Седнёв В. А., Савченко Н. А.
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОБОСНОВАНИЮ ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ СООРУЖЕНИЙ ИЗ БЕТОНА И КИРПИЧА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИСТОЧНИКОВ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО ХАРАКТЕРА
В статье предложены способы улучшения защиты поверхности сооружений из бетона и кирпича от разрушающего воздействия окружающей среды на основе получения гидрофобизи-рующих композиций. Это позволяет снизить водо-поглощение строительных материалов в 3-4 раза и сделать более устойчивыми как существующие, так и возводимые здания и сооружения.
Ключевые слова: строительные материалы, гидрофобизация, органотриалкоксисилан, гидролиз, конденсация, водопоглощение.
Sednev V., Savchenko N.
SCIENTIFIC-METHODICAL APPROACH
TO THE SUBSTANTIATION HYDROPHOBIC COMPOSITION FOR PROTECTING SURFACES OF CONSTRUCTIONS OF CONCRETE AND BRICKS
FROM THE EFFECTS OF THE SOURCES OF EMERGENCY SITUATIONS OF NATURAL CHARACTER
The article suggests ways to improve protection of the surface constructions of concrete and bricks from the damaging effects of environment on the basis of obtaining of hydrophobic compositions. It help to reduce the water absorption of building materials in 3-4 times and do it more stable both existing and erected constructions.
Keywords: building materials, hydrophobicity, organotrialcoxysilane, hydrolysis, condensation, water absorption.
Известно, что конструкции зданий и сооружений, кроме чисто силовых воздействий, вызывающих объёмное напряжённое состояние, подвергаются физико-химическим воздействиям окружающей среды: на фундаменты действует прилегающий к ним грунт;
на стены и покрытия - наружная и внутренняя атмосфера разной влажности и загрязнённости. Отдельные агенты среды характеризуются агрессивностью по отношению к различным материалам конструкций, то есть способностью за определённый срок вызывать частичное или полное их разрушение.
Большинство строительных материалов обладает высокой пористостью и разрушается под действием воды. В практике применяют два метода защиты поверхностей строительных конструкций и материалов от влаги -гидроизоляцию и гидрофобизацию. Первый осуществляется с помощью нанесения на поверхность материала водонепроницаемого слоя или пропитки его вяжущим веществом. С помощью гидроизоляции проводят герметизацию и антикоррозийную защиту сооружений; её недостаток в том, что гидроизолирующий слой перекрывает поры, материал перестает дышать, при этом на нём возникают трещины, приводящие к разрушению.
Гидрофобизацией называется придание поверхности гидрофильного материала свойства несмачиваемости водой. Гидрофобизация осуществляется нанесением на поверхность тончайшего водоотталкивающего покрытия, образующегося при обработке материала очень малыми количествами специаль-
ных поверхностно-активных веществ, называемых гидрофобизаторами. В строительной практике в качестве таковых применяются высшие гомологи карбо-новых кислот (НСООИ) или их соли со щелочными металлами, растворимые в воде (мыла), а также кремний-органические (КО) мономеры и полимеры, содержащие у атома кремния реакционно-способные функциональные группы [1].
В настоящее время защита пористых материалов осуществляется в результате их обработки, чаще всего, органическими растворами акриловых, уретановых смол, силиконов или их мономеров. Чаще используются силиконовые системы, представляющие собой КО соединения, растворённые в органическом растворителе, применение которого связано с рисками возникновения пожаров, взрывов, отравлений и загрязнения окружающей среды. Поэтому актуально применение гидрофобных составов на водной основе, не содержащих растворителя [2]. В качестве КО мономеров широко используются алкоксиси-ланы, алкилхлорсиланы, ацетоксисиланы. Эти соединения легко гидролизуются с выделением метанола, хлороводоро-да, уксусной кислоты, соответственно. Выделяющиеся продукты летучи и удаляются в окружающую среду. Токсичность и запах выделяющихся продуктов являются наиболее важными критериями для выбора КО соединения, именно поэтому лучше всего применять алкоксисиланы.
