.
Strona główna | Technika i technologieWpływ struktury bitumu na proces modyfikacji

Wpływ struktury bitumu na proces modyfikacji

Wiele czynników decyduje o właściwościach materiałów pokryciowych produkowanych z mas  bitumicznych. Do czynników decydujących należą: rodzaj modyfikatora użytego do nadania masie bitumicznej pożądanych cech, rodzaj nośnika bitumu oraz struktura poddawanego modyfikacji bitumu.

Rys. 1. a) struktura asfaltu pochodzenia naturalnego, b) struktura asfaltu pochodzenia naftowego dużych połaciach

Aby zrozumieć procesy zachodzące podczas procesu modyfikacji bitumu cząsteczkami polimerowymi należy przyjrzeć się, czym są asfalty.

Bitumy występują w kopalinach naturalnych lub są otrzymywane podczas przeróbki paliw płynnych oraz stałych (paki węglowe i paki drzewne – nie są stosowane przy produkcji hydroizolacji budowlanych).

Asfalty przemysłowe otrzymywane są w procesie utleniania pozostałości podestylacyjnej ropy naftowej, nazywanej gudronem. W procesie utleniania uzyskuje się materiał bitumiczny o większej twardości, większej lepkości i mniejszej wrażliwości na temperaturę.

Asfalty naturalne występują w przyrodzie w postaci złóż bitumicznych (zawartość czystego asfaltu do 99%) w pobliżu źródeł ropy naftowej, a ich skład chemiczny jest zbliżony do asfaltów przemysłowych lub skał bitumicznych – nasyconych skał porowatych, zwykle wapieni, dolomitów, rzadziej piaskowców, w których zawartość czystego asfaltu wynosi od 10% do 25%.


Rys. 2. Przykładowe struktury składników zawartych w asfaltach naftowych:
a) oleje, b) żywice, c) asfalteny

Asfalty naturalne, po oczyszczeniu ich ze związków mineralnych i wody, są wykorzystywane w przemyśle, ale głównie jako dodatek do asfaltów przemysłowych w procesie produkcji materiałów hydroizolacyjnych. Dodatek 5–15% wpływa zwłaszcza na utwardzenie powstałej masy bitumicznej. Same asfalty naturalne są zbyt twarde, aby mogły występować jako samodzielny materiał hydroizolacyjny – byłby on zbyt kruchy.

Struktura asfaltów naftowych do chwili obecnej nie jest jednoznacznie ustalona. Przyjmuje się że, asfalt to układ koloidalny składający się z dwóch faz:
  • miceli, gdzie jądrem są asfalteny – nietopliwe substancje o gęstości powyżej 1000 kg/m3, posiadające charakter silnie aromatyczny (największy stosunek liczby atomów węgla C do liczny atomów wodoru H w cząsteczce). Zawartość asfaltenów w asfaltach to 6–30%. Asfalteny otoczone są żywicami asfaltowymi. Żywice odgrywają rolę czynnika stabilizującego układ miceli w olejach,
  • maltenów – substancji oleistych o wysokiej lepkości w temperaturze pokojowej oraz gęstości od 200 do 600 kg/m3; jest to mieszanina węglowodorów n- oraz izoparafinowych, naftenów, a także węglowodorów aromatycznych.
Teoria mieszania: polimer tym mocniej wpływa na właściwości asfaltu, im większa jest zawartość małocząsteczkowych składników olejowych w asfalcie.

Modyfikowanie asfaltów jest procesem fizycznym polegającym na współmieszalności bitumu i polimeru.

Bitumy są złymi rozpuszczalnikami większości polimerów, ponieważ zawierają grupy związków, tj. oleje naftenowe i aromatyczne i żywice oraz asfalteny, które sprzyjają wytrącaniu się polimerów w środowisku asfaltu. Układ bitum-polimer łatwiej jest utworzyć wtedy, gdy uda się dobrać substancje o podobnych właściwościach. Dla przykładu asfalty naftowe zawierają oleje aromatyczne, dzięki czemu lepiej mieszają się z polimerami o łańcuchach nienasyconych, zaś asfalty pochodzące z destylacji ropy parafinowej lepiej mieszają się z polimerami o łańcuchach nasyconych. Modyfikacja fizyczna asfaltów naftowych najłatwiej zachodzi przy użyciu polimerów olefinowych i kauczuków. 

Niepolarność cząsteczek bitumu ogranicza stosowanie polimerów silnie polarnych, zaś uprzywilejowane są cząsteczki o niewielkim stopniu usieciowania i regularnej strukturze przestrzennej. W większości polimery są niereaktywne względem asfaltów, a wzrost mieszalności można uzyskać dzięki podniesieniu temperatury mieszania. Wysoka temperatura (powyżej 150°C) powoduje mięknienie polimeru, co ogranicza równomierność jego zdyspergowania (rozproszenia) w asfalcie.  Rozpuszczona część polimeru może powodować duża elastyczność papy w niskich temperaturach, zaś część cząsteczek pozostająca w stanie rozproszenia makromolekularnego wpływa na zwiększenie wytrzymałości mechanicznej mieszanki i zmniejszenia jej płynięcia plastycznego.


