Гидроизоляционные составы для строительных конструкций, работающих в суровых климатических условиях и испытывающих техногенное воздействие

  Обеспечение герметичности зданий и сооружений от проникания воды и агрессивных жидкостей является актуальной инженерной задачей.
   Наиболее разрушительное воздействие на сооружение оказывает сочетание нескольких неблагоприятных факторов, особенно при циклическом их воздействии. Возникающие впоследствии химико-механические процессы в поровой структуре, вызывают внутренние напряжения и приводят к растрескиванию, выкрошиванию строительной конструкции и, как следствие, к нарушению ее прочности, снижению плотности, водонепроницаемости. Так, при замораживании и оттаивании водонасыщенного бетона или подобного ему материала разрушение происходит в результате фазовых превращений воды в порах. Образующийся лед увеличивается в объеме и создает механические напряжения, приводящие к микроразрушениям, которые, прогрессируя при циклическом воздействии, вызывают деструкцию материала. Если бетон будет контактировать и с водным раствором агрессивной среды, то деструктивные процессы будут идти быстрее вследствие дополнительной коррозии бетона.
   Существующие методы герметизации зданий и сооружений можно разделить на две группы: первичные и вторичные. Для первичной защиты в качестве гидроизоляции используются непосредственно ограждающие конструкции из бетона соответствующей водонепроницаемости. При вторичной защите производится дополнительная пропиточная, штукатурная, обмазочная гидроизоляция ограждающих конструкций.
   Сложность решения проблемы гидрозащиты бетона связана с его высокой степенью сорбции влаги из воздуха за счет капиллярной конденсации, т.е. образования жидкой фазы в смачиваемых жидкостью капиллярах, порах и микротрещинах бетона. По этой причине обмазочная штукатурная гидроизоляция имеет низкую адгезию к защищаемому материалу и со временем отслаивается.
   При разработке составов для гидроизоляции особое внимание было уделено уменьшению размеров капилляров и их смачиваемости.
   При условии обеспечения размеров капилляров, соизмеримых с молекулами жидкости, они будут надежно блокированы от проникания влаги, однако, при этом, оставляя конструкцию паропроницаемой для
   воздуха.
   Из уравнения Кельвина, устанавливающего связь между температурой фазового превращения и радиусом капилляра, в котором находится сорбированное вещество, применительно к воде следует, что чем меньше капилляр, тем больше может переохладиться находящаяся в нем вода, сдвигая точку фазового перехода системы “жидкость-лед”. Теоретически для пор диаметром 1,5–5 нм эта точка находится в пределах от   –60 °С до –30 °С. Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем выше морозостойкость. Для решения задачи по уменьшению размеров капилляров необходимо было разработать такие составы, которые, проникая в капилляры, вступали бы в реакцию с компонентами вяжущего с образованием кристаллов, уменьшающих размер капилляров.
   Теоретически и практически подобного эффекта можно добиться, используя специальные добавки. Их можно классифицировать на три основные группы:
-   добавки, реагирующие с компонентами вяжущего с образованием труднорастворимых соединений.
-   добавки, изменяющие растворимость вяжущего и не вступающие с ним в химическую реакцию.
-   добавки – центры кристаллизации.
   Для добавок первой группы характерно их участие в обменных реакциях и реакциях присоединения, в результате которых образуются труднорастворимые кристаллы, играющие роль микроагрегатирующих элементов структурного каркаса цементного камня.
   Добавки второй группы ускоряют процесс гидратации на ранних стадиях, увеличивая дисперсность – смещая кривую распределения пор и капилляров в сторону малых значений.
   Желательно, чтобы модифицирующие добавки в комплексе усиливали друг друга, и их действия носили эстафетный характер.
   В рецептуре герметиков “Акватрон”, созданных с учетом отмеченных принципов, компоненты оптимизированы не только по соотношению, по химическому, но и по физическому состоянию перед вводом их в смесь. Так, например, входящий в состав песок, в результате специальной механической и термической обработки превращается из инертного заполнителя в активный компонент, взаимодействующий с гидроокисью кальция, образуя стабильный гидросиликат кальция, который увеличивает прочность и адгезию герметика с защищаемой поверхностью.
   При подборе фракционного состава исходили из того, что увеличение удельной поверхности смеси ведет к росту ее активности, но в то же время к увеличению водопотребления и, как следствие, к снижению водонепроницаемости, морозостойкости.
   Значительно повышает потребительские характеристики использование в герметике метасиликата кальция (волластонит) с игольчатой структурой. За счет дополнительно образованного пространственного каркаса, на 25–30% увеличивается прочность на изгиб и растяжение, что ведет к повышению трещиностойкости и эрозионной стойкости поверхности, обработанной герметиком.
   В результате исследования разработан “Акватрон-6”, имеющий оригинальный состав компонентов, который в сочетании с технологией их переработки обладает двойным защитным действием:
   капиллярным, в результате глубокого проникания в поры изолируемого материала;
   бронируюшим, в результате образования на поверхности механически и химически прочного слоя.
