CC BY
27
УДК 621.78.01:536.2
Н.Н. ДЕБЕЛОВА
ГИДРОФОБНАЯ ЗАЩИТА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Рассмотрены электрокинетические явления в капиллярно-пористых строительных материалах. Показано соответствие расчетных и экспериментальных данных по скорости массопереноса влаги в зависимости от напряженности постоянного электрического тока. Показано, что введение химической добавки хлорида железа в водорастворимую гидрофобную жидкость повышает качество защиты изделия от влаги.
Для осушения кирпичных и бетонных стен здания, предотвращения распространения сырости в процессе эксплуатации сооружения в последнее время все более широкое применение находят методы, основанные на электрокинети-ческих явлениях [1, 2]. В результате нарушения гидроизоляции влага поднимается по вертикальным стенам. Пористые и капиллярные строительные материалы интенсивно впитывают воду. При ее испарении она оставляет в стенах растворенные соли. Вследствие мороза и соляной кристаллизации строительные материалы разрушаются, что является основной причиной ущерба для поверхности зданий. Поэтому удаление влаги и повышение качества гидрофобной защиты стен здания является актуальной проблемой.
Несмотря на то, что еще в семидесятых годах двадцатого века был изобретен метод противостояния грунтовым водам с использованием электрокинетиче-ских явлений, на практике он применяется мало. Связано это с тем, что законы, по которым движется электролит в пористых телах под действием электрического поля, весьма специфичны. Они не имеют аналогов среди законов движения, вызванных другими причинами. Проблема осложняется наличием различных по характеру процессов массопереноса и массообмена, протекающих в случайно организованной системе капиллярно-пористых строительных материалов, отсутствием надежных способов контроля за миграционным, гидродинамическим и диффузионным переносом жидкости в объеме материала и другими причинами. Поэтому с целью более эффективного практического применения постоянного или переменного электрического тока при осушении зданий и при введении гидрофобной жидкости необходимы как экспериментальные, так и теоретические исследования в области электрокинетических явлений, протекающих в таких сложных структурах, как, например, бетон, глиняный или силикатный кирпич.
Цель работы заключается в изучении процессов массопереноса влаги и водного раствора гидрофобной жидкости в капиллярно-пористых материалах под действием постоянного электрического тока.
Известно, что электрокинетические явления, наблюдаемые в дисперсных системах, представляют собой либо относительное смещение фаз под действием внешнего электрического поля (электроосмос или электрофорез), либо возникновение разности потенциалов в направлении относительного движения фаз, вызываемого гидродинамическими силами. В данном случае, на наш взгляд, определяющую роль играют электроосмотические явления или движе-
ние жидкости - дисперсионной среды - относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля. В качестве дисперсионной фазы здесь выступают в совокупности: водно-солевой раствор, компоненты гетерогенной среды строительного материала и продукты взаимодействия раствора с твердой фазой.
Согласно [3], условная схема распределения зарядов, например в структуре бетонного изделия, может быть представлена на рис. 1.
За счет существования системы капилляров в бетоне водный раствор проникает в объем изделия, образуя границу влагонасыщенного и сухого бетона. Известно, что влажная часть стены заряжена отрицательно, что обусловлено присутствием анионов солей, таких как нитраты, хлориды, фосфаты, сульфаты и молекул воды. Как правило, отрицательный заряд существует до верхней линии воды, который является условным уровнем линии нулевого потенциала, выше которой экспериментально определяется положительный потенциал. Чтобы добиться состояния пониженной влажности, необходимо понизить линию нулевого потенциала. Это осуществляется при помощи наложения электрического поля с подачей на электроды положительного и отрицательного зарядов. Грунт и влагонасыщенный бетон служат катодом, и на них в нижней части конструкции с помощью генератора подается отрицательный потенциал. Положительный заряд электрического тока может подаваться от уровня линии нулевого потенциала и ниже.
Рис. 1. Схема распределения зарядов в бетоне при различных условиях его контакта с окружающей средой:
1 - сухой бетон; 2 - влагонасыщенный бетон; 3 - источник влаги (грунт); 4 - знак потенциала
Нами был исследован способ электрохимической обработки увлажненного цементного камня размером 10x10x10 см с последующей гидрофобизацией. В качестве электродов использовалась трубчатая медная фольга. На электроды подавалось постоянное напряжение в диапазоне 10-80 В. Границу движения жидкости на поверхности образца определяли визуально. Для определения более точной границы воду подщелачивали и добавляли фенолфталеин. Результаты опытов сравнивали с контрольным образцом. Время исчезновения окраски
в исследуемом и контрольном образцах принималось за окончание процесса. После этого определялась влажность образцов по известной методике.
