gidrofobizacija-poverhon-1Керамический кирпич вследствие высокой открытой пористости обладает значительным показателем водопоглощения, что приводит, при эксплуатации помещений во влажных условиях, к росту теплопроводности и снижение морозостойкости. Для улучшения указанных характеристик и для увеличения долговечности таких материалов в настоящее время используют метод дополнительной обработки готовых изделий и конструкций гидрофобизаторами.

Н.Н. Гивлюд1, В.Б. Назаревич1, И.В. Маргаль1

1 Национальный университет "Львовская политехника".

Постановки проблемы

Гидрофобизирующие средство наносят на очищенную поверхность кистью, валиком или распылителем до момента насыщения материала гидрофобизатором. При этом выбор гидрофобизатора зависит от неоднородности качественного и количественного состава керамического кирпича, влажности среды, в которой эксплуатируется и климатических условий.

Анализ последних публикаций и исследований
В качестве гидрофобизаторов в настоящее время используют растворы на основе етилсиликонату натрия (ГКЖ-10), метилсиликонатив натрия и калия (ГКЖ-11, ГКЖ-11К), полиетилгидросилоксану (ГКЖ-94), а также зарубежные, содержащих аналогичные кремнийорганические соединения (Asolin - WS, Аквастоп - К, Ceresit CO - 81 и Типром М) [1, 2]. Глубина проникновения всех гидрофобизаторов в силикатные материалы практически не отличается, а водопоглощение изделий при этом уменьшается с 12,4 до 2,5%. Силицийогранични соли натрия при длительном контакте с водой и углерода (IV) оксида в процессе образования гидрофобной пленки переходит в кристаллогидрат (натрия карбонат с десятью молекулами воды), что создает внутреннее давление на стенки капилляров кирпича, в результате чего они разрушаются. Метилсиликонат калия образует кристаллогидрат с двумя молекулами воды, который не разрушает, а только закупоривает капилляры, способствуя процессу гидрофобизации [6, 8].

Важным фактором получения высокого гидрофобизирующие эффекта являются процессы, которые проходят на границе контакта гидрофобизатор - материал и зависят от взаемодифузии компонентов.

Цель работы заключается в установлении оптимальной концентрации гидрофобизатора при обработке кирпичных конструкций для увеличения их долговечности и разработке модели взаемодифузии компонентов в зоне контакта покрытия - керамический материал.

Результаты исследований
Исследована зависимость водопоглощение керамического черепка от концентрации гидрофобизатора ГКЖ-11 (К). Результаты эксперимента (рис. 1) указывают на то, что водопоглощение керамики обработанной гидрофобизатором существенно уменьшается.

Минимальное водопоглощение достигается при концентрации гидрофобизатора 3 мас. %, А затем частично растет. Такое увеличение показателя водопоглощения может быть объяснено тем фактом, что молекулы гидрофобизатора, которые находятся в избытке, способны частично переориентировать водозащитную пленку и увеличивать ее смачиваемость, что делает ее менее гидрофобной. Таким образом оптимальный показатель водопоглощения керамики с защитным водоотталкивающим покрытием наблюдается при концентрации метилсиликонату калия (ГКЖ-11 (К)) - 3 масс. %.

Исследовано влияние концентрации метилсиликонату калия на глубину проникновения гидрофобизирующие раствора, причем в качестве растворителя использовано воду и водноспиртового раствор. Полученные результаты (рис. 2.) указывают, что с увеличением концентрации метилсиликонату калия его проницаемость снижается, независимо от вида растворителя.

Итак глубина проникновения гидрофобизаторов, в качестве растворителя которых было использовано воду и спирто-водную смесь (30:70), при одинаковых концентрациях метилсиликонату кальция разная. Спиртово-водный раствор проникает глубже, в среднем на 0,4 мм, однако этой величины не достаточно, чтобы покрыть расходы, связанные с разницей стоимости растворителя. Поэтому использование водо-спиртового растворителя нецелесообразно.

gidrofobizacija-poverhon-3

Рис. 1. Зависимость водопоглощения керамического черепка от концентрации ГКЖ-11 (К):
1 - водопоглощение кер. черепка после погружения в воду на 48 ч; 2 - водопоглощение кер. черепка после погружения в воду на 3 часа.

gidrofobizacija-poverhon-4

Рис. 2. Зависимость глубины проникновения гидрофобизатора в керамический черепок от концентрации ГКЖ-11 (К)

Для подтверждения химического взаимодействия между гидрофобизирующим агентом и поверхностью материала были проведены сравнительные анализы ИЧС для керамики обработанной и не обработанной гидрофобизатором (рис. 3). Все силикаты поглощают в области ИК-спектра в диапазоне 1100-900 см-1, проявляется в виде широкой, интенсивной полосы в области 960, 1010, 1072, 1090 и 1140 см-1 для негидрофобизованои керамики, и 960, 990, 1072 и 1090 для керамики обработанной гидрофобизирующим раствором. В области 900-700 см-1 проявляются полосы поглощения, соответствующие групповым колебаниям связи Si - C (796 и 770 см-1).

