Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов как и чем измеряются

Адгезия – это сцепление различных по своему составу и структуре материалов, обусловленное их физическими и химическими свойствами. Термин адгезия произошёл от латинского слова adhesion – прилипание. В строительстве дают более узконаправленное и специфическое обозначение тому, что такое адгезия – это способность декоративно-отделочных покрытий (ЛКМ, штукатурки), герметизирующих или клеящих смесей к прочному и надёжному соединению с внешней поверхностью материала основания.

Важно: Следует различать понятия адгезия и когезия. Адгезия соединяет разнотиповые материалы, затрагивая только поверхностный слой, К примеру, краска на металлической поверхности. Когезия– это соединение однотипных материалов, в результате которого образуется межмолекулярные взаимодействия.

Адгезия, что это такое – теоретические основы

Адгезия является одним из ключевых свойств материалов в следующих областях:

1. Металлургия – антикоррозионные покрытия.
2. Механика – слой смазки на поверхности элементов машин и механизмов.
3. Медицина – стоматология.
4. Строительство. В данной отрасли адгезия является одним из главных показателей качества выполнения работ и надёжности конструкций.

Практически на всех этапах строительства контролируются показатели адгезии для следующих соединений:

• лакокрасочные материалы;
• штукатурные смеси, стяжки и заливки;

клеящие составы, кладочные растворы, герметики и т.п.

Существует три основных принципа адгезионного соединения материалов. В строительстве и технологии они проявляются следующим образом:

1. Механический — сцепление происходит путем прилипания наносимого материала к основанию. Механизм такого соединения заключается в проникновении наносимого вещества в поры внешнего слоя или соединении с шероховатой поверхностью. Примером, является окраска поверхности бетона или металла.
2. Химический — связь между материалами, в том числе различной плотности, происходит на атомном уровне. Для образования такой связи необходимо присутствие катализатора. Примером адгезии такого типа является пайка или сварка.
3. Физический — на сопрягаемых поверхностях возникает электромагнитная межмолекулярная связь. Может образоваться в результате возникновения статического заряда или под воздействием постоянного магнитного или электромагнитного поля. Пример использования в технологии — окрашивание различных поверхностей в электромагнитном поле.

Адгезионные свойства строительных и отделочных материалов

Адгезия строительных и отделочных материалов осуществляется, преимущественно, по принципу механического и химического соединения. В строительстве используется большое количество различных веществ, эксплуатационные характеристики и специфика взаимодействия которых кардинальным образом отличаются. Разделим их на три основные группы и охарактеризуем более подробно.

Лакокрасочные материалы

Адгезия ЛКМ к поверхности основания осуществляется по механическому принципу. При этом, максимальные показатели прочности достигаются в том случае, если рабочая поверхность материала имеет шероховатости или пористая. В первом случае существенно увеличивается площадь соприкосновения, во втором, краска проникает в поверхностный слой основания. Кроме того, адгезионные свойства ЛКМ увеличиваются благодаря различным модифицирующим добавкам:

• органосиланы и полиорганосилоксаны оказывают дополнительное гидрофобизирующее и антикоррозионное действие;
• полиамидные и полиэфирные смолы;
• металлоорганические катализаторы химических процессов отвердения ЛКМ;
• балластные мелкодисперсные наполнители (к примеру, тальк).

  

Строительные штукатурки и сухие клеящие смеси

До недавнего времени, строительные и отделочные работы велись с использованием различных растворов на основе гипса, цемента и извести. Зачастую, их смешивали в определённой пропорции, что давало ограниченное изменение их основных свойств. Современные готовые сухие строительные смеси: стартовые, финишные и мультифинишные штукатурки и шпаклевки, имеют гораздо более сложный состав. Широко применяются добавки различного происхождения:

• минеральные – магнезиальные катализаторы, жидкое стекло, глиноземистый, кислотоустойчивый или безусадочный цемент, микрокремнезём и т.п
• полимерные – диспергируемые полимеры (ПВА, полиакрилаты, винилацетаты и т.п.).

Такие модификаторы существенно изменяют следующие основные характеристики строительных смесей:

• пластичность;
• водоудерживающие свойства;
• тиксотропность.

