CC BY
36
УДК 577.334
Н.Н. ДЕБЕЛОВА, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Н.П. ГОРЛЕНКО, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
И.И. ПОДШИВАЛОВ, канд. техн. наук, доцент,
ТГАСУ, Томск,
Е.Н. ЗАВЬЯЛОВА, [email protected] ТГУ, Томск
ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОФОБНОЙ ЗАЩИТЫ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Предложена технология гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе с использованием электрохимических методов. Она включает стадии предварительного удаления влаги и гидрофобизации объема изделия с применением модифицированного раствора метилсиликоната калия.
Ключевые слова: гидрофобная защита, капиллярно-пористые строительные материалы.
Защита капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе от проникновения влаги является одной из актуальных проблем строительного материаловедения. В настоящее время ее пытаются решать преимущественно путем применения различного рода синтетических гидрофобизаторов [1-3]. При этом выделяют гидрофобные материалы для поверхностного использования и для применения инъектированием. Поверхностную гидрофобизацию проводят на конструкции детали распылением, валиком или кистью. Объёмную гидрофобизацию - методом инъекций в шпуры [4]. Общепризнано, что второй способ гидрофобной защиты наиболее эффективен, так как долговечность и качество водоотталкивающих покрытий в большей мере зависит от глубины впитывания гидрофобизатора. Свои свойства при поверхностной обработке гидро-фобизаторами материалы сохраняют не более 10-15 лет, а при объёмной - в течение всего срока службы здания или конструкции. Объемную гидрофобизацию можно осуществлять и путем введения гидрофобизатора на стадии изготовления строительного материала. При этом допустимая концентрация добавки не должна превышать 0,6 %. Однако указанные условия не обеспечивают качественной гидрофобной защиты материала и нарушают его свойства.
Технология обработки строительных материалов гидрофобными жидкостями с использованием постоянного электрического тока также позволяет осуществлять объемную гидрофобизацию, однако данные методы не получили широкого развития. Это обусловлено, с одной стороны, протеканием сложных и часто не контролируемых процессов переноса частиц в случайно организованной системе пористого материала, а с другой - относительно высокими затратами электрической энергии. Развитие теоретических представлений об электрокине-
© Н.Н. Дебелова, Н.П. Г орленко, И.И. Подшивалов, Е.Н. Завьялова, 2009
тических явлениях в капиллярно-пористой среде строительных материалов, разработка энергосберегающих технологий, применение модифицированных гид-рофобизаторов позволит не только повысить качество защиты строительных материалов и изделий от влаги, но и найти пути снижения экономических затрат.
Цель работы заключается в повышении качества гидрофобной защиты строительных материалов путем пропитки водорастворимыми кремнийорга-ническими жидкостями объема строительного материала с применением электрохимических методов.
Несмотря на широкий выбор гидрофобных материалов, в настоящее время водорастворимые кремнийорганические соединения нашли наиболее широкое практическое применение [5-7]. В данной работе в качестве гидрофобной жидкости был выбран водорастворимый метилсиликонат калия (МСК). Его выбор обусловлен тем, что он имеет наиболее высокие значения проводимости раствора по сравнению с другими гидрофобизаторами, доступен, малотоксичен, при взаимодействии с гидроксиликатными группами поверхности образует гидролитически устойчивую систему связей типа Э-0-81-С, взрыво-, пожаро- и экологически безопасен, так как в качестве летучих компонентов содержит только воду и может быть использован в технологиях объемной гидрофобной защиты строительных материалов с применением электрохимических методов. В качестве модельного объекта исследования был выбран цементный камень, так как цемент, во-первых, является наиболее широко применяемым материалом в производстве строительных материалов, а во-вторых, проявляет гидрофильные, в то время как основные заполнители (песок, гравий, щебень) - гидрофобные свойства.
При использовании постоянного электрического тока при обработке объема капиллярно-пористой среды строительного материала гидрофобной жидкостью определяющую роль играют электроосмотические явления. В качестве дисперсионной фазы здесь выступают в совокупности: водно-солевой раствор, компоненты гетерогенной среды строительного материала и продукты взаимодействия раствора с твердой фазой. Согласно [8, 9], условная схема распределения зарядов в структуре капиллярно-пористого материала, например бетона, может быть представлена 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, которая является условным уровнем линии нулевого потенциала, выше которой экспериментально определяется положительный потенциал.
Для обеспечения эффективности процесса массопереноса гидрофобиза-тора по капиллярам строительного материала под действием постоянного электрического поля необходимо создать следующие условия: 1) значение проводимости гидрофобной жидкости должно быть по возможности максимальным; 2) значение проводимости в объеме среды капиллярно-пористого строительного материала, в том числе в области линии нулевого потенциала, должно быть достаточным для обеспечения миграционного движения заря-
женных части; 3) напряженность электрического поля не должна превышать значений, приводящих к интенсивным процессам электролиза на электродах; 4) материал электродов является антикоррозионным, а их конструкция обеспечивает свободное перемещение жидкости через плоскость электродов.
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
С учетом предложенных условий проведения процесса гидрофобной обработки строительного материала с применением постоянного электрического тока и результатов исследований [10] предлагается комбинированный способ изоляции строительных сооружений от влаги. Принципиальная технологическая схема приведена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема комбинированного способа гидрофобной защиты строительного изделия
Так как геометрические параметры пор, согласно уравнению Гельмгольца - Смолуховского, не влияют на процессы электроосмоса, то методы с использованием постоянного электрического тока применимы для широкого ряда строительных материалов, содержащих в своей структуре сообщающиеся капилляры и проницаемые диафрагмы. Ограничением является размер пор, который должен превышать толщину диффузионного слоя на границе раздела фаз (более 1 мкм).
