Preparaty iniekcyjne stosowane w renowacji budynków i budowli

*****
Artykuł jest poświęcony preparatom iniekcyjnym stosowanym do renowacji budynków i budowli. Wymieniono i opisano najczęściej stosowane preparaty iniekcyjne.

Injection materials used for the renovation of buildings and structures

The article is devoted to injection materials used for the renovation of buildings and structures. The most frequently used injection materials are listed and described.
*****

Technologia iniekcji najczęściej stosowana jest do wykonywania w murach wtórnych hydroizolacji poziomych przeciw wilgoci podciąganej kapilarnie [2], ale również w przypadku zamykania i/lub uszczelniania rys oraz złączy [3, 4], a także w celu wykonywania tzw. iniekcji żelowych (strukturalnej oraz kurtynowej) [4, 5].

Najczęściej stosowanymi preparatami iniekcyjnymi są:

• w przypadku wykonywania wtórnych hydroizolacji poziomych:
  – krzemiany/metylokrzemiany alkaiczne,
  – mikroemulsje silikonowe (SMK),
  – kremy iniekcyjne,
• w przypadku iniektowania rys oraz złączy:
  – żywice epoksydowe (EP),
  – środki iniekcyjne na bazie poliuretanów (PU),
  – akrylany (A),
  – żywice poliakryloamidowe (PAA),
  – materiały cementowe i mikrocementowe (C),
  – materiały polimerowo-cementowe (PC),
• w przypadku iniekcji żelowych:
  – żele akrylowe,
  – żele na bazie poliuretanów.

Poznaj też: Metody iniekcyjnego uszczelniania rys i złączy

Krzemiany/metylokrzemiany alkaliczne

Kombinacja krzemianów oraz metylokrzemianów alkalicznych to połączenie dwóch środków o odmiennym działaniu.

Krzemiany alkaliczne (alkalisilikaty), czyli szkła wodne sodowe, potasowe lub litowe stosowane są z różnym powodzeniem od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, aż do dzisiaj. Mimo swoich ograniczeń wciąż pozostają w użyciu dzięki dostępności oraz stosunkowo niskiej cenie. O ile w przeszłości stosowano głównie środki na bazie sodu, obecnie, nawet jeśli rzadko, stosuje się krzemiany potasu lub szkło wodne potasowe [6]. Alkalisilikaty w wyniku reakcji z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu przeobrażają się w amorficzny żel krzemionkowy (porównaj: RYS. 1–2).

Proces wytrącania żelu krzemionkowego z roztworu szkła wodnego nosi nazwę koagulacji [7] – w przypadku szkła wodnego potasowego reakcja te przebiega następująco [8]:

Poprzez odkładanie się żelu krzemionkowego w porach i kapilarach dochodzi do ich zwężenia, a w sprzyjających warunkach nawet do ich zatkania [10].

Problematyczne w przypadku zastosowania szkła wodnego jest zapewnienie dostępu dwutlenku węgla, szczególnie w przypadku stosunkowo często spotykanych w starszych budynkach ścian o znacznej grubości oraz wysokim stopniu przesiąknięcia wilgocią. Warunkiem trwałości przepony wykonanej przy zastosowaniu alkalisilikatów jest stały dostęp wilgoci, bez którego dochodzi do skurczu żelu krzemionkowego i powstawania tzw. wtórnych kapilar.

Dodatkową wadą tego typu środków jest fakt, iż produktem ubocznym powyższej reakcji chemicznej jest sól łatwo rozpuszczalna w wodzie, węglan potasu.

W związku z wysokim stężeniem w powietrzu innych tlenków kwasowych mogą tworzyć się również siarczany i azotany, które mogą krystalizować w porach, prowadząc do destrukcji muru, jak również prowadzić do higroskopijnego zawilgacania przegrody [7].

