ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ГРАЖДАНСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Пропиточная гидроизоляция сборных элементов

Пропиточная гидроизоляция предназначена для повыше­ния водонепроницаемости пористых камней путем заполнения их пор водоустойчивым и плотным материалом. Пропитке под­вергают изделия из бетона (трубы, сваи, колонны, плиты и т. п.), керамики (кирпич, трубы), асбестоцемента (листы и трубы) или из естественных пористых камней (известняк-ра­кушечник, мел, туфы и опоки). В качестве пропиточных ма­териалов используют органические вяжущие (битумы, каменно­угольные дегти и пеки, петролатум), термопластичные поли­меры (низкомолекулярный полиэтилен) и мономеры терморе­активных смол (стирол, Метилметакрилат), причем пропитка термопластичными веществами производится при их нагреве, а термореактивными — с последующей полимеризацией [14, 25, 53].

Пропиточная гидроизоляция впервые была предложена А. Никольсоном в 1926 г. для защиты железобетонных свай в агрессивных условиях Мексиканского залива. Эта защита оказалась весьма эффективной — даже через 25 лет пропитан­ные сваи не имели никаких повреждений, тогда как лучшие ок­раски не выдерживали более десяти лет эксплуатации. В СССР пропиточная гидроизоляция была впервые применена в 1937— 1939 гг., по предложению Н. А. Смирнова, для защиты свай на побережье северных морей. Во ВНИИГе исследования пропи­точной гидроизоляции были начаты по инициативе П. Д. Гле - бова: в 1948 г.— по пропитке битумами, в 1962 г.— по пропитке эпоксидными компаундами. В последние годы поли­мерная пропитка получила значительное распространение бла­годаря работам Н. А. Мощанского и Ю. М. Баженова по созда­нию принципиально нового материала — бетонополимера.

Пропитанные изделия обладают высокой водонепроницае­мостью и водоустойчивостью, морозоустойчивостью и повышен­ной прочностью; они применяются:

В виде кладки из пропитанных блоков и кирпича, пропитан­ных свай и труб в минерализованных грунтовых водах;

Пропитанных асбестоцементных листов — в конструкциях градирен;

Пропитанных плит-оболочек — для экранирования гидросо­оружений в зоне переменных уровней воды.

Бетонополимер, получаемый пропиткой бетона Метилмета­крилатом с последующим радиационным отверждением, позво­ляет достигать прочности при сжатии до 200 МПа; он исполь­зуется как специальный высокопрочный и конструкционный ма­териал. Свойства пропитанных бетонов приведены в табл. 2.11, а асбестоцементов — в табл. 2.12.

Пропитка весьма существенно улучшает физико-механиче­ские свойства исходного камня, придавая ему повышенную на-

Дежность и долговечность даже в сложных условиях эксплуа­тации. Установлено, что достаточно пропитать только поверх­ностную корку толщиной 10—15 мм, чтобы изделие приобрело высокую стойкость против физически или химически агрессив­ной среды. Пропитка неэффективна лишь при кислой агрессии воды-среды, когда разрушение идет по скелету камня с выносом продуктов реакции, что ограничивает область ее применения.

Пропитка производится жидкими органическими веществами, проникающими в поры камня и отверждающимися там при ох­лаждении (термопласты) или при полимеризации (Реактопла­сти). Процесс этот весьма длителен, а потому простейший спо­соб пропитки в открытых ваннах часто пополняют приложением избыточного давления (пропитка в автоклавах) или созданием вакуума внутри изделия (метод внутреннего вакуумирования), чтобы интенсифицировать пропитку.

Пропитка в открытых ваннах. Такая пропитка при атмос­ферном давлении наиболее проста — органическая жидкость проникает в поры камня только под действием капиллярных сил. При этом сочетаются два физико-химических процесса: двухмерная миграция наиболее поверхностно-активных компо­нентов пропитывающей жидкости и вязкое течение ее по порам камня под действием капиллярных сил.

