Trwałość współczesnych materiałów hydroizolacyjnych

Asfalt oraz produkty asfaltopochodne znajdują się w czołówce najczęściej stosowanych materiałów budowlanych. Wprowadzono je do powszechnego użytku w budownictwie na początku XX wieku.

Największe zastosowanie znalazły przy budowie dróg - jako spoiwo w mieszankach mineralno-asfaltowych. 50 lat później zaczęto stosować te produkty do wytwarzania materiałów hydroizolacyjnych.

Asfalt, jako materiał budowlany, ma wiele wad i niedoskonałości. Jest substancją organiczną, która łatwo ulega destrukcyjnemu działaniu atmosferycznych czynników zewnętrznych (np. promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe).

Wiele ośrodków naukowych prowadzi badania, których celem jest znalezienie "idealnego" modyfikatora asfaltu. Poszukiwana jest technologia, która zmieni wybrane parametry asfaltu: zwiększy jego trwałość, poprawi odporność na ekstremalnie niskie i wysokie temperatury.

Początkowo były to proste zabiegi polegające na stabilizowaniu właściwości asfaltu poprzez dodanie mączki mineralnej, mieszaniu z siarką lub lateksem.

Na etapie wdrażania technologii uważano SBS za materiał idealny do modyfikacji asfaltów: produkt ten blokuje proces starzenia asfaltu oraz zmniejsza jego podatność na zmiany temperatury.

Modyfikacja asfaltów

Metody historyczne

Pierwsze próby modyfikacji lepiszczy zostały podjęte już na początku XX wieku. Opracowano wówczas sposób produkcji tzw. asfaltu siarkowanego, zwanego asfaltem Dubbsa.

Kolejne próby, przypadające na lata 50. XX w., zaowocowały wieloma metodami poprawy właściwości asfaltu. Do dzisiaj wykorzystuje się mieszanie asfaltu z mączką mineralną, co skutkuje wyraźnym wzrostem lepkości surowca, zależnym od ilości użytej mączki oraz od jej składu mineralogicznego i granulometrycznego [1-9]. 

Zaleca się stosowanie tzw. mączek zasadowych, wykonanych ze skał, takich jak wapień lub marmur o dobrej adhezji ziaren do asfaltu (zawartość Si0₂<50%) [1-4].

Przedstawiony sposób modyfikacji stosowany jest współcześnie, np. podczas produkcji wierzchniej warstwy papy. Znane są technologie produkcji mieszanek bitumicznych (np. klej asfaltowy Shell Tixophalte), które uwzględniają użycie mączek krzemionkowych (skała kwaśna), zawierających więcej niż 50% SiO₂ [1-4].

Na RYS. 1. przedstawiono zależność logarytmu lepkości od temperatury dla asfaltu czystego oraz z dodatkiem mączki. Obserwuje się utwardzenie asfaltu spowodowane dodatkiem mączki, powodujące polepszenie właściwości użytkowych w wyższej temperaturze [6].

Druga z historycznych metod modyfikacji asfaltów używanych do produkcji budowlanych mas hydroizolacyjnych polega na dodaniu do asfaltu tzw. mleczka kauczukowego. Najczęściej stosowane są produkty wytwarzane na bazie kauczuku chloroprenowego (CR), butadienowo-styrenowego (SBR) lub naturalnego [6].

Współcześnie z wykorzystaniem lepiszcza asfaltowo-kauczukowego produkuje się masy do wykonywania na zimno izolacji wodochronnych oraz masy emulsyjne do konserwacji pokryć dachowych (na rynku polskim znane pod nazwami handlowymi: Gum-Bit, Dysperbit) [6].

Intensywny rozwój chemii polimerów w drugiej połowie lat 70. XX wieku oraz kryzys naftowy w 1973 roku spowodowały upowszechnienie technologii asfaltów modyfikowanych. Modyfikator asfaltu powinien spełniać następujące warunki:

• być tani,
• być odporny na degradację podczas mieszania z asfaltem w wysokiej temperaturze,
• poprawiać właściwości asfaltu w wysokiej i niskiej temperaturze,
• trwale utrzymywać polepszone właściwości, po wymieszaniu z asfaltem, podczas przechowywania wyrobu i jego eksploatacji.

