Beton hydrofobowy

Beton hydrofobowy to beton , który odpycha wodę. Spełnia normy określone w definicji betonu wodoodpornego . Opracowany w Australii w połowie XX wieku, miliony metrów sześciennych hydrofobowego betonu położono w Australii, Azji i Europie oraz w Stanach Zjednoczonych od 1999 roku. Jego efektywne zastosowanie w setkach konstrukcji przyczyniło się do jego dużej akceptacji i rosnące wykorzystanie.

Struktura

Typowy beton jest dość hydrofilowy . Wynika to z zawiłego systemu maleńkich kapilar , które zasysają wodę przez sieć mikropęknięć w betonowej płycie. Ta utwardzona matryca tworzy ciągły cykl „od źródła do zlewu”, co oznacza, że ​​woda z góry jest stale wciągana do obszaru położonego niżej. Współczynnik Darcy'ego odnosi się do zdolności skroplonej wody pod ciśnieniem do przepływu przez wszelkie obecne pory i naczynia włosowate. Niższa stała Darcy'ego koreluje z materiałem o wyższej jakości.

Firmy komercyjne stosują różne podejścia do modyfikowania zwykłej mieszanki betonowej w celu uzyskania betonu hydrofobowego, z których wszystkie obejmują w jakiś sposób wypełnienie porowatej mieszanki betonowej. Niektóre z najczęściej stosowanych metod obejmują polimerów , infuzję małych plamek i formacje krystaliczne , przy czym ta ostatnia jest najczęściej stosowana.

Tworzenie polimeru polega na polimeryzacji rozpuszczalnego w wodzie prepolimeru poprzez wymianę jonową z jonami metali dwuwartościowych, takich jak jony Ca i Fe , z wytworzeniem gumowatych nierozpuszczalnych cząstek. Te małe cząsteczki migrują i koncentrują się w małych szczelinach i kapilarach utworzonych w betonie podczas wysychania. W miarę postępu polimeryzacji gumowe zatyczki tworzą i trwale uszczelniają te drogi wodne, znacznie zmniejszając zarówno nasiąkliwość, jak i przepuszczalność wody.

Technologia krystaliczna jest wykorzystywana do tworzenia hydrofobowego betonu poprzez tworzenie struktur krystalicznych w maleńkich kapilarach, porach i innych kieszeniach powietrznych pozostawionych w procesie utwardzania betonu. Podczas tego formowania w kapilarach i porach świeżo utwardzonego betonu pozostają produkty uboczne, zazwyczaj wodorotlenek wapnia , siarczany , węglany sodu, potas , wapń oraz uwodnione i nieuwodnione cząstki cementu. Te struktury krystaliczne następnie zatykają pory i naczynia włosowate, zapobiegając przepływowi wody przez nie. Po dodaniu krystalicznych chemikaliów do mieszanki betonowej, poprzez domieszkę lub powłokę, reagują one z produktami ubocznymi w obecności wody. Ta reakcja następnie tworzy nierozpuszczalną strukturę krystaliczną, która zatyka pory. Proces ten trwa do momentu przereagowania wszystkich chemikaliów. Podczas nakładania jako powłoki reakcja chemiczna przebiega poprzez proces dyfuzji chemicznej. Jest to proces, w którym roztwór chemiczny o dużej gęstości migruje w kierunku roztworu chemicznego o niskiej gęstości, aż do osiągnięcia równowagi. Moczenie betonu w wodzie tworzy niską gęstość chemiczną w porach, a nakładanie krystalicznej substancji chemicznej jako powłoki tworzy następnie wysoką gęstość chemiczną. Te dwa płyny dyfundują przez wewnętrzną strukturę betonu, aż osiągną równowagę w całej strukturze wewnętrznej. Po zakończeniu tego procesu struktura krystaliczna betonu hydrofobowego jest zakończona.