Таким образом, увеличение долговечности строительных материалов (замена их в конструктивных элементах здания более дешевыми, то есть менее плотными) и улучшение эксплуатационных условий в помещениях достигается благодаря защите от проникновения в строительные материалы воды с использованием гидрофобизаторов [2].
Требования к гидрофобизаторам: они должны глубоко проникать в поры, при высыхании не образовывать поверхностной корки, не препятствовать испарению влаги из материала, сохранять цвет и фактуру поверхности, обладать высокой химической стойкостью, термостойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям (ГОСТы 25192-82, 379-95), быть безвредными, нетоксичными и дешевыми. Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают КО соединения, которые, кроме этого, повышают общие теплозащитные свойства сооружений и придают материалам отличные водоотталкивающие и декоративные свойства, длительно сохраняющиеся во времени, увеличивают их прочность и в несколько раз - срок службы.
Для получения гидрофобизирую-щих композиций (ГФК) использовались органотриалкоксисиланы, которые могут создавать прочные связи с обрабатываемой поверхностью за счёт трёх алкокси-групп, а присутствие органического радикала обеспечивает защиту поверхности от проникновения влаги. Кремнийорганические композиции представляют смесь олигоорганосилоксана с органотриалкоксисиланом, которые способны самоэмульгироваться при разведении в воде. Такие композиции обладают рядом преимуществ по сравнению с КО эмульсиями: отсутствие диспергирующего оборудования при получении ГФК; стабильность при хранении при отрицательных температурах; исключение воды при транспортировке продукта, которая составляет 50-60 %. Поэтому необходимо получить КО композиции на основе органотриалкоксиси-ланов, способные самоэмульгироваться в воде, и изучить их гидрофобизирующие способности при обработке поверхности различных материалов [3].
Технология подготовки, получения и применения ГФК (см. рис. 1) состоит из трёх этапов. На первом (подготовительном) этапе определяются заводы-изготовители и поставщики исходного сырья, необходимого оборудования, инструментов и приспособлений; нормы исходного сырья; необходимое количество специалистов; транспорт для доставки исходного сырья и оборудования.
На втором этапе (получение ГФК) обосновываются средства, способы получения ГФК, оцениваются их свойства и эффективность. На первом подэтапе определяются исходное сырье и необходимое оборудование. Для выполнения поставленных задач были выбраны органотриалкокси-силаны, применяемые в промышленности (табл. 1).
Таблица 1
Химические свойства исходных органотриалкоксисиланов
Характеристики
Название соединения Формула Молекулярная масса, г/моль Температура кипения, °С Показатель преломления п20 а Плотность а425
Метилтриметокси-силан (МТМС) СН^(ОСН3)3 136,2 102-103 1,3696 0,955
Метилтриэтокси-силан (МТЭС) СН^(ОС2Н5)3 178,3 141-143 1,3835 0,890
Винилтриметокси-силан (ВТМС) СН2=СШКОСН3)3 С5Н,А^ 3 148,2 123 1,3930 0,970
Винилтриэтоксисилан (ВТЭС) СН2=СШКОС2Н5)3 С8Н1803а 190,3 160-161 1,3960 0,903
Фенилтриметокси-силан (ФТМС) С6Н5^(ОСНз)з САА^ 198,3 211 1,4734 1,064
Октилтриэтоксисилан (ОТЭС) СЛ^(ОС2Н5)з С14НзА^ 276,5 98-99 1,4160 0,875
Аминоэтиламинопро-пилтриметоксисилан (2-6020) Н2ЫС2Н4ЫНС3Н^(ОСН3)3 С8Н22М20^ 222,0 264 (1013 гПа) 1,4450 1,03
На втором подэтапе обосновывается способ получения разработанных композиций, оцениваются их свойства. Способ получения ГФК состоит из двух стадий.
1 стадия - синтез КО олигомера:
[RSi(OR1)Pз-a/2]n[R2Si(OCHз)bOз-b/2]m,
где И = алкил С1 ^ С8 или фенил; И1 = алкил С1 - С2; Я2 = -И2ЫС2И4ЫИС3И6; а,Ь = 0,5 - 2, п = 1- 30, т = 1- 20.
