Ультразвуковой контроль глубины пропитки пористого материала гидрофобизирующим раствором

Одними из главных свойств пористых строительных материалов являются их высокое влагопоглощение и большой капиллярный подсос воды в условиях поверхностного смачивания. Вода, проникающая в капилляры, оказывает разрушающее действие на кремниевые строительные материалы.

Установлено [4, 9, 42], что снижение прочности строительных материалов под воздействием влаги обусловлено адсорбированным облегчением деформаций. Одновременно, расклинивающее действие водных пленок приводит к снижению однородности структуры. При циклическом замораживании и оттаивании резко падает прочность пористых строительных материалов. Кроме того, вода при миграции в капиллярах переносит растворы солей, которые при кристаллизации приводят к снижению прочности, что неизбежно ведет к ускоренному разрушению зданий (например: несчастный случай на Сенной площади 10 июня 1999 года).

Таким образом, проникновение влаги приводит:

1. К непосредственному разрушению строительных материалов вследствие действия влаги.

2. Создает благоприятную среду для развития различных микроорганизмов, которые способствуют разрушению строительных материалов и конструкции в целом, а также наносит вред организму человека.

На основе опыта строительства и эксплуатации строительных конструкций в СНиП 11−3-98 установлены требования к влагопоглощению элементов конструкций (табл. 1), где Утах-максимальное, Ут1П-минимальное, ДУ-допустимое значение влажности материала. Приведенные данные показывают, что надежность и долговечность конструкции, выполненных из кирпича, будут обеспечены, если допустимая влажность не будет превышать 4.5%.

Таблица 1.

Материалы ДУ (%) Wmax (%).

1. Кладка крупноблочная и кирпичная из клинкерного кирпича в наружных стенах зданий с сухим и нормальным влажностным режимами помещений 1,5.3 4,5 1,5.

2. То же, с влажным и мокрым влажностным режимами 3.5 7 3.

3. Кладка из керамических пустотелых блоков в наружных стенах зданий с сухим и нормальным влажностным режимами помещений 1.3 4 2.

4. Кладка крупноблочная и кирпичная из силикатного кирпича и из плотного силикатного бетона в наружных стенах зданий с сухим и нормальным влажностным режимами помещений 2.4 5 2.

5. Кладка крупноблочная из шлакобетонных и керамзитобетонных сплошных и пустотелых блоков, а также панели из этих материалов в наружных стенах зданий с сухим и нормальным влажностным режимами помещений 8.12 12 4.

6. Кладка крупноблочная из ячеистых бетонов (пенобетон, газобетон и т. д.), а также панели и плиты из ячеистых бетонов в наружных ограждающих конструкциях зданий при плотности ячеистого бетона 600 кг/ 3 /м 10.15 20 4.

7. То же, при плотности 800 кг/ 3 / м 6.10 17 5.

Однако известно [4, 9, 38, 42], что на практике содержание влажности в существующих конструкциях обычно превышают требуемые нормы СНиП 11−3-98.

Для определения влагопоглощения кирпичей был проведен эксперимент. В качестве образцов использовали 5 типов кирпичей, по 200 штук каждого типа, применяемых на текущий момент времени в строительстве: образцы 1, 2 (ГОСТ 530−95, DIN 105-Кирпич керамический строительный) — образцы 3, 4, 5 (ГОСТ 7484−78, DIN 105-Кирпич керамический лицевой) (табл. 2).

Таблица 2.

Наименования Плотность (103кг/м3) Средний размер зерна (мм) Средний диаметр капилляра (м м) Пористо сть (%).

Клинкерный Образец 1 3,4 0,35 0,02 8.

Knauf Образец 2 2,9 0,5 0,05 17.

Шамотный Образец 3 1,8 1,0 0,17 38.

Полусухой Образец 4 2,4 0,75 0,08 27.

Пластинчатый Образец 5 3,1 0,45 0,03 И.

