CC BY
77
УДК 711.168
В. В. Бабков (д.т.н., проф.), А. И. Габитов (д. т. н., проф.), Н. С. Самофеев (асп.)
Физико-химические процессы, происходящие в структуре силикатного кирпича в цикле эксплуатации наружных стен зданий
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра строительных конструкций 450080, г. Уфа, ул. Менделеева, 195; тел (347) 2282200, e-mail: [email protected], [email protected]
V. V. Babkov, A. I. Gabitov, N. S. Samofeev
The physical and chemical processes occurring in structure of a silicate brick in a operation cycle of external walls of buildings
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleyeva str., 450080, Ufa, Russia; ph. (347)2282200, e-mail: [email protected], [email protected]
Проанализированы деструктивные процессы физико-химической природы, протекающие в структуре кирпича наружных стен жилых домов постройки 1940—2010 гг. в г. Уфе.
Ключевые слова: карбонизация структурообразующих гидросиликатных фаз; поврежден-ность наружных стен; уровни санации; эксплуатационная надежность.
Одним из основных строительных материалов, применяющихся в современном жилищном строительстве, является силикатный кирпич. Его массовое применение в 1940—1970 гг. в СССР связано с ростом индустриализации и необходимостью быстрого решения жилищной проблемы в послевоенные годы. В крупных городах Республики Башкортостан значительная часть жилого фонда (около 25— 30 %), также реализована в этом материале. Первые заводы в Уфе, начавшие выпуск силикатного кирпича, действуют с начала XX века. Очевидно, что данный материал имеет сравнительно небольшую историю использования в климатических условиях республики, что требует оценки состояния этого материала в наружных стенах зданий. Стоит отметить, что построенные в 1940—1970 гг. жилые здания не соответствуют современным теплотехническим нормам по уровню теплозащитных характеристик ограждающих конструкций, что предопределяет их моральный износ.
Первичная оценка физического состояния наружных стен жилых домов в г. Уфе постройки 1940—1970 гг. проведена специалистами кафедры «Строительные конструкции» УГН-ТУ на основе визуального и инструментального осмотров слоя наружных стен с выявлением
Дата поступления 29.03.11
The destructive processes by physical and chemical nature proceeding in structure of a brick of external walls of houses constructed in 1940— 2010 in Ufa are analysed.
Key words: carbonation of structure formation hydrosilicate phases; damage of external walls; sanitation levels; operational reliability.
имеющихся дефектов и повреждений. На основе этих обследований авторами было предложено ранжирование категорий объектов по степени поврежденности ограждающих стеновых конструкций (табл. 1), а также выявлены основные деструктурирующие факторы, воздействующие на силикатный кирпич в конструкции наружных стен:
1) Попеременное увлажнение и высушивание наружного поверхностного слоя кирпича. При действии этого фактора в материале возникают неравномерные в объеме деформации набухания—усадки, обусловленные действием механизма сорбции—десорбции, а также напряжения капиллярного стягивания, что приводит к развитию внутренних напряжений и локальным структурным повреждениям, деструкции материала. Влагостойкость материала против действия этого фактора зависит от амплитуды и числа циклов попеременного увлажнения и высушивания.
2) Попеременное замораживание—оттаивание поверхностного слоя. При отрицательных температурах во влажном капиллярно-пористом материале, каким является силикатный кирпич, происходят фазовые превращения жидкой поровой влаги. Определенная ее доля переходит в лед с 9%-ным увеличением объе-
Таблица 1
Ранжирование категорий поврежденности наружных стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940-1970 гг.
Категории поврежденности наружных стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940-1970 гг.
