CC BY
28Штукатурный состав для комплексной защиты кирпичных стен от солевой коррозии
Харитонов Алексей Михайлович,
д.т.н., профессор кафедры технологии строительных материалов и метрологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет СПбГАСУ, [email protected]
Николаев Василий Александрович,
магистрант, кафедра технологии строительных материалов и метрологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет СПбГАСУ, [email protected]
В данной статье описываются основные принципы проектирования санирующей штукатурки для защиты стен подвальных помещений. Целью исследования является разработка состава штукатурки, обеспечивающей оптимальное движение влаги из конструкции увлажненных кирпичных стен наружу. Этот отделочный материал должен обладать высокой пористостью, достаточной прочностью и солестойкостью. В статье представлены результаты математического моделирования состава материала: описана методология, приведены базовые требования к проектируемому раствору и определено оптимальное соотношение компонентов. С целью установления математической зависимости между ключевыми факторами и свойствами защитного штукатурного состава в исследованиях был применен метод планирования эксперимента и язык программирования Python с использованием как встроенных, так и дополнительных библиотек для анализа и визуализации полученных данных. Ключевые слова: солевая коррозия, санирующая штукатурка, сухая строительная смесь, углеродсодержащий композит, паропроницаемость, анализ данных.
а»
0
сч
fO
01
О Ш Ш X
<
m о х
X
Стены подвальных помещений кирпичных зданий в процессе эксплуатации подвержены воздействию влаги, вследствие чего развивается деструкция конструкций, наблюдаются проявления биозагрязнений, а также ухудшаются тепло-влажностные условия в помещениях. Солевая коррозия кирпичной кладки зачастую является причиной аварийного состояния зданий и сооружений [7], поэтому актуальность разработки современных высокоэффективных защитных материалов остается чрезвычайно высокой, особенно в отношении исторических зданий.
В настоящее время основным методом предотвращения коррозии увлажненных «засоленных» кирпичных стен является электроосмотическое осушение стен. Принцип действия электроосмотической установки заключается в том, что положительно заряженная капиллярная влага под действием электрического поля мигрирует от «плюса» к «минусу» [5]. За счет разности парциальных давлений воздуха на внутренней поверхности стены и в помещении вода вытесняется из ограждения (сначала в виде жидкости, а потом в виде пара). Далее при помощи регулируемой по расходам системы вентиляции влага удаляется из подвального помещения [4]. Существенные недостатки этой технологии заключаются в интенсификации коррозии металлических элементов конструкций, высокой энергоемкости и необходимости соблюдения защитных мер. Последние два обстоятельства обусловливают относительно высокую стоимость применения данной технологии.
Цель настоящей работы заключается в разработке штукатурного защитного состава, реализующего комплекс мер, направленных на предупреждение развития солевой коррозии. Во-первых, штукатурка должна выполнять санирующие функции за счет высокой паропрони-цаемости, солестойкости и регулируемого капиллярного водопоглощения. Во-вторых, дополнительным защитным механизмом может являться гальваноосмос - удаление влаги из структуры стены за счет создания ЭДС в струк-
туре облицовочного слоя. Гальваноосмотическое движение влаги достигается путем увеличения электропроводности штукатурки и обеспечения тем самым самопроизвольного протекания электрохимической реакции при наличии разницы потенциалов между металлическими стержнями, вмонтированными в структуру стены. Указанная технология не требует внешнего источника питания и дополнительного оборудования, санация конструкций осуществляется в «автономном» режиме при увеличении уровня влажности.
В данной работе особое внимание уделено анализу состава сухой строительной смеси, принятой за основу при разработке штукатурки, обеспечивающей гальваноосмотическое движение влаги из внутреннего объема увлажненных кирпичных стен наружу. Этот отделочный материал должен обладать высокой пористостью, достаточной прочностью и солестойкостью. Ниже представлены результаты математического моделирования состава материала: описана методология, приведены базовые требования к проектируемому раствору и определено оптимальное соотношение компонентов.