Технологические операции включают выполнение в шахматном порядке двух рядов отверстий диаметром 0,5-1,0 см и глубиной не менее 0,15 м и не более 80 % от толщины тела строительного материала или изделия и установку в них упругих сетчатых электродов из меди или нержавеющей стали, которые подсоединяют к источнику электропитания (рис. 3). При вертикальном расположении плоскости конструкции отверстия выполняют с наклоном 30-45°.
Технология гидрофобной защиты капиллярно-пористых строительных материалов и изделий на их основе с использованием постоянного электрического тока включает следующие стадии:
1. Предварительное удаление избыточной влаги. Метод используется при содержании влаги более 30 %. Для этого в теле строительного изделия, имеющего постоянный контакт с влагой, выполняют отверстия диаметром 0,5-1,0 см, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема расположения электродов в стене здания: 1 - строительное изделие; 2 - катод; 3 - анод
В отверстия помещают электроды из сетчатой упругой фольги и подают постоянный электрический ток с напряженностью 60-80 В/м. 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 капиллярно-пористый строительный материал служат катодом, и на них в нижней части конструкции с помощью генератора подает-
ся отрицательный потенциал. Положительный заряд электрического тока может подаваться от уровня линии нулевого потенциала и ниже. Избыточная влага накапливается в области катодного пространства и удаляется из него доступными методами. Процесс проводят до степени влажности, при которой удельная проводимость среды в объеме изделия не превышает 10 Омм.
2. Объемная гидрофобизация материала раствором метилсиликоната калия. Полость анодного пространства заполняются раствором гидрофобной жидкости и подается электрический ток с напряженностью 60-80 В/м.
Под воздействием электрического поля влага, находящаяся в капиллярах и порах материала, перемещается и одновременно увлекает в них гидрофобную жидкость, тем самым пропитывая обрабатываемый объем капиллярно-пористого материала. В гидрофобную жидкость перед заполнением ею отверстий дополнительно вводят соль железа (азотнокислое железо) в концентрации 6 %. Это приводит, во-первых, к увеличению проводимости раствора, а следовательно, и к интенсификации процесса массопереноса частиц, а во-вторых, при повышенных рН среды к выпадению гидроксида железа и дополнительной кольматации пор.
По окончании процесса гидрофобной защиты строительного изделия выполненные под электроды отверстия заделывают цементно-песчаным раствором с добавлением метилсиликоната калия в концентрации до 0,8 % от общей массы смеси.
В таблице приведены значения водопоглощения и относительного изменения морозостойкости цементного камня по сравнению с контрольными образцами.
Некоторые характеристики гидрофобизированного раствором метилсиликона калия (МСК) цементного камня в зависимости
от его состава
Вид обработки Время испытания образцов Относительное изменение морозостойкости обработанных образцов по сравнению с контролем
1 мин 20 мин 24 часа
Водопоглощение (г/г-сут)
Контрольный образец 2650 3411 3411 1
Обработка раствором МСК поверхности цементного камня методом окунания 64 83 356
Элетрохимическая обработка объема цементного камня МСК 41 56 186 1,26
Элетрохимическая обработка объема цементного камня раствором МСК с добавлением раствора Ре(КОз)2- 39 52 171 135
Примечание. Напряженность электрического поля - 60 В/м, концентрация раствора соли железа - 6 %.
Таким образом, на основании проведенных экспериментальных исследований показана эффективность гидрофобной защиты строительных материалов и изделий на их основе с применением электрохимических методов. Предложенная технология может применяться для решения проблем осушения и качественной водозащиты ограждающих конструкций, а также зданий и сооружений, имеющих историческую ценность.
Библиографический список
1. Синявский, В.В. Материалы для гидроизоляции и гидрофобизации сооружений /
B.В. Синявский // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI в. - 2003. -№ 6. - С. 22-23.
2. Органосиликатные материалы, их свойства и опыт применения: материалы краткосрочного семинара. - Л., 1977. - 113 с.
3. Эффективность влагозащитных покрытий на конструкциях из ячеистых бетонов / Х.Ф. Иоости, К.И. Карасев, У.И. Крейс [и др.] // Строительные материалы. - 1969. -№ 10. - С. 28-29.
4. Экспресс-информация // Строительство и архитектура. - М., 2001. - Вып. 3. - С. 22-23.
5. Вершинина, С.С. Применение кремний органических соединений в строительстве /
C.С. Вершинина. - М., 1989. - 62 с.
6. Гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости. - М. : Химия, 1967. - 7 с.
7. Химия и практическое применение кремнийорганических соединений // Тезисы докл. 7-го Совещания / под. ред. В.О. Рейхсфельд. - Л. : Наука, 1988. - 181 с.
8. Новожилов, Ю.Н. Осушение стен с помощью электроосмоса / Ю.Н. Новожилов // Промышленная энергетика, 2003. - С. 23-26.
9. Романовский, С.Г. Тепло- и массоперенос в капиллярно-пористых материалах при сушке в электромагнитном поле / С.Г. Романовский // Инженерно-физический журнал. -1965. - Т. IX. - № 4. - 496 с.
10. Дебелова, Н.Н. Гидрофобная защита капиллярно-пористых материалов с использованием постоянного электрического тока / Н.Н. Дебелова // Вестник ТГАСУ. - 2006. - № 1. -С. 68-73.
N.N. DEBELOVA, N.P. GORLENKO, I.I. PODSHIVALOV, EN. ZAVYALOVA
HYDROPHOBIK PROTECTION OF BUILDING MATERIALS WITH THE USE OF ELECTROCHEMIKAL METHODS
Hydrophobic protection technology of capillary-porous building materials and articles on their basis with the use of electrochemical methods has been offered. It includes stages of preliminary moisture removal and hydrophobisation of article volume with the use of modified solution of potassium methylsiliconat.
