CC BY
14УДК 692.2
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-774-9-62-65
Г.И. СТОРОЖЕНКО, д-р техн. наук ([email protected])
ООО «Баскей Керамик» (454082, г. Челябинск, Троицкий тракт, 74, пом. 2)
К обсуждению развития теории химической коррозии кирпичной кладки
Проанализированы статьи Д.Ю. Желдакова по коррозии кирпичной кладки, опубликованные в журнале «Строительные материалы» в 2018-2019 гг., в которых предложено на основе исследования с помощью метода определения активных ионов рассчитывать долговечность конструкции по параметру прочности с учетом протекания процессов химической и политермической деструкции. Обращено внимание на нечеткое толкование процесса осмоса как механизма перемещения ионов в рассматриваемой конструкции (кирпичной кладке), а также на отсутствие статистической выборки, следовательно, репрезентативности, что дает повод для критики всей теории. Отмечено, что солевая коррозия один из многих факторов, влияющих на долговечность кирпичной кладки; не обосновано, почему автор считает ее главным. В данной статье приведены результаты исследования образца разрушенной кирпичной кладки 1960-х гг., показывающие, что ни на границе с цементной штукатуркой, ни внутри кирпича не обнаруживаются минералы, которые, по мнению автора обсуждаемых статей, должны оказывать разрушающее действие на кирпич, - волластонит, ксонотлит, бокситы и гиббситы. Сделан вывод, что на фоне определенных и проверенных временем наиболее критичных факторов, влияющих на долговечность кирпича, новые исследования, если их выводы противоречат известным, должны опираться на более серьезную доказательную теоретическую и экспериментальную базу.
Ключевые слова: долговечность, кирпичная кладка, химическая коррозия, морозостойкость.
Для цитирования: Стороженко Г.И. К обсуждению развития теории химической коррозии кирпичной кладки // Строительные материалы. 2019. № 9. С. 62-65. 001: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-774-9-62-65
G.I. STOROZHENKO, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]) (74, Troitskii Highway, Chelyabinsk, 454082, Russian Federation)
To Discussion on Development of the Theory of Chemical Corrosion of Brick Masonry
D.Y. Zheldakov's articles on corrosion of brick masonry, published in the Journal "Construction Materials" in 2018-2019, in which on the basis of research using the method of determination of active ions it is proposed to calculate the durability of the structure according to the strength parameter taking into account the processes of chemical and polythermal destruction are analyzed. Attention is drawn to the fuzzy interpretation of the osmosis process as a mechanism for the movement of ions in the structure under consideration (brick masonry), as well as to the absence of statistical sampling, therefore, representativeness, which gives reason to criticism of the whole theory. It is noted that salt corrosion is one of the many factors affecting the durability of brick masonry, it is not justified why the author considers it the main. This article presents the results of the study of a sample of destroyed brick masonry of the 1960s, showing that neither on the border with cement plaster, nor inside the brick minerals, which according to the author of the articles discussed, should have a destructive effect on the brick: wollastonite, xonotlite, bauxites and gibbsites, are found. It is concluded that against the background of certain and time-tested the most critical factors affecting the durability of bricks, new research, if their findings contradict the known, should be based on a more serious evidentiary theoretical and experimental basis.
Keywords: durability, brick masonry, chemical corrosion, frost resistance.
For citation: Storozhenko G.I. To discussion on development of the theory of chemical corrosion of brick masonry. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 9, pp. 62-65. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-774-9-62-65
В июне 2018 г. в журнале «Строительные материалы» была опубликована статья Д.Ю. Желдакова «Химическая коррозия кирпичной кладки. Постановка задачи» [1], в которой автор предложил новый подход к исследованию долговечности кирпичной кладки с учетом протекания процессов химической коррозии в двухкомпонентной химической системе керамический кирпич — цементно-песчаный раствор. Естественно, статья сразу привлекла внимание специалистов, работающих в области керамических строительных материалов, не только ученых, но и производственников. Керамическое сообщество с нетерпением ждало развития высказанной идеи, и оно появилось в апрельском номере журнала этого года [2]. Во второй статье были приведены результаты инструментальных исследований образцов, включая определение фазового и элементного состава, результаты сканирующей калориметрии и микроскопического анализа. Автор предложил на основе
исследования с помощью метода определения активных ионов рассчитывать долговечность конструкции по параметру прочности с учетом протекания процессов химической и политермической деструкции. Результаты термодинамических расчетов возможных реакций, которые окончательно докажут правоту автора, были анонсированы в третьей статье.
Как положительный факт следует отметить, что данная теория не только публикуется в научных журналах, интерес к которым, к сожалению, становится все более академическим. Поскольку положения высказанной автором теории могут весьма существенно затронуть интересы производителей керамического кирпича, она была представлена на симпозиуме «Наука — керамическому производству» в рамках ежегодной научно-практической конференции КЕРАМТЭКС, состоявшейся в июне 2019 г. в Уфе.