Metylokrzemiany alkaliczne (alkalimetylosilikonaty) to rozpuszczalne w wodzie sole kwasu alkikrzemowego, przy czym najczęściej stosowanym jest kwas metylokrzemowy. Środki te, również w wyniku reakcji z dwutlenkiem węgla, prowadzą do powstania polimetylowego kwasu krzemowego oraz węglanów, wg reakcji:

Polimetylowy kwas krzemowy prowadzi do hydrofobizacji światła kapilar. Podobnie jak w przypadku krzemianów alkalicznych problematyczne jest zapewnienie dostępu dwutlenku węgla oraz powstawanie szkodliwych soli budowlanych. Z tego powodu nie zaleca się stosowania metylokrzemianów alkalicznych w grubych murach o wysokim poziomie zawilgocenia.

Wadą tego typu środków są również ich silne właściwości żrące – produkty oferowane w handlu wykazują działanie żrące porównywalne do 20% ługu potasowego [11].

Połączenie obu wyżej wymienionych środków prowadzi do zwężenia światła kapilar przy ich jednoczesnej hydrofobizacji. W pierwszym etapie działania takiej mieszanki dochodzi do odłożenia się w kapilarach żelu krzemionkowego, co prowadzi do ich zwężenia, a następnie do odsychania strefy muru położonej powyżej utworzonej przepony. Spadek wilgotności powoduje z kolei uaktywnienie hydrofobizujących właściwości metylokrzemianu. Hydrofobizacja pozwala zapewnić działanie przepony również w przypadku skurczu żelu krzemionkowego, który w przypadku zastosowania wyłącznie krzemianów, niweczy efekt osuszenia muru.

Mikroemulsje silikonowe (SMK)

Koncentraty mikroemulsji silikonowych (określane również jako SMK, od ang. Silicone Mikroemulsion Concentrates) to preparaty iniekcyjne opracowane w latach 90 XX w., które w Polsce zyskały popularność w pierwszej dekadzie obecnego stulecia [12]. Obecnie wciąż znajdują zastosowanie, szczególnie w murach o znacznej ilości wolnych przestrzeni (tzw. murach jamistych). Są to dostarczane w formie koncentratu czyste silany lub modyfikowane związki siloksanów, czyli związki wykazujące działanie hydrofobizujące [13].

Podobnie jak klasyczne emulsje, mikroemulsje silikonowe stanowią układ dwufazowy typu olej w wodzie [14]. Nie zawierają one rozpuszczalników organicznych ani alkaliów oraz charakteryzują się niską lepkością. Są to płyny bezwonne i przezroczyste – średnica cząstek zemulgowanych (ok. 10-9 do 10-10 m; RYS. 3) jest bowiem nawet o dwa rzędy mniejsza niż w emulsjach silikonowych (ok. 10-8 do 10-9 m) i w odróżnieniu od nich, w mikroemulsjach nie zachodzi rozpraszanie światła [14]. Po dodaniu do wody tworzą one stabilne drobnocząsteczkowe mikroemulsje silikonowe. Wielkość cząsteczek pozostaje niezmienna również wówczas, gdy koncentrat zostanie wymieszany z wodą [13].

Mikroemulsje silikonowe są układami nietrwałymi – w obecności wody zachodzą reakcje hydrolizy oraz polikondensacji, co prowadzi do powstawania coraz większych cząsteczek. Natomiast szybkość tych reakcji jest na tyle mała, że mikroemulsje mogą być używane przez minimum 24 godz. [14]. Mikroemulsje silikonowe nie prowadzą również do powstawania szkodliwych soli budowlanych. Ich wadą jest natomiast konieczność zapewnienia alkalicznego otoczenia w trakcie prowadzenia iniekcji. Ponieważ w przypadku starego budownictwa nie zawsze jest to możliwe, wymagane może być dodatkowe zastosowanie materiału alkalicznego. W takim wypadku należy przeprowadzić iniekcję wielostopniową [6].

Kremy iniekcyjne

Kremy iniekcyjne to efekt dalszego rozwoju produktów na bazie silanów/siloksanów, niezawierających rozpuszczalników organicznych [12]. Produkty te posiadają niską lepkość oraz charakterystyczną konsystencję gęstego kremu. Dzięki tym właściwościom środek iniekcyjny bardzo wolno wnika w strukturę iniektowanej przegrody, przez co uzyskuje się wyraźnie lepszą penetrację.

