Ochrona środowiska i zmiana przepisów, zobowiązująca do ograniczenia emisji lotnych rozpuszczalników organicznych, zmusiły producentów do poszukiwania nowych produktów, m.in. wodnych emulsji impregnujących – skutecznych i przyjaznych dla środowiska.
Ochrona środowiska i zmiana przepisów, zobowiązująca do ograniczenia emisji lotnych rozpuszczalników organicznych, zmusiły producentów do poszukiwania nowych produktów, m.in. wodnych emulsji impregnujących – skutecznych i przyjaznych dla środowiska.
Potrzeba impregnacji
Kamień naturalny jest materiałem, który niejednokrotnie charakteryzuje się gorszymi niż materiały przemysłowe parametrami wytrzymałościowymi, łatwiej się brudzi i trudniej go pielęgnować. Jednak jest chętnie stosowany ze względów estetycznych i prestiżowych, i to często w miejscach narażonych na uszkodzenia (elewacje, posadzki).
Barierą w stosowaniu elementów z kamienia naturalnego, zwłaszcza z piaskowców, jest mała odporność na czynniki atmosferyczne oraz zbyt niska wytrzymałość mechaniczna. Na przykład większość krajowych piaskowców o spoiwie ilastym, wapnistym lub ilastokrzemionkowym w stanie naturalnym nie spełnia wymagań specyfi kacji projektowych dla wyrobów narażonych na działanie czynników atmosferycznych, nie może więc być stosowana na okładziny zewnętrzne ze względu na wysoką nasiąkliwość, niską mrozoodporność oraz słabe parametry wytrzymałościowe.
Problem, który występuje w obiektach już wybudowanych, to zjawisko „wietrzenia” kamienia, tj. jego uszkadzania w wyniku zmiennych warunków atmosferycznych.
Największym zagrożeniem jest deterioracja kamienia (łac. deterior – gorszy) spowodowana przez zanieczyszczenie środowiska. Jest to proces znacznie bardziej niszczący niż naturalne procesy wietrzenia, gdyż wiąże się z występowaniem w atmosferze bardzo agresywnych tlenków azotu i siarki, tworzących z parą wodną tzw. kwaśne deszcze.
W elementach z kamienia naturalnego zachodzą zmiany wywoływane migracją gazów, wody i różnego rodzaju roztworów do przestrzeni międzyziarnowych, w wyniku czego następuje wypłukanie spoiwa, krystalizacja nowych minerałów (np. gips, halit, sylwin), cykliczna hydratacja i dehydratacja. Skutkiem tych procesów jest zwiększenie porowatości kamienia, osłabienie jego struktury, a w konsekwencji dalsze zmniejszenie jego odporności na czynniki atmosferyczne oraz mechaniczne. Wszystkie te zjawiska powodują obniżenie walorów użytkowych elementów budowlanych z kamienia naturalnego oraz ograniczenie zakresu stosowania tych wyrobów.
Rola procesu impregnacji
Jednym ze sposobów na polepszenie parametrów użytkowych elementów budowlanych z kamienia naturalnego jest ich impregnacja. Podstawowym jej zadaniem jest hydrofobizacja, polegająca na wyeliminowaniu lub ograniczeniu migracji wody i pary wodnej do przestrzeni międzyziarnowych w kamieniu, aby ograniczyć możliwość niszczenia istniejącej struktury.
Jest wiele preparatów na rynku, które hydrofobizują powierzchnię elementów z kamienia, ale większość z nich działa wyłącznie na zasadzie tworzenia warstwy na powierzchni impregnowanego elementu. Z badań wynika, że takie powierzchniowe zabezpieczenia są krótkotrwałe, nie zapewniają trwałości okładzin zewnętrznych w dłuższym przedziale czasowym, niejednokrotnie powodują warstwowe łuszczenie już po zamontowaniu na obiekcie budowlanym. Są to bowiem mieszaniny różnych związków, nieorganicznych i organicznych, których skład jest różny od składu chemicznego naturalnego kamienia. Po zastosowaniu takich preparatów zdarza się, że dochodzi do uszkodzenia struktury kamienia w wyniku reakcji między stosowanym środkiem a składnikami kamienia lub zjawisk fizycznych, np. skurczu.
