Гидрофобизация строительных материалов: состояние и перспективы
В статье рассмотрены положительные эффекты гидрофобизации строительных материалов и сооружений, позволяющие существенно снизить энергетические затраты на поддержание требуемого температурного режима в помещениях зданий, сооружений и уменьшить материальные затраты на проведение текущих ремонтов и других видов работ.
Высокая водопоглощаемость и водопроницаемость пористых минеральных строительных материалов обусловливает их достаточно быстрое разрушение в результате воздействия воды, изменение физических и эксплуатационных характеристик. Вода, проникая в поры материала, растворяет его кристаллические структуры, нарушает сцепление между ними, что приводит к снижению его прочности. Существенной причиной понижения прочности и обеспечения деформации пористых строительных материалов при их увлажнении является обратимая адсорбция воды и растворение в ней вяжущих веществ. Образование адсорбционного слоя воды понижает поверхностную энергию твердого тела, а, следовательно, и работу образования новых поверхностей при деформации. Сорбированные же молекулы воды мигрируют по поверхностям, вновь образующимся в деформационном материале, что уже при малых напряжениях приводит к его разрушению вследствие лавинно развивающейся ползучести. К снижению прочности неорганических пористых материалов приводит и расклинивающее действие водных пленок, растворяющих микроэлементы их структуры. Особенно сильно разрушение происходит при многократном попеременном намокании и высыхании. Капиллярная миграция воды вызывает неравномерное распределение механических напряжений, что также способствует разрушению. При такой миграции вода, растворившая компоненты стройматериала в одних его участках, осаждает их в виде солей в других. Это приводит к развитию неконтролируемых процессов кристаллообразования и отложения солей, объем которых превышает первоначальный объем растворившихся компонентов, что вызывает механические разрушения части пористой структуры минерального строительного материала и создает условия вымывания его компонентов (появление высолов) и возникновения других дефектов внутренней и поверхностной структуры. Обычно в зимнее время особенно сильно разрушаются наружные покрытия, так как под влиянием разности температур внутри материала по порам происходит перемещение воды в область наиболее низких температур, где образуется максимальное количество льда, который увеличивает объем в 8-9 раз, создавая при этом огромное давление, приводящее к разрушению пористой структуры. Можно утверждать, что увеличение долговечности строительных материалов и улучшение эксплуатационных условий помещений, прежде всего, связано с защитой от проникновения в строительные материалы воды.
Принято считать, что основным средством предупреждения проникновения воды и водных растворов солей является увеличение плотности бетона. Однако следует отметить, что при капиллярном всасывании увеличение плотности бетона не оказывает существенного влияния на перенос и проникновение воды и водных растворов солей в объем цементного камня. Для гидрофобизации сооружений применяют покрывные, клеющие, цементирующие и другие составы, образующие на поверхности строительного материала водонепроницаемую изоляционную пленку, которая закупоривает поры бетона. Однако подобные защитные средства нельзя признать достаточными, т.к. они приводят к изменению внешнего вида и фактуры поверхности строительного материала. Кроме того, весьма существенным недостатком таких покрытий является то, что они лишают материал возможности «дышать», т.е. препятствуют циркуляции воздуха и испарению влаги из пор. Последнее приводит к разрушению заградительной системы и материала, отсыреванию стен за счет капиллярного подсоса грунтовых вод и т.п. Этим же недостатком обладают пропиточные, инъекционные и тампонажные жидкости, которые часто применяются для понижения водопроницаемости материала или уплотнения содержащихся в нем пор и пустот. Учитывая вышеизложенное с достаточной степенью достоверности можно утверждать, что единственным способом снижения или исключения капиллярного подсоса от увлажняемой различными способами поверхности бетона является придание ей гидрофобных свойств, когда силы поверхностного натяжения и образования выпуклого мениска воды в капиллярах не способствуют, а препятствуют проникновению ее в толщу бетона. Эффект повышения стойкости за счет гидрофобизации достигается тогда, когда проникновение воды в объем бетона происходит не за счет гидравлического напора, а при периодическом смачивании ею поверхности изделия, а также при капиллярном всасывании от погруженной в воду части конструкций. Следует иметь в виду, что гидрофобизация основана на ориентированном взаимодействии на твердой поверхности молекул органических соединений с образованием гидрофобных монослоев. Эти слои ориентируются при взаимодействии таким образом, что гидрофильные полярные группы гидрофобизатора направлены к твердой поверхности, а гидрофобные радикалы — в окружающую среду. Для получения устойчивых водоотталкивающих покрытий необходимо, чтобы полярные группы гидрофобизатора были химически связаны с поверхностью твердого тела. Пленки из гидрофобных радикалов можно представить в виде щеток, которые и придают ей водоотталкивающее свойства. Водоотталкивающие покрытия часто не являются мономолекулярными слоями, а образуют на поверхности твердого тела неоднородную по толщине объемную пленку химического соединения. Такая пленка вследствие нарушения ориентации и неоднородности менее гидрофобна, но более устойчива в процессе эксплуатации.
