CC BY
20Развитие технологий защитной обработки цементобетонных и других капиллярно-пористых строительных и промышленных изделий
Гусев Борис Владимирович
Доктор технических наук, член-корреспондент РАН, Президент, Академик Российской инженерной академии, www.info-rae.ru
Челноков Виталий Вячеславович
доктор технических наук, вице-президент Международной академии системных исследований, interass@muctr.ru
Глушко Андрей Николаевич
кандидат технических наук, первый заместитель директора НИЦ «Курчатовский институт»-ИРЕА, ANG@ireaorg.ru
В работе представлен подход к решению задачи защитной обработки цементно-бетонных и других капи-лярно-пористых строительных и промышленных изделий методом жидкостной гидрофобизации. Предложен к использованию новый эффективный гидрофобизирующий препарат. Предлагаемая гидрофобизиру-ющая жидкость эффективна для обработки широкого диапазона строительных и промышленных изделий. Обоснована актуальность присутствия антисептических компонентов в гидрофобизирующих составах. Особенность способа производства новых гидрофобизаторов заключается в ультразвуковой кавитационной обработке кремнийорганических и триазин-производных компонентов в водной среде. Приводится краткое обоснование предложенного способа. Разработанный защитный гидро-фобизирующий состав экологически безопасен и обладает более устойчивым подавляющим воздействием по сравнению с аналогами на плесень и микроорганизмы при их контакте с обработанной структурой це-ментно-бетонных и других капиллярно-пористых промышленных изделий. В работе представлены основные характеристики разработанного гидрофобизирующего состава применительно к тротуарной плитке. Ключевые слова: защитная обработка, цементно-бетонный, жидкий гид-рофобизатор, тротуарная плитка, ультразвуковая кавитация
Защита капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе от проникновения влаги является актуальной проблемой как в теоретическом, так и в практическом плане.
В настоящее время эта проблема на практике решается преимущественно путем применения различного рода синтетических гидрофобизаторов в период эксплуатации материалов. Однако, требуемый результат, как правило, не всегда достигается. Решение проблемы на качественном уровне возможно только с использованием препаратов, изготовленных на традиционной основе, но с новыми заданными свойствами, по технологии комбинированных приемов сочетания электро-физико-химических и химических методов. К такому конструкторско-технологическому подходу привело развитие теоретических представлений об электрокинетических явлениях, в частности, процессов кавитации гетерогенных сред, 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.
Строительные материалы и многие другие промышленные изделия обладают высокой пористостью и подвержены набуханию за счет капиллярного всасывания воды. Вода растворяет кристаллы солей, и это, при переменном увлажнении и высыхании, нарушает структуру материалов, снижает их прочность. Растворенные в воде соли, выходят на поверхность строительных конструкций, образуют на них высолы, которые ухудшают их технологические свойства (в том числе, теплообмен) и внешний вид. Кроме того, в природно-климатических условиях 1-У дорожно-климатических зон, водная среда при замерзании увеличивается в объеме примерно на 10%, что создает в порах материалов, пропитанных водой, давление свыше 200 МПа (2 т/см1)! Поэтому даже самые прочные из строительных материалов, такие, как бетон, кирпич и даже природный камень, не в силах противостоять такому внутреннему давлению без образования микротрещин. Поэтому, вода это, можно сказать, важнейший враг рассматриваемого класса строительных материалов.
Цементобетонные изделия и кирпич обладают значительным (до 90%) водопог-лощением. По бетонной стене или кирпичной кладке влага может подниматься от земли на высоту до 2 метров. По этой причине ухудшается теплоизолирующая способность стен, на поверхности стен появляются высолы, плесень, образуются микротрещины в материале, что, в конечном итоге, приводит к преждевременному разрушению материала и всей конструкции.
Поэтому, на развитие технологий разработки и применения надежных средств для гидрофобизации (влагоотталкивающей пропитки) любых строительных конструкций и материалов, и защиты их от намокания, весьма актуально. Такие средства применяются для поверхностной обработки бетона, тротуарной плитки, искусственного камня, минеральных штукатурок, керамической плитки, силикатного кирпича и цементно-волокнистых плит. Они могут использоваться при обработке влажных материалов: на сложных поверхностях или в условиях, когда ее практически невозможно подсушить -на чердаках, в подвалах и пр.