Характеристика поврежденности стеновых конструкций в соответствии с категорией поврежденности Наличие косых и вертикальных температур-но-усадочных трещин в подоконных зонах первого этажа с раскрытием до 5-6 мм, силовых трещин протяженностью до 8 рядов кладки; наличие разрушения кладки в под-карнизных зонах, разрушение камня до 8-10 мм и выветривание раствора из тела кладки на площади до 50% и глубину до 20-30 мм. Температурно-влажностный режим в квартирах нарушен с понижением температуры в зимний период до 10-15 °С Наличие косых температурно-усадочных трещин в подоконных зонах первого этажа до 3-4 мм, наличие зон намокания кладки в подкарнизных зонах с поверхностным шелушением и разрушением камня до 3-4 мм. Температурно-влажностный режим в квартирах удовлетворительный
Состояние конструкций в соответствии с СП 13-102-2003 Ограниченно работоспособное Работоспособное
Удельный вес жилого фонда по рассматриваемой категории домов, % (для г. Уфа) ~5-8 ~20-25
Остаточный ресурс, лет 15-20 30-40
¡Область взятия проб |
1) 1940-е гг.
: 1 23450789.'
2) 1970-е гг.
Область взятия проб
3) 2010 г.
Рис. 1. Тестируемые образцы силикатного кирпича (1940-х, 1970-х, 2010 гг.)
ма. При этом носитель прочности — твердая фаза испытывает давление льда и гидростатическое давление еще не замерзшей воды, захваченной льдом, блокирующим ее выход в резервные поры.
Этот механизм реализуется в виде многократных повторных воздействий с накоплением локальных повреждений и снижением прочности. Реализуется в поверхностных слоях наружной зоны кладки при ее периодическом переувлажнении выше сорбционной влажности с полной деструкцией этих слоев.
3) Карбонизация структурообразующих фаз. Химическое взаимодействие СО2 воздушной среды, для которой достаточно доступна пористая структура силикатного кирпича, с носителем прочности и водостойкости материала — кристаллами и кристаллитами
гидросиликатов кальция (как правило, низкоосновными в возрасте свыше 20 лет) приводит к карбонизации гидросиликатных фаз с образованием кальцита СаСО3 при выделении кремнекислоты и потерей объема носителя прочности — кристаллической фазы. Химическое взаимодействие ускоряется при увлажнении и при полном осушении.
Диагностика физико-химических и физико-механических параметров, связанных с уровнем эксплуатационной надежности силикатного кирпича в составе стены, проведена на образцах 1940-х, 1970-х и 2000-х гг (рис. 1.).
Измерение щелочности среды в объеме образцов (рис. 2) показало снижение уровня РН в водной вытяжке кирпича с 12.5 (образец 2010 г.) до 7.9 (образец 1940-х гг.).
Таблица 2
Перекристаллизация и объемные изменения в структурообразующих гидросиликатных фазах силикатного кирпича при карбонизации
Исходные продукты до карбонизации Продукты карбонизации Коэффициент Коэффициент
Реакции карбонизации Моле- Кристалл ические Вся твердая фаза изменения объема кри-сталличе-ской фазы изменения объема всей твердой фазы
кулярная масса, тх, г Плотность, Рх, г/смз Молекулярная масса, ту, г Плотность, Ру, г/смз Молекулярная масса, ту, г Плотность, Ру', г/смз
1 Са(ОН)2 + СО2 => СаСОз + Н2О 74.09 2.2з 100.09 2.71 - - 1.111 1.11
2.1(гиллебрандит) => (ксонотлит) 6С2БН1.17 + 6СО2 => =>СбБбН+6СаСОз + 6Н 1159.8 2.64 714.96 600.54 2.69 2.71 - - 1.11 1.11
2.2 (ксонотлит) С6Б6Н + 6СаСОз + 6Н + 6СО2 => =>12СаСОз + 6БЮ2 + 7Н - - 1201.1 2.71 з60.54 2.з2 1.01 1.з6
