Введение

Интерес к пропитывающим составам для бетона в России появляется в конце 90-х годов 20 века на фоне прихода в Россию западных (европейских и американских) способов устройства бетонных полов. Пионером передовых технологий того времени можно считать технологию вакуумирования, более известную в России как «технологию Tremix», по названию фирмы производителя комплекта оборудования для производства данного вида работ. В технологии вакуумирования используется жидкий состав для финишной обработки поверхности нового пола, защищающий бетон от преждевременной потери влаги. Но компании, предлагающие этот состав не называют его пропиткой.

Строительный рынок того времени (в конце 90-х годов) требовал недорого материала, способного избавить от пыления старые и новые бетонные полы. Старых, порядком изношенных, бетонных полов было подавляющее большинство, посему появившийся в конце 20 века на российском рынке материал «Ашфорд Формула» рассматривался практически как «зеленая таблетка» от всех проблем, связанных с пылением.

Термин «пропитка». Физический смысл. Связь эффектов «проникновение» и «упрочнение»

Термин «пропитка, пропитывающий состав», пожалуй, в России появился в самом конце 20 века с появлением на российском рынке материала «Ашфорд Формула» производства Curecrete Chemicals (США). Слова «пропитка, пропитывающий состав» означают, что жидкий материал после его нанесения на поверхность не остается и полимеризуется на ней, а «проникает» в основание, «пропитывает» его на определенную глубину. Проникновение в бетон означает отсутствие на поверхности бетона какой-либо пленки. При этом материал либо способен упрочнять бетон на глубину проникновения, либо выполняет другую функцию (например, гидроизолирует).

В последнее время термин «пропитка» закрепился за проникающими составами с эффектом упрочнения поверхностного слоя - И не случайно. Как будет показано дальше, именно наличие или отсутствие у материала эффектов «проникновения» и «упрочнения» достаточно точно характеризует класс жидких материалов, который производитель/продавец называет «пропитка», пытаясь с помощью этого, еще недавно популярного слова, привлечь дополнительных клиентов.

Почему не все пропитывающие составы упрочняют?

Безусловно, не все пропитывающие материалы упрочняют. Почему? Ответ достаточно очевиден – чтобы упрочнить поверхностный слой пропитывающий состав должен либо:

а) полимеризоваться в порах бетона и иметь такую собственную прочность, чтобы 5-10% объема занятого полимеризованной пропиткой существенно увеличивали прочность оставшихся 90-95 % объема, который занимает бетон (итоговая прочность будет сложным среднеарифметическим значений собственной прочности материалов, в нашем случае бетона и пропитки);

б) пропитка должна каким-то образом реагировать с веществами, содержащимися в бетоне, с образованием химических веществ, «естественным» образом увеличивающих прочность конструкции.

Первый вариант практически нереален – для увеличения прочности поверхностного слоя бетона марки 300 на 30%, такая пропитка должна иметь собственную прочность на уровне марки 1200, при условии, что пропитка полимеризуется в 10% объема бетона. Для значения уровня пор в бетоне 5% данная цифра будет в 2 раза выше. Это означает, что реально упрочнять поверхность бетона способны только пропитки химического принципа действия, причем причина упрочнения иная, и связана с уменьшением количества пор, но не за счет полимеризации в них «инородного» материала, а за счет кристаллизации в них (порах) продуктов химической реакции пропитки и веществ, находящихся вне кристаллической решетки бетона.

Подробно процесс химического упрочнения будет рассмотрен в конце данной статьи. Короткое резюме: при оценке «пропитывающего состава» необходимо понимать - сможет ли он «реально» проникнуть в структуру бетона, и вступит ли данный материал в реакцию с компонентами бетона.

Смысл терминов «химическое упрочнение» и «химическая стойкость»

При детальном рассмотрении заявляемых свойств «пропиток» нередко встречаешь 2, на первый взгляд, похожие фразы: «…проникает в тело бетона и вступает в химическую реакцию…» и «…химическая стойкость бетона повышается…». На самом деле один и тот же материал из группы пропиток не может одновременно, и вступать в химическую реакцию и повышать химическую стойкость. Почему? Вернемся к краткому описанию механизма действия пропиток проникающего действия. Химизм действия данных материалов предполагает получение веществ, «естественным» образом увеличивающих прочность конструкции. Таким образом, это, скорее всего, такие же химические вещества, что образуются в процессе гидратации цемента в бетоне, а значит, бетон после этого, хотя и стал прочнее, остался бетоном, его химическая стойкость никак не изменяется ни в какую сторону.

