CC BY
59УДК 692.2 DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-760-6-29-32
Д.Ю. ЖЕЛДАКОВ, канд. техн. наук (djeld@mail.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21)
Химическая коррозия кирпичной кладки. Постановка задачи
В условиях возросших требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций современных зданий строительная отрасль практически полностью перешла на применение многослойных ограждающих конструкций. Однако долговечность материалов, их коррозионная стойкость в нормативных документах рассматривается без учета их влияния друг на друга в единой системе ограждающей строительной конструкции. В статье рассматривается новый подход к исследованию долговечности кирпичной кладки с учетом протекания процессов химической коррозии в двухкомпонентной химической системе глиняный кирпич - цементно-песчаный раствор. Оценка морозостойкости, нормируемая в стандартах, не дает возможности оценки предельной долговечности конструкций из кирпичной кладки, следовательно теории долговечности, построенные на оценке морозостойкости и цикличности процессов замораживания-оттаивания, оставляют ряд неразрешенных вопросов, которые анализируются в настоящей статье. Коме того, в статье приводится классификация процессов химической коррозии, протекающих в многокомпонентных системах с участием строительных материалов, применяемых в ограждающих конструкциях. Данная классификация позволяет системно подойти к расчету скорости деструктирующих химических реакций, а следовательно и рассчитать «жизненный цикл» строительной конструкции в целом.
Ключевые слова: многокомпонентная система, ограждающая конструкция, кирпичная кладка, химическая коррозия, морозостойкость, долговечность.
Для цитирования: Желдаков Д.Ю. Химическая коррозия кирпичной кладки. Постановка задачи // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 29-32.
D.YU. ZHELDAKOV, Candidate of Sciences (Engineering) (djeld@mail.ru)
Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
Chemical corrosion of a bricklaying. Problem definition
In the conditions of increased requirements to resistance to heat transfer of the enclosing structures of modern buildings, the construction industry has almost completely switched to the use of multi-layered enclosing structures. However, the durability of materials, their corrosion resistance in normative documents is considered without taking into account their influence on each other in a single system of the enclosing construction structure. Describes a new approach to the study of the durability of brickwork, taking into account the course of chemical corrosion processes in a two-component chemical system of clay brick - cement-Sandy mortar. The assessment of frost resistance standardized in the standards does not provide an opportunity to assess the ultimate longevity of brickwork structures. Hence the theory of durability built on the assessment of frost resistance and cyclic freeze-thaw processes, leave a number of unresolved issues that are analyzed in this article. In addition, the article categorizes the processes of chemical corrosion occurring in multicomponent systems with the participation of building materials used in enclosing structures. This classification allows you to systematically approach the calculation of the rate of destructive chemical reactions, and therefore calculate the "life cycle" of the building structure as a whole.
Keywords: multicomponent system, enclosing structure, brickwork, chemical corrosion, frost resistance, durability.
For citation: Zheldakov D.Yu. Chemical corrosion of a bricklaying. Problem definition. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 29-32. (In Russian).
Эстетическая привлекательность кирпича как строительного материала не имеет конкуренции среди многообразия современных решений фасадов зданий. Кроме того, кирпич зарекомендовал себя как долговечный материал на протяжении столетий [1]. Надежность и прочность конструкций оборонительных стен из кирпича в разных странах мира была подтверждена сотнями завоевательных походов. Однако в последнее время авторитет кирпича снижается в том числе в связи с его разрушением на фасадах домов и в конструктивных элементах. Кирпичная облицовка фасадов зданий, построенных в средине прошлого века, в настоящее время повсеместно имеет большое количество разрушений. Многослойные ограждающие конструкции с кирпичным облицовочным слоем требуют ремонта уже через несколько лет эксплуатации.
Долговечность кирпичных наружных стен изучалась многими исследователями, по мнению которых основной причиной разрушения кирпичных конструкций является замораживание и оттаивание влаги в материале [2]. Считается, что с изменением климата увеличилось количество переходов температуры наружного воздуха через ноль, что интенсифицирует процесс деструкции кирпичной кладки. В [3] было показано, что это мнение ошибочно, данные многолетних наблюдений не показали значительного увеличения циклов перехода температуры через ноль. В [4, 5] разрушение
кирпича определяется поступлением в кладку минерализованных грунтовых вод, что приводит к значительному увеличению образования кристаллогидратов и разрушению структуры кирпича. Однако в данных и других похожих работах не объясняется деструкция кирпича на верхних этажах зданий. Интересные выводы на основании долголетних исследований сделаны в [6]. Деструкция облицовочного щелевого кирпича напрямую связана с увеличением расхода раствора при облицовке зданий щелевым кирпичом и увеличению площади соприкосновения кирпича и раствора. При этом нарушается тепловлажностный режим ограждающей конструкции, что приводит к увеличению количества диффузионной влаги на границе кирпич—раствор.
