Способ изоляции и упрочнения строительных конструкций и композиция для его осуществления

1 Изобретение относится к области строительства и предназначено для использования при изоляции и упрочнении строительных конструкций из бетона, железобетона, дерева, искусственного и природного камня и других строительных материалов, имеющих пористую структуру. Преимущественно изобретение может быть использовано для пропитки строительных конструкций и сооружений в сухом или влажном состоянии с целью их упрочнения и защиты от разрушения, в т.ч. от коррозии. Известны способы повышения изоляционной стойкости и прочности конструкций, например из бетона, путем предварительной пропитки материала конструкции растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1, 2, 3]. Эти способы имеют тот недостаток, что растворитель ПАВ, заполняя поры материала, препятствует последующему заполнению пор полимерной композицией. Кроме того, они недостаточно эффективны и сложны в реализации в связи с длительностью предварительной пропитки и последующим удалением растворителя,из пор материала. При пропитке мелкопористых материалов,например бетона полимерными композициями,происходит хроматографическое разделение компонентов композиций, что исключает возможность их отверждения в объеме бетонных камер (пор). Использование однокомпонентных композиций предусматривает применение физических методов их отверждения, например,полизирующих излучений, что приводит к значительному усложнению технологии процесса пропитки. Во влажных материалах поры заняты водой, поэтому наиболее распространенным методом пропитки таких материалов является использование высокодисперсных цементов или неорганических солей, которые способны осаждаться в порах, каллиматируя их. Такая герметизация пористых материалов происходит в течение очень длительного времени (несколько месяцев) и не обеспечивает увеличение достаточной прочности или хемостойкости бетонного камня. Для осуществления способа изоляции и упрочнения конструкций используют полимерные композиции, которые не подвергались бы адсорбционному разделению в процессе пропитки, имели бы малую вязкость даже при низких температурах, низкую скорость отверждения [4]. При пропитке влажного бетона композиция должна адсорбироваться на поверхности частиц бетонного камня, гидрофобизируя их и тем самым обеспечивая условия вытеснения воды из пор бетона и заполнения их гидрофобной полимерной композицией. Известны полимерные композиции для пропитки строительных конструкций на основе полиизоцианатов, отвердителей, пластификаторов и различных функциональных присадок, 002173 2 например, ускорителей полимеризации [4, 5]. Отверждение таких композиций происходит или за счет взаимодействия полиизоцианата и гидроксилсодержащего отвердителя, или за счет взаимодействия изоцианатных групп полиизоцианата с водой. В первом случае возможно сорбционное разделение компонентов в процессе проникновения композиции в пропитываемый материал, нарушение эквимольности композиции за счет взаимодействия изоцианатных групп как с гидроксильными группами отвердителя, так и с влагой, всегда находящейся в пропитываемом материале в свободном состоянии или в виде адсорбционной пленки. Механические свойства пропитанного материала при этом резко снижаются, поскольку при взаимодействии изоцианатных групп с водой, находящейся в пропитываемом материале, выделяется углекислый газ, что вызывает образование свищей и уменьшение герметичности покрытия. Кроме того, давление образующегося углекислого газа препятствует глубокой пропитке материала. Наиболее близким аналогом по технической сущности и по достигаемому эффекту при осуществлении способа является полимерная композиция, содержащая полиизоцианат [6]. Известная композиция содержит (в массовых частях): Жидкое стекло Полиизоцианат Наполнитель Полиэтиленгликоль Низкомолекулярный гликоль Поскольку в составе композиции имеется жидкое стекло, углекислый газ не выделяется. Однако из-за наличия большого количества водорастворимых веществ (жидкое стекло, полиэтиленгликоль, низкомолекулярный