Гидрофобизирующие добавки

Содержание статьи

• Разрушение бетона от воздействия влаги
• Свойства и критерии гидрофобизирующей пропитки
• Добавки на основе эпоксидных смол
• Добавка - аддуктовый отвердитель
• Показатели и критерии гидрофобизирующих добавок в бетон

Актуальной проблемой при использовании бетона и кирпича является их гидроизоляционное покрытие. Это связано с деструктивным влиянием влаги на строительные объекты и материалы. Перепады во влажности воздуха, повышенное, или пониженное содержание воды и ее паров в окружающей среде могут привести к ряду нежелательных последствий.

К ним относятся:

1. Нарушение структуры материала
2. Снижение его прочности
3. Высаливание, и как следствие ухудшение внешнего вида строения
4. Ухудшение термоизоляции здания
5. Грибковое заражение. Плесневые грибы, выделяя органические кислоты, интенсифицируют процессы разрушения бетонных конструкций, а также вызывают аллергические реакции у людей и животных, повышают их восприимчивость к вирусным и бактериальным заболеваниям, и распространяют свои споры внутри помещения, приводя к порче продуктов питания и мебели

Разрушение бетона влагой

Бетон и кирпич характеризуются высокой пористостью, вследствие чего вода легко проникает внутрь за счет действия капиллярных сил.

Негативное воздействие влаги на строительные конструкции носит двоякий характер.

1. Непосредственное влияние воды на прочность строительных материалов. Попавшая в бетон вода при снижении температуры расширяется, давление внутри бетонных конструкций при этом может достигать 200 МПа. Из-за этого в глубоких слоях бетона образуются микротрещины, что ведет к снижению прочности строительных материалов. Кроме того, нарушения в структуре бетона приводят к проникновению влаги внутрь сооружений, оказывая разрушительное действие уже на штукатурку и декоративные элементы.
2. Влияние растворенных в оде солей на бетон. Хлориды и сульфаты реагируют с гидроксидом кальция и алюминатами бетона, что приводит к образованию крупных кристаллов сложного состава. Это повышает кристаллизационное давление внутри бетона, и, следовательно, снижает его прочность. Водно-солевая коррозия также разрушительна для лакокрасочных покрытий: из-за нее происходит вымывания пигментов и разрушение слоя краски, что снижает атмосферостойкость конструкций и ухудшает их внешний вид.

Гидрофобизирующая пропитка

Защиту от влаги целесообразно предусмотреть еще на стадии проектирования строительных конструкций и создания цементных смесей. Однако далеко не всегда этого удается достичь. В практике для усиления строительных композиционных материалов используют армирование на основе стекло-, арамидных и углеродных волокон.

Следует отметить, что арамидные волокна имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклянные - относительно низкий модуль упругости, что ограничивает их применение.

Углеродные волокна обладают повышенными параметрами физико-механических характеристик:

• высокой прочностью на растяжение,
• сжатие,
• модулем упругости, близким к стали и в последнее время нашли успешное применение.

 Тем не менее, более эффективными считаются методы гидрофобизации бетона.

Существуют два подхода для придания бетону гидрофобизирующих свойств:

1. Способы, изменяющие структуру бетона
2. Методы, сохраняющие эту структуру

Ко второй группе относится и пропитка (инъекция) бетона гидрофобизирующими добавками, примером которых могут служить водные дисперсии эпоксидных смол.

Критериями эффективности гидрофобизирующих свойств бетона являются:

• Способность поглощать влагу
• Действие капиллярных сил
• Впитывание гидрофобизирующих составов
• Изменение краевого угла смачивания
• Проникновение паров воды
• Стабильность гидрофобизирующего эффекта

В настоящее время производители гидрофобизирующих составов для бетона предоставляют потребителю широкий ассортимент своей продукции.

