CC BY
85Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 692.232:699.88
И.В. БЕССОНОВ1, канд. техн. наук, В.С. БАРАНОВ2, инженер-механик (генеральный директор), В.В. БАРАНОВ2, юрист, В.П. КНЯЗЕВА3, канд. техн. наук, Т.Ф. ЕЛЬЧиЩЕВА4, канд. техн. наук
1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Москва, Локомотивный пр., 21) 2 ООО «НПФ «СТРОЙМОСТ» (Москва, ул. Буракова, 27, к. 2) 3 Московский архитектурный институт (107031, Москва, ул. Рождественка, 11/4, к. 1, стр. 4) 4 Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)
Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий
Определены факторы, приводящие к образованию высолов на кирпичных слоистых, наружных стенах зданий. Установлены виды солей, составляющих высолы. Выявлено, что для недопущения формирования высолов и возникновения биоповреждений кладки материалы следует подбирать с учетом сбалансированности химического состава и капиллярно-пористых свойств. Это позволяет предотвратить метастабильность системы в целом при сочетании материалов и их увлажнении. Установлено предпочтительное использование для кладки сложного раствора состава песок - известь - цемент с развитой капиллярно-пористой структурой по отношению к кирпичу или известково-песчаного раствора с заполнителем из тонкомолотого песка. Разработаны предложения по устранению высолов методом смывки составом на основе полифункциональных кислот с последующей обработкой поверхности кладки кремнийорганическими гидрофобизаторами для недопущения повторного солеобразования.
Ключевые слова: высолы, гигроскопические соли, кирпичная кладка, метастабильная система, эмерджентность.
I.V. BESSONOV1, Candidate of Sciences, V.S. BARANOV2, Engineer-Mechanic (General Director), V.V. BARANOV2, Lower, V. P. KNYAZEVA3, Candidate of Sciences, T.F. ELCHISHCHEVA4, Candidate of Sciences. 1 Research Institute of Building Physics of RAABS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation) 2 ООО «NPF «STROYMOST» (27/2, Burakova Street, Moscow, Russian Federation) 3 Moscow Architectural Institute (The State Academy) (11/4, Rogdestvenka Street, Moscow, 107031, Russian Federation ) 4 Tambov State Technical University (106 Sovetskya Street, Tambov, 392000, Russian Federation)
Reasons and Eliminate Efflorescence on the Brick Walls of Buildings
The factors leading to the formation of efflorescence on brick layered exterior walls of the building. The types of salts, efflorescence components. Revealed that the prevention of the formation of efflorescence and biodegradation of masonry materials should be selected taking into account the balance between the chemical composition and properties of capillary-porous. This avoids the metastability of the system as a whole by combining materials and moisture. Set the preferred use for the solution of complex masonry sand-lime-cement developed capillary- porous structure with respect to the brick or lime- sand mortar with a filler of from fine sand. Proposals to eliminate efflorescence wash composition method based on polyfunctional acids followed by treatment with silicone masonry surface repellents to prevent the recurrence of salt formation.
Keywords: efflorescence, hygroscopic salts, brickwork, metastable system emergence.
Изменение внешнего вида и разрушение облицовочного кирпича в кладке часто связаны с воздействием гигроскопических солей [1], которые ухудшают эксплуатационные и архитектурно-художественные качества зданий и снижают морозостойкость и долговечность стен [2-5].
В строительстве высолы [6] делятся на первичные и вторичные. Первичные проявляются на стадии твердения бетона и кладочного раствора: капилляры свежего раствора заполнены водным раствором продуктов гидратации цемента, главным образом гидроксидом кальция Са(ОН)2, который в процессе образования цементного камня реагирует с углекислым газом воздуха, карбонизируется, и поры и капилляры заполняются карбонатом кальция СаСО3. При твердении раствора происходит массоперенос Са(ОН)2 наружу кладки. По пленке воды он распространяется по всей поверхности кладочных швов и кирпича, карбонизируется, а после высыхания воды образует несмываемый водой и дождем налет - высол. Это характерно и для кирпича, когда для его изготовления используется глина, не отвечающая нормам по содержанию солей [7].
