CC BY
36УДК 691.41
С.И. КОЧЕТКОВ, инженер-геофизик, В.П. СНИСАРЬ, канд. геол.-мин. наук, Украинский научно-исследовательский геологоразведочный институт (УкрНИГРИ); Б.М. ДАЦЕНКО, канд. техн. наук, ЗАО с ИИ «Слобожанська Будивельна Керамика» (Киев, Украина)
Оценка долговечности керамического кирпича
Керамический кирпич в течение нескольких тысячелетий был и остается одним из самых распространенных видов строительных материалов, но в последнее время в периодических изданиях строительного профиля появились статьи касающиеся проблем использования лицевого керамического кирпича в современных многослойных конструкциях стен. Так, в публикации [1] констатируется факт множественных случаев обрушения или появления различных дефектов наружного слоя стен из керамического кирпича многослойных конструкций в Московской области. Только в Москве количество зданий с выявленными дефектами лицевого слоя из кирпичной кладки составило несколько десятков. Одной из основных причин признано некачественное выполнение строительно-монтажных работ, а применяемые проектные решения подвергнуты серьезной критике. В работе [2] анализируются причины появления дефектов лицевого слоя стен из керамического кирпича и акцентируется внимание на ошибках, допущенных при проектировании и строительстве.
По-видимому, ошибочные проектные решения и нарушения технологии производства строительных работ являются основными причинами появления дефектов стен, но следует также обратить внимание на свойства самого керамического кирпича, поскольку он является пористым материалом, способным изменяться под воздействием таких факторов окружающей среды, как колебания температуры, влажности, солевая агрессия и т. п. Эти воздействия могут сами по себе вызывать разрушение керамического материала или же усиливать результат воздействия ошибочных проектных решений или нарушений технологии кладочных работ.
Целью настоящей работы явилось установление возможности прогнозирования долговечности керамического кирпича на основе методов неразрушающего контроля путем изучения его акустических свойств. В ходе работы измерялись скорости распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в керамическом материале в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Работа выполнялась в лаборатории петрофизики УкрНИГРИ, которая располагает необходимым оборудованием для изучения акустических, фильтрационных, адсорбционных и других свойств пористых материалов.
В работе [3] представлены результаты изучения анизотропии акустических свойств керамического кирпича в зависимости от температуры обжига при 850, 1000 и 1100оС. В образцах измерялись скорости распространения УЗК в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Абсолютные значения скорости волн варьируют от 1440 до 2934 м/с. Отмечается закономерное возрастание скорости УЗК с ростом температуры обжига, что является отражением снижения пористости материала вследствие его большей спекаемости при более высоких температурах. Характерна большая разница скоростей в зависимости от направления прозвучивания, что свидетельствует о высокой анизотропии упругих свойств исследуемого материала. Для направления,
перпендикулярного лицевой поверхности кирпича, характерны минимальные скорости, а для направления параллельного этой поверхности, — максимальные. Причем соотношение максимальной и минимальной скоростей, отражающее анизотропию свойств материала, закономерно изменяется в обеих сериях испытанных образцов: максимальное значение фиксируется при температуре обжига 850оС, снижается при 1000оС и затем снова немного возрастает при 1100оС.
Выполненные исследования показывают, что методом сквозного прозвучивания образцов кирпича можно получить данные о некоторых особенностях его структуры и этим можно воспользоваться при оценке долговечности кирпичных изделий, производимых на разных заводах и по разной технологии производства.
Исследуемые материалы. В качестве объекта исследования использованы не специально приготовленные лабораторные образцы, а товарные изделия украинских производителей, а также образцы кирпича некоторых европейских производителей, представленных на украинском рынке. Для испытаний в основном отбирались образцы лицевого и клинкерного кирпича.
Образцы № 1, 2 ,3 представляют продукцию одного и того же кирпичного завода. Различие их свойств в основном обусловлено разным составом используемого сырья: в образце № 2 введено 15% шамота по сравнению с образцом № 1. Образец № 3 имеет шоколадно-корич-невую окраску: для его производства использовалась глина с большим количеством плавней (Бе, К, №), шамот и краситель на основе окислов марганца, который улучшает спекаемость керамического материала. Образцы № 4 и 5 производятся на другом заводе, имеют светлую красновато-желтую окраску. Шихта для производства образца № 5 содержит в своем составе 12% СаСО3 (мел) в отличие от образца № 4. Температура обжига изделий № 4 и 5 на 30—40оС выше, чем образцов № 1, 2, 3. Образец № 6, близкий по составу шихты образцам №1 и 4, отличается более высокой температурой обжига.
