Материалы, предназначенные для кровли, должны быть не только прочными, но и долговечными, т.е. обладать атмосферостойкостью, теплостойкостью, водостойкостью, коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью. Для создания нормальных условий эксплуатации здания большое значение имеет выбор вида кровли в зависимости от уклона крыши, районов строительства и воздействий на кровлю, например, снега, дождя, ветра, солнечной радиации, температуры воздуха. Особое место занимают качество кровельных материалов и способы выполнения работ по устройству кровель, соблюдение правил эксплуатации. Рациональное использование кровельных материалов с выполнением вышеуказанных требований возможно при глубоком знании их свойств, способов получения, правил хранения и транспортировки, а также условий их работы в конструкциях и сооружениях. Свойства кровельных материалов можно разделить на несколько групп: физические; гидрофизические; теплотехнические; механические; химические, биологические; особые свойства.

Физические свойства кровельных материалов

Плотность — величина, численно равная массе единицы объема вещества, г/см3, кг/м3, т/м3. Величина плотности кровельных материалов будет зависеть от материала, из которого они сделаны.

Средняя плотность — отношение массы материала к его объему в естественном состоянии, т.е. с порами и пустотами. Величина средней плотности исчисляется в г/см3, кг/м3, т/м3. Средняя плотность не является величиной постоянной, так как она меняется в зависимости от пористости материала. Искусственные материалы, а таковыми являются большинство кровельных материалов, можно получать с заданной необходимой средней плотностью. В таблице приведены плотность и средняя плотность строительных материалов, применяемых для устройства кровель различного типа.

Плотность, средняя плотность и пористость кровельных материалов

Относительная плотность выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это величина безразмерная).

Строительные материалы по структуре своей пористые, исключение составляют немногие из них, например металлы, стекло, мономинералы.

Пористость материалов обычно колеблется в широких пределах — от 0 до 98 %. Для кровельных материалов диапазон величины пористости намного ниже (см. табл.). Важное значение для них имеет не абсолютная величина пористости, а соотношение открытых и закрытых пор. Открытые поры сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость, что совершенно недопустимо для кровельных материалов.

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости.

Гидрофизические свойства кровельных материалов

Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха объясняется адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс, называемый сорбцией, обратимый. Волокнистые материалы со значительной пористостью, например теплоизоляционные и стеновые, обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью. У кровельных материалов, наоборот, сорбционная способность низкая из-за малой внутренней поверхности пор.

Водопоглощение — способность материала поглощать и удерживать воду. Водопоглощение характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проходит в закрытые поры. Поэтому все кровельные материалы имеют незначительную величину водопоглощения. Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства кровельных материалов: увеличивается относительная плотность, материал набухает, прочность и морозостойкость снижаются.

Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью. Водостойкость численно характеризуется коэффициентом размягчения Кразм, который характеризует степень снижения прочности в результате его насыщения водой.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Степень водопроницаемости зависит от пористости материала, формы и размеров пор. Чем больше в материале замкнутых пор и пустот, тем меньше его водопроницаемость. В силу своего структурного строения кровельные материалы должны иметь низкую водопроницаемость, так как относятся к плотным материалам с относительной плотностью, близкой к единице. Стекло, сталь, полиэтилен, битум и др., практически водонепроницаемы. Водонепроницаемость рулонных кровельных материалов определяется по времени, в течение которого образцы не пропускают воду при постоянном гидростатическом давлении.

Влажность — это степень содержания влаги в материале. Зависит от влажности окружающей среды, свойств и структуры самого материала. Так как кровельные материалы приближаются к абсолютно плотным материалам, количество воды, содержащееся в них, незначительно. Поэтому показатель влажности у кровельных материалов приближается к нулю.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдержать требуемое число циклов попеременного замораживания и оттаивания. В зависимости от числа циклов попеременного замораживания, которые выдержал материал, устанавливается его марка по морозостойкости. Благодаря высокой плотности и низкому водопоглощению кровельные материалы имеют высокую морозостойкость.

