Эластомерные невулканизованные гидроизоляционные материалы строительного назначения

В строительстве тоннелей для гидроизоляции при щитовой проходке и микротоннелирова-нии применяются системы уплотнения железобетонных элементов на основе эластомерных гидроизоляционных материалов [1]. При строительстве сооружений перерывы в бетонировании, раздельное литье вначале горизонтальной, а затем вертикальной части построек, укладка бетона на металл приводят к образованию так называемых «холодных швов» [2]. Для их гидроизоляции применяются эластомерные материалы в виде шнуров и лент, которые обладают способностью набухать в воде, проникающей в неплотности швов, заполнять свободный объем и препятствовать протеканию воды. Когда временные протечки при устройстве стыков недопустимы, водонабухающие материалы применяются в качестве дублирующей аварийной гидроизоляции строительного объекта [3].

В настоящее время для этих целей используются материалы в основном зарубежного производства: GX-7615, Waterstor, Redstop, Bentostrip, Contite Waterstop, Bentorub и пр. Из водонабухающих эластомерных материалов российских производителей известны материалы Суперстоп, Аквастоп, Барьер, Гидрофест и пр. [3, 4], доля которых в общем объеме производства незначительна. В последнее десятилетие в России отмечается значительный рост темпов жилищного строительства, промышленных зданий и сооружений, поэтому разработка гидроизоляционных эластомерных материалов на основе доступного отечественного сырья является особенно актуальной.

Для изготовления гидроизоляционных материалов применяются добавки, увеличивающие их набухание (полиакриламид, карбоксиме-тилцеллюлоза, бентонит и пр.) [5, 6]. Наиболее востребованными являются герметики в виде шнуров, жгутов, лент и профилей различного сечения на основе бентонита.

Принцип действия бентонитового гидроизоляционного шнура основан на свойствах бентонита поглощать влагу. Таким образом, в контакте с водой шнур разбухает в пределах ограничивающего его объема и надежно герметизирует места протечек в швах бетонирования. В гидроизоляционных изделиях применяют бентонит с высоким содержанием монтмориллонита. Существуют два типа бентонитов – кальциевый, с низкой степенью набухания и натриевый, с высокой степенью набухания. В объёмной форме, где достаточно много свободного места, бентонит может увеличиваться в 15 раз от своего первоначального объёма и в 5 раз от своего первоначального веса за счёт впитывания воды [1].

К набухающим профилям предъявляются требования высокой эластичности, стойкости к атмосферным воздействиям, а главное – высокой способности к набуханию. Поэтому для их производства применяются бутилкаучук, этиленпропиленовый сополимер, полиуретан и другие полимеры, стойкие к внешним воздействиям, в комбинации с гидрофильными наполнителями [7].

При изготовлении неформовых уплотнителей применяется оборудование экструзионного типа. В связи с этим к эластомерным композициям предъявляются требования хорошей шприцуе-мости и когезионной прочности.

Целью исследований явилась разработка эластомерных невулканизованных гидроизоляционных материалов на основе бентонита – бентонитовых шнуров (БШ), изучение их свойств и разработка рекомендаций по их использованию.

На первом этапе проведены сравнительные испытания по способности набухать в воде промышленных образцов гидрофильных герметиков, поставляемых в Россию зарубежными фирмами и их отечественных аналогов. Исследованы шесть типов образцов в виде жгутов прямоугольного сечения. Полимерная основа и компоненты, обеспечивающие набухание в воде данных герметиков неизвестны.

Испытания проводили в водопроводной воде, химический анализ которой показал наличие следующих компонентов, мг/дм3: соли жесткости (Са, Mg) – 4,489; железо – 0,085; марганец – 0,050. Как видно в воде присутствуют металлы, входящие в состав бентонитовых глин [8–9]. Образцы промышленных герметиков выдерживали в воде в течение 7 суток с промежуточным отбором проб для определения набухания. Набухание оценивали по изменению массы образцов до и после выдержки в воде:

N = 100(m – m0)/m0, где m0, m – масса образца до и после набухания, соответственно.

Полученные данные представлены на рисунке 1.Из данных рисунка 1 следует, что образцы 1, 2, 5, 6 проявили ограниченное набухание в течение всего срока испытания с увеличением массы в 1,1 - 2,8 раза. Профили 3 и 4 показали набухание с их последующим разрушением после первых суток испытания.

N, % 400

t, day

Рисунок 1. Зависимости набухания (N) промышленных образцов зарубежных поставщиков (1–4) и российских производителей (5–6) от времени (t)

Figure1. Depending swelling (N) industrial designs of foreign suppliers (1–4) and Russian producers (5–6) from the time (t)

На следующем этапе проведено обоснование и выбор компонентов БШ. Выбор компонентов и оптимизацию состава БШ осуществляли исходя из требования обеспечения высокого набухания (не менее 100 %) при условии соответствия технологических свойств материалов нормативным требованиям.