Эти средства следует применять при обработке известняка, шифера, ракушечника, кирпича, бетона, цементно-песчаных штукатурок, песчаника, гипса, шлакоблоков, ЦСП, цементно-песчаной и глиняной черепицы, керамической плитки, искусственного и натурального камня, мрамора и др. При этом, гидрофобизация строительных изделий, цементно-бетонных конструкций дорожного и коммунального хозяйства значительно улучшает их эксплуатационные качества: практически утрачивается способ-
© £
Ю
5
со
2 е
7
сч
СП £
Б
а
2 о
ность к капиллярному подсосу воды, значительно снижая водопоглощение, уменьшается загрязнение фасада от воздействия атмосферных осадков, предотвращает появление высолов на кирпичной кладке, практически исключает ее поражение грибками и плесенью, повышается морозостойкость материала. В тоже время, не снижается паропроницаемость поверхности. Сохраняются при этом прочность и теплоизоляционные свойства материала.
Указанные эффекты достигаются за счёт того, что на поверхности капиллярно-пористого материала образуется очень тонкое гидрофобное покрытие, невидимая пленка полимера, которая, при воздействии влаги, закрывает поры материала и не дает влаге проникать внутрь.
Гидрофобизаторы рекомендуются не только для защиты бетона, минеральных штукатурок и гипса, искусственного камня на цементной основе, но также и для минеральных красок, минеральной ваты и т.д. Глубина проникновения гидрофо-бизирующего состава тем больше, чем выше пористость обрабатываемого материала. Для кирпича и штукатурки она достигает более 10 мм. Стенки пор и все частицы материала, соприкасающиеся с гидрофобизатором, обволакиваются невидимой тончайшей водоотталкивающей пленкой. Обработанный материал теряет способность смачиваться водой и капиллярно ее всасывать. Но сам по себе показатель глубины проникания гидро-фобизатора ни о чём не говорит. Качество препарата можно определить только по показателям изменения свойств защищённого материала.
Касается данная проблематика и ряда смежных областей. Прежде всего, это автодорожное хозяйство.
Важнейшее социально-экономическое значение имеет содержание объектов автодорожного хозяйства в состоянии, близком к идеальному. В РФ такие высокие стандарты выдерживает Комплекс жилищно-коммунального хозяйства города Москвы. В интересах москвичей и гостей столицы в последние 5-7 лет в городе развёрнуто интенсивное переустройство, в том числе значительно увеличивается площадь покрытых цементо-бетонной дорожной плиткой мест массового пребывания людей: тротуаров, площадей и скверов.
Гидрофобизирующая защита данного вида капиллярно-пористых строительных материалов имеет свои особенности. Они связаны с тем, что в горизон-
тальном положении и при невозможности проветривания плитка подвергается максимальному водонасыщению при выпадении летних осадков и при таянии снежно-ледяных отложений (естественным путём и под воздействием противогололёдных реагентов). Также при гид-рофобизации цементобетонной дорожной плитки в населённых пунктах должен учитываться ряд требований безопасности дорожного движения и экологии, таких как отсутствие зимней скользкости защищённой плитки [5], соответствие классу опасности не выше IV - малоопасные вещества [4], отсутствие запаха, коррозионная неактивность, подавление роста растений и биообразований.
В начале 2000-х годов проводились работы по экспериментальному применению гидрофобизатора цементобетон-ной дорожной плитки на немодифици-рованной кремнийорганической основе, разработанного одним из научно-исследовательских институтов химической промышленности. Результаты были признаны отрицательными: при классе опасности на границе II и III после наступления отрицательных температур поверхность защищённой плитки становилась скользкой - коэффициент сцепления не превышал 0,1-0,2 - обледенелая дорога [5]. Были зафиксированы случаи повышения травматизма пешеходов.
С учётом стоящих задач и имеющегося опыта с целью защиты цементобетон-ных изделий и конструкций от разрушающего действия воды разработан инновационный высокоэффективный препарат - эмульсия гидрофобизирующая глубокого проникновения на основе композиции модифицированных кремнийорга-нических компонентов с биоцидом.