Испытания на влагопоглощение проводили согласно ГОСТ 19 473.1−81, кирпич помещали в воду (Т = +20°С) одной из граней на глубину 5 мм (капиллярное смачивание) и держали до полного впитывания воды. Наблюдение проводили в течение 72 часов, эксперименты были остановлены после полного насыщения кирпича водой, либо после того, как изменение веса образцов в течение длительного времени оставалось незначительным.

40% 35% в 30% ж и.

3 25% о о 20% с 15% 5 10%.

5%.

31 36,5% :-X.

23,1%^ 22,3% 24,1% 25,2%.

18,^^ к—-у.

13,2% 15,0%. —| 10,770 1—.

9, IV-" «Л 8,4% 9,5% 9,6% 9,7%.

Г5,6% К——.

4,4% 5,8% - 6,6% 6,9% 7,5%;

36,5%.

25,8% -&diams-—Образец! -¦-Образец 3.

16,3% Образец 4.

Образец 5.

9.7% Образец 2.

7,5%.

0 час 1 час 3 часа 6 часов 24 часа 48 часов 72 часа.

Время.

Рис. 0.1. Влагопоглощение образцов.

Результаты исследования (рис. 0.1.) впитывания влаги показывают, что влагопоглощение кирпичами превышает рекомендуемые нормы влагопоглощения (таблица 1) в 2.3 раза.

Наиболее эффективным видом защиты материалов является гидрофобизация (придание водоотталкивающих свойств) специализированными пенетратами.

Проведенные результаты анализа гидрофобизирующих растворов, имеющихся на рынке строительных материалов, и испытания растворов показали ряд преимуществ и недостатков одних растворов перед другими (рис. 0.2).

Для определения влагопоглощения кирпичей после обработки гидрофобизирующими растворами были проведены экспериментыв качестве образцов использовали 5 видов кирпичей (табл. 2). Испытания на влагопоглощение проводили согласно ГОСТ 19 473.1−81.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что наибольшим преимуществом обладают растворы выполненные на основе кремнийорганических соединений.

Поверхностная обработка материалов кремнийорганическими соединениями основана на нерастворимости образующих полимерных пленок в воде и их специфических свойствах. Углеводородные радикалы СН3, входящие в состав кремнийорганического соединения, ориентируется в сторону противоположную поверхности материала, т. е. в сторону окружающей среды. Кремний кислородные связи 8Ю. наоборот, располагаются ближе к поверхности материала (рис. 0.3). Благодаря такому расположению изделие оказывается покрытым гидрофобной пленкой [40, 42]. ннат> 1 час Зчаса 6 часов 24 часа 48чассв 72 часа П|кмя.

Силиконовый раствор «СИЛЛАР» .

-¦— ОбриецЗ Обраэец2 Образец I -" ±• Образец 5 -Ofpneu4.

Кремнийорганический раствор «ГИФОБ'.

Образец 3 Образец 2 -ЖОбразец I —|— Образец 5 —•" Образец 4.

I час Зчаса 6часов 24часа 4Нчасов 72часа Врем" шчшю I чне 3 часа 6 чии" 24 чю! 48 часов 72 пси Н|*"и.

Раствор натриевого жидкого стекла.

Кремнийорганический раствор «СИЛОКСИЛ'.

— Образец I — Образец 3 -Обраэец4 -Образец 5 Образец 2 начало I час 3 часа 6 часов 24 часа 48 часов 72 часа Время.

-&diams—Образец 3 Образец 2 Ж Образец I Образец 5 -Образец 4.

Рис. 0.2. Влагопоглощение образцов после обработка гидрофобизаторами.

Са-|-ОН—.

Са—ОН — —СНз О.

Поверхность 1.

Рис. 0.3. Формула химической реакции гидрофобизирующего раствора с поверхностью материала.

