Трещиностойкость и долговечность кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных покрытий с учетом качества основания (стяжки)

На основе теоретического анализа обосновываются рекомендации по повышению трещиностойкости и долговечности кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных покрытий.

Трещиностойкость кровельных и гидроизоляционных покрытий, наряду с их собственной деформативностью, определяется интенсивностью взаимодействия покрытий с основанием. Существует условие [1] отсутствия растрескивания и отслаивания:
А > Фу < Фр, (1)
где А ~ адгезионная прочность;
Фо - внутреннее усадочное напряжение в покрытии;
Фр - предел прочности при растяжении материала покрытия.
То есть, чем выше адгезионная прочность и прочность при растяжении покрытия, чем ниже усадочные напряжения в покрытии, тем выше трещиностойкость.
Рассмотрим свободную пленку битумного водоэмульсионного мастичного покрытия с содержанием воды W, длиной пленки Iо шириной bо и толщиной h0. За время t концентрация воды в пленке уменьшаясь на W, отчего ее размеры сократятся до Iо, Ьо и h0, т. е. пленка получит относительную усадку E , равную:



В пленке не возникает никаких внутренних напряжений, если она нанесена на поверхность какой-либо жидкости, например, ртути или фторопластовой жидкости. Если же такая пленка нанесена на жесткую подложку, с которой ее связывает адгезионное взаимодействие, то при испарении растворителя или воды сократится только ее толщина, а длина и ширина не изменятся; таким образом, пленка окажется растянутой на величину (дэльта)Е , в результате в ней возникнут внутренние напряжения Фв. В данном случае пленка будет находиться в плосконапряженном состоянии. При изменении содержания воды в покрытии на (дэльта)W в течение какого-то времени t в изоляционной пленке линейная усадка (дэльта)Е возрастет на:


где а - коэффициент линейной усадки, зависящий от силы сцепления пленки покрытия с поверхностью подложки.
Если взятый интервал концентрации воды (дэльта)W достаточно мал, то мгновенный модуль упругости при растяжении Е; можно считать постоянным. Приращение усадки (дэльта)Е вызовет приращение внутренних напряжений Фов, которое определяется уравнением:


где tj - кажущийся модуль упругости при растяжении; (х - коэффициент Пуассона; Сх - коэффициент, принимаетзначения О, 1 или 2 в зависимости от того, имеется ли ограничение в свободном деформировании в одном, двух или трех направлениях [1].
Это соотношение, однако, справедливо лишь в случае, когда все приращение усадки (дэльта)Е является упругим. В действительности же за время испарения воды под действием внутреннего напряжения Фв в пленке покрытия в общем случае будут развиваться, кроме упругой е1, высокоэластичная е2 и пластическая е3 деформации. С учетом этого уравнение (4) примет вид:


где кажущийся модуль упругости Ек определяется уравнением:


где е2т ~ относительная высокоэластическая деформация, развивающаяся за время t под действием возникшего напряжения Ф.
Выразив деформации е1, е2 и е3 из законов Гука для упругих тел, Кельвина-Фойгхта - для эластичных тел, а также из закона Бингама, подставив выражение (6) в уравнение (4), получим:


где Ф0 - предел текучести пленки при содержании воды W;
n - вязкость пленки;
t ~ период релаксации;
Ев - равновесный высокоэластичный модуль упругости при растяжении пленки.

При изменении в процессе высушивания покрытия содержания воды от Wh до Wk в нем возникнут внутренние напряжения Фв :



Рассмотрим два крайних случая.
1. При очень медленном испарении растворителя из покрытия (t стремится к бесконечности) механизм усадки состоит в вязком течении для битумов и линейных полимеров или в высокоэластичной деформации для битум-каучуков. В первом случае приращение внутренних напряжений равно нулю, т. е. происходит полная релаксация напряжений. Во втором случае возникнут внутренние напряжения, определяемые высокоэластичным модулем Е:


2. При быстром высушивании покрытия (t стремится к 0) величина Фв достигает своего максимального значения и описывается уравнением:



Будем считать, что вся деформация растяжения (усадка), возникшая в пленке покрытия при ее высыхании, является упругой. Тогда соответствующее приращение напряжения будет предельным (Фпр ). Суммарные внутренние предельные напряжения в покрытии Фпр при изменении содержания воды от WH до WK описываются уравнением:


Из приведенных уравнений следует, что для определения действительных и предельных внутренних напряжений в покрытии необходимо знать кинетические кривые усадки (дэльта)E, мгновенный Е1, кратковременный Ек, высокоэластичный E модуль упругости, вязкость n, период релаксации t, коэффициент Пуассона.
Так как эти параметры определить весьма сложно или вообще невозможно при температурно-влажност-но-временных условиях, характерных для эксплуатационных условий, то очевидно проще будет определить Фпр непосредственно (экспериментально).
Однако в кровельных и гидроизоляционных покрытиях усадочные деформации возникают также вследствие протекания ряда процессов при эксплуатации покрытий: процессы формирования равновесных структур типа кристаллизации, полукристаллизации, химические превращения в процессе старения, диффузия низкомолекулярных компонентов материала покрытия в поры наполнителя или основания и др. (см. схему).


Обобщенная схема образования внутренних напряжений в изоляционных покрытиях вследствие уплотнения (усадки) материала покрытия








Для битумных покрытий установлена зависимость температур растрескивания оттемпе-ратурных напряжений и от толщины пленки X:


где Трх - температура растрескивания покрытия при толщине пленки X;
Тр05 - температура растрескивания покрытия при толщине пленки, равной 0,5 мм.
Очевидно, эту закономерность следует учитывать при создании трещиностойких изоляционных покрытий.
Сделано предположение о возможности повышения трещиностойкости изоляционных покрытий путем выбора материала и толщины грунтовки, обеспечивающих адгезию к подложке и снижение внутренних напряжений в материале покрытия. Существование зависимости адгезии от величины внутренних напряжений должно было бы являться основанием для расчетов сроков службы изоляционных покрытий. Но оказывается, что внутренние напряжения в изоляционных покрытиях с течением времени могут изменяться немонотонно [1]. Для полимерных, лакокрасочных, гидроизоляционных и защитно-декоративных покрытий наружных стен и кровель существует условие отсутствия растрескивания и отслаивания покрытия, которое сводится к тому, что адгезионная прочность Ф должна быть выше внутренних усадочных напряжений ст в покрытии и ниже предела прочности при растяжении а материала покрытия. На основании этого сделано предположение о возможности повышения трещиностойкости кровельных и гидроизоляционных покрытий за счет использования в качестве стяжки высокодеформируемых материалов.