Суть гидрофобной модификации бетонов с использованием кремнийоргани-ческих соединений заключается в процессе физической адсорбции кремнийорга-нического компонента к бетону и химической фиксации адсорбированных молекул в результате гидролиза гидролитически неустойчивых связей, входящих в состав молекул кремнийорганических соединений. Ввиду низкой энергии, эти связи (Si-Cl, Si-OC2H5, Si-OH, Si-H и т.д.) способны легко вступать в реакцию гидролиза с последующим формированием в полисилоксановые цепи. При этом, активные центры на поверхности обрабатываемого цементобетона непосредственно участвуют в полимеризациии силоксановых цепей в результате обменных реакций с гидролизованными груп-
пами кремнийорганических соединений. Основой создания устойчивого эффекта гидрофобности можно назвать процесс химической фиксации адсорбированных молекул гидрофобизатора. Гидролиз связей, обуславливающих химическое закрепление, может протекать в условиях, характерных для каждой связи обладающей характерной структурой. Связи ОС2Н5 и Si-OH активизируются в кислой и щелочной средах, с последующим протеканием реакции гидролиза. Связь молекул со структурой Si-H гидролизу-ется только в щелочной среде, 9-С! вступает в реакцию гидролиза в присутствии воды в любой среде. Все соединения с гидролитически неустойчивыми связями (8-а, Э-^ 8-ОС2Н5, 8-ОН, 8-О№, 9-Н) адсорбируются цементным камнем. Соединения с устойчивой гидролитической связью, такие как гексаметилдиси-локсан (Я-О), практически не адсорбируются цементными материалами, а также материалами на основе кальцита и гипса. В то же время, соединения типа трифенилэтоксисилана, диэтилдигидро-оксисилана и тетраметилгидросилокса-нане способны адсорбироваться гипсом из их растворов и цементным камнем и в меньшей степени кальцитом. [1]
С помощью подбора значения показателя рН среды поровой жидкости материала подбирается оптимальная степень адсорбции кремнийорганических соединений.
Разработанное средство, проникая вглубь пор и капилляров материалов, создает на их поверхности нанопленку, которая настолько тонка, что не изменяет просвет этих пор и капилляров. Такой принцип работы гидрофобизатора обеспечивает гидрофобизированному субстрату водозащитные свойства при сохранении его паропроницаемости. Процесс кремнийорганической гидрофоби-зации имеет особенность, которая заключается в том, что образующаяся внутри капилляров полимерная пленка имеет толщину, на порядки меньшую размеров их сечения, а протяженность этой пленки многократно превышает диаметр капилляров. Именно поэтому после крем-нийорганической гидрофобизации це-ментобетонной дорожной плитки практически не уменьшается её паропрони-цаемость, а срок службы значительно увеличивается по сравнению с незащищённой плиткой. Также, из-за очень малой толщины пленки кремнийорганичес-кая гидрофобизация является, видимо, самым экономически выгодным способом гидроизоляции строительных конструк-
ций при давлениях воды до 0,12 м водяного столба или 1,2 кПа.
Цементобетонные и другие изделия, а дорожная плитка в условиях повышенной антропогенной нагрузки в населённых пунктах в особенности, в процессе эксплуатации подвергаются разрушающему действию микроорганизмов - бактерий, плесневых грибов, дрожжей и др. и роста растений из привнесённых спор, что приводит к нарушению важнейших эксплуатационных характеристик строительных материалов. Микроорганизмы, проникая в пористую структуру изделий даже в ничтожных количествах, быстро размножаются и деградируют органическую структуру гидрофобизатора. Растений, увеличиваясь в размерах, разрушительно действуют на материал. Поэтому для обеспечения стойкости гидрофоби-затора к воздействию микроорганизмов в его состав введен антисептик - биоцид на основе триазин-производного компонента. Исследование антимикробных свойств предлагаемого препарата проводят в сопоставлении с известными биоцидами, используемыми для защиты промышленных материалов (изделий) от биоповреждений.
Новый препарат безопасен при использовании: не обладает общерезорб-тивным действием, не оказывает раздражающего действия на кожу и слизистые глаз, сенсибилизирующая активность отсутствует, не кумулируется в организме. По степени воздействия на организм биоцидный препарат относится к IV классу опасности (вещества малоопасные по ГОСТ 12.007-76).