W odróżnieniu od płynów iniekcyjnych, substancja czynna preparatów o konsystencji kremu rozchodzi się w murze na dwa sposoby: na drodze dyfuzji (wyrównania koncentracji) oraz ewaporacji (parowania) – transport zachodzi zatem zarówno w zawartej w porach materiale wody, jak i powietrza (RYS. 4).

Za sprawą wysokiej zawartości substancji czynnej (powyżej 65%) produkt ten może być stosowany w przegrodach o stopniu zawilgocenia zbliżonym do stanu pełnego nasycenia wodą. Natomiast dzięki tiksotropowej konsystencji kremy iniekcyjne mogą być aplikowane w nawierty wykonane poziomo (lub pod jedynie niewielkim nachyleniem) bez ryzyka wyciekania środka iniekcyjnego (FOT. główne) jak również stosowane w murach zawierających rysy i/lub wolne przestrzenie bez konieczności wstępnej iniekcji (wypełnienia pustek) suspensją cementową. Ponadto środki te mogą być stosowane w materiałach o neutralnym pH [13].

Jako wada kremów iniekcyjnych może być postrzegana wysoka zawartość substancji czynnej (silanów/siloksanów), która w pewnych sytuacjach może wpływać niekorzystnie na niektóre materiały, takie jak tworzywa sztuczne czy masy bitumiczne. Ponadto, z uwagi na fakt, iż kremy iniekcyjne zdecydowanie lepiej rozprzestrzeniają się w murach o wysokim stopniu zawilgocenia, iniekcja w przegrodach o niewielkiej wilgotności może nie przynieść oczekiwanego efektu. W takim wypadku otwory iniekcyjne należy wstępnie napełnić wodą.

W ostatnich latach na rynku pojawiły się kremy iniekcyjne nowej generacji, które charakteryzują się tzw. odwróconą recepturą – tj. w odróżnieniu od dotychczas stosowanych kremów charakteryzują się układem emulsji W/O (woda w oleju, RYS. 5). Krem taki charakteryzuje się mniejszą zawartością substancji czynnej, a specyfika emulsji pozwala na uzyskanie szybszej penetracji preparatu w impregnowanej przegrodzie.

Żywice epoksydowe (EP)

Środki iniekcyjne na bazie żywic epoksydowych są od wielu lat stosowane do iniekcji rys w konstrukcjach betonowych. Są to oferowane w różnych proporcjach mieszania produkty dwuskładnikowe, składające się z żywicy i utwardzacza [4], [15].

Komponent bazowy zawiera przeważnie żywice epoksydowe na bazie bisfenolu A (BPA), które są stosowane samodzielnie lub w mieszaninie z żywicami na bazie bisfenolu F. Ponieważ żywice epoksydowe w czystej postaci mają stałą lub bardzo lepką konsystencję, w celu dostosowania do zastosowań iniekcyjnych stosuje się dodatki reaktywnych rozcieńczalników, np. eterów glicydowych.

Jako utwardzacze stosowane są najczęściej aminy, które umożliwiają utwardzanie (sieciowanie) żywic epoksydowych w temperaturze pokojowej lub obniżonej poprzez reakcję grup aminowych z reaktywnymi grupami epoksydowymi. Większość stosowanych utwardzaczy ma niską lepkość, co, z uwagi na wysoką lepkość komponentu bazowego, wpływa korzystnie na lepkość gotowej mieszanki iniekcyjnej.

Utwardzona żywica epoksydowa charakteryzuje się dużą wytrzymałością, znacznie wyższą niż wytrzymałość betonu. To sprawia, że żywice epoksydowe doskonale sprawdzają się w przypadku siłowego wypełniania pęknięć w konstrukcjach betonowych [4], [15].

Elastyczne żywice epoksydowe odgrywają drugorzędną rolę w iniekcjach konstrukcji, z uwagi na fakt, że w przypadku konieczności elastycznego wypełniania rys i złączy w betonie, znacznie lepiej sprawdzają się poliuretany oraz żele akrylowe.

