Ocena skuteczności hydrofobizacji powierzchniowej betonu

Trwałość obiektów budowlanych zależy od wielu czynników, w tym ochrony konstrukcji przed agresywnymi wpływami środowiska, takimi jak wilgoć.

Zawilgocenie samo w sobie jest czynnikiem destrukcyjnym, jednak gdy potęgowane jest wpływem innych szkodliwych czynników, ryzyko wystąpienia uszkodzeń i degradacji konstrukcji zostaje zwielokrotnione.

Wprowadzenie

W praktyce spotyka się dwa podejścia do walki z wilgocią: profilaktykę i działania renowacyjne. Ochrona powierzchniowa betonu w środowisku średnio agresywnym powinna zapewniać ograniczenie, a w środowisku silnie agresywnym – odcięcie dostępu czynników agresywnych [1].

Skuteczna i trwała hydrofobizacja betonu zabezpiecza go przed różnymi rodzajami korozji, na które jest narażony w środowisku, i umożliwia jego długoletnią eksploatację bez konieczności dokonywania poważnych konserwacji czy napraw.

Istniejące badania wskazują, że do najbardziej efektywnych i bezpiecznych środków do hydrofobizacji należą silikony. Jako hydrofobizatorów silikonowych używa się alkyl-krzemianów potasu, alkoksysilanów, uwodnionych siloksanów i siloksanów w formie wodorotlenkowej. Alkyl-krzemiany potasu jako jedyne są dostępne na rynku w formie mocno alkalicznego (pH = 14) roztworu wodnego. Pozostałe związki są rozpuszczalne tylko w rozpuszczalnikach organicznych.

Zastosowanie hydrofobizacji możliwe jest w ściśle określonych warunkach. Przeciwwskazania do jej wykonania to m.in.: zastosowanie poniżej poziomu wód (także wód gruntowych) lub w przypadku długotrwałego kontaktu z wodą pod ciśnieniem, zastosowanie do scalania pęknięć (nie można wykonywać powłok hydrofobowych na powierzchniach, na których są spękania i szczeliny większe niż 0,3 mm), zasolenie podłoża betonowego.

W przypadku średniego i wysokiego stopnia zasolenia betonu wykonanie hydrofobizacji może spowodować odsunięcie w głąb przegrody płaszczyzny odparowywania i wytrącania się soli.

Cząsteczki soli w zależności od jej rodzaju przy wchłanianiu wilgoci zwiększają swoją objętość od 5 do 10 razy, co powoduje powstanie w przegrodzie naprężeń rzędu 100–200 MPa [2]. Może to doprowadzić nie tylko do oderwania się powłoki hydrofobowej, lecz także do destrukcji betonu pod warstwą powierzchniową.

W obiektach istniejących przed wykonaniem impregnacji należy sprawdzić stan izolacji wodochronnej, a przypadku uszkodzenia naprawić ją w celu zahamowania przemieszczania się roztworów soli w murze. Niekiedy zachodzi konieczność osuszenia elementów betonowych przed nałożeniem warstw impregnacyjnych.

Środki hydrofobowe, ze względu na skład chemiczny, mogą wchodzić w reakcje ze związkami zawartymi w impregnowanym materiale. Zatem na właściwości powstałego żelu polisiloksanowego ma również wpływ skład mineralny materiału.

Aby uniknąć wysokiego stopnia zasolenia materiału, co może doprowadzić do jego przyspieszonej destrukcji, należy dokładnie określić skład mineralny impregnowanego materiału, skład chemiczny środków hydrofobowych oraz związków mogących powstać wewnątrz materiału po hydrofobizacji.

Z punktu widzenia technologicznego hydrofobizację można przeprowadzać w sposób powierzchniowy w istniejących obiektach lub na etapie wytwarzania betonu, jako jeden ze składników mieszanki betonowej.

W przypadku impregnacji zyskały w ostatnich latach popularność tzw. betony polimerowo-cementowe (PCC), otrzymywane przez dodanie polimeru lub oligomeru, ewentualnie monomeru, do mieszanki betonowej. Powstają wówczas z reguły betony o lepszej urabialności mieszanki betonowej i zwiększonej – w stosunku do betonu zwykłego – wytrzymałości na rozciąganie.

