Повышение долговечности полимерного покрытия асбестоцементных листов при использовании гидрофобизатора Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.961

Т.Н. КУХТА, инженер (kuhta_tatiana@mail.ru), зав. лабораторией РУП «Институт БелНИИС» (Минск, Республика Беларусь)

Повышение долговечности полимерного покрытия асбестоцементных листов при использовании гидрофобизатора

Асбестоцемент является долговечным материалом, поэтому вопрос долговечности красок для асбестоцементных изделий весьма актуален. Известны образцы кровли из неокрашенных асбестоцементных листов, которые к настоящему времени прослужили около 100 лет; множество примеров шиферной кровли с покрытием, которое не меняется 60—80 лет.

Срок службы всех применяемых для асбестоцемента красок значительно ниже его собственной долговечности. В то же время асбестоцемент — традиционный кровельный материал для России и всех территорий постсоветского пространства с разнообразными климатическими зонами. Во второй половине прошлого века объемы применения шифера в Советском Союзе были самыми большими — до 70—80% от общего количества используемых кровельных материалов. В последние годы доля шифера снизилась, но при этом составляет около 50%.

Не во всех регионах шиферное покрытие ведет себя одинаково. Например, в солнечном климате Средней Азии, где нет длительных холодных месяцев, больших перепадов влажности, асбестоцементные листы много лет сохраняют чистую, светло-серую поверхность. На значительной территории России, Украины, Белоруссии кровельные покрытия испытывают жесткие климатические воздействия. Оставаясь надежным по физико-механическим характеристикам изделием, неокрашенный асбестоцемент со временем теряет внешнюю привлекательность. В связи с этим именно стойкость окрашенной асбестоцементной поверхности в большой мере определяет интерес к материалу.

Для поверхности асбестоцементных изделий, эксплуатирующихся в течение десятилетий, требуются краски с высокими, не снижающимися в процессе эксплуатации адгезионными характеристиками, содержащие светостойкие пигменты. Такие краски кроме декоративных свойств должны обеспечивать асбестоцементу защиту от воздействия окружающей среды, повышать его водостойкость и морозостойкость. При любых достоинствах окрашивающего состава качество окрашенного изделия в большой степени зависит от свойств самого окрашиваемого материала, то есть подложки. Подложка из асбестоцемента очень специфична и имеет ряд особенностей, затрудняющих создание долговечного цветного покрытия.

Материал асбестоцемент во всех изделиях пронизан огромным количеством пор и капилляров различного размера и конфигурации. Почти все поры и капилляры в асбестоцементе могут заполняться водой [1].

Листы шифера, сформованные на круглосеточных машинах, имеют различную плотность по толщине — большую со стороны, прилегавшей к форматному барабану, и меньшую с противоположной, лицевой для изделия стороны. Это обусловливает различную скорость впитывания и отдачи влаги с обеих сторон листа. Из-за этого асбестоцементный лист способен коробиться да-

же тогда, когда влажность воздуха с обеих сторон одинакова.

При сушке влажного листа из-за более интенсивной влагоотдачи с одной стороны лист коробится таким образом, что более сухая его внешняя поверхность становится вогнутой [1]. Коробление листа происходит и при одностороннем нагревании его солнечными лучами [2]. В начале производства окрашенных асбестоцементных листов их красили только с лицевой стороны, что приводило к большим деформациям листов за счет коробления и к снижению качества покрытия. На протяжении последних десятилетий при отработке разных технологий окрашивания асбестоцемента для снижения коробления листов параллельно с окраской лицевой поверхности тыльная сторона покрывалась слоем различных грунтовок [1].

Существует еще одна важная проблема при эксплуатации окрашенных асбестоцементных листов — появление на их поверхности белого налета — высолов. Образование высолов связано с разной скоростью гидратации свободного оксида кальция во внутренних и наружных слоях листов. Гидратация медленнее идет внутри листов; оставшийся свободный оксид кальция со временем выходит на наружную поверхность, где образуется гидроксид кальция. Высолы на окрашенных асбестоцементных листах не только портят декоративный вид изделия, но и значительно сокращают срок службы лакокрасочного покрытия.