Nieruchomości

podczas tworzenia materiału hydrofobowego jest zmniejszenie polarności cząsteczek . Ponieważ cząsteczki wody są bardzo polarne, łatwo przyciągają częściowo dodatnie lub częściowo ujemne ładunki. Na neutralnej powierzchni cząsteczki wody gromadzą się i przyciągają, tworząc kulistą kroplę wody. Kropelki te mogą następnie odparować z powierzchni betonu, zamiast zostać wchłonięte przez kapilary betonu. Dokładna struktura i skład kryształów stosowanych w betonie hydrofobowym nie jest informacją publiczną; ze względu na swoje właściwości można jednak przyjąć, że jest to cząsteczka niepolarna.

Właściwość odpychania wody daje betonowi hydrofobowemu zdolność unikania zanieczyszczenia cząstkami rozpuszczonymi w kroplach wody. Ponieważ same kryształy nie są polarne, istnieje niewielka interakcja między kryształami a rozpuszczonym tlenem. Pozwala to betonowi wytrzymać prętów zbrojeniowych , które tak często obniża wytrzymałość betonu, przez który przebiegają pręty żelazne. Standardowy beton komercyjny ma średnią nasiąkliwość 4-10%. Natomiast beton hydrofobowy ma średnio 0,3-1%.

Przeoczaną właściwością betonu hydrofobowego jest również jego zdolność do odpychania wilgoci z powietrza. W przeciwieństwie do wody w stanie ciekłym cząsteczki wody w powietrzu poruszają się z większą energią kinetyczną i ostatecznie występują w postaci gazowej. Struktury krystaliczne w hydrofobowym betonie są wystarczająco zwarte, aby zapobiec przemieszczaniu się wilgoci przez kapilary betonu.

Przetwarzanie

Beton hydrofobowy jest produkowany na różne sposoby, które dzielą się na dwie kategorie; powłoki lub domieszki . Oba pozwalają na tworzenie się struktur krystalicznych w obecności wody.

Podczas tworzenia hydrofobowego betonu w procesie powlekania, powłoka jest natryskiwana lub nakładana pędzlem na porowate powierzchnie. W większości przypadków nakłada się go na zwykłą płytę betonową, która następnie przechodzi proces korozji, aby odsłonić więcej kapilar betonu. Można to osiągnąć, czyszcząc powierzchnię wodą pod ciśnieniem około 3000-4000 psi. Odpowiednimi procesami są również piaskowanie i trawienie kwasem. Kolejnym krokiem jest dodanie wody. Można go nakładać pionowo lub poziomo, ale temperatura nie powinna spaść poniżej 33 stopni Fahrenheita aby zapobiec zamarzaniu. Należy również unikać nadmiernego parowania. Na obszarach o wysokim współczynniku parowania proces ten często zachodzi w nocy, gdy temperatury są niższe. Gdy pory są maksymalnie nasycone wodą, nakłada się powłokę. Chemikalia hydrofobowe są w postaci proszku i mieszane z wodą w proporcji pięć części proszku na dwie części wody do aplikacji pędzlem. W przypadku aplikacji natryskowej stosunek wynosi pięć części proszku na trzy części wody. Powłoka jest nakładana w ilości 1,25-1,5 funta na metr kwadratowy i trwa do pokrycia całej powierzchni. Jeżeli powierzchnia wymaga kolejnej warstwy, należy ją nałożyć w ciągu czterdziestu ośmiu godzin od pierwszego nałożenia mieszaniny hydrofobowej. Po nałożeniu beton musi utwardzić się w wilgotnym środowisku dwie do trzech godzin po nałożeniu. Osiąga się to przez spryskiwanie powierzchni wodą co najmniej trzy razy dziennie przez kilka dni. Sporadycznie stosuje się również opóźniacze parowania. W zależności od klimatu proces utwardzania może trwać dłużej i wymagać częstszego zwilżania. Po utwardzeniu betonu siedzi on przez dwa do trzech tygodni, zanim proces się zakończy.