Так что способно защитить бетон от химической агрессии? Конечно, вещество, которое изолирует вещества в кристаллической решетке бетона от вредного воздействия агрессивного вещества. Для решения этой задачи существует 2 возможности:

а) простая - закрыть доступ к бетону по периметру конструкции;

б) сложная – изолировать каждый из узлов кристаллической решетки бетона с той же целью. Очевидно, что второй вариант в настоящее время неосуществим, посему, если в описании действия «пропитки» заявлено увеличение химической стойкости бетона, то либо

а) поставщик данного материала искажает информацию доносимую до потребителя, либо

б) материал - пленкообразующий и ни о каком проникновении и вступлении в химическую реакцию не может быть и речи.

Я неспроста указал оба признака (и «проникновение» и «химическую реакцию»). Дело в том, что, как будет показано ниже, большая часть пленкообразующих материалов при разбавлении растворителем, способна проникать в бетон, но в реакцию вещество не вступает и цели преследует иные.

Тонкослойные полимерные материалы. Предназначение. Классификация.

Еще сравнительно недавно под термин «пропитка» чаще всего «косили» органические полимерные материалы. Это материалы на основе полиуретановых, эпоксидных и прочих смол. В технологии полимерных полов, к которой и относятся данные составы существует 2 типа материалов:

1) обеспечивает сцепление основного слоя с основанием и такие составы называются грунтовками (или на иностранный манер «праймерами»);

2) закрывают или «запечатывают» готовое полимерное покрытие (чаще всего декоративное) и такие составы называются «финишными лаками» или просто «лаками».

Оба типа материалов - тонкослойные (могут наноситься тонким слоем), а грунтовки имеют возможность разбавления органическими растворителями со снижением вязкости, а значит с облегчением возможности проникновения в бетон. Отличительной особенностью большинства полиуретановых составов служит то, что они представляют собой и грунтовку и основной слой и финишный лак в «одном флаконе». Получить в такой ситуации «пропитку» труда не составляет – для этого достаточно разбавить грунтовку в 2-3 раза подходящим растворителем. Полученный состав достаточно легко пропитает бетон и обеспечит сцепление основного слоя, но упрочнить бетон он не сможет. Собственная прочность грунтовок и лаков примерно в 2 раза выше собственной прочности бетона марки 300. Посему полимеризации в 5-10% объема бетона недостаточно для ощутимого увеличения прочности. Что касается лаков, то они, в большинстве своем, совсем не проникают в структуру бетона, образуя на поверхности пленку, которая, безусловно, будет иметь повышенную химическую стойкость, но и в обязательном порядке будет подвержена истиранию.

Тонкослойные полимеры. Сущность в названии

Существует 2 способа быстрого отнесения «пропитывающего» материала к данному классу. Первый - обращать внимание на название материала, т.к. многие производители, называют

материалы, исходя производственной необходимости. И только потом подгоняют название материал под рынок. Вот и появляются такие названия материалов, как: «...-ПУ... (полиуретан)»; «..ЭП...», «Эп...» (эпоксид); «...ХВ...» (хлорвинил).

Второй способ распознавания тонкослойного полимера применим практически ко всем «пропиткам» - это внимательное изучение (по описанию или на переговорах с поставщиком) химического состава данной «пропитки». Если только в составе (явно или как часть материала) упоминается какое-либо органическое вещество (полиуретан, эпоксид, акрилат и метаакрилат, ПВХ, полиэфир и т.д.), с высокой долей вероятности можно отнести данную «пропитку» к грунтовкам или лакам. Остальные косвенные признаки описаны выше и, в основном, касаются проникновения, упрочнения и химической стойкости.

Защита бетона от пропитывания водой. Гидрофобизаторы и жидкая проникающая гидроизоляция.