Как показали результаты при данных условиях эксперимента, скорость удаления влаги с использованием постоянного электрического поля увеличилась в среднем на 30-40 % по сравнению с контрольными образцами. Учитывая, что потребляемая мощность при данных условиях эксперимента не превышает 0,6 Вт/ч, можно утверждать, что данный метод является эффективным для предварительного осушения строительных изделий на основе цемента с целью дальнейшей более качественной пропитки гидрофобной жидкостью.
В качестве гидрофобизаторов нами опробованы широко используемые в практике водорастворимые силикатсодержащие растворы, такие как аквасил и ваккер-290. Для повышения проводимости раствора в жидкость добавляли раствор хлорида железа в концентрации 6 масс.%. В теле цементного камня выполняли два отверстия, отстоящие друг от друга на 5 см, в которые устанавливали электроды из медной фольги. Отверстия заполняли гидрофобной жидкостью и включали источник постоянного тока. После рассредоточения гидрофобизато-ра в объеме капиллярно-пористого тела и полного удаления его из каналов электрода электропитание отключали и исследовали качество пропитки по сравнению с контрольными образцами. Контрольные образцы получали методом естественной пропитки раствором гидрофобной жидкости в течение времени работы источника питания. Результаты эксперимента приведены в таблице.
Водопоглощение цементного камня после его обработки методом смачивания и электрохимической обработки после суток выдерживания образцов в воде, %
Тип гидрофобной жидкости Водопоглощение, %
Способ обработки
естественная пропитка электрохими- ческий электрохимический с добавкой РеС13
Аквасил 1,32±0,06 0,91±0,04 0,73±0,05
Ваккер-290 1,18±0,05 0,74±0,03 0,59±0,04
Результаты экспериментов показывают, что применение электрохимической пропитки цементного камня в сочетании с дополнительными приемами обработки путем введения добавки хлорида железа существенно увеличивает качество гидрофобной защиты строительного изделия.
Развитие протекающих здесь процессов можно описать с позиций известных законов электроосмоса. При этом примем следующие положения.
1. Поверхность твердой фазы капилляра в цементном камне заряжена и образует двойной электрический слой с противоионами водной среды.
2. Потенциалопределяющими ионами двойного электрического слоя являются отрицательные ионы, преимущественно 8Ю44", образующиеся при взаимодействии молекул основного по массе компонента цементного камня (оксида кремния) с дисперсионной средой.
3. Внутренние диаметры сред нестатических пор цементного камня, диафрагмы (мембраны) капилляра в зрелом возрасте бетона значительно превышают размеры двойного электрического слоя и радиусы гидратированных ионов.
4. Кристаллическая фаза является диэлектриком, а жидкость - проводником второго рода.
5. Течение жидкости в порах капилляра является ламинарным и подчиняется законам гидродинамики.
6. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к поверхности твердой фазы, является неподвижным, в то время как раствор, занимающий объем пор, способен к конвективному или диффузионному перемещению.
7. При действии постоянного электрического поля скорость перемещения жидкой фазы не зависит от площади сечения или толщины диафрагмы и после стабилизационного периода является постоянной.
Принимая данные условия, которые не противоречат известным теоретическим и экспериментальным данным, можно изобразить условную схему гидродинамического поведения жидкости при электрокинетических явлениях (рис. 2).
1 2 4 6 5 3 4 6 5 1
Рис. 2. Условная схема движения электролита в порах цементного камня:
1 - электроды; 2 - граница поверхности твердой фазы капилляра; 3 - неподвижный диффузионный слой (5); 4 - гидратированные катионы (№+, К+, Са2+, Ее3+, А13+, Mg2+ и др.); 5 - гидратированные анионы (С1-, !3042', К03", С032- и др.); 6 - диполи воды
Под влиянием внешнего постоянного электрического поля осуществляется миграционный перенос анионов к положительному полюсу, а катионов -к отрицательному параллельно относительно неподвижного слоя потенциало-пределяющих ионов. Поскольку анионы преимущественно являются частицами с отрицательной гидратацией и, следовательно, не образуют вокруг себя стабильной гидратной оболочки, то массоперенос захваченных ими молекул воды в направлении к аноду намного меньше по сравнению с катионами, имеющими положительное значение энергии гидратации. Как известно, размеры гидратированных катионов в области ближней и дальней гидратации в зависимости от заряда находятся в диапазоне (10-8-10-9) м [4]. Эта разница в свойствах вызывает перемещение к катоду большей массы молекул воды, находящейся в объеме капилляра, смещение уровня нулевого потенциала и как следствие, - снижение влаги в объеме капиллярно-пористого тела. Мас-соперенос диполей воды равновероятен к обоим полюсами электродов. Их
роль, наряду с заряженными частицами, сводится, в основном, к участию в формировании двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности капилляра и диафрагмы.
