ضد آب سازی مصالح ساختمانی با فن آوری نانو

ضد آب کردن مصالح ساختمانی در طول هزاره اخیر همیشه مشکلی فراگیر بوده است. به علت نبود آشنایی با سطح نانویی مصالح ساختمانی، این مشکل کاملاً مورد بررسی قرار نگرفته است. پیشرفت های اخیر در علم و فن آوری، عملاً امکان استفاده از آخرین فن آوری نانو در تولید محصولات ارگانو سیلان (Organo silane) و سازگار با محیط زیست برای ضد آب کردن انواع مختلف مصالح ساختمانی را فراهم ساخته است. فن آوری نانو تضمین کرده است که عمر این نوع خدمات بیش از بیست تا سی سال با هزینه بسیار مقرون به صرفه می باشد.

وجود رسوخ در مصالح ساختمانی، نشت آب به علت خلل و فرج داخلی و ترک های ریز، مسئله ای شناخته شده است. ضد آب سازی نوعی عمل کردن است که انتظار می رود مصالح را در مقابل آب نفوذ ناپذیر کند. فن آوری ها و پیشرفت های زیادی در تولید محصولات ضد آب سازی در طول 50 سال گذشته به ویژه در استفاده از شیمی پلیمری پایه و بسیاری محصولات دیگر صورت گرفته است.

یکی از اهداف ضد آب سازی حفظ و نگهداری زیبایی در مقابل موارد زیر است:
پوسته شدن رنگ
تاول های رنگ
قارچ و کپک
شوره
مسئله مهم دیگری که در ضد آب سازی به آن پرداخته می شود جلوگیری از تضعیف مقاومت مصالح ساختمانی بتنی، به ویژه در اثر واکنش سیلیکات های قلیایی (ASR)، باران اسیدی، حمله سولفاتی و غیره می باشد. ضد آب سازی همچنین مانع نفوذ کلر-عامل تسریع کننده خوردگی میله های فلزی بتن مسلح- می باشد.

بیشتر مصالح ساختمانی تخلخل بسیاری دارند و در سطح دارای گروه های هیدروکسیل هستند. این گروه های هیدروکسیل بخاطر شباهت با ساختار آب و ویژگی آب دوستی، جاذب آب هستند. بنابراین بیشتر مصالح ساختمانی به راحتی خیس می شوند و در منافذشان آب جذب می کنند. اندازه مولکول آب 0.18 نانومتر است ( نانومتر معادل 9-10 متر یعنی 0.00018 میکرون می باشد).
از طرفی اندازه منافذ در بیشتر مصالح ساختمانی بین 5 تا 200 نانومتر است و همچنین اندازه بیشتر آلاینده ها چون اسید ها، کلرید ها و سولفات ها بین 1 تا 2 نانومتر می باشد. حتی در بتن و سنگ فشرده اندازه منافذ بسیار بزرگتر از آب است و با توجه به خاصیت آب دوستی مصالح ساختمانی امکان ورود آسان آب را فراهم می کند.
از زمانی که مردم در سراسر دنیا به زیبایی اهمیت دادند و با توجه به افزایش هزینه نیروی انسانی، صنعت ساختمان ضد آب سازی را راهی برای حفظ و نگهداری ظاهر ساختمان های نوساز در نظر گرفته است. محصولات بسیاری در بازار وجود دارد و موارد ضروری که هنگام تصمیم گیری در باره مواد ضد آب سازی باید رعایت کرد بدین شرح است:

• مقاومتی که می تواند در برابر جذب آب ایجاد کند
• مانع ایجاد کردن در برابر نمک های محلول در آب، به ویژه نمک های کلر
• نفوذ عمل ضد آب سازی به عمقی قابل قبول
• لکه نشدن مناطق سطح عمل شده
• دوام طولانی مدت در محیطی قلیایی
• خطر محیط زیستی و سلامتی پایین
• مقاومت در برابر اشعه فرابنفش (بیش از 20 سال)