Вторичные высолы образуются в процессе эксплуатации конструкций при старении бетона, раствора и кирпича под воздействием внешней среды и проявляются как общее или локальное осветление за счет пленки СаСО3 и др. солей. Обычно высолы образуются при нарушении нормального влажностного режима стен, что вызывает усиленный приток к ним влаги. Вносят свой вклад в образование высолов добавки по ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов. Общие технические требования»: ускоряющие или замедляющие схватывание смесей и твердение, противоморозные, пластифицирующие и др., а также доменные шлаки, зола-унос ТЭЦ и другие природные и искусственные химические добавки, вводимые для улучшения технологических свойств и снижения себестоимости бетонов [8, 9]. Интенсивность образования высолов зависит от количества влаги, пришедшей в жидкой фазе к поверхности, химического состава и концентрации солей в растворе и площади испарения. Итак, источники образования высолов на кирпичной кладке следующие:
72014
39
Материалы и конструкции
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Высоли в образцах стеновых материалов: а, б, в, г, д — пробы №№ 0, 1, 2, 3, 4 (увеличение 1200 х); е — проба № 5 (увеличение 300 х)
- растворимые соли в сырье (глине, песке, шамоте) и воде затворения до 0,9 г/л в сухих остатках водных вытяжек из кирпича;
- кладочные растворы, содержащие вяжущие (цемент, гипс, известь), заполнители (песок, шлак), воду затворения, противоморозные и технологические добавки. В портландцементе содержатся вещества, попадающие в вяжущее из сырьевых материалов: оксиды натрия, калия и серы ^а20, К20,
SO3 - до 0,5-1 мас. %), которые находятся в портланд-цементном клинкере в составе силикатов. При гидратации они образуют гидрокарбонаты Са(НС03)2, дающие при взаимодействии с углекислым газом воздуха СаС03. Кладка, сложенная на цементном растворе, имеет большее количество высолов, чем на известковом. Гипс Са^ЗО^ 2Н2О, содержит сульфат-ион, который реагирует с ионом натрия, содержащимся в полевом шпате Na2O•Al2O3•6SiO2, и образует водорастворимый сульфат натрия Na2SO4. Последний может образовываться и в результате обменной реакции между сульфатом кальция Са^04 и гидроксидом натрия NaOH, содержащимся в кирпиче и кладочном растворе. Затворение кладочного раствора жесткой или загрязненной промышленными отходами водой, введение противоморозных добавок для понижения температуры замерзания строительной смеси при зимних работах и ускорения сроков схватывания цемента также повышают общую засоленность кладки;
- влага, попадающая в стены в процессе их возведения. Количество влаги зависит от местных климатических и метеорологических условий, времени года, свойств, условий транспортирования и хранения строительных материалов. Влага вносится при применении разжиженных кладочных растворов и отсыревших материалов после ненадлежащего хранения. Керамический обожженный кирпич после изготовления имеет влажность до 1 мас. %, при хранении на открытом воздухе его средняя влажность повышается до 5-6, иногда до 10 мас. %. Затвердевший кладочный раствор влажностью до 20 мас. % занимает в кирпичной стене 25 об. %, и количество влаги, вносимой в стену в процессе строительства, составляет 4,5-5 мас. %. При повышении влажности кирпича начальная влажность кладки может достигать 19-21 мас. %;
- грунтовые и технологические воды с растворенными солями;
- атмосферная влага: в виде кислотных дождей, содержащая продукты сжигания воздуха при разрядах атмосферного электричества (оксиды азота, нитрат аммония N^N0^ и агрессивные примеси (в промышленных районах); в виде тумана, инея, образующаяся при конденсации водяного пара в приземной атмосфере (содержит аммиак, азотную и азотистую кислоты, серо- и хлорсодержащие соединения). Дождевая вода может поступать в стены, когда здание не подведено под крышу, при косых дождях и продолжительных ливнях.