Толщина пленки (снДбю на частице кирпича (бетона) достигает 1,9-Ю" 5 см. Отдельные звенья (СЯ3)2&-'0 имеют толщину 6-Ю" 8 см. Следовательно, толщина пленки в этом случае составляет примерно от 2 до 300 молекул. По данным исследований [42, 46] пленка воды на поверхности кремнезема при относительной влажности 80% составляет 0,45−10″ 6 см, а при 90% составляет 2,7−10″ 6 см. Если принять диаметр молекулы воды равным 3−10″ 6 см, то пленка воды при высокой влажности содержит примерно около 100% молекул раствора (СЯ3)2Л'0. Отсюда можно сделать вывод, что мономерные кремнийорганические соединения при гидрофобизации реагируют с водой примерно молекула на молекулу.

Водоотталкивающие кремнийорганические пленки очень тонкие. Толщина пленки вычисляется по расходу раствора к весу материала, (принимая плотность равной единице) и составляет от (0,1—-3,1)-10″ 6до 2,5-Ю-5 см. Материалы, гидрофобизированные кремнийорганическими и соединениями, практически не увеличиваются в весе, полностью сохраняют внешний вид, пористость и воздухопроницаемость, чем выгодно отличается от других водостойких покрытий или пропиток.

Гидрофобная пленка невидима, мало стирается при трении, не смывается водой с мылом, не растворима ни в каких обычных растворителях, устойчива в широком диапазоне температур (от -200 до +300), устойчива к действию окислителей, света, времени и других факторов. Гидрофобные свойства пленки сохраняются на все время существования пленки. На пленку химически действуют только щелочи и сильные минеральные кислоты (концентрированные). Гидрофобная пленка разрушается плавиковой кислотой.

Однако, проведенные испытания в естественных условиях показали, что со временем происходит гидрофилизация поверхности главным образом за счет запыления и осаждения гидрофильных частиц, содержащихся в атмосферных осадках, а также благодаря механическому разрушению поверхностного слоя вследствии воздействия ветра и дождя, поэтому срок службы гидроизоляционного слоя зависит от глубины заполнения раствором [44]. Проведенные многолетние исследования зависимости срока службы защитного слоя от его глубины показали, что чем больше глубина защитного слоя, тем дольше срок службы [40, 41, 42, 45, 46].

Глубина заполнения пористого материала гидрофобным раствором, связана с физическими процессами, происходящими внутри капилляров материала. Аналитические исследования заполнения материала гидрофобным раствором показывают, что глубина проникновения раствора (0.1) и скорость заполнения (0.2) капилляров кирпичей зависит от радиуса капилляров и вязкости гидрофобной жидкости [33,41].

2а соэ в.

0Л) 1 = КГ—К29 (0.2) где гг 2к2ар2 со*0Ж.

2 N.

К2 + (0.4).

Щ «=1 где Итахмаксимальная глубина проникновения жидкости, Кп-коэффициент трения мениска, а-поверхностное натяжение, 7?-радиус капилляра, #-угол смачивания, //-число капилляров в сечении 1 см², р-капиллярное давление создаваемое жидкостью, 77-вязкость, а-угол, составленный капилляром с горизонтом.

Глубина заполнения раствора для кирпичей находится в пределах 5. 15 мм [34, 37]. Это становится причиной скорого (в атмосфере.

12.48 месяцев, в грунте 3.12 месяцев, под водой не более 1 месяца) нарушения защиты. Отсутствие контроля, позволяющего оперативно производить оценку глубины и равномерность заполнения, ограничивает применение кремнийорганических растворов в строительстве.

Таким образом для увеличения срока службы пористого строительного материала необходимо применение эффективного метода заполнения материала гидрофобизирующим раствором.

ВЫВОДЫ.

1. Пористые строительные материалы (кирпич, бетон и т. п.), обладают гидрофильными свойствами, что приводит к их разрушению, образованию на их поверхности микроорганизмов, наносящих вред здоровью человека.

2. Используемые в строительстве кирпичи различной технологии изготовления могут иметь высокое влагопоглощение, превышающие рекомендуемые СНиП 11−3-98 нормы влагопоглощения (таблица 1) в 2.3 раза.