Теплотехнические свойства кровельных материалов

Зависимость теплопроводности неорганических материалов от плотности: 1 — материалы, насыщенные водой; 2, 3 — воздушно-сухие материалы с разной влажностью; 4 — сухие материалы.

Строительные материалы, используемые для ограждающих конструкций, каковыми являются крыши зданий с их верхней оболочкой, называемой кровлей должны быть не только прочными и долговечными, но и обладать надлежащими теплотехническими свойствами, например, теплопроводностью, теплоемкостью огнестойкостью, огнеупорностью, термической стойкостью.

Теплопроводность — способность материала передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны материала. Теплопроводность зависит от вида материала, пористости, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Значение теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности также зависит от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости и характера пор, средней температуры материала, влажности. С увеличением влажности материала коэффициент теплопроводности резко возрастает, так как снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала.

При замерзании строительные материалы полностью теряют свойство теплоизолировать, поэтому необходимо их защищать от мороза. Ввиду того, что кровельные материалы имеют плотную структуру и не применяются на границе разных температур, теплопроводность у них значительная. При необходимости теплоизоляции в покрытиях крыш устраиваются теплоизоляционные слои.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур и воды. Пределом огнестойкости конструкции называется время в часах от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности. По огнестойкости строительные материалы, в том числе и кровельные, делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые. Несгораемые материалы под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются, примером может служить черепица; трудносгораемые материалы с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но происходит это только при наличии огня, например, кровельная сталь; сгораемые материалы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня, например дерево, толь, рубероид, стеклопластик.

Огнеупорность — способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, которые выдерживают действие температур от 1580 °С и выше; тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1360 — 1580°C; легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 °С.

Теплостойкость или температуроустойчивость — способность материала сохранять форму, не стекать и не сползать с поверхности конструкции под определенным уклоном и при определенной температуре. Она зависит в основном от физико-механических свойств и структуры материала, вида и количества заполнителя. Это свойство очень важно для органических вяжущих веществ, таких, как битумы, дегти, пластмассы, которые при температуре выше температуры теплостойкости теряют свои вязкие свойства и перестают выполнять роль вяжущего. Например, теплостойкость битумной изоляции толщиной 4 мм составляет 70 — 90 °С, битумно-найритовой толщиной 4 мм — 100°С, битумно-латексной эмульсии толщиной 6 мм — 70 °С. Температура размягчения характеризует только битумные и дегтевые вяжущие вещества. Это условный показатель, характеризующий изменение вязкости вяжущих веществ при повышении температуры. Например, температура размягчения нефтяных строительных битумов 50 — 70°С; битумов нефтяных кровельных — 40 — 95 °С: битумов нефтяных дорожных улучшенных — 35 — 51 °С. Температура размягчения дегтей высоких марок обычно ниже, чем тугоплавких битумов, а именно, 40 — 70°С. Поэтому тугоплавкие битумы применяются для устройства покровного слоя кровельных гидроизоляционных материалов.

Температура вспышки свойственна маслам и нефтепродуктам. Температура, при которой пары нефтепродуктов, нагретых в открытом тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ним пламени, считается температурой вспышки. Температура вспышки нефтяных битумов, применяемых для кровельных материалов, 240 — 300°С в зависимости от битума. Минимальная температура самовоспламенения 300 °С.

Коэффициент линейного температурного расширения (ТКЛР) характеризует свойство материала изменять размеры при нагревании. Только некоторые строительные материалы при этом не расширяются. ТКЛР равен относительному удлинению материала при нагревании на один градус. У каждого материала эта величина постоянная. Например, у стали — (11—11,9)*10-6, у бетона (10—14)*10-6°С-1, гранита — 10*10-6°С-1, дерева вдоль волокон (3 — 5) *10-6, у полимерных материалов в 10 — 20 раз больше. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформационными швами, назначаемыми с учетом термического расширения материалов. При устройстве мягкой рулонной или мастичной кровли, укладываемой по железобетонным настилам, учет ТКЛР имеет большое значение.