гликоль),которые при пропитке влажных материалов растворяются в воде, существенно снижаются физико-механические параметры покрытия. Кроме того, одновременное присутствие в составе композиции как изоцианатных, так и гидроксилсодержащих групп, а также воды, приводит к ее низкой жизнеспособности в связи с протекающими между группами химическими реакциями. В основу изобретения поставлена задача совершенствования способов и материалов для обработкиповерхностей с достижением технического результата в отношении повышения эффективности изоляции и упрочнения строительных конструкций с использованием полимерной композиции с улучшенными проникающими свойствами за счет низкой вязкости и малой скорости отверждения. С этой целью осуществляется дополнительная физикохимическая активация поверхности пор влагонасыщенного изолируемого материала и их гидрофобизация, что способствует вытеснению 3 воды из объема бетона и проникновению в объем материала пропитывающей композиции. Поставленная задача решается тем, что в способе изоляции и упрочнения влагосодержащих строительных конструкций путем очистки поверхности и покрытия ее композицией, согласно изобретению, пропитку производят в n этапов, выбирая n в пределах 1n15, раствором композиции в виде смеси полиизоцианата и вещества, выбранного из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее, чем 2-х оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп. При этом наносят пропитку на единицу площади обрабатываемой поверхности в количествах, минимальное значение m1 и максимальное значение m2 которых выбирают в пределах, отвечающих соотношению 0,65(m1 +m2)/m22,7, где- экспериментальный коэффициент, выбираемый в зависимости от изолирующих и упрочняющих свойств пропитки, в пределах 0,651,7. Тем самым обеспечивают проникновение пропитки в поры на глубины, минимальные значения d1 и максимальные значения d2 которых выбирают в пределах, отвечающих соотношению 1(d1 + d2)/d22. Отличительной особенностью способа является также то, что на первом этапе пропитки конструкцию активируют раствором вещества,выбранного из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее, чем 2-х оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп, в органическом растворителе, причем ингредиенты раствора смешивают в следующем соотношении (в массовых частях): вещество, выбранное из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее, чем 2-х оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп - 1,органический растворитель -1-10. Композиция для изоляции и упрочнения строительных конструкций, характеризуется тем, что содержит полиизоцианат и вещество,выбранное из группы: краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее, чем 2-х оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп, при соотношении содержания соответственно C1 полиизоцианата и С 2 второго компонента, отвечающих соотношению 1,01(C1 + С 2)/C114, где- экспериментальный коэффициент, выбранный в зависимости от пористости обрабатываемой поверхности в пределах 0,831,3. При этом в композицию ингредиенты могут быть введены в следующем соотношении (в массовых частях): полиизоцианат 100; 4 вещество, выбранное из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее, чем 2-х оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп - 1-400. В эту композицию может быть дополнительно введен растворитель. В качестве полиизоцианата в композиции может быть использовано вещество, молекула которого содержит, по крайней мере, 2 изоцианатные группы. Кроме того в качестве краунэфиров в композиции могут быть использованы вещества, молекула которых содержит не менее двух оксиэтиленовых или оксипропиленовых звеньев. В композиции молекулы краунэфиров могут содержать, по крайней мере, одну сложноэфирную группу. Целесообразно дополнительно отметить,что композиция для изоляции и упрочнения строительных конструкций, содержащая полиизоцианат, согласно изобретению, дополнительно содержит краунэфиры, причем ингредиенты смешивают в следующем соотношении (в массовых частях): полиизоцианат - 100 и краунэфир - 1-400. Функции краунэфира выполняет полиэтиленгликоль, причем он не вступает в химическое взаимодействие с полиизоцианатом. Предпочтительно выполнение изобретения, по которому в расчете на 100 массовых частей берется 1-200 массовых частей краунэфира. По предложенному изобретению под краунэфирами подразумеваются вещества линейного или разветвленного строения, имеющие, как указывалось, в своем составе не менее двух оксиэтиленовых или оксипропиленовых звеньев, кроме того, в молекуле, содержащей краунгруппу, находится, по крайней мере, одна сложноэфирная группа. Введение в молекулу,содержащей в своем составе краунэфир, одной или несколько сложноэфирных групп, значительно увеличивает эффективность пропитки пористых материалов. Таким образом, использование в предлагаемом способе данной композиции приводит к тому, что сложноэфирные группы, адсорбируясь на предварительно гидратированных поверхностях, практически мгновенно гидролизируются. Вследствие этого молекулы краунэфира удерживаются на поверхности и в конечном счете покрывают ее плотно упакованным слоем. Продукты гидролиза блокируют поверхность, и реакция гидролиза прекращается. Физико-химический эффект повышения изоляционных и прочностных свойств изолируемых конструкций заключается в предварительной гидрофобизации поверхности пор материала конструкции (в частности, в виде активирования на первом этапе пропитки) с вытеснением из него воды и дальнейшим заполнением пор диизоцианатом, содержащим вспомогательные вещества и отверждение диизоцианата по механизму образования изоциануратных структур. Гидрофобизация поверхности пор происхо 5 дит за счет того, что в составе полимерной композиции находятся вещества, взаимодействующие с бетоном - сложноэфирные группы и краунэфиры. Краунэфиры образуют корону вокруг катионов металлов, соли которых входят в состав бетона и располагаются на поверхности бетонных пор. При этом происходит гидрофобизация поверхности. Кроме того, при формировании короны образуется рыхлая ионная пара, под воздействием которой изоцианатные группы полиизоцианата вступают во взаимо 6 действие друг с другом и образованием изоциануратных структур. Реакция тримеризации этих групп протекает без выделения углекислого газа. Образующиеся изоциануратные структуры увеличивают прочность и хемостойкость образующегося полимера. Изложенная сущность предполагаемого изобретения в дальнейшем поясняется подробным описанием способа и композиции на следующих примерах его практического осуществления. Таблица 1 Перечень возможных ингредиентов композиций и их используемых соотношений Номер композиции 1 2 3 Продукт взаимодействия 2 М 2,4 ТДИ и 1 М полиэфирапродукта взаимодействия 2 М триэтиленгликоля и адипино кислоты Продукт взаимодействия 2 М 2,4 ТДИ и 1 М полиэфирапродукта взаимодействия 2 М этиленгликоля и 1 М адипиновой кислоты Для определения эффективности пропитки бетона были приготовлены модельные образцы. Для этого в стеклянные трубочки диаметром 1 см помещалась влажная смесь из 4 частей песка и 1 части цемента, смесь уплотнялась под дав лением 1,0-1,5 МПа. Через 30 дней трубка со смесью помещалась в воду на 10 дней, затем избыток воды сливался, поверхность бетона промокали и на него наливали слой композиции толщиной 5 см. Через 7 дней образец извлекался 7 из трубки и распиливался на диски толщиной 1 см, которые подвергались испытанию на сжатие. Прочность непропитанного бетона составляла 41 МПа. Таблица 2 Влияние пропитки бетона на его прочность Номер Номер Номер компо- Расстояние Прочность примера компози- зиции предва- испытываемо- при сжации рительной го слоя от тии, Мпа пропитки торца образца,см 1 1 1 42 2 1 2 41 3 1 21 1 58 4 1 21 2 52 5 1 25 1 49 6 1 25 2 44 7 2 1 53 8 2 20 1 50 9 3 1 59 10 3 2 43 11 3 22 1 78 12 3 22 2 62 13 3 22 3 45 14 4 22 1 84 15 4 22 2 77 16 4 22 3 62 17 4 22 4 48 18 5 22 1 73 19 5 22 2 68 20 5 22 3 51 21 5 22 4 43 22 6 1 46 23 6 22 1 52 24 7 1 68 25 7 21 2 108 26 8 24 2 102 27 9 22 2 124 28 10 21 2 119 29 11 23 2 55 30 12 23 2 88 31 13 23 2 51 32 14 23 2 52 33 15 24 1 63 34 16 24 1 97 35 16 24 2 83 36 17 24 1 79 37 17 24 2 62 38 18 24 1 99 39 18 24 2 86 40 19 24 1 63 41 20 24 1 90 Пример 42 (по ближайшему аналогу). Композицию состава: жидкое силикатное стекло - 100 мас.