Вследствие изменения температурного режима наружных стен происходит миграция солей по системе пор и капилляров кирпичной кладки, в результате которой на фасадах зданий появляются высолы. Последние снижают эстетические качества фасадов, портят городской пейзаж и являются индикаторами разрушительных процессов облицовки и конструкционного стенового материала. Разрушение вызывается развитием солевой коррозии от попеременного увлажнения и высыхания, приводящих к кристаллизации солей в порах материала. Часто соли выпадают с образованием многоводных кристаллогидратов, превышающих объем пор и оказывающих кристаллизационное давление больше предела прочности и разрушающее кирпич. Внешними признаками солевой коррозии лицевого кирпича является шелушение, трещины, крошение, вплоть до образо-
Рис. 2. Высолы на внутренней поверхности кладки
Рис. 3. Движение солей изнутри на наружную поверхность кладки через растворный шов
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
вания мелкого щебня. Солевая коррозия вызывает разрушение кирпичных зданий через 15-20 лет при среднем нормативном сроке службы 100-150 лет [6].
Возведение наружных стен исследуемого жилого дома осуществлялось с конца января до середины мая при наружной температуре воздуха от -15 до +10оС. Конструкция стены многослойная: облицовочный кирпич - 120 мм, мине-раловатные плиты - 140 мм, внутренняя кладка из полнотелого кирпича - 250 мм. При температуре +5оС и ниже для изготовления кладочного раствора применялась противо-морозная добавка. При возведении наружных стен использовались материалы (на которые имелись сопроводительные документы о качестве, сертификаты и паспорта), пробам которых были присвоены номера: № 1 и № 2 - кирпич глиняный обыкновенный полнотелый, различных заводов-изготовителей; № 3 - кирпич облицовочный пустотный; № 4 - кладочный раствор; № 5 - сухая смесь для изготовления кладочного раствора; № 6 - противоморозная добавка; № 7 - минераловатные плиты.
Натурные исследования заключались в определении характерных мест высаливания на стенах здания, фотофиксации засоленных участков фасадов и мест хранения строительных материалов. Отбор образцов, подготовка проб и проведение лабораторных исследований осуществлялись: по ГОСТ 9980.2-96, ГОСТ 22091-84, ГОСТ 21472-81 (СТ СЭВ 1145-78); общепринятым методикам работ на сканирующем электронном микроскопе с химическим анализатором Stereoscan 600 (Cambridge Instrument, Великобритания) и рентгеноструктурном дифрактометре; методами индикаторного анализа по системе MERCK и качественного и количественного анализа сульфатов, нитратов и хлоридов в растворах водных вытяжек. Оборудование и методы использовались для экспрессного анализа микроструктуры, фазового и химического состава. Также исследовалась проба № 0 - кирпич с типичными высолами из кладки.
В результате натурных исследований установлено: вы-солы на лицевом кирпиче появились с наступлением положительных температур воздуха, их развитие происходит изнутри наружу по растворному шву. В лабораторных условиях получены рентгенограммы фазового анализа проб стеновых материалов и выделены следующие составляющие:
- проба № 0: Na2SO4, KCl, NaCl, агвит Ca(Fe,Mg)-(Si2O6), Mg - следы, Na6Mg2Cl, нортупит MgCO3Na2CO3NaCl, тихит N^Mg^CO^SOJ, Fe2O3 и Mg^;
- проба № 2: Fe2O3, полевой шпат (K[AlSi3O8]-Na[AlSi3O8]-Са[Al2Si2O8]), кристобалит (SiO2), MgO, Al2O3, шпинель (MgAl2O4), стеклофаза;
- проба № 5: портландцемент негидратированный, гематит Fe2O3, гетит (a-FeOOH), корунд Al2O3, слюда (R1(R2)3 [AlSi3O10](OH, F)2, где R1 = К, Na; R2 = Al, Mg, Fe, Li), SiO2, гипс3 (Ca2SO4-2H,p), полимерная добавка.