Do modyfikatorów asfaltów zalicza się [6]: 

• polimery: elastomery i plastomery,
• środki adhezyjne,
• miał gumowy oraz lateksy,
• mączki mineralne,
• żywice syntetyczne,
• związki organometaliczne,
• antyutleniacze,
• siarkę,
• oleje popirolityczne,
• węglowodory,
• włókna.

Metody współczesne - polimeroasfalty

Najbardziej rozpowszechnione modyfikatory asfaltów należą do grupy polimerów.

Słowo "polimer", pochodzące od greckiego polymeres,oznacza "składający się z wielu części" [10]. Termin ten określa organiczne związki wielkocząsteczkowe pochodzenia naturalnego lub syntetycznego. Są to substancje złożone z jednakowych, powtarzających się jednostek prostych, zwanych merami [10]. Liczba merów w makrocząsteczce określa stopień polimeryzacji (zwykle powyżej 100).

Polimery otrzymuje się poprzez modyfikację polimerów naturalnych, np. kauczuku, lub na drodze syntezy związków małocząsteczkowych.

Polimery syntetyczne dzieli się na związki otrzymane w wyniku [6]:

• polimeryzacji,
• poliaddycji,
• polikondensacji.

Rozpatrując strukturę polimerów, można wyróżnić różnego rodzaju powiązania [10]:

• w odniesieniu do pojedynczego łańcucha wyróżnia się polimery: ataktyczne, izotaktyczne oraz syndiotaktyczne,
• w odniesieniu do budowy łańcucha i powiązania łańcuchów między sobą rozróżnia się polimery: liniowe, rozgałęzione oraz usieciowane. 

Polimery, ze względu na ich przydatność techniczną, dzieli się na dwie główne kategorie:

• polimery termoutwardzalne (lub chemoutwardzalne), które twardnieją nieodwracalnie po ogrzaniu do odpowiedniej temperatury (lub po dodaniu utwardzacza), tworząc łańcuchy uformowane w trójwymiarową sieć, co uniemożliwia zmiany ich właściwości przy zmianach temperatury,
• polimery termoplastyczne - o budowie liniowej lub rozgałęzionej (nieusieciowane), które pod wpływem ogrzewania miękną, a po ostudzeniu powtórnie twardnieją. Proces ten jest odwracalny i powtarzalny, polimery termoplastyczne wprowadza się do asfaltu w wysokiej temperaturze, a otrzymany kompozyt ma charakter cieczy lepkiej.

Wśród polimerów termoplastycznych wyróżnia się plastomery i elastomery. W temperaturach eksploatacyjnych właściwości tych materiałów różnią się pod względem sztywności, odkształcalności oraz wytrzymałości na obciążenia.

Wybrane typy polimerów termoplastycznych można zastosować do modyfikacji asfaltów. Użyteczne są te substancje, które wraz z asfaltem tworzą homogeniczne struktury. Działanie polimerów polega m.in. na zwiększeniu temperatury mięknienia, poprawieniu elastyczności w niskiej temperaturze, poprawieniu wrażliwości termicznej oraz zwiększeniu wytrzymałości na odkształcenia pod wpływem działania siły [11]. 

W praktyce budowlanej do modyfikacji asfaltów wykorzystywane są najczęściej następujące rodzaje polimerów [1, 2, 3, 6, 11, 12]:

1. Elastomery termoplastyczne:

• kopolimer styren-butadiene-styren (SBS) RYS. 2-3,
• kopolimer styren-izopren-styren (SIS),
• kopolimer styren-butadien-kauczuk (nieuporządkowany) (SBR),
• kopolimer styren-etylen-butadiene-styren (SEBS),
• kopolimer izobutylen-izopren (IIR).

2. Plastomery termoplastyczne:

• kopolimer etylen-octan winylu (EVA),
• kopolimer etylen-akrylan metylu (EMA),
• kopolimer etylen-akrylan butylu (EBA),
• ataktyczny polipropylen (APP),
• poliizobutylen (PIB),
• termopolimer etylen-propylene-dien (EPDM).

Obecnie na rynku dostępnych jest wiele rodzajów polimerów służących do modyfikacji asfaltów oraz wykonywania połaciowych materiałów pokryciowych.

Poniżej przedstawiono przykładowe odmiany polimerów używanych przy produkcji powłokowych materiałów hydroizolacyjnych [6]:

• kopolimer etylen-bitum (ECB),
• kopolimer olefina-bitum (OCB),
• kopolimer olefina-bitum, barwiony (OCC),
• elastyczna poliolefina (FPO),
• chlorowany polietylen (PE-C),
• polietylen modyfikowany związkami poliolefinowymi (TPE).

