Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы

В настоящее временя существует огромное количество различного рода защитных покрытий для строительных материалов, однако большинство из них сохраняют свои защитные свойства в течение достаточно короткого времени. Всем хорошо известна необходимость повторного окрашивания наружных поверхностей зданий вследствие разрушения слоя краски. Короткий срок службы подавляющего большинства окрашивающих материалов обусловлен тем, что в условиях атмосферных воздействий (дождь, снег, град, солнечная радиация, знакопеременные температуры) они быстро разрушаются [1]. В связи с этим проблема создания специализированных пропиточных составов, позволяющих поддерживать высокий уровень защитных свойств строительных материалов в течение длительного времени, является очень актуальной. Примером применения подобных составов является мономер (стирол, акриламид и др.), которым пропитывается обычный бетон, далее мономер полимеризуется в порах бетона, в результате чего суще-

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы ственно повышается прочность, водонепроницаемость, морозостойкость пропитанного бетона [2]. Недостатком этого метода является трудность проведения процесса пропитки, токсичность мономеров, а также достаточно высокая стоимость, ограничивающая его широкое применение.

Другим способом улучшения свойств строительных материалов является пропитка их расплавом серы. Изделие погружают в расплав, выдерживают определенное время и вынимают, в результате чего происходит (как и у полимербетонов) существенное повышение эксплуатационных характеристик [3, 4]. Факторами, ограничивающими широкое применение этого метода, являются сложность осуществления процесса пропитки при достаточно высоких (свыше 120оС) температурах, необходимость применения вакуумирования.

Наряду с двумя перечисленными способами долговременной защиты строительных материалов, в недавнем прошлом появились составы «Пенетрон», «Ксайпекс» и др. Суть применения этих составов заключается в следующем: при нанесении на бетон составы вступают в реакцию с материалом бетона, в результате чего в его порах образуются кристаллы. По прошествии определенного времени (несколько месяцев) часть порового пространства заполняется кристаллами. Это существенно увеличивает прочность и водоотталкивающие свойства бетона. Широкое распространение материалов этого направления ограничивается их относительно высокой стоимостью. Необходимо также указать, что эти материалы («Пенетрон», «Ксайпекс» и др.) предназначены лишь для одного типа строительных материалов – бетона.

В качестве средства долговременной защиты строительных материалов предлагается метод обработки пористых поверхностей строительных материалов серосодержащими составами [5]. Разработанные пропиточные составы на основе серы и технология обработки обеспечивают защиту строительных материалов от атмосферных воздействий и агрессивных сред в течение длительного времени, при этом метод представляет собой простой способ обработки элементов конструкций и изделий, – как и большинство лакокрасочных материалов состав наносится кистью, наливом, распылением, окунанием при любых положительных температурах.

Принципиальная новизна предлагаемого решения заключается в том, что гидрофобизация осуществляется с применением материала неорганической природы – серы. Наличие серы в порах строительных

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы материалов придает им водоотталкивающие свойства на длительное время, в отличие от органических лакокрасочных материалов. Оригинальность подхода заключается в том, что на стадии пропитки используется растворимое в воде вещество, в составе которого сера в молекулярной форме попадает в мельчайшие поры материала. Далее на этапе сушки это вещество распадается и на поверхности пор образуется нерастворимый в воде, гидрофобный слой элементной серы. Измерениями [6] на сканирующем мультимикроскопе СММ-2000Т (производства ОАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ», Москва, Зеленоград) установлено, что в результате обработки «АКВАСТАТ» на поверхности пор и капиллярных трактов материалов образуется покрытие из наночастиц серы (поперечный размер наночастиц серы от 20 до 150 нм, высота от 2 до 10 нм, см. рис. 1), которое препятствует проникновению воды.