Также многочисленный класс «пропиток» это гидрофобизаторы и жидкие материалы проникающей гидроизоляции. Предназначение и у тех и у других фактически одно – не допустить просачивание влаги через толщину бетонной конструкции. Механизм действия, однако, различен. Если гидрофобизаторы больше похожи на пленкообразующие составы и механизм действия полностью соответствует названию данного типа: «гидро» - вода, «фобос» - не любить, то проникающие составы образуют в толще бетона водонепроницаемую мембрану за счет кальматирующего эффекта. Ни в том, ни в другом случае упрочнения никакого не наблюдается. Самым заметным эффектом является увеличение морозостойкости. Причины его легко объяснимы – не допуская внутрь бетонной конструкции воду, материал автоматически исключает факт многократного замораживания и оттаивания воды, которое сопровождается изменением объема в связи с разной плотностью воды и льда.

Именно увеличение объема, которое занимает вода при замерзании, приводит к постепенному разрушению конструкции. Соответственно, если в структуре нет воды, значит нет разрушающих деформаций и, следовательно, морозостойкость бетона увеличивается.

Потеря свежеуложенным бетоном влаги. Силеры и кьюринги.

Отдельный тип «пропиток» для бетона силеры и кьюринги. С точки зрения химии это одинаковые материалы. Силер английское слово, пришедшее из-за океана, а кьюринг слово немецкое и пришло из Германии. Обоими названиями характеризуются материалы, предназначенные для защиты свежеуложенного бетонного пола от преждевременного испарения влаги. Первоначально данные материалы использовались для защиты топпинга (сухой упрочняющей смеси, которая втирается в верхний слой бетона непосредственно во время бетонирования (т.н. метод «сухое вещество по мокрому основанию») и предназначена для увеличения механической прочности и абразивной стойкости бетонного пола). Стандартная толщина топпинга на поверхности бетона 2-3 мм и, естественно, именно этот слой наиболее быстро потеряет влагу, которая необходима топппингу (как цементсодержащему составу) для оптимального набора прочности. Необходим был материал, который надежно запечатает поверхность и не позволит влаге испаряться. В России силеры/кьюринги стали использовать не только для защиты полов с топпингом, но и для защиты гладкозатертого бетона и без дополнительного упрочнения. Этот способ оказался более современным и не менее надежным, чемтрадиционноеукрывание поверхности мокрыми опилками и прочиме советские способы защиты свежего бетона. По химическому составу "запечатки" (жаргонное название этого типа материалов) разнообразны, но чаще всего основой служит водная дисперсия акриловой смолы. В качестве «напарника» используются полиуретан, латекс. По механизму действия они близки к финишным лакам, описанным выше, но главное различие в том, что лаки не «ложатся» на влажную поверхность, слезают, как кожа, а силеры образуют на поверхности влажного бетона влагонепроницаемую пленку. Несмотря на заверения многих производителей и продавцов силеров, что материал пропитывает поверхность бетона, химический состав этих материалов и основное предназначение заставляют сомневаться в возможном проникновении силеров/кьюрингов в бетон, не говоря уже об его упрочнении.

Силеры и кьюринги. A есть ли упрочнение?

Эффект упрочнения вполне допустим, но только связан он может быть исключительно с более хорошими условиями для гидратации цемента в бетоне, по сравнению с другими способами его защиты. Механическая и абразивная прочность данных материалов невысока, т.к. они не предназначены для длительного решения этой проблемы. С последним вызказыванием сегодня полностью соглашаются производители и продавцы средств по уходу за свежим бетоном. Распознать силер или кьюринг достаточно просто: в большинстве случаев в названии они содержат либо слог «сил» («seal») или слог «кур», «кюре» («cure»). Для подстраховки можно поискать в описании химический состав. Если в составе присутствует упоминание об акриловой дисперсии или акриловом лаке – перед вами, скорее всего, средство по уходу за бетоном.

Растворимые соли в бетоне. Высолы. Кремнефториды и флюотирование.

