Гидрофобизация. Теория и практика
Гидрофобизация. Теория и практика
Долговечность зданий и сооружений зависит от множества факторов, но наибольшее значение имеет уровень организации защиты строительных конструкций от агрессивного воздействия окружающей среды и, в первую очередь, влаги.
На практике применяются два принципиально разных способа решения этой задачи: гидроизоляция и гидрофобизация. Гидроизоляция предполагает создание на поверхности защищаемых конструкций слоя водо- и паронепроницаемого материала определенной (иногда весьма значительной) толщины или пропитку строительных изделий из пористых материалов органическим вяжущим, закрывающим поры. Принцип действия гидроизоляции хорошо известен, существует огромное количество публикаций, посвященных этому вопросу, поэтому мы подробно рассмотрим только второй метод.
Гидрофобизация - резкое снижение способности изделий и материалов смачиваться водой и водными растворами при сохранении паро- и газопроницаемости. Гидрофобные покрытия часто неправильно называют водоотталкивающими, т.к. молекулы воды не отталкиваются от них, а притягиваются, но очень слабо. Гидрофобные покрытия в виде мономолекулярных (толщиной в одну молекулу) слоев или тонких пленок получают обработкой материала растворами, эмульсиями или (реже) парами гидрофобизаторов - веществ, слабо взаимодействующих с водой, но прочно удерживающихся на поверхности. В качестве гидрофобизаторов применяют соли жирных кислот, некоторых металлов (медь, алюминий, цирконий и т.л.), катионо-активные поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также низко- и высокомолекулярные кремнийорганические фторорганические соединения.
Не вдаваясь в суть физико-химических явлений, происходящих в процессе намокания, приведем в качестве примера опыт с двумя капиллярами, погруженными в воду. По обычному капилляру (поры строительных материалов, капилляры древесины) вода, под действием сил поверхностного натяжения, поднимается вверх (иногда на десятки метров). В то же время из капилляров, стенки которых обработаны гидрофобизатором, вода, наоборот, "выталкивается". Чем тоньше капилляр, тем выше вода может подняться вверх, или "вытолкнуться" вниз.
Остановимся подробнее на наиболее эффективных, долговечных и технологичных составах на основе кремнийорганики (они же - силиконовые или силоксановые).
Все кремнийорганические соединения обладают сравнительно "рыхлой" структурой и не являются препятствием для проникновения одиночных молекул воды (материал "дышит"). Поверхностный углеродный слой начинает "работать" только в тех случаях, когда влага присутствует не в газообразной форме (пар), а в виде гораздо более крупных агломератов (капель и микрокапель), что визуально и выражается как "водоотталкивание".
В практике строительства чаще всего применяются силиконовые гидрофобизаторы (СГ) на основе:
•алкилсиликонатов калия;
•алкоксисиланов;
•гидросодержащих силоксанов;
•гидроксилсодержащих силоксанов (каучуки).
Только гидрофобизаторы первого типа (алкилсиликонатные) относятся к категории водорастворимых соединений. Следует учитывать, что эти СГ поставляются в виде высокощелочных (рН=14) растворов (содержание воды 50-60%, остальное - алкилсиликонаты калия со щелочью в соотношении = 1:1) и требуют соблюдения соответствующих мер предосторожности. Данный тип является самым дешевым и чаще всего применяется для обычной гидрофобизации на стадии производства строительного материала (вводится вместе с водой затворения). Использование составов первого типа для поверхностной гидроофобизации требует точного соблюдения рецептуры при разведении товарного концентрата до рабочей концентрации (не более 5% по основному веществу). В противном случае возможно появление высолов, обусловленное образованием на поверхности карбонатов и гидрокарбонатов.
Нередко под видом дешевого водоразбавляемого гидрофобизатора потребителю предлагают алкилсиликонат не калия (К), а натрия (Na). Казалось бы, какая разница? И калий, и натрий - щелочные металлы, да и алкилсиликонат натрия в растворе натриевой щелочи (NaOH) значительно дешевле.