Elastomeroasfalty i plastomeroasfalty różnią się znacznie pod względem większości parametrów użytkowych. Przyczyna tych różnic tkwi głównie w sposobie działania danego polimeru w asfalcie. 

Elastomery tworzą wewnątrz asfaltu przestrzenną sieć - tzw. sieciowanie fizyczne. Do najczęściej wykorzystywanych elastomerów należą kopolimery styrenowo-butadienowe o strukturze nieuporządkowanej. 

Kopolimery blokowe SBS i SIS zachowują się podobnie do kauczuku wulkanizowanego usieciowanego poprzecznie [13, 14, 15]. Jest to spowodowane faktem, że końcowe bloki polistyrenu łączą się w domeny, które w temperaturze pokojowej działają jako sztywna ("szklana") sieć połączona sprężystymi łańcuchami polibutadienu (lub poliizoprenu). 

Materiały te zawdzięczają swoją wytrzymałość i elastyczność fizycznemu sieciowaniu przestrzennemu cząstek. W wysokich temperaturach (powyżej temperatury zeszklenia styrenu, która wynosi 100°C) stają się płynne, co odróżnia je od kauczuków sieciowanych chemicznie (w procesie wulkanizacji).

Jednak usieciowanie fizyczne odbudowuje się po ochłodzeniu. Końcowe bloki polistyrenowe nadają polimerowi wytrzymałość, podczas gdy łańcuchy polibutadienu powodują jego wyjątkową sprężystość [13, 14, 15]. (RYS. 4.)

Podczas modyfikacji asfaltów polimerami należy zwrócić uwagę na jednorodność polimeru wprowadzonego do asfaltu oraz stabilność koloidalną lepiszcza modyfikowanego. Polimer powinien być zgodny (kompatybilny) z asfaltem i utrzymywać tę zgodność podczas przechowywania lepiszcza i w procesie produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych [6].

Składniki lepiszczy modyfikowanych (asfalt i polimer) różnią się bardzo istotnie budową chemiczną, a także masą cząsteczkową, lepkością i gęstością. Zastosowany rodzaj asfaltu ma także wpływ na jakość gotowego produktu.

Optymalny asfalt do modyfikacji polimerem styrenowo-butadienowym powinien mieć wysoką zawartość związków aromatycznych oraz niską zawartość asfaltenów. RYS. 5 przedstawia wpływ składu grupowego wyjściowego asfaltu na właściwości lepiszcza modyfikowanego elastomerami.

Plastomery termoplastyczne (typu polietylenu i polipropylenu), modyfikując asfalt, nie tworzą w nim wewnętrznej sieci, pełnią rolę wypełniacza. Po wprowadzeniu do układu koloidalnego asfaltu stanowią odrębne, niezwiązane między sobą cząstki.

W efekcie następuje zwiększenie lepkości i sztywności układu. W niskich temperaturach zwiększenie sztywności nie powoduje poprawy zdolności odkształcenia sprężystego.

Przy modyfikacji asfaltów plastomerem tworzą się stany przejściowe pomiędzy ciągłą fazą asfaltową (poniżej 5% polimeru) i ciągłą polimerową (powyżej 5% polimeru), co powoduje wyraźny przyrost temperatury mięknienia oraz znaczący przyrost indeksu penetracji. Przydatność plastomerów jako modyfikatorów asfaltu ogranicza fakt, że nie powodują poprawy sprężystości asfaltu w takim stopniu jak elastomery [10].

Z danych zawartych w TABELI 1 wynika, że modyfikacja asfaltu elastomerami korzystniej wpływa na jego właściwości niż modyfikacja plastomerami (zmiany dotyczą przedziału plastyczności, temperatury łamliwości wyznaczonej metodą Fraassa).

W przypadku produkcji materiałów hydroizolacyjnych porównano przydatność polimerów plastomerowych i elastomerowych. Bunch-Nielson [16] wykonał serię porównawczych badań starzeniowych pap wyprodukowanych z użyciem asfaltów modyfikowanych SBS i APP.

Celem badań było określenie wytrzymałości na rozerwanie dwóch pasków papy szerokości 50 mm, sklejonych lepikiem lub zgrzanych. Próbki zostały zbadane po 90 dniach starzenia w temperaturze 20°C oraz 70°C.  