W przypadku istniejących obiektów popularne są betony impregnowane polimerem (PIC) otrzymywane przez impregnację stwardniałego betonu monomerem lub prepolimerem [3].

Ze względu na dużą wytrzymałość powłok hydrofobowych niektórymi rodzajami preparatów można impregnować także powierzchnie narażone na duże ścieranie, np. płyty lotnisk i drogi betonowe.

Różnorodność oferowanych na rynku budowlanym rozwiązań materiałowych utrudnia podjęcie właściwej decyzji odnośnie hydrofobizacji betonów. Ponieważ są to kosztowne prace budowlane, ich skuteczność powinna być oparta na badaniach laboratoryjnych.

Szczególnie w przypadku niekorzystnych warunków użytkowania, w odniesieniu do których powszechnie zaleca się hydrofobizację, standardowe badania zdaniem autorów powinny być rozszerzone o badania wodoszczelności i mrozoodporności.

Wskazane badania, których wyniki są związane ze szczelnością i charakterystyką porowatości struktury betonu, należy uznać za jedne z głównych właściwości analizowanych w aspekcie trwałości betonu. Znajduje to odzwierciedlenie w wymaganiach i zaleceniach dotyczących betonu stosowanego m.in. w elementach mostowych [4], które są użytkowane w niekorzystnych warunkach.

W artykule przedstawione zostaną kryteria techniczne i wskazówki praktyczne dotyczące stosowania tych preparatów w celach prewencyjnych. Na podstawie badań określone zostaną wpływ oraz mechanizm oddziaływania silikonowych środków hydrofobowych na właściwości użytkowe betonu.

Procedura doświadczalna

Celem wykonanych badań była ocena efektywności zastosowanych do impregnacji powierzchniowej betonu preparatów hydrofobowych na bazie związków krzemoorganicznych.

Na podstawie wyników badań dokonano analizy skuteczności hydrofobizacji betonu o wartości w:c = 0,55 (klasa wytrzymałości na ściskanie C30/37), powszechnie stosowanego w konstrukcjach betonowych i żelbetowych. Graniczna wartość w:c = 0,55 według obecnych zaleceń odpowiada użytkowaniu betonu w warunkach słabo i średnio agresywnych [5, 6].

Do wykonania mieszanki betonowej zastosowano cement portlandzki CEM I 32,5 R, kruszywa naturalne z KSM Suwałki: piasek kwarcytowy i żwir kwarcytowy o maksymalnym wymiarze Dmaks. = 16 mm oraz wodę z wodociągu miejskiego. Wskaźnik konsystencji mieszanki betonowej, oznaczony metodą opadu stożka, wyniósł 12  ± 1 cm, co odpowiada klasie konsystencji S3 zgodnie z normą PN-EN 206-1:2003 [6].

Zawartość powietrza w mieszance, oznaczona metodą ciśnieniową, wynosiła 2,2  ± 0,1%. Recepturę laboratoryjną badanego betonu podano w TABELI 1. Do badań zastosowano próbki sześcienne o długości krawędzi 150 mm. Wszystkie próbki zagęszczano mechanicznie w dwóch warstwach na stole wibracyjnym o częstotliwości drgań 3000 cykli na minutę.

Próbki po rozformowaniu przechowywano w wodzie. Po 28-dniowym okresie dojrzewania poddano je hydrofobizacji powierzchniowej, zgodnie z instrukcją techniczną producenta, oraz 14-dniowemu okresowi sezonowania w warunkach laboratoryjnych. Przed badaniem oczyszczono powierzchnię kostek betonowych z pyłów i zanieczyszczeń.

Hydrofobizacji (przez zanurzenie próbek w danym roztworze na 10 s), poddano 96 kostek betonowych, po 18 na każdy preparat, oraz 24 kostki pozostawiono niezahydrofobizowane do badań jako materiał wzorcowy, oznaczony jako P.