При выборе гидрофобизирующих добавок следует учитывать следующие факторы:

• Экономичность
• Технологичность и возможность механизации процесса нанесения
• Опыт использования на аналогичных объектах
• Стабильность материала при эксплуатации
• Возможность использования с другими изоляторами
• Устойчивость к химическим, биологическим, радиационным факторам
• Степень сцепления с защищаемой поверхностью
• Взаимодействие с вышележащим слоем

К новому поколению водно-дисперсионных систем с гидрофобизирующими свойствами относятся составы на основе эпоксидных смол.

Гидрофобизирующие добавки на основе эпоксидных смол

Водные эмульсии эпоксидных смол представляют собой гидрофобизирующие жидкости низкой вязкости. Их дисперсия состоит из ультрамикроэмульсии (с размером частиц от 1 до 10 нм) и макроэмульсии (с частицами около 100нм), что позволяет проникать этим составам в микротрещины и самые мелкие поры цементного камня.

Другой характеристикой этих гидрофобизирующих добавок является их безусадочность, что позволяет минимизировать и устранить дефекты бетонных конструкций, полученные из-за водно-солевой коррозии.

Чтобы повысить качество эпоксидных дисперсий в них добавляют различные модификаторы, которые главным образом увеличивают механическую прочность гидрофобизирующих составов.

Гидрофобизирующий состав:

• Алкоксисиланы
• Эластомеры
• Каучуки
• Фуллерены
• Нанотрубки
• Наноалмазы

Жизнеспособность гидрофобизирующих эпоксидных добавок в значительной мере зависит от их состава и колеблется от 20 до 100 минут. Максимальный предел рабочих вязкостей опытных композиций достигает ~40-50 Па с.

Время жизнеспособности, твердость, степень адгезии и время отвердевания могут меняться за счет внедрения вышеперечисленных модификаторов. Кроме того, способность пленок к поглощению влаги при экспозиции их в условиях повышенной влажности более 180 ч в после обработки гидрофобизирующим составом снижается до 2-2,5 %, по сравнению с 3,6 % без них.

Аддуктовый отвердитель

Для оценки эффективности гидрофобизирующих добавок на основе эпоксидных смол необходимо знать время их застывания. Оно зависит от вида отвердителя и от его концентрации. Показателями процесса отвердевания являются содержания гель-фракции и время полной стабилизации системы.

Содержание нерастворимой фракции после 2 суток применения эпоксидного гидрофобизирующего состава может варьировать от 45-75%, а время полной стабилизации колебаться от 7 до 12 суток в зависимости от применяемого отвердителя.

Современные спектрофотометрические методы исследования позволяют оценить степень отвердевания гидрофобизирующих составов на основе эпоксидных смол. Такой анализ базируется на том, что эпоксигруппа имеет максимум поглощения в области 910 нм, следовательно, высота пика и площадь под ним могут дать количественную оценку процессу отвердевания опытных образцов с большой точностью.

Конечная твердость гидрофобизирующих эпоксидных композиций составляет 0,29-0,38 отн.ед., и также, как и время стабилизации определяется главным образом отвердителем.

Общепринято, что формирование полимерной сетки из мономеров эпоксидной смолы происходит за счет разрушения химических связей в циклической структуре мономера, что приводит к отвердеванию смолы. В случае же введения в эту систему аддуктового отвердителя, по-видимому, запускается еще одни процесс. Что это за реакции пока неизвестно, но можно с уверенностью сказать, что этот процесс связан с поглощением тепла, которое выделяется при деструкции эпоксидных циклов.

Аддуктовые (т.е. добавочные) отвердители также определяют такие важные свойства гидрофобизирующих составов, как прочность образованной пленки, адгезия с бетоном, влагоемкость и гидрофобность. Их применение приводит к увеличению прочности гидрофобизирующих пленок почти в 4 раза, прочности – в 1,5 раза, адгезии с бетонной подложкой – в 1,7 раза. При сочетании в эпоксидных композициях нанокристаллических структур и аддуктовыхие отвердителей наблюдается снижение влагоемкости материалов с практически полным ее нивелированием в течение нескольких суток.