В качестве базовой рецептуры был рассмотрен ранее предложенный [8, 9] состав санирующей штукатурки - специального ремонтного вида штукатурных покрытий, которые наносят на кирпичные основания для предупреждения выхода высолов на поверхность из загрязненных солями стен [6]. Расход компонентов данной штукатурки представлен в табл. 1.
В состав санирующих штукатурок вводятся воздухововлекающая добавка для создания дополнительного резерва объема при кристаллизации солей и легкий пористый заполнитель (перлит, пемза и т.п.), поры которого должны быть доступны мигрирующим из санируемых оснований солевым растворам, а также водяным парам [1].
Таблица 1
Основными переменными факторами на данном этапе были выбраны: расход перлита (Х1), пеностекла (Х2) и воздухововлекающей добавки Ufapore TLA (Х3), % от массы смеси.
Уровни исследуемых факторов приведены в таблице 2.
В качестве ключевых эксплуатационных характеристик исследовались паропроницаемость, предел прочности при сжатии и солестойкость. С целью установления математической зависимости между ключевыми факторами и свойствами защитного штукатурного состава в исследованиях был применен метод планирования эксперимента.
Таблица 2
Факторы (наименование) Един. измерен. Код Уро вни варьирования Интервал варьирования
-1 0 +1
Расход перлита, % % Х1 0 0,5 1 0,5
Расход пеностекла, % % Х2 0 0,5 1 0,5
Расход Ufapore TLA, % % Х3 0 0,1 0,2 0,1
Композиционный план произведенного неполного трехфакторного эксперимента в кодах и экспериментальные значения функций отклика представлены в таблице 3.
Таблица 3
№ п/п Матрица плана Расход компонентов, % от массы смеси Паро-прони-цае-мость, мг/(мч-Па) Прочность, МПа Солестойкость, баллы
X1 X2 X3 Перлит Пеностекло Ufapore TLA
1 +1 +1 0 1 1 0.1 0.050 11.60 2
2 +1 -1 0 1 0 0.1 0.055 14.26 2
3 -1 +1 0 0 1 0.1 0.066 11.65 1
4 -1 -1 0 0 0 0.1 0.078 11.35 6
5 0 0 0 0.5 0.5 0.1 0.064 12.65 7
6 + 1 0 +1 1 0.5 0.2 0.193 4.15 5
7 + 1 0 -1 1 0.5 0 0.039 19.90 7
8 -1 0 +1 0 0.5 0.2 0.136 4.75 4
9 -1 0 -1 0 0.5 0 0.066 17.05 9
10 0 0 0 0.5 0.5 0.1 0.112 6.20 4
11 0 +1 +1 0.5 1 0.2 0.064 11.02 3
12 0 +1 -1 0.5 1 0 0.060 16.15 6
13 0 -1 +1 0.5 0 0.2 0.052 13.25 9
14 0 -1 -1 0.5 0 0 0.042 22.00 10
15 0 0 0 0.5 0.5 0.1 0.168 5.80 8
Базовая рецептура санирующ ей штукатурки [8]
КОМПОНЕНТ СУХОЙ СМЕСИ РАСХОД, % ОТ МАССЫ СМЕСИ
Суперпластификатор С-3 0.1
Порообразователь Ufapore TLA 0.1
Ligaphob 90 0.1
Известь гидратная (Россошь) 10
Перлит мелкий М75 0.5
Пеностекло 0-4 мм 0.5
Цемент ПЦ Д0 М-500 20
Песок 0-2.5 мм 68.7
Уравнение регрессии (полином третьей степени), по которому могут быть рассчитаны значения функций отклика выглядит следующим
образом:
ЯзддзЗ = щ + «А + + щх3 + щ4 + + чу.Л + fflj*!
