Hydrofobizacja

Woda jest jednym z bardziej destruktywnych czynników wpływających na trwałość wszystkich kamieni budowlanych. Uważana jest za głównego wroga architektury kamieniarskiej. Na jej działanie narażone są głównie elementy kamienne stosowane w budownictwie zewnętrznym, gdzie wystawione są na bezpośrednie działanie deszczu, gradu, śniegu, mgły oraz wód gruntowych. Ilość absorbowanej przez kamień wody zależy od jego nasiąkliwości czyli zdolności do pochłaniania i zatrzymywania w przestrzeni porowej wody. Jednymi ze skał o najmniejszych nasiąkliwościach są np. skały magmowe, których ziarna są mocno upakowane, nie tworząc pustych przestrzeni pomiędzy nimi. Najgorzej wpływ wody znoszą materiały kamienne porowate. O charakterze porowatości decyduje nie tylko ilość porów, ale również w bardzo znacznym stopniu ich wielkość i kształt. Ten sam stopień porowatości może mieć skała o niewielkiej ilości dużych porów, jak i skała z mnóstwem drobnych porów, podczas gdy własności techniczne, jak nasiąkliwość czy wytrzymałość na zamarzanie będzie się bardzo różniła.

Hydrofobizacja jest to proces nadawania powierzchniom materiałów hydrofilowych, tj. zdolnych do wchłaniania wody, własności hydrofobowych, tj. zdolnych do odpychania wody. Hydrofobizację przeprowadza się w celu zapobiegania wnikaniu wody w głąb struktury materiałów. W przypadku kamienia hydrofobizację przeprowadza się w celu utworzenia powierzchni niezwilżalnej, aby uniemożliwić przenikanie i podciąganie kapilarne wody.

Przed omówieniem zabiegu hydrofobizacji na początku należy najpierw przybliżyć na czym polega ten proces. Na to, czy ciało jest hydrofobowe czy hydrofilowe wskazuje skrajny kąt zwilżania ciała. Naniesiona na powierzchnię ciała kropla cieczy tworzy z nim pewien kąt. Występuje on pomiędzy powierzchnią ciała stałego i styczną do powierzchni cieczy poprowadzoną przez punkt styku. Utworzony kąt jest miarą hydrofilowości lub hydrofobowości (W. Domasłowski, 1975). Rysunek poniżej przybliża graficznie pojęcie skrajnego kąta zwilżania.

Skrajny kąt zwilżania

Skrajny kąt zwilżania

 

  1. Powierzchnia w tym przypadku jest hydrofilowa, zdolna do wchłaniania wody. Zwilża powierzchnię ciała stałego, i tworzy mały kąt zwilżania.

  2. Tutaj kropla wody nie rozlewa się i tworzy średniej wielkości kąt zwilżania. Jest to powierzchnia wykazująca średnią hydrofobowość.

  3. Kąt zwilżania jest tutaj duży, powierzchnia jest hydrofobowa, niezwilżalna. Środki hydrofobizujące dążą do uzyskania przez impregnowany materiał właśnie takiej powierzchni.

 

Większość skał jest hydrofilowa. Jest to spowodowane porowatością kamienia.

Hydrofobizacja kamienia jest procesem zabezpieczającym obiekty budowlane zbudowane z surowców naturalnych przed szkodliwym działaniem wody. Ze względu na znikome zmiany w wyglądzie na impregnowanej powierzchni lub ich brak procesowi hydrofobizacji można poddawać wszystkie obiekty, również zabytkowe dzieła architektoniczne. W procesie tym nadaje się materiałom hydrofilowym (wodolubnym, czyli zdolnym do wchłaniania wody), własności hydrofobowe (niezwilżalne, odpychające cząstki wody) co zostało przedstawione poniżej.

