Гидрофобная защита капиллярно-пористых строительных материалов с использованием электрохимических методов и модифицированных гидрофобизаторов

Актуальность работы. Защита капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе от проникновения влаги является актуальной проблемой как в теоретическом, так и практическом плане. В настоящее время ее пытаются решать преимущественно путем применения различного рода синтетических гидрофобизаторов. Несмотря на широкий выбор гидрофобных материалов в настоящее время, решение проблемы на качественном уровне возможно с использованием комбинированных приемов обработки пористых веществ. Одним из таких эффективных способов является сочетание электрохимических и химических методов.

Электрохимические технологии при обработке строительных материалов и изделий на их основе не получили широкого развития. Это обусловлено, с одной стороны, протеканием сложных и часто не контролируемых процессов переноса частиц в случайно организованной системе пористого материала, а с другой — относительно высокими затратами электрической энергии. Развитие теоретических представлений об электрокинетических явлениях, в частности, процессов электроосмоса, электрофореза в капиллярно-пористой среде строительных материалов, разработка энергосберегающих технологий, применение модифицированных гидрофобизаторов позволит не только повысить качество защиты строительных материалов и изделий от влаги, но и найти пути снижения экономических затрат.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научных работ Томского государственного архитектурно-строительного университета и межвузовской научно-технической программой «Строительство» (утвержд. ТКНВШ РСФСР, приказ № 252).

Объект исследования — строительные материалы на основе цементных систем с применением модифицированных гидрофобизаторов и электромагнитных полей для повышения качества защиты капиллярно-пористых материалов от влаги.

Предмет исследования — процессы объемной и поверхностной гидро-фобизации капиллярно-пористых строительных материалов.

Цель работы заключается в разработке составов и технологии гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов путем модифицирования композиций на основе водного раствора метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена с использованием электрохимических методов, теоретическом и экспериментальном обосновании процессов объемной и поверхностной обработки капиллярно-пористых тел.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Выявить закономерности массопереноса влаги и заряженных частиц водных растворов метилсиликоната калия в капиллярно-пористых телах в зависимости от параметров приложенного постоянного электрического тока.

2. Исследовать процессы интенсификации гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов с использованием комбинированного действия электрического и магнитного полей.

3. Разработать способы модифицирования гидрофобных жидкостей на основе метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена и исследовать гидрофобные и адгезионные свойства по отношению к цементному камню.

4. Разработать технологические приемы повышения качества гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов с использованием электрических и магнитных полей, гидрофобизаторов на основе модифицированных композиций метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена.

5. Обосновать экономическую целесообразность предлагаемых способов защиты от влаги строительных материалов и изделий на их основе.

Научная новизна работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании процесса гидрофобизации капиллярно-пористых строительных материалов на основе цементного вяжущего с использованием электрического и магнитного полей и модифицированных композиций метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена. При этом установлено следующее:

1. Установлено, что процесс переноса влаги в капиллярно-пористом цементном камне при наложении внешнего электрического и магнитного полей удовлетворительно описывается преобразованным уравнением Гельм-гольца-Смолуховского, учитывающего вклад магнитной составляющей. Предложен механизм интенсификации процесса, обусловленный направленным действием силы Лоренца в области диффузионного слоя на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело». Это приводит к уменьшению толщины граничного слоя, и как следствие, к увеличению скорости массопереноса частиц.

2. Установлено, что произведение величин электрического сопротивления и динамической вязкости раствора метилсиликоната калия в интервале концентраций 0,5−5,0%. является величиной постоянной, что позволяет проводить экспрессную оценку вязкости раствора гидрофобизатора по значению его проводимости.