Таким образом, применение гидрофобизирующих составов на основе эпоксидных смол, модифицированных аддуктовыми отвердителями, решает целый спектр проблем, связанных с защитой строительных конструкции от действия избыточных количеств воды.

Гидрофобизирующие добавки в бетон

Таблица. Показатели основного эффекта действия и критерии эффективности добавок.

Классы и подклассы добавок	Основной эффект действия добавок в смесях, бетонах и растворах	Показатель основного эффекта действия добавок	Критерий эффективности добавок	Возможные дополнительные эффекты действия добавок
1 Добавки, регулирующие свойства бетонных и растворных смесей
1.1 Пластифицирующие 1.1.1 Суперпластифицирующие		Увеличение подвижности (при снижении прочности бетона и раствора не более чем на 5 %):		Замедление схватывания смесей и твердения бетонов и растворов в ранние сроки; увеличение расслаиваемости смесей; воздухововлечение; повышение деформаций усадки и ползучести бетонов и растворов
		- бетонной смеси	От П1 (ОК = 2÷4 см) до П5
		- растворной смеси	От Пк1 (Пк = 2-4 см) до Пк4
1.1.2 Пластифицирующие	Пластификация смесей	Увеличение подвижности (при снижении прочности бетона и раствора не более чем на 5 %):
		- бетонной смеси	От П1 (ОК = 2÷4 см) до П2-П4
		- растворной смеси	От Пк1 (Пк = 2 - 4 см) до Пк2 - Пк3
1.2 Водоредуцирующие 1.2.1 Суперводоредуцирующие	Снижение водопотребности смесей	Уменьшение количества воды затворения	Более 20 %	Снижение расслаиваемости смесей и проницаемости бетонов и растворов; повышение прочности, морозостойкости и коррозионной стойкости, снижение деформаций усадки и ползучести бетонов и растворов
1.2.2 Водоредуцирующие			От 7 % до 20 %
1.3 Стабилизирующие	Снижение расслаиваемости смесей	Снижение раствороотделения и/или водоотделения смесей	В 2 раза и более	Повышение водоудерживающей способности и однородности, улучшение перекачиваемости, замедление схватывания, изменение удобоукладываемости смесей; повышение однородности, замедление твердения бетонов и растворов
1.4 Регулирующие сохраняемость подвижности	Изменение времени сохраняемости подвижности смесей	Увеличение или снижение времени сохраняемости первоначальной подвижности смесей	В 1,5 раза и более	Изменение кинетики нарастания прочности и тепловыделения бетонов и растворов; образование высолов
1.5 Увеличивающие воздухо- (газо) содержание Воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие	Вовлечение воздуха, газовыделение	Увеличение объема воздуха (газа) в смесях тяжелых и мелкозернистых бетонов и растворов	На 2%-6%	Изменение подвижности, снижение расслаиваемости смесей; повышение коррозионной стойкости и морозостойкости, изменение водопоглощения и водонепроницаемости, снижение прочности бетонов; снижение плотности и теплопроводности легких и ячеистых бетонов
		Обеспечение требуемого объема вовлеченного воздуха (выделившегося газа) в смесях легких конструкционных бетонов	От 1,5 до 6 %
		Потери вовлеченного воздуха (выделившегося газа) от его общего количества	≤ 10%
		Обеспечение требуемого объема вовлеченного воздуха в смесях легких конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных бетонов	Свыше 6 % до 30 %
		Потери вовлеченного воздуха от его общего количества	< 20 %
		Обеспечение требуемого объема вовлеченного воздуха (выделившегося газа) в ячеистобетонных смесях	От 15% до 90%
		Обеспечение значения коэффициента использования порообразующей добавки	≥ 0,7
2 Добавки, регулирующие свойства бетонов и растворов
2.1 Регулирующие кинетику твердения				Повышение электропроводности смесей, бетонов и растворов; увеличение скорости тепловыделения бетонов и растворов; образование высолов
2.1.1 Ускорители	Ускорение процесса твердения бетонов и растворов	Увеличение прочности бетонов и растворов:
		- в возрасте 1 сут нормального твердения	На 30 % и более
		- после тепловлажностной обработки	На 20 % и более
2.1.2 Замедлители	Замедление процесса твердения бетонов и растворов	Снижение прочности бетонов и растворов в возрасте 1, 2 или 3 сут нормального твердения при снижении прочности в возрасте 28 сут не более чем на 5 %	На 30 % и более	Повышение подвижности смеси и ее сохраняемости; снижение скорости тепловыделения бетонов и растворов
2.2 Повышающие прочность	Повышение прочности бетонов и растворов в проектном возрасте	Увеличение прочности бетонов и растворов в проектном возрасте	На 20 % и более	Снижение проницаемости, повышение коррозионной стойкости, снижение усадки и ползучести бетонов и растворов
2.3 Снижающие проницаемость	Снижение проницаемости бетонов и растворов	Увеличение марки бетонов и растворов по водонепроницаемости	На 2 марки и более	Изменение удобоукладываемости смесей; увеличение прочности, повышение коррозионной стойкости и морозостойкости бетонов и растворов и их защитного действия по отношению к стальной арматуре
		Снижение коэффициента диффузии	В 10 раз и более
2.4 Повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре (ингибиторы)	Усиление защитного действия бетонов и растворов по отношению к стальной арматуре	Отсутствие коррозии арматуры	Плотность тока пассивации стали не более 10 мА/см2 при потенциале + 300 мВ	Увеличение подвижности смесей; снижение проницаемости, увеличение электропроводности бетонов и растворов
2.5 Повышающие морозостойкость	Повышение стойкости бетонов и растворов в условиях многократного попеременного замораживания и оттаивания	Повышение морозостойкости бетонов и растворов	На 2 марки и более	Снижение плотности, изменение прочности, проницаемости и водопоглощения бетонов и растворов
2.6 Повышающие коррозионную стойкость	Повышение коррозионной стойкости бетонов и растворов в условиях воздействия различных агрессивных сред	Увеличение стойкости бетонов и растворов по отношению:		Изменение технологических свойств смесей и физико-технических свойств бетонов и растворов
		- к коррозионно-активным средам	В 1,5 раза и более
		- к внутренней коррозии	Обеспечение деформаций расширения не более 0,04 %
2.7 Расширяющие	Получение безусадочных и расширяющихся бетонов и растворов	Компенсация усадки, обеспечение деформаций расширения бетонов и растворов	Обеспечение деформаций расширения 0,2 % и более	Снижение времени сохраняемости удобоукладываемости смесей; увеличение скорости тепловыделения, ускорение схватывания, снижение проницаемости, повышение прочности, коррозионной стойкости, морозостойкости и трещиностойкости бетонов и растворов
3 Добавки, придающие бетонам и растворам специальные свойства
3.1 Противоморозные		Набор прочности бетонами и растворами в возрасте 28 сут	30 % и более контрольного состава нормального твердения	Снижение времени сохраняемости удобоукладываемости смесей; повышение электропроводности бетонов и растворов; образование высолов
3.1.1 Противоморозные для «холодного» бетона и раствора	Обеспечение твердения бетонов и растворов при их отрицательных температурах
3.1.2 Противоморозные для «теплого» бетона и раствора	Обеспечение защиты смесей от замерзания на время от ее изготовления до укладки и подачи внешнего тепла		95 % и более контрольного состава нормального твердения
3.2 Гидрофобизирующие	Придание бетонам и растворам водоотталкивающих свойств	Снижение водопоглощения бетонов и растворов	В 2 раза и более	Снижение скорости тепловыделения, замедление скорости схватывания и твердения, снижение прочности, повышение морозостойкости и коррозионной стойкости бетонов и растворов
		Гидрофобизирующая способность добавки	По ГОСТ 10834