W badaniach wykorzystano preparaty do hydrofobizacji betonów powszechnie stosowane na rynku polskim, różniące się rodzajem rozpuszczalnika, lepkością i stężeniem, gdyż są to czynniki decydujące o efekcie końcowym hydrofobizacji:

• wodorozcieńczalne:
  – W1 – wodny roztwór żywicy metylosilikonowej w wodorotlenku sodowym,
  – W2 – wodny roztwór silikonianów;
• węglowodorowe związki krzemoorganiczne:
  – R1 – roztwór żywicy metylosilikonowej w rozpuszczalniku organicznym,
  – R2 – alkiloalkoksysilan w rozpuszczalniku organicznym.

Dokonano analizy cech fizycznych i wytrzymałościowych nieimpregnowanego betonu, takich jak: porowatość, gęstość, gęstość objętościowa, szczelność, oraz wykonano badanie wytrzymałości betonu na ściskanie. Wszystkie pozostałe badania przeprowadzono przed hydrofobizacja próbek i po jej wykonaniu. Podstawowym badaniem laboratoryjnym było badanie nasiąkliwości wagowej.

Pomiary wykonano w odniesieniu do 4 okresów: po 1, 3, 7 i 14 dniach zgodnie z zaleceniami ZUAT-15/VI.11-1/2000 [7]. Wykonano badania zdolności dyfuzyjnego odpływu pary wodnej (paroprzepuszczalności). Przyjęto takie okresy badawcze, jak przy badaniu nasiąkliwości. Zmierzono głębokość wnikania preparatów hydrofobowych. Wykonano badania odporności na zamarzanie i wodoszczelności betonu.

Wyniki badań

Właściwości fizyczne i mechaniczne

Badania właściwości fizycznych i mechanicznych betonu przeprowadzono na podstawie norm PN-EN 12390-3:2011 [8], PN-EN 12390-7:2011 [9] oraz PN-EN 1936:2010 [10]. Do badań przeznaczono 6 próbek, wskaźnik zmienności w badaniu wytrzymałości na ściskanie wyniósł 4,2%, a w badaniu gęstości objętościowej 4,9%. Wyniki badań przedstawiono w TABELI 2.

Nasiąkliwość oraz wskaźnik nasiąkliwości wagowej

Pomiary nasiąkliwości wagowej betonu przeprowadzono w odniesieniu do 4 okresów: po 1, 3, 7 oraz 14 dniach. Okresy badawcze przyjęto na podstawie ZUAT-15/VI.11-1/00 [7], stosowane przy badaniu nasiąkliwości powierzchniowej. W doświadczeniu użyto po 6 próbek dla każdego impregnatu oraz 6 próbek wzorcowych. Wyniki badań przedstawiono na RYS. 1.

Badania nasiąkliwości wagowej wykazały, że efektywność hydrofobizacji w ciągu kolejnych 7 dni wraz z upływem czasu malała, badanie 14 dnia pozwoliło natomiast zaobserwować jej zwiększenie. Najmniejszą zmienność wyników nasiąkliwości wagowej wykazały próbki porównawcze, największą zaś – W1.

Próbki przed badaniem nasiąkliwości nie zostały wysuszone do stałej masy. Ich wilgotność wyjściowa wyniosła ok. 4%. Ze względu na dużą szczelność badanego betonu nasiąkliwość wagowa ostatecznie osiągnęła bardzo małe przyrosty – 1–5,31% w przypadku próbek wzorcowych P.

Wyznaczono wskaźnik nasiąkliwości wagowej [7] determinowany przez stosunek średniej wartości nasiąkliwości wagowej próbek zahydrofobizowanych do materiału porównawczego:

gdzie:

W_h – wskaźnik nasiąkliwości wagowej [%],
n_h – nasiąkliwość wagowa próbki zhydrofobizowanej [%],
n_b – nasiąkliwość wagowa próbki bez hydrofobizacji [%].

Wyniki przedstawiono na RYS. 2.

Największą skuteczność hydrofobizacji po 1 dniu stwierdzono w przypadku próbek zabezpieczonych preparatem R1 – 15,41%. Najmniejszą skuteczność hydrofobizacji – 1,92% – można było zaobserwować już po dobie w przypadku wodnego roztworu silikonianów (W2).