Образец № 7 представляет лицевой кирпич одного из испанских производителей, отличается содержанием шамота около 20% и предположительно высоким содержанием кальция в составе шихты. О температуре обжига достоверных данных нет.
Образцы № 8 и 9 представляют клинкерный кирпич с показателем водопоглощения до 6%.
Образцы с 1-го по 9-й получены пластическим способом формования, при котором происходит структурирование глинистой массы в шнековом экструдере и создаются предпосылки для высокой анизотропии акустических свойств получаемых изделий. Этот способ формовки обеспечивает лучшую спекаемость керамической массы по сравнению с полусухим прессованием и высокую производительность формовочного оборудования.
Образец №10 — рядовой кирпич, производимый по технологии полусухого прессования.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
34 январь 2010 *
Образец №11 представляет изделия, производимые по технологии формования Soft mate, разработанной голландской фирмой De Boer. По типу воздействующих усилий на формуемую массу в этой технологии фактически реализован ручной способ формовки низкопластичной глинистой массы, но машинным способом. Он отличается малой производительностью и более высокой себестоимостью производства по сравнению с пластическим способом формовки.
Метод и аппаратура исследования. Из отобранных образцов вырезались фрагменты лицевой поверхности кирпичей в виде параллелепипеда со сторонами 10—15 мм для определения скоростей распространения ультразвуковых колебаний в трех взаимно перпендикулярных направлениях:
V1 — паралельно лицевой поверхности кирпича (вдоль оси шнека экструдера при формовании);
V2 — перпендикулярно лицевой поверхности и перпендикулярно оси шнека;
V3 — параллельно лицевой поверхности и перпендикулярно оси шнека;
^р.= (V1 +V2+ V3)/3 — среднее значение скорости по трем направлениям;
Ка — коэффициент анизотропии, равный отношению V1/V2.
Измерения производились на приборе УК-10ПМС, предназначенном для неразрушающего контроля физико-механических характеристик изделий из стеклопластиков, пластмасс, бетона и других материалов путем измерения времени распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) методом поперечного прозвучивания в лабораторных и цеховых условиях. Прибор обеспечивает контроль изделий, скорость распространения продольных УЗК в которых находится в пределах от 300 до 15000 м/с.
Основными показателями качества кирпича, которые предопределяют марку изделия, являются предел прочности при сжатии и изгибе, водопоглощение и морозостойкость. Водопоглощение керамического черепка обусловлено открытой пористостью и в значительной степени зависит от степени спекания керамической массы. Считается, что кирпич с низким водопоглоще-нием будет иметь высокие эксплуатационные характеристики. В общем случае эта тенденция верна, но нередко такая закономерность нарушается: известны факты, когда клинкерный кирпич с водопоглощением около 2% разрушался быстрее, чем кирпич с водопоглощением 20% [4]. В таких случаях чаще всего делается вывод,что данный кирпич не обладает морозостойкостью. Но истинные причины этого явления и эффективные способы контроля до сих пор не имеют однозначного решения.
Проблема оценки качества кирпичных изделий и особенно оценка их долговечности не так однозначны, как может показаться на первый взгляд. Стандартный тест на морозостойкость путем замораживания не в полной мере отражает воздействие факторов, способных привести к разрушению кирпича. Известно много случаев, когда лицевой кирпич с морозостойкостью 75 циклов и более разрушался после первой же зимовки. Не только расширение замерзающей воды, но и изменение размеров кирпича вследствие многократно повторяющихся циклов увлажнения-высушивания, адсорбционные процессы приводят к появлению внутренних напряжений и последующему разрушению материала. Кристаллизационное давление солей в пористой среде также является мощным разрушающим фактором. Способ испытания строительных материалов на морозоустойчивость путем пробы с глауберовой солью был предложен Брандом еще в 1840 г. и с тех пор неоднократно служил предметом исследований многих специалистов [5].
Проявления всех перечисленных выше факторов так или иначе связаны со структурой порового пространства керамического изделия и его неоднородностью и оказывают очень сильное влияние на долговечность кирпича.
В таблице представлены результаты измерений скорости распространения УЗК в образцах из товарного кирпича, представленного на рынке Украины.
