Long-term protection of building structures with sulfur-based nanoscale coatings

Longterm protection of building structures with sulfur-based nanoscale coatings by Massalimov I.A., Chuykin A.E., Massalimov B.I., Akhmetshin B. S., Urakaev F.H., Burkitbaev M.M., Mustafin A.G. is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Based on a work at .
Permissions beyond the scope of this license may be available at .

Longterm protection of building structures with sulfur-based nanoscale coatings by Massalimov I.A., Chuykin A.E., Massalimov B.I., Akhmetshin B. S., Urakaev F.H., Burkitbaev M.M., Mustafin A.G. is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Based on a work at .
Permissions beyond the scope of this license may be available at .

Задача создания надежных защитных покрытий, повышающих механические характеристики бетонных строительных конструкций (свай, мостов, арок перекрытий, тоннелей, лотков, водопропускных труб, колодцев, тротуарных и дорожных плит, бордюрных камней и др.), эксплуатирующихся в условиях воздействия атмосферных факторов и грунтовых вод, актуальна. Увеличение долговечности и надежности дорожных конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия механических и атмосферных факторов, обычно достигается применением различного рода модифицирования бетона [1], применения защитных пропиточных составов [2, 3]. Самым главным недостатком покрытий является недолговечность компонентов самих защитных покрытий. Во всех зданиях и сооружениях есть элементы конструкций, подверженные интенсивному воздействию влаги и грунтовых вод: фундаментные блоки,

APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES AND NANOMATERIALS • ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ подушки и плиты, сваи; цокольные и подоконные участки стен, парапеты, выступающие элементы фасадов (карнизы, пояски); плиты покрытия; лотки, колодцы, бордюрные камни, тротуарная плитка; арки, водопропускные трубы, элементы мостов и др. Для их защиты нельзя обойтись образованием тонкой пленки защитного покрытия на поверхности материала, а требуется применение составов, которые бы глубоко проникали глубоко внутрь материала и предохраняли его от проникновения воды при ее постоянном воздействии. В этих случаях используют различные связующие (полимерные, кремний-органические, жидкое стекло, расплав серы и пр.). Каждому из перечисленных материалов присущи недостатки. Например, органические и кремний-органические соединения, несмотря на высокую эффективность в начале срока эксплуатации, постепенно претерпевают деструкцию и теряют свои защитные функции. Таким образом, в настоящее время отсутствует универсальный метод, пригодный для обеспечения долговременной защиты строительных материалов от проникновения воды в условиях ее постоянного присутствия. Отчасти проблема решается пропиточными составами типа «Пенетрон», «Ксайпекс», «Гидротекс» и другие, они представляют собой гидроизоляционный материал глубокого проникновения для значительного увеличения водонепроницаемости и предотвращения капиллярного проникновения влаги через бетон. Их применение позволяет защитить бетон от воздействия агрессивных сред: кислот, сточных и грунтовых вод, морской воды. Обработанный бетон приобретает стойкость к воздействию карбонатов, хлоридов, сульфатов, нитратов и пр. Применение пенетрона и др. позволяет повысить показатели водонепроницаемости, прочности, морозостойкости бетона. Но их существенными недостатками, препятствующими широкому использованию на рынке РФ, является высокая стоимость.

В качестве средства долговременной защиты строительных материалов предлагается обработка поверхностей пористых строительных материалов новым серосодержащим составом [4, 5]. Разработанный пропиточный состав на основе серы обеспечивает защиту строительных материалов от атмосферных воздействий и агрессивных сред в течение длительного времени. Состав представляет собой серосодержащую жидкость, которая благодаря низкой вязкости при обработке проникает в поровую структуру материала на глубину более 1 см и при последующем высыхании создает в порах материала нерастворимое защитное покрытие [6].

Технология обработки элементов конструкций и изделий проста и доступна: как и большинство лакокрасочных материалов, они наносятся кистью, наливом, распылением, погружением при любых положительных температурах. Принципиальная новизна предлагаемого решения заключается в том, что гидрофобизация достигается применением материала неорганической природы – серы. Наличие серы в порах строительных 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 молекулы серы попадают в мельчайшие поры материала. На этапе сушки это вещество распадается и на поверхности пор образуется нерастворимый в воде (гидрофобный) слой элементной серы. Применение глубокой пропитки позволяет наряду с повышением прочности и морозостойкости, уменьшением водопоглощения существенно повысить стойкость к атмосферным факторам, химическую стойкость к кислотам, солевым растворам, нефтепродуктам. Минеральная природа покрытия обеспечивает его долговечность, а присущие элементной сере водоотталкивающие свойства предотвращают доступ воды в поры материала. Поверхности, обработанные предлагаемым составом, приобретают не только гидрофобные свойства, но также и ярко выраженные бактерицидные свойства, в результате предотвращаются процессы гниения и образования плесени. Состав не вымывается в условиях длительного контакта с водой, эффективен в качестве грунтовочного состава перед обработкой кремнийорганическими композициями и красками на основе растворителей.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Результаты исследований

Для иллюстрации возможностей предлагаемого метода защиты строительных материалов предлагаются следующие экспериментальные данные, полученные для материалов, испытанных в различных условиях. Так как основным направлением применения предполагается защита строительных конструкций, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия влаги, приводим результаты исследования влияния пропитки защитным составом на свойства различных видов пористых строительных материалов.