При отсутствии внешнего электрического поля движение жидкости вызывается ионами диффузного слоя и происходит на некотором расстоянии 5 от поверхности твердого тела. При наложении внешнего потенциала скорость миграционного перемещения ионов в капиллярах большой протяженности при ламинарном режиме течения жидкости для частиц сферической формы можно определить из равенства электрической силы (К), действующей на ионы, и силы вязкого сопротивления среды (К,„р) [5]:
Еэ = геЕ; ЕтР = бкцгИ , (1)
где ге - заряд иона; п - кинематическая вязкость; г - радиус иона; и - скорость движения гидратированного иона.
Учитывая приведенные выше положения и допуская, что внешнее электрическое поле не изменяет равновесного заряда, а радиус капилляров велик по сравнению с толщиной двойного электрического слоя, из равенства сил находим следующее выражение для скорости электроосмоса, принимая по порядку величины г = 10-9 м, п = (10"5-10-6), Е = (10-102) В.
и = 7------- = . ;......... , п-6 ' 9 = 8,4(10-4 -10-6) м/с. (2)
геЕ = 1,6 -10-19(10 -102)
вЛцг ~ 6 - 3,14(10-5 -10-6)10
При исследовании процессов перемещения жидкости на поверхности цементного камня при действии постоянного электрического поля получены следующие зависимости (рис. 3).
Время, мин
Рис. 3. Перемещение границы жидкости на поверхности цементного камня в зависимости от времени обработки и напряженности постоянного электрического тока (Е, В/м):
1 - 60; 2 - 40; 3 - 20
На представленных кривых условно можно выделить три основных периода: 1 - индукционный, при котором визуально не определяется граница раздела влажного и сухого материала. Время индукционного периода определяется степенью увлажнения образца; 2 - кинетический, при котором визуально определяется фронт движения жидкости, скорость которого можно измерить. При данных условиях эксперимента кривая имеет линейную зависимость; 3 - стабилизационный, при котором жидкость образует сферическую окружность правильной формы вокруг катода. Высыхание кольца влаги идет медленно, и для
ее удаления требуются специальные приемы, например применение сетчатого электрода и механическое удаление жидкости из полости катода.
Предполагая, что перенос массы вещества на поверхности цементного камня с определенным приближением отражает кинетические процессы в объеме образца, определим скорость движения (U) раствора как отношение пройденного пути на прямолинейном участке кривой к времени прохождения влаги (кривая 1, U = 1,55-10-5 м/с; кривая 2, U = 1,25-10-5 м/с; кривая 3, U = 1,07-10-5 м/с). Сопоставление расчетов по формулам (1), (2) и данных экспериментов показывает их соответствие. Кроме того, соблюдается пропорциональная зависимость U от Е. Таким образом, на основании экспериментальных и расчетных данных можно утверждать, что предложенные выше положения могут служить основой для моделирования процессов в строительных изделиях, включающих капиллярно-пористую структуру.
Что касается химической добавки хлорида железа, то она не только повышает проводимость раствора и способствует интенсификации процесса электроосмоса. В щелочной среде соль образует практически нерастворимый в воде гидроксид железа (111) (произведение растворимости Fe(OH)3 ~ 10-31), что приводит к дополнительной кальматации пор материала и более качественной защите конструкции от проникновения влаги.
Таким образом, на основе проведенных исследований показано, что применение постоянного электрического тока приводит к интенсификации массопереноса влаги в соответствии с законами электроосмоса и улучшает качество обработки объема капиллярно-пористого материала гидрофобной жидкостью в сочетании с химической добавкой.
Библиографический список
1. Романовский, С.Г. Тепло- и массообмен в процессе термической обработки высокопрочного бетона в электромагнитном поле тока промышленной частоты / С.Г. Романовский, Л.Я. Волосян // Строительная теплофизика. - М. : Энергия., 1966. - С. 6-20.
2. Романовский, С.Г. Тепло- и массоперенос в капиллярно-пористых материалах при сушке в электромагнитном поле / С.Г. Романовский // Инженерно-физический журнал. - 1965. -Т. 9. - № 4. - С. 496.
3. Экспресс-информация. Строительство и архитектура. Сводный том. - Вып. 3. - М., 2001. -С. 22-23.
4. Самойлов, О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов / О.Я. Самойлов. - М. : АН СССР, 1987. - 182 с.
5. Эрдей-Груз, Т. Явления переноса в водных растворах / Т. Эрдей-Груз. М., 1976. - 591 с.
N.N. DEBELOVA
HYDROPHOBIC SAFEGUARD OF CAPILLARY - POROUS MATERIALS WITH THE USE OF CONSTANT ELECTRIC CURRENT
The electrokinetic phenomena in capillary - porous materials are examined. The conformity of calculated and experimental data, concerning the speed of moisture mass transfer, depending on the tension of constant electric current, is shown. The safeguard of wares against moisture is increased by addition of chloride of iron into hydrophobic liquid.
