Механизм образования защитной плёнки и важность соблюдения условий отверждения
Большинство герметизирующих покрытий для асфальта— это покрытия на водной основе, изготовленные на основе очищенной смолы или асфальтовой(битумной) эмульсии . Такие покрытия безопасны в обращении, хранении и обеспечивают многолетнюю защиту асфальтовых поверхностей при правильном нанесении и отверждении в подходящих условиях окружающей среды. В этой статье мы рассмотрим механизм образования пленки и оптимальные условия окружающей среды для первоначального и окончательного отверждения герметизирующих покрытий.
Как вы знаете, вода является основным компонентом герметизирующих покрытий. Герметик, поставляемый в виде концентрата, обычно содержит 60 % воды по объёму. После добавления 30 % воды к 100 галлонам концентрированного герметика доля воды увеличивается почти до 70 % по объёму. Герметизирующие покрытия, как и другие покрытия на водной основе, высыхают и затвердевают за счёт испарения воды в атмосферу. Оптимальное затвердевание и полная прочность герметизирующих покрытий достигаются после испарения всей воды. Будет полезно разобраться в том, как вода выходит из герметизирующей плёнки и как на этот процесс влияют дорожное покрытие и условия окружающей среды. Специалистам по нанесению герметизирующих покрытий необходимо в полной мере понимать и осознавать важность факторов, влияющих на оптимальное отверждение и, следовательно, на эффективность герметизирующих покрытий. Отклонения от нормы могут привести к снижению эффективности и преждевременному выходу из строя даже самых качественных покрытий, если они были нанесены и отверждены неправильно.
Для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик герметизирующие покрытия должны быть:
• точно приготовлены в соответствии с рецептурой, согласованной для данного проекта, т. е. с правильным соотношением воды и материала, содержанием добавок и т. д.
• нанесены с правильной нормой расхода (выраженной в галлонах/кв. ярд или кв. футах/галлон) на должным образом очищенную и отремонтированную поверхность.
• выдержаны до «полного» затвердевания при определенных условиях дорожного покрытия и окружающей среды, которые позволят покрытию достичь оптимальной прочности. Эти «идеальные» условия — это просто условия окружающей среды и дорожного покрытия, которые указаны производителями и приняты в отрасли для нанесения и отверждения герметизирующих покрытий.
Основы герметизации
Герметизирующее покрытие на основе асфальта или очищенной смолы представляет собой стабильную дисперсию различных ингредиентов в воде. Основные ингредиенты описаны ниже:
• Связующее вещество. В герметизирующих покрытиях связующим веществом является очищенный гудрон (RT-12) или асфальтобетон (AC). Как вы, возможно, знаете, и асфальт, и очищенный гудрон являются термопластичными материалами, то есть они размягчаются и плавятся при высоких температурах и становятся твёрдыми при более низких температурах (ниже 60 °C).
Связующее вещество — это основа герметизирующих покрытий. Это компонент, который защищает асфальтовое покрытие. Во влажном состоянии (до затвердевания) герметик содержит мелкодисперсные частицы связующего вещества размером от 2 до 5 микрон (человеческий волос имеет толщину около 25 микрон или 1 мил) сферической или вытянутой сигарообразной формы. После полного затвердевания связующее вещество образует сплошную плёнку, которая прочно удерживает все наполнители и песок/заполнитель.
• Глина, наполнители и заполнители используются для придания герметизирующему покрытию необходимой прочности и предотвращения липкости связующего вещества при повышенных температурах поверхности.
• Специальные химические вещества, такие как поверхностно-активные вещества и эмульгаторы, используются для стабилизации систем герметизирующих покрытий.
• Вода является дисперсионной средой и носителем для всех компонентов. В большинстве герметизирующих покрытий вода составляет основной компонент — около 60 % по объёму.
Механизм образования плёнки
Герметизирующие покрытия, как и большинство покрытий на водной основе, начинают выделять воду в окружающую среду сразу после нанесения. Окружающий воздух действует как промокательная бумага, впитывая выделяющуюся воду; его способность впитывать воду зависит от относительной влажности (% ОВ) воздуха. Об этом мы расскажем позже. Герметизирующие покрытия полностью затвердевают после того, как из влажной плёнки испаряется вся вода. По мере испарения воды объём влажной плёнки уменьшается прямо пропорционально содержанию воды (по объёму) в смеси. Например, если в составе смеси 70 % воды по объёму, то влажная плёнка сожмётся на 70 %, то есть на 30 % от своего первоначального объёма.