Из работ [7, 8] известно, что из полисульфидных растворов осаждаются наночастицы серы средним размером 20 нм, на рис.1а изображены наночастицы серы, наблюдаемые в зондовом микроскопе. Каких же размеров частицы серы осаждаются на стенках пор и капиллярных трактов пористых материалов из полисульфидных растворов? Определение разме-

APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES AND NANOMATERIALS • ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

a

б

в

50 мкм

Рис. 1. а – Изображение наночастиц серы из полисульфидного раствора, полученное с помощью зондового микроскопа; б – изображение скола бетона образца, обработанного полисульфидным раствором;

в – изображение наночастиц серы на поверхности скола бетона, полученное с помощью сканирующего мультимикроскопа

ров частиц проводилось путем исследования сколов образцов мелкозернистого бетона размером 2х2х2 см, пропитанных полисульфидным раствором в течение 4 часов при атмосферном давлении. На рис.1б видно, что области сколов, имеющие гидрофобное покрытие, имеют темный оттенок цвета. По периметру скола образца отчетливо видна область, в которую проник пропиточный состав и после высыхания образовал водоотталкивающий слой.

Для того чтобы проанализировать в проходящем свете характер частиц, было рассмотрено распределение полисульфидного раствора на стекле после высыхания. Анализ поверхности частиц на стекле под оптическим микроскопом со 100-кратным увеличением показал присутствие на поверхности сфери- ческих образований, напоминающих совокупность маленьких сфер (рис. 1в). Сторона квадрата, представленного на рис.1в, равна 400 микрон. Таким образом, полисульфидный раствор по мере высыхания дробится на множество сфер, которые распределены практически равномерно по поверхности. Аналогично происходит и формирование твердых частиц и в порах материалов. Из полисульфидного раствора, проникшего в мельчайшие капилляры пористого строительного материала, в процессе высыхания выделяются наночастицы серы, которые закрепляются на поверхности пор и дают гидрофобный эффект.

С помощью сканирующего мультимикроскопа построена 3-х мерная модель и установлено, что в результате обработки пористого материала на по-

Рис. 2. Изображение скола образца бетона: а) обработанного полисульфидным раствором; б) необработанного

APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES AND NANOMATERIALS • ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

Рис. 3. Влияние режима пропитки раствором полисульфида кальция на водопоглощение по массе (wм) образцов керамического кирпича: 1 – исходный (непропитанный); 2 – пропитанный раствором плотностью 1,18 г/см³; 3 – пропитанный раствором плотностью 1,25 г/см³; 4 – пропитанный кистью за три прохода раствором плотностью 1,18 г/см³;

5 – пропитанный кистью за три прохода раствором плотностью 1,25 г/см3

верхности пор и капиллярных трактов материала образуется покрытие из наночастиц серы (поперечный размер – 20–150 нм, высота – 2–10 нм) (рис. 2в), которое препятствует проникновению воды. Эти бляшки из наночастиц серы отчетливо видны на объемном изображении скола бетона, полученного с помощью сканирующего мультимикроскопа (рис.2а).

На рис. 3 приведена зависимость водопоглоще-ния по массе (wм) керамического кирпича от режима пропитки образцов. Обычно водопоглощение по массе непропитанного керамического кирпича составляет 14–16%. Образец, представленный на рис. 3, имеет значение w равное 15,4%. Водо-поглощение образца керамического кирпича, пропитанного раствором полисульфида плотностью 1,18 г/см3, равен 5,4%, таким образом, значение этого параметра уменьшилось в 2,82 раза. В результате пропитки раствором плотностью 1,25 г/см3 водо-поглощение образца снизилось до значения 4,5%, то есть уменьшилось в 3,5 раза.

Значительно снизить водопоглощение образцов позволяет нанесение раствора кистью. При использовании для обработки граней растворов плотностью 1,18 г/см3 и 1,25 г/см3 водопоглощение образцов составило 4,5% и 4,2% соответственно.

Результаты испытаний для образцов керамического кирпича, пропитанных полисульфидным раствором, показывают, что пропитка полным

Рис. 4. Влияние режима пропитки раствором полисульфида кальция на водопоглощение по массе (wм) образцов мелкозернистого цементного бетона: 1 – водопоглощение непропитанного образца; 2 – во-допоглощение образца, пропитанного погружением на 1 час; 3 – водопоглощение образца, пропитанного погружением на 4 часа; 4 – водопоглощение образца, пропитанного погружением на 24 часа; 5 – пропитка в вакууме в течение 0,5 часа; 5 – пропитка в вакууме в течение 4 часов погружением хорошо защищает стеновое изделие от проникновения воды. Эффективность защиты зависит от плотности раствора. Способ нанесения раствора кистью также позволяет эффективно защищать стены из керамического кирпича от проникновения воды.