Рис. 1. Изображения сколов: а – на образце, обработанном «АКВАСТАТ»; б – на образце, необработанном «АКВАСТАТ»

Для иллюстрации возможностей предлагаемого метода защиты строительных материалов предлагаются следующие экспериментальные данные, полученные для разных материалов, испытанных в различных условиях. Так как «АКВАСТАТ» предполагается использовать в основном для защиты строительных материалов, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия влаги, проведено исследование влияния пропитки этим составом на физико-механические харак-

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы теристики вибропрессованной бетонной плиты мощения размерами 203x102x60 мм3. Плита была обработана путем погружения ее на 4 часа в ванну с раствором «АКВАСТАТ», глубина пропитки при этом составила 25 мм. Для оценки коэффициента водопоглощения образцы плит погружали в воду на 2 часа. Из данных, приведенных в таблице 1, видно существенное уменьшение водопоглощения и возрастание всех важных эксплуатационных характеристик – морозостойкости, прочности, истираемости, ударной стойкости.

Данные по одно-, двух- и трехкратной пропитке составом «АКВАСТАТ» (при t = 20оС) образцов-кубов с ребром 2 см виброформованного цементного камня и цементно-песчаного раствора (состава 1:3), твердевших в нормально-влажных условиях в течение 28 сут, приведены на рис. 2. Они свидетельствуют о существенном увеличении прочности в результате пропитки. Причем максимальное изменение прочности наблюдается после первой пропитки, в дальнейшем прочность возрастает незначительно. В то же время существенные изменения водопогло-

Таблица 1

Физико-механические показатели вибропрессованной бетонной плиты мощения, обработанной путем погружения на 4 часа в раствор «АКВАСТАТ»

Физико-механические показатели вибропрессованной плитки	Плиты
	контрольные	пропитанные раствором серы
Прочность на сжатие, МПа	33,5	45,8
Упрочнение, %		37
Водопоглощение, % по массе	11,2	2,8
Снижение водопоглощения, %		75
Морозостойкость, число циклов	500	1140 и более
Повышение морозостойкости, раз	–	2,28
Истираемость, г/см2	0,6	0,4
Снижение истираемости, раз	–	1,5
Количество ударов до разрушения	141	410
Увеличение ударной стойкости, раз	–	2,9

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы щения образцов наблюдаются как в результате первой пропитки, так и в последующих. Полученные данные свидетельствуют о возможности регулирования уровня защиты материалов варьированием кратности обработки.

Рис. 2. Сравнительные показатели образцов (кубы 2х2х2 см) виброформованного цементного камня и цементно-песчаного раствора, пропитанного составом «АКВАСТАТ» за 1–3 цикла по 2 ч.:

• – образцы виброформованного цементного камня с водоцементным отношением ω = 0,25;

о - образцы цементно-песчаного раствора, ω = 0,50

В условиях циклического воздействия дождя важным показателем является накопление влаги в объеме материала. С этой целью были проведены испытания по кинетике водопоглощения непропитанных и пропитанных раствором «АКВАСТАТ» образцов тяжелого бетона, стеновых облицовочных полнотелых вибропрессованных бетонных блоков (190х90х390 мм), автоклавного газобетона, силикатного кирпича. На первом этапе водопоглощение измерялось для предварительно высушенных (исходных) образцов, затем эти же образцы пропитывались составом «АКВАСТАТ» в течение 4 часов при комнатной температуре. Образцы высушивались в течение трех суток, подвергались фронталь-

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы ному воздействию водой в течение 2 часов, затем измерялось их водопо-глощение (см. таблицу 2).

Данные, приведенные в таблице 2, указывают на эффективность использования предложенного метода защиты строительных материалов при эксплуатации их в условиях дождевания. Следует также отметить и универсальность предложенного метода, так он дает хорошие результаты для вибропрессованного и тяжелого бетона, а также для легкого газобетона и силикатного кирпича.