  

Важно: Использование полимерных модификаторов дает более выраженный эффект усиления адгезии. Однако образование устойчивых соединений полимерных пленок на границе разнотипных материалов (основание — твердеющая штукатурка) возможно только при определенной температуре. Этот термин называется минимальной температурой пленкообразования-МТП. У разных штукатурок она может быть различной от +5°С до +10°С. Во избежание расслоения , необходимо точно придерживаться рекомендаций производителя относительно температуры, как основания, так и окружающей среды.

Герметики

Герметики, использующиеся в строительстве, различают по трём различным типам, каждый из которых требует определённых условий для высокопрочной адгезии с материалом основания. Рассмотрим каждый тип подробнее.

• Высыхающие герметики. В состав входят различные полимеры и органические растворители: бутадиен-стирольные или нитрильные,  хлоропреновый каучук и т.п. Как правило, имеют пастообразную консистенцию с вязкостью 300-550 Па. В зависимости от вязкости, наносятся либо шпателем, либо кистью. После их нанесения на поверхность, необходимо определённое время для высыхания (испарения растворителя) и образования полимерной плёнки.

  

• Не высыхающие герметики. Состоят, как правило, из каучука, битума и различных пластификаторов. Имеют ограниченную устойчивость к высокой температуре, не более 700С-800С, после чего начинают деформироваться.

  

• Отверждающиеся герметики. После их нанесения, под воздействием различных факторов: влага, тепло, химические реагенты, происходит необратимая реакция полимеризации.

  

Из всех перечисленных разновидностей, отверждающиеся герметики обеспечивают максимальную надёжность сцепления с микро неровностями поверхности основания. Кроме того, они устойчивы к высоким температурам, механическим и химическим воздействиям. Они имеют оптимальное сочетание жёсткости и вязкости, позволяющее сохранять первоначальную форму. Однако, являются наиболее дорогостоящими и сложными в использовании.

Как измеряется адгезия?

Технология измерения адгезии, способы испытания, а также все показатели прочности соединения материалов указаны в следующих нормативах:

• ГОСТ 31356-2013 – шпаклёвки и штукатурки;
• ГОСТ 31149-2014 – лакокрасочные материалы;

ГОСТ 27325 – ЛКМ к дереву и т.п.

Если раньше адгезионные характеристики материалов можно было измерять только в лабораторных условиях, то на данный момент существует множество приборов, которые можно использовать непосредственно на строительной площадке. Большинство методов измерения адгезии, как «полевых», так и лабораторных связаны с разрушением внешнего, покрывающего, слоя. Но есть несколько устройств, принцип действия которых основан на ультразвуке.

• Нож адгезиметр. Используется для определения параметров адгезии методом решётчатых и или параллельных надрезов. Применяется для лакокрасочных и плёночных покрытий толщиной до 200 мкм.

  

• Пульсар 21. Устройство определяет плотность материалов. Используется для выявления трещин и расслоений в бетоне как штучном, так и монолитном. Существуют специальные прошивки и подпрограммы, которые по плотности прилегания, позволяют определить прочность адгезии штукатурок различных типов к бетонным поверхностям.

  

• СМ-1У. Используется для определения адгезии полимерных и битумных изоляционных покрытий методом частичного разрушения – сдвига. Принцип измерения основан на выявлении линейных деформаций изоляционного материала. Как правило, применяется для определения прочности изоляционного покрытия трубопроводов. Допускается использование для проверки качества нанесение битумной гидроизоляции на строительные конструкции: стены подвалов и цокольных этажей, плоские крыши и т.п.

  

Факторы, снижающие адгезию материалов

На снижение адгезии оказывают влияние различные физические и химические факторы. К физическим относится температура и влажность окружающей среды в момент нанесения декоративно-отделочных или защитных материалов. Также снижают адгезионные взаимодействия различные загрязнения, в частности, пыль покрывающая поверхность основания. В процессе эксплуатации влияние на прочность соединения лакокрасочных материалов может оказывать ультрафиолетовое излучение.

Химические факторы, снижающие адгезию, представлены различными материалами загрязняющими поверхность: бензин и масла, жиры, кислотные и щелочные растворы и т.п.

Также адгезию отделочных материалов могут снижать различные процессы, возникающие в строительных конструкциях:

• усадка;
• растягивающие и сжимающие напряжения.