Środki iniekcyjne na bazie poliuretanów (PU)

W przypadku materiałów do iniekcji na bazie poliuretanu rozróżnia się żywice poliuretanowe, pianki poliuretanowe oraz żele poliuretanowe. Głównymi surowcami do wytwarzania tych produktów są poliole (alkohole wielowodorotlenowe) oraz diizocyjaniany lub poliizocyjaniany. Stosuje się ponadto różnego rodzaju dodatki, np. katalizatory, inhibitory, środki sieciujące, emulgatory, stabilizatory piany [4].

Żywice poliuretanowe to produkty dwuskładnikowe, które zazwyczaj składają się z polioli w składniku A i poliizocyjanianów w składniku B. Z reguły liczba reaktywnych grup hydroksylowych w poliolach składnika A musi odpowiadać liczbie reaktywnych grup izocyjanianowych w składniku B. Produktami reakcji są elastomery poliuretanowe, które w zależności od rodzaju surowca mogą być elastyczne lub sztywne (RYS. 6).

W przypadku iniekcji żywic poliuretanowych w szczeliny (rysy i złącza) wodonośne, oprócz reakcji diizocyjanianów z poliolami, istotną rolę odgrywa reakcja izocyjanianów z wodą. W jej wyniku powstaje mocznik lub polimocznik, z oddzieleniem dwutlenku węgla, które powoduje powstawanie pęcherzyków, które w stanie pełni przereagowanym stają się porami.

Ta reakcja może mieć dwa skutki: z jednej strony wpływa to na właściwości mechaniczne produktu końcowego, z drugiej nadmierna porowatość może skutkować obniżeniem szczelności (podstawowe wymagania stawiane żywicom poliuretanowym dotyczą elastyczności oraz ograniczonej struktury porów zapewniającej szczelność) [4].

Pianki poliuretanowe to produkty jednoskładnikowe na bazie prepolimerów poliuretanowych, które wciąż zawierają niewielką ilość wolnych, reaktywnych grup izocyjanianowych. Prepolimery wytwarza się w wyniku przereagowania niewielkiego nadmiaru poliizocyjanianów z poliolami, aby nie wszystkie grupy izocyjanianowe reagowały z grupami hydroksylowymi. Wolne grupy izocyjanianowe reagują z wodą w obszarze iniekcji, z oddzieleniem dwutlenku węgla (RYS. 7).

Zapadaniu się piany powstałej w wyniku odszczepiania się dwutlenku węgla zapobiegają stabilizatory zawarte w recepturze. Do zawierającego prepolimery składnika bazowego można dodać (jako kolejny składnik) katalizator, z którego pomocą można regulować czas reakcji pianki PUR. Rezultat reakcji nie jest powtarzalny, z uwagi na fakt, że zazwyczaj nie wiadomo, jak dużo w strefie iniekcji znajduje się wody, która wchodzi w reakcję.

Pianki poliuretanowe, w wyniku tworzenia się porów, wielokrotnie zwiększają swoją objętość, dzięki czemu doskonale nadają się do uszczelniania rys wypełnionych wodą (w tym wodą wypływającą). Jednakże z uwagi na fakt, że powstające wówczas struktury są otwartokomórkowe lub przepuszczalne dla wody, iniekcje piankami PUR nie uszczelniają trwale i z tego powodu traktowane są jako tymczasowe. W celu wykonania trwałego uszczelnienia konieczna jest tzw. iniekcja dwuetapowa z zastosowaniem (w drugim etapie) produktu o niższej spienialności – zazwyczaj żywicy poliuretanowej [6, 11].

Żele poliuretanowe są specjalną formą pianek poliuretanowych, dlatego w literaturze określa się je czasem żelami pianki poliuretanowej. Różnica w stosunku do pianek poliuretanowych polega na tym, że prepolimer poliuretanowy jest modyfikowany hydrofilowymi grupami bocznymi. Po wprowadzeniu środka w obszar iniekcji, obok głównej reakcji piany (z eliminacją dwutlenku węgla) zachodzi również reakcja modyfikowanych prepolimerów poliuretanowych z obecną w obszarze iniekcji wodą (RYS. 8). Ta reakcja przeważa nad reakcją pianki, dlatego cały produkt reakcji można postrzegać jako żel.