Gdy beton hydrofobowy jest wytwarzany za pomocą domieszki, podczas procesu dozowania dodaje się proszek z hydrofobowymi chemikaliami. Innymi słowy, dodaje się go do samej mieszanki betonowej podczas układania betonu. Zwykła dawka wynosi od dwóch do trzech procent mieszanki betonowej. Ponieważ woda jest częścią procesu dozowania, dodatkowy proces utwardzania nie jest wymagany. To podejście jest łatwiejsze i mniej pracochłonne, ale można je zastosować tylko wtedy, gdy układany jest nowy beton.

Używa

Beton hydrofobowy może być używany w tych samych zastosowaniach, co zwykły beton, najczęściej tam, gdzie naprawa zwykłego betonu jest niebezpieczna lub koszt uszkodzenia konstrukcji byłby bardzo szkodliwy. Prace w tunelach to główne zastosowanie betonu hydrofobowego, ponieważ naprawy pod ziemią są trudne i kosztowne. Jest to również ulubiony wybór do układania fundamentów budynków i chodników w miejscach poniżej lustra wody .

Podwodne zastosowanie betonu hydrofobowego jest głównym zastosowaniem w obiektach morskich. Jest często używany do zatrzymywania wody do tworzenia basenów i stawów. NASA użyła hydrofobowego betonu do budowy basenu używanego do szkolenia astronautów do chodzenia po Księżycu. Beton hydrofobowy jest również stosowany w zastosowaniach narażonych na deszcz lub kałuże, takich jak zielone dachy, inne rodzaje dachów, konstrukcje parkingowe i place.

Zalety

Jedną z wielu zalet stosowania betonu hydrofobowego jest skrócenie czasu montażu i obniżenie kosztów. Zastosowanie betonu hydrofobowego może skrócić czas pracy projektu przemysłowego, ponieważ normalny beton obejmuje okres odporności na korozję, a także okres wodoodporności. W przypadku betonu hydrofobowego jednocześnie zabezpiecza się przed korozją i hydroizolacją.

Podobnie skrócenie czasu zmniejsza koszty instalacji. Zwykły beton membranowy może kosztować około 5 USD za stopę kwadratową, chociaż ceny mogą się różnić w zależności od zastosowania. Jednoetapowy proces instalacji betonu hydrofobowego obniża koszt do około 3,20 USD za stopę kwadratową. Jak poinformowała firma Hycrete z południowej Kalifornii, takie oszczędności mogą szybko się sumować w trakcie realizacji projektu.

Szacuje się, że w samej Europie Zachodniej w 1998 roku wydano około pięciu miliardów dolarów na naprawy cementu hydrofilowego. Większość napraw była konieczna ze względu na uszkodzenia spowodowane korozją wodną na obszarach miejskich. Ponieważ korozja wodna jest niewielka lub nie występuje wcale, beton hydrofobowy jest lepiej konserwowany niż zwykły beton, który zwykle wygląda na zużyty i postarzały po kilku latach.

Z ekologicznego punktu widzenia beton hydrofobowy jest również korzystny, ponieważ jest „zielony”. Jego zdolność do ponownego zgniatania sprawia, że ​​łatwo nadaje się do ponownego użycia. Chociaż zwykły beton można ponownie rozkruszyć, wiąże się to z bardzo kosztownym procesem, który często oznacza, że ​​beton trafia na wysypisko śmieci. Ta zaleta betonu hydrofobowego umożliwia jego ekonomiczne ponowne wykorzystanie w przyszłych projektach.

Niedogodności

Niektóre inne wady betonu hydrofobowego wynikają z procesu aplikacji. Po nałożeniu jako powłoka może wnikać w materiał tylko do 12 cali. Również sam proces powlekania jest niezwykle pracochłonny. Jeśli struktura jest grubsza niż 12 cali lub jest to projekt o dużej powierzchni, podejście z domieszką przyniosłoby lepsze wyniki.

Wykorzystanie alternatywnej technologii krystalicznej do produkcji betonu hydrofobowego jest możliwe tylko w obecności wody, ponieważ przed nałożeniem powłoki należy dokładnie zwilżyć powierzchnię.