Hydrofobizační a zpevňovací prostředky

Hydrofobizační a zpevňovací prostředky

Hydrofobní úprava se stává stále častěji běžným postupem ochrany povrchů materiálů umístěných trvale v exteriéru. Platí to o površích současných i historických staveb i o dílech uměleckých (sochách, reliéfech apod.). Hydrofobita (vodoodpudivost) zabraňuje pronikání kapalné vody do porézního systému materiálu a podstatně zkracuje její kontakt s povrchem. To se projeví výrazným snížením řady korozních procesů - fyzikálních i chemických - včetně některých typů biodegradace. Snižuje se tak nebezpečí mrazového poškození, omezuje se působení vodorozpustných solí a potlačuje se existence živých organismů (řas, hub atd.) na povrchu i uvnitř materiálu.

HYDROFOBIZAČNÍ PROSTŘEDKY

Účinky hydrofobizace

Mechanismus vzniku vodoodpudivého efektu je známý, podrobněji byl popsán i v naší předcházející práci [1]. Kapalná voda má snahu se na vodoodpudivém povrchu 'sbalit' do kuliček a tím minimalizovat kontaktní plochu s takto upraveným povrchem. Na šikmých nebo svislých plochách její kapičky rychleji stékají, a tím se zkracuje doba kontaktu vody s materiálem. Omezený průnik kapalné vody do porézního systému zmenšuje rovněž množství nečistot vnášených do hmoty hydrofobizovaného materiálu a to spolu s rychlejším odtokem vody z povrchu snižuje špinivost upraveného povrchu. Mění se i charakter 'špinění' hydrofobního povrchu, což může být někdy považováno za estetický nedostatek. Neošetřený povrch po vystavení v exteriéru (v závislosti na množství nečistot v okolí) získává postupně stále 'ušmudlanější', nicméně barevně dosti stejnorodý vzhled, na hydrofobizovaném povrchu se mohou objevovat tenké, většinou svislé, úzké stopy ('čůrky'), které poněkud vyšším znečištěním kontrastují s okolní čistší plochou. Jejich vznik je důsledkem stékání tenkých pramínků srážkové vody po hydrofobizovaném povrchu, jež probíhá v závislosti na tvaru povrchu, směru větru apod.

Hydrofobizující prostředky se používají nejen pro dodatečné (či závěrečné) ošetření povrchů objektů, ale jsou aditivem např. i v silikátových fasádních barvách [2] či v některých injektážních prostředcích proti vzlínající vlhkosti [3].

Omezení a nebezpečí hydrofobizace

Hydrofobizační prostředky, resp. hydrofobní úprava, mají samozřejmě i svá omezení a nebezpečí. Pro dosažení vodoodpudivosti stačí vytvořit tenký film účinné látky na povrchu materiálu, průchodnost pórů pro plyny (včetně vodní páry) může proto zůstat zachována. Hydrofobizace je však účinná pouze do určité velikosti pórů a do určité výše působícího hydrostatického tlaku vody. Proto nelze úspěšně hydrofobizovat materiál, jehož póry jsou příliš velké, a proto také není pouhá hydrofobizace hmoty (např. zdiva) účinná jako ochrana proti vzlínající vlhkosti [4,5].

Dobře provedená hydrofobizace tedy neznemožňuje 'dýchání' materiálu, umožňuje však vysychání podkladu tím, že nebrání průchodu vodní páry. Proniknou-li však za ošetřenou vrstvu roztoky solí, může docházet k tzv. vnitřní korozi. Tyto roztoky se v závislosti na podmínkách uvnitř i vně materiálu pohybují směrem k povrchu. Vodoodpudivou hmotou však prochází pouze voda jako vodní pára. Materiál vysychá, avšak soli se koncentrují pod touto vrstvou, na vnější povrch neproniknou. Po čase může dojít vlivem krystalických nebo hydratačních tlaků k odtržení ošetřené vrstvy, aniž by před tím bylo na povrchu patrné nějaké poškození.