Przed zastosowaniem do prepolimeru dodaje się pewną ilość wody, w celu wyregulowania czasu reakcji oraz końcowych właściwości. Dodawana ilość wody nie powinna być zbyt duża, aby zapobiec niepotrzebnemu pogorszeniu właściwości mechanicznych żelu. Ponieważ zazwyczaj nie jest znana ilość wody znajdująca się w strefie iniekcji, również w tym wypadku rezultat reakcji nie jest powtarzalny.

Materiał do iniekcji na bazie akrylanów (A)

Materiały do iniekcji na bazie akrylanów, które tworzą strukturę żelu w wyniku reakcji kilku składników, najczęściej określa się terminem „żele akrylanowe” lub „żele akrylowe”. Z kilkoma wyjątkami produkty te składają się ze składnika podstawowego, katalizatora, inicjatora i wody.

Składnik bazowy zawiera rozpuszczalne w wodzie pochodne kwasu akrylowego i metakrylowego. Przed aplikacją do składnika bazowego dodaje się katalizator (przyspieszacz) – w tym celu stosowane są aminy, względnie pochodne kwasu akrylowego i metakrylowego. Mieszanina ta stanowi gotowy do użycia składnik A. Jako inicjatory (utwardzacze) stosuje się wodorozpuszczalne sole rodnikowe, które miesza się z wodą. Z inicjatora rozpuszczonego w wodzie (zazwyczaj w takiej proporcji, aby uzyskać taką samą ilość jak składnika A) powstaje gotowy do użycia składnik B (RYS. 9).

Oba składniki aplikowane są za pomocą odpowiednich pomp iniekcyjnych (tzw. pomp dwukomponentowych) w proporcjach mieszania określonych przez producenta (najczęściej 1:1 objętościowo). W wyniku reakcji dwóch komponentów o niskiej lepkości, powstaje miękki do gumowo-elastycznego żel. Strukturę żelu tworzy dodatek wody do hydrofilowych grup bocznych polimerów akrylowych, powstałych podczas reakcji [4].

Poprzez odpowiedni dobór ilości inicjatora oraz katalizatora można w szerokim zakresie regulować szybkość zachodzenia reakcji, która może zachodzić w niskiej temperaturze (również ujemnej) [15].

Materiał na bazie żywic poliakryloamidowych (PAA)

Iniekty poliakryloamidowe to pęczniejące w kontakcie z wodą hydrożele stosowane do uszczelniania zawilgoconych i mokrych rys nie tylko w konstrukcjach betonowych, ale również murowanych, w tym również do wtórnych iniekcji rys wypełnionych szybkospienialną pianką poliuretanową (w iniekcji dwuetapowej). Są to żywice polimeryzacyjne, które w połączeniu z inicjatorem i katalizatorem tworzą przestrzennie usieciowany produkt o konsystencji zwartego i elastycznego żelu. Grupy hydrofilowe zapewniają dobre zwilżanie mokrego podłoża betonowego, a spęcznienie związanego produktu utrzymuje się również przy nieznacznym zawilgoceniu konstrukcji.

W zależności od ilości zastosowanego inicjatora polimeryzacji i przyspieszacza (dobranego czasu wiązania) poliakryloamidowe środki iniekcyjne mogą być aplikowane przy użyciu pomp jedno- lub dwukomponentowych [15].

Materiały cementowe i mikrocementowe (C)

Zaczyny cementowe początkowo stosowane były do iniekcyjnego uszczelniania i wzmacniania konstrukcji murowych, a później również betonowych. Wprowadzenie do zastosowania mikrocementów umożliwiło iniekcyjne wypełnianie rys również o bardzo niewielkich rozwartościach. Stosowane zaczyny cementowe oparte są o cementy portlandzkie wysokich marek połączone z odpowiednimi domieszkami: dyspergującymi, upłynniającymi, retencyjnymi, spęczniającymi oraz zmniejszającymi tarcie międzyziarnowe [15].

W praktyce suspensjami cementowymi wypełniane są rysy o rozwartości większej niż 0,5 mm [15]. Rysy o mniejszej rozwartości (do 0,1 mm) mogą zostać wypełnione iniektami mikrocementowymi na bazie bardzo drobno zmielonych cementów (o powierzchni właściwej większej niż 11 000 cm²/g) [16]. Do tłoczenia stosowane są jednokomponentowe pompy tłokowe, membranowe, ale również ślimakowe.

