Полимерцементные мембраны как гидроизоляционные материалы

Полимерцементные мембраны как гидроизоляционные материалы.

В окружающем нас мире мембранные процессы занимают одно из главных мест. Можно даже сказать, что всё живое на нашей планете обязано этим процессам. Мембранные процессы участвуют в обмене веществ, усвоении пищи и кислорода у животных, в процессе фотосинтеза у растений, формировании нефте-, газоносных слоёв и др. геологических процессах в почве, широко применяются в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине, строительстве и т.д.

В предлагаемой статье речь пойдёт о полимерцементных мембранах и их использовании в строительстве, в качестве гидроизолирующих покрытий. Прежде чем начать рассмотрение гидроизолирующих материалов барьерного (мембранного) типа, следует пояснить некоторые основополагающие понятия мембранных процессов.

Мембранным процессом называется способность одного или нескольких компонентов подвижной смеси проникать через разделительную перегородку – мембрану. Фаза, прошедшая через такую перегородку, называется пермеатом, а не прошедшая – концентратом. Движущей силой мембранного процесса являются градиенты химических и электрохимических потенциалов, разности давления и концентрации, а также комбинация этих факторов. Рассмотрение мембранных процессов с участием жидкой фазы практически не возможно без таких явлений как осмос и капиллярные явления.

Осмос это самопроизвольный перенос вещества через полупроницаемую перегородку, разделяющую две жидкие фазы с различной концентрацией компонентов.

Для большей наглядности мембранных процессов обусловленных осмотическим давлением можно привести несколько примеров. Так, например: в крови здорового человека, значение осмотического давления составляет 7,7-8,1 атм.; в тканях пустынных растений такое давление может достигать 100 атм.; так называемая, сосущая сила клеток у семян некоторых растений, при 6%-ной влажности, может составлять 400 атм.

Капиллярные явления возникают в пористых телах и капиллярах, на границе раздела фаз: жидкость – газ, в связи с искривлением поверхности жидкости. Искривление поверхности происходит в результате сил поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения обусловлены стремлением жидкости принять наиболее выгодную энергетическую форму – форму шара. При рассмотрении капиллярных явлений в пористых телах  большое значение имеет понятие – смачивания. Оно обусловлено различными  межмолекулярными взаимодействиями в твёрдой и жидкой фазах, а также между фазами. Так, например, если работа адгезии жидкость к твёрдому телу больше работы когезии для этой жидкости, то происходит смачивание поверхности. Если же работа когезии больше, соответствующего значения адгезии – наблюдается не смачивание поверхности. Для неполярных жидкостей, работа когезии значительно меньше, чем для полярных (например, для воды). Поэтому неполярные жидкости хорошо смачивают различные поверхности. Такие полярные растворители как вода могут смачивать только полярные, гидрофильные поверхности.

Переходя к рассмотрению механизмов действия полимерцементных мембран, следует рассмотреть их состав и структуру после нанесения. В основном, такие материалы состоят из двух компонентов. В состав одного компонента входят минеральное связующее, модифицирующие добавки и наполнители, вторым компонентом является дисперсия латекса. Перед применением, компоненты смешиваются, иногда с добавлением воды, иногда без добавления. После нанесения материала, обычно за 2-3 слоя, вода частично испаряется, частично связывается, вступая в процессы гидратации, материал отверждается. В результате образуется полимерцементное покрытие. Особенность такого покрытия заключается в том, что весьма значительный вклад в образование твёрдой структуры вносит полимер. Правильнее даже сказать, что образуется полимерное покрытие, наполнено минеральными составляющими (наполнителями). При этом поры наибольшего размера образуются на границе соединения двух фаз – полимера и минеральных наполнителей. Причём поверхность пор, образованных минеральными компонентами, являются гидрофильными – способными смачиваться водной средой, а поверхности пор, образованных полимером, относительно гидрофобными.

Механизм действия, рассматриваемого полимерцементного покрытия, состоит в следующем: вода, поступающая снаружи, через стенку бетонной конструкции, на которую изнутри нанесено полимерцементное покрытие, доходит до его адгезионной границы. Далее, за счёт гидростатического и капиллярного давления, молекулы воды проникают в поры мембраны и сорбируются на поверхности гидрофильных минеральных наполнителей. При этом, в порах между смоченной поверхностью наполнителей и гидрофобной поверхностью полимера образуется микрослой газовой фазы (воздуха), в которую достаточно легко переходят молекулы воды (испаряются). За счёт появляющихся молекул воды (пара), увеличивается концентрация молекул воды и возрастает давление газовой фазы внутри пор (по сравнению с атмосферным). В результате образования градиента давлений и концентраций газовой фазы, равновесие в системе смещается в сторону самопроизвольного выхода компонентов газовой фазы (в т.ч. и воды) с внешней стороны покрытия.

Таким образом, вода, доходящая до полимерцементной мембраны в жидком виде, проходит через неё в молекулярном виде – виде пара.

А теперь, представляя механизм действия мембранного покрытия, посмотрим какие практические выводы и заключения можно сделать при организации работ с применением таких материалов.

