Керамический 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.

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.

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:

 

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

‌‌‌

где: Ме - Са, Mg и другие;

Х - SO₄^2-, СО₃^2- 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:

 

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:

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

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).

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.

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:

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:

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:

Решение задачи осуществляется методом, основанным на преобразовании Лапласа.

Уравнения (2) и (3) принимает вид

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

Величины А и В имеют значения:

где = D₁/D₂.

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

Действительные выражения для определения концентраций диффундирует чего компонента:

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

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

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!

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

---

В случае возникновения вопросов свяжитесь с нашими техническими специалистами.