В первой статье автор похвалил керамический кирпич и сооружения из кирпича, заметив, что
«...кирпич зарекомендовал себя как долговечный материал на протяжении столетий...», но «...в последнее время авторитет кирпича снижается, в том числе в связи с его разрушением на фасадах домов и в конструктивных элементах».
Такая негативная тенденция, по мнению автора, началась с середины прошлого века. Итак, столетиями кирпич всех удовлетворял как долговечный материал, а последние 70 лет перестал удовлетворять.
Разрушение кирпичной кладки автор связывает в первую очередь с процессами коррозии цементно-песчаного раствора, наличием примесей в компонентах кирпичной кладки, с капиллярным подъемом кислых и щелочных грунтовых вод и с гидратацией и дегидратацией продуктов основных и побочных реакций. По мнению автора, все материалы при их совместной работе в ограждающей конструкции способны обмениваться растворами образовавшихся в них веществ на основе процесса прямого осмоса. Следует указать, что высказываемое в некоторых публикациях и даже патентах по этой проблеме представление об осмотическом давлении как движущей силе, ответственной за перемещение растворенных веществ, особенно электролитов, в заполненные водой поры кирпича или бетона, является неверным. Осмотические явления возникают при наличии полупроницаемой мембраны — пористого тела, через которое могут диффундировать лишь молекулы растворителя (воды), а капиллярное течение отсутствует. При этом растворитель перемещается в область с повышенной концентрацией раствора, стремясь разбавить его. Таким образом, в рассматриваемом случае движение воды будет осуществляться через весь объем кирпича на границу с цементным раствором. По этой причине обусловленный осмосом встречный диффузионный поток воды должен в некоторой степени препятствовать проникновению раствора щелочи из этого покрытия в поры кирпича, но отнюдь не ускорять его. Здесь автор путает осмос с диффузией.
Известно, что причинами нарушения целостности кирпичной кладки могут стать усадка фундамента, выветривание цементного раствора по швам кладки, воздействие атмосферных осадков, температурные перепады и т. п. Но чаще всего разрушения происходят из-за низкой морозостойкости кирпича и раствора, некачественной гидроизоляции в стенах подвала и цоколе, неправильной конструкции сливов и несоблюдения технологии производства работ. Простыми и эффективными приемами борьбы с этими проблемами является гидроизоляция фундамента, устройство карнизов и т. п., исключающие возможность проникновения воды внутрь кирпичной кладки и тем самым предотвращающие все рассмотренные выше причины ее разрушения. Итак, если устранить указанные факторы, то остается проанализировать указанную автором «главную причину» разрушения кирпича за счет процессов коррозии це-ментно-песчаного раствора.
Однако начнем рассмотрение доказательств недолговечности кирпича в первой статье. Прежде всего, хотелось бы отметить некорректность приведенных автором сравнений: одни кирпичи находились в кладке несколько сотен лет, другие не проработали и десятка лет. Отсутствует статистическая выборка, следовательно, нет репрезентативности и в конечном итоге достоверности. Не учитывается не только технология производства, но и минеральный состав глинистого сырья, из которого изготовлен кирпич, дефекты структуры.
То же можно сказать и о приведенных в статьях фотографиях. «Деструкция облицовочного щелевого кирпича напрямую связана с увеличением расхода раствора при облицовке зданий щелевым кирпичом и увеличением площади соприкосновения кирпича и раствора» [1, с. 1]. При этом приводится фотография разрушения лицевого слоя щелевого кирпича, который не соприкасался с кладочным раствором, а разрушился под действием атмосферных осадков, температурных перепадов и выветривания.
На рис. 1—5 [1, с. 1] автором представлены различные типы разрушения кирпичной кладки. Фотографии сделаны в Москве (Россия) с резко континентальным климатом и в городах Сиена и Болонья (Италия) с мягким средиземноморским климатом без снижения температуры ниже нуля градусов в течение всего года. Автор ненавязчиво дает понять, что не морозостойкостью определяется долговечность кирпича.
Следует заметить, что фотографии разрушения части кладки крепостной стены XII—XV вв. в Сиене не комментируются, хотя сохранившаяся верхняя часть стены подтверждает высокие эксплуатационные характеристики кладки. За сотни лет солнце, ветер и дождь в этой части Италии могут привести к разрушению не только кирпича, но и горных пород, которые не соприкасались с кладочными растворами (вымывание, карбонизация за счет СО2 из воздуха, старение, рекристаллизация). Однако автор считает, что эти факторы «.имеют второстепенное влияние на деструкцию материала конструкции, увеличивая или уменьшая скорость химического взаимодействия веществ» [1]. Тогда почему не показано разрушений кирпичной кладки, например, с середины прошлого века в Италии? По логике, если коррозия кирпичной кладки обусловлена взаимодействием цементно-песчаного раствора с керамическим камнем, то и в Италии в это время коррозия должна приводить к тем же результатам, что и в России.