Typy hydrofobizačních prostředků

Nejrozšířenějšími látkami používanými pro hydrofobizaci materiálů jsou dnes organické sloučeniny křemíku - oligomery, monomery i vysokomolekulární polymery. Do této skupiny patří i methylsilanoláty, oblíbené pro svoji rozpustnost ve vodě a nízkou cenu. Látky z této skupiny mohou mít i zpevňující vlastnosti, některé se dokonce používají především jako konsolidanty a hydrofobní účinek je jakýmsi 'nádavkem' (viz dále).

Hydrofobizační prostředky obsahující jiný druh aktivní látky než 'silikony' jsou používány poměrně málo. Jejich cena bývá nižší, mají však často nižší životnost i účinek. Aktivní složkou bývají roztoky nebo vodní emulze vosků či olejů. V úvahu přicházejí i prostředky obsahující stearáty (nejčastěji stearát hlinitý), kde nositelem hydrofobity je dlouhý základní uhlíkatý řetězec. Ze syntetických hydrofobizačních látek je třeba připomenout ještě polymery obsahující fluor. Jsou velice účinné, jejich životnost je velmi dobrá, avšak jsou většinou podstatně dražší. Na našem trhu v současné době nejsou.

Kritéria výběru

Při volbě hydrofobizačního prostředku sledujeme obvykle několik hledisek. Mezi první patří často cena, i když ta může být někdy zavádějící. Na našem současném trhu se hydrofobní prostředky, chemicky i zpracovatelsky velmi podobné, mohou cenou lišit i několikanásobně. Užitečnou informací při výběru je proto obsah účinné látky. Běžné hydrofobní prostředky na bázi silikonů se dodávají připravené k použití, nezpevňující typy obsahují cca 3 až 10 % aktivní látky. Jsou však dodávány i koncentráty, z nichž si uživatel připraví aplikační roztok přídavkem vhodného rozpouštědla sám. Další důležitou vlastností je, zda a při jaké koncentraci roztoku prostředek tvoří souvislý film. Je-li lesklý, může nevhodně změnit charakter hydrofobizovaného povrchu. Podstatná je barva prostředku; nejvhodnější je prostředek bezbarvý, který nemění vzhled ošetřovaného materiálu ani během stárnutí.

Z pohledu ekologie i hygieny práce při aplikaci je výhodné, když prostředek neobsahuje organická rozpouštědla (ředitelnost vodou ještě neznamená, že prostředek organická rozpouštědla neobsahuje). Výrobci řeší tento problém buď tím, že se jedná o vodní disperzi polymeru (nebo emulzi jeho roztoku v organickém rozpouštědle), zvláštní skupinu potom tvoří tzv. silikonové mikroemulze. Jsou dodávány zpravidla jako koncentráty (mezinárodní zkratka je SMK) neobsahující vodu ani organická rozpouštědla [6]. Přídavkem vody jsou díky chemické struktuře molekul schopny spontánně vytvořit vodní emulzi částic účinné látky o velikosti 10 až 80 nm. Nejedná se však o roztok, obě fáze - silikon i voda - zůstávají oddělené. V této formě jsou aplikovány. Jejich výhodou je dobrá penetrační schopnost a snadné použití. Bývají také složkou některých směsí pro vytváření infúzních clon proti vzlínající vlhkosti [3].

Již zmíněné silanoláty (silikonáty), sodný nebo draselný, jsou vhodné pouze tam, kde nejsou na závadu mírné výkvěty solí. Ty se uvolňují během chemické reakce uvedených látek s oxidem uhličitým, jež vede ke vzniku hydrofobního gelu oxidu křemičitého. Přítomné kationty sodný nebo draselný se objevují v určitém období po aplikaci jako uhličitany - soda nebo potaš. Obě tyto soli jsou ve vodě rozpustné a z povrchu ošetřeného materiálu jsou postupně odplavovány srážkovou vodou. Uvedený typ prostředku však není možno doporučit pro hydrofobizaci historických konstrukcí či dokonce uměleckých děl.