3.1 (фошагит) => (ксонотлит) 2С5БзН з + 4СО2 => => С6Б6Н + 4СаСОз + 5Н 1029.28 2.67 714.96 400.з6 2.69 2.71 - - 1 07з 1.07з
з.2 (ксонотлит) С6Б6Н + 4СаСОз + 5Н + 6СО2 => ЮСаСОз + 6БЮ2 + 6Н - - 1000.1 2.71 з60.54 2.з2 0.957 1.з6
4.1 (афвиллит) => (ксонотлит) зСзБ2Н.з + зСО2 => => С6Б6Н + зСаСОз + 8Н 1027.14 2.64 714.96 з00.27 2.69 2.71 - - 0.994 0.994
4.2 (ксонотлит) С6Б6Н + зСаСОз + 8Н + 6СО2 => => 9СаСОз + 6БЮ2 + 9Н - - 600.54 2.71 з60.54 2.з2 0.877 1.28
5 (ксонотлит) С6Б6Н + 6СО2 => =>6СаСОз + 6БЮ2 + Н 714.96 2.69 600.54 2.71 з64.8 2.з2 0.8з4 1.425
6 (риверсайдит) С5Б6Нз + 5СО2 => => 5СаСОз + 6БЮ2 +Нз 694.98 2.6 500.45 2.71 з64.8 2.з2 0.691 1.279
7 (тоберморит) С6Б5Н55 + 5СО2=> =>5СаСОз+6БЮ2+5.5Н2О 7з9.8 2.4з 500.45 2.71 з64.8 2.з2 0.606 1.12з
8 (гиролит) С2БзН2,5 + 2СО2 => =>2СаСОз + зБЮ2 +Н2.5 з28.4 2.4 200.18 2.71 180.27 2.з2 0.54 1.108
Рис. 2. Результаты измерения уровня рН водной вытяжки тестируемых образцов силикатного кирпича (рН-метр Анион-7000)
Рентгенофазовым анализом установлено изменение содержания кальцита (СаСО3) в материале кирпича и кладочного цементно-песчаного раствора с увеличением интенсивно-
сти пиков в более ранних образцах, что отражает происходящие процессы карбонизации в кирпиче и растворе. Минералогический состав силикатного кирпича 1940-х и 1970-х гг. по данным рентгенофазового анализа по основной структурообразующей фазе представлен низкоосновными гидросиликатами кальция (ксонотлит (СбSбH), тоберморит (С5$6Н5.5), гиролит (С2S3H2.5)) с соотношением СаО/ SiO2 менее 1, кальцитом и а-кварцем. Минералогический состав «молодого» (2010 г.) кирпича представлен в большей степени средне — и высокоосновными гидросиликатами (гиллер-брандит (С^Н117), фошагит (2С5S3H.3), аф-виллит (С^2Н.3) ) со степенью основности более 1, кальцитом и а-кварцем. Качественное увеличение низкоосновных гидросиликатов и
Сечение II - II
-и--^- , 640 , 120
и 4 Атмосфер ^ ^^Улнца
(3) 60(4) 120 мм
Внешняя сторона тычка
5
4
3
Рис. 3. Распределение прочности по сечениям единичного кирпича (образец 1970-х гг)
кальцита в более «зрелом» кирпиче характеризуется 2-х стадийным протеканием перекристаллизации высокоосновных гидросиликатов кальция под влиянием СО2 в низкоосновные и кальцит 1'2. Перекристаллизация основных структурообразующих фаз силикатного кирпича представлена в табл. 2.
Анализ измерения прочностных характеристик, проведенных на образцах 1970-х гг., показал изменение прочности с ее увеличением в приповерхностных слоях кирпича ложкового ряда облицовочного слоя. Увеличение прочности объясняется уплотнением структуры приповерхностного слоя за счет карбонизации и кольматации порового пространства в этой области кирпича. При этом прочность материала приповерхностного слоя оказалась выше исходной марочной прочности кирпича на сжатие по ГОСТ 8462-85 на 10-15 % (рис. 3,4).
14.2
11.6
9.6
0.4
40 гг 70 гг 2010 г
Рис. 4. Результаты измерения марочной прочности облицовочного силикатного кирпича: □ — прочность приповерхностного слоя облицовочного кирпича (Оникс-2.5); Л — прочность на сжатие образцов по ГОСТ 8462-85.
Глубина полностью деструктированного слоя по данным натурных обследований элементов кладки, вызванного попеременным замачиванием - осушением в летний и замораживанием-оттаиванием в переходные периоды (осень-зима, зима-весна), на объектах 1970-х гг. составила 3-4 мм, на объектах 1940-хх — 8-10 мм.