Таблица 2 Сравнительные показатели исходных и пропитанных «АКВАСТАТ» образцов тяжелого и вибропрессованного бетона, автоклавного газобетона, силикатного кирпича, подвергнутых фронтальному воздействию воды в течение 2 ч

Материал	Водопоглощение
	исходное	после пропитки
Тяжелый бетон класса В35, по прочности на сжатие и средней плотности 2350 кг/м3	0,62	0,18
Бетон вибропрессованный, класса В35, по прочности на сжатие и средней плотности 2450 кг/м3	0,34	0,11
Автоклавный газобетон класса В1,5, (марка М25), по прочности на сжатие и средней плотности 600 кг/м3	1,78	0,18
Силикатный кирпич марки 150, по прочности на сжатие и средней плотности 1830 кг/м3	1,63	0,32

Известно, что эффективность применения пропиточных составов глубокого проникновения существенно зависит от проникающей способности. Глубина проникновения пропитки во многом определяет степень защиты материалов от внешних (атмосферных и химических) воздействий. В связи с этим были проведены исследования глубины проникновения состава «АКВАСТАТ» при многократном нанесении его на бетонные образцы.

( к содержанию 3

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы

В таблице 3 приведены зависимости изменения веса образцов и глубины проникновения раствора в структуру цементного бетона от числа покрытий наносимых кистью. Глубина пропитывания определялась раскалыванием образцов. Из таблицы 3 очевидна высокая проникающая способность состава «АКВАСТАТ» - уже 6-кратное нанесение приводит к проникновению раствора на глубину более 10 мм. Исследованиями установлена также высокая проникающая способность состава «АКВАСТАТ» при обработке бетонных изделий путем их погружения.

Таблица 3

Результаты нанесения серосодержащего раствора кистью на 6 граней кубических образцов размерами 10x10x10 см

Вес образца, г	Число покрытий, раз	Изменение веса, г	Изменение веса, %	Глубина пропитки, мм
2228
2299	2	11	0,5	6,5
2305	4	17	0,76	9,8
2308	6	20	0,9	11,5
2310	8	22	1	12,7
2314	10	26	1,1	15,0

Обнаружено, что оптимальной длительностью пропитывания, с точки зрения глубины проникновения раствора в структуру тяжелого бетона, а также условий технологичности процесса, является продолжительность 4 - 5 ч. На основании проведенных исследований разработаны и рекомендованы для производственного использования режимы пропитки стеновых, дорожных и кровельных изделий предложенным пропиточным составом путем их полного погружения в ванну. Испытания показали, что расход пропиточного раствора в количестве 2 - 2,5 кг/м² достаточен для надежной и длительной защиты строительных изделий и конструкций от влияния атмосферных и химических факторов.

Предложенные пропиточные растворы могут быть использованы не только для обработки относительно небольших изделий методом погружения в ванну, но и для обработки кистью или пульверизато-

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы ром больших конструкций и элементов зданий (фундаменты, цоколи, полы и стены подвальных помещений и др.). Они могут применяться и для обработки поверхностей тоннелей, водостоков, свай и др., то есть поверхностей, часто соприкасающихся с водой или влагой. Их можно использовать в качестве самостоятельного защитного материала, в качестве грунтовки под краски на органических растворителях или под битумные покрытия крыш. Предложенные растворы можно наносить на неорганические составы, такие как побелка или силикатная краска, а также как и обычные лакокрасочные покрытия в условиях строительной площадки.

Достоинством применения водного раствора серы является то, что глубину и степень пропитки можно регулировать, меняя длительность, кратность пропитки и плотность раствора. Пропитка водным раствором серы цементных структур не вызывает дополнительных внутриструк-турных напряжений, приводящих к деструкции материала, так как в этом случае имеет место неполная кольматация порового пространства закристаллизованной серой. После обработки водным раствором серы в цементном камне всегда сохраняется резерв пористости, обеспечивающий паропроницаемость материала.