Наиболее полно отвечают термину «упрочняющая пропитка» материалы на основе кремнефторидов (фторсиликатов) и основе из силикатов щелочных материалов. Кремнефториды являются солями сильной кремнефтористой кислоты (Н2SiF6). Большинство кремнефторидов труднорастворимо в воде, исключение составляют кремнефториды магния, цинка, алюминия, которые повсеместно применяются в строительстве для флюотирования бетонных и железобетонных конструкций. Принцип флюотирования основан на химической реакции между кремнефторидом и кальцийсодержащими веществами (гидроксидом и карбонатом) с образованием труднорастворимых солей: кремнефторида кальция и гидроксида (магния, цинка, алюминия). Таким образом, после флюотирования вынос на поверхность растворимых солей будет исключен, и поверхность бетона не будет пылить.

Пропитки на основе кремнефторидов. Результаты испытаний и химия взаимодействия с бетоном.

Для закрепления эффекта флюотирования пропитки на основе кремнефторидов часто состоят из двух несмешиваемых компонентов, один из которых на основе кремнефторида, а второй по химии сравним с силерами (водный раствор акриловой смолы).Данные материалы, безусловно, проникают в поверхностный слой бетона и вступают в химическую реакцию. Но если при этом упрочнение? В результатах испытаний одной известной марки пропитки на основе кремнефторида испытаний на механическую прочность (сжатие, изгиб, растяжение) не приведены, зато присутствуют результаты испытаний на абразивную стойкость, которые заставляют усомниться, либо в приведенных цифрах, либо в методике испытаний. Для понимания причин сомнений необходимо вернуться к освещению вопроса совместного эффекта проникновения и упрочнения. Итак, кремнефторид из пропитки вступил в реакцию с кальцийсодержащими веществами в бетоне, и образовались труднорастворимые соли, которые кристаллизовались в порах бетона. По отношению к кристаллической решетке бетона данные соединения являются «инородными», они отличаются от них по химическому составу. Напомню, что в таком случае даже при объемной доле пор в 10% для существенного увеличения прочности собственная прочность веществ должна быть в 4-5 раза выше прочности бетона. Этого быть не может. Механическая прочность пусть и косвенно, но связана с абразивной стойкостью и понятно почему – чем прочнее отдельное зерно на поверхности, тем выше будет и абразивная стойкость.

Кремнефториды. Возможно ли увеличение абразивной стойкости в 5-10 раз?

Сухая упрочняющая смесь (топпинг) на основе кварца имеет собственную прочность на сжатие (испытания проводят не на образцах бетона с нанесенным топпингом, а затворяют водой «чистый» топпинг и потом испытывают по стандартной процедуре) в 2-3 раза выше прочности современного товарного бетона. При этом данные по абразивной стойкости (износостойкости) улучшаются примерно на такой же порядок (2-3 раза). При этом надо помнить, что топпинг материал цементный и продукты гидратации похожи на продукты гидратации цемента в бетоне. Именно поэтому топпинг образует «единую» структуру с основной конструкцией, посему улучшение показателей по прочности и абразивной стойкости вполне объяснимы. Каким образом пропитка на кремнефторидной основе в сочетании с силером, не имеющим собственной высокой абразивной стойкости, увеличивают данный показатель в 5-10 раз? Данный вопрос остается без ответа уже несколько лет. При попытках ответа на него не стоит забывать то, что пропитки на кремнефтористой основе могут наноситься на бетон не ранее 7 дней после его укладки и, следовательно, повлиять на потерю бетоном влаги существенным образом не могут.

Стандарт класса «упрочняющая пропитка проникающего действия».

Водные растворы силикатов щелочных металлов (натрия, калия, лития) с добавлением различных органических добавок в настоящий момент являются стандартом для термина «упрочняющая и обеспыливающая пропитка проникающего действия». Итак, разберем данный термин по порядку. Состоящие примерно на 80% из воды и примерно на 20% из неорганических соединений, данные материалы легко впитываются в бетон. Причем настолько легко, что для обеспечения протекания химической реакции требуется «задержать» раствор в поверхностном слое. Именно поэтому упрочняющие пропитки (этот термин мне нравится больше) очень чувствительны к марочности бетона, из которого выполнен пол, и состоянию поверхности. Причем влияние этих факторов пересекающееся: гладкозатертый бетон марки 200 пригоден для нанесения упрочняющих пропиток, а шлифованный бетон марки 300 не пригоден. В общем случае высокомарочный бетон имеет меньшее количество пор, нежели низкомарочный, а поверхность гладкозатертого бетона более плотная по сравнению с поверхностью шлифованного. Все это либо позволяет пропитке быстро мигрировать в глубину стяжки, не успев прореагировать с бетоном в поверхностном слое, либо впитавшись на глубину всего 1-2 мм реализовать заложенную в материал функциональность.