Первое, что следует отметить, это строгое соблюдение количеств добавляемой воды при подготовке состава и точном соблюдении технологических интервалов в процессе его нанесения (в соответствии с техническим описанием производителя). При недостаточном количестве воды и высококонцентрированной дисперсии, после отверждения состава может образоваться структура замкнутых пор, что значительно уменьшит проницаемость мембраны. В таких случаях полимерцементный слой может отрываться за счёт гидростатического и капиллярного давления.

Напротив, при избытке воды, может образоваться высокопористое покрытие, способное пропускать воду в жидком виде.

Вообще говоря, вода, а вернее та её часть, которая самопроизвольно испаряется после нанесения состава, играет основную роль в образовании открытой регулярной структуры пор.

Существуют определённые нормативные показатель толщины мембранных покрытий. Для рассматриваемой группы материалов, в зависимости от конкретного состава, они составляют порядка 1,5 – 3,5 мм. Такая толщина достигается послойным нанесением, в соответствии с техническим описанием. При нанесении состава важно также соблюдать технологические интервалы между нанесениями. Нарушение этих интервалов как в одну, так и в другую сторону приводит к нарушению целостности покрытия, появляется значительное количество замкнутых пор.

Иногда, в процессе эксплуатации подобных покрытий наблюдаются вспучивание мембранного слоя. Происходит отслоение покрытия от поверхности конструкции, по границе адгезионных связей. При механической зачистки таких мест обнаруживаются значительные скопления минеральных солей (в виде белого порошка). Причиной этого явления является высокая минерализация поступающей воды и недостаточной подготовкой поверхности перед нанесением полимерцементного состава. Объяснить подобные явления не сложно, учитывая наши знания о принципах действия мембран. Ведь вода проходит через мембранный слой в молекулярной форме, в виде пара. Соответственно, соли, растворённые в воде, концентрируются в приграничном слое, на границе адгезионных связей мембранного покрытия с основной конструкции. По достижении определённой концентрации солей (насыщенный раствор) происходит образование твёрдой фазы (кристаллизация). По мере накопления кристаллических структур, увеличивается давление в данных зонах, уменьшается проницаемость мембранного слоя, происходит разрушение адгезионных связей, и, как следствие – отслоение покрытия. Для предотвращения описанных выше явлений необходимо, перед нанесением состава, обработать поверхность определёнными проникающими составами. Для многих полимерцементных мембран, таким составам может являться разбавленный компонент, содержащий минеральные составляющие. При высокой минерализации фильтрационной воды, следует применять специальные составы, предотвращающие выделение солей. На самом деле выделение солей не прекращается, изменяется граница кристаллизации, она перемещается внутрь бетонной конструкции. При этом, процесс разрушения бетона не происходит (при условии, если бетон имеет соответствующую конструкционную прочность, в противном случае его надо демонтировать), т.к. образующиеся кристаллы имеют смешанный состав, высокодисперсную форму и низкую скорость кристаллообразования. Происходит уплотнение порового пространства бетона. Фактически граница мембранного слоя начинается в рассматриваемой зоне кристаллизации. Т.е. подводя итог сказанному выше: необходимо, перед нанесением мембранного покрытия, обработать рабочую поверхность (загрунтовать) проникающим, предотвращающим выделение солей, составом.

Отдельно следует рассмотреть такое явление как капиллярная конденсация – сжижение пара, образование жидкой фазы в капиллярах твёрдых пористых тел. Для воды это происходит при условии смачивания, гидрофильности, поверхности пор, вследствие  пониженного давления насыщенного пара над вогнутым мениском, по сравнению с давлением насыщенного пара над плоской поверхностью воды, при одинаковой температуре. Капиллярная конденсация начинается, при образовании мениска жидкости с радиусом, равным более 2-3 диаметров молекулы этой жидкости.

На практике это явление проявляется в виде образующихся одинаковых капель правильной, округлой формы на поверхности полимерцементной мембраны. При этом, многие, особенно представители заказчика, искренне полагают, что гидроизоляция выполнена не качественно и наблюдается проникновение влаги. Объяснить непосвящённому человеку явление капиллярной конденсации в двух словах не всегда возможно. Поэтому, при нанесении полимерцементных покрытий барьерного типа, возможность таких явлений нужно учитывать сразу. Для сведения проявления капиллярной конденсации к минимуму необходимо, после завершения работ по нанесению полимерцементной мембраны, произвести нанесение покрытий с развитой поверхностью пор (активной, испаряющей штукатурки) или тонкослойных паропроницаемых, но гидрофобных полимерных покрытий. Последними обычно являются покрытия на основе водных дисперсий полимеров.

Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что эффективное применение полимерцементных материалов барьерного типа может осуществляться только в сочетании с дополнительным комплексом работ.

В заключении следует отметить, что комплексный подход должен присутствовать при организации, даже, на первый взгляд, самых простых технологических операций. Также это касается и работ на стадии проекта. Только зная технические характеристики и принципы действия того или иного материала можно безошибочно и точно составить пакет проектной документации, оценить трудовые, финансовые, технические и временные затраты.