Обеспечение эффективной гидрофобной защиты неорганических строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обеспечение эффективной гидрофобной защиты неорганических строительных материалов

05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

На правах рукописи

Ершова Светлана Георгиевна

Новосибирск 2006

Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Генцлер Ирина Валентиновна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Бернацкий Анатолий Филиппович

кандидат технических наук, доцент Копаница Наталья Олеговна

Ведущее предприятие - ОАО СибЗНИИЭП (г. Новосибирск)

Защита состоится «14» ноября 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.171.02 при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрине) по адресу: 630008, г. Новосибирск,8, ул. Ленинградская, 113, НГАСУ учебный корпус, ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «12» октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Н. Проталинский.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

гидрофобизация раствор керамический кирпич

Актуальность темы. Капиллярно-пористый характер неорганических строительных материалов ограждающих конструкций способствует проникновению внутрь грунтовой и атмосферной влаги, в результате чего их эксплуатационные свойства резко ухудшаются. Из многочисленных способов защиты наиболее эффективным, экономичным, экологически безопасным является поверхностная гидрофобизация водорастворимыми кремнийорганическими соединениями. С появлением водорастворимых гидрофобизирующих продуктов нового поколения - алкилсиликонатов калия, подтвердивших свою эффективность по сравнению с традиционными натриевыми гидрофобизаторами и эмульсиями, стала актуальной проблема отсутствия систематических исследований, которые бы обосновали назначение оптимальных технологических параметров гидрофобной обработки в зависимости от характеристик материала.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научных работ Министерства образования РФ по госбюджетной теме № 01.200.3 13595 (ЕЗН).

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных технологических параметров поверхностной обработки неорганических материалов ограждающих конструкций с различной поровой структурой растворами водорастворимых кремнийорганических соединений (на примере метилсиликоната калия) для обеспечения их эффективной гидрофобной защиты.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Систематизировать и оценить степень влияния технологических параметров поверхностной обработки капиллярно-пористых строительных материалов ограждающих конструкций водными растворами метилсиликоната калия на эффективность их гидрофобной защиты;

2. Установить взаимосвязь между характеристиками поровой структуры распространенных неорганических материалов ограждающих конструкций и оптимальными технологическими параметрами их поверхностной гидрофобизации;

3. Разработать экспресс-методики оценки материалов для назначения технологических параметров поверхностной гидрофобизации и оценки долговечности гидрофобной защиты;

4. Оценить технико-экономическую эффективность нового кремнийорганического гидрофобизатора - метилсиликоната калия в сравнении с известными водорастворимыми и органорастворимыми кремнийорганическими гидрофобизаторами;

5. Провести опытно-промышленную проверку результатов исследования.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что основным технологическим фактором, влияющим на проникновение раствора гидрофобизатора в обрабатываемый материал, является вязкость раствора, зависящая от концентрации активного вещества гидрофобизатора, при этом достигаемая глубина гидрофобизации связана с распределением по размерам пор в диапазоне радиусов 0,1-50 мкм в структуре материала.

2. Предложена классификация капиллярно-пористых неорганических материалов по содержанию в их структуре пор диапазона радиусов 0,1-50 мкм: материалы ячеистой структуры с преимущественным содержанием пор межячейковых перегородок в диапазоне 0,1-1 мкм (I группа) и материалы капиллярно-пористой структуры с преимущественным содержанием пор в диапазоне 0,1-1 мкм (II группа), 1-10 (III группа) и 10-50 мкм (IV группа).

3. Установлено, что обеспечивающий эффективную защиту расход гидрофобизатора зависит от адсорбционной активности поверхности пор и капилляров обрабатываемых материалов. При близких параметрах поровой структуры для обжиговых материалов эффективным является применение растворов более низких концентраций - 2-2,5 %, для безобжиговых материалов - более высоких концентраций - 4,5-5%.

4. Установлено, что при двухстадийной обработке цементных материалов плотной структуры растворами метилсиликоната калия разных концентраций обеспечивается 3-4 кратное увеличение глубины гидрофобизации по сравнению с обработкой раствором одной концентрации, что позволило предложить эффективную технологию гидрофобизации цементных материалов - обработка вначале раствором с меньшей концентрацией (2%), а затем раствором повышенной концентрации (4,5-5%).

Практическая значимость и реализация работы:

- определены оптимальные технологические параметры гидрофобной обработки и разработан технологический регламент гидрофобной защиты неорганических строительных материалов ограждающих конструкций водорастворимым гидрофобизатором метилсиликонатом калия;

- разработаны экспресс-методики оценки материалов для назначения технологических параметров поверхностной гидрофобизации и оценки долговечности гидрофобной защиты.