Рассмотрим возможности метода защиты конструкций полисульфидными растворами на образцах мелкозернистого бетона с исходным водопо-глощением по массе 12,4%. На рис. 4 приведены данные испытаний для образцов мелкозернистого бетона, полученные при различных режимах обработки. В этом случае пропитка в течение 1 часа обеспечивает существенное снижение водопоглощения со значения 12,4% до 6,43%, обработка в течение 4 часов снижает водопоглощение до значения 4,6%. Пропитка в течение 24 часов позволяет снизить водо-поглощение до 1,4%, что является хорошим результатом, так как соответствует уровню водопоглощения тяжелого бетона.

Дальнейшее снижение водопоглощения можно обеспечить при пропитке образцов под вакуумом, в этом случае пропитка в течение 0,5 часа обеспечивает снижение водопоглощения образца до 0,75%, а выдержка под вакуумом в течение 4 часов – до 0,25%. Данные, приведенные на рис.4, показывают, что обработка мелкозернистого бетона пропиточным составом позволяет снизить его водо-

APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES AND NANOMATERIALS • ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

Таблица

Прочность на сжатие бетонных тротуарных плиток, пропитанных раствором полисульфида кальция

Наименование показателей Необработанный образец Плиты бетонные тротуарные «Волна» плотность раствора 1,1 г/см3 плотность раствора 1,23 г/см3 плотность раствора 1,28 г/см3 Номер серии плиток 1 2 3 4 Прочность бетона плит на сжатие, кгс/см² (ГОСТ 10180-2012) 465 478 496 482 поглощение до уровня, соответствующего тяжелому бетону, что приводит к повышению морозостойкости, водонепроницаемости и долговечности изделий и конструкций из мелкозернистого бетона и позволяет расширить область его использования при изготовлении дорожных изделий и конструкций, а также фасадных стеновых облицовочных изделий.

Результаты экспериментов по исследованию влияния пропитки полисульфидным раствором на прочность на сжатие натурных изделий (плитки бетонные тротуарные типа «Волна») приведены в табл. Испытания проводились при температуре 20оС, атмосферном давлении, пропитка длилась 4 часа. Средняя прочность первой серии (6 образцов) не-пропитанных бетонных плиток на сжатие составила 465 кгс/см². Обработка плиток серии № 2 раствором плотностью 1,1 г/см3 приводит к возрастанию прочности до 478 кг/см2. Обработка образцов серии № 3 раствором плотностью 1,23 г/см3 обеспечила повышение прочности до значений 496 кг/см2. Дальнейшее увеличение плотности пропиточного раствора не целесообразно, так как не приводит к повышению прочности бетонного изделия (серия № 4), из-за высокой плотности раствора, равной 1,28 г/см3, приводит к увеличению вязкости раствора, и он не проникает в самые мелкие капилляры бетона, что в конечном итоге приводит к снижению прочности. Таким образом, пропитка бетона раствором плотностью 1,23 г/см3 приводит к уплотнению его структуры, что проявляется в повышении прочности на сжатие бетонных плиток на 3–7%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании приведенных результатов можно сделать следующие выводы:

• 1.    При пропитке пористых строительных материалов полисульфидными растворами создаются условия их проникновения в самые тонкие капилляры и осаждения кристаллизующихся частиц на поверхности пор в виде наночастиц серы, тем самым обеспечивается гидрофобный эффект;

• 2.    Предложенный метод защиты строительных материалов является универсальным, может быть использован для бетонных изделий и конструкций, керамического кирпича, газобетона и других пористых материалов, обработка может быть осуществлена с помощью кисти, погружением, распылением при комнатной температуре аналогично технологии применения других лакокрасочных материалов, уровень защиты может регулироваться длительностью пропитки и количеством повторений процесса обработки [9–11].

• 3.    Практическое значение предлагаемого метода защиты бетонных и железобетонных конструкций и изделий, подвергающихся прямому воздействию подземных вод, заключается в том, что можно добиться водопоглощения по массе бетона в пределах 1–3 % и марки по водонепроницаемости W8-W10, при которых вода перестает фильтроваться через бетонную поверхность.

• 4.    Рассмотренный в данной статье метод перспективен для защиты внешних поверхностей кладки фасадов зданий из любых мелкоштучных стеновых изделий, а также стеновых и дорожных изделий из бетона. Кроме того, метод может быть использован для поддержания эксплуатационной надежности наружных стен и фундаментов существующих зданий и сооружений, требующих капитального ремонта.

APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES AND NANOMATERIALS • ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