ч., полиизоцианат - 120, мел 20, полиэтиленгликоль - 30, диэтиленгликоль - 1 использовали для пропитки образцов бетона,приготовленных и испытанных в аналогичных условиях. Прочность пропитанного бетона на расстоянии 1 см от торца составляла 42 МПа, на расстоянии 2 см - 40 МПа. При пропитке под давлением 50 МПа прочность образца на расстоянии 1 см составляла 74 МПа, 2 см - 51 МПа. Пример 43. Бетонные цилиндры диаметром 15 мм помещали в воду на срок не менее 1 месяца, затем 8 извлекали из воды, торец цилиндра вытирали влажной ветошью и на него наносили слой композиции 21, а через 2 ч -8. Через 1 ч композицию удаляли с поверхности цилиндра сухой ветошью, цилиндр помещали в обойму. Через 1 сутки обойму с цилиндром помещали в установку, с помощью которой через цилиндр продавливалась вода под давлением 8 атмосфер. Вода подавалась со стороны непропитанного торца цилиндра в течение 5 ч. В результате эксперимента было установлено, что проникновение воды через цилиндр за указанное время не наблюдалось. Пример 44. Композиция состава: полиизоцианат - 100 мас.ч., метакрил-(бис-триэтиленгликоль)фталат- 30 м.ч., ксилол - 50 м.ч., была испытана для гидрофобизации отмокающей кирпичной кладки. Композицию наносили на поверхность кладки с помощью пульверизатора в количестве 0,4 кг/кв.м. Испытания показали, что отмокание кладки было прекращено. Пример 45. Композиция состава: полиизоцианат - 100 мас.ч., метакрил-(бис-триэтиленгликоль)фталат- 10 м.ч., трихлортриэтилфосфат - 30 м.ч., ксилол -50 м.ч. была испытана для пропитки древесины (бук) для упрочнения, защиты от гниения,поражения насекомыми и уменьшения горючести. Пропитку проводили путем погружения древесины в композицию до полного насыщения. Испытания, проведенные через 1 месяц после пропитки, показали, что прочность древесины при растяжении вдоль волокон возросла с 700 до 1150 кг/кв.см. Пример 46. Композиция 25 была использована для пропитки влажной кирпичной кладки. Для этого композицию с помощью пульверизатора наносили на кладку, расход композиции составил 0,8 кг/кв.м. На следующий день кладка была обработана композицией, состоящей из полиизоцианата (неочищенного 4,4'-дифенилметандиизоцианата) - 100 мас.ч., метакрил(бисдиэтиленгликоль)фталата -200 м.ч., этилацетата 100 мас.ч. Расход композиции составил 0,6 кг/кв.м. Через 10 дней поверхность кладки стала сухой. Пример 47. Композиция состава: полиизоцианат - 100 мас.ч., трихлортриэтилфосфат -50 мас.ч., 15 краун-5 - 5 мас.ч., ксилол - 100 мас.ч., была использована для пропитки буковых брусьев элементов входного шлюза (ватерпорт) сухого дока. Пропитку производили с целью упрочнения древесины, защиту ее от гниения и поражения морскими организмами, понижения горючести. На поверхность брусьев композицию наносили послойно кистями, каждый наносимый слой для предотвращения испарения ксилола закрывали полиэтиленовой пленкой. Расход композиции составил 2,6 кг/кв.м. Осмотр брусьев, проведенный через один год эксплуатации дока, показал, что непропитанные брусья были поражены морскими организмами, в брусьях наблюдались сквозные отверстия. На обработанных брусьях видимые следы поражения отсутствовали. Пример 48. Бетонная емкость станции приема минеральной воды бальнеологического курорта под воздействием содержащегося в воде сероводорода начала интенсивно разрушаться. Для упрочнения бетона и защиты его от разрушения он был предварительно пропитан составом: метакрил-(бис-триэтиленгликоль)фталат - 100 мас.ч., этилацетат - 100 мас.ч. Расход состава составил 2 кг/кв.м. Через день бетонные конструкции были пропитаны составом: полиизоцианат - 100 мас.ч.,эпоксидированный полипропиленгликоль -30 мас.ч.,дибензо-18-краун-6 - 1 мас.ч., ксилол - 30 мас.ч. Расход композиции составил 2,4 кг/кв.м. Через 10 дней из пропитанного бетона сооружений были взяты керны. Механические испытания показали,что прочность бетона при изгибе в результате пропитки увеличилась с 36 до 180 кг/кв.