Апробация работы:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IV международном семинаре АТАМ «Строительные и отделочные материалы, стандарты XXI века», г. Новосибирск, 2001 г, на научно-технических конференциях НГАСУ, г. Новосибирск, 2000 - 2003 г., ТГАСУ, г. Томск, 2002 г, на семинарах в рамках международных выставок «Сибстройтех» в 2002, 2003 гг., «Стройсиб» в 2005 г (г. Новосибирск), «Стройкомплекс» в 2005 г. (г. Кемерово). Проекту, выполненному по теме диссертации, присужден диплом третьей степени на конкурсе грантов для аспирантов и молодых ученых НГАСУ (Сибстрин), проводимом совместно с администрацией Новосибирской области.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 10 работах, в том числе в журнале с внешним рецензированием («Известия вузов. Строительство»).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 122 наименований, содержит 143 страницы машинописного текста и включает 31 рисунок, 27 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показана их практическая значимость.

В первой главе (Гидрофобная защита материалов ограждающих конструкций рассмотрены существующие способы защиты материалов ограждающих конструкций от увлажнения, теоретические основы гидрофобизации строительных материалов.

Выполнен обзор видов кремнийорганических гидрофобизаторов, проанализирован опыт их использования, а также систематизированы факторы, влияющие на эффективность гидрофобной защиты.

Под эффективностью гидрофобной защиты для целей данного исследования понимается обеспечение значительного снижения водопоглощения поверхностью гидрофобизированного материала при сохранении данного эффекта под действием эксплуатационных факторов в течение длительного времени.

Эффективность гидрофобной защиты зависит от степени гидрофобизации поверхности материала и пор поверхностного слоя на необходимую глубину. Теоретические исследования известных физических зависимостей, описывающих процесс проникновения жидкости в поры материала, позволили систематизировать физические характеристики материала и контактирующей с ним жидкости и параметры поровой структуры материала, влияющие на процесс поглощения им жидкости, а также факторы, снижающие водопоглощение при модификации поверхности материала (рис. 1). Однако, так как реальные условия поверхностной гидрофобной обработки материалов отличаются от условий, описываемых известными зависимостями, необходимы систематические исследования, позволяющие с учетом особенностей технологии назначать оптимальные технологические параметры обработки в зависимости от особенностей состава и поровой структуры неорганических строительных материалов.

Известно, что капиллярное поглощение жидкостей обеспечивается порами с радиусом 0,1-50 мкм. Выдвинута гипотеза, что на процесс поверхностной гидрофобизации материалов, а, следовательно, и на эффективность гидрофобной защиты влияет распределение пор в этом диапазоне в структуре конкретного материала.

Во второй главе (Характеристика используемых материалов) приведены характеристики использованных в работе материалов и описаны методики их экспериментального исследования и изучения процесса и результатов поверхностной гидрофобизации.

Исследования проводились на широко распространенных неорганических строительных материалах местного промышленного производства и образцах, изготовленных в лабораторных условиях, различного состава и структуры: газобетон автоклавного твердения на известково-цементном вяжущем марок D400, D600 и D700, керамический кирпич (?m=1800-1850 кг/м3), пенодиатомитовые изделия (?m=500 кг/м3 и ?m=800 кг/м3), цементно-песчаный раствор (?m=1950-2020 кг/м3).

В качестве гидрофобизатора использовались водные растворы метилсиликоната калия (МСК) с концентраций активного вещества в растворе от 1 до 5 %. Экспериментально установлено, что при изменении концентрации водного раствора МСК от 1 до 5 % в наибольшей степени изменяется вязкость раствора (возрастает на 20,2 %, соответственно, с 1,04·10-3 до 1,25·10-3 Па·с), в то время как плотность и поверхностное натяжение растворов в этом диапазоне концентраций изменяются незначительно (возрастают на 2,8 и 3,1% соответственно). Поэтому именно вязкость раствора в наибольшей степени влияет на глубину проникновения раствора гидрофобизатора в поры обрабатываемого материала.

В качестве контролируемых технологических параметров гидрофобной обработки в исследованиях приняты концентрация раствора гидрофобизатора, расход рабочего раствора и активного вещества на единицу площади обрабатываемой поверхности. В качестве показателей результата гидрофобной обработки приняты водопоглощение при капиллярном подсосе (г/м2 поверхности материала) до и после обработки и глубина гидрофобизации поверхностного слоя материала.

Третья глава (Гидрофобная обработка пористых материалов) посвящена исследованию процесса гидрофобизации пористых материалов (на примере газобетона и пенокерамики со средней плотностью от 400 до 800 кг/м3).

Порометрическими исследованиями установлено, что при близких значениях общей пористости (от 65 до 80%) поровая структура исследованных газобетона и пенокерамики существенно различается, что определяет различия в кинетике поглощения ими воды и растворов гидрофобизатора. Для газобетона характерна условно-замкнутая ячеистая пористость (рис 2,в), при которой процесс поглощения воды и растворов МСК зависит от размера пор перегородок между крупными некапиллярными порами-ячейками.