На объектах 1940-х гг., имеющих дефекты и повреждения, соответствующие 1 категории поврежденности наружных стен (табл.1), без принятия защитных мероприятий, через 10—15 лет состояние кирпича ухудшиться до критического, глубина деструктированного слоя будет расти более интенсивно и, учитывая повышающееся влагопоглощение, объем влаги аккумулирующийся в объеме материала негативно повлияет не только на его прочностные, но и на теплотехнические характеристики.
С целью сохранения остаточного ресурса и повышения эксплуатационной надежности поврежденных наружных стен жилых зданий, рекомендуются следующие уровни санации:
I. Радикальный. Включает ремонт крупных дефектов и поврежденной поверхности наружной стены, утепление с использованием беспрессового или экструдированного пенопо-листирола с исполнением противопожарных рассечек и последующим исполнением многослойной гидроизоляционной защиты.
II. Умеренный. Включает восстановление фактуры и гидроизоляционных качеств поверхности наружной стены, ремонт дефектов на фасаде и установку гидроизоляции.
Таблица 3
Пример оценки прогнозируемых сроков остаточной долговечности наружных и внутренних стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940-1970 гг в г.Уфа по
состоянию на 2010г.
Ol Z Объект (улица, номер дома) Материал наружных стен Год постройки Уровень повреждения наружных стен в соответствии с принятой классификацией Уровень санации, реализованной на объекте Нормативный эксплутацион-ный ресурс стен, лет* Прогнозируемый остаточный ресурс стен до проведения санации, лет Прогнозируемый остаточный ресурс наружных стен после проведения санации, лет
наружные внутренние
1 Пр. Октября, 11 8 силикатный кирпич 1976 II II 125 -20-25 ~85 - 55
2 Конституции, 1 3 силикатный кирпич 1949 I II 125 - 15 ~60 - 35
3 Достоевского, 102/1 силикатный кирпич 1964 II I + II 125 - 40 ~75 - 65
4 Мира, 1 5 силикатный кирпич 1954 I II 125 -15 ~70 - 45
5 Пр. Октября, 82 силикатный кирпич 1968 II II 125 - 20 ~80 - 45
6 Кольцевая 34а силикатный кирпич 1935 I I 125 -10 ~50 - 50
7 Кольцевая 36 а силикатный кирпич 1938 I I 125 -15 ~55 - 55
8 Архитектурная 20 силикатный кирпич 1942 II II 125 -10 ~60 - 25
9 Калинина, 42 силикатный кирпич 1955 I II 125 -15 ~65 - 35
10 Кустарная 35/37 силикатный кирпич 1976 II III 125 - 20 ~85 - 35
* - СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий» (стандарт РОИС).
III. Упрощенный. Включает устранение дефектов путем шпаклевки, рихтовки и нанесение глубокопроникающего гидрофобизатора методом пульверизации или кистеванием.
Ожидаемый ресурс продления надежной работы наружной стены после качественной реализации работ по I уровню санации составит не менее 60—70 лет, для II уровня не менее 30 (пример оценки продления остаточной долговечности наружных стен приведен в табл. 3).
Механизм защиты наружной стены для всех трех уровней санации предполагает, прежде всего, ее защиту от атмосферных воздействий, которые наиболее существенным образом влияют на деструктивные процессы в материале, однако радикальный уровень санации, включающий термомодернизацию ограждающей стеновой конструкции, позволяет так-
же перевести конструктив наружной стены в комфортный режим работы в годовом цикле эксплуатации при снижении затрат на отопление до 40-50 %.
Предлагаемые уровни санации апробированы в городах Республики Башкортостан в рамках Республиканской программы по капитальному ремонту многоквартирных жилых домов, реализованной в 2008-2010 гг. с участием авторов.
Литература
1. Силаенков Е. С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов.- М.: Стройиздат, 1986.- 176 с.
2. Бабков В. В., Мохов В. Н., Капитонов С. М., Комохов П. Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. - Уфа: ГУП«Уфимс-кий полиграфкомбинат», 2002.- 376 с.