Механические свойства кровельных материалов

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении, истирании, а также твердость, пластичность, упругость.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки. Наиболее характерными для конструкций крыши являются сжатие, растяжение, изгиб, пластичность и упругость. Такие материалы, как кровельная сталь, древесина, керамика, асбестоцемент хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки. Искусственные и природные каменные материалы, например бетоны, растворы и горные породы хорошо сопротивляются сжатию и в 5 — 50 раз хуже — растяжению, изгибу, удару. Поэтому каменные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Предел прочности материала измеряется в паскалях (Па) и представляется напряжением, соответствующим нагрузке, вызывающей разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии различных материалов колеблется от 0,5 — 1000 МПа и более. Прочность зависит также от структуры материала, его плотности (пористости), влажности, направления приложения нагрузки.

В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности. Таким образом создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала: чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности. При установлении запаса прочности важными являются агрессивность эксплуатационной среды и характер приложения нагрузки. Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Величину запаса прочности, которая обеспечивает сохранность и долговечность конструкций, зданий, устанавливаю с нормами проектирования и определяют видом и качеством материала.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму и размеры после снятия нагрузки. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают минимальной величины, установленной техническими условиями на данный материал.

Материал претерпевает пластичные и хрупкие разрушения. Хрупкими материалами называют такие, которые разрушаются при статических испытаниях, при очень малых остаточных деформациях. К хрупким материалам относятся чугун, каменные природные материалы, бетон, керамические материалы, асбестоцемент. Пластичными — называют такие материалы, которые при статических испытаниях до момента разрушения получают значительные остаточные деформации. Пластичность является весьма важным и желательным качеством материала. К пластическим материалам относятся малоуглеродистая сталь, медь, растворные и бетонные смеси, мастики, пасты, битумы и дегти при положительных температурах. Хрупкие материалы обычно гораздо лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Они плохо сопротивляются ударам и очень чувствительны к местным напряжениям. Пластичные материалы этих недостатков не имеют. Но большинство материалов при понижении температуры приобретают хрупкие свойства, т.е. у них происходит переход от пластического разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.

Трещиностойкость — это снижение упруго-пластических деформаций при отрицательных температурах. Исчезает сплошность и однородность материала на его поверхности, что очень важно для материалов, используемых для содержания оболочки крыши. Трещиностойкость характеризуется коэффициентом трещиностойкости.

Химические свойства кровельных материалов

К числу физико-химических свойств относится способность отдельных материалов — битумов, дегтей, природных и синтетических смол, масел — образовывать с водой жидкие дисперсии — эмульсии. Некоторые эмульсии, например битумные и дегтевые, хотя и в ограниченных масштабах, применяют для «холодной» обработки дорожных покрытий, для грунтовки бетонных и других поверхностей, перед нанесением гидроизоляционных составов. Эмульсией называется система из двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости (дисперсная фаза) распределены в другой (дисперсная или, иначе называемая, внешняя среда).

Химическая стойкость — способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей (ацетона, бензина, масел и др.). Химическая стойкость характеризуется потерей массы материала при действии на него агрессивной среды в течение определенного времени. Например, битум БНК 45/180 при выдерживании в течение 150 сут. в 5%-ной соляной кислоте теряет 1 % массы, в 5%-ной серной кислоте — 0,8 %. Щелочестойкими должны быть материалы, которые не разрушаются при воздействии щелочей, например пигмента, употребляемые для окрашивания металлической кровли.

Сероводород и углекислый газ содержатся в воздухе в больших количествах, особенно вблизи промышленных предприятий. Поэтому для окрашивания металлических кровель нельзя применять краски, в состав которых входят свинец и медь, так как последние вступают в реакцию с сероводородом и чернеют.