Po 14 dniach badania poszczególne wskaźniki nasiąkliwości nieznacznie wzrosły. Zaobserwowano najniższą skuteczność preparatów wodorozpuszczalnych W1 – 0,96% – i W2 – 1,1%. Najlepszą skuteczność hydrofobizacji uzyskano przy użyciu drobnocząsteczkowych alkiloalkoksysilanów w rozpuszczalniku organicznym R2 – 13,44%.

Zdolność dyfuzji pary wodnej

W celu sprawdzenia, czy hydrofobizacja nie zakłóca dyfuzji par i gazów, wykonano badania paroprzepuszczalności próbek betonowych po hydrofobizacji. Przyjęto po 6 próbek na każdy preparat i materiał wzorcowy.

Po zakończeniu badania nasiąkliwości wagowej próbki zostały osuszone, a następnie pozostawione w warunkach laboratoryjnych w temp. 20  ± 5°C i wilgotności względnej 60  ± 5% w celu schnięcia. W tym czasie określano szybkość ich schnięcia przez pomiar ubytku ich masy, świadczący o ilości odparowanej wody. Jako wskaźnik wilgotności badanego betonu przed impregnacją i po jej wykonaniu wyznaczono procentowy spadek wilgotności po 14 dniach suszenia próbek (TABELA 3).

Po badaniu dyfuzji pary wodnej, po 14 dniach suszenia wilgotność wszystkich rodzajów próbek utrzymywała się na poziomie wyjściowym, czyli ok. 4%.

Po 14 dniach suszenia wilgotność najbardziej spadła w próbkach niehydrofobizowanych – uzyskały one średnią wilgotność o ok. 22% niższą niż na początku badania. W przypadku preparatu W1 i W2 wyniki różnią się zaledwie o 0,11% na korzyść W2 – spadek wilgotności o 20,72%, a W1 – 20,61%.

Można także stwierdzić, że wykres spadku wilgotności ma charakter zbliżony do liniowego w odniesieniu do wszystkich rodzajów badanych próbek. Najmniejszą dyfuzję pary wodnej zaobserwowano w przypadku preparatu wodorowęglanowego R2, który charakteryzował się największą skutecznością hydrofobizacji podczas badania nasiąkliwości.

Spadek nasiąkliwości próbek zabezpieczonych preparatem R2 wyniósł 16,36%, co oznacza o 27,70% mniej niż w przypadku próbek niezhydrofobizowanych P. Świadczy to o uszczelnieniu struktury betonu niskocząsteczkową emulsją silikonową.

Mrozoodporność metodą bezpośrednią

Badanie mrozoodporności wykonano metodą bezpośrednią [11]. Beton poddano 50 cyklom zamrażania–odmrażania, co odpowiada średniemu stopniowi mrozoodporności spośród trzech zalecanych dla betonów zwykłych (F25, F50, F75) [11], a także jest zgodne z normą PN-EN 13581:2004 [12].

W badaniu mrozoodporności średni ubytek masy wszystkich próbek (W1, W2, R1, R2, P) nie przekroczył 0,1%. Znaczące różnice odnotowano natomiast w przypadku spadku wytrzymałości próbek zamrażanych w stosunku do próbek porównawczych (RYS. 3 i RYS. 4). Najmniejsze spadki wytrzymałości na ściskanie, nieprzekraczające 5% (dopuszczalna wartość ubytku masy w badaniu mrozoodporności [11]), stwierdzono w przypadku betonu porównawczego P oraz imperegnowanego preparatami węglowodorowymi R1 i R2.

Warto podkreślić, że w przypadku preparatu R2, niskocząsteczkowego alkiloalkoksysilanu, różnice były zerowe (w granicach błędu pomiaru). Natomiast w przypadku preparatów wodnych W1 i W2 różnice osiągnęły dopuszczalną wartość spadku wytrzymałości, tj. 20% [11], przy czym w betonie W1 wartość ta nie została przekroczona (spadek o 17,9%), a w betonie W2 nieznacznie – o 1,0% (21,0%).

Wodoszczelność betonu

Badania wodoszczelności przeprowadzono po 28 dniach dojrzewania próbek (RYS. 5).

