gidrofobizacija-poverhon-1Керамічна цегла внаслідок високої відкритої пористості володіє значним показником водопоглинання, що приводить, при експлуатації приміщень у вологих умовах, до зростання теплопровідності та зниження морозостійкості. Для покращення вказаних характеристик та для збільшення довговічності таких матеріалів на даний час використовують метод додаткової обробки готових виробів та конструкцій гідрофобізаторами.

М.М. Гивлюд1, В.Б. Назаревич1, І.В. Маргаль1

1 Національний університет “Львівська політехніка”.

Постановки проблеми

Гідрофобізуючий засіб наносять на очищену поверхню пензлем, валиком або розпилювачем до моменту насичення матеріалу гідрофобізатором. При цьому вибір гідрофобізатора залежить від неоднорідності якісного та кількісного складу керамічної цегли, вологості середовища в якому експлуатується та кліматичних умов.

Аналіз останніх публікацій та досліджень
У якості гідрофобізаторів на даний час використовують розчини на основі етилсиліконату натрію (ГКЖ-10), метилсиліконатів натрію та калію (ГКЖ-11, ГКЖ-11К), поліетилгідросилоксану (ГКЖ-94), а також закордонні, що містять аналогічні силіційорганічні сполуки (Asolin – WS, Аквастоп – К, Ceresit CO – 81 та Типром М) [1, 2]. Глибина проникнення усіх гідрофобізаторів у силікатні матеріали практично не відрізняється, а водопоглинання виробів при цьому зменшується з 12,4 до 2,5%. Силіційогранічні солі натрію при тривалому контакті з водою та вуглецю (IV) оксиду під час процесу утворення гідрофобної плівки переходить у кристалогідрат (натрію карбонат з десятьма молекулами води), що створює внутрішній тиск на стінки капілярів цегли, внаслідок чого вони руйнуються. Метилсиліконат калію утворює кристалогідрат з двома молекулами води, який не руйнує, а тільки закупорює капіляри, сприяючи процесу гідрофобізації [6, 8].

Важливим фактором отримання високого гідрофобізуючого ефекту є процеси, які проходять на межі контакту гідрофобізатор – матеріал та залежать від взаємодифузії компонентів.

Мета роботи полягає у встановленні оптимальної концентрації гідрофобізатора при обробці цегляних конструкцій для збільшення їх довговічності та розробці моделі взаємодифузії компонентів у зоні контакту покриття – керамічний матеріал.

Результати досліджень
Досліджено залежність водопоглинання керамічного черепка від концентрації гідрофобізатора ГКЖ-11(К). Результати експерименту (рис. 1) вказують на те, що водопоглинання кераміки обробленої гідрофобізатором суттєво зменшується.

Мінімальне водопоглинання досягається при концентрації гідрофобізатора 3 мас. %, а потім частково зростає. Таке збільшення показника водопоглинання може бути пояснене тим фактом, що молекули гідрофобізатора, які знаходяться у надлишку, здатні частково переорієнтовувати водозахисну плівку та збільшувати її змочуваність, що робить її менш гідрофобною. Таким чином оптимальний показник водопоглинання кераміки із захисним водовідштовхуючим покриттям спостерігається при концентрації метилсиліконату калію (ГКЖ-11(К)) – 3 мас. % .

Досліджено вплив концентрації метилсиліконату калію на глибину проникнення гідрофобізуючого розчину, причому в якості розчинника використано воду та водноспиртовий розчин. Одержані результати (рис. 2.) вказують, що із збільшенням концентрації метилсиліконату калію його проникність знижується, незалежно від виду розчинника.