TABELA 2 przedstawia wyniki badań różnego typu połączeń pap wykonanych z użyciem asfaltów modyfikowanych APP, SBS oraz pap tradycyjnych.

Analiza danych z TABELI 2 wykazuje, że najsilniejsze i najbardziej odporne na starzenie termiczne jest połączenie SBS-SBS, a najsłabsze SBS-APP.

Papy wykonane z asfaltów modyfikowanych APP nie są już oferowane. Należy jednak pamiętać, że w przypadku remontu starych pokryć dachowych w ramach jednego dachu nie należy łączyć ze sobą papy modyfikowanej SBS z APP.

Proces modyfikacji polimerami

Obecnie w budownictwie rzadko wykorzystuje się czysty asfalt, niepoddany modyfikacji. Proces modyfikacji asfaltu, w wyniku wielu lat badań i doświadczeń, został dobrze poznany i znormalizowany (RYS. 6).

Technologia ta polega na osiągnięciu takiego rozproszenia SBS w asfalcie, aby uzyskana mieszanina była jednorodna, a wewnątrz asfaltu powstała fizyczna sieć SBS. Modyfikacja SBS powoduje, że podczas pęcznienia elastomer zwiększa swoją objętość do 9 razy, pochłaniając głównie części frakcji olejowej asfaltu [6, 10].

Proces produkcji asfaltu modyfikowanego składa się z trzech faz [6]:

• faza I - pęcznienie SBS - podanie odpowiedniej ilości elastomeru do asfaltu o temperaturze ok. 180-190°C. W tak wysokiej temperaturze SBS zaczyna stopniowo pęcznieć, ponieważ asfalt (jego frakcja olejowa) zaczyna wnikać w głąb polimeru, polimer staje się coraz bardziej miękki,
• faza II - ścinanie - miękki SBS zostaje przepuszczony przez młyn ścinający, w którym następuje ostateczne rozdrobnienie polimeru. Przepuszczenie asfaltu z SBS przez młyn może być wielokrotne, aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny, bez widocznych grudek lub ziaren polimeru,
• faza III - dojrzewanie i sieciowanie - po wyjściu z młyna ścinającego mieszanina asfaltu z rozdrobnionym SBS przechowywana jest w podgrzewanych zbiornikach, w których następuje dojrzewanie produktu.
  
  W gorącym asfalcie cząsteczki polimeru SBS, w których końcówki polistyrenowe są miękkie i łańcuch polibutadienowy jest spęczniały, pozostają niepołączone. Dopiero podczas spadku temperatury następuje stopniowe tworzenie się fizycznej, przestrzennej sieci SBS.

Asfalt modyfikowany produktami odpadowymi

Ważnym zagadnieniem w dziedzinie modyfikacji asfaltów jest wykorzystanie do tego celu materiałów odpadowych. Stosując odpady przemysłowe, można przy niskich kosztach produkcji uzyskać poprawę właściwości lepiszczy, jednocześnie przyczyniając się do ochrony środowiska naturalnego [18].

Przykładem modyfikacji asfaltów za pomocą materiałów odpadowych jest zastosowanie miału gumowego ze zużytych opon. Szczegółowo problematyką modyfikacji lepiszczy asfaltowych ("wet system") oraz mieszanek mineralno-asfaltowych ("dry system") miałem gumowym zajmowało się wielu autorów.

Stosowanie gumy odpadowej w budownictwie drogowym rozpoczęto na początku lat 50. XX wieku. Obecnie najwięcej mieszanek mineralno-asfaltowych modyfikowanych gumą wykonuje się w USA, Kanadzie i krajach Europy Zachodniej.

Modyfikacji asfaltów wykorzystywanych do produkcji materiałów hydroizolacyjnych z wykorzystaniem zużytych opon w Polsce obecnie się nie wykonuje. Próby takie powinny zostać przeprowadzone. Modyfikacja asfaltów miałem gumowym prowadzi do polepszenia ich właściwości, wśród których jako najważniejsze można wymienić [18]:

• zwiększenie sprężystości,
• zwiększenie odporności na działanie wysokiej temperatury (wzrost lepkości i temperatury mięknienia),
• zwiększenie odporności na działanie niskiej temperatury.

Podsumowanie

Wzrastające wymagania w stosunku do asfaltowych materiałów hydroizolacyjnych ukierunkowały technologię na zastosowanie asfaltów miękkich i ich modyfikacji za pomocą polimerów (lub kopolimerów) termoplastycznych.

