При гидрофобизации строительных материалов методом пропитки эмульсией гидрофобизирующего вещества возможны два механизма, которые можно охарактеризовать как плёночно-малопроникающий и плёночно-высокопроникающий. Эти механизмы обусловлены соотношением размеров пор и размеров молекул полимерного вещества. И тот и другой механизмы предопределяются также вязкостью гидрофобизирующего раствора или эмульсии. Чисто пленочный механизм поверхностной гидрофобизации, когда полимерное вещество не проникает в поровое пространство, например, покрытие расплавленным битумом. В силу жидкой вязкости битума и высокой молекулярной массой его, битум не проникает в капиллярные поры бетона. Для улучшения гидрофобизации битум растворяют в соответствующем растворителе (керосине, соляровом масле и др.). В этом случае раствор проникает лишь незначительно в крупные поры, а растворитель впитывается в более мелкие, мало гидрофобизируя стенки их. Из-за низкой степени гидрофобности плёночно-малопроникающий механизм проявляется, если молекулярная масса гидрофобизатора, а, следовательно, поперечный размер разветвленных предельных алифатических или карбоциклических молекул превышает размер основных пор на дифференциальной кривой распределения пор по размерам.
Стерические препятствия проникновению полимера уменьшаются при использовании полимеров с мало разветвленными цепными молекулами. В этом случае, начинает проявляться следующий плёночно-высокопроникающий механизм гидрофобизации. Молекулы гидрофобизатора, в данном случае, покрывают не только плёнкой изделия с поверхности, но и поверхность пор или кольматируют те поры, размер которых соизмерим с размерами молекул полимера. Естественно, что переход от одного к другому механизму связан с пористостью строительных материалов.
Если для бетонов, изготавливаемых при высоких В/Ц без суперпластификаторов доля капиллярных пор большого размера (от 1–10 мкм) велика, а в бетонах с суперпластификаторами со значительным снижением В/Ц отношения, поровое пространство представлено тончайшими капиллярами и контракционными микро- и макрокапиллярными порогами размерами с 0,01–1 мкм (Горчаков Г. И.), то один и тот же гидрофобизатор, в первом случае, может гидрофобизировать бетон по плёночно-высокопроникающему механизму, во втором, по плёночно-малопроникающему механизму. Примером проявления последнего механизма может служить пропитка высокоплотных бетонов — «реакционно-порошковых бетонов (Reaktionspulver beton — RPB или Reactive Powder Concrete — RPC» [1, 2].
Водопоглощение такого бетона составляет 4 % [3]. Пропитывая такой бетон толуольным раствором лака «ВВМ-М-7», нами было показано, что после снятия поверхностной пленки полимера водопоглощение по массе уменьшилось незначительно и составило 3,5 %. Это свидетельствовало о том, что достаточно тонкие капиллярные поры такого бетона не дают возможность крупным полимерным молекулам в растворе пропитывающей жидкости проникнуть внутрь, и гидрофобизатор, стремясь заполнить мелкие поры, встречая «препятствия», не диффундирует в тонкие поры. При этом гидрофобизируются более крупные поры материала и формируется пленка полимера на поверхности их. В данном случае проявляется механизм плёночно-малопроникающего действия гидрофобизатора с малым расходом его.
О кардинальном изменении гигрометрических свойств пористых материалов с различной пористостью после пропитки их гидрофобными жидкостями свидетельствует следующий эксперимент. Из молотого мрамора с удельной поверхностью 560 м2/кг при влажности 14 % прессовались образцы двух серий: при давлении 15 и 20 МПа. После выдерживания их в воздушно-влажностных условиях в течение 5 суток для образования стабильных кальцитовых контактов они высушивались при температуре 105ºС. Средняя плотность образцов первой серии составляла 1775 кг/м3, вторых — 1900 кг/м3. Затем образцы первой серии и часть образцов второй пропитывались раствором акрилового лака в толуоле в соотношении лак:толуол 1:7,5 в течение одних суток. Массопоглощение образцов первой серии раствора составляло 14,2 %, второй серии — 12,9 %. После сушки содержание сухого лака в образцах первой серии составляло 1,96 %, а второй — 1,7 % по массе. Условный расход сухого лака на единицу поверхности первой серии был — 142 г/м2, второй — 132 г/м2.