Rys. 3. Wpływ ilości asfaltenów (A) i stopnia aromatyczności fazy maltenowej (SA) na mieszalność bitumu z SBS: I, II – obszary odpowiadające jednorodnym kompozycjom bitum–SBS; I – obszar bardzo dobrej mieszalności (optymalna zawartość składników aromatycznych i asfaltenowych w bitumie), II – obszar mieszanin jednorodnych o dominującej roli asfaltenów

W przypadku każdego bitumu istnieje graniczna zawartość polimeru, której przekroczenie powoduje uniemożliwienie wzajemnego zmieszania składników.

Rozważania termodynamiczne
Przyjmuje się, że oprócz ilości, struktury oraz ciężaru polimeru, podstawowymi czynnikami decydującymi o stabilności układu bitum–polimer są:
  • zawartość i ciężar cząsteczkowy asfaltenów,
  • stopień aromatyczności fazy maltenowej.
Rolę ilości asfaltenów i stopnia aromatyczności asfaltu na mieszalność z termoplastem SBS przedstawił w postaci wykresu Whiteoak.

Podsumowanie
Prowadzone badania nie pozwalają jednoznacznie określić optymalnych warunków dla uzyskania homogeniczności układu bitum–polimer. Wskazują jednak, że równie ważna co ilościowy i jakościowy skład bitumu, jest struktura i ciężar cząsteczkowy polimeru. Jednakże badania termodynamiczne udowodniły, że szczególne znaczenie ma ilość i ciężar asfaltenów oraz składników olejowych przy traktowaniu asfaltu naftowego jako rozpuszczalnika.

Monika A. Tomaszewska–Rzęsista

Literatura:
1. Zieliński J. „Fizykochemia i termodynamika układów semikoloidalnych polimer-bitum. Cz. I Polimery jako modyfikatory asfaltu naftowego”; „Polimery” 1997, T 42 nr 12.
2. Zieliński J. „Fizykochemia i termodynamika układów semikoloidalnych polimer-bitum. Cz. III Termodynamiczne aspekty mieszalności polimerów, bitumów i bitumo-polimerów”; „Polimery” 1998, T 43 nr 2.
3. Praca zbiorowa „Budownictwo ogolne” T.1, Arkady 2005.
4. Czarnecki L. „Chemia w budownictwie”, Arkady 1996.
5. Źródła internetowe.

Źródło: Dachy Płaskie, nr 2 (3) 2009

CZYTAJ WIĘCEJ

Modyfikatory mas bitumicznych - ich znaczenie
Papy modyfikowane
Papy bitumiczne: krycie narożników wewnętrznych i zewnętrznych



DODAJ KOMENTARZ
Wymagane: Zaloguj się aby dodać komentarz > Zaloguj się
NAJCZĘŚCIEJ CZYTANE
Odwodnienia zewnętrzne dachów o pokryciu bitumicznym Odwodnienia dachów płaskich - najczęściej popełniane błędy Trwały taras Jak dobrać papę termozgrzewalną? Bezpieczne odwadnianie awaryjne dachów płaskich przez attykę Świetliki dachowe z płyt poliwęglanowych Obciążenie śniegiem obiektów budowlanych Stropodachy płaskie na blachach fałdowych z pokryciem z tworzyw sztucznych Zwody instalacji odgromowej na dachach budynków Odporność ogniowa warstwowych przekryć dachowych Membrana dachowa Dachgam - Niezawodny materiał na dachy płaskie Kształtowanie spadków w termoizolacji dachu płaskiego Membrany hydroizolacyjne z PVC - zasady układania Płynna folia hydroizolacyjna Enkopur Sąd pod papą Zakład papy na dwa razy Zielona ściana. Nowe rozwiązanie systemowe Optigrun Tarasy i balkony. Technologia płynnych folii firmy Enke-Werk Stan przedawaryjny płyty balkonowej i projekt naprawy Jaka jest wytrzymałość dachu płaskiego i ile ona kosztuje? Architektura ogrodowa z zielonymi dachami Łączniki dachowe Mocowania na dachach płaskich zgodnie z nową normą wiatrową - Wytyczne DAFA Technologie dachów użytkowych na bazie membran epdm Podciśnieniowy system odwodnień dachów płaskich Ocieplenie stropodachu bez mostków termicznych Innowacyjna powłoka ochronno-dekoracyjna na balkony i tarasy Enketop Bezpieczeństwo pożarowe przekryć dachowych Hydroizolacja stropu garażu podziemnego Wykrywanie nieszczelności dachów płaskich