+ feigXjXg + "f WjgA'i + ^ii^i^i &12 тЬ + «hWS + «15*1*3 + %6r2 + «17:Ф:= + + <A-M
Коэффициенты уравнения рассчитывались при помощи языка программирования Python. Для этого импортировался класс Pipeline библиотеки sklearn, специально разработанной для проведения статистического анализа.
Визуализация моделей произведена в виде сравнения их значений с исходными данными:
х
X
о го А с.
X
го m
о
ю 3
м о
to
О)
о
сч
fO OI
О Ш
m
X
3
<
m О X X
Рисунок 1 - Визуализация моделей: MVTR (moisture vapor transmission rate) - расчетная паропроницаемость; R -расчетная прочность; C - расчетная солестойкость.
Адекватность полученных моделей была подтверждена проверкой по критерию Фишера (проверкой гипотезы о равенстве дисперсий при уровне значимости а = 0.05). Далее интервал варьирования был сужен и получен ряд [-1, -0.5, 0, +0.5, +1] вместо исходных возможных значений X1, X2 и X3 [-1, 0, +1]. Таким образом, были определены значения факторов для проведения уточненного эксперимента.
Средствами стандартной библиотеки itertools сгенерированы перестановки с повторениями
■ У, где n - количество возможных значений, а k - количество позиций, в которых они могут быть размещены. В данном случае имеются по 5 значений факторов и 3 позиции, следовательно, было сгенерировано 53 = 125 комбинаций факторов.
Численные выражения факторов связаны с полученными значениями - матрицей планирования эксперимента следующими зависимостями: Содержание перлита = 0.5 ■ Хг Ч- 0.5 Содержанке пеностекла = 0.5 ■ Хъ -Ь 0.5 Содержание- Ufapore = 0.1- Хъ ■+ 0.1 Коды были переведены в значения факторов, а затем вычислены значения функций. При этом нумерация начиналась с нуля. В качестве проектных приняты следующие значения эксплуатационных характеристик: паропроницаемость > 0.1 мг/(мчПа), прочность на сжатие 8-12 МПа, солестойкость > 7 баллов. Применив соответствующий фильтр, получили вывод рецептур: Perlite Foam gbm Ufapore MVTR К С
58 0.50 0.25 0.15 0.105993 K.840620 7.219762
59 0.50
0.25 0.20 0.112010 8.596339 8.198042
84 0.75 0.25 0.20 0.132946 «.011929 7.574245 Так как приоритет исследования - повышение паропроницаемости штукатурки, предпочтение было отдано рецептуре №84.
Рисунок 2 - Влияние содержания перлита на исследуемые параметры, здесь и далее: точки - функция от 203 = 8000 комбинаций факторов, 1 - тренд, 2 - действие фактора без других компонентов, 3 - содержание компонента в рецептуре №84.
Анализируя графики и полученные рецептуры можно заключить, что на солестойкость наибольшее влияние оказывает расход перлита. Наилучшая солестойкость достигается при содержании перлита 0.5-0.6% от массы смеси. При дальнейшем увеличении доли перлита в составе солестойкость раствора снижается. Это объясняется тем, что наличие большого количества пористых частиц снижает способность композиции выдерживать внутренние напряжения, в том числе - возникающие при кристаллизации солей.
Зависимость паропроницаемости от содержания перлита в среднем линейна с небольшим возрастающим трендом, но при содержании более 0.6% возникает большой разброс значений, что может быть обусловлено как меньшим количеством исходных экспериментов в этой области, так и малой эффективностью перлита при низком содержании воздухововлекающей добавки и наоборот. Повышение массовой доли с 0.5% до 0.75% при неизменном содержании других компонентов в выведенных рецептурах увеличивает паропроницаемость ввиду повышения пористости.
Рисунок 3 - Влияние содержания пеностекла на исследуемые параметры.