دو نوع از محصولات ضد آب سازی وجود دارد:
1. پوشش دهنده ها
2. نفوذ کننده ها

مسائل اقتصادی و راحتی استفاده باعث کاربرد گسترده ضد آب کننده های پوششی شده است. در سطح دنیا محصولاتی چون رنگ های اکریلیکی و پلیمر های سیلیکونی معمولاً برای ضد آب کردن استفاده می شوند. اندازه ذرات این پوشش دهنده ها بیش از 100 نانومتر است که این مسئله باعث می شود نتوانند به داخل منافذ مصالح ساختمانی نفوذ کنند، بلکه لایه ای ایجاد کنند که سطح را بپوشانند و مانع جذب آب شود. این لایه های پلیمری عموماً آب گریز هستند ولی باید آن ها را به شکل متناوب استفاده کرد، نباید آسیب ببینند و باید در مقابل اشعه فرابنفش هم مقاوم باشند.
تحقیقات نشان داده اطمینان پیدا کردن از روکشی مداوم روی سطح سخت در حین استفاده آسان نیست و این مسئله باعث ایجاد نقاط ضعیف در پوشش می شود. احتمال ترک خوردگی تمام انواع لایه های پلیمری معمولی در برابر اشعه فرابنفش وجود دارد که این خود باعث ترک خوردگی پوشش در طول 2 تا 5 سال می شود و با از دست دادن خاصیت آب گریزی، ضد آب سازی بی نتیجه می ماند.

بیشتر نفوذ کننده ها پایه حلالی هستند و موادی مونومری محلول با اندازه کوچکتر از 6 نانومتر می باشند. این مواد به منافذ و شبکه های آن ها نفوذ می کنند. دو نوع نفوذ کننده وجود دارد: 1) واکنشی 2) غیر واکنشی.
نفوذ کننده های غیر واکنشی روغن ها و دیگر مواد آب گریز با چسبندگی پایین هستند که منافذ لایه های زیرین را پر می کنند و خاصیت آب گریزی ایجاد می کنند. این نوع مصالح در طبیعت تجزیه پذیرند و در یک سال آب گریزی خود را از دست می دهند. همچنین این محصولات فراهم کننده غذای قارچ و کپک هستند.
نفوذ کننده های واکنشی با لایه های زیرین واکنش شیمیایی می دهند و برای سطح عمل شده آب گریزی در سطح مولکولی ایجاد و 3 تا 5 میلیمتر در داخل لایه های زیرین نفوذ می کنند. بنابراین محافظتی که این نوع محصولات ضد آب سازی ایجاد می کنند بسیار طولانی مدت می باشد. علاوه بر این هوازدگی (اشعه فرابنفش) و فرساینده های طبیعی تقریباً هیچ تأثیری روی آن ها ندارند و در نتیجه تاثیر بر ویژگی ضد آبی بسیار محدود است.

جدول 1) ویژگی های محصولات ضد آب سازی موجود در بازار را به شکل خلاصه نشان می دهد

داده ها به وضوح نشان می دهند که محصولات ضد آب سازی با پایه سیلان برای کارکرد طولانی مدت مناسب اند. سیلان ها و سیلان-سیلوکزان ها به عنوان دسته ای جدید از محصولات ضد آب سازی شناخته شده اند. این محصولات که 30 سال است در اروپا و آمریکا مصرف می شوند، تنها در چند سال اخیر وارد بازار هندوستان شده اند.
کارکرد طولانی مدت ترکیبات ضد آب سازی ترکیبات سیلان پایه حلالی ثابت شده است و به شکل بسیار گسترده در اروپا و آمریکا به کار می روند. انواع آلکیل سیلان ها که برای ضد آب کردن استفاده می شوند به این نام ها شناخته می شوند:
الف. Isobutyltrialkoxysilane
ب. n-octyltrialkoxysilane
سیلان ها موادی منومری هستند و محصولاتی که برای ضد آب سازی استفاده می شوند به آلکیل آلکوکسی سیلان معروف اند. آلکیل آلکوکسی سیلان ها دو گروه دارند: الف) گروه آلکیل (R’) و ب) گروه آلکوکسی (OR) که با بیشتر مصالح ساختمانی واکنش پذیرند.

یشتر مصالح ساختمانی گروه هیدروکسیل (OH) دارند. این گروه های OH می توانند با گروه های آلکوکسی سیلان واکنش دهند و با لایه های زیرین پیوند های سیلوکزان دائمی تشکیل دهند. گروه آلکیل در سطح، آب گریزی (دفع آب) ایجاد می کند. بنابراین این نوع محصولات با اصلاح ویژگی های سطح از آب دوست به آب گریز میل به دفع آب ایجاد می کنند.

