Есть мнение Герметики и герметизация Строительные герметики: свойства и применение

Строительные герметики: свойства и применение

Настоящий обзор посвящен герметикам, их классификации, свойствам и применению в строительстве. Специфика строительных объектов заключается в их большой долговечности и сложных условиях их эксплуатации, включающих как климатические, так и техногенные факторы. Герметики предназначены, как правило, для обеспечения полной непроницаемости стыков и швов в зданиях и сооружениях для воды, водяных паров и воздуха. Стыки и швы являются необходимыми, ответственными и уязвимыми элементами зданий и сооружений любого назначения.

Поскольку сборное домостроение в нашей стране преобладает и еще очень долго будет преобладать, несмотря на тенденцию к появлению и монолитных конструкций, задача обеспечения надежной, долговечной герметизации стыков между сборными, как правило, бетонными и железобетонными конструкциями была и остается актуальной. Нужное решение обеспечивается правильным выбором конструкции самого стыка (шва) и вида герметика, исходя из условий эксплуатации строительных конструкций. Именно условия эксплуатации обуславливают требования к основным свойствам герметиков: технологическим, эксплуатационным, экономическим. Отрасли строительства, где герметизация объектов - постоянная задача, следующие:

1. Жилищное и промышленное строительство. Наиболее распространены герметики для стыков наружных ограждающих конструкций - стен, окон, кровли - как в железобетонных панелях, так и в кирпичных зданиях; все больший удельный вес приобретают герметики для стеклопакетов.
2. Строительство специальных объектов.
   Герметики находят широкое применение в мелиоративных, гидротехнических и подземных сооружениях (метрополитен, коллекторы, каналы, плотины, очистные сооружения, шахты), в дорожном и аэродромном строительстве, строительстве мостов и др.
3. 3. Бытовое "частное" строительство и ремонт.

В последние годы в связи с бурным ростом частного строительства растет и потребление герметиков этой частью рынка. Здесь применяется практически весь тот спектр герметиков, что и в профессиональной отрасли, однако, герметизирующие материалы доходят до потребителя в удобной, мелкой фасовке, почти всегда в однокомпонентном виде.

Кстати, термин "однокомпонентные", хотя и прижился, не совсем точен. Правильнее было бы говорить об "одноупаковочных" составах, которые содержат в одной упаковке многокомпонентные полимерные композиции.

Герметизации во всех отраслях строительства подлежат так называемые деформационные швы. Их герметизируют так, чтобы они обеспечивали свободу относительных деформаций стыкуемых конструкций и частей зданий и сооружений при осадке основания объекта, при знакопеременном изменении температуры, усадке бетона, изменении внешних нагрузок и климатических факторов. Исходя из этих разнообразных условий эксплуатации, можно сформулировать общие технические требования к герметикам.

Высокая обратимая деформативность, от полностью эластической до чисто пластической деформации, а чаще всего, сочетание этих видов деформации.

Эластическая деформация - это высокоэластичность с отсутствующим или малым остаточным удлинением. Пластическая деформация - это необратимое течение полимерного материала, без всякого эластического восстановления. Эластопластичность и пластоэластичность - частые случаи, когда деформация герметика при эксплуатации имеет и эластическую, и пластическую составляющие. По вышеперечисленным свойствам герметики можно классифицировать по модулю упругости при 100% растяжении, Е100 [1].

• Эластичные имеют модуль Е100 от 3 до 4 кгс/см2;
• эластопластичные - Е100 =1,5 - 3 кгс/см2;
• пластоэластичные - Е100 = 0,5 - 1,5 кгс/см2;
• пластичные - Е100 = 0,2 кгс/см2.

По поводу оптимальности того или иного вида деформации герметиков существуют различные мнения: в [2] предпочтительной названа эластическая деформация, в [3] авторы отмечают тенденцию к созданию эластопластических и пластоэластических составов. Водостойкость и водонепроницаемость герметизирующего материала, а значит, и герметизируемого соединения, достигается выбором оптимальной рецептуры материала, обеспечивающей как когезионную, так и адгезионную прочность, и оптимальным конструктивным решением при выполнении самого шва (стыка). Когезионная и адгезионная прочность герметизированного соединения должна сохраняться при длительном воздействии эксплуатационных факторов: деформаций, знакопеременных циклических изменений температуры и других климатических факторов.