В свое время акад. П. А. Ребиндером была доказана адсорб­ционная природа первоначального движения пропитывающей жидкости. В дальнейшем нами было показано, что при про­питке битумами происходит избирательная адсорбция наибо­лее поверхностно-активных компонентов битума — асфальте - нов, которые в результате двухмерной миграции несколько опе­режают битум, заполняющий капилляры камня, создавая зону адсорбционного смачивания, где содержание асфальтенов на 5—6% выше, чем в объемном битуме. Это очень важно, так как способствует гидрофобизации поверхности камня, смачиванию его битумом и образованию вогнутых менисков в капиллярах камня, которые и создают втягивающее капиллярное давле­ние; это явление иллюстрируется данными табл. 2.13 по про­питке мела.

Возникающее капиллярное давление, развивающееся от во­гнутого мениска и вызывающее впитывание пропитывающей жидкости в пору-капилляр, можно выразить законом Пуа - зейля:

Рк = (2а cos Q)/r,

Где A — поверхностное натяжение жидкости; 0 — краевой угол Смачивания на границе с порой в камне. Тогда глубину про­питки,/цр в зависимости от времени T выражают формулой

,2 Ar C0S Q

'Пп пп л

Np np
Здесь т] — вязкость пропитывающей жидкости; г — радиус поры - капилляра.

Применимость последней формулы была доказана в резуль­тате изучения пропитки мела разжиженным битумом при раз­ном соотношении битума и бензина, однако непосредственное решение этого уравнения из-за трудности определения кон­стант, входящих в него, действия противодавления внутри про­питываемого изделия, полидисперсности пор-капилляров и мо - заичности внутренней поверхности пор в бетоне затруднено; поэтому нами было предложено аппроксимировать данную за­висимость степенной формулой:

/ — ,

Где &Пр и п — эмпирические коэффициенты пропитки (рис. 2.4 и табл. 2.14).

Скорость пропитки достаточно мала и зависит главным образом от вязкости пропитывающей жидкости, что видно из первых строк табл. 2.14, где зависимость скорости от времени аппроксимирована по квадратичной параболе. Еще более мед­ленно идет пропитка мелкопористого бетона, поэтому ее тех­нология развивается путем повышения температуры пропитки, создания дополнительного перепада давления.

Повышение температуры термопластичных веществ весьма существенно снижает их вязкость, однако предел допустимого нагрева определяется термоокислительными процессами карбо­низации и полимеризации органических веществ, которые при­водят к увеличению вязкости со временем. Например, при тем­пературе 220° С уже через 2 ч прогрева вязкость битума возра­стает на 10%. Поэтому температуру пропитки ограничивают (табл. 2.15), а пропитываемое изделие тщательно высушивают,

Таблица 2.13

Характеристика гидрофобизации мела при пропитке его нефтяным битумом

Непропитанный белгородский мел............................

Нефтяной битум БНД 40/60 в объемном состо-

Янии.......................................

Масла, выделенные из битума Смолы, выделенные из бятума Мел пропитанный: "■

Битумом БНД 40/60 маслами из битума смолами из битума

Асфальтенами из битума...............................

Мел, пропитанный каменноугольным пеком

Причем скорость его нагрева и остывания после пропитки так­же должна быть ограничена во избежание появления в нем из­быточных температурных напряжений.

В комплект пропиточной установки входят: камера нагрева или сушильная камера; пропиточная ванна и камера охлажде­ния; битумоплавильня для подготовки и нагрева органического вяжущего; система обогреваемых циркуляционных битумопро-

Водов и насосов для перекачки вяжущего. Для этой цели во ВНИИГе и Ленинградском отделении «Теплоэлектропроект» разработаны специальные (рис. 2.5) установки [25].

