Effect of hydrophobization on the durability of building ceramics

Wp³yw hydrofobizacji na trwa³oœæ powierzchni

ceramiki budowlanej

*)

Stanis³aw Fic

_{, Mariusz K³onica}

_{, Andrzej Szewczak}

Streszczenie: Oceniono wp³yw hydrofobizacji powierzchni ceg³y ceramicznej pe³nej za pomoc¹

prepara-tu na bazie nanopolimerów z dodatkiem nanokrzemionki na trwa³oœæ pow³oki badanego materia³u. Twardoœæ powierzchniow¹ wyznaczono po 14 dniach sezonowania próbek po hydrofobizacji oraz po 20 cyklach: zanurzanie w wodzie — suszenie próbek.

S³owa kluczowe: nanopolimery, nanokrzemionka, twardoœæ powierzchniowa, hydrofobizacja,

ultra-dŸwiêki.

Effect of hydrophobization on the durability of building ceramics

Abstract: The surface of solid ceramic brick was hydrophobized with a preparation based on

nanopoly-mers with added nanosilica. The effect of hydrophobization on the surface durability was evaluated. The surface hardness was determined after seasoning of the samples for 14 days and 20 cycles of immersion in water followed by drying.

Keywords: nanopolymers, nanosilica, surface hardness, hydrophobizing, ultrasounds.

Ceramiczne i kamienne elementy, z których s¹ wyko-nywane mury, np. obiektów zabytkowych, niezabezpie-czone przed dzia³aniem wilgoci i wody ulegaj¹ stopnio-wej degradacji. Du¿a nasi¹kliwoœæ, wynikaj¹ca z poro-watej struktury tych materia³ów i rozwiniêtego systemu porów i kapilar, wp³ywa na ich zdolnoœæ do zatrzymywa-nia wody. Zmiany temperatury i wilgotnoœci powoduj¹ niszczenie wbudowanych elementów [1], co skutkuje zmniejszeniem ich trwa³oœci [2] oraz pogorszeniem este-tyki i komfortu u¿ytkowania obiektów. Zawilgocenie jest te¿ jednym z pierwszych zjawisk sprzyjaj¹cych korozji biologicznej.

Czêsto stosowanym sposobem zabezpieczania ele-mentów porowatych przed wp³ywem wilgoci jest hydro-fobizowanie ich powierzchni [3] przy u¿yciu preparatów na bazie polimerów [4, 5]. Spoœród du¿ej grupy œrodków hydrofobizuj¹cych na uwagê zas³uguj¹ powszechnie wy-korzystywane preparaty polimerowe na bazie siloksa-nów. Roztwory polimerów nieorganicznych wprowa-dzone w porowat¹ strukturê, np. cegie³, wype³niaj¹ wol-ne przestrzenie w ich objêtoœci oraz tworz¹ na powierz-chni cienk¹ b³onkê, która po zeszkliwieniu i ustabilizo-waniu ogranicza wnikanie wilgoci i wody w g³¹b

mate-ria³u, co zwiêksza trwa³oœæ zabezpieczonego elementu w czasie jego eksploatacji.

Celem pracy by³a ocena wp³ywu hydrofobizacji za pomoc¹ ma³ocz¹steczkowego nanopolimeru na bazie al-kilosiloksanów na w³aœciwoœci fizyko-mechaniczne po-wierzchni ceg³y ceramicznej pe³nej. U¿yty nanopolimer modyfikowano dodatkiem nanokrzemionki i dezinteg-rowano za pomoc¹ ultradŸwiêków. Okreœlono w³aœci-woœci reologiczne — lepkoœæ i napiêcie powierzchniowe [6] — zmodyfikowanego nanopolimeru, maj¹ce bezpo-œredni wp³yw na wnikanie jego cz¹stek w pory ceramiki budowlanej. Trwa³oœæ elementu ceramicznego okreœlano na podstawie twardoœci powierzchniowej [7], oznaczonej w odniesieniu do odpornoœci powierzchni ceg³y na usz-kodzenia mechaniczne w czasie eksploatacji. Jako formê badañ starzeniowych wybrano cykliczne zanurzanie próbek w wodzie i suszenie w temp. 100 °C — w ten spo-sób symulowano pracê elementu ceramicznego podda-nego warunkom atmosferycznym w okresie letnim.

CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA

Materia³y i próbki do badañ

U¿yte materia³y oraz sposób przygotowania próbek do badañ opisano w [8].

Metody badañ

Próbki przechowywano przez 14 dni w warunkach la-boratoryjnych w temp. 20—22 °C i wilgotnoœci powietrza

46

2016,

61 nr 1

,

1) _{Politechnika Lubelska, Wydzia³ Budownictwa i Architektury,}

ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin.