Для снижения высолообразования на асбестоцемент-ных изделиях в производстве используют портландцемент с минимальным содержанием СаОсв (до 1%) [3], но и при этом полностью исключить образование высо-лов не удается. Существенного снижения количества высолов на окрашенном слое можно достичь путем предварительной обработки поверхности листов гидро-фобизаторами [4]. Установлено, что при действии гид-рофобизаторов снижается водопоглощение асбестоце-ментного листа, уменьшается в нем перемещение воды и растворимых составляющих [5—6].

В настоящей работе для повышения эффективности действия окрашивающего состава образцы также обрабатывали гидрофобизатором. Для окраски шифера использован прогрессивный способ покрытия строительных материалов полимерными порошковыми красками. Наиболее широко полимерные порошковые покрытия используют для окраски металлических и деревянных изделий и конструкций, их также применяют для окраски бетона, керамики и асбестоцемента [4].

Изделия с защитно-декоративными полимерными порошковыми покрытиями имеют красивый внешний вид, высокие физико-механические характеристики, атмосферо- и химическую стойкость. Разработанные в настоящее время методы и оборудование для нанесения порошковых полимерных покрытий достигли такого уровня, что окрашенные изделия можно широко использовать на самых разных строительных объектах.

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

58 январь 2010 *

Большими преимуществами применения полимерных порошковых красок являются:

— относительная простота и экономичность технологического процесса покрытий;

— высокое качество и долговечность покрытий;

— безотходная технология нанесения покрытий (практически полное использование краски в технологии, возвращение ее избытка в производственный цикл);

— экологичность нанесения покрытий (отсутствие органических растворителей и других летучих веществ). Высокое качество полимерных покрытий обусловливается структурными и физико-механическими свойствами полимерной пленки и особенностями технологии нанесения покрытия. В пленке лакокрасочного покрытия в результате испарения растворителя образуются поры, поэтому лакокрасочные покрытия менее долговечны. Полимерные покрытия пластичнее, плотнее и потому более стойки к ударным нагрузкам, эффективнее защищают изделия от различных видов химической и атмосферной коррозии [4].

Опыт применения полимерных порошковых покрытий для асбестоцемента мал. Указанные выше преимущества этих покрытий несколько лет назад явились основанием для начала работ с порошковыми красками на ПРУП «Кричевцементношифер» в Республике Беларусь. В настоящее время детально изучаются особенности формирования этого покрытия на асбестоцемент-ной подложке.

В качестве гидрофобизаторов в мировой строительной практике около сорока лет широко используются кремнийорганические соединения типа ГКЖ-94 (полигидросилоксановая жидкость), ГКЖ-10 (этилси-ликонат натрия), ГКЖ-11 (метилсиликонат натрия). При многих достоинствах данные составы имеют срок эффективной эксплуатации около двух лет, так как гидрофобные свойства на их основе приобретает только поверхностный слой материала глубиной не более 1—2 мм [7].

В настоящее время появились составы отечественного и импортного производства нового поколения. Они отличаются надежными гидрофобизирующими свойствами в сочетании с очень высокой химической и термической стойкостью, прочно закрепляются на обрабатываемой поверхности с большой глубиной проникновения и обладают антисептическими свойствами.

Основными требованиями к гидрофобизаторам для ас-бестоцементных изделий являются: хорошая проникающая способность; устойчивость к воздействию высокой температуры (термостойкость); длительное сохранение гидрофобизирующих свойств (долговечность); подавление известкового выщелачивания; способность не образовывать соли и другие побочные продукты; способность не образовывать с основой вспучивающие соединения; антисептические свойства против грибков, мха, лишайника.

Так как процесс отверждения порошковых красок проходит при относительно высокой температуре (150—190оС), термостойкость является одним из основных требований при выборе гидрофобизатора.

Особенности использования современных крем-нийорганических составов для поверхностной гидрофо-бизации асбестоцементных листов с последующей окраской их полимерными порошковыми красками подробно изложены в работе [8]. Наибольшую эффективность проявил кремнийорганический состав на основе водной эмульсии силан/силоксанов. Этот состав использовался для последующих экспериментов.