Badanie wykonano pod stałym ciśnieniem wody 500  ± 50 kPa, działającym na powierzchnię próbki przez 72  ± 2 godz. [13]. Po zakończeniu badania próbki zostały rozłupane w celu określenia głębokości penetracji wody (FOT. 1-2).

Na podstawie pomiarów stwierdzono głębsze wnikanie wody w przypadku stosowania preparatów hydrofobowych w porównaniu z próbkami wzorcowymi. Jedynie w przypadku preparatu R1 wynik był porównywalny do betonu niepoddanego hydrofobizacji. Tym niemniej zastanawiający jest wzrost głębokości wnikania wody w obecności powłok hydrofobowych.

Prawdopodobnie dostrzeżone różnice mogą być spowodowane niejednorodnością struktury betonu jako materiału kompozytowego, przy jednoczesnym zadaniu stosunkowo dużego ciśnienia wody (powyżej stopnia wodoszczelności W4 [11]). Podsumowując, nie stwierdzono efektywności stosowania powierzchniowej hydrofobizacji na podstawie klasycznego badania stosowanego przy określaniu odporności betonu na oddziaływanie wody pod ciśnieniem.

Podsumowanie

Skuteczność hydrofobizacji zależy w dużym stopniu od właściwości fizycznych zabezpieczanej powierzchni – porowatości, szczelności, nasiąkliwości oraz rodzaju i stężenia impregnatu. Ze względu na to, że wykonany beton charakteryzuje się niską nasiąkliwością – ok. 4% – przyrost nasiąkliwości podczas badań wyniósł zaledwie ok. 1%. Decydujący wpływ na wynik ma wysoka szczelność betonu – na poziomie 88%.

Różnica w skuteczności pomiędzy preparatami jest zauważalna, jednak hydrofobizacja roztworami wodnymi spowodowała bardzo małe obniżenie nasiąkliwości betonu, co związane jest z jego wysoką szczelnością. Wskaźnik skuteczności hydrofobizacji wyniósł 0,25–6,6%. Beton porównawczy uzyskał nasiąkliwość wyższą od betonu pokrytego preparatem W2 jedynie o 0,07%.

Wyniki te wykazały, że zastosowanie preparatów W1 i W2 nie przynosi oczekiwanych rezultatów, ich stosowanie w impregnacji badanego betonu jest zatem nieopłacalne. Żywica uzyskana z wielkocząsteczkowych silikonianów (W1 i W2) nie gwarantuje dobrego efektu hydrofobowego, co potwierdzono w badaniach nasiąkliwości wagowej.

Dodatkowo preparaty wodorozcieńczalne spowodowały osadzenie się żelu polisiloksanowego w warstwie przypowierzchniowej, a przy tym znacznie zwęziły światło kapilar. Preparat W2 nie wnika w analizowany beton, lecz uszczelnia pory przypowierzchniowe podłoża. Należy przypuszczać, że ograniczyło to możliwość swobodnego przemieszczania się krystalizującego lodu w strukturze analizowanego betonu i spowodowało spadek wytrzymałości betonów hydrofobizowanych silikonianami w stosunku do betonu wzorcowego (18–21%).

W wyniku penetracji wody przez nieszczelną powłokę i korozji mrozowej możliwe jest rozwarstwienie na styku podłoża i powłoki. Jeśli powłoka hydrofobowa niedostatecznie zabezpiecza podłoże przed wnikaniem wody, np. z powodu niewytworzenia się molekularnej powłoki hydrofobowej lub z powodu uszkodzeń mechanicznych, rys, pęknięć, hydrofobizacja może spowodować wzmożony proces destrukcji w porównaniu z materiałem nieimpregnowanym.

Hydrofobizacja materiałów budowlanych powoduje przesunięcie strefy krystalizacji lodu w głąb materiału. Dlatego istotnym parametrem gwarantującym skuteczność hydrofobizacji jest przyczepność powłok do podłoża. W celu potwierdzenia wniosku należałoby wykonać dodatkowe badania mikrostrukturalne, np. mikroskopię elektronową żelu polisiloksanowego w strukturze betonu. Ocena wizualna próbek po zakończeniu badania wykazała ich stan jako bardzo dobry. Nie zauważono żadnych uszkodzeń, co potwierdza brak ubytku masy tych próbek.Cienki film silikonowy uzyskany z preparatów na bazie LZO (R1, R2) zapewnia skuteczność hydrofobizacji.