2)_{Politechnika Lubelska, Wydzia³ Mechaniczny, ul. Nadbystrzycka}

36, 20-618 Lublin.

*) _{Materia³ zawarty w artykule prezentowano na konferencji}

INCFA’14, jest dostêpny na http://international-ASET.com

50—55 %, po czym zbadano ich twardoœæ powierzchnio-w¹ metod¹ Vickersa [8] przy u¿yciu aparatu Vickersa Zwick-Roell, w zakresie obci¹¿enia 30—1950 N. Ocenia-no wymiary odcisku powsta³ego po wgnieceniu ostro-s³upa prawid³owego czworok¹tnego w powierzchniê ba-danego materia³u. Twardoœæ zdefiniowano jako stosunek si³y wywieranej na powierzchniê próbki do powierzchni odcisku. Dla ka¿dej próbki wykonano 25 oznaczañ twar-doœci, przyjmuj¹c obci¹¿enie bazowe 100 N.

Trwa³oœæ pow³oki ochronnej powsta³ej na powierzch-ni po hydrofobizacji okreœlono na podstawie zmian twar-doœci powierzchniowej próbek po 20 cyklach zanurzania próbek w wodzie i ich osuszania w temp. 100 °C.

WYNIKI I ICH OMÓWIENIE

Wyniki badañ lepkoœci i napiêcia powierzchniowego roztworów hydrofobizuj¹cych przedstawiono w tabeli 1. Najmniejsz¹ lepkoœæ (0,99 mPa · s) wykazywa³ roztwór nanopolimeru z dodatkiem 0,5 % nanokrzemionki, dez-integrowany ultradŸwiêkami (seria C), natomiast naj-mniejsze napiêcie powierzchniowe (21,03 mN/m) — roz-twór z dodatkiem 1,5 % nanokrzemionki (seria E).

T a b e l a 1. Wyniki badañ lepkoœci i napiêcia powierzchniowe-go hydrofobizuj¹cych roztworów polimerów

T a b l e 1. Results of dynamic viscosity and surface tension tests of hydrophobizing polymer solutions

Seria próbek Gêstoœæ g/cm3 Lepkoœæ_{mPa · s}h Napiêcie powierzch-niowes N/m s/h Seria A 0,81 1,09 0,0235 21,59 Seria B 0,79 1,08 0,0231 21,48 Seria C 0,76 0,99 0,0224 22,71 Seria D 0,78 1,03 0,0257 24,97 Seria E 0,79 1,04 0,0210 20,17

Jak ju¿ wspomniano mniejsza wartoœæ lepkoœci i na-piêcia powierzchniowego [6] wp³ywa na szybsze wni-kanie nanopolimeru w porowat¹ strukturê ceg³y oraz dok³adniejsze wype³nienie kapilar i porów, umo¿li-wiaj¹ce wzmocnienie przypowierzchniowej struktury materia³u.

Wyniki pomiarów twardoœci powierzchniowej (po weryfikacji statystycznej) przedstawiono w tabeli 2.

Najwiêksz¹ twardoœci¹ powierzchniow¹ charaktery-zowa³y siê próbki serii E (z dodatkiem 1,5 % nanokrze-mionki). Twardoœæ ich powierzchni HV14, wynosz¹ca 13,33, by³a o 71 % wiêksza ni¿ twardoœæ ceg³y pe³nej zwyk³ej niepoddanej hydrofobizacji. Ró¿nica twardoœci próbek hydrofobizowanych jednokrotnie (seria A) i pró-bek serii E wynios³a 44,15 %. Otrzymane wyniki od-zwierciedlaj¹ zmiany plastyczne badanego materia³u, ale ograniczone do powierzchni badanych próbek.

Wyniki pomiarów twardoœci powierzchniowej pró-bek poddanych 20 cyklom kontrolowanego starzenia po-w³oki przedstawia tabela 2. Twardoœæ próbek, w porów-naniu z twardoœci¹ mierzon¹ po 14 dniach sezonowania, zmniejszy³a siê o ok. 13,5 %.