Методы повышения адгезии

В строительстве существует несколько универсальных способов повышения адгезии декоративных отделочных материалов с поверхностью основания:

1. Механический – поверхности основания придают шероховатость, чтобы увеличить площадь соприкосновения. Для этого её обрабатывают различными абразивными материалами, наносят насечки и т.п.
2. Химический – в состав наносимых защитно-отделочных материалов добавляют различные вещества. Это, как правило, полимеры, образующие более прочные связи и придающие материалу дополнительную эластичность.
3. Физико-химический – поверхность основания обрабатывают грунтовкой, изменяющей основные химические параметры материала и оказывающей влияние на определённые физические свойства. К примеру, снижение влагопоглощения у пористых материалов, закрепление рыхлого внешнего слоя и т.п.

   

   

Способы увеличения адгезии к различным материалам

Более подробно остановимся на методах повышения адгезии для различных материалов, применяемых в строительстве.

Бетон

Бетонные стройматериалы и конструкции повсеместно применяются в строительстве. За счёт высокой плотности и гладкости поверхности их  потенциальные адгезионные показатели довольно низкие. Для увеличения прочности соединения отделочных составов необходимо учесть следующие параметры:

• сухая или влажная поверхность. Как правило, адгезия к сухой поверхности выше. Однако были разработаны множество клеевых смесей, требующих предварительного смачивания поверхности основания. В данном случае необходимо обращать внимание на требования производителя;
• температура окружающей среды и основания. Большинство отделочных материалов наносится на бетонные поверхности при температуре воздуха не менее +5°С…+7°С. При этом бетон не должен быть замёрзшим;
• грунтовка. Используется в обязательном порядке. Для плотных бетонов, это составы с наполнителем из кварцевого песка (бетонконтакт), для пористых бетонов (пено-, газобетон), это грунтовки глубокого проникновения на основе акриловых дисперсий;
• добавление модификаторов. Готовые сухие штукатурные смеси уже имеют в своем составе различные адгезионные добавки. Если штукатурка замешивается самостоятельно, то в неё рекомендуется добавить: ПВА, акриловую грунтовку, вместо такого же количества воды, силикатный клей, придающий отделочному материалу дополнительные влагоотталкивающие свойства.

  

  

Металл

Ключевую роль в прочности соединения лакокрасочных материалов с металлической поверхностью играет способ и качество подготовки поверхности. В домашних условиях рекомендуется выполнить следующие действия:

• обезжиривание – обработка металла различными растворителями: 650, 646, Р-4, уайт-спирит, ацетон, керосин. В крайнем случае, поверхность протирается бензином;
• матирование – обработка основания абразивными материалами;
• грунтование – использование специальных красок праймеров. Они реализуются в комплекте с декоративными ЛКМ определённого типа.

  

Древесина и древесные композиты

Древесина является пористой поверхностью с большим количеством неровностей и не испытывает особых проблем с прочностью соединения отделочных материалов. Но нет предела совершенству, поэтому были разработаны различные технологии для улучшения адгезии в сочетании с сохранением защитных и декоративных свойств самой отделки. Их использование, к примеру, в сочетании с акриловыми красками, значительно улучшает атмосферостойкость, устойчивость к ультрафиолетовому выцветанию, придает биологическую защиту материалу. Поверхность древесины обрабатывается самыми разнообразными грунтовками, чаще всего, на основе бор азотных соединений и нитроцеллюлозы.

Адгезия при сварочных работах

Сварка является одним из наиболее прочных методов соединения металлических конструкций. Это сцепление молекул двух элементов без использования промежуточных или вспомогательных веществ — клея или припоя. Происходит данный процесс под воздействием термической активации. Внешний слой соединяемых элементов нагревают выше температуры плавления, после чего происходит межмолекулярное сближение и соединение материалов.

Препятствием к качественной адгезии при сварке могут служить следующие факторы:

• наличие оксидных плёнок. Они удаляются механически или химически при подготовке поверхности или исчезают непосредственно в процессе сварки под воздействием высокой температуры или флюсов;
• несоответствие химического состава материалов и электродов. Особое внимание следует уделять наличию и количеству кремния и углерода в соединяемых деталях. Для соединения сталей разных марок рекомендуется использовать электроды с низким содержанием диффузионного водорода;
• недостаточная глубина проплавления, которая напрямую зависит от силы тока и скорости передвижение электрода.

  

Подводя итоги

Адгезия является одной из важнейших характеристик многих процессов современного строительства, поэтому для её увеличения разрабатываются всё новые методы. Их применение обеспечит большую долговечность строительным конструкциям и отделочным материалам, что в конечном итоге даст существенную экономию.