Результаты фазового анализа показали, что высолы на пробе № 0 представлены Na2SO4 (тенардитом) и СаСО3, проба № 5 содержала гипс Ca2SO4-2H,p.
Рис. 4. Высолы на облицовочном кирпиче
Результаты физико-химического анализа водной вытяжки свидетельствовали об образовании на поверхности кирпича Na2SO4. Метастабильными фазами являлись полевые шпаты и соединение магния - гетит.
Результаты испытаний фазового состава проб № 0; 2 и 5 показали, что система материалов кирпичной кладки не сбалансирована по химическому составу и любое увлажнение и высыхание стен будет сопровождаться миграцией солевых растворов в поровом пространстве материалов, их фазовыми превращениями по схеме раствор соли^кристалли-ческая соль, что может привести к физико-химическим процессам коррозии стеновых материалов.
На рис. 1-6 представлены микроструктуры проб материалов. Пробы кирпича по микроструктуре подобны между собой. Проба № 0 отличалась повышенным содержанием CaO. Метастабильной фазой кладочного раствора являлся гипс, его кристаллизация видна на рис. 1, д. Минераловатные плиты (проба № 7) содержали метастабильную натриевую составляющую, что также определяло образование высолов.
Противоморозная добавка включала нитраты в количестве до 500 мг/л в пересчете на NO3-, что увеличивало возможность образования карбонатов.
Количественные показатели соединений указывают на метастабильность системы и придают системе конгломерата свойство эмерджентности (от англ. emergence - возникновение, появление нового), появление у системы особых свойств, не присущих составляющим ее элементам. При определенных физико-химических и влажностных условиях эти соединения могут вступать в реакции обмена и образовывать высолы.
Метастабильной фазой кладочного раствора является гипс, минераловатных плит натриевая составляющая, противоморозная добавка включает нитраты. Высолы представлены в основном сульфатами натрия и карбонатами кальция, которые образуются в результате физико-химического взаимодействия растворной составляющей с
Водопоглощение и паропроницаемость керамического кирпича
Вид обработки кирпича w, мас.% 1, мг/(мчПа)
за 24 ч за 48 ч за 96 ч
Без гидрофобизатора 7,1 7,6 8,3 0,17
С гидрофобизатором 3 3,8 4,8 0,15
Материалы и конструкции
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Фрагменты фасадов здания: слева — нижний этаж после обработки; справа — верхний этаж без обработки
кирпичом. Наличие Na2O и МдО в минераловатных плитах при контакте с раствором и кирпичом дает потенциальную возможность образования нерастворимых солей. Противо-морозная добавка не способствует образованию высолов (в ее составе преимущественно нитраты кальция, смешанные соли), но существенно увеличивает сорбционные свойства кладочного раствора и кирпича, что облегчает миграцию солей на лицевую поверхность кладки. При увлажнении стен возможны физико-химические процессы коррозионного повреждения отделочных и конструкционных материалов. Обнаруженные растворимые соли гигроскопичны, что затрудняет сушку стен и снижает эффективность теплоизоляции.
Анализ состава высола на пробе № 0 показал, что в его состав входят анионы [СО3]2-, ^04]2-, [N0^ и катионы: Na+, К+, Мд2+, Са2+. По химическому составу все зафиксированные в исследуемых пробах загрязнители можно подразделить на сульфаты (тенардит Na2SO4, афтиталин К^а^04]2, ангидрит СаSO4, бассанит СаSO4); водные сульфаты (сингенит К2Са^04]2-Н20, гексанит MgSO4•6H2O, эп-сомит MgSO4•7H2O, гипс СаSO4•2H2O); водные сульфаты с дополнительными нитрат-анионами (дарапскит Na3[SO4] ^03^Н20, хумберстонит К^а7Мд2^04]6^03]2-6Н20 и др.).
