – воздух

Рисунок 8 – Краевой угол смачивания гидроизоляционным материалом гидрофобной поверхности


Адгезия рассчитывается по формуле



где σã‒â – поверхностное натяжение гидроизоляционного вещества (Г) на границе раздела с воздушной средой (В);

φ – краевой угол смачивания на границе раздела гидроизоляцияподкладка (П).

Для увеличения адгезии необходимо увеличить σг‒в либо снизить φ. Величина φ зависит от природы поверхности подкладки. Необходимо гидрофобизировать ее за счет, например, хемосорбции на границе раздела фаз.

Основным же регулятором адгезии является σг‒в, которое находится в прямой зависимости от вязкости и в обратной – от квадрата толщины склеивающей пленки. Повышение вязкости для каждого материала имеет некоторую предельную границу, поскольку сопровождается быстрым ростом периода релаксации, т.е. развитием упруго-хрупких свойств, что может оказаться крайне нежелательным в области отрицательных температур. Со снижением смачиваемости материала уменьшается и адгезия. Смачиваемость повышается со снижением вязкости, поверхностного натяжения, при повышении температуры и вибрационном воздействии.

Оценка адгезионной способности ГИМ проводится на приборах методом сдвига и отрыва. Эти методы условные, т.к. не учитывают релаксацию напряжений, что приводит к завышению показателей адгезии.

При комплексной оценке качества твердых и вязкопластичных ГИМ учитывают также величину когезии, т.е. прочность связи молекул (атомов, ионов) самого ГИМ, что обусловлено межмолекулярным электростатическим взаимодействием и химической связью.

2.2.5 Стандартные методы и приборы для оценки свойств

Для рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов определяют полноту пропитки картонной основы вяжущим, разрывную нагрузку при растяжении в продольном и поперечном направлениях, гибкость, массу покровного слоя, прочность сцепления крупнозернистой посыпки с покровным слоем, цветостойкость посыпки.

У мастичных ГИМ – битумных, битумно–резиновых и др. – производят проверку внешнего вида, определение теплостойкости, хрупкости, гибкости, клеящих свойств, деформативности, вязкости, содержания воды и водопоглощения, содержания наполнителя и сухого остатка, биостойкости, уровня токсичности, однородности, плотности, времени отверждения и высыхания, цвета и др.