Для проведения гидрофобизации на поверхность строительной конструкции или детали любым способом наносится раствор соответствующего гидрофобизатора. Глубина его проникновения тем больше, чем ниже его поверхностное натяжение и вязкость и чем выше пористость строительного материала. Стенки пор и все частицы материала, вошедшие в контакт с раствором, обволакиваются водоотталкивающей пленкой гидрофобизатора. При этом ни размеры пор, ни фактура поверхности твердого тела не изменяются, а прочность поверхностных слоев и стенок пор несколько увеличивается. В то же время материал теряет способность смачиваться водой и капиллярно ее всасывать. Как отмечается в ряде работ, проникновение воды в поры материала не имеет места даже при сильном дожде. Однако при давлении, значительно превышающем гидростатическое, и особенно при длительном воздействии, вода постепенно проникает в поры гидрофобизированного материала. Последнее обусловлено тем, что при гидрофобизации все поры сохраняются открытыми, и лишь стенки их теряют способность смачиваться водой. При оценке целесообразности гидрофобизации материала следует помнить о том, что она исключает капиллярный подсос и фильтрационное проникновение воды и водных солевых растворов в объем бетона при сравнительно небольших гидростатических давлениях, при одновременном сохранении материалом открытой пористости. Гидрофобный эффект на внешней поверхности материала с течением времени снижается. Последнее происходит в результате атмосферного воздействия на поверхность твердого тела. Однако внутренние гидрофобные слои сохраняют водоотталкивающее свойство в течение 7-10 и более лет.
Исследования особенностей гидрофобизации поверхности строительных пористых материалов и защитных свойств гидрофобных покрытий начаты в 1960- е годы. Гидрофобизирующие составы готовились на основе мылонафта, синтетических жирных и древесных кислот. С появлением на рынке кремнийорганических соединений в конце 1970-х годов начались исследования по гидрофобизации поверхности строительных материалов кремнийорганическими гидрофобизаторами: ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, ГКЖ-94М, ФЭС-50, ФЭС-80. Однако широкого практического применения в народном хозяйстве бывшего СССР этот метод защиты строительных материалов не нашел. Последнее можно объяснить тем, что кремнийорганические гидрофобизаторы были достаточно дефицитными, дорогостоящими и пожаронебезопасными. Кроме того, эффективность защиты от коррозии и эрозии строительных конструкций, а также сохранность тепла в жилых помещениях и т.д. в то время изготовителей мало интересовали, и лишь в настоящее время этому вопросу начали уделять определенное внимание. В Беларуси, к сожалению, отсутствует производство кремнийорганических соединений. Это, естественно, в какой-то мере тормозит широкое использование гидрофобизаторов в практике защиты строительных материалов и конструкции от воздействия воды и водно-солевых растворов. Вместе с тем страна располагает достаточной сырьевой базой для производства гидрофобизаторов. Это отходы жировой промышленности и развивающегося производства дизельного топлива из рапсового масла.
На кафедре неорганической химии Белгосуниверситета разработаны на основе олеиновой кислоты водные и на органических растворителях составы, обеспечивающие гидрофобизацию практически всех пористых материалов. При этом их защитные свойства по всем техническим показателям соответствуют гидрофобизаторам, произведенным на основе кремнийорганических соединений, а по устойчивости к гидролизу превосходят составы, полученные из метил- и этилсиликатов (ГКЖ-11, ГКЖ- 10). Установлено, что обработка водным составом гидрофобизатора влажной поверхности бетона или других кальцийсодержащих строительных материалов способствует ускоренному высыханию. Наблюдаемый эффект «сушки» поверхности бетонных изделий обусловлен изменением межфазовой границы «твердое тело — вода», полным вытеснением с поверхности адсорбированной воды и переводом ее в не связанное с поверхностью состояние, обеспечивающее ее достаточно быстрое испарение. Химическое взаимодействие функциональных групп гидрофобизатора на основе олеиновой кислоты с поверхностью бетона, приводящее к изменению межфазовой границы, обеспечивает не только интенсивное удаление влаги с поверхности, но и модифицирует ее, т.е. делает устойчивой к атмосферному воздействию (карбонизация, гидратация, эрозия и т.д.) и существенно увеличивает адгезию лакокрасочного покрытия к поверхности бетона. Этот эффект обусловлен взаимодействием концевых углеводородных частей олеиновой кислоты с формируемыми пленочными структурами, а также отсутствием влаги на границе раздела фаз «поверхность бетона — лакокрасочная пленка». Кроме того, нейтрализуется эффект давления воды на лакокрасочную пленку с внутренней стороны окрашенного строительного материала. Эти факторы обеспечивают увеличение (более 10 лет) сохранности лакокрасочного покрытия, нанесенного на бетон или другой строительный кальцийсодержащий материал.