3. Установлено, что модифицирование водного раствора метилсиликоната калия нитратом железа в концентрации 4−6% приводит к снижению водопоглощения цементного камня на 6−8% по сравнению с^{модифицированным} гидрофобизатором. Дополнительный эффект обусловлен образованием малорастворимых гидроксидных форм железа, что приводит к кольма-тации пор и капилляров дисперсной системы. Показано, что модифицирование аморфного полиэтилена путем его окисления кислородом воздуха в интервале температурах 160−180 °С позволяет увеличить адгезионную прочность к поверхности цементного камня в среднем на 18−22%.

4. Показано, что для объемной защиты цементного камня от проникновения влаги эффективно применять модифицированный метилсиликонат калия с использованием электрического тока, а для поверхностной — аморфный полиэтилен. Комбинирование объемного и поверхностного способа гидро-фобизации цементного камня по сравнению с контрольными образцами позволяет уменьшить водопоглощение, повысить морозостойкость за счет адгезии на поверхности пор и капилляров функциональных групп гидрофоби-заторов различной природы.

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании процессов массопереноса влаги в объеме капиллярно-пористых строительных материалах с использованием электромагнитных полей, выборе и модифицировании гидрофобных составов, разработке технологии комбинированной гидрофобной защиты строительных изделий, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, изложенных в диссертационной работе.

На защиту выносятся:

— закономерности электрокинетических явлений в капиллярно-пористых строительных материалах на основе цементных вяжущих системрезультаты исследований физико-химических и эксплуатационных свойств модифицированных композиций на основе водорастворимого метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена;

— технологические решения по осуществлению комбинированной гидрофобной защиты строительных материалов и изделий на их основе с использованием электрохимических методов и модифицированных гидрофобизато-ров.

Достоверность результатов основных положений и выводов диссертации обеспечена корректностью методик постановки экспериментов с применением современных физико-химических методов исследования (ИК-спектроскопия, ДТА, РФА, оптическая микроскопия) и статистических методов обработки. Выводы и рекомендации работы подтверждены положительным опытом испытания разработанных составов и технологии гидрофобной защиты строительных материалов.

Практическая значимость и реализация работы.

Разработаны композиции для гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов на основе метилсиликоната калия и аморфного полиэтилена, полученные путем модифицирования их водными растворами неорганических солей и окислением при температуре 160−180 °С соответственно.

Предложена технология комбинированной гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе, включающая стадии удаления избыточной влаги, введения модифицированного метилсиликоната калия в объем материала с использованием постоянного электрического и магнитного полей, гидрофобизации поверхности модифицированным аморфным полиэтиленом. Показано, что оптимальные условия проведения процесса гидрофобизации в объеме материала соответствуют следующим параметрам: напряженность постоянного электрического поля -(60−80) В/мзначение магнитной индукции постоянных магнитов 0,1 Тлконцентрация химической добавки нитрата железа — 6% .

Предложен метод экспрессной оценки динамической вязкости и концентрации водного раствора метилсиликоната калия, как одних из основных параметров в технологии гидрофобной защиты строительных материалов.

Предлагаемые методы защиты строительных изделий от влаги с применением постоянного электрического поля и модифицированных гидрофобных материалов прошли опытно-промышленные испытания с положительным эффектом на ОАО «ПК РИФ», ООО СГ «Талиман».

Апробация работы.

Результаты научно-экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на 11 Международном научно — техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве», (Томск, 2001 г.) — 58-й научно — технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды», (Самара, 2001 г.) — X Международной научно практической конференции «Качество — стратегия XXI века», (Томск, 2005 г.) — IX Международная научно — практической конференции «Химия — XXI век: «Новые технологии, новые продукты», (Кемерово, 2006 г.) — V Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды», (Томск, 2006 г.) — XI11 Международном семинаре «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века», (Новосибирск — 2006 г.) — XI Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века», (Томск, 2006 г.).

Публикации. Содержание диссертационной работы опубликовано в 14 научных публикациях, в том числе в 4 журналах, входящих в перечень ВАК, 1 патенте РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения. Диссертация изложена на 162 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу, 33 рисунка.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ НА ИХ ОСНОВЕ ОТ ВЛАГИ.