Олигомер получают методом частичного гидролиза и соконденсации органо-триалкоксисиланов, что можно представить в виде реакции:
ИЭДОИ1),, + ИСКОСИ,), Н;^ННС1 >
[К^П-а/^^^^з^З-ьХ.
Органотриалкоксисилан подвергается частичному гидролизу и конденсации в присутствии катализатора - двадцатипроцентного раствора соляной кислоты. Вода добавляется в количестве 0,5-1,5 моль на один моль органотриалкокси-силана. После чего к полученному гидро-лизату добавляется амин и проводится соконденсация с одновременной отгонкой выделяющегося спирта до достижения температуры смеси 120-125 °С.
Рисунок 1. Технология подготовки, получения и применения ГФК
2 стадия - получение ГФК.
Полученный соконденсат разбавляется исходным органотриалкоксисиланом И81(0И1)3 при весовом соотношении 1:2 и проводится нейтрализация амина с использованием ледяной уксусной кислоты:
[RSi(0R1)3-a/2]n[R2Si(0CH3)b03b/2]m +
RSi(0R1 )3 + CH3C00H ^ ГФК.
В полученных композициях амино-содержащий олигоорганосилоксан выполняет роль эмульгатора при получении водной эмульсии, а также является катализатором во время процессов гидролиза и конденсации на поверхности и в порах обрабатываемого материала. Органотриалкоксисилан выступает как активный гидрофобизирующий агент. Благодаря низкомолекулярной структуре присутствующего органотриалкокси-силана, эмульсия обладает хорошей проникающей способностью и образует водоотталкивающее и атмосферостой-кое покрытие в порах и на поверхности обрабатываемого материала. Активное вещество после нанесения откладывается в виде макромолекулярного слоя на стенках капилляров и пор, не оказывая сильного влияния на уменьшение паро-проницаемости материала.
Подбор оптимального состава, который обладает хорошей самоэмульгирующей способностью при разведении в воде и обеспечивает высокую гидро-фобность поверхности обрабатываемого материала, проводили с использованием метилтриметоксисилана. Установлено, что при получении олигоорганосилоксана (на первой стадии) необходимо использовать метилтриметоксисилан и карбами-носилан в мольном соотношении (4-5) : 1, что позволяет задействовать максимально возможное количество метилтри-метоксисилана на второй стадии (олиго-
органосилоксан : метилтриметоксиси-лан = 1 : 2). При увеличении содержания метилтриметоксисилана композиция становится неустойчивой и наблюдается расслоение смеси. На основе полученных данных выбранные соотношения компонентов были применены для получения композиций с различными органотриал-коксисиланами.
Для оценки свойств ГФК и их эффективности используются методики определения краевого угла смачивания, размера частиц эмульсии, водопогло-щения образцов во времени.
Определение краевого угла смачивания основывается на методе «высота-ширина». Смачивание количественно характеризуют краевым углом 9. Краевой угол 9 определяется как угол между касательной, проведённой к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твёрдого тела, при этом он всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трёх фаз. Измерения проводились на специальном приборе при температуре 25 °С. Для измерения краевого угла каплю жидкости помещают на образец, пропитанный полученными композициями, расположенный на подъёмном столике. Краевой угол смачивания для бетона и красного кирпича рассчитывают с помощью специализированного программного обеспечения, применяя метод «высота-ширина», который не требует идеально гладкой поверхности. Краевой угол 9 находят по основным размерам капель жидкости, наносимых на твердые поверхности: высоте h и диаметру основания d (см. рис. 2).
Значения cos 9 рассчитываются по формуле:
cos 9 = [(d/2)2 - h2] / [(d/2)2 + h2].
При (1/2 < И можно использовать более простую формулу:
СОБ0 = 1 —-
с1/2
б С
А
1
В
А 1 В
Рисунок2. Схема определения краевых углов: а - для углов 9 < 90°, б - для углов 9 > 90°
Определение размера частиц эмульсии осуществляется с применением специального анализатора размера частиц. Для приготовления пробы берут 0,1 мл эмульсии и 5 мл воды, переме-
шивают в ультразвуковой мешалке и помещают в анализатор.