Механизм действия упрочняющих пропиток.

Несмотря на разнообразие упрочняющих пропиток, продающихся в настоящее время в России, механизма их действия практически никто не приводит. Я изложу свои мысли по, которые основаны на размышлениях над результатами использования упрочняющих пропиток, в т.ч. технических данных по изменению прочности на сжатие, абразивной стойкости, на связи технических данных и предполагаемого химизма.

В качестве примера рассмотрим пропитку на основе силиката натрия или «жидкого стекла», как самой популярной основы упрочняющих пропиток. Безусловно, в пропитке не чистое «жидкое стекло», а с полимерными добавками, которые позволяют раствору долгое время сохранять стабильность (самопроизвольно не полимеризоваться). Как уже писалось выше, в бетоне присутствует некоторое количество кальцийсодержащих веществ, в большей степени гидрооксида, в меньшей степени карбоната, который образуется из гидрооксида при контакте с углекислым газом, содержащимся в воздухе.

Реакция №1. Образование гидросиликатов кальция

По моему мнению, силикатная составляющая пропитки (а силикаты щелочей растворимы в воде) вступает в реакцию с гидрооксидом кальция, содержание которого в первые сутки с момента затворения бетонной смеси водой, повышенное. В результате образуются гидросиликаты кальция, схожие по составу с веществами, которые получаются в результате гидратации цемента в бетоне. Вновь образованные вещества кристаллизуются в порах бетона, как бы «достраивая» и «исправляя» кристаллическую решетку в поверхностном слое. Не являясь «чужеродными», «инертными» веществами они, равно как в случае с топпингом, образуют единый монолит с бетоном. Только заполнением пор гидросиликатами кальция и достраиванием кристаллической решетки можно объяснить как факт увеличения прочности на сжатие обработанного бетона, так и его невысокое (30-40%) относительное увеличение этой прочности. Относительное увеличение абразивной стойкости еще меньше: на уровне 23-25%. И это тоже объяснимо с точки зрения образования на поверхности бетона веществ ничем (в том числе абразивной стойкостью) от него не отличающихся. А сам факт увеличения объясним обычным уплотнением поверхности и снижением

на ней количества дефектов. Бесспорно, более качественная поверхность сопротивляется износу более качественно.

Реакция №2 Образование труднорастворимых соединений. Отличие от флюотирования

Вторым направлением действия упрочняющих пропиток может являться нейтрализация в бетоне растворимых солей, что несколько схоже с флюотированием, но только внешне. Упрочняющие пропитки, в отличие от кремнефторидов, нейтрализуют не действие кальцийсодержащих веществ (для этого в составе упрочняющих пропиток есть силикаты щелочей), а, действие содержащихся в небольшом количестве, солей щелочных металлов (сульфатов, карбонатов натрия и калия, в частности). Нейтрализация осуществляется за счет перевода этих растворимых солей в нерастворимые соли. Например, в фосфаты, которые имеют еще и повышенную собственную прочность, что благотворно влияет на конечную прочность бетона.

Как изменится бетон после обработки упрочняющей пропиткой?

И, наконец, вопрос влияния упрочняющей пропитки на свойства бетона и его поверхности. Ответ более, чем очевиден – пропитка никак не влияет на свойства бетона. После применения материала ни пленки, ничего другого не остается. С одной стороны это минус: бетон не приобрел в результате пропитывания никаких специальных свойств (химической стойкости, антистатичности и т.д.). Но с другой стороны – если вы изготовили бетон со специальными свойствами (антистатический, гидротехнический и т.д.), пропитка его упрочняющим составом никак не изменит специального предназначения бетона, а просто уплотнит и повысит прочность поверхностного слоя. Как серьезное упрочнение обработка упрочняющими пропитками рассматриваться, конечно, не может, а вот как некий запас прочности к собственной прочности поверхности с одновременным эффектом обеспыливания, вполне годится.