В кратком обзоре не представляется возможным обратить внимание читателя на все положительные эффекты гидрофобизации строительных материалов. Но вместе с тем следует отметить, что гидрофобизация строительных материалов и сооружений в развитых странах широко используется, поскольку позволяет не только увеличить сроки эксплуатации, но и существенно снизить энергетические затраты на поддержание требуемого температурного режима в помещениях зданий, а также уменьшить материальные затраты на проведение текущих ремонтов и других видов работ. Можно надеяться, что появление на рынке Беларуси дешевых отечественных гидрофобизаторов строительных материалов привлекает внимание соответствующих служб и организаций к разработке технических рекомендаций по их применению в строительном комплексе. Последнее, по мнению авторов, приведет к широкому внедрению этих перспективных материалов в ремонтно-строительную индустрию.
Литература
1. Сураев В. Гидрофобизация. Теория и практика//Технологии строительства. — 2002. — №1. — C. 120-121.
2. Гидрофобизация конструкций с помощью составов SCHOMBURG//Строительство и недвижимость. — 29.01.2002.
С.К. РАХМАНОВ, доктор хим. наук (Белорусский государственный университет),
С.Н. ЛЕОНОВИЧ, проф., доктор техн. наук (Белорусский национальный технический университет),
Г.Л. ЩУКИН, канд. хим. наук,
А.Л. БЕЛАНОВИЧ, канд. хим. наук (Белорусский государственный университет)
обсуждение статьи
Высокая водопоглощаемость и водопроницаемость пористых минеральных строительных материалов обусловливает их достаточно быстрое разрушение в результате воздействия воды, изменение физических и эксплуатационных характеристик. Вода, проникая в поры материала, растворяет его кристаллические структуры, нарушает сцепление между ними, что приводит к снижению его прочности. Существенной причиной понижения прочности и обеспечения деформации пористых строительных материалов при их увлажнении является обратимая адсорбция воды и растворение в ней вяжущих веществ. Образование адсорбционного слоя воды понижает поверхностную энергию твердого тела, а, следовательно, и работу образования новых поверхностей при деформации. Сорбированные же молекулы воды мигрируют по поверхностям, вновь образующимся в деформационном материале, что уже при малых напряжениях приводит к его разрушению вследствие лавинно развивающейся ползучести. К снижению прочности неорганических пористых материалов приводит и расклинивающее действие водных пленок, растворяющих микроэлементы их структуры. Особенно сильно разрушение происходит при многократном попеременном намокании и высыхании. Капиллярная миграция воды вызывает неравномерное распределение механических напряжений, что также способствует разрушению. При такой миграции вода, растворившая компоненты стройматериала в одних его участках, осаждает их в виде солей в других. Это приводит к развитию неконтролируемых процессов кристаллообразования и отложения солей, объем которых превышает первоначальный объем растворившихся компонентов, что вызывает механические разрушения части пористой структуры минерального строительного материала и создает условия вымывания его компонентов (появление высолов) и возникновения других дефектов внутренней и поверхностной структуры. Обычно в зимнее время особенно сильно разрушаются наружные покрытия, так как под влиянием разности температур внутри материала по порам происходит перемещение воды в область наиболее низких температур, где образуется максимальное количество льда, который увеличивает объем в 8-9 раз, создавая при этом огромное давление, приводящее к разрушению пористой структуры. Можно утверждать, что увеличение долговечности строительных материалов и улучшение эксплуатационных условий помещений, прежде всего, связано с защитой от проникновения в строительные материалы воды.