با وجود عملکرد برتر سیلان، استفاده از آن در سطح دنیا به علت قیمت بالا، بسیار محدود است. همچنین آتش زا و سمی بودن حلال محدودیت هایی در استفاده آسان از این محصول ایجاد می کند.
اخیراً شرکت صنایع زایدکس در هندوستان محصولی ضد آب کننده به نام زایکوسیل تولید کرده است که تمامی سه ویژگی مطلوب را دارد:
1. بر پایه فن آوری نانو استوار است
2. در لایه های زیرین غیر آلی می باشد
3. آب گریزی در سطح مولکولی ایجاد می کند
به این علت که در محلول آب استفاده شده است با محیط زیست سازگار است. همچنین مقدار ماده فرار منتشره در محیط (VOC)در هر متر مربع سطح اعمال شده در مقایسه با سیلان های پایه حلالی 20% کمتر است. این محصول بر اساس شیمی ارگانو سیلان ساخته شده است و بنابراین با سطح لایه های زیرین غیر آلی واکنش می دهد و عمری طولانی معادل 20 تا 30 سال ایجاد می کند.

زایکوسیل محصولی ارگانو سیلان است که اندازه ذره ای معادل 4 تا 6 نانومتر در آب تشکیل می دهد و به عمق 3 الی 5 میلیمتری منافذ مصالح ساختمانی نفوذ می کند. محصول بخشی از مصالح ساختمانی می شود و آن را به شدت دافع آب می کند.
این محصول پنج ویژگی بارز دارد:

• عمر طولانی 20 تا 30 ساله که نتایج آزمایشات هوازدگی بر اساس روش های ASTM هم این را ثابت کرده اند.
• به نسبت 1:10 یا حتی بیشتر در آب لوله کشی حل می شود و مقدار بسیار کمی مواد زیستی به جو وارد می کند، بنابراین با محیط زیست سازگار است.
• محصول را می توان بوسیله برس، افشانه و غلتک استفاده کرد، بنابراین کار با آن راحت است.
• محصول می تواند با هزینه ای بسیار کمتر از هزینه مواد و محصولات موجود سطح را ضد آب کند.
• محصول قابل اشتعال نیست.

• لوله رایلم به سطح لایه های زیرین متصل و تا علامت 5 میلی لیتر آب پر شد.
• کاهش سطح آب در مدت بیست دقیقه مورد بررسی قرار گرفت.
• فشار هیدرولیک تولید شده بر سطح معادل باد و بارانی باسرعت 140 کیلومتر بر ساعت بود.

• سطح آب در طول 24 ساعت در سطح بلوک سیمانی عمل شده با زایکوسیل افت نداشت.
• آب در بلوک سیمانی عمل نشده بعد از 20 دقیقه تا نشانگر 2.5 میلیمتر پایین آمد.
• آزمایش رایلم برای سنجش سرعت جذب آب هم انجام شد.
• سرعت های جذب آب محاسبه و با نمونه های عمل نشده مقایسه شدند.
• نمونه های عمل شده با زایکوسیل ( آجر، بتن، ورقه سیمانی،آستر سیمانی، سنگ و غیره) سرعت جذب آب را بیش از 99% کاهش دادند.

• چرخه هوازدگی: قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش بر اساس استاندارد ASTM G-154 (21 ساعت) و به دنبال آن بارش شدید باران ( 1 ساعت ) و خشک شدن در دمای 110 درجه سانتیگراد ( 2 ساعت ).
• نمونه های عمل شده با زایکوسیل شامل بلوک بتنی، آجر، آستر سیمانی، ماسه سنگ و ورقه سیمانی را از 80 چرخه گذراندند.
• تمامی نمونه ها بیش از 98% آب گریزی خود را پس از 80 چرخه حفظ کردند.

• این آزمایش بر اساس روش ASTM 6489 انجام شد.
• وزن نمونه های عمل شده با زایکوسیل تا نزدیک 0.1 گرم اندازه گرفته شد و سپس سطوح نمونه های عمل شده در ظرفی حاوی چند اینچ آب لوله کشی به مدت 24 ساعت قرار گرفتند.
• سپس نمونه ها از آب خارج و با حوله خشک شدند و وزن آنها دوباره اندازه گرفته شد.
• وزن اولیه و نهایی برای محاسبه میزان جذب آب در 24 ساعت اندازه گرفته شده و این مقادیر با نمونه های عمل نشده مقایسه شدند.
• نمونه عمل شده با زایکوسیل بیش از 90% کاهش جذب آب نشان داد.