м, прочность при ударе с 0,01 Мдж/кв.м до 0,2 Мдж/кв.м, количество открытых пор уменьшилось с 11 до 3%. Взятые керны были помещены в содержащую сероводород минеральную воду. Испытания, проведенные через 4 месяца, показали, что прочность пропитанного бетона уменьшилась на 3-5%, прочность не пропитанного бетона уменьшилась на 13-18%. Как видно из приведенных примеров, использование диизоцианатов, способных к реакции тримеризации в сочетании с краун(псевдокраун)эфирами обеспечивает более высокую прочность пропитанного пористого материала, предварительная пропитка влажного бетона значительно увеличивает глубину проникновения в него полимерной композиции, а наличие сложноэфирных групп в веществе используемого для предварительной пропитки влажного бетона дополнительно повышает глубину пропитки. Использование композиций в предлагаемом способе производят путем нанесения их на поверхность конструкций любым известным способом (набрызг, намазывание, напыление и т. д.). В случае необходимости обработки массивных конструкций и сооружений в их теле высверливают отверстия, через которые производят нагнетание композиции. Источники информации 1. С.Н. Попченко. Гидроизоляция сооружений и зданий. Стройиздат. М., 1981, с. 155. 2. Долговечность и защита конструкций от коррозии, строительство, реконструкция. Материалы международной конференции 25-27 мая 1999 г. М.,1999, с. 592. 3. Заявка Японии 64-547, кл. E 04G 23/02,1989. 4. Патент США 4142344, кл. Е 04 В 1/35, 1979. 5. Патент Франции 2689921, кл. Е 04 В 1/64,1993. 10 6. Авт. свид. СССР. 3 1641043, кл. E 21D 21/00,1990 (ближайший аналог). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изоляции и упрочнения строительных конструкций, включающий очистку поверхности конструкций и пропитку их композицией, отличающийся тем, что пропитку производят в n этапов,выбирая n в пределах 1n15, раствором композиции в виде смеси полиизоцианата и вещества, выбранного из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее чем 2 оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп, пропитку наносят на единицу площади обрабатываемой поверхности в количествах, минимальное значение m1 и максимальное значение m2 которых выбирают в пределах, отвечающих соотношению 0,65(m1+m2)/m22,7, гдеэкспериментальный коэффициент, выбираемый в зависимости от изолирующих и упрочняющих свойств пропитки, в пределах 0,651,7, обеспечивая ее проникновение в поры на глубины, минимальные значения d1 и максимальные значения d2 которых выбирают в пределах, отвечающих соотношению 1(d1+d2)/d22. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе пропитки конструкцию активируют раствором вещества, выбранного из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее чем 2 оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп, в органическом растворителе, причем ингредиенты раствора смешивают в следующем соотношении,мас.ч.: вещество, выбранное из группы, включающей краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее чем 2 оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп - 1,органический растворитель - 1-10. 3. Композиция для осуществления способа изоляции и упрочнения строительных конструкций,содержащая полиизоцианат и вещество, выбранное из группы: краунэфир и/или вещества, имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее чем 2 оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп,при соотношении содержания соответственно C1 полиизоцианата и С 2 второго компонента, отвечающих соотношению 1,01(C1+C2)/C114, где- экспериментальный коэффициент, выбранный в зависимости от пористости обрабатываемой поверхности в пределах 0,831,3. 4. Композиция по п.3, отличающаяся тем, что ингредиенты введены в следующем соотношении,мас.ч.: полиизоцианат - 100, вещество, выбранное из группы, включающей краунэфир и/или вещества,имеющие в своей структуре цепочку, состоящую из не менее чем 2 оксиэтиленовых или оксипропиленовых групп - 1-400. 5. Композиция по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит растворитель.