Даже в хорошо спеченном, визуально однородном керамическом кирпиче с низким водопоглощением УЗК позволяют выявить наличие свилеватой текстуры материала, что хорошо видно путем сравнения скоростей распространения волн в одном и том же образце во взаимно перпендикулярных направлениях (колонки 2—4 табл.).
Максимальные скорости УЗК характерны для клинкерного кирпича (образцы 8 и 9), поскольку он имеет самую низкую пористость из всех представленных образцов. Иначе говоря, температура обжига и его длительность имеют решающее влияние на скорость УЗК в керамическом материале, которая статистически прямо пропорциональна пределу прочности кирпича при сжатии и обратно пропорциональна водопоглощению.
Что же касается коэффициента анизотропии, то здесь определяющее значение имеет способ формования кирпича, а также состав шихты. Для изделий пластического способа формования величина Ка>1 (колонка 6, образцы 1—7 в табл.). Это свидетельствует о наличии в керамическом материале уплощенных пор и ослабленных поверхностей, ориентированных преимущественно параллельно лицевой поверхности кирпича.
Для изделий полусухого формования и технологии фирмы De Boer (псевдоручная формовка), представленных образцами 10 и 11, Ка<1. То есть в этих изделиях уплощенные поры ориентированы перпендикулярно лицевой поверхности и параллельно постели кирпича.
Из вышеизложенного вытекает важное следствие для практики, а именно: после укладки в стену в кирпиче пластического способа формовки уплощенные поры и ослабленные поверхности ориентированы вертикально. Следовательно, под действием нагрузки вышележащих конструкций они всегда будут стремиться к расширению. В стене из кирпича ручной формовки вертикальная нагрузка, наоборот, препятствует развитию имеющихся в кирпиче уплощенных пор и трещин. Этими особенностями, по-видимому, и объясняется часто отмечаемая
№ образца Скорость УЗК, м/с V Ka = V1/V2 К Кст.д.
Vi V2 V3
Лицевой кирпич - пластический способ формования
1 3100 2100 2700 2633 1,48 1779
2 3000 2200 2900 2700 1,36 2132
3 3500 2800 3450 3250 1,25 2600
4 3500 2500 2500 2833 1,4 2024
5 3900 2900 3700 3500 1,35 2593
6 3900 2800 2900 3200 1,39 2302
7 4050 3200 3400 3550 1,27 2795
Клинкерный кирпич - пластический способ формования
8 4200 2540 3800 3513 1,65 2129
9 4340 2930 4000 3757 1,48 2539
Рядовой кирпич - формование способом полусухого прессования
10 2000 2060 2060 2040 0,97 2103
Кирпич голландского производства по технологии De Boer
11 2200 2660 2800 2553 | 0,83 3076
Гу научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
¿VJ : ® январь 2010 35
многими исследователями прочность стен из старого кирпича, который обжигался в гораздо менее совершенных печах, чем современные, но конструкции из него нередко имели высокую прочность благодаря структуре пористости, характерной для ручного способа формовки.
В общем случае чем ниже пористость материала, тем более устойчив он будет против воздействий окружающей среды [6, 7]. Наличие слоистости, свилеватости, что находит отражение в значениях коэффициента анизотропии Ка, наоборот, снижает устойчивость керамического материла.
Для удобства анализа полученных данных по распространению УЗК в керамическом материале целесообразно ввести коэффициент структурной долговечности кирпича, который будет прямо пропорциональным средней скорости УЗК и обратно пропорциональным коэффициенту анизотропии:
Кст.д. ^ср./Ка.
По коэффициенту Кстд. наиболее долговечным из изученных материалов является образец голландского кирпича, производимого по технологии фирмы De Boer, а наименее долговечным — образец 1, по которому имеется больше всего претензий от покупателей.
Обращает на себя внимание тот факт, что образцы 1, 2 и 3 (производятся на одном заводе) по прочностным показателям, водопоглощению и морозостойкости являются идентичными по классификации производителя и относятся к одной и той же марке. Но по коэффициенту структурной долговечности они различаются очень сильно.
То же относится и к образцам 4 и 5, производимым на одной и той же технологической линии. Шихта для образца 5 в отличие от образца 4 содержит в своем составе мел, что способствует лучшей спекаемости при обжиге и снижению Ка. Ввод в шихту мела также способствует получению черепка с меньшим влажностным расширением [8]. В пользу этого свидетельствует и тот факт, что на стенах зданий из кирпича, представленного образцом № 5, нигде не наблюдалось отслоения лицевой поверхности, даже в местах сильного замокания кладки.