Дело в том, что процесс гидрофобизации сопровождается образованием карбоната в результате взаимодействия отщепляемого щелочного металла с двуокисью углерода (углекислым газом). В случае наличия калия - просто карбонат (К2СО3), который частично закрывает поры материала, уплотняя его. При использовании же составов на основе алкилсиликоната натрия образуется карбонат (Nа2СО3). Карбонат натрия в дальнейшем присоединяет на каждую свою молекулу 10 молекул воды, образуя так называемый кристаллогидрат, который в процессе роста (стремясь обрести присущую ему форму) разрушает структуру окружающего материала. Проще говоря, при использовании алкилсиликоната натрия параллельно идут две конкурирующие реакции - гидрофобизации и разрушения.
Неквалифицированное применение этого капризного материала может привести к непредсказуемым, а подчас и плачевным результатам. Например, превышение концентрации алкилсиликоната натрия в рабочем растворе, скорее всего, вызовет образование неуничтожимых высолов и разводов на обработанной поверхности.
К сожалению, известны случаи, когда недобросовестный продавец (умышленно или по незнанию) предоставлял недостоверную информацию о химическом составе гидрофобизатора, поэтому рекомендуется подробно изучить оригинальное описание материала от производителя (а не переработчика или перефасовщика) и самостоятельно определить, подходит ли предлагаемый состав для решения конкретной задачи. Гарантией получения высоких результатов служит приобретение гидрофобизатора у официального представителя компании, производящей (а не перерабатывающей) силиконы. Остальные типы СГ лишены недостатков составов на основе алкилсиликоната, но отличаются повышенной стоимостью. Они поставляются в виде 100% основного вещества (реакционно-способного силикона), разбавляемого перед применением в 10-50 раз. По своей природе чистый силикон не совместим с водой и водными растворами, поэтому в качестве разбавителей применяются органические растворители: этиловый или изопропиловый спирты, уайтспирит, толуол, ксилол, бензин и т.п. Для того чтобы использовать в качестве разбавителя воду, указанные типы СГ переводят в эмульсионную форму (с концентрацией основного вещества 10-70%), но их проникающая способность при поверхностной гидрофобизации ниже, чем при обработке тех же поверхностей силиконовыми материалами на органических растворителях.
Технология применения силиконовых гидрофобизаторов
Поверхностная гидрофобизация. Предусматривает нанесение на обрабатываемую поверхность рабочего состава СГ (содержание активного вещества 2-10%), получаемого разбавлением концентрата (товарная форма). Нанесение осуществляется наиболее оптимальным для данного типа СГ и обрабатываемого материала способом: распылением, окунанием, поливом, кистью или валиком.
Объемная гидрофобизация. Может выполняться как на стадии производства строительного материала, так и путем принудительной пропитки готовых конструкций.
На стадии производства строительного материала СГ вводится вместе с водой затворения в количестве, как правило, 0,15% активного вещества от массы связующего (например, цемента).
Принудительная пропитка осуществляется методом инъекций (закачивания под давлением) через "шпуры". Просверленные в массиве уже сформированного материала или конструкции пропиточного раствора с содержанием основного вещества 0,1-1,0%. Максимальная эффективность и долговечность достигается при совмещении объемной и поверхностной гидрофобизации.
Условия, необходимые для эффективной гидрофобизации обрабатываемой поверхности силиконовыми материалами различного типа
•Тип 1. Необходимо наличие углекислого газа и воды для переводя основного вещества в активную форму. Побочный продукт протекающих процессов - карбонат (или гидрокарбонат) щелочного металла, остающийся в порах материала. Образует защитное покрытие как "подшиваясь" на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.
•Тип 2. Необходимо наличие паров воды для перевода основного вещества в активную форму. Побочный продукт химической реакции - пары спирта, улетучивающиеся через поры материала. Образует защитное покрытие как "подшиваясь" на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.
•Тип 3. Наиболее универсален. Проявляет максимальную активность при наличии в обрабатываемом материале гидроксильных групп (-ОН), которые присутствуют практически во всех строительных материалах. Образует защитное покрытие, "подшиваясь" на материал. Побочный продукт - крайне незначительное количество газообразного водорода, быстро улетучивающееся через поры материала.
•Тип 4. Для перевода основного вещества в активную форму необходимо присутствие специализированнх катализаторов и паров воды. Состав побочных продуктов зависит от типа используемого катализатора. Образует защитное покрытие как "подшиваясь" на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.