В результате были определены характеристики полученных композиций при соотношении органотриалкок-сисилан : олигоорганосилоксан = 2 : 1 (см. табл. 2) и установлено, что наилучшей самоэмульгирующей способностью обладает композиция на основе метилтриметоксисилана: при разведении в воде она образует опалесцирующий раствор, близкий к прозрачному, что говорит об образовании частиц очень малых размеров. С увеличением размера углеводородного радикала (от R = СН3 до С8Н17) в органотриалкоксисилане образующаяся эмульсия приобретает более молочный цвет. Такой же эффект наблюдается при сравнении ор-ганотриалкоксисиланов с метокси-и этоксигруппами.
Таблица 2
Физико-химические характеристики полученных ГФК
№ п/п Используемый триалкоксисилан RSi(OR1)3 Внешний вид Плотность, г/см3 Вязкость, сСт (20 °С) Растворимость в воде и стабильность
1. СН^(ОСН3)3 Прозрачная бесцветная жидкость 1,007 7,6 Опалесцирующий раствор, не расслаивается в течение 7 суток
2. сн^КОСА^ Прозрачная жидкость светло-желтого цвета 0,964 10,3 Бледно-серый раствор, не расслаивается в течение 5 суток
3. С2Н^(ОСН3)3 Прозрачная жидкость светло-желтого цвета 1,020 8,7 Эмульсия светло-молочного цвета, не расслаивается в течение 5 суток
4. С2Н^(ОС2Н5)3 Прозрачная жидкость светло-коричневого цвета 0,981 19,8 Эмульсия молочно-желтого цвета, не расслаивается в течение 7 суток
5. С6Н5^ОСН3)3 Прозрачная жидкость светло-коричневого цвета 1,078 26,7 Эмульсия молочного цвета, не расслаивается в течение 5 суток
6. ^1^(^5)3 Прозрачная жидкость светло-желтого цвета 0,948 102,2 Эмульсия молочного цвета, не расслаивается в течение 6 суток
С
а
Проникающая способность гидро-фобизирующих составов зависит от размера частиц, образующихся в результате приготовления эмульсий. Сравнение пятипроцентных водных эмульсий на основе метилтриметоксисилана и метил-триэтоксисилана (рис. 3, 4) показало, что средний размер частиц для композиции на основе метилтриметокси-силана составляет 40 нм, на основе метилтриэтоксисилана - 115 нм. Таким образом, состав на основе метилтри-метоксисилана обладает лучшей проникающей, а следовательно, лучшей гидрофобизирующей способностью по сравнению с другими композициями.
Из таблицы 3 видно, что для всех поверхностей наблюдается закономерность - образцы, пропитанные составами на основе органотриэтоксисила-нов, имеют значения краевых углов смачивания больше, чем на основе органотриметоксисиланов. Исключение во всех случаях составляет композиция на основе метилтриметоксисилана, которая показывает самые высокие результаты: высокая гидрофобность поверхности при обработке этим составом связана с лучшей проникающей способностью за счёт присутствия в эмульсии частиц нано-размеров (~40 нм).
90 70 50 30 10 0
90 70 50 30 10 0
ш
0,001
wffnnrnr-0,01 0,1
Размер, мк
Рисунок 3. Размер частиц эмульсий на основе метилтриметоксисилана
-1—11111in—I—1111 iifp" 0,001 0,01
шшшмй
fPffiflBfew. 0,1 1 Размер, мк
Рисунок 4. Размер частиц эмульсий на основе метилтриэтоксисилана
10
10
Таблица 3
Краевые углы смачивания для различных подложек, обработанных ГФК на основе органотриалкоксисиланов
№ Композиция п/п на основе
Краевой угол смачивания, град
Цементно-песчаная подложка
Красный кирпич
1. МТМС 112,1 99,5
2. МТЭС 111,9 98,3
3. ВТМС 98,5 82,4
4. ВТЭС 100,0 88,5
5. ФТМС 87,0 88,5
6. ОТЭС 104,6 94,1
7. Контрольный 73,4 53,4
Для определения водопоглощения цементно-песчаные образцы и образцы из кирпича пропитывают пятипроцентными водными эмульсиями и растворами в изопропиловом спирте, предварительно взвешенные методом погружения. После пропитки образцы промокают фильтровальной бумагой, взвешивают
1
и рассчитывают расход эмульсии. Далее образцы сушат в течение 6 суток при комнатной температуре. Для определения водопоглощения пропитанных образцов их предварительно взвешивают и полностью погружают в воду. Через заданное количество времени образцы достают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают. По разнице масс образцов до и после погружения в воду рассчитывают водопоглощение:
щ^т-гщ 10{)%,
Щ
где т0 - масса образца перед погружением в воду, г; т - то же после погружения в воду, г. По полученным данным строят график зависимости водопогло-щения от времени.