Дополнительные положительные свойства препарата достигнуты за счёт модификации кремнийорганических компонентов. Полученная эмульсия активизировалась гомогенизацией в кавитиру-ющей ультразвуковой установке. В ней ультразвук высокой интенсивности подаёт мощность, необходимую для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в небольшие капли (непрерывная фаза). В зоне диспергирования образуются взрывающиеся кавитационные пузырьки, которые вызывают образование интенсивно сталкивающихся волн в окружающей жидкости и приводят к образованию струй жидкости, обладающих высокой скоростью. Чтобы укрепить вновь образовавшиеся капли дисперсной фазы против слияния. Исследования полученной эмульсии показали корреляцию между плотностью энергии и размером капли (диаметр по Заутеру). Имеется чёткая тенденция к меньшему размеру ка-
пель при увеличении плотности энергии. При определенных уровнях плотности энергии ультразвук может чётко достичь средних размеров капель на порядок менее 1 микрона (менее 100 нм).
При изучении гидродинамических и теплофизических эффектов кавитации (кавитационной технологии) было выявлено, что возникающие при этом процессы способствуют механотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых эмульсий, суспензий и смесей, в конечном итоге имеющим перспективу для усовершенствования и интенсификации технологических процессов в различных отраслях производства. В области изменения свойств воды установлено, что в результате кавитационной гидродинамической обработки ее физические характеристики существенно изменяются и сохраняются достаточно длительное время, что позволяет использовать модифицированную воду в различных технологических процессах. Наблюдается быстрое кислородонасыщение в воздушной среде, объясняемое наличием кроме диффузионного (за счет высокой степени сжатия парогазового содержимого кави-тационного микропузырька), также кинетического механизма насыщения воды кислородом, приводящего к ощутимой неравновесности процесса его растворения. [3]
Таким образом, при определенных условиях достигается эффект, приводящий от состояния водной эмульсии с малорастворимыми компонентами, к состоянию соответствующему растворимости компонентов.
Промышленные ультразвуковые процессоры от 2 до 16 кВт и более крупные группы, составленные из нескольких таких узлов, могут обрабатывать объёмные производственные потоки практически на любом уровне.
Разработанная эмульсия высоко эффективна для обработки как высокопористых, так и низкопористых строительных материалов: бетонные, цементно-бетонные изделия, тротуарная плитка, пенобетон, кирпич, известняк, мрамор, гипс, природный и искусственный облицовочный камень, гранитная дорожная плитка, штукатурка, асбоцементные и гипсокартонные плиты, керамическая и цементная черепица, покрытия водно-дисперсионными, силикатными, цементными и известковыми красками, дерево, фанера, ДСП, ДВП, картон, бумага и другие. При нанесении на поверхность
эмульсия впитывается строительным материалом на глубину до 35 мм. После высыхания пропитанный слой обработанного материала приобретает водоотталкивающие свойства, препятствующие капиллярному всасыванию жидкой влаги. При этом сохраняется первоначальная паро- и газопроницаемость строительного материала. После обработки эмульсией строительный материал приобретает также ряд дополнительных свойств, улучшающих его эксплуатационные характеристики и продлевающих срок службы строительных объектов.
В результате обработки гидрофоби-затором, морозостойкость обработанного материала увеличивается в несколько раз, а прочность - до 28%. Это особенно ценно для дорожной плитки, а также кирпичных заборов и столбов, штукатурных фасадов, а также цоколей зданий, более всего подверженных разрушению от воды и мороза.
Разработанный гидрофобизатор имеет универсальное назначение - так же применим в помещениях с повышенной влажностью: очистные сооружения, бассейны, бани, сауны. При этом, покрытие внутренних стен гидрофобизатором не позволяет конденсирующейся влаге проникать вглубь стеновой конструкции и создавать на поверхности благоприятную среду для развития вредных микроорганизмов. Кроме того, гидрофобизатор обладает антигрибковым эффектом. Впоследствии, на обработанной поверхности грибок уже не появляется.