Дополнительные эффекты, обусловленные применением силиконовых гидрофобизаторов
Кроме основного эффекта (защита от намокания), СГ сообщают конструкционным материалам ряд весьма полезных дополнительных свойств:
•резкое повышение коррозионной стойкости и морозостойкости (как следствие остутствия намокания); повышение прочностных свойств, обусловленное тем, что в процессе гидрофобизации СГ выступает как дополнительный агент, укрепляющий структуру строительного материала;
•наличие определенных свойств ПАВ, присущих СГ типов 1 и 3, позволяет на стадии производства строительного материала (в частности, бетона) регулировать такие показатели, как подвижность, водопотребность, удобоукладываемость, зависимость
•пластической прочности от времени и воздухововлечение.
В частности, при производстве цемента введение указанных СГ перед стадией помола клинкера обеспечивает:
•при фиксированной производительности - повышение марки цемента;
•при фиксированной марке цемента - повышение производительности;
•приобретение антислеживающих свойств;
•значительное увеличение срока хранения и транспортировки (в т.ч. во влажной атмосфере);
•возможность выпуска гидрофобизированных цементосодержащих материалов (бетон, шифер, др.) без изменения существующей технологии производства.
Вышесказанное содержит хотя и достаточно общие, но несомненно полезные, практические рекомендации, которые позволят избежать грубых ошибок в процессе приобретения и использования гидрофобизирующих составов.
Все материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений (за исключением металла, стекла и сплошных пластиков), обладают (в большей или меньшей степени) пористой структурой. Наличие пор и капилляров позволяет конструкции "дышать", обеспечивая поддержание микроклимата, благоприятного для здоровья человека. Дело в том, что в квартире средний размеров в течение суток выделяется от 8 до 15 л взвешенных паров бытовой влаги (в результате пользования душем, ванной, кухонной плитой, стирки белья, полива цветов, а также естественного испарения влаги людьми, находящимися в данном помещении). Вся эта влага должна удаляться из помещения через вентиляцию или сквозь толщу ограждающих конструкций, что и происходит при наличии пор в строительном материале.
Вместе с тем, существование пор и капилляров ставит проектировщиков и строителей перед необходимостью позаботиться о гидрофобизации и гидроизоляции сооружения. В противном случае влага, попавшая в капиллярную сеть кирпича или бетона, начинает мигрировать по микропустотам, доставляя сплошные неприятности. Результат - не только мокрые стены, имеющие склонность к промерзанию (при увеличении влажности ограждающих конструкций зданий на 10-20% их теплоизоляционная способность снижается на 50%), плесень и лужи в подвале, но и вынос растворимых (и не очень) солей на поверхность стен.
Не стоит забывать, что соли, постоянно присутствующие в кирпиче или бетоне, сами по себе никакого вреда не причиняют. Все беды являются следствием движения воды в массиве стены и ее испарение с поверхности, сопровождающегося образованием белесых и (или) цветных солевых разводов - "высолов", появление которых говорит о начале коррозии строительного материала.
Итак, для появления высола необходимо наличие солей, воды и соответствующих погодных условий.
Соли
Высолы могут иметь самый непредсказуемый химический состав и самое разнообразное происхождение.
Соли присутствуют в строительном материале изначально. Например, многое определяется месторождением глины, из которой формуют кирпичи. Иногда, кроме традиционных кальциевых отложений, на стене обнаруживаются зеленоватые разводы солей меди, железа и даже ванадия. Чем именно "порадует" кладка, предугадать нельзя: высолы могут появиться как в процессе строительства, так и по прошествии нескольких лет эксплуатации дома.
Соли попадают в кирпич из кладочного раствора; их более чем достаточно в цементе и, соответственно, в бетоне. Кроме того, при строительстве в раствор вносят некоторые добавки, например, противоморозные (поташ, хлорид кальция, формиаты, нитриты, нитраты и т.д.), которые вполне могут заявить о себе в виде высола.
Соли могут образовываться (и образуются) в результате химической коррозии самого строительного материала при его химическом взаимодействии с дождевой водой, имеющей кислотную реакцию (рН<7).
Нередко соли поднимаются из почвы вместе с капиллярной влагой, Это происходит, если отсечная капиллярная гидроизоляция стен отсутствует или на справляется с напором грунтовых вод, которые всегда являются поставщиком солей. Состав такого высола определяется самыми разными факторами: характеристиками почвы, составом минеральных удобрений с ближайших полей или профилем работы местного химкомбината. Часто под данную застройку отдают территории бывшей городской свалки. Трудно даже предположить, что может выступить на фасаде в этом случае.