Испарение воды из влажной плёнки приводит к устойчивой турбулентности в плёнке и сближению взвешенных частиц). Плёнка становится всё более плотной, что приводит к соприкосновению частиц связующего вещества и их слиянию в непрерывную плёнку, в процессе чего частицы наполнителя оказываются внутри неё. В то же время избыток связующего вещества в матрице позволяет плёнке эффективно сцепляться с поверхностью дорожного покрытия.
Такие описания, как «полное отверждение», «окончательная фиксация» или «оптимальная прочность», означают, что герметизирующее покрытие достигло полной прочности и способно выполнять свою функцию защитного покрытия. Правильно отвержденное герметизирующее покрытие образует сплошную пленку без пустот и дефектов, которая препятствует проникновению воды, химикатов, солей и т. д. и повреждению асфальтового покрытия под ним. Понятно, что любой недостаток в процессе отверждения не позволит связующему веществу полностью вступить в реакцию и приведет к образованию пустот в пленке, что снизит эффективность покрытия или приведет к его разрушению.
В процессе отверждения герметизирующие плёнки проходят через несколько стадий испарения воды из нанесённой плёнки. Сначала происходит первичное высыхание, когда плёнка становится «не липкой» на ощупь, затем она становится более твёрдой (отверждается примерно на 80–90 %), чтобы выдерживать лёгкую пешеходную нагрузку, и, наконец, полностью затвердевает, чтобы выдерживать лёгкую автомобильную нагрузку, когда вся вода испаряется.
Чтобы понять процесс высыхания и отверждения, представьте, что влажная плёнка — это не единое твёрдое вещество, а совокупность множества слоёв молекулярно тонких плёнок (представьте себе лист фанеры). Как и большинство покрытий на водной основе, герметик высыхает послойно, сверху вниз. По мере высыхания каждый слой уменьшается в объёме, становится плотным и относительно непроницаемым, что препятствует испарению воды из нижних слоёв. Было установлено, что совокупная потеря воды происходит быстро на ранних стадиях высыхания плёнки, то есть первые 80–90 % плёнки высыхают относительно быстро, но для высвобождения последних 15–20 % воды требуется гораздо больше времени и подходящие условия окружающей среды и дорожного покрытия. Для оптимальной работы из плёнки должна выйти вся вода: 80–90 % недостаточно. Если слишком рано допустить движение транспорта по непросохшему нижнему слою герметизирующего покрытия, оно может порваться или отслоиться. Приведённые выше процентные значения служат исключительно для объяснения процесса отверждения. Окончательное отверждение зависит от многих факторов: состава смеси, степени покрытия и условий окружающей среды: температуры, влажности и скорости ветра.
Условия отверждения при окружающей среде
Условия окружающей среды играют решающую роль в определении полноты процесса отверждения и, следовательно, эффективности герметизирующего покрытия. Эти условия являются рекомендациями отрасли и исследовательской ассоциации Pavement Coatings Technology Council (PCTC).
1. Температура: Не следует наносить герметик как для окружающей среды, так и для дорожного покрытия, если температура дорожного покрытия не ниже 50 ° F, а температура воздуха - 50 ° F и выше. Слипание частиц связующего (в герметизирующих покрытиях) с образованием однородной и непрерывной пленки зависит от их способности размягчаться при температурах окружающей среды и дорожного покрытия. Процесс плавления значительно ускоряется при более высоких температурах; скажем, от 75 ° F до 85 ° F. И наоборот, он значительно снижается при температурах ниже 50 ° F. Давайте рассмотрим крайние случаи: применение при низких и высоких температурах.
Нанесение при низкой температуре.