   Эффект водонепроницаемости образуется за счет проходящей внутри структуры строительного материала реакции между компонентами герметика и компонентами защищаемого материала. Химические компоненты герметика глубоко проникают в бетон по капиллярам под действием осмотического (капиллярного) давления. В результате химических реакций образуются нерастворимые кристаллы игольчатой формы, которые заполняют капилляры и усадочные трещины, вытесняя при этом воду. Этот процесс происходит как по направлению, так и против давления воды (рис. 1).
   Установлено, что при использовании герметизирующих составов типа “Акватрон”, несмотря на увеличение плотности раствора, уменьшаются размеры капилляров, сохраняется паропроницаемость, способность высыхания после увлажнения.
   Представляет интерес зависимость снижения водопоглощения пористых структур, обработанных пенетрирующими герметиками, от времени эксплуатации. Наблюдения показывают, что с каждым последующим циклом воздействия влаги, водопоглощение уменьшается, происходит “самозалечивание” дефектных участков.
   Вероятно, это является следствием изменений фазового состояния воды, перехода ее из непрочного механически связанного состояния, при котором вода свободно мигрирует, в более прочное химически связанное. Одна часть воды расходуется на более глубокую гидратацию минерального связующего, другая часть переходит во внутрикристаллическое состояние.
   Как следствие, при эксплуатации действие герметика имеет эстафетный характер – как только возникает новый контакт с водой, возобновляется химическая реакция, и процесс уплотнения структуры материала развивается в глубину. Визуализация изменений структуры с использованием электронного микроскопа показывает игольчатые образования в капиллярах на глубине более 150 мм от нанесенного слоя герметика (рис.2).
   Это обеспечивает водонепроницаемость до 20 МПа, морозостойкость – F300.
   Следует отметить универсальность состава герметика – он может применяться не только как вторичная, но и как первичная гидроизоляция. При этом он вводится в состав бетона или раствора. В случае применения герметика в качестве добавки, водонепроницаемость и морозостойкость основного материала становятся такими же, как и при применении герметика в качестве покрытия.
   Герметик “Акватрон” предохраняет арматуру в железобетоне от коррозии, что подтверждено опытами с заформованной арматурой: в чистый бетон; в бетон, покрытый герметиком; в бетон с добавкой герметика. Хранение длительное время образцов в различных условиях (повышенная влажность, вода, 5%-ный водный раствор соляной кислоты) показало, что бетон, покрытый слоем герметика толщиной 20–25 мм, выполняет роль ингибитора коррозии арматуры наилучшим образом.
   Исследования, проведенные в различных агрессивных средах, показали, что герметик, используемый в качестве защитного покрытия, увеличивает стойкость защищаемого материала к кислым, щелочным растворам; обеспечивает непроницаемость нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо, трансформаторное масло). Заключениями НИИЖБ подтверждены высокая водостойкость (3 мм – 100 лет), защитные свойства герметика в кислой среде (рН > 3,0).
   Герметик прошел всестороннюю проверку в органах Санэпидемнадзора и сертифицирован для использования без ограничений, в том числе в хозяйственно-питьевом водоснабжении. В 1999 г. герметик прошел тщательную экспертизу ведущих институтов, таких как НИИ Мосстрой, НИИЖБ
   (г. Москва), Казанская государственная архитектурно-строительная академия и др. Герметик сертифицирован Госстроем России в Чехии. Комитетом перспективного развития города при Правительстве Москвы выпущены рекомендации по применению “Акватрона-6” для дорожного и подземного строительства (ТР 99-99, 101-99).
   Герметик был отмечен медалями на выставках: “Сибстрой - 2000” в г. Новосибирске, “Строительство и архитектура 2000”
   в г. Тюмени.
   Для герметизации активных протечек потребовалась разработка других герметиков с ускоренным набором прочности. В результате исследований освоен выпуск герметика “Акватрон-8” двух модификаций: “Акватрон-8Н” и “Акватрон-8Б”, в которых время “схватывания” потребитель может варьировать от 30 сек. до
   3 мин.
   Характеристики этих герметиков позволяют их использовать не только для ликвидации активных протечек, но и для заделки дефектов под водой, быстрого закрепления анкерных болтов и т.п.
   Сдерживающим фактором использования герметика “Акватрон-6” в качестве добавки в бетон и цементно-песчаные растворы является ее расход – 30–70 кг на кубометр и, как следствие, удорожание работ на 30–40%.
   Исследования по улучшению этих показателей привели к созданию более концентрированных герметиков. Так, разрабатываемой и осваеваемый и в настоящее время герметик “Акватрон-12” позволит почти в 100 раз уменьшить его содержание в растворе без ущерба для основных показателей водонепроницаемости и морозостойкости.
   Отмеченные выше показатели и относительно низкая цена герметиков, выпускаемых многотоннажным производством на ОАО “Полиэкс” (г. Бийск, Алтайский край), делает их более привлекательными по сравнению с другими видами гидроизолирующих материалов.
   Герметики достаточно широко используются в России, странах СНГ в различных климатических условиях на промышленных и гражданских объектах (как при ремонте старых, так и при сооружении новых): гидроэлектростанциях, очистных сооружениях, солевых ваннах металлургических комбинатов и т.п.
   Наибольшая эффективность использования герметиков, как показывает опыт, достигнута на объектах, где реализована система фирменного сопровождения: обследование объектов, экспериментальная проверка на образцах, обучение специалистов, поставка сертифицированного материала, гарантия качества.