В качестве образцов сравнения использованы водные растворы метил-силиконатов калия и натрия, Пента-811К и ГКЖ-11П и БИНЕБ ББ 2101, который при разбавлении в воде образует микроэмульсию. По своему составу ББ 2101 близок к разработанным композициям. При использовании в качестве растворителя изопропилового спирта образцы представляли метилгидридсилоксановая жидкость (ГКЖ-94М) и смесь сило-ксан/силан (БИНЕБ ББ 290).
Результаты исследования показали:
- на степень гидрофобности поверхности цементно-песчаных образцов сильно влияет природа используемых органотриалкоксисиланов, а именно, размер углеводородного радикала, и, в меньшей степени, природа алкокси-группы. Так, наибольший гидрофобный эффект достигается при использовании композиций на основе октилтриэтокси-силана (образец 6 на рис. 5, 6). Композиции БИНЕБ ББ 2101 и БИНЕБ ББ 290 также показывают хорошие
12
10-
<и 8-
ш
а
о к
и
о с о ч о 03
6-
4-
10 15
Время, сут
20
25
30
Рисунок 5. Водопоглощение цементно-песчаных образцов, пропитанных пятипроцентными водными эмульсиями [4]:
СН3БКОСН3)3 СН381(ОС2Н5)3 02^(00^ С2Н4Б1(0С2Н5)) СбН5Б1(0СН)))
С8Н,731(0С2Н5))
БИНЕБ ББ 290
12
10
е8
а
о к
и
о с о ч о
В
4
2
10 15 20
Время, сут
25
30
Рисунок 6. Водопоглощение цементно-песчаных образцов, пропитанных пятипроцентными растворами в изопропиловом спирте [4]:
СН)Б1(0СН))) СН)Б1(0С2Н5)) С2Н4Б1(0СН5)) С2Н4Б1(0С2Н5))
С6Н5Б'(0СН)))
С8Н,7Б1(0С2Н5)) ГКЖ-94М БИНЕБ ББ 290
2
0
5
6
0
5
9-
8
7-
е,
т 6
е 5
=1
о
к г 4
о
с о 3-
д
о В 2
1
0
Расход, г/м3
6-
3 о
к
г
о
с
о д
о
03
2-
10
15 20
Время, сут
25
8
4
0
5
Рисунок 7. Водопоглощение цементно-песчаных образцов, пропитанных пятипроцентными растворами в изопропиловом спирте, в зависимости от расхода пропитывающего состава:
СИ381(ОСИ3)3
СНз&(ОС2Н5)з
С2И4Б1(ОСИз)з
С2Н4Б1(ОС2Н5)з
С6И531(ОСИз)з
С8И1731(ОС2И5)з
Рисунок 8. Водопоглощение образцов из красного кирпича, пропитанных пятипроцентными водными эмульсиями:
» сн3а(осн3)д сн3а(ос2н5)3 чь- с„н4а(осн3)д с„н4а(ос„нд с6н5а(осн3)д с8н17а(ос2н5)3
-Ф- П-811К • ГКЖ-11П
результаты, что является закономерным, так как они содержат в своем составе октилтриэтоксисилан;
- использование органотриалкокси-силанов с метильными и винильными радикалами (образцы 1-4 на рис. 5, 6) является неэффективным из-за усиленного влагопоглощения на 3-5 сутки. Это также относится к метилгидрид-силоксановой жидкости ГКЖ-94М (образец 7 на рис. 6);
- на гидрофобизацию поверхности цементно-песчаных образцов влияют не только органические радикалы, но и алкокси-группы Я1. Например, применение метил- и винил-триалкосисиланов показывает, что этоксисодержащие силаны обладают несколько лучшей гидро-фобизирующей способностью, чем
органотриметоксисиланы (образцы 1-4 на рис. 5, 6).
