РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Традиційними компонентами гарячих бітумно-полімерних гідроізоляційних мастик є бітум, полімер, наповнювач та пластифікатор. Технологія приготування бітумно-полімерних мастик полягає у виготовленні бітумно-полімерної композиції, після чого до її складу здійснюється поступове введення необхідної кількості наповнювача та пластифікатору.
Властивості бітумно-полімерних композицій суттєво залежать від структури та властивостей матричного бітуму.
Як відомо, бітуми різних структурних типів характеризуються різним груповим складом. Бітуми типу "золь" характеризуються низьким вмістом масел і асфальтенів, та високим вмістом смол. Надмолекулярна просторова структура із асфальтенів у бітумів типу "золь" відсутня (рис.2.1). Вони характеризуються високою дуктильністю та температурою крихкості, температурною чутливістю показників міцності та поведінкою ньютонівської рідини.
Рис. 2.1. Схематичне зображення структури бітуму типу "золь" [124]
Бітум типу "гель" характеризується підвищеним вмістом асфальтенів та масел, і низьким вмістом смол. Асфальтени беруть участь у формуванні внутрішньої надмолекулярної просторової структури бітуму (рис. 2.2). В результаті цього цей тип бітуму характеризується помірною температурною чутливістю показників властивостей, малою дуктильністю, значною тиксотропністю та неньютонівською поведінкою.
Рис. 2.2. Схематичне зображення надмолекулярної просторової структури бітуму типу "гель" [124]. Позначення такі ж як на рис. 2.1.
Бітуми типу "гель" представляють собою колоїдно-дисперсну систему, яка складається з асфальтенів, з адсорбованими на їх поверхні полярними смолами, які утворюють міцели, які у свою чергу розподілені у масляній фракції, яка входить до складу мальтенів. До складу смол входять ароматичні вуглеводні з високою молекулярною масою та ароматичні вуглеводні з низькою молекулярною масою, а до складу мальтенів - нафтенові ароматичні вуглеводні, нафтенові аліфатичні вуглеводні та насичені вуглеводні.
Кількість міцел у складі бітуму залежить від співвідношення асфальтенів, смол і масел, та температури. При підвищенні температури шар смоли на поверхні міцел реагує на температуру, звільняючи частину масляної фракції, в результаті чого збільшується об'єм мальтенової фази. При зниженні температури шар смоли адсорбує частину масел мальтенової фази, збільшуючи розмір та об'єм міцел (рис. 2.3). При відносно високих температурах ступінь дисперсності є таким високим, що бітум поводиться як чисто ньютонівська рідина. При зниженні температури у бітумі "гель" із міцел формується просторова надмолекулярна структура, що схематично показано на рис. 2.2.
Рис. 2.3. Модель колоїдної структури бітуму типу "гель" при високій температурі
За рахунок того, що при високій температурі об'єм мальтенової частини бітуму типу "гель" зростає, це сприятиме швидшому набряканню та повному розчиненню полімеру у ньому, порівняно з бітумами типу "золь", або перехідного типу "золь-гель", у яких об'єм мальтенової частини значно менший.
Для виготовлення бітумно-полімерних гідроізоляційних мастик доцільно застосовувати полімери класу термопластичних еластомерів (типу стирол-бутадієн-стирол). Цей тип полімерів представляє собою двофазний термопластичний блок сополімеру, у якого сферичні домени полістиролу розподілені у матриці полібутадієну (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Схематичне зображення структури полімеру типу СБС
Термопластичні еластомери надають наповнюваній ними матриці міцність та еластичність завдяки зшиванню молекул у тривимірну сітку [125]. Це досягається за рахунок укрупнення блоків полістиролу у окремі домени, що забезпечує утворення міжмолекулярних зв'язків для тривимірної матриці полібутадієну. При цьому блоки полістиролу надають міцність полімерній сітці, а середні полібутадієнові блоки надають матеріалу еластичність.
На початку суміщення компонентів бітумно-полімерної композиції виникає багатофазна гетерогенна дисперсна система, у якій дисперсійним середовищем є мальтенова частина бітуму, а дисперсною фазою - асфальтени та гранули полімеру. Значний вплив на швидкість дифузії, набрякання та розчинення полімеру має концентрація мальтенів у складі бітуму, його в'язкість і, відповідно, температура. По мірі підвищення температури бітуму швидкість вказаних процесів прискорюватиметься. При цьому необхідно обмежувати температуру нагрівання бітуму до 195 °С, вище якої виникає, при тривалому перемішуванні, небезпека часткової термодеструкції полімеру та старіння бітуму.
Після завершення стадії дифузії низькомолекулярних компонентів бітуму у гранули полімеру настає друга стадія, при якій низькомолекулярні компоненти бітуму проникають в поверхневий шар макромолекул стирол-бутадієн-стиролу, що збільшує рухливість макромолекул полімеру [126]. З цього починається набрякання полімеру під дією насичених та ароматичних вуглеводнів бітуму [127], яке супроводжується зменшенням вільної енергії в системі розчинник - полімер [128, 129]. Розсунуті в результаті набрякання макромолекули полімеру починають дифундувати в бітум. Вказаний процес закінчується при досягненні однакової концентрації полімеру в усьому об'ємі бітуму.
В результаті розчинення у бітумі утворюється полімерна сітка, яка надає йому як теплостійкість, так і еластичність. При концентрації СБС вище 6-10 % домінуючий вплив на властивості бітумно-полімерної композиції має полімер [107, 130]. Критичний вміст полімеру, який викликає інверсію фаз композиції, залежить від в'язкості матричного бітуму. У зв'язку з тим, що полімери типу СБС з розгалуженою структурою сприяють більшому зростанню температури розм'якшення бітумно-полімерних композицій, порівняно з лінійними СБС, для отримання ви