При нанесении герметизирующего покрытия при температуре ниже 50 °F частицы очищенного гудрона (или асфальта) не размягчаются и не образуют сплошную плёнку, в результате чего частицы глины и наполнителя остаются непокрытыми. Цвет герметизирующего покрытия, нанесённого в таких условиях, обычно получается серым и неоднородным и никогда не возвращается к характерному тёмно-серому/чёрному цвету, даже когда температура дорожного покрытия повышается. Просто температура дорожного покрытия обычно недостаточно высока, чтобы частицы связующего вещества снова расплавились и образовали сплошную плёнку. Даже если температура дорожного покрытия достаточно высока, этого всё равно будет недостаточно для того, чтобы частицы связующего вещества снова пришли в движение, растеклись и обволакивающие частицы глины и наполнителя образовали сплошную плёнку. Излишне говорить, что герметизирующие покрытия, затвердевшие в холодную погоду, не обладают достаточной прочностью и могут преждевременно выйти из строя.
Нанесение при высокой температуре.
Нанесение герметика при высоких температурах может быть не менее проблематичным. Герметизирующие покрытия не следует наносить под палящим летним солнцем (при температуре выше 32 °C) без предварительного охлаждения поверхности мелкодисперсным водяным туманом, также называемым «запотеванием». Вода должна лишь увлажнять дорожное покрытие, не образуя луж.
Если нанести герметик на горячее дорожное покрытие без «запотевания», пленка герметика практически «запекается» сразу после нанесения. Из-за внезапной потери текучести плёнки частицы связующего вещества обездвиживаются и не сплавляются должным образом. Без надлежащего процесса сплавления частицы связующего вещества не могут эффективно обволакивать частицы глины и наполнителя в плёнке герметика, чтобы достичь необходимой твёрдости. Они остаются в плёнке в виде термопластичных частиц, которые становятся липкими и мягкими при высокой температуре окружающей среды и дорожного покрытия, что может привести к «отслеживанию» герметика на полу, ковре и т. д.
2. Относительная влажность (ОВ) или влажность
Относительная влажность (ОВ) играет важную роль в механизме отверждения. Она напрямую влияет на скорость испарения воды из пленки герметика. Относительная влажность (ОВ) — это отношение фактического содержания влаги в воздухе при определенной температуре к его общей влагоемкости. Например, ОВ 50 % означает, что использована только половина общей влагоемкости воздуха и он способен поглотить еще 50 % влаги или пара из окружающей среды.
И наоборот, 90 % означает, что окружающий воздух насыщен влагой и в нём остаётся очень мало (всего 10 %) места для дополнительной воды. Герметизирующее покрытие, нанесённое в условиях высокой влажности, затвердевает очень долго, потому что в окружающем воздухе остаётся мало места для поглощения воды, выделяемой плёнкой. Герметизирующая плёнка будет выделять только то количество воды, которое может впитать атмосфера. Атмосферу и окружающую среду можно сравнить с бумажным полотенцем: когда оно высохнет, оно впитает жидкость, но если полотенце слишком влажное, оно не сможет впитать жидкость. Понятно, что герметизирующие покрытия затвердевают быстрее при низкой влажности, чем при высокой. В условиях высокой влажности герметизирующим покрытиям требуется больше времени для высыхания перед нанесением последующих слоёв и, наконец, перед открытием движения.
Взаимозависимость температуры и относительной влажности от скорости испарения воды при относительной влажности 40 % более чем в 3 раза выше, чем при относительной влажности 80 %, при заданной температуре.
3. Скорость ветра
В спецификациях по времени высыхания и отверждения не учитывается скорость ветра или движение воздуха, однако известно, что движение воздуха, особенно в условиях высокой влажности, способствует более быстрому высыханию герметика, чем при его отсутствии. Легкий ветерок способствует рассеиванию воды и летучих веществ в непосредственной близости. С другой стороны, в условиях низкой влажности (ниже 20–25 %). движение воздуха может привести к слишком быстрому высыханию герметика.
Краткие сведения
Герметизирующие покрытия на водной основе затвердевают за счет испарения всей воды из нанесенного слоя. Для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик необходимо соблюдать условия затвердевания. На затвердевание герметизирующих покрытий решающее влияние оказывают температура окружающей среды и поверхности, относительная влажность и скорость ветра. Герметизирующие покрытия, затвердевшие в неподходящих условиях, могут иметь худшие эксплуатационные характеристики.