W wyniku modyfikacji asfalty uzyskują nowe właściwości. Dodatek polimerów poprawia podstawowe właściwości reologiczne i termoplastyczne asfaltów - zwiększa jego trwałość, poprawia odporność na ekstremalnie niskie i wysokie temperatury.

Niestety metody te (podobnie jak w budownictwie drogowym) nie są w pełni efektywne, zarówno ze względów technicznych, jak i ekonomicznych. Zbyt wysoka lepkość polimeroasfaltów, wymagająca wysokich temperatur i długotrwałego mieszania technologia skłania do poszukiwania nowych materiałów mogących modyfikować asfalty.

Literatura

1. K. Zieliński, M. Babiak, "Analiza możliwości spowolnienia procesów starzeniowych w asfaltach stosowanych do wyrobu materiałów hydroizolacyjnych", "Materiały budowlane" 06/2013.
2. K. Zieliński, M. Babiak, "Starzenie asfaltów zawartych w hydroizolacyjnych wyrobach budowlanych. Trwałość budynków i budowli", praca zbiorowa pod red. T. Błaszczyńskiego, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2012.
3. K. Zieliński, "Badanie właściwości reologicznych mastyksów wykonanych na bazie mączki wapiennej i asfaltów modyfikowanych siarką", Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej, z. 209, 1982.
4. K. Zieliński, "Modyfikacja asfaltów", "Materiały budowlane" 3/1997.
5. K. Zieliński, "Próba analizy stanu reologicznego mastyksów wykonanych przy użyciu asfaltów modyfikowanych siarką w oparciu o wykonane reogramy", IV Konferencja Naukowa Wydziału Budownictwa Lądowego Politechniki Poznańskiej, prace ITiBK, 1985.
6. K. Zieliński, "Rola kopolimeru SBS w kształtowaniu struktury i właściwości termomechanicznych asfaltów stosowanych w materiałach hydroizolacyjnych", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2007.
7. K. Zieliński, K. Tomkowiak, "Badania wpływu składu jakościowego mastyku na właściwości mechaniczne wykonany na jego bazie mas mineralno-asfaltowych", 30. Konferencja Naukowa KILiW PAN - KN PZiTB, Krynica 1984.
8. K. Zieliński, K. Tomkowiak, "Modyfikujący wpływ «zastępczych» mączek mineralnych na właściwości reologiczne mastyksu", 28. Konferencja Naukowa KILiW PAN - KN PZiTB, Krynica 1982.
9. K. Zieliński, K. Tomkowiak, "Określenie stabilizującego działania mączek na mastyk poprzez pomiar lepkości", 29. Konferencja Naukowa KILiW PAN - KN PZiTB, Krynica 1983.
10. M. Słowik, "Wpływ modyfikacji polimerami na właściwości reologiczne asfaltów drogowych", rozprawa doktorska, Poznań 2001.
11. L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning, "Chemia w budownictwie", wyd. Arkady, Warszawa 1996.
12. I. Gaweł, M. Kalabińska, J. Piłat, "Asfalty drogowe", Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001.
13. D. Sybilski, "Modyfikatory i dodatki do asfaltów drogowych", część 1. "Modyfikatory lepiszcza", "Drogownictwo" 2/2000, Warszawa 2000.
14. D. Sybilski, "Polimeroasfalty drogowe. Jakość funkcjonalna. Metoda i kryteria oceny", Studia i materiały, zeszyt 45, IBDiM, Warszawa 1996.
15. D. Sybilski, Z. Szczepaniak, "Modyfikacja asfaltu polimerem butadienowo-styrenowym", prace IBDiM Nr 1/1991, Warszawa 1991, s. 53-68.
16. T. Bunch-Nielson, "SBS - modified roofin felt is the future", Danish Roofing Felt Information Council - TOR, Kopenhaga 1996.
17. Strona internetowa: www.orlen-asfalty.pl.
18. P. Radziszewski, "Modyfikacja mieszanek mineralno-bitumicznych miałem gumowym z opon", "Drogownictwo" 3/94, Warszawa 1994.
19. K. Błażejowski, S. Styk, "Technologia warstw bitumicznych", Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000.
20. J. Piłat, P. Radziszewski, "Nawierzchnie asfaltowe", Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010.
21. W. Skalmowski, "Chemia materiałów budowlanych", wyd. Arkady, Warszawa 1971.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!