{mospagebreak}
Jeśli preparat hydrofobizujący tworzy warstwę o innych właściwościach chemicznych i fi zycznych niż naturalny kamień, to w trakcie użytkowania następuje złuszczanie się tej warstwy i ostateczny efekt jest gorszy niż przed impregnacją. Poza tym preparaty impregnujące powierzchniowo na ogół nie poprawiają wytrzymałości mechanicznej impregnowanych elementów.
Preparaty do impregnacji kamieni naturalnych powinny być dobierane w zależności od rodzaju podłoża, aby działając hydrofobizująco również dobrze łączyły się z ich mineralnymi składnikami. Istotne jest, aby preparaty te nie niszczyły wewnętrznej struktury kamienia i zachowywały jego naturalny wygląd zewnętrzny.
Największa skuteczność impregnacji jest wówczas, jeśli jest związana ze zmianami poprawiającymi naturalną strukturę kamienia.
Najkorzystniejszym sposobem zapobiegania bądź ograniczenia skutków działania „wietrzenia” i deterioracji elementów budowlanych z kamieni naturalnych jest impregnacja wgłębna, w której zmiany zachodzące pod wpływem impregnatu nie są ograniczone wyłącznie do powierzchni. Istota tych zmian zależy od rodzaju substancji impregnującej, technologii impregnowania, struktury i tekstury kamienia.
Impregnaty krzemianowe
Impregnaty krzemianowe ze względu na swoje właściwości fizyczne i chemiczne są najbardziej zbliżone do występujących w przyrodzie minerałów.
Podstawowy skład chemiczny impregnatu krzemianowego to woda i krzemionka w postaci koloidalnego roztworu krzemionkowego. Koloidalne roztwory krzemionkowe są to stabilne systemy dyspersyjne, w których czynnikiem dyspergującym (fazą ruchomą) jest ciecz, a dyspersją (fazą stałą) jest krzemionka. Krzemionkę w roztworach koloidalnych charakteryzuje odpowiednia wielkość cząstek, są wystarczająco małe (<1 μm), aby nie wykazywać efektów oddziaływań grawitacyjnych, ale jednocześnie wystarczająco duże (> 1 μm), aby wykazywać wyraźne odchylenia właściwości dla typowych roztworów [3]. Zole krzemionkowe są powszechnie nazywane krzemionką koloidalną.
Środek impregnujący na bazie zoli krzemionkowych ma bardzo korzystne cechy.
Jest to preparat o gęstości zbliżonej do gęstości wody – łatwo wnika do wnętrza impregnowanych materiałów budowlanych, nie zmieniając ich wyglądu. Im większa porowatość materiału wyjściowego, tym więcej roztworu wnika w głąb elementu.
Krzemionka w tym preparacie występuje w postaci koloidalnego roztworu – wielkość cząstek krzemionki jest więc bardzo mała, poniżej 0,5 μm. Taki stopień rozdrobnienia krzemionki osiąga się poprzez zastosowanie chemicznych metod rozpuszczania surowców krzemionkowych i ich przekształcenie w wodną dyspersję [2]. Roztwór zolu krzemionkowego jest stabilny w warunkach przechowywania i aplikacji, w temperaturze powyżej 0 oC.
Zol krzemionkowy, w kontakcie z minerałami tworzącymi strukturę krystaliczną kamienia, penetruje wolne przestrzenie pomiędzy kryształami i wypełnia je. Po impregnacji w trakcie suszenia zaimpregnowanego elementu zachodzi proces żelowania. Podstawowym etapem tworzenia się żelu jest zderzenie się dwóch cząsteczek krzemionki, które mają wystarczająco niskie ładunki powierzchniowe, aby doszło między nimi do wytworzenia wiązań siloksanowych [4]. Wiązania te łączą cząstki nieodwracalnie.