Отже глибина проникнення гідрофобізаторів, в якості розчинника яких, було використано воду та спиртово-водну суміш (30 : 70), при однакових концентраціях метилсиліконату кальцію є різною. Спиртово-водний розчин проникає глибше, в середньому на 0,4 мм, однак цієї величини не достатньо, щоб покрити витрати, пов’язані з різницею вартостей розчинника. Тому використання водо-спиртового розчинника є недоцільним.

gidrofobizacija-poverhon-3

Рис. 1. Залежність водопоглинання керамічного черепку від концентрації ГКЖ-11(К):
1 – водопоглинання кер. черепка після занурення у воду на 48 год; 2 - водопоглинання кер. черепка після занурення у воду на 3 год.

gidrofobizacija-poverhon-4

 Рис. 2. Залежність глибини проникання гідрофобізатора у керамічний черепок від концентрації ГКЖ-11(К)

Для підтвердження хімічної взаємодії між гідрофобізуючим агентом та поверхнею матеріалу були проведені порівняльні аналізи ІЧС для кераміки обробленої і не обробленої гідрофобізатором (рис. 3). Усі силікати поглинають в області ІЧ-спектру в діапазоні 1100-900 см-1, що проявляється у вигляді широкої, інтенсивної смуги в області 960, 1010, 1072, 1090 та 1140 см-1 для негідрофобізованої кераміки, та 960, 990, 1072 та 1090 для кераміки обробленої гідрофобізуючим розчином. В області 900-700 см-1 проявляються смуги поглинання, які відповідають груповим коливанням зв’язку Si – C (796 та 770 см-1).

Поглинання пов’язане з коливаннями груп Si – О, проявляються в інтервалі частот 1140 – 1056 см-1 (смуги при 1072, 1088 та 1142 см-1 для негідрофобізованої кераміки, та 1072, 1090 см-1 – для гідрофобізованого черепка) (рис. 3).

Не виявлено поглинання гідроксильних груп, бо відсутні смуги в області валентних та деформаційних коливань молекули води при ~ 1640 та 760 см-1, а зв'язок Si – О – К в області поглинання 460-467 см-1 відноситься до гідрофобізатора.

Наявність зв’язку – О – Si – О – Na, в області поглинання 392, 368, 300 см-1, які відсутні в спектрі звичайного керамічного черепка, доводять вірність припущення про наявність хімічної взаємодії між силікатною фазою та гідрофобізатором.

При обробці поверхні матеріалу метилсиліконатом калію гідрофобні метилполісилоксанові шари утворюються перш за все завдяки процесу карбонізації (взаємодії гідрофобізатору з вуглекислим газом повітря).

Водовідштовхуюча плівка утворюється таким шляхом досить повільно, а саме на протязі 24 – 48 годин. При цьому необхідно, щоб під час процесу формування гідрофобної плівки поверхня матеріалу сильно не зволожувалась. Також слід зазначити, що утворена поліметилсилоксанова плівка покриває усі частинки матеріалу з якими контактував розчин гідрофобізатору, зв’язуючи їх між собою, що призводить в свою чергу до деякого збільшення міцності обробленого матеріалу. Вище описані процеси відбуваються за наступною схемою:

gidrofobizacija-poverhon-5

 gidrofobizacija-poverhon-6

Рис. 3. ІЧ-спектри кераміки негідрофобізованої (1)
та покритої гідрофобізатором (2).

Крім реакції карбонізації, хімічний зв'язок гідрофобного покриття з поверхнею утворюється також завдяки процесам обміну метилсиліконату калію з мінеральними солями:

gidrofobizacija-poverhon-7

‌‌‌де: Ме – Са, Mg та інші;

Х – SO42-, СО32- та інші.

Метилсиліконат калію утворює важкорозчинні у воді сполуки майже з усіма водорозчинними солями кальцію, стронцію, барію, хрому, нікелю, кадмію, міді, свинцю, молібдену, ртуті та інших металів.

Завдяки наявності на поверхні груп Si – О – М (де M – Si, Mg, Ca, Al та інші) утворюється хімічний зв'язок Si – O – Si між поверхнею матеріалу та гідрофобізатором за такою схемою:

gidrofobizacija-poverhon-8

де: M – Si, Mg, Ca, Al та інші.