Životnost hydrofobizace

Důležitou vlastností hydrofobizačních materiálů je životnost. Nositeli vodoodpudivosti jsou zpravidla uhlíkaté řetězce či skupiny vázané na základní polymerní řetězec. Vlivem slunečního (UV) záření, ale i dalších faktorů (např. silně alkalického prostředí) se tyto postranní skupiny odštěpují od základního řetězce a důsledkem je pokles až ztráta hydrofobity. Odolnost silikonových prostředků vůči alkalickému prostředí roste se zvětšující se délkou postranního řetězce, prostředky pro ošetření nevyzrálých omítek, betonu apod. obsahují zvýšené množství právě takových látek.

Praktické zkušenosti s hydrofobizačními prostředky typu Silgel (v minulosti vyráběnými v malých objemech pro konkrétní objekty - katedrálu sv. Víta, Národní divadlo apod.) ukazují, že jejich životnost přesahuje 20 let. Podstatnou úlohu vedle kvality samotného prostředku hraje způsob použití a stupeň nasycení materiálu. Dostatečného nasycení se nejlépe docílí, ponecháme-li stékat kapalinu po povrchu a přebytek, který se již nevsakuje, setřeme. Někdy je také uváděno [8], že na svislých površích musí kapalina stékat 20 i více cm před vsáknutím. Pokud se vsákne dříve, není povrchová vrstva ošetřovaného materiálu dostatečně nasycena.

Odstranitelnost hydrofobizace

Někdy je užitečné hydrofobní efekt řízeně omezit (např. před aplikací doplňků pojených vodným systémem). Sloučeniny, při jejichž použití nedochází k chemické reakci vedoucí k navázání molekul prostředku na strukturu ošetřovaného materiálu nebo ke vzniku polymerní sítě, je možno - alespoň teoreticky - odstranit opětným rozpuštěním a omytím vhodným rozpouštědlem. Tam, kde tato podmínka není splněna, přichází v úvahu pouze odstranění mechanické. Hydrofobní efekt je možno potlačit i účinkem vhodných enzymů - tedy řízenou biodegradací účinné látky - silikonu [9,10]. Na našem trhu je dostupný odstraňovač, pracující popsaným způsobem.

ZPEVŇOVACÍ PROSTŘEDKY (KONSOLIDANTY)

Jak již bylo řečeno, některé z hydrofobizačních prostředků mají rovněž zpevňující vlastnosti, tzn. jsou schopné dodat napuštěnému materiálu (především kameni, ale i omítkám, cihlám, nástěnným malbám, štukům apod.) nové, náhradní pojivo a tím zlepšit či obnovit jeho fyzikálně-mechanické vlastnosti.

Na zpevňovací prostředky jsou, zejména v památkové péči, kladeny dosti přísné požadavky. Jejich aplikace by neměla poškozovat ošetřovaný objekt. Neměl by se ale měnit ani vzhled zpevňovaného materiálu (barva, lesk apod.), u porézních materiálů (pískovců, opuk, omítek apod.) by měl prostředek při daném způsobu použití proniknout dosti hluboko do hmoty. Samozřejmě by aplikace prostředku měla být co možná jednoduchá, účinnost co nejlepší a cena přijatelná. Často bývá požadována i možnost pozdějšího odstranění. Tento požadavek je sice pochopitelný, avšak v praxi těžko realizovatelný.

Typy zpevňovačů

Ponechme stranou dnes již zřídka užívanou (a málo účinnou) vápennou vodu i prokazatelně pro kámen škodlivé vodní sklo nebo fluáty. V současnosti se v praxi nejčastěji používají konsolidanty obsahující estery kyseliny křemičité (organokřemičité látky), u kamene rovněž epoxidové pryskyřice. Obě tyto skupiny zpevňovačů se používají ve formě roztoků v organických rozpouštědlech.