Для оценки эффективности гидрофобизации поверхности асбестоцемента изучали: изменение водопогло-щения при капиллярном подсосе; длительность сохра-

нения эффекта гидрофобизации; физико-химические процессы взаимодействия гидрофобизатора с поверхностью асбестоцемента.

Водопоглощение при капиллярном подсосе определяли на образцах шифера размером 40x70 мм, вырезанных из боковой грани волны листа. Образцы с покрытием выдерживали не менее 7 сут при нормальных условиях, затем штангенциркулем определяли их линейные размеры с точностью 0,1 мм и взвешивали с точностью 0,01 г.

В стеклянную емкость диаметром 20—30 см помещали поролон толщиной 2—3 см и заливали водой до полного смачивания поролона. Предварительно взвешенные образцы укладывали на увлажненный поролон лицевой стороной вниз, с тем чтобы поверхность была полностью смочена водой. Через 0,5; 1; 3; 6 и 24 ч образцы вынимали из воды, тщательно удаляли капли воды фильтровальной бумагой и взвешивали.

Длительность сохранения эффекта гидрофобизации определяли по результатам ускоренных испытаний в климатической камере типа 3826/16, моделирующей условия эксплуатации материалов в умеренно-холодном климате (ГОСТ 9.401). Применяли образцы размером 200x150 мм, с обеих сторон покрытые гидрофоби-затором.

После 100 циклов климатических испытаний оценивали остаточную гидрофобизирующую способность покрытия по изменению водопоглощения.

Процессы физико-химического взаимодействия гидрофобизатора с поверхностью асбестоцемента изучали методами рентгенофазового анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии. Рентгенограммы получали на приборе D8 Advance фирмы Bruker AXS (Германия). Рентгенограммы использовали для идентификации на поверхности образцов Са(ОН)2. Термограммы снимали на термоанализаторе TGA/DSC фирмы METTLER TOLEDO (Швейцария). Съемку вели в интервале температуры 25—1000оС со скоростью нагрева проб 10оС/мин. Учитывая, что площадь тепловых пиков, ограниченных калориметрическими кривыми, прямо пропорциональна изменению энтальпии, по величине создаваемого в эксперименте теплового потока от температуры нагрева исследуемых образцов определяли количественные изменения содержания Са(ОН)2 для контрольных и гидрофобизированных образцов.

В результате исследований получены следующие результаты. Как и предполагалось, капиллярная поверхностная пористость у всех образцов шифера, обработанных гидрофобизирующим составом, снижена (рис. 1). Через 24 ч испытаний водопоглощение образцов снизилось более чем в 10 раз — от 0,85 до 0,074 кг/м2. Следовательно, гидрофобизатор на основе водной эмульсии силан/си-локсанов способствует значительному уменьшению впитывающей способности (водопоглощения) асбестоце-

Время, ч

Рис. 1. Зависимость капиллярного водопоглощения образцов асбес-тоцементного шифера от времени: 1 - негидрофобизированные образцы; 2 - гидрофобизированные образцы

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

¿VJ : ® январь 2010 59

a |

1

......¡ 2,6270

т 44 Ш # _L_ AkJVi ■í^ww vw—.

5 1( 6 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 д..,. .-. I. 80 20

ш 5 1 щ 0 LaW 20 V" 0 0 5 0 0 7 0 80 20

Рис. 2. Рентгенограммы образцов асбестоцементного шифера: а - без гидрофобизатора; б - с гидрофобизатором

мента. Это должно приводить к снижению диффузионного переноса растворимых солей на наружную поверхность и соответственно к снижению высолообразования.

Климатические испытания подтвердили длительность эффекта гидрофобизации водной эмульсией си-лан/силоксанов. Показатель капиллярного водопогло-щения, определенный после 24 ч выдержки в воде, был в 7 раз ниже, чем у контрольного образца шифера, — 1,87 и 12,9% соответственно.

Качественные изменения на поверхности образцов шифера после нанесения на них гидрофобизатора установлены как рентгенофазовым (рис. 2), так и термографическим (рис. 3) анализом.