В качестве полимерной основы БШ выбран насыщенный этиленпропиленовый каучук, обладающий уникальными свойствами по стойкости к атмосферному старению. Наполнителями являлись бентонитовые порошки разных месторождений, содержание которых варьировалось от 50 до 300 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука. Использовали бентониты производства ОАО «Журавский охровый завод» (ГОСТ 28177-89), ОАО «Хакасский бентонит» (ТУ 39-202-86), ООО «Азбентонит» (TS AZ 5048340-01-2005). Рецептуры композиций содержали различные целевые добавки, способствующие лучшему распределению бентонитов в эластомерной матрице (жирные кислоты, поверхностноактивные вещества) [10], а также повышающие набухание (соли и оксиды металлов).

Изготовление композиций проводили на лабораторных вальцах ЛБ 320 160/160 с фрикцией 1:1,14 при температуре 60±5 ºС. Профилирование осуществляли на шприц-ма-шине МЧT-65 при температуре 120 ºС и скорости 20 м/мин. Шприцуемость смесей оценивали [11] сравнением поверхности граней и ребер образца длиной 20 см, вырезанного из среднего участка, с профилем эталона по 10-бальной шкале оценки шприцуемости (немецко-русская система).

На рисунке 2 представлены результаты испытаний БШ на основе бентонитов разных производителей при их содержании 100 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука.

Рисунок 2. Зависимости набухания (N) БШ на основе бентонитов разных производителей от времени (t): 1 – Журавский; 2 – Хакасский; 3 – Азбентонит

Figure 2. Depending swelling (N) CB on the basis of different manufacturers bentonites from the time (t):1 –

Zhuravskiy; 2 – Khakassky; 3 – Azbentonit

Установлено, что максимум поглощения воды наблюдается в течение первых 2-х суток, после чего набухание практически не изменяется и достигает 21,3 % для БШ с бентонитом Журавским, 21 % – Хакасским и 25,2 % с Азбентонитом.

Сопоставление характеристик применяемых бентонитов приведено в таблице 1.

Высокая влажность бентонита, по нашему мнению, является основной причиной низкого набухания, а также возникновения пузырей на поверхности резиновых смесей при их вальцевании, затрудняющих дальнейшее получение монолитного профиля. Отмечено, что при профилировании резко ухудшалась шприцуемость заготовок, показатели которой составили 8–9 баллов. Для интенсификации удаления поверхностной и внутренней влаги процесс сушки осуществляли в 2 этапа: в течение 18 ч при 50 ºС, затем в течение 2 ч при 130 ºС, в результате содержание влаги составило мене 2 %.

Анализ рассмотренных марок применяемых бентонитов показал, что наиболее высоким содержанием монтмориллонита обладает Азбентонит [10]. Поэтому дальнейшие работы вели с этой маркой бентонита.

Таблица 1.

Характеристики применяемого бентонита

Characteristics used bentonite

Table 1.

no.	Бентонит Bentonite	Средний химический состав Average chemical composition							Влажность*, % Moisture contents, %
		SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	K 2 O	Na 2 O
1	Журавский Zhuravskiy	56,3	14,0	4,2	1,5	1,7	1,1	0,6	9,0
2	Хакасский Khakassky	59,7	18,6	3,9	2,8	2,4	1,6	1,0	10,2
3	Азбентонит Azbentonit	60	17,5	5,3	4,5	3,5	2,0	2,7	5,1

*Показатель определяли при 105 ºС в течение 2 ч. | index is determined at 105 °C for 2 hours.

Для улучшения свойств бентонитовых порошков их активируют – обогащают катионами более подвижного элемента, при этом происходит замена в структуре бентонита двухвалентных ионов Ca и Mg на одновалентный ион щелочного металла. Активацию бентонита можно проводить различными методами [12]: «мокрый», «сухой», в суспензии.

В данной работе осуществляли активацию бентонита сухим способом, путём механического перемешивания NaCl и Na 2 CO 3 c бентонитом и последующей вылежкой в течение 24 ч. Активация в этом случае происходит за счёт остаточной влажности бентонита.

На основе активированного Азбентонита были получены 3 образца, содержащие 3 % NaCl, 5 % Na 2 CO 3 и их комбинацию с общим содержанием 7 %, соответственно.

Анализ данных (рисунок 3) показал после активации бентонита набухание композиций увеличивается с 25 % до 175 %.

Для оценки влияния дозировки бентонита на набухание были получены профили, содержащие 100, 150, 200, 250 и 300 мас. ч. Азбентонита. Установлено, что при введении бентонитового порошка более 200 мас. ч. наблюдается существенное увеличение набухание, но при этом ухудшаются технологические свойства БШ.