3. Влагозащита по действующим технологиям капиллярного смачивания с использованием кремнийорганического раствора позволяет уменьшить влагопоглощение, однако небольшая глубина и неравномерность проникновения раствора в материал не позволяют обеспечить долговременную гидрозащиту.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Исследование зависимости интенсивности процесса пропитки материала (изделия из него) гидрофобным раствором под воздействием ультразвука от мощности и частоты /пр0пит упругих колебаний.

2. Анализ применяемых и выбор рационального способа контроля глубины пропитки пористых строительных материалов.

3. Теоретические и экспериментальные исследования зависимостей акустических характеристик строительного материала от глубины его заполнения гидрофобизирующим раствором.

4. Разработка и экспериментальная проверка способа получения измерительной информации о глубине заполнения капилляров материала раствором в процессе «ультразвуковой пропитки» .

5. Обоснование способа, обеспечивающего совмещение процессов пропитки и контроля.

6. Обоснование принципа построения средств ультразвукового контроля глубины заполнения строительных материалов раствором.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Для проведения экспериментальных исследований контроля глубины и времени заполнения пористого материала раствором была разработана специализированная установка.

Принятая в установке система контроля за протекающими процессами с постоянным масштабом расстояния позволяет иметь только одну независимую переменную, а именно время от начала опыта, через которую выражены разные по своей физической природе величины — изменения скорости распространения ультразвука в кирпиче заполняемом гидрофобизирующим раствором, и путь, пройденный раствором по длине кирпича.

Для контроля времени распространения в заполняемом пористом материале раствором применяют метод сравнения, который заключаются в сравнении времени распространения ультразвука в испытуемом образце и в эталоне, скорость ультразвука, в котором в рабочих условиях известна или может быть рассчитана. Точность измерения скорости распространения ультразвука в материале при использовании данного метода находятся в пределах 0,05%.

Применяемая схема контроля позволяет устранить влияние крутизны переднего фронта ультразвукового сигнала на измерение скорости распространения сигнала, что позволяет контролировать скорость рапространения ультразвука в кирпиче, заполняемом гидрофобизирующим раствором, с точностью до 0,001%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлено, что выбор метода контроля глубины заполнения пористого материала гидрофобизирующим раствором осложнен химическими свойствами раствора. Экспериментальные исследования показали, что воздействие электромагнитных и тепловых излучений приводит к разрушению гидрофобных свойств раствора. Применение гравитационного метода требует специального высокоточного оборудования. Ультразвуковое воздействие на раствор не изменяет его характеристик, что позволяет использовать данный метод для контроля глубины заполнения пористого материала гидрофобизирующим раствором.

2 Теоретические и экспериментальные исследования установили, что в большинстве насыщенных раствором образцах скорость упругих продольных волн выше, чем в сухих. Общее увеличение скорости в кирпичах относительно сухого и заполненного раствором материала, в зависимости от марки материала, достигает 13—50%.

3. Из полученных теоретических и экспериментальных результатов видно, что лучшая сходимость измерений значения скоростей продольной волны для различных образцов кирпича получена по формуле П. Г. Гильберштейна.

4. В кирпичах обычно наблюдается более или менее закономерное увеличение скорости с насыщением. Можно также заметить, что при малом заполнении капилляров (до 10—20мм) изменение скорости более скачкообразное, чем при дальнейшем насыщении. При среднем заполнении пор (30—70мм) скорость обычно плавно увеличивается, но при насыщении, близком к полному (свыше 80мм), резко возрастает. Следует отметить, что в образцах с большей пористостью скорость изменяется более плавно, в то время как в образцах с меньшей пористостью наблюдаются более резкие и значительные изменения.

5. При постепенном насыщении кирпичей жидкостью обычно наблюдается неравномерное увеличение скорости. На стадии предельного насыщения, связанной с резким переходом системы в новое физическое состояние, обычно происходит скачкообразное изменение скорости. В целом характер изменения скорости при насыщении объясним с точки зрения контактной модели, т. е. связан с изменением площади контактов. Однако существенную роль играет также характер связей, их жесткость, поэтому причины изменения скорости часто носят более сложный характер, чем в упрощенной модели.