Відомо, що поверхня силікатних матеріалів при нормальних умовах є гідратована, за рахунок гідроксильних груп, хімічно зв’язаних з поверхневими атомами. При обробці таких поверхонь силіційорганічними гідрофобізаторами (метилсиліконатом калію), реакційноздатні групи останніх можуть взаємодіяти з поверхневими групами –ОН, утворюючи хімічно фіксовану плівку, яку схематично можна зобразити наступним чином:

gidrofobizacija-poverhon-9

Метилсиліконат калію відноситься до силіційорганічних сполук з трьома реакційноздатними групами, тому він здатен утворювати суцільну гідрофобну плівку  по усій поверхні  матеріалу, який обробляється.

gidrofobizacija-poverhon-10

поверхня

Також слід відзначити, що гідрофобність твердих поверхонь оброблених гідрофобізатором залежить від мікрорельєфу поверхні. Оскільки кераміка є шороховатою, це дозволяє гідрофобізатору створити більш надійний захист (рис. 4).

gidrofobizacija-poverhon-11

Рис. 4. Структура контактної зони гідрофобізатор (А) – керамічна цегла (Б)

Експлуатаційні властивості гідрофобізованих матеріалів суттєво залежить від процесів взаємодії в зоні контакту покриття – підкладка, фазового складу і вологості. У результаті контактної взаємодії на межі підкладка – покриття виникають нові фази та сполуки, які утворюють перехідні шари. Якщо перехідні шари утворились, то вони визначають міцність зчеплення гідрофобізатора з основним матеріалом.

Зміцнюючий ефект створюється за умови синтезу в зоні контакту більш міцних і стабільних фаз, механізм утворення яких залежить від виду підкладки та складу захисного покриття. На вказаній межі контакту можуть накопичуватись продукти взаємодії, які в окремих випадках приводять до відколювання покриття.

Концентраційні криві розподілу елементів будували за результатами електронно-зондового мікроаналізу. Розподіл деяких елементів в перехідному шарі має зустрічний характер. Компоненти покриття дифундують в матеріал підкладки і навпаки. Розподіл атомів відбувається в напрямку вирівнювання концентрацій елементів в системі.

Процеси дифузії компонентів проаналізовано за допомогою математичної моделі масо переносу в зоні контакту.

Систему гідрофобізатор – кераміка можна розглядати як таку, що складається з двох тіл із спільною поверхнею контакту фаз. Ці тіла можна розглядати як напівобмежені. Схему розподілу концентрацій дифундуючого компоненту в системі двох напівобмежених тіл зображена на рис. 5.

gidrofobizacija-poverhon-12

Рис. 5. Схема розподілу концентрацій компонента у двох твердих тілах

Дифузія для даної системи можлива лише в одному напрямку – з твердого тіла до іншого (цей напрям збігається з віссю Х). Таким чином спостерігається нестаціонарна дифузія в одновимірному концентраційному полі, для якого можна записати:

gidrofobizacija-poverhon-13

де С1 - концентрація компонента в гідрофобізаторі, С2 - концентрація цього ж компонента в кераміці.
Розподіл концентрацій визначається диференціальним рівнянням дифузії для нестаціонарного випадку й одновимірної задачі:

gidrofobizacija-poverhon-14

де D1 – коефіцієнт дифузії компонента у гідрофобізатор; D2 – коефіцієнт дифузії компонента у кераміці.

Початок координат знаходиться у точці контакту двох тіл.

Запишемо крайові умови для поставленої задачі:

gidrofobizacija-poverhon-15

Розв’язання задачі здійснюється методом, побудованим на перетворенні Лапласа.

Рівняння (2) і (3) набирають вигляд

gidrofobizacija-poverhon-16

Постійні А ти В знаходять з граничних умов (4), для чого їх записують так:

gidrofobizacija-poverhon-17

Величини А та В мають значення:

gidrofobizacija-poverhon-18

де = D1/D2.