Рис. 1. Кинетика водопоглощения пропитанных лаком «ВВМ-М-7» образцов из молотого мрамора при циклическом «увлажнении-высушивании»
Для установления глубины проникновения гидрофобизатора с пропитанных образцов первой серии механическим способом снимался поверхностный слой толщиной 0,12 мм. Контрольные образцы второй серии лаком не покрывались. Негидрофобизированные и гидрофобизированные образцы, в том числе с удаленным поверхностным слоем подвергались водонасыщению в течение 56 суток. Кинетика водопоглощения представлена на рис. 2. Как следует из кинетики водонасыщения, негидрофобизированные образцы за 4 дня насытились до влажности 18,8 % по массе и, соответственно, до 36,5 % по объему и начали размучиваться в воде (рис. 1 а;б).
Гидрофобизированные образцы с первой серии с более низкой плотностью с удаленным поверхностным слоем поглотили через 56 суток 8,6 % воды, т. е. в 2 раза меньше, чем контрольные, что свидетельствовала о проникновении полимера на глубину более 0,12 мм. Еще более низкое водопоглощение — в 3 раза меньшее, по сравнению с негидрофобизированными образцами, получено у пропитанных образцов второй серии.
Рис. 2. Негидрофобизированный размучившийся в воде (слева) и гидрофобизированные (справа) образцы из прессованного порошка мрамора; а) — в процессе водонасыщения; б) — после водонасыщения
Для оценки сохранения гидрофобного эффекта во времени образцы выдерживались на воздухе в течение 6 месяцев. Затем они высушивались при температуре 105ºС в сушильном шкафу до постоянного веса. С образцов первой серии с первоначально удаленным слоем был дополнительно снят поверхностный слой толщиной 2,0 мм. Образцы повторно подвергались насыщению в течение 180 суток. Кинетика водонасыщения по второму циклу свидетельствует о том, что образцы после естественного нахождения в воде и сушке при температуре 105ºС не только сохранили свои водоотталкивающие свойства, но и значительно усилили их. Несмотря на удаление значительного слоя с поверхности после достигнутого водопоглощения 3,66 % за 28 суток, в дальнейшем не прибавляли в весе и сохранили 28 суточное водопоглощение по массе в течение 5 месяцев на стабильном уровне, причем этот уровень был в 2,5 раза ниже, чем водопоглощение «материнских» образцов в первом цикле испытания.
Образцы второй серии, значительно снизили скорость водопоглощения в течение одного месяца экспонирования в воде, но, насыщаясь водой в последующие 5 месяцев, практически достигли равного водопоглощения с образцами при первом цикле испытаний. Причина такой аномалии в низком повторном водопоглощении образцов со снятым поверхностным слоем трудна объяснима. Возможно, в процессе длительного нахождения на воздухе и повторной сушки меньшие образцы подверглись в большей степени окислительной и углекислотной полимеризации с увеличением молекулярной массы полимера и возрастанием гидрофобности. Вторая, более вероятная причина, возможно, состоит в заполнении поверхностных пор тончайшими гидрофобизированными частицами материала при обдирании поверхностного слоя. Однако важно не объяснение механизма повышения гидрофобных свойств образцов после длительного экспонирования в воде и обезвоживания, а сам факт сохранения, и даже, увеличения гидрофобности материала во времени.
Учитывая, что были использованы не твердеющие во времени более пористые образцы из дисперсного мрамора, слегка сцементированные собственным веществом и пленками полимера, то можно считать установленным факт повышения гидрофобности пропитанных материалов при поверхностной механической обработке их.
Литература:
1. Калашников, В. И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч.3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. 2008. № 1. С.22.
2. Калашников, В.И., Валиев, Д.М., Гуляева, Е.В., Володин, В.М., Высокопрочные порошково-активированные пропариваемые песчаные бетоны нового поколения. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. № 5. С. 14–19.
3. Мороз, М.Н., Калашников, В.И., Суздальцев, О.В., Янин, В. С. Высокопрочные декоративно-отделочные поверхностно-гидрофобизированные бетоны // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 1. С. 18–23.