Существует ряд вопросов по долговечности кирпичной кладки, которые пока не нашли объяснения у исследователей, но свидетельствуют о том, что количество циклов замерзания—оттаивания конструкции, капиллярный подсос солей из грунта, влияние кислых газов атмосферы не являются основными критериями долговечности кирпичной кладки.
На рис. 1—5 представлены различные типы разрушения кирпичной кладки. Фотографии сделаны в Москве (Россия) с резкоконтинентальным климатом и в городах Сиена и Болонья (Италия) с мягким средиземноморским климатом без снижения температуры ниже нуля градусов в течении всего года.
M ®
июнь 2018
29
Рис. 1. Разрушение кладки из керамического кирпича. а - облицовочный слой из щелевого керамического кирпича здания второй половины XX в., Москва, Россия; б - кладка из полнотелого керамического кирпича (верхняя часть) крепостной стены XII-XV вв., г. Сиена, Италия.
Рис. 2. Разрушение единственного кирпича из кладки полнотелого керамического кирпича в г. Сиена, Италия
На основании данных фотографий можно сделать несколько выводов:
1. Рис. 1—2 показывают, что процесс разрушения кирпичной кладки может активно протекать при положительной температуре. Замораживание/оттаивание влаги в порах кирпича и раствора не является необходимым условием для разрушения кладки.
2. Рис. 1 показывает неравномерность разрушения кирпича в равных климатических условиях. Близость расположения кирпичей в кладке косвенно свидетельствует о том, что соседствующие кирпичи принадлежат одной партии. При этом следует помнить существенные различия технологии производства кирпича и выполнения работ в средине XX в. и в ХП—ХУ вв.
3. Рис. 2 показывает разрушение одного кирпича в кладке цоколя жилого дома XIX в. в Сиене (Италия), то есть в отсутствие замораживания/оттаивания влаги в порах кирпича. Разрушенный кирпич находится не в нижних рядах кладки, где кирпичи не разрушены. Объяснить разрушение одного кирпича капиллярным подъемом солей нельзя.
4. На рис. 2 и 4 показаны разные типы коррозии кирпича. На рис. 2 продукт деструкции кирпича мелкодисперсный, на рис. 4 кирпич шелушится, разрушение происходит слоями.
5. На рис. 3 показана совместная работа различных типов штукатурного покрытия и кирпича: при использовании известкового раствора происходит разрушение только
штукатурного слоя, кирпичная кладка коррозии не подвергается. При использовании цементно-песчаного рас-твара разрушение происходит в граничном слое кирпича.
6. Рис. 4 показывает, что скорости деструкции раствора и кирпича могут быть разные: в некоторых случаях в первую очередь разрушается раствор, в других происходит разрушение кирпича, при этом раствор сохраняет некоторую целостность.
Рис. 3. Разрушение кладки из полнотелого керамического кирпича под слоем: а - цементно-песчаной штукатурки. Локомотивный пр., д. 7 Москва, Россия; б - известковой штукатурки. Малая Калужская ул., д. 27, Москва, Россия
30
июнь 2018
] ®
Рис. 4. Разрушение кирпичной кладки из полнотелого керамического кирпича: а -го раствора, Сиена, Италия
разрушение кирпича, Москва, Россия; б - разрушение вяжуще-
7. На рис. 5 показано равномерное разрушение керамического кирпича с обеих сторон ограждающей стены. Этот факт говорит о том, что деструкция материала не всегда может быть вызвана односторонним замораживанием/оттаиванием ограждающей конструкции.
Решение поставленных вопросов возможно объяснить с точки зрения протекания химических процессов в материалах кирпичной кладки. При этом обязательным условием решения поставленной задачи является рассмотрение двух материалов кирпичной кладки, це-ментно-песчаного раствора и красного керамического кирпича как единой системы. Следует отметить, что необходимым компонентом в системе взаимодействующих материалов является вода, которая может находиться в любом состоянии и количестве.