Na fotografii przedstawiono efekt działania silikonowego impregnatu hydrofobowego na kamieniu naturalnym
prawa strona – woda utrzymuje się na powierzchni, kamień jest zaimpregnowany
lewa strona – woda wniknęła w podłoże, widoczne ciemniejsze plamy wilgoci

 

Zabieg hydrofobizacji przeprowadza się głównie dla obiektów ulokowanych na zewnątrz, gdzie są narażone na bezpośrednie działanie wody atmosferycznej. Szczególnie pożądana jest hydrofobizacja kamienia zastosowanego w obszarach silnie uprzemysłowionych. Nowoczesne środki do hydrofobizacji działają poprzez wytworzenie niezwilżanej powłoki na powierzchni kamienia – w przypadku kamieni nieporowatych, a w przypadku porowatych środki wnikają dodatkowo w głąb porów.

Środek do hydrofobizacji musi mieć podane przez producenta cechy identyfikacyjne i właściwości techniczne. Do wymaganych cech identyfikacyjnych, zaliczono: wygląd zewnętrzny preparatu, jego stan skupienia, zabarwienie i wygląd preparatu po rozcieńczeniu wodą lub innym rozpuszczalnikiem. Nie dopuszcza się występowania w preparacie rozwarstwień i obcych zanieczyszczeń. Producent musi podać gęstość preparatu w określonych warunkach, temperaturę zapłonu preparatu oryginalnego i po ewentualnym rozcieńczeniu go rozpuszczalnikiem organicznym (R. Krzywobłocka – Laurów, 2003).

Po wykonaniu zabiegu hydrofobizacji powierzchni elementów kamiennych ważnym wymogiem jest, by ich powierzchnia nie wykazywała zmian widocznych gołym okiem w porównaniu do wyglądu przed zabiegiem impregnacji.

Rolą dobrego środka do impregnacji strukturalnej jest stworzenie warstwy nieprzepuszczalnej dla wody czyli mającej bardzo dobre właściwości hydrofobowe, a jednocześnie takiej, aby kamień mógł swobodnie przepuszczać gazy. Pory kamienia porowatego powinny być przepuszczalne dla pary wodnej i innych gazów. Roztwory środków hydrofobizujących używane do zabezpieczania obiektów muszą szybko wnikać w przestrzenie porowe kamienia. Substancja hydrofobowa musi rozkładać się równomiernie w całym materiale, nie może ulegać rozdziałowi ani migrować do powierzchni w trakcie odparowywania rozpuszczalników. Ważne, żeby środki takie były odporne na działanie temperatur wysokich i niskich, promieniowanie UV oraz innych czynników atmosferycznych. Muszą też chronić kamień przed powstawaniem grzybów
i porostów. Użycie impregnatów powinno też chronić powierzchnie kamienne przed zabrudzeniami i ułatwiać samooczyszczanie materiałów pod wpływem opadów atmosferycznych, co gwarantuje przez wiele latutrzymania estetycznego wyglądu powierzchni.

PREPARATY OBECNIE STOSOWANE DO IMPREGNACJI KAMIENIA

Obecnie impregnatami są wielocząsteczkowe polimeryczne związki organiczne krzemu, o budowie chemicznej nadającej im charakter pośredni między organicznymi tworzywami sztucznymi a nieorganicznym kwarcem. Zabezpieczenie środkiem do hydrofobizacji strukturalnej chroni kamień na okres od 5 do 20 lat.

Efekt hydrofobowy na kamieniu naturalnym

Efekt hydrofobowy na kamieniu naturalnym

 

Środki krzemoorganiczne dzielą się na szereg różnych związków chemicznych. Spośród nich można wyróżnić kilka, które znalazły zastosowanie
w budownictwie, jako preparaty chroniące przed działaniem wody. Są to:

  • silikoniany,

  • silany,

  • oligomery

  • alkiloalkoksysilany,

  • żywice alkiloarylopolisiloksanowe

  • kauczuki metylopolisiloksanowe sieciujące pod wpływem pary wodnej
    z atmosfery

 