Гидрофобная защита капиллярно-пористых строительных изделий является частью общей системы защиты строительных конструкций. Несмотря на наличие в литературных источниках большого количества сведений по вопросам защиты от влаги строительных конструкций, отсутствует ясный регулирующий механизм, который предписывает, какие методы обработки в каких случаях и при каких условиях должны быть применены, и как должна быть оценена эффективность работы применяемых методов.

Способы гидрофобной защиты должны быть принципиально ориентированы на объективную необходимость эффективности их проведения. Поэтому перед планированием строительных или реконструкционных мероприятий необходимо проведение диагностических работ системного анализа по выявлению причин, которые обусловили то или иное состояние строительного сооружения. На их основе должны быть предложены такие мероприятия, которые позволят устранить истинные причины разрушения, а не только симптомы разрушения.

Для правильного выбора метода необходимо проведение так называемых первичных и вторичных мероприятий, которые между собой сильно различаются. Под первичными мероприятиями следует понимать те, которые преследуют цель оборудовать сооружение дополнительными конструкциями, пресекающими проникновение влаги извне. К ним относятся: вертикальные и горизонтальные гидроизоляционные покрытия, пропитки и уплотнения, которые могут быть произведены различными способами на основе известных принципов [1−17].

Под вторичными мероприятиями подразумеваются те, которые связаны с использованием строительных приемов, например, различные виды штука-турок, красочные покрытия, водоотводы и т. д.

Следует отметить, что применение способов гидрофобной защиты только поверхности зданий и строительных конструкций не приводит к высокой эффективности, т. к. при этом не прекращается поступление новых порций влаги.

На данный момент существует два распространенных способа защиты сооружений от влаги: гидроизоляция и гидрофобизация. Первый осуществляется с помощью нанесения на поверхность материала водонепроницаемого слоя или пропитки строительных материалов вяжущим веществом. Путем гидроизоляции проводят герметизацию и антикоррозийную защиту сооружений. Недостатком данного способа является то, что гидроизолирующий слой перекрывает поры, то есть материал перестает дышать. К тому же рано или поздно на нем возникают трещины, приводящие к разрушению. Гидрофобизация — процесс пропитки конструкции специальными составами, в результате которого проникновение влаги внутрь материала блокируется. Такие составы образуют тончайшие пленки или мономолекулярные слои на стенках капилляров, прекращающие доступ молекул воды внутрь. Гидрофобизирую-щее вещество плотно удерживается в материале и со временем не вымывается. Толщина пропитки составляет от 1 до 5 мм. Гидрофобизатор наносят на пористые, способные впитывать влагу материалы. К ним относят бетон, цементно-известковые и цементно-песчаные изделия, керамзитобетон, кирпич, асбест, шлакоблоки, известняковые блоки, различные виды черепицы, гипсо-картон, шифер, искусственный камень, дерево и др. Существует множество технологий нанесения раствора, которые подбирают исходя из характеристик обрабатываемого материала. Среди них полив, окунание, распыление или нанесение кистью. Перед началом работы поверхность очищают от грязи и пыли и высушивают. Нанесение должно происходить при температуре не ниже 7 ОС. Композицию следует класть равномерно, сверху вниз и исключать пропуски и подтеки. После дождя гидрофобизацию проводить не рекомендуют. Недостатком такого способа является то, что изделие необходимо высушивать после обработки.