Поглощение связано с колебаниями групп Si - О, проявляются в интервале частот 1140 - 1056 см-1 (полосы при 1072, 1088 и 1142 см-1 для негидрофобизованои керамики, и 1072, 1090 см-1 - для гидрофобизированные черепка) (рис . 3).

Не выявлено поглощения гидроксильных групп, поскольку отсутствуют полосы в области валентных и деформационных колебаний молекулы воды при ~ 1640 и 760 см-1, а связь Si - О - К в области поглощения 460-467 см-1 относится к гидрофобизатора.

Наличие связи - О - Si - О - Na, в области поглощения 392, 368, 300 см-1, которые отсутствуют в спектре обычного керамического черепка, доказывают верность предположения о наличии химического взаимодействия между силикатным фазой и гидрофобизатором.

При обработке поверхности материала метилсиликонатом калия гидрофобные метилполисилоксанови слои образуются прежде всего благодаря процессу карбонизации (взаимодействия гидрофобизатора с углекислым газом воздуха).

Водоотталкивающая пленка образуется таким путем довольно медленно, а именно в течение 24 - 48 часов. При этом необходимо, чтобы во время процесса формирования гидрофобной пленки поверхность материала сильно не увлажнялась. Также следует отметить, созданной полиметилсилоксанова пленка покрывает все частицы материала с которыми контактировал раствор гидрофобизатора, связывая их между собой, что приводит в свою очередь к некоторому увеличению прочности обработанного материала. Выше описанные процессы происходят по следующей схеме:

gidrofobizacija-poverhon-5

 gidrofobizacija-poverhon-6

Рис. 3. ИК-спектры керамики негидрофобизованои (1)
и покрытой гидрофобизатором (2).

Кроме реакции карбонизации, химическая связь гидрофобного покрытия с поверхностью образуется также благодаря процессам обмена метилсиликонату калия с минеральными солями

gidrofobizacija-poverhon-7

‌‌‌

где: Ме - Са, Mg и другие;

Х - SO42-, СО32- и другие.

Метилсиликонат калия образует труднорастворимые в воде соединения почти со всеми водорастворимыми солями кальция, стронция, бария, хрома, никеля, кадмия, меди, свинца, молибдена, ртути и других металлов.

Благодаря наличию на поверхности групп Si - О - М (где M - Si, Mg, Ca, Al и другие) образуется химическая связь Si - O - Si между поверхностью материала и гидрофобизатором по следующей схеме:

gidrofobizacija-poverhon-8

 

где: M - Si, Mg, Ca, Al и др.

Известно, что поверхность силикатных материалов при нормальных условиях является гидратированное, за счет гидроксильных групп, химически связанных с поверхностными атомами. При обработке таких поверхностей силицийорганичнимы гидрофобизаторами (метилсиликонатом калия), реакционные группы последних могут взаимодействовать с поверхностными группами ОН, образуя химически фиксированную пленку, которую схематически можно изобразить следующим образом:

gidrofobizacija-poverhon-9

Метилсиликонат калия относится к кремнийорганические соединения с тремя реакционные группами, поэтому он способен образовывать сплошную гидрофобный пленку по всей поверхности обрабатываемого материала.

gidrofobizacija-poverhon-10

поверхность

Также следует отметить, что гидрофобность твердых поверхностей обработанных гидрофобизатором зависит от микрорельефа поверхности. Поскольку керамика является шероховатую, это позволяет гидрофобизатора создать более надежную защиту (рис. 4).

gidrofobizacija-poverhon-11

Рис. 4. Структура контактной зоны гидрофобизатор (А) - керамический кирпич (Б) 

Эксплуатационные свойства гидрофобизированных материалов существенно зависит от процессов взаимодействия в зоне контакта покрытия - подложка, фазового состава и влажности. В результате контактного взаимодействия на границе подложка - покрытие возникают новые фазы и соединения, которые образуют переходные слои. Если переходные слои образовались, то они определяют прочность сцепления гидрофобизатора с основным материалом.

Укрепляющий эффект создается при синтеза в зоне контакта более прочных и стабильных фаз, механизм образования которых зависит от вида подложки и состав защитного покрытия. На указанной границе контакта могут накапливаться продукты взаимодействия, которые в отдельных случаях приводят к откалывания покрытия.

Концентрационные кривые распределения элементов строили по результатам электронно-зондового микроанализа. Распределение некоторых элементов в переходном слое имеет встречный характер. Компоненты покрытия диффундируют в материал подложки и наоборот. Распределение атомов происходит в направлении выравнивания концентраций элементов в системе.

Процессы диффузии компонентов проанализированы с помощью математической модели массо переноса в зоне контакта.