Вода
Влага может попасть в массив стены здания следующими путями:
•непосредственно из атмосферы (при косом дожде);
•из почвы по капиллярам и порам стены (в случае нарушения гидроизоляции фундамента и заглубленных частей здания);
•через кровлю (при нарушении гидроизоляции крыши).
Погода
В устойчивую жару или при затяжных дождях высолы не образуются. Наиболее интенсивно этот процесс протекает при изменении влажности или температуры, то есть в межсезонье. Именно при смене циклов насыщения и испарения все просчеты и нарушения проявляются в виде пятен высолов.
Даже если мокрые стены не покрываются пятнами и разводами, от преждевременного разрушения, вызванного физической и ли химической коррозией строительного материала, все равно никуда не денешься.
Физическая коррозия может быть вызвана:
•выщелачиванием материала в результате вымывания гидроксида кальция (извести), сопровождающегося возрастанием количества новых и увеличением объема существовавших в бетоне капилляров и пор;
•механической деструкцией, обусловленной замерзанием воды (с соответствующим увеличением объема и распирающим действием льда) в порах материала.
Химическая коррозия как результат взаимодействия составляющих материала с окружающей средой. Прежде всего это химические реакции между минеральными составляющими (в первую очередь, соединениями кальция - СаО, Са(ОН)2 и др.) и разнообразными "атмосферными" кислотами. Дождевые потоки захватывают из атмосферы большое количество газообразных производственных выбросов, таких как оксиды углерода, серы, азота и фосфора, аммиак, хлор, хлористый водород и т.п., которые частично растворяясь в воде, превращают дождь в кислотный раствор, состоящей из смеси Н2СО3, Н2SО3, Н2SO4, НNO2 и HNO3, а также целого ряда кислот Р и Сl. Эта агрессивная жидкость в буквальном смысле растворяет бетон, мрамор, силикатный кирпич и другие материалы с образованием тех же растворимых и малорастворимых солей. При этом увеличивается количество пор, капилляров и микротрещин, которые, в свою очередь, становятся новыми очагами агрессии, и скорость разрушения материала существенно возрастает.
Разрушение конструкционного материала в результате воздействия грунтовых вод обусловлено не только физическим вымыванием гидроксида кальция, но и накоплением в материале солей. Водно-солевая коррозия (особенно от действия хлоридов и сульфатов) приводит к образованию новых сильно гидратированных солевых структур сложного состава, существенно увеличивающих кристаллизационное давление. Так, например, NaCl реагирует с алюминатными минералами, компонентами цементного камня с образованием гидрохлоралюминатов, сульфаты грунтовых вод реагируют с трехкальциевым алюминатом
3CaO*Al2O3 с образованием объемной структуры
3CaO*Al2O3*3CaSO4*30H2O, что в итоге ведет к разрушению материала.
В ряде случаев наблюдается вспучивание материала в результате действия содержащегося в почве активного аморфного кремнезема SiO2, проникающего в бетон с грунтовой влагой. При этом образуются объемные водные гидросиликаты натрия nNa2O*mSiO2*xH2O, также способствующие коррозионному разрушению.
На основании вышесказанного напрашивается вывод гидрофобную защиту конструкционных материалов и покрытий необходимо выполнять уже на стадии строительства, не дожидаясь вынужденного ремонта и неизбежных дополнительных затрат на приведение внешнего и внутреннего вида объекта в соответствии с общепринятыми эстетическими нормами.
В заключение несколько слов о материалах, известных под названием "проникающая гидроизоляция".
Первоначально материалы этого типа ввозились по импорту. С течением времени некоторые отечественные фирмы освоили производство аналогичных продуктов, выйдя на рынок с формулировкой "не хуже, но дешевле".
Как эти материалы преподносятся потребителю (дословные цитаты из рекламных статей) и что за этим стоит?
"… образуют нерастворимые кристаллы, целиком заполняющие пустоты, поры и микротрещины. Молекулы воды в поры не проникают, но проницаемость для паров и воздуха сохраняется, т.е. бетон не теряет возможность "дышать".