Противоречит логике автора сравнение разрушений кладки под цементно-песчаной и известковой штукатурками при облицовке кирпичных домов 1953 и 1957 гг. Если коррозия кирпича обусловлена высоким содержанием щелочей, то почему он не разрушился при взаимодействии с известковой штукатуркой? При этом разрушение под слоем цементно-пес-чаной штукатурки произошло не по контакту раствор—кирпич, а совместно с кирпичом.
Многие коллеги считают коррозию кирпича известью кладочного раствора надуманной проблемой.
Рис. 1. Разрушение кирпичной кладки цоколя Рис. 2. Фрагмент отколовшегося участка кир-здания, построенного в 1960-х гг. пичной кладки
Даже если есть такое взаимодействие, то оно должно, наоборот, увеличивать сцепление между кирпичом и раствором. Этим можно объяснить тот факт, что зачастую штукатурный слой отслаивается вместе с поверхностной частью кирпича толщиной 0,5—1 см в местах, где обычно проявляются его дефекты прессования.
Во второй статье автор рассматривает основные этапы деструкции кирпича. При этом одним из обязательных условий при рассмотрении двух материалов кирпичной кладки, цементно-песчаного раствора и красного керамического кирпича автор считает наличие еще одного компонента — воды, которая «.может находиться в любом состоянии и количестве». Полностью насыщенная водой кирпичная кладка, да еще если к воде добавить щелочь для создания раствора с рН 12, плюс температура 89—90оС, то в этом случае мы запускаем быстрый механизм воздействия без учета влияния атмосферного воздуха, что является некорректным подходом к проведению эксперимента.
Автор считает, что разрушение керамического камня обусловлено образованием гидроксида кальция при гидратации портландцементного клинкера и при гидратации свободного оксида кальция, присутствующего в материале кирпича. Как мог остаться свободный оксид кальция после обжига кирпича топочными газами и стольких лет воздействия атмосферы? Следует отметить, что карбонат кальция в глинистом сырье, будучи тонкоизмельченным, не вызывает нарушений целостности керамических изделий, более того, при обжиге он участвует в твердофазных реакциях с образованием сложных соединений Са^Ю4, Са^207 и CaSiO3 [3]. Крупные включения карбоната кальция чаще всего являются причиной брака кирпича, и механизм их воздействия на изделия известен.
Второй этап процесса деструкции кирпичной кладки автор связывает с реакцией гидроксида кальция с материалом кирпича: оксидами кремния и алюминия. «При наличии в структуре кирпича мета-каолина реакции с его участием будут протекать в первую очередь. С оксидом кремния наиболее предпочтительной с термодинамической точки зрения является реакция с образованием волластонита, а также с образованием ксонотлита». Протеканием этих реакций автор объясняет процесс химического разрушения строительной керамики.
Рис. 3. Граница между цементно-песчаным штукатурным раствором и керамическим кирпичом
Формирование керамического камня многократно описано и подтверждено многолетней практикой работы [4, 5]. В процессе обжига, после дегидратации глинистых минералов и при достижении эвтектической температуры они образуют жидкий расплав, в котором частично растворяются поверхностные слои породообразующих минералов, в результате выкристаллизовываются новые минеральные образования в виде кристаллических сростков [4]. Поэтому после спекания керамического камня метакаолинита в нем нет. Даже если допустить, что по какой-то причине после дегидратации каолинита образовавшийся глинозем и кремнезем в интервале температуры обжига (950—1050оС) не прореагировали и впоследствии вступили в реакцию с гидроксидом кальция с образованием волластонита, то за счет чего происходит деструкция материала, автор не объясняет. Волластонит не растворяется в воде, обладает высокой прочностью и армирующим эффектом за счет игольчатой структуры, его используют в керамике в качестве добавки именно для повышения прочности.
Ксонотлит также имеет высокие прочностные характеристики и карбонизационную прочность, поэтому в силикатной промышленности для получения прочного камня необходимо обеспечить его синтез. Ксонотлит стабилен до температуры 700оС, выше которой начинается его превращение в волла-стонит, не сопровождающееся сжатием кристаллической решетки.
Таким образом, в обсуждаемых статьях нет объяснения, почему при образовании волластонита и ксонотлита начинается процесс разрушения керамического камня, да и объяснение химической коррозии протеканием гипотетических реакций с участием метакаолинита в составе керамического кирпича выглядит бездоказательно.