Систему гидрофобизатор - керамика можно рассматривать как состоящую из двух тел с общей поверхностью контакта фаз. Эти тела можно рассматривать как полуограниченного. Схему распределения концентраций диффундирующего компонента в системе двух полуограниченного тел изображена на рис. 5.

gidrofobizacija-poverhon-12

Рис. 5. Схема распределения концентраций компонента в двух твердых телах

Диффузия для данной системы возможна только в одном направлении - из твердого тела к другому (это направление совпадает с осью Х). Таким образом наблюдается нестационарная диффузия в одномерном концентрационном поле, для которого можно записать:

gidrofobizacija-poverhon-13

где С1 - концентрация компонента в гидрофобизаторы, С2 - концентрация этого же компонента в керамике.
Распределение концентраций определяется дифференциальным уравнением диффузии для нестационарного случая и одномерной задачи:

gidrofobizacija-poverhon-14

где D1 - коэффициент диффузии компонента в гидрофобизатор; D2 - коэффициент диффузии компонента в керамике.

Начало координат находится в точке контакта двух тел.

Запишем краевые условия для поставленной задачи:

gidrofobizacija-poverhon-15

Решение задачи осуществляется методом, основанным на преобразовании Лапласа.

Уравнения (2) и (3) принимает вид

gidrofobizacija-poverhon-16

Постоянные А ты В находят из граничных условий (4), для чего их записывают так:

gidrofobizacija-poverhon-17

Величины А и В имеют значения:

gidrofobizacija-poverhon-18

где = D1/D2.

Отношение D1/D2 характеризует массо ведущие свойства первого тела относительно другого.

Действительные выражения для определения концентраций диффундирует чего компонента:

gidrofobizacija-poverhon-19

где erf Z - интеграл вероятности.
При t = 0 - значение величины erf равен 0, тогда концентрация компонента на плоскости соприкосновения равна:

gidrofobizacija-poverhon-20

Полученные уравнения позволяют определить распределение компонента гидрофобизатора или керамики во времени на соответствующей расстоянию от плоскости контакта двух тел.

С помощью разработанной модели диффузии, распределения составляющих элементов, глубины проникновения гидрофобизатора и распределения составляющих элементов рассчитали коэффициент диффузии ионов калия и кальция. Так при концентрации гидрофобизатора 3 мас.% D1 = 4,723·10-6 м2/с (для ионов калия) и D2 = 2,355·10-5 м2/с (для ионов кальция керамики). Повышение концентрации гидрофобизатора (10 мас. %) Уменьшает коэффициент диффузии ионов калия до D1 = 8,312·10-7 м2/с, а ионов кальция к D2 = 7,142·10-6 м2/с.

Вывод. Установленно возможность увеличения долговечности керамического кирпича за счет гидрофобизации ее поверхности метилсиликонатом калия. Экспериментально установлено оптимальную концентрацию гидрофобизатора (3 мас. %) Для получения удовлетворительных показателей водопоглощения и глубины проникновения компонентов вглубь обработанного материала. Разработана математическая модель взаемодифузии компонентов, что позволяет расчета процессов массопереноса в зоне контакта.

Читать похожую статью: "Защита и гидрофобизация поверхностей"


ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНСТРУКЦИЯ

pdf-icon IMPREGNAT DRY СРЕДСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ И ГИДРОФОБИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Литература
1. Поднебесный А.П., Новый гидроизоляционный материал на основе атмосферных полимеров / А.П. Поднебесный, Н.В. Савельева и др .// Вуд. Украина. 2008, №5. - С.30-32.
2. Лучко И.И. Экспериментальные исследования влажности и засоленности бетона и кирпичной кладки / И.И. Лучко, Б.В. Парное и др. / Вестн. Ед. гос. ак. д. и арх. 2005, №20. - С. 185-186.
3. Лучко И.И. Методы повышения корр. Устойчивости и долговечности бетонных и ж / б конструкций и сооружений / Лучко И.И., Глагола И.И., Назаревич Б.Л. / л: Каменщик 1999. - С. 10. 20.
4. Лучко И.И. Деградация ж / б зданий и сооружений длительной эксплуатации / И.И. Лучко // Диагностика долговечности и реконструкция мостов и строительных сооружений. Л.: Каменщик 2002. №4 - С. 123 - 132.
5. Такеляк А. Методы обессоливания каменных памятников // строим иначе. 2000. №5, С.30 - 33.
6. Силоченко С.В. Изменение поврежденности цементного камня в условиях многократного увлажнения и высушивания. / Силоченко С.В., Выровой, Дородкев А.В .// Вестн. Ед. гос. ак. д. и арх. 2005, №20. - С. 186-189.
7. Добренський И.М. Влияние кремнийорганической добавки ГКЖ-94 на свойства бетона / Добренський И.М., Никонец И.И. // Строительные материалы 2001, №4. - C. 31-32.


ПРЕЗЕНТАЦИЯ         NEW!

pdf-icon PUTZ-EC СРЕДСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВЫСОЛОВ И ОБНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
pdf-icon IMPREGNAT DRY СРЕДСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ И ГИДРОФОБИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

YouTube

   

В случае возникновения вопросов свяжитесь с нашими техническими специалистами.