Принято считать, что основным средством предупреждения проникновения воды и водных растворов солей является увеличение плотности бетона. Однако следует отметить, что при капиллярном всасывании увеличение плотности бетона не оказывает существенного влияния на перенос и проникновение воды и водных растворов солей в объем цементного камня. Для гидрофобизации сооружений применяют покрывные, клеющие, цементирующие и другие составы, образующие на поверхности строительного материала водонепроницаемую изоляционную пленку, которая закупоривает поры бетона. Однако подобные защитные средства нельзя признать достаточными, т.к. они приводят к изменению внешнего вида и фактуры поверхности строительного материала. Кроме того, весьма существенным недостатком таких покрытий является то, что они лишают материал возможности «дышать», т.е. препятствуют циркуляции воздуха и испарению влаги из пор. Последнее приводит к разрушению заградительной системы и материала, отсыреванию стен за счет капиллярного подсоса грунтовых вод и т.п. Этим же недостатком обладают пропиточные, инъекционные и тампонажные жидкости, которые часто применяются для понижения водопроницаемости материала или уплотнения содержащихся в нем пор и пустот. Учитывая вышеизложенное с достаточной степенью достоверности можно утверждать, что единственным способом снижения или исключения капиллярного подсоса от увлажняемой различными способами поверхности бетона является придание ей гидрофобных свойств, когда силы поверхностного натяжения и образования выпуклого мениска воды в капиллярах не способствуют, а препятствуют проникновению ее в толщу бетона. Эффект повышения стойкости за счет гидрофобизации достигается тогда, когда проникновение воды в объем бетона происходит не за счет гидравлического напора, а при периодическом смачивании ею поверхности изделия, а также при капиллярном всасывании от погруженной в воду части конструкций. Следует иметь в виду, что гидрофобизация основана на ориентированном взаимодействии на твердой поверхности молекул органических соединений с образованием гидрофобных монослоев. Эти слои ориентируются при взаимодействии таким образом, что гидрофильные полярные группы гидрофобизатора направлены к твердой поверхности, а гидрофобные радикалы — в окружающую среду. Для получения устойчивых водоотталкивающих покрытий необходимо, чтобы полярные группы гидрофобизатора были химически связаны с поверхностью твердого тела. Пленки из гидрофобных радикалов можно представить в виде щеток, которые и придают ей водоотталкивающее свойства. Водоотталкивающие покрытия часто не являются мономолекулярными слоями, а образуют на поверхности твердого тела неоднородную по толщине объемную пленку химического соединения. Такая пленка вследствие нарушения ориентации и неоднородности менее гидрофобна, но более устойчива в процессе эксплуатации.
Для проведения гидрофобизации на поверхность строительной конструкции или детали любым способом наносится раствор соответствующего гидрофобизатора. Глубина его проникновения тем больше, чем ниже его поверхностное натяжение и вязкость и чем выше пористость строительного материала. Стенки пор и все частицы материала, вошедшие в контакт с раствором, обволакиваются водоотталкивающей пленкой гидрофобизатора. При этом ни размеры пор, ни фактура поверхности твердого тела не изменяются, а прочность поверхностных слоев и стенок пор несколько увеличивается. В то же время материал теряет способность смачиваться водой и капиллярно ее всасывать. Как отмечается в ряде работ, проникновение воды в поры материала не имеет места даже при сильном дожде. Однако при давлении, значительно превышающем гидростатическое, и особенно при длительном воздействии, вода постепенно проникает в поры гидрофобизированного материала. Последнее обусловлено тем, что при гидрофобизации все поры сохраняются открытыми, и лишь стенки их теряют способность смачиваться водой. При оценке целесообразности гидрофобизации материала следует помнить о том, что она исключает капиллярный подсос и фильтрационное проникновение воды и водных солевых растворов в объем бетона при сравнительно небольших гидростатических давлениях, при одновременном сохранении материалом открытой пористости. Гидрофобный эффект на внешней поверхности материала с течением времени снижается. Последнее происходит в результате атмосферного воздействия на поверхность твердого тела. Однако внутренние гидрофобные слои сохраняют водоотталкивающее свойство в течение 7-10 и более лет.