Установлено, что наибольшая доля этих пор у исследованного газобетона находится в диапазоне радиусов 0,1-1 мкм (рис. 2, б).

Для образцов пенокерамики характерна преимущественно сообщающаяся пористость, при этом у образцов со средней плотностью 800 кг/м3 наибольший объем пор (до 90%) находится в достаточно узком диапазоне радиусов - 0,4-0,6 мкм (рис. 3, б), а в структуре пенокерамики со средней плотностью 500 кг/м3 присутствуют как поры 0,1-1 мкм (до 32%), так и поры более крупного диапазона радиусов 1-10 мкм (до 25 %) и 10-50 мкм (до 23%) (рис. 4, б).

Изучением кинетики поглощения воды и растворов МСК материалами с преобладающими в микроструктуре порами с размером 0,1-1 мкм при малом объеме капиллярных пор большего радиуса (газобетон и пенокерамика с ?m=800 кг/м3) установлено, что поры этого размера имеют ограниченную способность к капиллярному всасыванию, поэтому скорость проникновения в материал рабочих растворов низкая и не зависит от концентрации МСК (рис.2,а; 3,а). Следовательно, при непродолжительном контакте раствора МСК с поверхностью в процессе обработки невозможно обеспечить значительную глубину гидрофобизации. У газобетона она составляет 4-6 мм (главным образом, за счет гидрофобизации поверхностных ячеистых пор и незначительного количества более глубоко расположенных пор при проникновении раствора через тонкие поры межячейковых перегородок), для пенокерамики - 2,5-3 мм.

Таким образом, для материалов с преобладанием в микроструктуре пор с размером 0,1-1 мкм обеспечение эффективной гидрофобной защиты может быть достигнуто, главным образом, за счет максимально возможного снижения смачиваемости поверхности, то есть насыщения внешней поверхности материала и приповерхностных пор молекулами гидрофобизатора. Рассчитано, что расход активного вещества, обеспечивающий предельную концентрацию молекул гидрофобизатора на поверхности пор, составляет для газобетона (100-110)·10-4 г на 1 м2 поверхности пор, а для пенодиатомитовой керамики - (65-68)·10-4 г/м2. Различие в необходимом расходе гидрофобизатора для этих материалов связано с различной адсорбционной активностью поверхности пор безобжигового (газобетон) и обжигового (пенокерамика) материалов. Для обеспечения эффективной гидрофобной защиты газобетона рекомендуется использовать растворы МСК повышенной концентрации - 4-4,5 % (при расходе растворов 600-850 г/м2 обрабатываемой поверхности), для пенокерамики (?m=800 кг/м3) - растворы концентрации 2-2,2% (при расходе растворов 200-250 г/м2).

Исследование кинетики поглощения воды и растворов МСК пенокерамическими образцами с ?m=500 кг/м3 позволило установить, что при увеличении вязкости раствора (с ростом концентрации активного вещества) скорость его впитывания порами с радиусом от 10 до 50 мкм снижается, но она достаточно высока, чтобы даже при кратковременном контакте поверхности с раствором обеспечить значительную глубину проникновения раствора гидрофобизатора в объем материала, которая в данном случае составила 30-35 мм. Таким образом, при значительном содержании пор данного размера в структуре материала эффективность гидрофобной защиты обеспечивается повышенными концентрацией и расходом раствора гидрофобизатора, за счет чего достигается необходимая степень снижения смачиваемости пор на большую глубину слоя, чем для материалов с преобладанием пор с радиусами 0,1-1 мкм.

В четвертой главе (Разработка технологии гидрофобной защиты плотных материалов) отражены результаты исследования гидрофобизации керамического кирпича и цементно-песчаного раствора (со средней плотностью от 1800 до 2020 кг/м3).

Порометрическими исследованиями установлено, что для исследуемых материалов характерна сообщающаяся пористость, при этом у цементно-песчаных образцов сравнительно небольшой объем (7-12%) капиллярных пор находится в области 1-10 мкм, а до 50% от общего объема пор находится в диапазоне крупных капиллярных и некапиллярных пор - 10-50 мкм (рис.6,б; 7,б). В отличие от них у керамических образцов наибольший объем пор сосредоточен в диапазоне 1-10 мкм (рис. 5, б).

Данные по кинетике поглощения растворов и воды керамическими образцами позволили установить, что с увеличением концентрации растворов скорость их поглощения сообщающимися порами с радиусами 1-10 мкм снижается (рис. 5, а), но при этом обеспечивается достаточно глубокое проникновение в материал (20-28 мм).