Первые гидрофобизаторы для ограждающих конструкций появились в строительстве около 40 лет назад. В основном это были кремнийорганиче-ские жидкости на основе полигидросилоксана, этилсиликоната натрия, метилсиликоната натрия. Они создают барьерный слой, который защищает конструкции от воздействия воды и агрессивных сред. В большинстве случаев гидрофобные материалы не закрывают трещин, поэтому гидрофббизация конструкций, в которых под воздействием внешних нагрузок трещины раскрываются и закрываются, может быть нецелесообразной. С течением времени вода может вымывать гидрофобные композиции, поэтому с определённым интервалом (обычно через 2−4 года) необходимо восстанавливать водоотталкивающие свойства материала. Гидрофобизацию не рекомендуют проводить на конструкциях, поверхность которых в процессе эксплуатации может истираться под действием механических сил, так как гидрофобные материалы имеют небольшую глубину проникновения. Гидрофобизация может быть либо поверхностной, либо объёмной. Поэтому выделяют гидрофобные материалы для поверхностного использования и для применения инъектиро-ванием. Поверхностную гидрофобизацию проводят на конструкции детали распылением, валиком или кистью. Объёмную гидрофобизацию — методом инъекции в шпуры: в стенах почти на всю их толщину сверлят в шахматном порядке слегка наклонные шпуры, в которые под давлением заливают гидрофобный материал. Общепризнано, что второй способ гидрофобной защиты наиболее эффективен, так как долговечность и качество водоотталкивающих покрытий в большей мере зависит от глубины впитывания гидрофобизатора. Свои свойства обработанные гидрофобизаторами материалы сохраняют в течение 10−15 лет при поверхностной обработке, а при объёмной — в течение всего срока службы здания или конструкции. Объемную гидрофобизацию можно осуществлять и путем введения гидрофобизатора на стадии изготовления строительного материала. При этом допустимая концентрация добавки не должна превышать 0,6% масс. Однако эти условия не обеспечивают качественной гидрофобной защиты материала и нарушают его свойства.

Следует отметить, что процессы переноса электролита в ограждающих конструкциях могут длиться десятилетиями, что приводит к существенным изменениям их структуры. Принимая во внимание многообразие условий существования строительных конструкций, проблемы движения влаги в них являются чисто эмпирическими. Известен целый ряд исследований на отдельных объектах, которые описывают состояние увлажнения соответст вующих строительных сооружений, которые имеют преимущественно статистическое описание. Лишь в настоящее время предпринимаются попытки математического моделирования движения влаги во всей ее сложности. Однако их можно считать приближенными, так как, с одной стороны, выбираются идеальные исходные условия, а с другой стороны, не учитываются некоторые важные факторы, такие, например, как присутствие в воде растворимых солей. Эта проблема является с недавнего времени одной из задач исследований строительной физики и химии строительных материалов.

Следует отметить, что теоретические представления о движении влаги в капиллярно-пористых материалах не настолько развиты, чтобы применять их в практике строительства и реставрации. Особенно тщательно должны быть изучены, на наш взгляд, проблемы перемещения растворимых ионов к границам раздела фаз строительных материалов. Корректное описание перемещения влаги и оценке ее влияния на строительно-технические сооружения из капиллярно-пористых тел рассмотрены, например в [11], где предложены следующие критерии относительно разрушенных влажностью строительных кладок.

1. В кирпичной кладке могут транспортироваться повышенные количества влаги, если в прилегающей к фундаменту области наблюдается избыточное количество влаги и при этом отсутствует необходимая гидроизоляция.

2. Влаговпитывающая способность швов кладки доминирует и определяет влаговпитывающую способность всей кладки в целом.

3. Широкие швы кладки способствуют вертикально направленному транспорту влаги.

4. Кирпичные кладки могут достигать в нижних областях 100-процентного влагонасыщения, которое с увеличением высоты может очень резко уменьшиться.

5. Поврежденные влагой кладки имеют очень высокую степень влагонасыщения (доходящую до 100%) и до высоты 40−70 см над уровнем местности.

6. Слои внутренней и внешней штукатурок приводят, как правило, к отрицательному воздействию на процессы испарения влаги из стены.

7. Выпадение осадков (например, ливни) приводят к интенсивным повышениям влагосодержания в кладках, тогда как в обратном направлении этот процесс протекает очень медленно.