Наличие кристаллогидратов способствует развитию коррозионных процессов по физико-химическому механизму со значительным увеличением объема новообразований при попеременном увлажнении и высыхании кирпичной кладки. Большое содержание хорошо растворимой соли - тенардита, образующей кристаллогидрат Na2SO4•10H2O, отрицательно влияет на прочность материала вследствие кристаллизационного давления, возникновения нагрузок на разрыв и образования трещин. Несбалансированность системы приводит к образованию высолов и во внутренней части кирпичной кладки (рис. 2) и распространению солей через растворный шов на ее лицевую поверхность (рис. 3, 4).
В зданиях с высолами поддержание экологически комфортной среды проживания без предварительной санации и высушивания до равновесной влажности 2-3 мас. % пе-
ред началом отделочных работ осложняется по показателям тепловлажностного режима в помещениях и биозагрязнения воздуха при оштукатуривании стен изнутри, возможна активизация биохимического разрушения вследствие присутствия азотсодержащих загрязнителей в кирпичной кладке, развитие биоповреждений отделочных и конструкционных материалов.
Для удаления высолов с кирпича традиционно применяются: механический способ, смывка синтетическими моющими средствами и ПАВ, обработка водными растворами соляной кислоты HCl. Первые два неэффективны, последняя обладает мощным разрушительным действием: в толще раствора образуется хлорид натрия NaCl, который, даже будучи нейтрализован раствором NaOH, разрушает контактные слои между цементным камнем и заполнителем, уменьшает прочность и резко увеличивает проницаемость раствора.
Минимальным разрушающим эффектом обладают очистители высолов с кирпича и других облицовочных материалов, изготовленные на основе кислот неминерального происхождения и полимерных добавок. Эффективность очистителей различных составов выявлялась в лабораторных условиях путем экспериментов по удалению солей с поверхности кирпича. В результате был выбран очиститель с рН 1-2 и плотностью 1,05 г/см3, представляющий водный раствор комплексов одноосновных и двухосновных полифункциональных кислот и модифицирующих добавок.
В натурных условиях эффективность очистителя апробировалась на участке фасада площадью 25 м2. Наросты, осыпающиеся частицы и пыль солей удалялись механически. Поверхность стены с высолами обрабатывалась очистителем кистью до растворения солей (исчезновения белого налета).
Для предотвращения появления повторных высолов после высыхания поверхность очищенной кирпичной стены покрывалась водным кремнийорганическим гидрофобиза-тором, предназначенным для защиты от воды и высолов бетона, кирпича и камня (рис. 2, д, е). Состав наносился на чистую сухую поверхность кистью, валиком или распылителем в 1-2 слоя «мокрый по мокрому» до насыщения кирпича. На период высыхания (1 ч при температуре воздуха +20оС) поверхность защищалась от воды и атмосферных осадков. Применение гидрофобизатора, по результатам лабораторных испытаний, позволило снизить водопогло-щение кирпича (w) и защитить кладку от атмосферных осадков и капиллярного подсоса воды (см. таблицу), не вызывая кольматации (уплотнения) пор и сохраняя паропро-ницаемость (ц).
Важным достоинством примененных на объекте очистителя и гидрофобизатора является отсутствие в их составе токсичных органических растворителей и раздражающего запаха. Составы не оказывают вредного воздействия на человека и окружающую среду и разрешены для использования в строительстве, в том числе пищевых предприятий, бассейнов и резервуаров с питьевой водой. Предложенная система профилактических мероприятий по предупреждению развития коррозии стеновых материалов включает антисолевую обработку поверхности с последующей гидро-фобизацией кремнийорганическими составами.
При проектировании слоистых наружных ограждающих конструкций для недопущения высолов и биоповреждений материалы, используемые в кирпичной кладке, сле-
Научно-технический и производственный журнал
дует подбирать с учетом сбалансированности химического состава и капиллярно-пористых свойств системы в целом для предотвращения метастабильности при сочетании материалов и их увлажнении.
Хранение кирпича на строительной площадке должно обеспечивать защиту от атмосферной влаги. Переувлажненный кирпич и разжиженный раствор увеличивают общую начальную влажность кладки, что создает условия для активной миграции солей в системе.