{mospagebreak}
Gęstość żelu jest znacznie większa niż gęstość zolu krzemionkowego, a więc wprowadzony do wnętrza kamienia impregnat nie wypływa. Cząsteczki krzemionki obecne w żelu łączą się tworząc agregaty o strukturach analogicznych do występujących w przyrodzie minerałów o wzorze (H2SiO3)n. Następuje wówczas specyficzne wypełnienie i uszczelnienie mikropęknięć i szczelin
w strukturze impregnowanego kamienia przez wytrącone stałe związki krzemu. Związki te nie reagują chemicznie z otoczeniem, a ze względu na małe rozmiary cząstek krzemionki nie obserwuje się, tak jak w przypadku innych środków impregnujących, efektu rozsadzania istniejącej struktury wewnętrznej kamieni.
W rezultacie wbudowywania się struktur krzemianowych w mikropęknięciai szczeliny obserwuje się poprawę właściwości użytkowych elementów budowlanych z kamienia naturalnego, a mianowicie zwiększenie wytrzymałości zaimpregnowanych elementów oraz zmniejszenie ich nasiąkliwości.
Wytrącone związki krzemu nie zatykają całkowicie porów kamienia, umożliwiając usunięcie nadmiaru pary wodnej z wnętrza, ale przez ich zmniejszenie ograniczają wnikanie do kamienia dwutlenku węgla i wody, zabezpieczając go przed procesami karbonatyzacji i erozji jednocześnie.
W przeciwieństwie do innych stosowanych środków preparat krzemionkowy nie tworzy oddzielnej warstwy wyłącznie na powierzchni, ale wnika do wnętrza impregnowanych elementów – wyeliminowane jest więc niebezpieczeństwo złuszczania się warstwy ochronnej podczas eksploatacji. Preparat taki może być bezpiecznie stosowany do impregnacji elementów budowlanych z kamienia naturalnego – zwłaszcza piaskowców – zwiększając ich wytrzymałość mechaniczną.
Badania własności użytkowych
Na wykresach 1 i 2 przedstawiono wyniki badań skuteczności impregnacji przy zastosowaniu zoli krzemionkowych [1].
próbka bez impregnacji
próbka zaimpregnowana
Wykres 1. Badanie nasiąkliwości próbek z kamieni naturalnych przed i po impregnacji preparatami na bazie zoli krzemionkowych
próbka bez impregnacji
próbka zaimpregnowana
Wykres 2. Badanie wpływu impregnacji przy użyciu zoli krzemionkowych na poprawę właściwości mechanicznych elementów z kamienia naturalnego
{mospagebreak}Badania wykonano według obowiązujących norm PN-EN i dotyczyły one nasiąkliwości i wytrzymałości na ściskanie elementów budowlanych z wapieni i piaskowców. Próbki do badań zostały przygotowane z różnych surowców skalnych, w postaci sześcianów o krawędziach około 50 mm, zgodnie z wymaganiami PN-EN 1926:2001.
Próbki oznaczone na osi x numerami od 1 do 4 są to odpowiednio:
1. Wapień organogeniczny, bardzo słabo zwięzły, o słabych właściwościach użytkowych i charakterystycznej bardzo wysokiej nasiąkliwości. Kamień bardzo silnie porowaty, ale o porach głównie zamkniętych i bardzo drobnych.
2. Wapień mikrytowy, słabo zwięzły, o dobrych parametrach użytkowych. W stanie surowym niska nasiąkliwość. Kamień porowaty, ale pory głównie zamknięte.
3. Drobnoziarnisty piaskowiec wieloskładnikowy o spoiwie ilasto-żelazistym.
4. Kamień o dobrych jak dla piaskowca własnościach użytkowych, bardzo silnie porowaty, pory bardzo drobne, ale otwarte. Charakterystyczna wysoka nasiąkliwość.
W przypadku elementów z wapienia stwierdzono, że infi ltracja preparatu zachodzi głównie powierzchniowo i w związku z tym preparat działa przede wszystkim jako środek hydrofobizujący, natomiast brak jest znaczących efektów w zakresie poprawy właściwości mechanicznych.
W próbkach piaskowców stwierdzono, że infi ltracja preparatu jest wgłębna, co znalazło odniesienie w bardzo istotnej poprawie wytrzymałości oraz zmniejszeniu nasiąkliwości. Stwierdzono także, że wydłużenie czasu infiltracji zwiększa jej zasięg.