Organokřemičité zpevňovače

Estery kyseliny křemičité se s vodou nemísí, avšak přítomnost vody je nutná, aby proběhla vytvrzovací reakce, při níž se uvolňuje alkohol a vzniká modifikovaný gel oxidu křemičitého - SiO2. Vzniklá zpevňující látka má tedy do jisté míry anorganický charakter, chemicky blízký křemeni [11]. Organokřemičité konsolidanty mají dobrou penetrační schopnost (protože mají nízkou viskozitu i při dostatečném obsahu aktivní látky), zpravidla nemění vzhled povrchu (někdy zvýrazňují či 'prohlubují' barvu kamene), a jsou-li správně aplikovány, nezhoršují propustnost ošetřené vrstvy pro plyny, včetně vodní páry. Je možno je aplikovat nátěrem, postřikem, ponořením do kapaliny apod. Jako rozpouštědla obsahují nejčastěji alkoholy nebo ketony. Vyrábějí se jako jednosložkové - připravené k okamžitému použití (obsahují potřebný, zpravidla neutrální organokovový katalyzátor) - nebo dvousložkové (většinou s katalyzátorem kyselým). V tomto případě je nutno před vlastní aplikací obě složky smíchat v předem stanoveném poměru.

Konsolidanty jednosložkové je nutno uchovávat v naprosto suchých podmínkách (přítomnost vody vyvolává vznik gelu, jak již bylo zmíněno), samotné vytvrzování těchto typů je ve srovnání s dvousložkovými pomalejší.
Dvousložkové systémy není nutno skladovat v suchých podmínkách - přítomnost vody před smícháním obou složek není příliš významná, protože bez katalyzátoru probíhá vytvrzovací reakce (vznik gelu) velice pomalu.

Použití organokřemičitých konsolidantů je pro materiál relativně bezpečné, přesto je nutno dodržovat určité zásady. Zpevňovaný materiál nesmí být příliš vyschlý (např. dlouhodobým umístěním v suchém, vytápěném ateliéru). Nedostatek vlhkosti v kameni způsobuje velmi pomalou reakci esteru (je využívána pouze vzdušná vlhkost) a celý proces konsolidace se výrazně zpomaluje. Naproti tomu při ošetřování příliš vlhkého kamene vzniká gel oxidu křemičitého velmi brzy - často již na povrchu místo v pórech např. kamene, což vede ke vzniku těžko odstranitelných bělavých závojů.

Základní typy organokřemičitých konsolidantů se vyrábějí jako nehydrofobní, některé, jak již bylo uvedeno, zároveň s hydrofobními účinky (výrobci je rozlišují např. značením OH či Z pro nehydrofobní, resp. H či V pro hydrofobní - vodoodpudivé).
Organokřemičité konsolidanty nelze z kamene odstranit. Jsou velice vhodné pro předběžnou konsolidaci (např. před čistěním) i pro konečné zpevnění. Je možno je používat i jako pojiva pigmentů v lazurách.

Epoxidové pryskyřice

Především u kamenných objektů, v případě hlubších prasklin nemusí být organokřemičité zpevňovače dostatečně účinné. Tehdy je vhodné použít pro konsolidaci roztoky epoxidových pryskyřic [12]. Mají výrazně větší zpevňující účinek, jsou však z materiálu rovněž neodstranitelné. Jsou vždy dvousložkové, před aplikací se musí smíchat s tvrdidlem, které je u komerčních zpevňovačů obsaženo v jedné ze složek. Doporučený poměr tvrdidla a pryskyřice (nebo dvou složek systému) je nutné co nejpřesněji dodržet - v opačném případě nemusí být dosaženo žádoucích vlastností konsolidantu. Běžná tvrdidla umožňují použití epoxidových konsolidantů při teplotách nad cca 10 C, pod touto teplotou probíhá vytvrzování velice pomalu, příp. se může zcela zastavit. Vytvrzování epoxidů pod touto teplotou je možno dosáhnout použitím speciálních tvrdidel, která však bývají většinou tmavě hnědá, což může někdy způsobovat i zbarvení ošetřovaného materiálu. Rychlost vytvrzování epoxidových konsolidantů rovněž zpomaluje vlhkost. Existují opět speciální tvrdidla, která umožňují vytvrzení pryskyřice i v přítomnosti vody [11].