8. Концентрации солей на поверхности кладки и близко к поверхности расположенных областях увеличивают способность влагопоглощения за счет впитывания солями влаги из воздуха.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработанный метод комбинированной гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе с использованием электрического поля, введения модифицированных метилсиликоната калия позволяет обеспечить гидрофобную защиту в объеме строительного материала. При этом оптимальная концентрация метилсиликоната калия составляет 4,5−5,0% масс.

2. Показано, что скорость переноса заряженных частиц в цементном камне с определенным уровнем приближения может быть рассчитана по уравнению: U=zeE/6izrr. Это позволяет проводить оценку скорости массопе-реноса частиц при заданных параметрах напряженности электрического поля в капиллярно-пористом теле без учета величины электрокинетического потенциала.

3. Комбинированное применение постоянных электрического (с напряженностью от 10 В/м) и магнитного (с величиной магнитной индукции от 0,01 Тл) полей позволяет интенсифицировать процессы массопереноса заряженных частиц гидрофобной жидкости. На основе расчетных и экспериментальных данных показано, что на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело» действие силы Лоренца является достаточным условием для осуществления направленного тангенциального движения частиц в области диффузного слоя. Это приводит к уменьшению его толщины, и как следствие, к усилению процессов массопереноса, распределению частиц гидрофобизатора в объеме капиллярно-пористого тела. Интенсификация процесса может быть описана модифицированным уравнением Гельмгольца-Смолуховского.

4. Регулировать процессы массопереноса в капиллярно-пористых телах можно путем изменения напряженности электрического поля, наложения силовых линий магнитного поля перпендикулярно миграционному движению заряженных частиц, При этом оптимальными параметрами являются: напряженность электрического поля (60−80) В/м, величина магнитной индукции на поверхности постоянных магнитов — 0,1 Тл.

5. Модифицирование метилсиликоната калия раствором соли железа с концентрацией 6% и использование постоянного электрического тока повышает гидрофобную защиту капиллярно-пористых материалов в среднем на 6−8%. Эффективность процесса обусловлена объемной пропиткой материала, дополнительной кольматацией пор в результате образования твердой фазы гидроксида железа (III) и увеличением проводимости гидрофобной жидкости.

6. Модифицирование аморфного полиэтилена осуществляют путем температурной обработки смеси при 160−180 °С в течение 2−2,5 часов при постоянном перемешивании смеси, введения минерального масла. Это приводит к повышению эксплуатационных свойств композиции и позволяет использовать модифицированную композицию для обеспечения гидрофобной защиты поверхности материалов. Рекомендуемая концентрация окисленного аморфного полиэтилена в минеральном масле составляет 8%. При этой концентрации получены следующие параметры гидрофобной композиции: кинематическая вязкость — 39,3 сСт, температура каплепадания — 110 °C, адге.

3 2 л о зионная прочность — 86×10″ Дж/м, работа когезии — 261×10″ Дж/м", энергия поверхностного натяжения — 0,0029 Дж/м2, коэффициент диффузии — 10″ 14iff Л.

10″ м/с, водопоглощение цементного камня -278 г/м~хсутки.

7. Предложенный метод оценки значений динамической вязкости и концентрации раствора метилсиликоната калия по величине его проводимости в диапазоне концентраций 0,5−5,0% позволяет экспрессно определять и регулировать количественной состав гидрофобной жидкости.

8. Разработанные способы комбинированной гидрофобизации объема и поверхности цементного камня по сравнению с обработкой объема метилсиликоната калия позволяют снизить водопоглощение на 30−35%, повысить морозостойкость на 8−15%, увеличить долговечность изделия.

9. Показано, что на обработку 1 м объема изделия (на примере бетона) метилсиликонатом калия с использованием электрохимических методов затраты составляют 19,5 руб. При обработке поверхности изделия модифицированным аморфным полиэтиленом — 1,2 руб. Предлагаемая технология гидрофобной защиты является эффективной для зданий и сооружений с высокой степенью влажности.