Предложенный метод защиты строительных материалов был применен на практике в ГУП «Башкиравтодор» для защиты бетонных элементов дорог. На рис. 3 представлен общий вид цеха по изготовлению различных изделий и их пропитке раствором «АКВАСТАТ». В цехе

Рис. 3. Изображение цеха по изготовлению и пропитке строительных изделий ГУП «Башкиравтодор»

проводилась пропитка лотков (рис. 4), водопропускных колец (рис. 5), колец колодцев (рис. 6), водопропускных труб (рис. 7) и железобетонных арок (рис. 8). Изделия устанавливали на специальную платформу, поднимали краном, погружали в специально приготовленную для этих целей ванну и выдерживали в ней в течение 4 ч. Затем изделия вынимали и сушили в естественных условиях в течение недели, например, во

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы

Рис. 4. Железобетонные лотки

Рис. 5. Железобетонные водопропускные кольца

Рис. 6. Железобетонные кольца колодцев

Рис. 7. Железобетонные водопропускные трубы

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы

Рис. 8. Железобетонная арка

Рис. 9. Автодорожный мост

дворе цеха, как это изображено на рис. 3. Пропитанные вышеуказанным способом водопропускные трубы и другие изделия впервые были использованы в 2003 г. на дорогах Республики Башкортостан. Мониторинг мест применения пропиточного раствора «АКВАСТАТ» показал, что в течение 7 лет эксплуатации ни одна труба не пришла в негодность. Результаты исследований указывают на эффективность применения состава для защиты бетонных изделий, эксплуатируемых в сложных климатических условиях.

В качестве еще одного примера применения пропитки «АКВАСТАТ» можно привести его использование ГУП «Башкиравтодор» для обработки дорожных элементов моста «Каменная переправа» через реку Белая (см. рис. 9), построенного в 2008 г. в г. Уфе.

Выводы:

• 1.    Обработка пропиточным раствором «АКВАСТАТ» приводит к увеличению морозостойкости и улучшению механических характеристик за счет образования в порах строительных материалов нано-размерного покрытия из частиц серы, обладающего высокой адгезией и химической стойкостью к воздействию воды и химических агентов.

• 2.    Предложенный метод доступен для широкого применения. Обработку строительных материалов можно проводить различными способами: погружением, кистью или пульверизатором при комнатной температуре. Степень защиты можно регулировать, меняя продолжительность и кратность обработки.

• 3.    Пропиточный раствор «АКВАСТАТ» обладает высокой проникающей способностью. Он проникает в мельчайшие поры и за счет этого и неорганической природы покрытия является эффективным и универсальным способом долговременной защиты.

• 4.    Пропиточный раствор «АКВАСТАТ» и гидрофобизирующие композиции на его основе универсальны, надежно снижают водопогло-щение не только бетона, но и других материалов – кирпича и газобетона. В связи с этим они весьма перспективны для защиты наружных поверхностей ограждающих конструкций зданий, дорожных бетонных и асбестоцементных изделий. Они могут использоваться для поддержания эксплуатационной надежности наружных стен старых зданий из силикатного и керамического кирпича, керамзитобетонных стеновых панелей.

• 5.    Предложенный метод может быть использован для защиты строительных материалов в ситуациях, когда изделия эксплуатируются в условиях статического воздействия воды. Для дорожного хозяйства - это водопропускные трубы, лотки, тоннели, мосты, бордюры, стоки; для промышленного и гражданского строительства - это фундаменты, подвалы, цоколи, крыши; для жилищно-коммунального хозяйства - это колодцы, теплотрассы и др.

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 55

к содержанию 1

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы

Резюмируя вышеизложенное, можно сказать, что использование «АКВАСТАТ» позволяет:

• □    существенно повысить долговечность строительных материалов и изделий и эксплуатационный срок возводимых и существующих зданий и сооружений;

• □    снизить затраты на эксплуатацию и ремонт зданий;

• □    создать комфортные условия эксплуатации помещений;

• □    сохранить исходный внешний вид и уменьшить степень загрязнения наружных поверхностей зданий и сооружений;

• □    предохранить помещение от образования плесени и грибков.

Таким образом, разработанный метод гидрофобизации универсален и эффективен в качестве способа защиты бетонных, кирпичных и др. конструкций, подверженных атмосферным воздействиям: влаги, знакопеременным температурам, солнечной радиации, биохимической деструкции.

И.А. МАССАЛИМОВ Долговременная защита строительных материалов покрытиями на основе наноразмерной серы