Ниже приведены основные характеристики и диапазоны значений свойств разработанного гидрофобизирующего средства для обработки цементобетон-ных и других промышленных изделий после опытных исследований их эффективности при обработке тротуарной плитки:
агрегатное состояние - жидкость; цвет - от бесцветного до светло-жёлтого;
запах - без запаха; плотность при 1 +200С - 1,001-1,02 г/см3;
кинематическая вязкость при 1 +200С
- 1,05-1,15 мм2/сек;
показатель активности водородных ионов - более 8,00 рН;
температура застывания - 00С -20С; класс опасности по ГОСТ 12.007-96
- IV;
пожаро- взрывоопасность - безопасен; токсичность - нетоксичен; коррозионная активность - неактивен;
О £
ю
I
со
2 е
7
форма выпуска - получен в результате синтеза и является рабочим раствором для использования, не подлежит дальнейшему разбавлению, так как теряет свойства эффективности;
время впитываемости воды в поверхность до нанесения - менее 2 с;
водопоглощение поверхности до нанесения - 100 %;
норма расхода при нанесении распылением - 100-200 г/м2;
время полного высыхания после нанесения распылением - до 4 ч;
водопоглощение поверхности после нанесения - менее 4%;
водопоглощение поверхности после большого количества осадков после нанесения - менее 4 %;
коэффициент сцепления поверхности после нанесения при 1 -150С - 0,4;
водопоглощение поверхности после нанесения после оттаивания от 1 -150С -менее 4%;
срок хранения - более 12 месяцев. Кроме того, новое разработанное гидрофобизирующее средство образует антикоррозионное пленочное нанопок-рытие и значительно препятствует загрязнению материалов. Препарат устойчив к ультрафиолетовому излучению (долговечность - не менее 10 лет), а также кислото- и щелочеустойчив.
По всем приведённым факторам рассматриваемый препарат по научно-инженерному подходу и своему функциональному значению на сегодня находится на вершине развития технологий защитной обработки цементобетонных и других капиллярно-пористых строительных и промышленных изделий и имеет прямое отношение к складывающемуся VI технологическому укладу.
Литература
1. Войтович В. А., Хряпченкова И. Н. Гидрофобизация строительных конструкций и изделий:
Учебно-методическое пособие. Нижний Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2016. -45 с.
2. Гусев Б.В., Ин Иен-лян С., Т. В. Кузнецова Т.В. Цементы и бетоны - тенденции развития: монография. Москва.
Изд. Новый мир. -2012. -134 с.
3. Ивченко В.М., Кулагин В.А., Нем-чин А.Ф. Кавитационная технология: монография. Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. - 200 с.
4. ГОСТ 12.007-96 (межгосударственный стандарт) «Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности»
5. ГОСТ30413-96 (межгосударственный стандарт) «Дороги автомобильные. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием»
Development of technologies of protective processing of cement-concrete and other capillary and porous construction and industrial products Gusev B.V., Chelnokov V.V.,
Glushko A.N. RAS, Research Center Kurchatov
Institute - IREA The paper presents an approach to the problem of protective treatment of cement-concrete and other capillary-porous constructive and industrial products by the method of liquid hydrophobization. A new effective hydrophobizing
preparation has been proposed for use. The proposed hydrophobic liquid is effective for processing a
сч cn £
6 a
2 ©
wide range of construction and industrial products. The relevance of the presence of antiseptic components in hydrophobizing compounds is substantiated. A feature of the method for the production of new hydrophobizators is the ultrasonic cavitation treatment of organosilicon and triazine derivatives in an aqueous medium. A brief explanation of the proposed method is given. The developed protective hydrophobizing
composition is environmentally safe and has a more stable suppressive effect in comparison with analogues to mold and microorganisms when they come into contact with the treated structure of cement-concrete and other capillary-porous industrial products. The paper presents the main characteristics of the developed hydrophobizing composition applied to the paving slab.
Keywords: protective treatment, cement-concrete, liquid water repellent, paving slab, ultrasonic cavitation
1. Voytovich V. A, Hryapchenkova of I.N.
Gidrofobization of building constructions and products:
Educational and methodical grant. Nizhny Novgorod: NNGASU publishing house, 2016. - 45 pages.
2. Gusev B.V., Ying lyen-liang S., T.V.
Kuznetsova T.V. Cements and concrete - development tendencies: monograph. Moscow.
Prod. New world.-2012.-134 pages.
3. Ivchenko V.M., Kulagin V. A., Nemchin
AF. Cavitational technology: monograph. Krasnoyarsk: KGU publishing house, 1990. - 200 pages.
4. GOST 12.007-96 (interstate standard)
«Occupational safety standards system. Harmful substances. Classification and general safety requirements»
5. GOST 30413-96 (interstate standard)
«Highways. Method of determination of coefficient of coupling of a wheel of the car with a road carpet»