Відношення D1/D2 характеризує масо провідні властивості першого тіла щодо другого.

Дійсні вирази для визначення концентрацій дифундую чого компонента:

gidrofobizacija-poverhon-19

де erf Z – інтеграл ймовірності.
При t = 0 – значення величини erf дорівнює 0, тоді концентрація компонента на площині дотику дорівнюватиме:

gidrofobizacija-poverhon-20

Отримані рівняння дають змогу визначити розподіл компонента гідрофобізатора або кераміки у часі на відповідній віддалі від площини контакту двох тіл.

За допомогою розробленої моделі дифузії, розподілу складових елементів, глибини проникнення гідрофобізатора та розподілу складових елементів розрахували коефіцієнт дифузії іонів калію та кальцію. Так при концентрації гідрофобізатора 3 мас.% D1 = 4,723·10-6 м2/с (для іонів калію) та D2 = 2,355·10-5 м2/с (для іонів кальцію кераміки). Підвищення концентрації гідрофобізатора (10 мас.%) зменшує коефіцієнт дифузії іонів калію до D1 = 8,312 ·10-7 м2/с, а іонів кальцію до D2 = 7,142·10-6 м2/с.

Висновок. Встановленно можливість збільшення довговічності керамічної цегли за рахунок гідрофобізації її поверхні метилсиліконатом калію. Експериментально встановлено оптимальну концентрацію гідрофобізатора (3 мас.%) для отримання задовільних показників водопоглинання та глибини проникнення компонентів вглиб обробленого матеріалу. Розроблено математичну модель взаємодифузії компонентів, що дає змогу розрахунку процесів масопереносу у зоні контакту.

Читати схожу статтю: "Захист та гідрофобізація поверхонь"


ТЕХНІЧНА ІНСТРУКЦІЯ

pdf-icon IMPREGNAT DRY ЗАСІБ ДЛЯ ЗАХИСТУ ТА ГІДРОФОБІЗАЦІЇ ПОВЕРХОНЬ

Література
1. Піднебесний А.П., Новий гідроізоляційний матеріал на основі атмосферних полімерів/ А.П. Піднебесний, Н.В. Савельєва та інш.// Вуд. України. 2008, №5. – С.30-32.
2. Лучко Й.Й. Експерементальні дослідження вологості та засоленості бетону і цегляної кладки / Й.Й. Лучко, Б.В. Парне та інш./ Вісн. од. держ. ак. буд. та арх. 2005, №20. – С. 185-186.
3. Лучко Й.Й. Методи підвищення кор. Стійкості та довговічності бетонних та з/б конструкцій і споруд/ Лучко Й.Й., Глагола І.І., Назаревич Б.Л./ Л.:Каменяр 1999. – С. 10. 20.
4. Лучко Й.Й. Деградація з/б будівель та споруд тривалої експлуатації/ Й.Й. Лучко // Діагностика довговічності та реконструкція мостів та будівельних споруд. Л.:Каменяр 2002. №4 – С. 123 – 132.
5. Такеляк А. Методи знесолення кам’яних пам’яток // будуємо інакше. 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.// Вісн. од. держ. ак. буд. та арх. 2005, №20. – С. 186-189.
7. Добренський І.М. Вплив кремнійорганічної добавки ГКЖ-94 на властивості бетону / Добренський І.М., Ніконець І.І. // Будівельні матеріали 2001, №4. – C. 31-32.


ПРЕЗЕНТАЦІЯ         NEW!

pdf-icon PUTZ-EC ЗАСІБ ДЛЯ ВИДАЛЕННЯ ВИСОЛІВ ТА ОНОВЛЕННЯ ПОВЕРХОНЬ
pdf-icon IMPREGNAT DRY ЗАСІБ ДЛЯ ЗАХИСТУ ТА ГІДРОФОБІЗАЦІЇ ПОВЕРХОНЬ 

YouTube

   

У випадку виникнення запитань зв'яжіться з нашими технічними спеціалістами.