Причины снижения адгезии базовых штукатурных составов к минераловатным плитам в фасадных теплоизоляционных композиционных системах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.55

С.А. ГОЛУНОВ, инженер, Московский государственный строительный университет; С.П. СИВКОВ, канд. техн. наук, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (Москва)

Причины снижения адгезии базовых штукатурных составов к минераловатным плитам в фасадных теплоизоляционных композиционных системах

Многолетний опыт применения фасадных теплоизоляционных композиционных систем с наружными штукатурными слоями (СФТК) показал, что в некоторых случаях после определенного срока эксплуатации наблюдается снижение адгезии внешнего базового штукатурного слоя к поверхности минераловатной плиты утеплителя, иногда до полного его отслаивания. Проведенными исследованиями установлено, что основной причиной этого явления является возникновение внутренних напряжений вследствие циклического изменения объема оболочек высокодисперсных щелочных гидросиликатов кальция, образующихся на поверхности минеральных волокон при их коррозии в контакте с цементными растворами с повышенным содержанием щелочных оксидов К2О и №20 в результате протекания реакции:

8Ю2+К++Са2++0И-+И20^пК20шСа08Ю2рИ20,

где Я+ — катион К+ или №+.

Образование таких оболочек на поверхности минерального волокна на границе теплоизоляционной плиты и штукатурного слоя подтверждено методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 1).

Объем оболочек щелочных гидросиликатов кальция увеличивается при их увлажнении и уменьшается при высыхании. Очевидно, что снижение уровня возникающих при этом внутренних напряжений может быть достигнуто уменьшением количества образующихся щелочных гидросиликатов, т. е. предотвращением коррозии поверхности минерального волокна, а также умень-

шением проницаемости базового штукатурного слоя по отношению к воде.

Одним из наиболее простых способов предотвращения коррозии минерального волокна в контакте с высокощелочным цементным раствором является создание на его поверхности стойкой, нерастворимой в воде защитной оболочки. Такая оболочка может иметь как неорганическую, так и полимерную природу.

Известно, что катионы лития Ы+ образуют нерастворимые в воде гидросиликаты лития и могут образовать на поверхности минерального волокна тонкую защитную оболочку, препятствующую последующим химическим реакциям между катионами К+ или №+ и волокном. Аналогичная защитная оболочка может быть получена и на основе полимерной пленки, нанесенной в виде покрытия — праймера на поверхность минеральной теплоизоляционной плиты.

Коррозия минерального волокна в высокощелочных цементных растворах исследовалась методом лазерной гранулометрии.Измельченное минеральное волокно помещалось в водную дисперсию цемента с содержанием щелочных оксидов №20+К20 1,78 мас. %. Изменение среднего диаметра Д.р и удельной поверхности SYД частиц минерального волокна проводилось через каждые 10 мин в течение 1,5 ч (рис. 2).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в растворе на основе высокощелочного цемента протекает интенсивная коррозия минерального волокна: на начальных этапах — растворение, приводящее к уменьшению среднего размера частиц, а затем образование на поверхности частиц высокодисперсных щелочных

Рис. 1. Щелочная коррозия минерального волокна на границе теплоизоляционной плиты и штукатурного слоя

научно-технический и производственный журнал J\^)г\*^\~

август 2012 Ы ®

0 -2

Р

-4 -6 -8 -10 -12

1 V, -Ог^***^

™о -с./- ^ /

\ 2

\ 1

^—п ■__ у

1 1 1 1

б 0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

2

3

и К' 1 1 1 -р— |

20

40 60

Время, мин

80

100

20

40 60

Время, мин

80

100

Рис. 2. Изменение среднего диаметра Оср и удельной поверхности 5уд частиц минерального волокна в водных дисперсиях цементов: 1 - низкощелочной цемент; 2 - высокощелочной цемент; 3 - высокощелочной цемент + 1% и2С03

гидросиликатов кальция, сопровождающееся ростом среднего размера и удельной поверхности частиц минерального волокна. Как и ожидалось, введение в раствор на основе высокощелочного цемента добавки Ы2С03 в количестве 1% от массы цемента частично блокирует процесс коррозии вследствие образования на поверхности волокна нерастворимой оболочки силикатов и гидросиликатов лития.

Исследование защитных свойств полимерной пленки, нанесенной на поверхность минераловатной плиты в виде праймера, проводилось методом сканирующей электронной микроскопии. Расход дисперсии на основе сополимера этилена и винилацетата, нанесенной на поверхность теплоизоляционной плиты методом на-брызга, составил 45—50 г/м2 в пересчете на сухое вещество. После полного высыхания дисперсии образец минераловатной плиты помещался на 30 сут в водный раствор над дисперсией цемента с содержанием щелочных оксидов №20+К20 1,78 мас. % (рис. 3).