Wszystkie wymienione produkty zasadniczo nie różnią się działaniem, lecz głównie budową i wielkością cząsteczkową. Środki krzemoorganiczne, w wyniku reakcji z kamieniem, dają dobre związanie, redukują chłonięcie wody do 1%, przepuszczalność zmniejszają o ok. 5 – 8%, nie zabarwiając kamienia (W. Ślesiński, 1995). Silikoniany należą do najtańszych środków krzemoorganicznych, chętnie stosowanych w budownictwie. Są one alkalicznymi, wodnymi roztworami metylosilikonianu sodu i potasu. Przebieg proces hydrofobizacji przyspiesza obecność dwutlenku węgla, a opóźnia obecność wolnego wodorotlenku wapnia (P. Rościszewski, 1964). Pod wpływem dwutlenku węgla z powietrza silikoniany ulegają powolnemu procesowi kondensacji. Wraz ze wzrostem cząsteczki rosną właściwości hydrofobowe materiału (J. Łukaszewicz, 2002). W efekcie wszystkie pory kamienia, mimo że nie zmieniają swojej objętości zostają pokryte mikronowej grubości warstwą polimeru. Proces hydrofobizacji kamienia jest już widoczny w zasadzie zaraz po nałożeniu go na kamień, jednak aby utrwalić ten proces należy odczekać kilka dni. Środki te posiadają jedną dość poważną wadę, która uniemożliwia ich stosowanie w zabytkowych dziełach sztuki – podczas zabiegu hydrofobizacji tworzą się sole głównie potasowe, a te niekorzystnie wpływają na kamień.

Silany również są związkami krzemoorganicznymi, posiadają zdolność do samoistnego reagowania z materiałem budowlanym. Dzięki trwałemu wiązaniu chemicznemu z zabezpieczaną powierzchnią, impregnacja ochronna ma długotrwałe i skuteczne działanie. Silany to związki monomerowe (W. Ślesiński, 1995), nie posiadają tej wady co silikoniany. Nie powstają sole podczas hydrofobizacji. Są również bezbarwne, a więc nie powodują zmiany wyglądu kamienia. Są stosowane zarówno do ochrony nowych obiektów, jak i są bardzo cenione przez konserwatorów zabytków budowlanych. Zaletą silanów jest mała pracochłonność podczas zabiegów zabezpieczających, a zarazem efekt jest duży. Środek także charakteryzuje się znaczną penetracją w głąb struktury kamienia.

Alkilosilany i Alkiloalkoksysilan są mniej aktywne i ulegają hydrolizie wolniej. Przeprowadza się więc wobec katalizatora wstępną hydrolizę
i polikondensację, a do hydrofobizacji stosuje roztwory otrzymanych oligomerów
(J. Łukaszewicz, 2002).

Środki zawierające żywice siloksanowe oraz oligomery mają głównie przeznaczenie do powierzchniowego polewania powierzchni impregnowanych. Po trzykrotnym nasączeniu skały są w stanie wniknąć na głębokość około 1 cm. Charakteryzują się niską lepkością, co powoduje doskonałą penetrację w pory kamienia.

W ostatnich latach był przeprowadzany szereg badań nad ulepszeniem środków do impregnacji kamienia naturalnego. Przyszłościowo zapowiadają się materiały polimerowe o budowie hybrydowej. Obecnie możliwe jest otrzymanie polimerów hybrydowych o dokładnie zaprojektowanej architekturze, najodpowiedniejszej do przewidywanego zastosowania. Środki takie na razie nie są jednak rozpowszechnione ze względu na cenę, która jest wygórowana, ponieważ trzeba oddzielnie dla każdego kamienia sporządzać nowy preparat. Ich stosowanie jest opłacalne, w momencie gdy mamy do zaimpregnowania niedużą powierzchnię o dużej wartości zabytkowej.