Konsolidanty obsahující epoxidové pryskyřice mají zpravidla vyšší viskozitu (ve srovnání s konsolidanty organokřemičitými) a horší penetrační schopnost. Až na výjimky se je doporučuje aplikovat pouze impregnací za sníženého tlaku - natíráním nebo postřikem zpevňovaného kamene není většinou dosaženo potřebné hloubky penetrace, což může vést k následnému odlučování zpevněné vrstvy [13]. Použití konsolidantů obsahujících epoxidové pryskyřice je zpravidla technologicky náročnější, avšak v případech vážného poškození kamene je jediným účinných postupem. Jsou známy a dokumentovány [14] příklady použití epoxidových pryskyřic pro zpevnění kamenných soch, které jsou vystaveny řadu let povětrnosti bez poškození.

Konsolidanty obsahující jiné polymery

Výjimečně se pro konsolidaci opět především omítek a nástěnných maleb používají i roztoky vysokomolekulárních polymerů (např. akrylátů). Při dostatečném obsahu aktivní složky však mají zpravidla příliš vysokou viskozitu a jejich penetrační schopnost je omezená. Pro materiály s jemnou porézní strukturou (většina pískovců, opuk, některé vápence) jsou nepoužitelné. Stejně tak nelze doporučit pro zpevňování přírodních kamenů i vodní polymerní disperze - také jejich penetrační schopnost je malá, zůstávají na povrchu kamene, což vede k odlupování povrchové vrstvy. Jsou však vhodné ke zpevnění historických omítek a nástěnných maleb [11]. Pro tento účel se také používají.

Kritéria výběru konsolidantu

Při výběru konsolidantu z nabídky trhu je vhodné vedle ceny porovnávat i typ a obsah účinné složky, typ rozpouštědla, barvu konsolidantu i doporučený způsob použití (jednosložkový nebo vícesložkový typ, nátěr, postřik, impregnace za sníženého tlaku apod.). Spotřeba konsolidantu závisí především na typu ošetřovaného materiálu - materiály s vyšší porozitou mají zpravidla spotřebu vyšší a naopak.

PRŮZKUM HYDROFOBIZAČNÍCH PROSTŘEDKŮ A KONSOLIDANTŮ

Společnost pro technologie ochrany památek v letošním roce provedla průzkum zpevňovačů stavebních materiálů (ukončen ke konci června 1998) a aktualizaci průzkumu hydrofobizačních prostředků s datem ukončení v září 1998 (první průzkum těchto prostředků byl proveden již v roce 1996).

Průzkumy jsou prováděny dotazníkovými akcemi, kde odpovědi na vlastnosti výrobků poskytují bez finanční úhrady dodavatelé a výrobci. Společnost STOP se snažila, aby přehledy byly co nejúplnější - při průzkumu kontaktovala celkem na 70 výrobců nebo obchodních organizací, z nichž někteří na průzkum nereagovali. Těm, kteří nám informace o svých výrobcích poskytli, děkujeme za ochotu ke spolupráci na této akci.

Za správnost poskytnutých údajů zodpovídají dodavatelé a výrobci, kteří měli možnost se k přehledům vyjádřit. Ceny uváděné v tabulkách jsou orientační, konkrétní ceny závisejí na odebraném množství a dalších faktorech.

Na závěr malá poznámka k problematice ověřování kvality stavebních výrobků: STOP jako jeden z dotazů na vlastnosti zjišťoval u dodavatelů a výrobců údaj o Prohlášení o shodě, které je podle zákona č. 22/ 1997 Sb. nezbytnou podmínkou pro uvádění jakéhokoliv výrobku na český trh. Většina tazatelů odpovídala na dotaz o existenci Prohlášení o shodě kladně, někteří uváděli, že vystavení tohoto dokumentu mají v řízení (resp. náležitosti pro jeho vystavení mají u autorizovaných osob - dříve státních zkušeben - na posouzení).

Rádi bychom na tomto místě zdůraznili, že Prohlášení o shodě je dokument, který vystavuje samotný výrobce nebo dodavatel, ale součástí tohoto prohlášení musí být i doklad o tom, jaké vlastnosti jsou deklarované (a s kterými je tudíž výrobek ve 'shodě'), jak jsou zkoušeny a kde byly provedeny zkoušky (např. autorizovanou osobou, jiným nezávislým pracovištěm, ale i ve zkušebně firmy apod.). Proto právě ony 'náležitosti' obsahují konkrétní údaje o výrobku, a měly by potenciální odběratele zajímat.