Установлено, что при хранении в растворе над цементом с высоким содержанием щелочей исходное необработанное полимерной дисперсией минеральное волокно подвергается интенсивной коррозии: на его поверхности формируются многочисленные новообразования на основе щелочных гидросиликатов кальция (рис. 4).

Полимерная пленка, образовавшаяся на поверхности минерального волокна после обработки праймером, практически полностью предотвращает процесс его коррозии (рис. 5, а). Аналогичный эффект дает и введение в состав цемента добавок Ы2С03. В этом случае на поверхности волокна наблюдаются отдельные новообразования (рис. 5, б), свидетельствующие о заметном замедлении процесса его коррозии в сравнении с исходным бездобавочным цементом.

Таким образом, введение в состав цементного раствора для внешнего базового штукатурного слоя СФТК небольших количеств Ы2С03 или обработка поверхности минераловатной плиты водной дисперсией полиме-

Рис. 3. Образец минерало-ватной плиты в растворе над поверхностью цемента

Рис. 4. Структура поверхности минерального волокна: а - исходного; б -высокощелочным цементом

после 30 сут хранения в растворе над

4

а

2

0

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® август 2012 73

Рис. 5. Структура поверхности минерального волокна после 30 сут хранения в растворе над высокощелочным цементом: а - обработанного раствором полимера; б - после введения в раствор 1% и2С03 от массы цемента

ра позволяет замедлить процесс коррозии минерального волокна в случае использования цементов с повышенным содержанием щелочных оксидов.

Проницаемость затвердевшего цементного камня определяется его микроструктурой, главным образом количеством капиллярных микропор. В свою очередь, количество капиллярных микропор при прочих равных условиях зависит от фазового состава и деструктивных явлений в цементном камне, происходящих при его циклическом увлажнении-высушивании и/или замораживании-оттаивании.

Исследовались изменения фазового состава и капиллярная микропористость цементного камня на основе цемента с повышенным содержанием щелочных оксидов №20 и К20 при циклическом увлажнении-высушивании и замораживании-оттаивании.

Образцы для исследования готовились на основе состава, используемого для производства базового штукатурного слоя СФТК, без кварцевого песка. В качестве вяжущего использовался портландцемент ОАО «Михайловцемент» с добавкой №2804 до содержания щелочных оксидов №20+К20=1,78 мас. %. Состав композиции представлен в таблице.

Образцы в виде дисков диаметром 4 см и толщиной 0,5 см твердели на воздухе при температуре 20-22оС в течение 14 сут, после чего подвергались циклической обработке в климатической камере по следующему режиму:

- насыщение водой при 20оС 2 ч

- замораживание при -10оС 12 ч

- оттаивание в воздушно-влажных условиях

при 20оС 12 ч

— сушка при 50оС 6 ч

Общее количество циклов климатической обработки — 10.

По окончании обработки исследовался фазовый состав образцов методом рентгенофазового анализа, а также определялась величина открытой пористости затвердевшего цементного камня.

На рентгенограмме цементного камня, твердевшего в воздушно-сухих условиях, присутствуют дифракционные максимумы, соответствующие основным гидратным фазам: Са(ОН)2, моногидросульфоалюми-нату кальция 3Са0Л203 Са80412И20, эттрингиту 3Са0-Л203-3Са804-32И20, гидроалюминату кальция 4Са0Л203 13И20 и др. После 10 циклов климатической обработки фазовый состав цементного камня изменился в сторону увеличения количества эттрингита и порт-

Компонент Содержание, мас. %

Портландцемент ПЦ 500-Д0 с добавкой Ыа2804 88,5

Гидратная известь Са(ОН)2 4,5

Полимерный редиспергируемый порошок на основе сополимера этилена и винилацетата 6,5

Эфир целлюлозы (ГЭМЦ) средней вязкости 0,5

Вода 0,24 от массы композиции

74

научно-технический и производственный журнал

август 2012

®

1600

х 1200

Цементный камень Цементный камень после 14 сут после 10 циклов твердения обработки

800

400

0

Цементный камень 1 мас. % Li2CO3 после 10 циклов обработки

Рис. 6. Влияние режима твердения цементного камня на относительную интенсивность аналитического пика эттрингита

100

80

40

20

Исходная СФТК

СФТК после обработки

плиты полимером

СФТК с добавкой в базовый слой Li2CO3

СФТК с плитой, обработанной полимером и добавкой Li2CO3 в базовый слой

Рис. 7. Адгезия базового штукатурного слоя к поверхности минерало-ватной плиты после обработки в климатической камере (% к величине адгезии до обработки в климатической камере)

ландита; содержание 3Са0А203 Са80412Н20 при этом снизилось.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в цементном камне развиваются процессы образования вторичного эттрингита, которые могут привести к увеличению его капиллярной пористости и в предельном случае к его полному разрушению.