SPOSOBY WPROWADZANIA PREPARATÓW W PRZESTRZEŃ POROWĄ

Środki silikonowe do impregnacji materiałów budowlanych są roztworami co zapewnia ich łatwe wprowadzanie w przestrzeń porową. Znanych jest wiele sposobów wprowadzania silikonów w przestrzeń porową kamieni. Dla obiektów usytuowanych na zewnątrz ważne jest, aby hydrofobizację przeprowadzić w warunkach suchej, bezdeszczowej pogody. Temperatura musi być zawsze dodatnia choć w zależności od konkretnego preparatu zakres temperatur się zmienia. Zazwyczaj musi mieścić się ona w przedziale od 50C do 300C. W przypadku impregnacji obiektów wewnątrz budynków warunek ten w zasadzie w każdym przypadku jest spełniony. Jeżeli na kamieniu występują niebezpieczne sole koniecznie należy wykonać ich analizę ilościową. Wysokie stężenie soli, a zwłaszcza chlorków, azotanów i siarczanów prowadzi do poważnych szkód w materiale, którym nie można zapobiec wykonując hydrofobizację. Ważne też jest, aby przed przystąpieniem do impregnacji przeprowadzić odsolenie obiektów w razie konieczności. Wszelkie usterki budowlane jak np. rysy, wadliwe złącza należy przed zabiegiem usunąć. Należy zagwarantować, żeby woda i rozpuszczone w niej szkodliwe sole nie dostawały się za strefę zahydrofobizowaną, ponieważ mogłoby to prowadzić do szkód mrozowych, odspojeń i rozsadzania przez sole. Ważnym elementem przed impregnacją jest dokładne oczyszczenie kamienia, czyli doprowadzenie do otwarcia kapilar i porów, przez usunięcie zanieczyszczeń. Pozostałości środków czyszczących (np. detergentów) należy dokładnie spłukać, ponieważ zmniejszają one skuteczność hydrofobizacji. Hydrofobizacja może być czynnością profilaktyczną lub konserwatorską, wykonywaną zawsze po ukończeniu wszystkich innych, m.in. z tego względu, że na utworzonej błonie trudne jest utrzymywanie się innych materiałów.

Najprostszą metodą hydrofobizacji kamienia jest nanoszenie preparatu za pomocą pędzla lub wałka. Nie jest to zła metoda ale czasochłonna. Trzeba zwracać uwagę, aby powierzchnia kamienia była dokładnie i równomiernie nasączana. Aby unikać przy takiej metodzie problemów z wprowadzeniem zbyt małej ilości środka impregnującego, należy pracować ciągle, dobrze nasączonym narzędziem, nanosząc go dokładnie tylko na małe odcinki obiektów. Stosowana jest zazwyczaj na drobnych elementach obiektów albo w takich miejscach gdzie nie można dotrzeć inną metodą. Najczęściej stosowanym sposobem impregnacji jest natryskiwanie preparatu przy pomocy specjalistycznych urządzeń. Rozróżniamy dwie grupy metod: impregnacja swobodna i pod ciśnieniem. Pierwsza z nich polega na swobodnym przepływie środka impregnującego w głąb kamienia. Należy przy tej metodzie zwracać uwagę, aby dysza urządzenia była prowadzona poziomo w stosunku do elewacji kamiennej, bez odrywania jej od muru, aby nie zostawić miejsc niezaimpregnowanych. Rozprowadzenie środka można wspomóc przy pomocy pędzla lub szczotki. Podobnie przebiega natryskiwanie pod ciśnieniem,
z tym że nie nadaje się do każdych powierzchni, stosuje się ten typ impregnacji jedynie przy bardziej odpornych skałach, gdzie pojedyncze składniki nie będą narażone na wymycie pod wysokim ciśnieniem. Środki impregnujące można również nanosić na obiekty poprzez zanurzenie ich w preparacie hydrofobizującym. Metoda ta sprawdza się głównie w przypadku rzeźb o niedużych rozmiarach wykonanych z kamienia, które można swobodnie zanurzyć w środku impregnującym. Środek hydrofobizujący niezależnie od metody należy nanosić na obiekt przynajmniej dwa razy. Po impregnacji należy w miarę możliwości chronić skałę przynajmniej kilka godzin przed deszczem. Silny wiatr
i nasłonecznienie również niekorzystnie wpływają na świeżo naniesiony środek, mogą przyspieszyć odparowanie nośnika, co niekorzystnie wpływa na głębokość wchłaniania się impregnatu.