Materiały polimerowo-cementowe (PC)

Iniekty polimerowo-cementowe to z reguły mieszanki dwukomponentowe: składnik proszkowy stanowi mieszanka cementu, mikrowypełniaczy oraz domieszek modyfikujących, a płynny wodna dyspersja kopolimerów akrylowych lub emulsji butadienowo-sterynowych [16]. Zastosowanie polimeru ma na celu zwiększenie adhezji iniektu do podłoża oraz redukcję kruchości, charakterystycznej dla suspensji cementowych [15].

Rzadziej stosowane są, zawierające polimery w postaci proszków redyspergowalnych, produkty jednokomponentowe w postaci suchej zaprawy (do rozrobienia z wodą).

Polimerowo-cementowe materiały iniekcyjne wykazują dobre właściwości płynięcia i stosowane są do uszczelniania suchych oraz wilgotnych rys w konstrukcjach betonowych, a szczególnie dobrze sprawdzają się w przypadku scalania spękanych konstrukcji murowych oraz stabilizacji rozluźnionej struktury muru [15, 16]. W zależności od zastosowanego cementu przy ich użyciu można wypełnić rysy o rozwartości większej niż 0,2 mm, a w przypadku cementów wysokich marek powyżej 0,5 mm.

Literatura

1. I. Stewart, D. Tall, „Podstawy matematyki”, Pruszyński i S-ka, Warszawa 2017.
2. B. Monczyński, „Skuteczność wtórnych hydroizolacji poziomych wykonywanych metodą iniekcji chemicznej w murach ceglanych”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2023.
3. PN-EN 1504-5:2013-09, „Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych – Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności – Część 5: Iniekcja betonu”.
4. STUVA Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.V., Abdichten von Bauwerken durch Injektion: ABI-Merkblatt, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2014.
5. WTA Merkblatt 5-20-09/D, „Gelinjektion”.
6. J. Weber, „Horizontalsperren im Injektionsverfahren,” [w:] J. Weber, V. Hafkesbrink (red.) „Bauwerksabdichtung in der Altbausanierung. Verfahren und juristische Betrachtungsweise“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2018, s. 257–304.
7. J.W. Łukaszewicz, „Badania i zastosowanie związków krzemoorganicznych w konserwacji zabytków kamiennych”, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2002.
8. R. Wójcik, „Ochrona budynków przed wilgocią i wodą gruntową” [w:] P. Klemm (red.), „Budownictwo ogólne. Tom 2. Fizyka budowli”, Arkady, Warszawa 2005, s. 913–981.
9. A. Kawałko, „Synteza i właściwości fizykochemiczne układu SiO2-SnO2 otrzymanego metodą zol-żel w środowisku bezwodnym”, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, 2012.
10. WTA Merkblatt 4-10-15/D, „Injektionsverfahren mit zertifizierten Injektionsstoffen gegen kapillaren Feuchtetransport“.
11. F. Frössel, „Osuszanie murów i renowacja piwnic”, Polcen, Warszawa 2007.
12. F.-J. Hölzen, „Entwicklung und Anwendung der nachträglichen chemischen Horizontalsperren in 25 Jahren – Grundsätze für die Planung und Ausführung, Ausblick für die Zukunft,” 25 Jahre Feuchte und Altbausanierung. 25. Hanseatische Sanierungstage vom 30. Oktober bis 1. November 2014 im Ostseebad Heringsdorf/Usedom, Beuth Verlag GmbH, Berlin · Wien · Zürich 2014, s. 21–32.
13. F. Frössel, „Mauerwerkstrockenlegung und Kellersanierung. Wenn das Haus nasse Füße hat“, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2012.
14. J. Ciabach, „Właściwości żywic sztucznych stosowanych w konserwacji zabytków”, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2001.
15. L. Czarnecki, P.H. Emmons, „Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych”, Polski Cement, Kraków 2002.
16. B. Stawiski, „Konstrukcje murowe. Naprawy i wzmocnienia”, Polcen, Warszawa 2014.