Достоверность в науке подтверждается повторяемостью, и, не желая огульно критиковать автора, проведем простой эксперимент, чтобы убедиться в наличии или отсутствии коррозии кирпича, причины которой указаны в [1] и [2]. Итак, поскольку кризис в части разрушения кирпичной кладки начался с середины прошлого века, мы нашли характерное разрушение кирпичной кладки в доме по ул. Свободы, 44а в г. Челябинске (рис. 1), который был построен в 1960-х гг., и провели анализ причин его разрушения. Для исследований были отобраны пробы в тех местах,
□ -кварц
О-кальцит
□ А -портландит
^LLïjLL Ъ | i
10 20 30 40 50 60 70 20 (град)
Рис. 4. Дифрактограмма цементно-песчаной штукатурки
где явно присутствовал контакт кирпича и цементно-песчаного раствора. Исследовался граничный слой фрагмента отколовшегося участка кирпичной кладки (рис. 2), так как, по мнению Д.Ю. Желдакова, именно в этом месте коррозия кирпича протекает в результате растворения и увода гидроксида кальция из цементного камня при фильтрации воды под давлением. При этом не указывается, как мог образоваться ги-дроксид кальция в условиях реальной атмосферы, содержащей СО2, который связывает кальций в виде карбонатов — кальцита и арагонита.
Задачей исследования явилось изучение структуры граничного слоя, куда «устремился» гидроксид кальция (электронный оптический микроскоп Simens EMS 3) и определение фазового состава цементно-песчаного раствора, его граничного слоя с керамическим камнем и целого кирпича из кладки, который не мог априори подвергнуться химической коррозии.
На рис. 3 показана граница между цементно-пес-чаным штукатурным раствором и керамическим кирпичом. При увеличении 4000х в образце не обнаружено никаких следов деструкции керамического камня, наоборот, граница выглядит как единый монолит.
На рис. 4 приведена дифрактограмма цементно-песчаной штукатурки, которая граничит с керамическим кирпичом. Расшифровка показала наличие характерных для этого материала минералов — кварца, кальцита, портландита. На дифрактограмме керамического камня как на границе с цементной штукатуркой, так и внутри кирпича (рис. 5) идентифицируются традиционные для керамики минеральные образования: кварц, альбит, анортит, шпинели. Не было обнаружено минералов, которые, по мнению автора, должны оказывать разрушающее действие на кирпич, — волла-стонита, ксонотлита, бокситов и гиббситов.
Самым простым и наглядным экспериментом явилось определение показателя рН водных растворов цементно-песчаной штукатурки и граничного с ней слоя керамики, он соответственно составил 11,2 и 6,8. Если бы какой-то гипотетический процесс приводил к проникновению щелочи в керамику, то такой резкой границы явно не наблюдалось бы.
В заключение не хотелось бы наподобие организаторов знаменитой сессии ВАСХНИЛ 1948 г. запрещать в нашем случае исследования процессов коррозии кирпичной кладки, но за несколько тысячеле-
20 (град)
Рис. 5. Дифрактограмма керамического камня на границе с цементно-песчаной штукатуркой
тий ее существования уже определены наиболее критичные факторы, влияющие на долговечность кирпича, и новые исследования, если их выводы противоречат известным, должны опираться на более серьезную доказательную теоретическую и экспериментальную базу.
Список литературы
1. Желдаков Д.Ю. Химическая коррозия кирпичной кладки. Постановка задачи // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 29-32. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2018-760-6-29-32
2. Желдаков Д.Ю. Химическая коррозия кирпичной кладки. Протекание основного процесса // Строительные материалы. 2019. № 4. С. 36-43. DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-36-43
3. Будников П.П., Гистлинг А.М. Реакции в смесях твердых веществ. М.: Стройиздат, 1971. 488 с.
4. Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики. М.: Стройиздат, 1974. 315 с.
5. Августиник А.И. Керамика. М.: Промстройиздат, 1957. 484 с.
References
1. Zheldakov D.Yu. Chemical corrosion of a bricklaying. Problem definition. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 29-32. DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2018-760-6-29-32 (In Russian).
2. Zheldakov D.Yu. Chemical corrosion of brick masonry. Process running. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 4, pp. 36-43. DOI: https:// doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-36-43 (In Russian).
3. Budnikov P.P., Gistling A.M. Reaktsii v smesyakh tverdykh veshchestv [Reactions in mixtures of solids]. Moscow: Stroyizdat. 1971. 488 p.
4. Rogovoy M.I. Tekhnologiya iskusstvennykh poristykh zapolniteley i keramiki [Technology of artificial porous aggregates and ceramics]. Moscow: Stroyizdat. 1974. 315 p.
5. Avgustinik A.I. Keramika [Ceramics]. Moscow: Promstroyizdat. 1957. 484 p.