T a b e l a 2. Wyniki badañ twardoœci powierzchniowej T a b l e 2. Results of surface hardness test

Seria próbek Œrednia twardoœæ HV po 14 dniach s Œrednia twardoœæ HV po 20 cyklach s Zmiana twar-doœci, % Ceg³a zwyk³a 7,77 0,34 6,72 0,08 13,51 Seria A 9,89 0,50 9,65 0,29 2,43 Seria A1 10,82 0,22 10,31 0,31 4,71 Seria B 11,23 0,38 10,47 0,39 6,77 Seria B1 13,03 0,68 10,86 0,35 16,65 Seria C 12,66 0,51 10,85 0,56 14,31 Seria D 12,88 0,32 10,32 0,36 19,88 Seria E 13,33 0,63 12,32 0,49 7,58

Najwiêkszy spadek wartoœci (niemal 20 %), zaobser-wowano w odniesieniu do próbki serii D. Najwiêksz¹ twardoœci¹ odznacza³y siê próbki serii E, w tym przypad-ku zmiana w stosunprzypad-ku do wartoœci wyjœciowej wynosi³a 7,8 %, jednak by³a o 45 % wiêksza ni¿ twardoœæ próbek ceg³y pe³nej niehydrofobizowanej. Na podstawie otrzy-manych wyników mo¿na stwierdziæ, ¿e dodatek nano-krzemionki do roztworu nanopolimeru wp³ywa korzyst-nie na zwiêkszekorzyst-nie odpornoœci na odkszta³cekorzyst-nie plas-tyczne — podstawowego parametru odpowiadaj¹cego za trwa³oœæ pow³oki hydrofobizuj¹cej. Zmiany wartoœci HV po 20 cyklach nawil¿enie—suszenie odzwierciedlaj¹ trwa³oœæ wytworzonych pow³ok.

Oznaczona trwa³oœæ ma istotne znaczenie w przypad-ku powierzchni hydrofobizowanych, poniewa¿ w wa-runkach eksploatacji, pod wp³ywem zmian temperatury i wilgotnoœci, wynikaj¹cych z cyklicznego nagrzewania, suszenia, zawilgacania, zamra¿ania i odmra¿ania struk-tury materia³u, mog¹ powstawaæ odkszta³cenia plastycz-ne prowadz¹ce do zniszczenia powierzchni elementów ceramicznych.

PODSUMOWANIE

UltradŸwiêki stanowi¹ skuteczny czynnik prowa-dz¹cy do dezintegracji nanostruktury mieszaniny alkilo-siloksanów i nanokrzemionki. Otrzymany w ten sposób œrodek hydrofobizuj¹cy tworzy b³onê na powierzchni materia³u i zabezpiecza go przed dzia³aniem wody i wil-goci, a tak¿e zwiêksza twardoœæ powierzchniow¹ (ma-ksymalnie o 71 %), a tym samym ich trwa³oœæ. Przedsta-wione wyniki mog¹ byæ pomocne w opracowywaniu no-wych metod zwiêkszania trwa³oœci i odpornoœci na

kodzenia mechaniczne materia³ów budowlanych podda-wanych hydrofobizacji.

LITERATURA

[1] Tittarelli F.: Cement and Concrete Research 2009, 39, 924. http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.06.021

[2] Hall C., Hoff W.D., Nixon H.R.: Building and Environment

1984, 19, 13.

[3] Fowkes F.M.: “Hydrophobic surfaces”, Academic Press, New York 1969.

[4] Barnat-Hunek D.: „Hydrofobizacja opoki wapnistej w obiektach zabytkowych Kazimierza Dolnego”, Wyd.

Uczelniane, Politechnika Lubelska, Lublin 2010, 10—11, str. 96.

[5] Fic. S., Barnat-Hunek D.: IMSE CN1002 2014, 2 (2), 93. [6] Schramm G.: “Reology — basis and applications”, Centre

of the Science Publications, Poznañ 1998, str. 10—50. [7] Dietrich L. i in.: 6th framework program “New Automative

Components Designed and Manufactured by Intelligent Processing of Light Alloys”, NADIA Contract No. 026563-2, 2009, IPPT, str. 90.

[8] Fic S., K³onica M., Szewczak A.: Polimery 2015, 60, 730. [9] http://www.calce.umd.edu/TSFA/Hardness_ad_.html,

University of Maryland (data dostêpu: 18.05.2014 r.). Otrzymano 11 VII 2014 r.

48

POLIMERY 2016, 61, nr 1

Rapid Communications

Przypominamy P.T. Autorom, ¿e publikujemy artyku³y typu . o objêtoœci 3—4 stron maszynopisu z podwójn¹ interlini¹ (plus ewentualnie 2—3 rysunki lub 1—2 tabele), którym umo¿liwiamy szybk¹ œcie¿kê druku (ok. 4—5 miesiêcy od chwili ich otrzymania przez Redakcjê). Artyku³ nale¿y przygotowaæ wg wytycznych zamieszczonych we wskazówkach dla Autorów.

Rapid Communications Prace oryginalne wy³¹cznie w jêzyku angielskim