Для кладки следует использовать сложный раствор (песок, известь, цемент) с развитой капиллярно-пористой структурой по отношению к кирпичу, что снижает вероятность вытеснения солей в кирпич, либо известково-песчаный раствор с заполнителем из тонкомолотого песка (аморфный кремнезем SiO2, что обеспечивает химическое связывание СаО в растворной части).
Для удаления высолов и предупреждения развития коррозии предлагается использование технологии смывки составом на основе смеси полифункциональных кислот с последующей обработкой поверхности кремнийорганически-ми гидрофобизаторами. До и после проведения работ по удалению солей в течение годового цикла эксплуатации следует проводить периодические инструментально-визуальные обследования состояния стен с отслеживанием динамики процесса в связи с возможным появлением микротрещин на лицевом кирпиче. Дополнительными являются мероприятия по санированию стен, которые включают: высушивание ограждающих конструкций и в случае усиления эффекта высаливания проведение антисолевой обработки поврежденных поверхностей; контроль за влажностью и засоленностью стен перед их отделкой; применение сухих отделочных систем без покрытий на полимерной основе.
Список литературы
1. Kimbal J. Basley. Masonry Facade Stress Failures// The Construction Specifier. 1998. Vol. 51. No. 2.
2. Krogh H., Hansen K. Collection and use of environmental data on building materials // Second International Conference on Buildings and Environment. Paris. 1997, pp. 149-156.
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Крышов С.И., Пономарев О.И. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки // АВОК. 2009. Ч. 1. № 5. С. 48-56. Ч. 2. № 6. С. 48-55.
4. Чумаченко Н.Г., Мироненко Е.В. Влияние кладочных растворов на высолообразование в кирпичных зданиях // Технологии, материалы, конструкции в строительстве. 2003. № 4. С. 65-73.
5. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. М.: Казанский ГАСУ: Издательство «Палеотип», 2006. 244 с.
6. Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ. 1998. 324 с.
7. Ищук М.К. Причины дефектов наружных стен с лицевым слоем кирпичной кладки // Жилищное строительство. 2008. № 3. С. 28-31.
8. Калашников В.И., Махамбетова К.Н. Коррозионная стойкость цементно-песчаных растворов в агрессивной среде // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 12-13.
9. Краснова Т.А., Бороуля Н.И. Влияние противоморозных добавок на свойства бетона // Технологии бетонов. 2011. № 11-12. С. 22-24.
References
Kimbal J. Basley. Masonry Facade Stress Failures// The Construction Specifier. 1998. Vol. 51. No. 2. Krogh H., Hansen K. Collection and use of environmental data on building materials// Second International Conference on Buildings and Environment. Paris. 1997, pp. 149-156. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Kryshov S.I., Ponomarev O.I. Thermal insulation of external walls of buildings with masonry cladding // AVOK. 2009. Ch. 1. No. 5, pp. 48-56. Ch. 2. No. 6, pp. 48-55. (In Russian). Chumachenko N.G., Mironenko E.V. Influence of masonry mortars on vysoloobrazovanie in brick buildings // Tekhnologii, materialy, konstruktsii vstroitelstve. 2003. № 4, pp. 65-73. (In Russian).
Izotov V.S., Sokolova Yu.A. Khimicheskie dobavki dlya modifikatsii betona [Chemical additives for concrete modifications]. M. : Kazanskii GASU: Izdatel'stvo «Paleotip», 2006. 244 p.
Inchik V.V. Vysoly i solevaya korroziya kirpichnykh sten [Efflorescence and salt corrosion brick walls]. SPb.: SPbGASU, 1998. 324 p.
Ishchuk M.K. Causes of defects exterior walls with a facing layer of brickwork // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2008. № 3, pp. 28-31. (In Russian).
Kalashnikov V.I., Makhambetova K.N. Corrosion resistance of cement mortars in aggressive environments // Stroitel'nye materialy. 2010. № 11, pp. 12-13. (In Russian). Krasnova T.A., Boroulya N.I. Effect of antifreeze additives on the properties of concrete // Tekhnologii betonov. 2011. № 11-12, pp. 22-24. (In Russian).
02854884