Введение в состав цементной композиции перед затво-рением 1% Ы2С03 от массы цемента несколько тормозит процесс образования вторичного эттрингита, о чем свидетельствует изменение относительной интенсивности аналитического пика эттрингита 9,675—9,739 А (рис. 6).

Капиллярная пористость цементного камня на основе цемента с высоким содержанием щелочных оксидов после 10 циклов климатической обработки значительно возрастает (до 0,147 см3/г) в сравнении с цементным камнем после 14 сут твердения, не подвергавшимся обработке (0,113 см3/г). Введение в состав цементной композиции 1% Ы2С03 от массы цемента замедляет процесс разрушения структуры цементного камня; величина капиллярной пористости цементного камня с добавкой Ы2С03 после 10 циклов климатической обработки составляет всего 0,121 см3/г.

Таким образом, высокощелочные цементы не только сами по себе вызывают интенсивную коррозию минерального волокна в теплоизоляционной плите, но и склонны к образованию в своей структуре вторичного эттрингита. Это приводит к интенсификации процессов массопереноса за счет увеличения количества капиллярных пор в цементном камне, изменению объема при увлажнении и высыхании оболочек щелочных гидросиликатов кальция на поверхности волокон и, как след-

ствие, к более быстрому снижению адгезии базового штукатурного слоя в системах СФТК к поверхности теплоизоляционной плиты.

Для замедления процесса образования вторичного эттрингита в состав базового штукатурного слоя рекомендуется вводить добавки Ы2С03.

Проверка разработанных рекомендаций осуществлялась путем испытаний СФТК в климатической камере. После 28 сут твердения при нормальных условиях СФТК подвергалась обработке по режиму:

— орошение водой 0,5 ч

— замораживание при -20оС 12 ч

— оттаивание в воздушно-влажных условиях

при 20оС 12 ч

— сушка при 50оС 6 ч

Общее количество циклов климатической обработки — 50.

После окончания испытаний определялась адгезия

базового штукатурного слоя к поверхности минерало-ватной плиты (рис. 7).

Как видно из полученных результатов, обработка поверхности минераловатной плиты праймером на основе дисперсии полимера из расчета 40 г/м2 и введение в состав базового штукатурного слоя Ы2С03 в количестве 1% от массы цемента приводят к заметному повышению остаточной адгезии базового слоя к теплоизоляционной плите. Максимальный эффект наблюдается при одновременном применении указанных методов.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в процессе эксплуатации СФТК на границе раздела ми-нераловатная плита — базовый штукатурный слой происходит коррозия минеральных волокон теплоизоляционной плиты с образованием на них оболочек щелочных гидросиликатов кальция. Скорость процесса коррозии минерального волокна увеличивается с ростом содержания в цементе щелочных оксидов №20 и К20.

Циклическое увлажнение—высушивание приводит к периодическому изменению объема оболочки щелочных гидросиликатов кальция, покрывающих минеральное волокно, что ослабляет силу связи и снижает адгезию внешнего штукатурного слоя к поверхности теплоизоляционной плиты. Интенсивность изменения объема оболочки щелочных гидросиликатов зависит от скорости подвода влаги к поверхности минерального волокна и определяется наличием капиллярных транспортных пор во внешнем штукатурном слое.

При циклическом увлажнении-высушивании или замораживании-оттаивании внешний штукатурный слой склонен к разрыхлению структуры вследствие образования в объеме цементного камня вторичного эттрингита. При этом капиллярная пористость и транспортные свойства штукатурного слоя по отношению к воде увеличиваются, что интенсифицирует процесс снижения адгезии штукатурного слоя к поверхности теплоизоляционной плиты.

При использовании минераловатных плит на основе базальтового или стекловолокна в СФТК рекомендуется осуществлять обработку поверхности минераловатной плиты, контактирующей с базовым штукатурным слоем, праймером, содержащим полимер, с целью образования на поверхности волокон защитного слоя, а в состав базового штукатурного слоя вводить добавки Ы2С03 в количестве до 1% от массы для замедления коррозии минерарального волокна и предотвращения образования в составе твердеющей композиции вторичного эттрингита.Это приводит к повышению надежности работы фасадных теплоизоляционных композиционных систем с наружными штукатурными слоями, значительно увеличивая их долговечность.

Ключевые слова: фасадные теплоизоляционные композиционные системы, адгезия штукатурного слоя, коррозия минерального волокна, вторичный эттрингит.

9 60

0

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® август 2012 75