Исследования особенностей гидрофобизации поверхности строительных пористых материалов и защитных свойств гидрофобных покрытий начаты в 1960- е годы. Гидрофобизирующие составы готовились на основе мылонафта, синтетических жирных и древесных кислот. С появлением на рынке кремнийорганических соединений в конце 1970-х годов начались исследования по гидрофобизации поверхности строительных материалов кремнийорганическими гидрофобизаторами: ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, ГКЖ-94М, ФЭС-50, ФЭС-80. Однако широкого практического применения в народном хозяйстве бывшего СССР этот метод защиты строительных материалов не нашел. Последнее можно объяснить тем, что кремнийорганические гидрофобизаторы были достаточно дефицитными, дорогостоящими и пожаронебезопасными. Кроме того, эффективность защиты от коррозии и эрозии строительных конструкций, а также сохранность тепла в жилых помещениях и т.д. в то время изготовителей мало интересовали, и лишь в настоящее время этому вопросу начали уделять определенное внимание. В Беларуси, к сожалению, отсутствует производство кремнийорганических соединений. Это, естественно, в какой-то мере тормозит широкое использование гидрофобизаторов в практике защиты строительных материалов и конструкции от воздействия воды и водно-солевых растворов. Вместе с тем страна располагает достаточной сырьевой базой для производства гидрофобизаторов. Это отходы жировой промышленности и развивающегося производства дизельного топлива из рапсового масла.
На кафедре неорганической химии Белгосуниверситета разработаны на основе олеиновой кислоты водные и на органических растворителях составы, обеспечивающие гидрофобизацию практически всех пористых материалов. При этом их защитные свойства по всем техническим показателям соответствуют гидрофобизаторам, произведенным на основе кремнийорганических соединений, а по устойчивости к гидролизу превосходят составы, полученные из метил- и этилсиликатов (ГКЖ-11, ГКЖ- 10). Установлено, что обработка водным составом гидрофобизатора влажной поверхности бетона или других кальцийсодержащих строительных материалов способствует ускоренному высыханию. Наблюдаемый эффект «сушки» поверхности бетонных изделий обусловлен изменением межфазовой границы «твердое тело — вода», полным вытеснением с поверхности адсорбированной воды и переводом ее в не связанное с поверхностью состояние, обеспечивающее ее достаточно быстрое испарение. Химическое взаимодействие функциональных групп гидрофобизатора на основе олеиновой кислоты с поверхностью бетона, приводящее к изменению межфазовой границы, обеспечивает не только интенсивное удаление влаги с поверхности, но и модифицирует ее, т.е. делает устойчивой к атмосферному воздействию (карбонизация, гидратация, эрозия и т.д.) и существенно увеличивает адгезию лакокрасочного покрытия к поверхности бетона. Этот эффект обусловлен взаимодействием концевых углеводородных частей олеиновой кислоты с формируемыми пленочными структурами, а также отсутствием влаги на границе раздела фаз «поверхность бетона — лакокрасочная пленка». Кроме того, нейтрализуется эффект давления воды на лакокрасочную пленку с внутренней стороны окрашенного строительного материала. Эти факторы обеспечивают увеличение (более 10 лет) сохранности лакокрасочного покрытия, нанесенного на бетон или другой строительный кальцийсодержащий материал.
В кратком обзоре не представляется возможным обратить внимание читателя на все положительные эффекты гидрофобизации строительных материалов. Но вместе с тем следует отметить, что гидрофобизация строительных материалов и сооружений в развитых странах широко используется, поскольку позволяет не только увеличить сроки эксплуатации, но и существенно снизить энергетические затраты на поддержание требуемого температурного режима в помещениях зданий, а также уменьшить материальные затраты на проведение текущих ремонтов и других видов работ. Можно надеяться, что появление на рынке Беларуси дешевых отечественных гидрофобизаторов строительных материалов привлекает внимание соответствующих служб и организаций к разработке технических рекомендаций по их применению в строительном комплексе. Последнее, по мнению авторов, приведет к широкому внедрению этих перспективных материалов в ремонтно-строительную индустрию.
Литература
1. Сураев В. Гидрофобизация. Теория и практика//Технологии строительства. — 2002. — №1. — C. 120-121.
2. Гидрофобизация конструкций с помощью составов SCHOMBURG//Строительство и недвижимость. — 29.01.2002.
С.К. РАХМАНОВ, доктор хим. наук (Белорусский государственный университет),
С.Н. ЛЕОНОВИЧ, проф., доктор техн. наук (Белорусский национальный технический университет),
Г.Л. ЩУКИН, канд. хим. наук,
А.Л. БЕЛАНОВИЧ, канд. хим. наук (Белорусский государственный университет)
обсуждение статьи
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 41 за 2005 год в рубрике материалы и технологии