Niezależnie od zmiany parametrów użytkowych zaobserwowano dla tych próbek zmiany w ich teksturze. Obserwacja zmian teksturalnych skał, zachodzących w wyniku impregnacji przy zastosowaniu preparatów na bazie zoli krzemionkowych, jest na ogół trudna do przeprowadzenia, ponieważ wymaga zarejestrowania obecności w mikroporach skał bardzo drobno krystalicznego lub bezpostaciowego wypełnienia krzemionkowego.
Fot. 1. Średnioziarnisty piaskowiec kwarcowy o spoiwie krzemionkowym
– próbka surowa
Przedstawiono (fot. 1 i 2) wygląd próbki przed i po impregnacji. Badania przy użyciu mikroskopu polaryzacyjnego pozwoliły na zaobserwowanie cienkich powłok substancji krzemionkowych na ściankach licznych porów i mikroszczelin (fot. 2). Inna wyraźnie widoczna pod mikroskopem różnica pomiędzy próbkami przed i po impregnacji polega na nieco większej zwięzłości teksturalnej próbek zasyconych zolem krzemionkowym (fot. 2).
Fot. 2. Średnioziarnisty piaskowiec kwarcowy o spoiwie krzemionkowym
– próbka impregnowana
{mospagebreak}
Rezultaty badań potwierdzają, że preparaty oparte na wodnych dyspersjach krzemionkowych korzystnie wpływają na cechy elementów z kamienia naturalnego, nie zmieniając w sposób znaczący składu mineralnego kamienia ani jego tekstury.
Podsumowanie
Mechanizm działania preparatów do impregnacji na bazie wodnych dyspersji krzemionkowych jest specyfi czny. Zole krzemionkowe po wniknięciu do elementów z kamienia naturalnego przekształcają się w żele krzemionkowe. Tworzące się agregaty krzemionkowe poprawiają strukturę wewnętrzną tych elementów, ograniczając ich porowatość, wypełniając pory i mikroszczeliny.
Oczywiste jest, że osiągane rezultaty są różne dla różnych rodzajów kamienia, ponieważ produkty naturalne, nawet z tego samego rodzaju minerału, z tego samego złoża, mogą mieć różną strukturę i budowę, a tym samym charakteryzują się różnym stopniem infi ltracji preparatu.
Należy jednak podkreślić, że zmiany zachodzące w elementach z kamienia naturalnego po impregnacji preparatami krzemionkowymi mają charakter stały, raz wprowadzona krzemionka nie ulega wypłukaniu, nie reaguje chemicznie ani z kwaśnymi deszczami, ani z dwutlenkiem węgla. W wyniku ograniczenia kapilarnego transportu wody znacznie zmniejsza się również migracja i gromadzenie się soli, a także wzrost mikroorganizmów takich jak grzyby, mchy, porosty czy glony.
Jeśli nawet uwzględnić fakt, że efekt impregnacji nie dla każdego rodzaju kamienia jest równie widoczny, to zawsze zole krzemionkowe są bezpieczne dla elementów z kamienia naturalnego, nie zmieniają ich wyglądu, nie blokują naturalnej wymiany gazów i pary wodnej z wnętrza kamienia.
Preparaty na bazie zoli krzemionkowych mogą być stosowane do zabezpieczania nowych elementów budowlanych oraz renowacji obiektów już wybudowanych, zwłaszcza zabytkowych, przedłużając w sposób naturalny ich trwałość.
mgr inż. DANUTA KUKIELSKA
mgr ELŻBIETA UZUNOW
Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego
Piśmiennictwo
[1] D. Kukielska, Badania nad zastosowaniem krzemionki do impregnacji wyrobów z kamienia naturalnego, w szczególności z piaskowców. IMBiGS, Warszawa 2004.
[2] E. Uzunow, Preparaty krzemionkowe zwiększające trwałość wyrobów budowlanych – technologia otrzymywania. IMBiGS, Warszawa 2006.
[3] A. Krysztafkiewicz, T. Jesionowski, Krzemionka koloidalna, „Wiadomości Chemiczne” 2000.
[4] K. Iler, Th e chemistry of silica, J. Wiley & Sons, New York 1979.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
maj 2007.