Внутреннее вакуумирование. Этот способ, заключающийся в создании вакуума внутри пропитываемого изделия, предло­жен в 1952 г. Н. С. Покровским. Данный способ в три-четыре раза ускоряет пропитку, так как он не только увеличивает напор на «пропитывающую жидкость, но и уменьшает противодавле­ние паров и газов внутри пор пропитываемого камня. Особенно удобно Пропитывать этим способом длинные изделия (сваи и колонны), а также изделия, икеющие внутри полости (плиты

ПКЖ, трубы), к которым можно подключать вакуум-насос и создавать разрежение внутри них (рис. 2.6, А).

Аналогичный эффект достигается и при скачках темпера­туры пропиточной ванны (рис. 2.6,6), когда при повышении температуры пар вырывается наружу, а при ее понижении
внутри пор создается вакуум. Рекомендуемые температурные режимы работы пропиточных ванн приведены на рис. 2.6 и в табл. 2.15, а продолжительность основных операций указана в табл. 2.16.

Указанные нормы установлены в предположении, что в тече­ние цикла пропитки проводятся два температурных скачка, а гарантированная глубина пропитки плотного бетона не ме­нее 15 мм, асбестоцемента — не менее 4 мм.

Пропитка протекает медленно: один цикл ее достигает двух суток, причем продолжительность его сильно колеблется в за­висимости от пористости и первоначальной влажности пропи­тываемых изделий, вязкости пропитывающей жидкости, разно­сти внутреннего и внешнего давлений. Ускорить пропитку можно следующим образом:

А) использовать бетон низких марок (150—200) с крупно­пористой структурой и наиболее пористые асбестоцементные изделия (водопоглощение более 26%); это ускоряет пропитку в Ґ,5—2 раза, позволяет исправлять дефектные изделия, резко повышая их прочность и морозоустойчивость до нормативного уровня;

Б) пропитывать возможно более тонкие изделия, что позво­ляет быстро их нагревать и охлаждать без значительных тем­пературных напряжений Ви определяемых формулой

®* = «б£б (£-'»..)<*,, (2-4)

Где Еб — модуль упругости бетона; аб—КЛРТ бетона (аб = = 1,1-Ю-5 1/°С; T°R — температура на поверхности изделия; t°BH — то же, внутри изделия; Rz — предел прочности бетона при растяжении;

Петролатум, вязкость которых при температуре пропитки в де­сять раз ниже (0,15 Па • с вместо 1,2—1,5 Па • с);

Г) производить автоклавную пропитку под избыточным дав­лением 0,6—1,2 МПа и с периодическим вакуумированием из­делий, что сокращает ее длительность в 1,5—2 раза (см. табл. 2.16).

В последние годы интересные исследования по пропитке бе­тона различными мономерами выполнены в США [25, 54]. Так, при пропитке бетона Метилметакрилатом с последующим от­верждением посредством радиационного облучения интенсивно­стью 14—20 Р/с в течение 96 ч получается практически пол­ностью водонепроницаемый, химически стойкий бетонополимер с большим пределом прочности (125—130 МПа) и модулем уп­ругости 4,3 • 104 МПа, который не меняется при нагреве бето - нополимера до 150 и даже 250° С, что позволяет успешно ис­пользовать его при высоких эксплуатационных температурах. Осуществляется также пропитка при повышенной температуре следующими мономерами:

Хлорвинилом (txр — —14°С; ?Ст = 75°С); винилиденхлоридом (TxР = 32°С; ?Ст=100°С); третичным бутилстиролом (?хр = 218°С; ?ст=145°С); смесью 90% стирол а +10% полиэфира (г"хр= 135° С; ?ст = = 90° С);

Смесью 90% диалилфталата +10% метилметакрилата (^хр = = 204°С; TCT = 365°С);

Хлорстиролом (гхр=180°С; Іст = 93°С); триметилолпропантриметилакрилатом + стирол (Txp = 232° С; ^ст = 392°С).