Адгезионная прочность герметизированного соединения не должна быть меньше возникающих при этом растягивающих напряжений.

Прогнозируя поведение герметика при низких температурах, что характерно для условий эксплуатации подобных составов, нужно подбирать рецептуру материала так, чтобы его температура хрупкости не была выше нижнего предела температуры эксплуатации герметизированного соединения.

Выбор оптимальных соотношений между когезией, адгезией, эластичностью, термо- и морозостойкостью, долговечностью материала, с одной стороны, технологичностью и ценой на материал, с другой, есть постоянно решаемая разработчиками герметизирующих составов задача.

Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом герметики различного типа имеют интервалы рабочих температур, как правило, от -60°С до +80°С, относительное удлинение при разрыве от 150 до 1000% , рабочие деформации от 15 до 50%.

Многообразие герметиков строительного назначения обусловлено возможностью применения для этих целей целого ряда полимеров и олигомеров различной природы, разнообразными технологическими возможностями для проведения герметизации.

Каждый герметик - это всегда компромисс между эксплуатационными, технологическими и экономическими показателями. Подробно свойства каждой группы герметиков будут рассмотрены при описании конкретных классов герметизирующих материалов.

Следует отметить, что квалифицированного заказчика должна интересовать не столько продажная цена герметика, сколько так называемая приведенная стоимость, т.е. стоимость, отнесенная к долговечности материала. Последняя зависит от химической природы полимерной основы герметика, оптимальности составления его рецептуры, т.е. от вида герметика, выбор которого наряду с правильной технологией герметизации определяет эксплуатационные свойства материала [2].

Переходя к описанию конкретных видов герметизирующих материалов, необходимо привести их краткую классификацию.

1. Нетвердеющие герметики (НГ) на основе высокомолекулярных линейных каучуков (полиизобутилена, бутилкаучука, СКЭП(Т)а и др.) могут выпускаться как в виде неформованных платообразных масс, так и сформированные в виде лент, шнуров и др.
2. Одно- и двухкомпонентные составы на основе олигомеров различной химической природы (тиоколы, уретаны, силоксаны), которые после отверждения при температурах от 0 до 25°С образуют резиноподобные материалы непосредственно в месте герметизации, практически без усадки и выделения летучих.
3. Высыхающие герметики. Герметики на основе растворов каучуков разной природы в органических растворителях, а также акриловые или винилакриловые воднодисперсионные составы. Герметики такого типа образуют герметизирующий слой после высыхания растворителя или воды, с отверждением или без химического структурирования.

Каждый из видов герметизирующих материалов имеет свои преимущества и недостатки.

Так, герметики нетвердеющего типа (НГ) - замазки, мастики, пасты - представляют собой термопластичные материалы, которые, размягчаясь при нагревании, при определенной температуре переходят в вязкотекучее состояние. С понижением температуры они возвращаются в первоначальное состояние независимо от числа циклов нагревания-охлаждения.

Такие герметики однокомпонентны в состоянии поставки, экономичны и достаточно удобны в применении, незаменимы для герметизации разъемных соединений, способны уплотнять стыки любой конфигурации.

Кроме того, они дешевле всех остальных типов эластичных герметизирующих материалов, как из-за возможности высокого наполнения, так и благодаря использованию каучуков общего назначения в качестве основы.