На рисунке 7 видно, что только состав на основе октилтриэтоксисилана имеет малое водопоглощение при низком расходе композиции (100 г/м2). Следующие по эффективности композиции основаны на фенилтриметокси-силане, винилтриэтоксисилане и метил-триэтоксисилане, однако они эффективны только при увеличенном расходе во время обработки цементно-песчаной поверхности (180-220 г/м2). Составы на основе метил- и винилтриметокси-силанов, даже при больших расходах (> 200 г/м2), не обеспечивают удовлетворительную защиту цементно-песчаной поверхности от проникновения влаги.
По результатам проведённых исследований по гидрофобизации цементно-
песчаных поверхностей композиции можно расположить по возрастанию эффективности: С8Н17БК0С2Н5)3 > С6Н5Б1 (0СН3)3 > C6H4Бi(0C6H5)3 > CH3Бi(0C6H5)3 > C6H4Бi(0CH3)3 > CH3Бi(OCH3)3.
Результаты, полученные по гидро-фобизации образцов из красного кирпича, отличаются от результатов по цементно-песчаной поверхности. Кремнийоргани-ческие составы, содержащие небольшие органические заместители (метил, винил), защищают поверхность кирпича гораздо лучше, чем составы с октильными заместителями (рис. 8). Также наблюдается отличие и по влиянию алкокси-групп: органотриметоксисиланы эффективнее органотриэтоксисиланов. Метилсили-конаты калия и натрия показывают посредственную гидрофобизирующую способность. Для того чтобы метилси-ликонаты калия и натрия были более эффективными, их нужно использовать при концентрациях выше 8 %, однако при таких концентрациях на поверхности кирпича образуются «высолы». Это является самым большим недостатком метилсиликонатов.
На третьем этапе (применение ГФК) рассматривается порядок их эксплуата-
ции и обслуживания. Эксплуатация подразумевает контроль, хранение и обработку поверхностей разработанными композициями. Для получения наилучшего гидрофобного эффекта необходимо применять пятипроцентный рабочий гидрофобизирующий раствор после обязательной подготовки обрабатываемой поверхности. Нанесение осуществляется: вручную с помощью кисти в 1-2 слоя, или механическим способом - пульверизатором в один приём.
Таким образом, разработанные ГФК на основе органотриалкоксисила-нов и аминосодержащего олигооргано-силоксана способны самоэмульгироваться в воде, повышают устойчивость зданий и сооружений от разрушающего воздействия окружающей среды; при этом полученные составы на 60 % превосходят по гидрофобизирующей способности широко применяемые в настоящее время отечественные КО гидрофобизаторы (ГКЖ-11, Пента-811, ГКЖ-94М) и сопоставимы по водоотталкивающим свойствам с импортными аналогами - их характеристики улучшены на ) %.
ДИТЕРАТУРА
1. Хананашвили Л. М. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимеров. -М.: Химия, 1998. - С. 490-497.
2. Соболевский М. В., Скороходов И. И., Гри-невич К. П. Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение. - М.: Химия, 1985.
3. Савченко Н. А. Самоэмульгирующиеся олигоалкоксисиланы и их гидрофобизирующая способность // Материалы III Молодёжной науч.-
техн. конф. «Наукоёмкие химические техноло-гии-09». - М.: МГАТХТ им. М. В. Ломоносова, 2009. - С. 26-28.
4. Седнёв В. А., Савченко Н. А. Пути повышения эффективности защиты поверхности зданий и сооружений от разрушающего воздействия окружающей среды // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. -2011. - № 4. - С. 64-72.