Нерастворимых в воде кристаллов просто не существует. Сомневающимся предлагаю обратиться к "Курсу аналитической химии", термин - "произведение растворимости". Даже самые труднорастворимые соли все-таки имеют определенную (хотя и очень малую) растворимость в воде. При постоянном воздействии воды эти "нерастворимые кристаллы" неизбежно будут вымываться из любого гидрофильного материала, образуя на поверхности те же высолы.
Пары воды и являются молекулами воды, находящимися в газообразном состоянии. Неувязка какая-то. А если уж эти образующиеся кристаллы действительно "целиком заполняют пустоты, поры и микротрещины", то о какой паро- и газопроницаемости вообще может идти речь?
"… защищает бетон от воздействия кислот и щелочей, промышленных сточных вод, нефтепродуктов, морской воды, агрессивных грунтовых вод, карбонатов, хлоридов, сульфатов, нитратов, а также повышает морозостойкость бетона".
По описанию похоже на стекло. Хотя оно тоже, пусть и в значительно меньшей степени, подвержено коррозии под действием кислот и щелочей. До сих пор не существовало строительного материала, инертного к любым агрессивным воздействиям.
"… состоит из специального цемента высшего качества, заполнителей и наполнителей определенной гранулометрии, а также запатентованных активирующих добавок… . Гидроизоляционный эффект достигается реакцией химических компонентов, содержащихся в…, со свободным кальцием бетона. При нанесении его на влажную бетонную поверхность химические добавки под действием осмотического давления глубоко проникают в капилляры бетона. Эти добавки, кристаллизуясь, блокируют капилляры и трещины, при этом вытесняют влагу.
… При отсутствии влаги компоненты бездействуют. При появлении влаги компоненты автоматически начинают реакцию, и процесс гидроизоляции продолжается вглубь бетона. … В ряде случаев глубина проникновения может достигать до 90 см".
Утверждается, что эти чудодейственные добавки кристаллизуются при соприкосновении с водой и растут, заполняя пустоты. Но ведь это - описание образования кристаллогидратов. Причем здесь вытеснение воды, когда идет физико-химическое взаимодействие с ней?
О какой гидроизоляции может идти речь с помощью гидрофильного (водорастворимого) материала, который, так или иначе растворяется в воде? О чем и пишется - "химические добавки под действием осмотического давления (воды!) глубоко проникают в капилляры бетона".
"Таким образом, стена становится полностью водонепроницаемой с любого направления. Гидроизоляционный эффект со временем существенно усиливается, т.к. кристаллы продолжают расти вглубь и увеличивается их плотность".
Как гидроизоляционный эффект может усиливаться растущими гидрофильными кристаллогидратами, которые к тому же, в процессе роста будут разрушать уже сформировавшуюся структуру строительного материала! Гидроизоляция или есть, или ее нет.
Если рекламируемый материал действительно содержит некие химические добавки, которые при взаимодействии с компонентами бетона образуют труднорастворимые соединения, то возможно два варианта:
•кристаллы образуются "по месту" (в уже сформированной структуре бетона), причем их рост сопровождается разрушением бетона;
•химические добавки вымывают компоненты бетона, образуя новые поры и пустоты, а кристаллы растут в ранее сформированных порах материала, разрушая его.
Предлагаемый материал можно охарактеризовать как состав, использование которого позволяет снизить скорость фильтрации воды через поры легкого бетона за счет уплотнения его структуры. Но ведь этими свойствами в полной мере обладают тяжелые и виброуплотненные марки бетонов, которые и должны применяться при устройстве заглубленных деталей и конструкций. Использовать же такой материал действительно можно, но только в качестве временной меры перед проведением работ по нормальной гидроизоляции.
Термин "гидроизоляция" подразумевает защиту материала от воздействия воды путем создания на его поверхности водонепроницаемого слоя. Нам же предлагается нечто, не придающее строительным материалам ни гидрофобных, ни гидроизоляционных свойств, материал по-прежнему остается гидрофильным, хотя намокает значительно медленнее.
На основании огромного количества рекламных статей, посвященных этому "феномену", складывается такое впечатление, что реклама рассчитана на людей, не обладающих критичным взглядом. Поэтому призыв к архитекторам, строителям и тем, кто пользуется плодами их труда: будьте осторожны и предусмотрительны в выборе строительных материалов и технологий.