Верхний температурный предел работоспособности этих герметиков, как правило, плюс 70°С. При нагревании выше 70°С проявляется ползучесть данных составов. Недостатком таких герметиков является также медленная хладотекучесть при комнатных условиях, выражающаяся в появлении необратимых деформаций под воздействием небольшой нагрузки. Эти герметики не выдерживают даже кратковременного воздействия топлив и растворителей. Нетвердеющие герметики имеют различную выпускную форму и могут производиться заводом-изготовителем в виде пластичной или пластоэластичной массы, а также шнуров, полос и жгутов различного профиля с пленочной антиадгезионной прокладкой. При выпуске профилированных герметиков их наматывают на шпули и барабаны. Герметики в виде полос, жгутов и шнуров целесообразно использовать в конструкциях с небольшими допусками со строго регулируемыми геометрическими размерами. Так, лента Герлен-Д успешно применяется для оклеечной воздухоизоляции стыков изнутри во время монтажа зданий. Бутиловый шнур (материал на основе бутилкаучука) применяется в производстве стеклопакетов для приклеивания алюминиевого профиля к стеклу.

Типичными примерами нетвердеющих герметиков являются мастики Бутэпрол, Бутэпрол-2,2м, УМС-50, Тегерон, МГНС, другие. Они имеют следующие технические характеристики:

Для обеспечения равномерного нанесения подобные герметики прогревают до 30-80°С. Нанесение осуществляется с помощью электрогерметизаторов "Стык-20" и "Шмель".

Несмотря на широкое распространение и известность герметики подобного класса имеют ряд органически присущих им недостатков, что приводит к сокращению их потребления в последние годы. По независимым оценкам, потребление НГ сохраняется в регионах России с недостаточным финансированием строительной отрасли, а также в странах СНГ с похожей финансовой ситуацией, например, на Украине.

Итак, какие же причины не позволяют НГ выдерживать конкуренцию с более прогрессивными материалами на основе тиоколов, полиуретанов и акрилатов?

Прежде всего, недостаточный срок службы и экономические причины, несмотря на "кажущуюся" низкую цену НГ.

В результате действий деформации на наружные, загерметизированные НГ, панели, а также вследствие атмосферных воздействий снижается вязкость и прочность мастики, относительное удлинение, и без того невысокое, снижается через непродолжительное время в несколько раз. Необходимость грунтовки поверхности стыков перед нанесением НГ, необходимость закрывать швы из НГ цементной или полимерцементной стяжкой (защита от прямого солнечного излучения) существенно усложняют процесс герметизации с применением НГ. Необходимость вносить внутрь шва НГ толщиной не менее 20 мм (по сравнению с 2-3 мм слоя для отверждающихся мастик) делает стоимость работ в пересчете на один погонный метр шва существенно выше. Вследствие невысоких деформационных характеристик НГ в настоящее время рекомендованы только для швов с деформацией не более 15%. Срок службы подобных герметиков, при соблюдении всех требований при их применении, составляет, по данным МНИИТЭП, не более 6-8 лет. То есть и приведенная стоимость, по сравнению с отверждающими герметиками (которые работоспособны 15-20 лет), существенно выше.

Весь комплекс вышеперечисленных причин не позволяет взглянуть с оптимизмом на перспективы НГ в будущем.

Их потребление будет сокращаться.

Следующий класс герметиков широко применяется в строительстве - т.н. высыхающие герметики. К высыхающим герметикам относятся растворные мастики на основе синтетических каучуков и воднодисперсионные составы на основе акриловых дисперсий. В ряде случаев, материалы, как из первой, так и из второй группы можно отнести к отверждающимся, так как после испарения растворителя или воды в герметиках проходят процессы химического структурирования.

Для создания герметиков строительного назначения широко применяется бутилкаучук или его композиция со СКЭП(Т)ом. Существует также большое количество герметизирующих материалов на основе каучуков другой химической природы: бутадиеннитрильных (БН), бутадиенстирольных (БС), полихлоропреновых (ПХ), на основе хлорсульфированного полиэтилена (ХСПЭ). Однако, герметики на основе каучуков БН и ПХ применяются для специальных целей, там, где нужна, например, высокая маслобензостойкость. БС-каучуки и термоэластопласты, равно, как и ХСПЭ, широко применяются для создания строительных материалов, однако, основное назначение таких составов - устройство наливных кровель. Композиции для жидкой кровли, безусловно, выполняют герметизирующие функции, однако, все же образуют отдельную группу материалов, описание которой не входит в задачу данного обзора.