Атмосферостойкость — способность материала длительное время сохранять свои первоначальные свойства и структуру после совместного воздействия погодных факторов: дождя, света, кислорода воздуха, солнечной радиации, колебаний температуры. Оценивается атмосферостойкость временными показателями: час, сутки, месяц, год. Например, органические вяжущие, битумы и дегти, применяемые в производстве кровельных материалов, подвергаясь атмосферным воздействиям, ускоряют свое старение, т.е. становятся хрупкими и теряют водоотталкивающие свойства за счет нарушения сплошности гидроизоляционного ковра. Атмосферостойкость дегтевых материалов (толя, толь-кожи и др.) ниже атмосферостойкости битумных материалов (рубероида, пергамина и др.). Атмосферостойкость находится в прямой зависимости от свойств материала и его состава.

Биологические свойства кровельных материалов

Биологические свойства — свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию микроорганизмов. Органические материалы или неорганические на органических связках под действием температурно-влажностных факторов могут разрушаться вследствие развития в них микроорганизмов, вызывающих гниение и разрушающих материалы в процессе их эксплуатации. Так в Средней Азии материалы, содержащие битум, разрушаются под действием микроорганизмов, которые для своего развития поглощают органические составляющие битума. Специальные добавки — антисептики — повышают биостойкость битумных и деревянных материалов. Кроме того, чтобы сохранять биостойкость органических материалов, рекомендуется оберегать их от увлажнения. Биостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих выше биостойкости битумных, так как дегти содержат токсичную карболовую кислоту.

Особые свойства кровельных материалов

Растворимость — способность материала растворяться в воде, бензине, скипидаре, масле и других жидкостях — растворителях. Растворимость может быть и положительным, и отрицательным свойством. Если синтетические материалы разрушаются под действием растворителей, то растворимость в этом случае играет отрицательную роль. Битумы обладают способностью растворяться в бензине. Это положительное свойство растворимости битума используется при приготовлении холодных битумных мастик, которые в присутствии бензина могут быть нанесены на поверхность тонким слоем.

Паропроницаемость — свойство материала пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений на противоположных поверхностях слоя материала. С повышением температуры парциальное давление водяных паров возрастает. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т.е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхности с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля — замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение. Кровельные гидроизоляционные мягкие материалы хорошо сопротивляются прониканию в них влаги и потому являются паронепроницаемыми. Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, размерность его — кг/(м*ч*Па).

Газопроницаемость — свойство материала, характеризуемое количеством газа, проходящего через образец определенного размера при заданном давлении. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Строительные материалы с большой пористостью обладают повышенной газопроницаемостью, но степень газопроницаемости зависит не только от абсолютной величины, но и размера и характера пор. Так как кровля является одеждой верхнего перекрытия, то к кровельным материалам предъявляются высокие требования по газопроницаемости.

Усадка — это уменьшение линейных размеров и объема под воздействием изменения температуры, влажности, солнечной радиации или в результате процессов, происходящих в материале, таких, как старение, вулканизация и полимеризация у полимерных материалов: карбонизационных и контракционных — у минеральных. У рулонных кровельных материалов, таких, как изол, бризол, различные пленки, удлинение может быть относительным и остаточным. Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия. Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкции стремятся уменьшить усадку материала, вводя различные добавки. Особенно ярко усадочные явления проявляются в мастичных кровлях.

Набухание — свойство, противоположное усадке, вызываемое увлажнением материала, и оно намного ниже усадки. У кровельных материалов набухание незначительное, так как они приближаются к абсолютно плотным материалам с водопоглощением, близким к нулю. Материал основания рулонных кровельных материалов (картон) подвержен явлениям набухания.

Адгезия — сопротивление отрыву или сдвигу материала, нанесенного на изолируемую поверхность. Кровельные рулонные и мастичные материалы должны обладать высокой адгезионной способностью. Адгезию выражают величиной силы, приложенной к материалу, с целью его отрыва или сдвига от изолируемой поверхности. Например, адгезия к бетону холодной асфальтовой мастики ИИ-20 при 20 °С составляет 0,23 МПа, а при предварительной огрунтовке пастой — 0,43 МПа. Следовательно, состояние гидроизолируемой поверхности влияет на величину адгезии.