Замораживание-оттаивание, так же как воздействие природных факторов, например, солнечная радиация, дождь, засуха, высокая или низкая температура, имеет второстепенное влияние на деструкцию материала конструкции, увеличивая или уменьшая скорость химического взаимодействия веществ.
Необходимо выделить и классифицировать группы химических реакций, проходящих в многокомпонентной системе. Подобную классификацию провел В.М. Москвин, разделив реакции химической коррозии бетона на три вида: реакции разрушения самого цементного камня в процессе выщелачивания, реакции с кислотами и солями, протекающие с образованием растворимых продуктов, выводящихся из системы и реакции с образованием нерастворимых продуктов реакции, накапливающихся в теле бетона и разрушающих его структуру [7]. Однако классификация, предложенная В.М. Москвиным, удобна при рассмотрении химической коррозии только в одном материале [8]. При анализе протекания процессов химической коррозии в многокомпонентной системе применение данной классификации процессов не эффективно.
Предлагается следующая классификация процессов химической коррозии материалов, протекающих в многокомпонентной системе:
— реакции основного процесса взаимодействия строительных материалов. Это реакции, которые протекают между материалами многокомпонентной системы в обязательном порядке при их контакте между собой с той или иной
скоростью с образованием тех или иных продуктов реакции в зависимости от условий ее протекания;
— побочные реакции первого типа — реакции не являющиеся основными, протекание таких реакций при взаимодействии двух материалов обусловлено наличием каких-либо примесей хотя бы в одном из контактирующих веществ. Данные реакции могут ускорять или замедлять реакции основного процесса. Условия протекания данных реакций напрямую зависят от концентрации вещества — примеси;
— побочные реакции второго типа — реакции, протекание которых обусловлено внешней средой. К данному типу реакций относятся реакции, связанные с капиллярным подъемом кислых и щелочных грунтовых вод, а также реакции, возможные при наличии в атмосферном воздухе (например, в воздухе приморских городов) или в воздухе помещений (воздух химических и металлургических цехов) высокой концентрации загрязняющих газов: оксидов азота, оксидов серы, аммиака, хлора и других [9];
— реакции гидратации и дегидратации продуктов основных и побочных реакций. Реакции гидратации зависят от количества влаги в системе и температуры.
При рассмотрении механизма протекания реакций при контакте материалов процессы химической коррозии должны рассматриваться именно в порядке, в котором они представлены в классификации. В первую очередь это связано с удобством описания химизма процесса коррозии многокомпонентной системы в
Рис. 5. Разрушение ограждающей стены из полнотелого керамического кирпича, оштукатуренной цементно-песчаным раствором, Москва, Россия
;ТР1ЛГГЕЛЬг1ЫЕ научно-технический и производственный журнал J ® июнь 2018
целом. Концентрации примесей в компонентах системы, концентрации электролитов в грунтовых водах и газов в атмосферном воздухе подвержены сильным колебаниям. При описании основного процесса с учетом побочных процессов, а побочных процессов как функций концентрации примесей и электролитов, поступающих в систему, возможно получить наиболее точные характеристики процесса химической деструкции материалов системы.
Однако данный подход к рассмотрению механизма химической коррозии строительных материалов противоречит принятой практике. Основной нормативный документ СП 28.13330.2012 «СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии», в котором определены технические требования к защите от коррозии бетонных, железобетонных, стальных, алюминиевых, деревянных, каменных и хризотилце-ментных строительных конструкций зданий и сооружений при воздействии агрессивных сред с температурой от -50 до 50°С, рассматривает только воздействие агрессивных сред на материалы, то есть учитывает только побочные реакции второго типа. При этом строительные конструкции, выполненные из различных материалов, рассматриваются раздельно. Для кирпичной кладки, где присутствуют одновременно вяжущий раствор и кирпич, в п. 7.1 СП определяется, что «оценка степени агрессивного воздействия на камен-
Список литературы
1. Обрузбаева Г.Т., Касымова М.Т. Определение температуры обжига Чуйской керамики VШ—XVI вв. // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 33—36.
2. Чернышов Е.М. Морозная деструкция бетонов. Часть 1. Механизм, критериальные условия управления // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 40-46.