Ze względu na małocząsteczkową strukturę w stanie wyjściowym preparat niskocząsteczkowy R2 wykazuje bardzo dobrą zdolność penetracji i reaguje chemicznie w betonie w obecności wilgoci atmosferycznej – przechodzi w hydrofobową, odporną na działanie czynników atmosferycznych substancję czynną – polisiloksan.

Powłoki hydrofobowe wykazały dobrą paroprzepuszczalność. Zarówno próbki impregnowane, jak i wzorcowe uzyskały po 14 dniach suszenia wilgotność porównywalną do tej sprzed badania nasiąkliwości, chociaż procentowy spadek wilgotności był najmniejszy w przypadku niskocząsteczkowego preparatu węglowodorowego R2 i wyniósł ok. 16%. Na tej podstawie można wnioskować, że środki hydrofobizujące nie utrudniają dyfuzji pary wodnej z zaimpregnowanego materiału lub czynią to w bardzo małym stopniu.

W badaniach zastosowano preparaty hydrofobizujące w postaci płynów. Głębokość wnikania preparatów w strukturę betonu wyniosła 3-6 mm w przypadku R1 i R2 oraz 0,5–2 mm w przypadku W1 i W2. Z analizy literatury wynika, że dla betonu o wskaźniku w:c = 0,50 (w pracy poddano analizie beton o stosunku w:c = 0,55) bardziej skuteczne byłyby preparaty o gęstszej konsystencji, np. w postaci żelów.

Wykazują one większą głębokość wnikania (ponad 15 mm), a także większą zawartość substancji czynnej na całej głębokości wnikania w porównaniu z płynami. Zawartość substancji na poszczególnych poziomach głębokości decyduje o wieloletniej ochronie betonu.

Słaba skuteczność ochrony może wynikać m.in. z krótkiego czasu nasycania próbek preparatem. Próbki zanurzano w preparacie na 10 s. W dalszych badaniach należałoby wydłużyć czas hydrofobizacji.

W celu szerszej analizy efektywności hydrofobizacji powierzchni betonu należałoby rozszerzyć badania o inne preparaty, np. kremy, żele, a także przeanalizować wpływ rodzaju oraz czasu hydrofobizacji.

Po uwzględnieniu wyników wszystkich badanych właściwości należy jednoznacznie wskazać największą efektywność hydrofobizacji betonu z zastosowaniem niskocząsteczkowego alkiloalkoksysilanu.

Literatura

1. L. Czarnecki, „Materiały do ochrony powierzchniowej konstrukcji z betonu”, XVII Ogólnopolska Konferencja „Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji”, Ustroń, 20–23.02.2002 r., s. 57–77.
2. W. Domasłowski, „Profilaktyczna konserwacja obiektów zabytkowych”, Wydawnictwo UMK, Toruń 1993.
3. L. Czarnecki, „Betony polimerowe”, „Cement – Wapno – Beton”, marzec-kwiecień, nr 2/2010, s. 243–258.
4. PN-S-10040:1999, „Obiekty mostowe. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Wymagania i badania”.
5. PN-B-06265:2004, „Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1. Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.
6. PN-EN 206-1:2003, „Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.
7. R. Krzywobłocka-Laurów, „ZUAT-15/VI.11-1/2000 Środki do powierzchniowej hydrofobizacji betonu”, nr 7, ITB, Warszawa 2000.
8. PN-EN 12390-3:2011, „Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania”.
9. PN-EN 12390-7:2011, „Badania betonu. Część 7: Gęstość betonu”.
10. PN-EN 1936:2010, „Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie gęstości i gęstości objętościowej oraz całkowitej i otwartej porowatości”.
11. PN-B-06250:1988, „Beton zwykły”.
12. PN-EN 13581:2004, „Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Metody badań. Oznaczanie ubytku masy betonu hydrofobizowanego przez impregnację po działaniu zamrażania-rozmrażania w obecności soli”.
13. PN-EN 12390-8:2009, „Badania betonu. Część 8: Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!