Для цементно-песчаных растворов за счет более крупных капиллярных пор в структуре скорость поглощения растворов МСК почти в 2 раза выше, чем для керамики: соответственно за 1 мин поглощается 2-3,8 л/м2 и 1,3-1,8 л/м2 (рис. 5,а; 6,а; 7,а). При этом толщина гидрофобизированного слоя цементно-песчаного раствора определяется концентрацией раствора МСК: с ее увеличением от 1 до 5 % толщина гидрофобизированного слоя соответственно увеличивается с 1 до 4-5 мм. В процессе проникновения растворов МСК в цементно-песчаные материалы происходит интенсивная адсорбция из раствора активного вещества гидрофобизатора поверхностью пор поверхностного слоя, а в более глубокие слои материала поступает сильно обедненный раствор МСК. В результате адсорбции свойства раствора меняются и различие в скорости поглощения растворов разных концентраций несущественно (рис. 6,7, а).

Предельная концентрация молекул гидрофобизатора на поверхности порового пространства цементно-песчаных образцов обеспечивается расходом активного вещества около 3000 ·10-4 г на 1 м2 поверхности пор, что в 50-60 раз выше, чем для исследованного керамического кирпича. Это различие объясняется разной адсорбционной активностью поверхности пор обжиговых и необжиговых материалов. Экспериментально установлено, что для материалов, характеризующихся высокой адсорбционной активностью (цементные растворы и бетоны) и значительным содержанием в структуре пор диапазона 1-10 и 10-50 мкм эффективно использование растворов двух разных концентраций. Так, для цементно-песчаных образцов при последовательном нанесении раствора 2,5% концентрации, а затем 4,5% раствора толщина гидрофобизированного слоя составила 17 мм, что в 3,4 раза больше, чем при использовании раствора одной концентрации 5%.

Пятая глава (Исследование стойкости гидрофобной защиты при воздействии внешних эксплуатационных факторов) посвящена оценке стойкости гидрофобной защиты в натурных условиях и условиях ускоренных испытаний в лаборатории и разработке экспресс-методики оценки долговечности гидрофобной защиты и методике оценки материалов для назначения технологических параметров поверхностной гидрофобизации.

В основу экспресс-методики оценки долговечности гидрофобной защиты положен принцип моделирования в лабораторных условиях основных климатических воздействий, в результате которых происходит снижение гидрофобной защиты. Для циклических испытаний гидрофобизированных материалов предложена комбинация следующих видов воздействующих факторов: увлажнение-высушивание, замораживание-оттаивание, ультрафиолетовое излучение. Параметры факторов подобраны для климатических условий Западной Сибири. Сопоставление результатов испытаний в натурных и лабораторных условиях позволило установить, что 1 год эксплуатации гидрофобной защиты стенового материала в климатических условиях Западной Сибири соответствует 5 циклам ускоренных испытаний по предложенной методике.

Для практического использования на основании полученных закономерностей разработана методика оценки материалов в условиях строительной лаборатории для назначения технологических параметров поверхностной гидрофобизации водными растворами МСК. В основе методики находится взаимосвязь между водопоглощением при капиллярном подсосе и характеристиками поровой структуры капиллярно-пористых минеральных материалов.

Предложена классификация материалов по проникающей способности поверхностных слоев (таблица 1).

Таблица 1. Классификация капиллярно-пористых строительных материалов

* - водопоглощение при капиллярном подсосе за время Т

Для определения принадлежности материала к той или иной группе производится испытание на водопоглощение при капиллярном подсосе с построением графика кинетики водопоглощения, по которому определяется время Т от начала испытания до стабилизации процесса водопоглощения, о чем свидетельствует образование точки перегиба графика.

В шестой главе (Технико-экономическая эффективность применения оптимальных технологических параметров гидрофобной обработки) приведено технико-экономическое обоснование эффективности использования для поверхностной гидрофобизации растворов метилсиликоната калия в сравнении с традиционными водорастворимыми и органорастворимыми гидрофобизаторами (на примере тяжелого бетона).

В результате сравнительных испытаний установлено, что наиболее эффективную гидрофобную защиту обеспечивают органорастворимый алкилтриэтоксисилан и водорастворимый метилсиликонат калия. При этом затраты при использовании метилсиликоната калия в сравнении с алкилтриэтоксисиланом при поверхностной обработке 6-ти подъездного 10-этажного жилого дома (площадь поверхности около 5000 м2) ниже на 234 тыс. руб. Необходимо также учесть, что использование водорастворимого МСК не имеет отрицательных экологических последствий и пожаробезопасно, в отличие от органорастворимых кремнийорганических гидрофобизаторов. В приложении представлены результаты исследования пористости материалов, статистическая обработка результатов, акты внедрения, технологический регламент, экспресс-методика оценки долговечности гидрофобной защиты и оценки материалов для назначения технологических параметров гидрофобизации.