3. Гагарин В.Г., Желдаков Д.Ю. Методика учета изменения климатических данных при определении количества циклов перехода температуры через ноль по сечению наружной стены здания как часть программы по адаптации к изменению климата // БСТ. 2017. № 6. С. 32-35.
4. Минас А.И. Защита сооружений от солевой формы физической коррозии, возникающей в районах с сухим климатом. — В кн. Защита строительных конструкций от коррозии. М. 1961, вып. 22, 119 с.
4. Инчик В.В. Физико-химические аспекты деструкции кирпичной кладки. Материалы международной конференции «Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве» 10-12 октября 2007 г. СПб: Роза мира, 2007. С. 79-85.
6. Ананьев А.И. Долговечность, влажностный режим и теплозащитные свойства наружных стен зданий из пустотелого кирпича // АВОК. 2018. № 3. С. 70-73.
7. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1952. 344 с.
8. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
9. Желдаков Д.Ю. Ограждающие конструкции зданий - фильтры атмосферного воздуха мегаполисов // Методология безопасности среды жизнедеятельности. Программа и тезисы IV Крымской Международной научно-практической конференции. Под редакцией: А.Т. Дворецкого, Т.В. Денисовой, А.Е. Максименко. Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Симферополь). 2017. С. 34.
ные конструкции производится раздельно по раствору и кладочному материалу и для конструкции из каменной кладки в целом принимается как для материала, для которого среда является наиболее агрессивной».
Тот же подход рассмотрения каждого строительного материала в отдельности применен и в СП 72.13330.2016 «Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 3.04.0385», который рассматривает защиту металлических, бетонных и каменных поверхностей строительных конструкций индивидуально.
Выводы.
Применение в современной строительной индустрии многослойных ограждающих конструкций обусловливает необходимость рассмотрения процессов химической коррозии при условии взаимного влияния всех материалов, применяемых в многокомпонентной системе. Несоблюдение данного условия может привести к неправильной трактовке результатов исследований при расчете долговечности материалов конструкции. Приведенная в статье классификация процессов химической коррозии в многокомпонентной системе, позволяет не только рассчитать константу скорости основного процесса, но и наиболее точно учесть действие побочных реакций на протекание процесса коррозии.
References
1. Obruzbaeva G.T., Kasymova M.T. Determination of the firing temperature of Chui ceramics of the VIII—XVI centuries. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 33-36.
2. Chernyshov E.M. Frosty destruction of concrete. Part 1. Mechanism, criterial conditions of management. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 40-46. (In Russian).
1. Gagarin, V.G., Zheldakov, D. Method of accounting changes of climatic data in determining the number of cycles of the transition temperature of zero in the cross section of the outer wall of the building as part of a program for adaptation to climate change. BST. 2017. No. 6, pp. 32-35. (In Russian).
2. Minas A.I. Zashchita sooruzhenii ot solevoi formy fizicheskoi korrozii, voznikayushchei v raionakh s sukhim klimatom. — V kn. Zashchita stroitel'nykh konstruktsii ot korrozii [Protection of structures against salt form of physical corrosion occurring in areas with a dry climate. — In the book. Protection of building structures against corrosion]. Moscow, 1961. Vol. 22. 119 p.
3. Inchik V.V. Physico-chemical aspects of the degradation of the brickwork. Proceedings of the international conference "Problems of durability of buildings and structures in modern construction" 10-12 October 2007 — Saint Petersburg: Rosa mira, 2007. P. 79-85.
4. Ananyev A.I. Durability, humidity and thermal insulation properties of external walls of buildings of hollow bricks. AVOK. 2018. No. 3, pp. 70-73. (In Russian).
5. Moskvin V.M. Korroziya betona [Corrosion of concrete]. Moscow, 1952. 344 p.
6. Moskvin V.M., Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Korroziya betona i zhelezobetona, metody ikh zashchity [Corrosion of concrete and reinforced concrete, methods of their protection]. Moscow: Stroiizdat, 1980. 536 p.
7. Zheldakov D. The building envelope - filters of atmospheric air of cities // Methodology security environment. Program and abstracts of the IV Crimean international scientific-practical conference. Ed. by: A.T. Butler, T.V. Denisova, A.E. Maksimenko. Crimean federal university of V.I. Vernadsky (Simferopol). 2017. P. 34.
32
июнь 2018
Ы ®