Нами совместно с Е. Д. Федотовым предложено пропиты­вать бетон указанными ниже компаундами с реакционноспо- собными разбавителями (в %):

СКп-100 (вязкость 0,54 Па-с)

TOC o "1-3" h z Каменноугольный пек, битум..................................................................... 50

Стирол-мономер.......................................................................................... 50

Перекись бензоила (сверх 100%)................................................................... 0,5

ФКп-100 (вязкость 2,35 Па-с)

Каменноугольный пек................................................................................ 50

Фурфурол, фуриловый спирт...................................................................... 50

Солянокислый анилин ................................................................................ 0,25

МКп-100 (вязкость 1,37 Па-с)

Каменноугольный пек, битум..................................................................... 50

Метилметакрилат........................................................................................ 50

Перекись бензоила (сверх 100%) .................................................................. 1

ЭМ-75 (вязкость 1,28 Па-с)

Эпоксидная смола ЭД-20.............................................................................. 56

Метилметакрилат, стирол........................................................................... 37,4

Полиэтиленполиамин................................................................................. 6

Перекись бензоила....................................................................................... 0,6

Такими компаундами бетон можно пропитать й течение б ч на глубину 10 мм, а асбестоцемент — на 1 мм, причем для эко­номии пропитывающего компаунда пропитку рекомендуется производить при температуре ниже +5° С, когда его отвержде­ние протекает очень медленно, а затем пропитанное изделие прогревать при повышенной температуре. В НИИЖБе разра­ботан метод термической полимеризации стирола путем про­грева пропитанных изделий в битумных пропиточных ваннах.

Можно рекомендовать следующую технологию пропитки из­делий стирол-мономером, Метилметакрилатом или эпоксидными компаундами:

1) Высушенные железобетонные или асбестоцементные из­делия погружают в пропиточную ванну с мономером и добав­кой отвердителя, в которой их выдерживают при возможно низ­кой температуре в течение 6—10 ч;

2) Затем их помещают в горячую полимеризационную ванну, где выдерживают 12—24 ч в горячем битуме при 130—160° С;

3) Пропитанные изделия выгружают и постепенно охлаж­дают.

Такие бетонополимеры также обладают повышенной проч­ностью, но стоимость их пропитки неизмеримо выше.

Более дорогие пропитанные полимерами изделия применя­ются при необходимости пропитки высокоплотных бетонов, при­дания им нефте - и кислотостойкости при повышенных эксплуа­тационных температурах, а также исходя из архитектурных соображений (изделия имеют светлый цвет).

Следует иметь в виду, что пропиточные работы с битумами и петролатумом, низкомолекулярным полиэтиленом безвредны, но при пропитке каменноугольным пеком и полимерными ком­паундами необходимо принимать особые меры безопасности из-за их высокой токсичности, а при использовании мономе­ров— и огнеопасности. Поэтому пропиточные ванны герметизи­руют, устанавливают на открытых площадках и под навесами, оборудуют интенсивной общей и местной вентиляцией, пенными огнетушителями, асбестовыми одеялами, предусматривают дру­гие меры повышенной пожарной охраны; рабочих обеспечивают спецодеждой.

Пропиточная гидроизоляция относится к одной из самых дорогих; например, при стоимости битума 4 коп/кг и петрола- тума 2 коп/кг такая гидроизоляция стоит около 2 руб/м2, сти­рол-мономер— 43 коп/кг, Метилметакрилат — 2,5 руб/кг; бето - нополимер на основе этих вяжущих только с тонкой пропитан­ной коркой стоит 25—38 руб/м2, что резко ограничивает область его применения.

Все же даже при современных ценах на органические ма­териалы пропиточная гидроизоляция для защиты свай причаль­ных сооружений на северных морях вполне экономична; ис­пользование асбестоцементных листов, пропитанных битумом и петролатумом, для башен и оросительных устройств ряда гра­дирен дало экономию до 40 тыс. руб. на каждой из них, что дает основание рекомендовать такую пропитку для более ши­рокого внедрения.