Касательно роли мела в кирпичной шихте уместна будет цитата из [7]: «Повышенное содержание окиси кальция нежелательно, так как она понижает вязкость глины при спекании, уменьшает интервал плавкости, а углекислый газ (из СаСО3) может увеличить пористость изделия. Окись магния менее вредна в этом отношении. Однако известны случаи изготовления клинкера из глин при содержании СаСОз в шихте около 16%. Будапештские мостовые выполнены из такого чрезвычайно износоустойчивого клинкера (ростолита). Обжигают его в капселях ввиду большой жидкоплавкости шихты и по очень замедленному режиму, в особенности при охлаждении. Аналогичны голландские глины. Голландские керамики даже предпочитают аллювиальные глины, содержащие 8—15% СаСО3...».
Следует отметить, что ввод в шихту большего количества шамота также снижает анизотропию акустических свойств керамического материала и способствует большей его долговечности. То есть, изменением состава шихты и режима обжига изделий можно добиться значительного снижения анизотропии акустических свойст кирпичных изделий, получаемых пластическим способом формовки. Контролировать эти изменения можно путем исследования акустических свойств керамического материала.
Выводы
1. Исследование акустических свойств керамических стеновых материалов позволяет получить ценную информацию об особенностях их строения, необходимую для оценки долговечности изделий.
2. Предложенный коэффициент структурной долговечности кирпича Кст д. хорошо согласуется с визуально наблюдаемыми фактами устойчивости или разрушения конкретных образцов кирпича. Однако его следует рассматривать только как один из множества показателей, которые наряду с показателем морозостойкости целесообразно учитывать при оценке долговечности керамического пористого материала.
3. Для большей обоснованности заключений о долговечности керамического материала следовало бы учитывать также показатели, отражающие интенсивность физико-химического взаимодействия в системе пористый керамический материал — вода, а именно: влажно-стное расширение, содержание водорастворимых солей в керамическом материале, адсорбционную активность черепка. Методы их определения предложены в работе [9], но до настоящего времени не отражены в нормативных документах Украины и России. В действующих стандартах предусмотрены показатели качества, в основном характеризующие свойства материала до его укладки в стену, а за послепродажное поведение материала ответствен лишь один показатель — морозостойкость, который не отражает всего многообразия факторов, могущих привести к разрушению кирпича.
4. Следует рассмотреть целесообразность определения в качестве опции коэффициентов влажностного расширения кирпича, содержания водорастворимых солей, изменения линейных размеров после повторного обжига — аналогично стандарту EN 771-1:2003 (Specification for masonry units. Clay masonry units), а также структурной долговечности материала, определяемой путем ультразвукового исследования акустических свойств кирпича.
5. В лаборатории петрофизики УкрНИГРИ накоплен большой опыт изучения пористых сред. Имеющееся лабораторное оборудование и методические разработки могут быть эффективно использованы для решения вопросов повышения долговечности пористых строительных материалов.
Ключевые слова: кирпич, анизотропия, акустические свойства, ультразвуковые колебания
Список литературы
1. Пец Т. Кирпичные фасады: два шага назад // Строит. материалы. 2009. № 6. С. 49.
2. Ищук М.К.Основные причины, вызывающие дефекты наружных стен с лицевым слоем из кирпичной кладки // Жилищное строительство. 2008. №3. С. 28-31.
3. G.Cultrone, E.Sebastian, O.Cazalla, M.Nechar, R.Romero, M.G.Bagur Ultrasound and mechanical test combined with ANOVA to evaluate brick quality/ / Ceramics International. 2001. № 21. Р. 401-406.
4. Соколов Я. А. Лабораторные испытания и технохи-мический анализ в производстве строительных материалов. М.-Л.: Гизместпром. 1941. 212 с.
5. Соколов Я.А. Палагин В.С. Морозоустойчивость кирпича. М.: Госстройиздат. 1946. 27 с.
6. Беркман А.С., Мельникова И.Г. Структура и морозостойкость стеновых материалов. М.-Л.: Госстройиздат. Ленинградское отделение. 1962. 167 с.
7. АвгустиникА.И.Керамика. Л.: Стройиздат. 1975. 591 с.
8. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М.: Стройиздат. 1977. 240 с.
9. Книгина Г.И., Вершинина Э.Н., Тацки Л.Н. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей. М.: Высшая школа, 1985. 224 с.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-j*jjсу,rfí j\lfrjLjjS
36 январь 2010 *