Так же в настоящем обзоре при описании полиуретановых герметиков, по тем же выше перечисленным принципам, не будут представлены пенополиуретановые композиции.

Итак, самым распространенным видом материалов, представляющих собой герметики общестроительного назначения на основе бутилкаучука, является серия составов под названием "Гермабутил". Подобные мастики бывают одно- и двухкомпонентными, высыхающими и отверждающимися, их наносят, как только на сухую (Гермабутил УМ), так и на влажную поверхность (Гермабутил 2М). Такие составы применяются при температуре от -20 °С до +30 °С, температурный интервал эксплуатации данных материалов от -50 °С до +80 °С, для отверждающихся, и до +75 °С - для высыхающих. Срок эксплуатации подобных материалов не менее 8 лет. Расход материала при герметизации (при двухслойном нанесении) составляет 2,5-3 кг/м2. Недостатком данного класса материалов является обязательное наличие в их составе органического растворителя, что приводит к усадке материала после его испарения.

Отсутствие тиксотропности материала (т.е. высокая текучесть состава) приводит к снижению толщины герметика, наносимого на стык (шов) за один раз, что ведет к снижению призводительности труда и увеличению стоимости работ по герметизации.

Материалы на основе акриловых дисперсий в последнее время заняли свою нишу, как на рынке профессиональных герметиков, так и в бытовом секторе.

Стыковые герметики (АКСА, Акрипласт и др.) применяются для герметизации стыков (швов) с деформацией не более 15%, их достоинством является низкая цена, они удобны в применении (не содержат растворителей и однокомпонентны). Возможность придавать акриловым герметикам любой цвет, в том числе и чисто белый, делать их прозрачными, обусловило их применение для декоративных целей. В частности, такие составы сейчас широко применяются для герметизации по периметру в конструкциях деревянных, металлических и пластиковых оконных блоков. Будучи расфасованными в мелкую тару, подобные составы широко применяются для ремонта внутри зданий. Силиконизированные акриловые составы образуют подгруппу материалов, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенной влажности, в том числе снаружи зданий. Недостатком акриловых герметиков, применяемых для декоративной герметизации, является их загрязняемость, и, как следствие, потеря " внешнего вида". В меньшей степени это относится к силиконизированным составам. Этого недостатка полностью лишены силиконовые герметики. Силиконы - класс полимеров, сочетающий высокую адгезию к различным субстратам (правда, это относится только к однокомпонентным составам, но именно они и используются в строительстве) с отличной атмосферостойкостью, гидрофобностью, отличными антиадгезионными свойствами в отвержденном виде (отсутствие загрязнений), высокой водо-, масло- и бензостойкостью, что и обусловило, несмотря на высокую цену, широкое распространение силиконовых герметиков как в "банальном" строительстве, так и в специальных отраслях техники. В строительстве силиконовые герметики применяются для герметизации по периметру оконных конструкций и в ремонте только в однокомпонентном виде в мелкой таре - картуши, "колбасы" и др.

Широкие возможности по варьированию состава силиконовых герметиков позволяют создавать материалы с различными физикомеханическими свойствами и с доступной ценой. Все они предназначены для герметизации стыков, швов, раковин и щелей любой формы и сложности, нет ограничений по эксплуатации в условиях повышенной влажности. Герметики "кислотной" вулканизации не применимы для герметизации не стойких к кислотам карбонатных материалов, например, мрамора. Силиконовые герметики имеют высокую адгезию к минеральным материалам: камню, стеклу, кафелю и др., дереву и металлу. Хуже адгезия к различным пластмассам. Силиконовые герметики на российский рынок предлагает большое количество западных фирм. Отечественные фирмы-разработчики только начинают выпуск силиконовых составов в удобной мелкой расфасовке. Следует упомянуть о новейших тенденциях в применении силиконовых герметиков последнего поколения на Западе для создания так называемого "структурного остекления". В подобных изделиях герметики фактически выполняют конструкционную роль, являясь важнейшим элементом системы остекления. Для выполнения столь ответственной задачи необходимы герметики с физико-механическими характеристиками, на порядок превосходящими подобные характеристики герметиков, распространенных на "бытовом" рынке.