На рентгенограммах необработанных гидрофобизатором образцов (рис.2, а) имеются линии, относящиеся к несвязанной извести — 4,92А и 2,63А. У образцов, обработанных гидрофобизатором (рис.2, б), линии 4,92А отсутствуют и существенно убывает интенсивность линии 2,63А, она представлена в виде дублета 2,61А. Уменьшение содержания Са(ОН)2 в структуре шифера при его гидрофобизации ранее показано в работе [9].

Результаты термического анализа подтверждают идентификационные характеристики, полученные рентгенофазовым анализом. На термограммах (рис. 3) у сравниваемых образцов наблюдаются эндотермические эффекты, относящиеся к содержанию на поверхности образцов Са(ОН)2.

1 / 4,07 Дж/г\

517,58

2

N. 17,57дЖ/г-\

25,74 Дж/г 747,2

485,45

25,28 Дж/Tn.

749,97 ^—

100 200 300 400 500 600 700 800 900 oC

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 min

Рис. 3. Термограммы ДСК: 1 - образец шифера, обработанный гидрофобизатором; 2 - образец шифера, не обработанный гидрофобизатором

Эндотермические эффекты видны при 450—520оС и характеризуют выделение конституционной воды из гидроксида кальция. Этот процесс сопровождается дегидратацией Са(ОН)2, то есть его разрушением. На термограммах второй эндотермический эффект выражен ярче у негидрофобизированного образца — максимумом при 485,45оС, энтальпия данного процесса 25,74 Дж/г. У обработанного гидрофобизатором образца наблюдается неглубокий эндотермический эффект — максимум при 517,58оС и энтальпия процесса 17,57 Дж/г. После гидрофобизации асбестоцементного образца снизились затраты энергии на дегидратацию Са(ОН)2. Уменьшение энтальпии на данном участке, по нашему мнению, свидетельствует об уменьшении содержания Са(ОН)2 в образце шифера после обработки гидрофобизатором.

Наличие экзотермического эффекта у обработанных гидрофобизатором образцов, по нашему мнению, объясняется выгоранием органической составляющей из нанесенного гидрофобизатора.

Проведенные исследования подтверждают высокое защитное действие на поверхности асбестоцемента использованного гидрофобизатора на основе водной эмульсии силан/силоксанов.

При окрашивании образцов шифера полимерным порошковым составом отмечено, что на поверхности негидрофобизированных образцов появились следы высолов. Поверхность образцов шифера, обработанных перед окраской гидрофобизатором, сохранила свои декоративные свойства.

Таким образом, обработка гидрофобизатором поверхности асбестоцементных образцов перед их окраской полимерным порошковым составом позволяет резко снизить водопоглощение материала и уменьшить его влажностные деформации, исключить высолообразова-ние на поверхности окрашенных образцов. Следовательно, внедрение операции гидрофобизации шифера на линиях окрашивания повысит качество и долговечность продукции.

Ключевые слова: асбестоцемент, долговечность, гид-рофобизатор

Список литературы

1. Блох С.Г., Литвинов А.Н. Асбестоцементные материалы и конструкции и их эксплуатационные качества. М.: Стройиздат. 1964. 146 с.

2. Берней И.И. Технология асбестоцементных изделий. М.: Высшая школа. 1977. 229 с.

3. Тимашев В.В., Гризак Ю.С. Технология асбестоцементных изделий. М.: Стройиздат, 1979. 33 с.

4. Гарин В.Н., Долгополов Н.Н. Полимерные защитные и декоративные покрытия строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. 191 с.

5. Шпынова Л.Г. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня. Львов: Высшая школа, 1981. 158 с.

6. Брыкова А. С. Влияние гидратированных силикатов натрия на твердение цементных паст // Журнал прикладной химии. 2002. Т.75. М10.

7. Соболевский М.В. Свойства и области применения кремнийорганических продуктов. М.: Химия, 1975. 296 с.

8. Урецкая Е.А., Кухта Т.Н. Технологические особенности поверхностной гидрофобизации асбестоцемент-ного шифера // Строительная наука и техника. 2008. № 6(21). С. 95-100.

9. Естемесов З.А. О фазообразовании цемента при его твердении // Цемент и его применение. 2000. № 3. С. 32-35.

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-j*jjcy¿rfí j\lfrjLjjS

60 январь 2010 *