6. Скорости продольных упругих волн в водонасыщенных материалах определяются: а) упругостями скелета и жидкости, а также пористостьюб) литологическими особенностями пород, влияющими на состояние упругих связей (в основном состав и тип цемента).

7. Если первый фактор поддается количественной оценке, то второй учесть гораздо труднее. Отметим, что в естественных условиях на скорость продольных упругих волн влияет еще целый ряд других факторов (давление, температура и т. п.).

8. Проведенные измерения скорости ультразвуковых колебаний при различной глубине заполнения кирпича раствором показали непостоянство скорости распространения колебаний. Это связанно с неоднородностью материала кирпича. Проведенная статистическая обработка полученных результатов показывает, что доверительный интервал измеряемых значений меняется в зависимости от частоты ультразвуковых колебаний. С увеличением частоты доверительный интервал измеренных значений скорости уменьшается.

9. Для совмещения на одном физическом принципе процесса пропитки материала гидрофобизирующим раствором и одновременного контроля глубины проникновения этой пропитки были проведены дополнительные экспериментальные исследования по ультразвуковой пропитке пористого материала гидрофобизирующим раствором. В ходе экспериментов установлено, что заполнение кирпича увеличивается с увеличением мощности ультразвукового поля. Однако увеличение мощности при определенных значениях может привести к кавитации гидрофобизирующего раствора.

10. Полученные результаты показывают, что время заполнения кирпича увеличивается с увеличением частоты: увеличение времени пропитки связано с увеличением частоты акустического сигнала, которое приводит к ослаблению сигнала. Это приводит к уменьшению мощности акустического поля с увеличением глубины заполнения кирпича раствором, соответственно уменьшению скорости пропитки.

11. Время заполнения пористого материала также связано с адсорбционными силами в капиллярах кирпича. Это связано с изменением капиллярного объема, которое оказывает влияние на действие механизма жесткого трения поверхности стенок. При уменьшении диаметра капилляра, увеличивается число трущихся участков поверхности капилляров, что приводит к увеличению замедления скорости движения жидкости по капилляру пористого материала.

12. Для совмещения двух технологических процессов (заполнения и контроля) необходимо произвести совмещение времени заполнения и погрешности измерении скорости распространения ультразвуковых волн по частоте излучения ультразвуковых колебаний. Для оптимизации значения частоты ультразвука была проведена многокритериальная оптимизация. Она основывается на сведении нескольких критериев (время заполнения, погрешность измерения глубины заполнения материала раствором) к одному (частота ультразвуковых колебаний) за счет введения априорных (весовых) коэффициентов для каждого из критериев.

13. Для проведения экспериментальных исследований контроля глубины и времени заполнения пористого материала раствором была разработана специализированная установка.

14. Принятая в установке система контроля за протекающими процессами с постоянным масштабом расстояния позволяет иметь только одну независимую переменную, а именно время от начала опыта, через которую выражены разные по своей физической природе величины — изменения скорости распространения ультразвука в кирпиче заполняемым гидрофобизирующим раствором, и путь, пройденный раствором по длине кирпича.

15. Для контроля времени распространения в пористом материале заполняемом раствором, применяют метод сравнения методы заключаются в сравнении времени распространения ультразвука в испытуемом образце и в эталоне, скорость ультразвука, в котором в рабочих условиях известна или может быть рассчитана. Точность измерения скорости распространения ультразвука в материале при использовании данного метода находится в пределах 0,05%.

16. Применяемая схема контроля позволяет устранить влияние крутизны переднего фронта ультразвукового сигнала на измерения скорости распространения сигнала, что позволяет контролировать скорость рапространения ультразвука в кирпиче заполняемого гидрофобизирующим раствором с точностью до 0,001%.