Говоря в целом о "бытовом" рынке герметизирующих материалов, следует отметить все увеличивающееся с каждым годом предложение однокомпонентных составов в удобной мелкой фасовке. Причем в этом сегменте рынка представлены материалы на основе практически всех классов полимеров, применяемых для изготовления материалов герметизирующего назначения и в "большом" общегражданском, и промышленном строительстве. Это говорит о большом внимании производителей и продавцов герметиков к "частному" сектору, об оценке емкости его как очень высокой. Увеличение предложения на рынок, увеличение ассортимента предлагаемых герметиков способствуют активному продвижению товара. Возрастающие возможности "домашнего мастера" делают ремонт с помощью бытовых герметиков более квалифицированным, потребитель ощущает большие возможности для герметизации в быту. Все это приводит, в конечном счете, к увеличению рынка потребления бытовых герметиков.

Наиболее широкое применение в массовом строительстве нашли одно- и двухкомпонентные герметики на основе полисульфидных и полиуретановых олигомеров. Такие составы обладают высокими эластическими и деформативными характеристиками, что позволяет использовать их в качестве "стыковых" герметиков для герметизации межпанельных стыков и термокомпенсационных швов в домостроении. Полисульфидные (тиоколовые) и полиуретановые герметики широко применяются также для герметизации конструкций оконных блоков и для герметизации стеклопакетов. Герметизирующие составы на основе полисульфидов (включая политиоэфиры) и полиуретанов имеют, по независимым оценкам, высокие и примерно одинаковые технологические и эксплуатационные характеристики:

• Возможность герметизации поверхностей любой формы, формирование герметизирующего материала непосредственно в шве без усадки и выделения летучих.
• Приготовление герметиков может быть легко осуществлено путем смешения компонентов непосредственно на объекте (для двухкомпонентных составов).
• Работа с большинством составов может происходить практически круглый год в интервале температур от -20 °С до +40 °С.
• Температурный интервал эксплуатации герметизированных соединений на полисульфидных и полиуретановых герметиках составляет от -60 °С до +70 °С.
• Предельная относительная деформация стыков, которые рекомендуется герметизировать герметиками этих классов, составляет, как правило, 25%, ряд герметиков рекомендован для стыков с деформативностью до 50%.
• Герметики на основе полисульфидов и полиуретанов обладают высокой атмосферостойкостью, стойкостью к знакопеременным циклическим изменениям температуры, стойкостью к воздействию климатических факторов.
• Срок эксплуатации таких составов не менее 15-20 лет.
• Жизнеспособность полисульфидных и полиуретановых герметиков нормируется в пределах 2-24 часа, условная прочность в момент разрыва - не менее 1,5 кг/см2, относительное удлинение (на образцах-швах) - не менее 150%.
• Наконец, ни полиуретановые, ни полисульфидные герметики не нуждаются, в отличие, скажем, от нетвердеющих, в защите герметизированного шва (стыка) цементной стяжкой. Несопоставимы (в экономическом аспекте) и необходимые толщины герметиков внутри шва: не менее 20 мм - для нетвердеющих, и 2-3 мм - для полиуретанов и тиоколов.

Переходя к описанию полисульфидных (тиоколовых) и полиуретановых материалов по отдельности, следует отметить, что, наряду с известной общностью технологических и эксплуатационных свойств, существуют индивидуальные особенности каждого класса материалов.

Тиоколовые герметики производят на основе олигомеров двух видов: жидких полисульфидных олигомеров и простых олигоэфиров с концевыми тиольными группами. Герметики на основе двух типов олигомеров несколько отличаются по технологическим свойствам. Материалы на основе полисульфидов могут быть нанесены только на сухую поверхность (мастики АМ-0,5С, КБ-0,5С). Вязкость полисульфидных олигомеров сильно повышается с уменьшением температуры, поэтому они наносятся при температурах не ниже -5°С (например, мастика КБ- 0,5С).

Материалы на основе олиготиоэфиров в целом имеют несколько больший потенциал эластичности, что обуславливает возможность большей предельно допустимой деформации для мастик на их основе (СГ-1,3; ЛТ-1), чем для материалов на основе жидких полисульфидов.

Мастики ЛТ-1, СГ-1, СГ- 3 можно наносить на влажную (без капель воды) поверхность. Минимально возможная температура нанесения этих мастик - минус 20 °С. Особенности процесса химического структурирования в тиоколах позволяет создавать однокомпонентные составы, отверждающиеся под воздействием кислорода воздуха (мастика СГ-3). К достоинствам тиоколовых герметиков можно отнести их относительную нечувствительность к отклонению соотношений компонентов от оптимальных. Мастики СГ-1, ЛТ-1, АМ-0,5С являются самыми распространенными "стыковыми" тиоколовыми герметиками, герметик КБ-0,5С, кроме герметизации межпанельных стыков, может применяться для герметизации элементов жесткой кровли, для защиты подземной части зданий и сооружений, элементов автодорог и др.

Герметики на основе тиоколов отличаются высокой газонепроницаемостью. Этот показатель обусловил применение тиоколов для герметизации наружных деформационных швов стеклопакетов. На Западе около 70% от всего объема герметиков, используемых в производстве стеклопакетов, составляют тиоколы. Важнейшие свойства таких составов: газонепроницаемость, стабильная во времени адгезия к алюминию и стеклу, вязкость, позволяющая наносить такие составы механизированно, нашли воплощение в разработках отечественных фирм-производителей герметиков. Разработаны и применяются герметики "СТИЗ-20", "СТИЗ-30", "Гиксопрол КС", ТГС-06.

Одно- и двухкомпонентные полиуретановые герметики обладают рядом несомненных достоинств и находят все увеличивающееся применение в строительстве. Интересно, что разработчики и продавцы подобных материалов несколько по-разному позиционируют на рынке одно- и двухкомпонентные составы. Появившиеся в последние годы стыковые двухкомпонентные герметики (САЗИЛАСТ-24, Элур и др.) занимают ту же "экономическую" нишу, что и во многом близкие по свойствам тиоколы. Однокомпонентные герметики предлагаются производителями и продавцами как существенно более дорогие материалы (3-5 долл. за 1 кг). Несмотря на очевидное удобство в применении однокомпонентных материалов, тем более упакованных в мелкую тару, следует отметить, что по большинству технологических и эксплуатационных показателей эти материалы не превосходят своих двухкомпонентных "собратьев".

По поводу возможности нанесения полиуретановых составов на влажную поверхность у производителей таких материалов нет единого мнения. Часть фирм рекомендует нанесение только на сухую поверхность, другие допускают нанесение на влажную поверхность. Для однокомпонентных составов и для тех двухкомпонентных составов, где изоцианатный компонент берется в некотором избытке, вероятно, справедлива вторая точка зрения. Полиуретановые системы хорошо совмещаются с битумами, что обусловило появление целого класса материалов, сочетающих положительные качества битумных и полиуретановых материалов. Такие материалы, в частности, "Битурел", чаще применяются для устройства наливных кровель, но могут применяться для шумоизоляции, герметизации стыков, в мостостроении, дорожном и аэродромном строительстве.

Завершая обзор, следует отметить, что промышленность строительных материалов и строительство - те немногие отрасли в России, где наблюдается последнее время устойчивый рост. Рост гражданского, промышленного и частного строительства обуславливает неуклонный рост производства и потребления строительных герметиков.

Литература:

1. Баглай А.П., Карапузов Е.К., Омельченко А.А. Герметизация стыков сборных зданий и сооружений / Справочник. - Киев, 1989.
2. Хозин В.Г. Строительные герметики: условия эксплуатации, требования к свойствам. - Материалы научно-практической конференции "Производство и потребление герметиков и других строительных композиций, состояние и перспективы". - Казань, 1997.
3. Шитов B.C., Матвеев ГС. Эластомерные полиуретановые герметики. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1980.