Влияние пеностекла на паропроницаемость и прочность относительно невелико. Тем не менее, при заданных проектных значениях характеристик материала и взаимодействии с другими компонентами, зависимость квадратична, а оптимальное содержание - 0.25% от массы смеси. При уменьшении количества пеностекла снижается солестойкость, так как это компонент, создающий необходимый резерв пор для кристаллизации солей. Увеличение доли пеностекла, обладающего низкой прочностью, сопровождается снижением предела прочности раствора при сжатии .
Таким образом, сложно выделить один параметр, который может регулироваться за счет изменения расхода пеностекла: эффективность введения данного компонента связана с содержанием других составляющих смеси. Следует отметить, что при фиксированном количестве воздухововлекающей добавки формируемая перколяционная структура обеспечивает миграцию солевого раствора в сферические поры, что повышает солестойкость штукатурки. Вместе с тем, при содержании более 0.5%, пеностекло
вызывает резкое снижение значении данного параметра.
Рисунок 5 иллюстрирует порядок проведения сравнительных испытаний:
Рисунок 4 - Влияние содержания воздухововлекающей добавки на исследуемые параметры.
Увеличение доли воздухововлекающей добавки Ufapore TLA с 0 до 2% способно увеличить паропроницаемость в два раза. Как и в предыдущих случаях, это негативно сказывается на прочности состава. Наблюдаемое уменьшение солестойкости может быть объяснено тем, что формирование сферических пор, являющихся свободным объемом для кристаллов солей, не компенсирует падение общей прочности состава, не способного воспринимать даже низкий уровень кристаллизационного давления. Важной особенностью является то, что при содержании воздухововлекающей добавки свыше 0.12% замедляются темпы падения прочности, при этом пористость продолжает расти и, как следствие, растет способность композиции аккумулировать кристаллы солей.
Как было показано в исследовании, прочность и паропроницаемость не могут быть одновременно принимать максимальные значения, усиление одного параметра мешает повышению другого: необходимо искать компромисс. Общей закономерностью является то, что при определенном содержании пористых компонентов (0.40.6%) происходит скачок прочности, сопровождаемый ухудшением солестойкости и паропро-ницаемости. Вероятно, соли накапливаются в объеме мелких капиллярных пор, вызывая разрушение штукатурного раствора.
Результатом оптимизации штукатурного состава для защиты от солевой коррозии кирпичных стен стало определение содержания компонентов базовой рецептуры, обеспечивающего высокие эксплуатационные характеристики. В состав №84 входят: 0.75% перлита, 0.25% пеностекла и 0.2% воздухововлекающей добавки.
На следующем этапе предусмотрено проведение параллельных опытов для сравнительной оценки защитных свойств образцов раствора, изготовленных из разных штукатурных составов, например:
1. Цементно-известковая штукатурка;
2. Санирующая неоптимизированная (исходная в данном исследовании);
3. Санирующая оптимизированная (результат исследования);
4. Санирующая оптимизированная с добавлением графита марки ГЛ-1 (10% от массы смеси).
Рисунок 5 - Определение паропроницаемости электропроводной штукатурки: 1 - солевой раствор; 2 - гидроизоляция; 3 - медный электрод; 4 - алюминиевый электрод; 5 -образец 100x100x30 мм; 6 - пластмассовый контейнер; стрелками обозначено движение капиллярной влаги
Защитные свойства оцениваются визуально по наличию высолов, изменения объема солевого раствора, а также по содержанию солей в структуре раствора.
При испытании штукатурного состава с добавлением графита в образец монтируются электроды, материал которых выбирается из электрохимического ряда активности металлов. В данном случае это медь и алюминий, которые образуют гальваническую пару за счет большего электродного потенциала меди (+0.337 В). Это вызывает электроосмотическое движение влаги вдоль электропроводных цепочек графита в сторону алюминиевого стержня с потенциалом - 1.66 В. При этом обратное движение влаги обусловлено капиллярным подсосом в освободившейся части образца. Работая совместно с традиционным механизмом санирования, данный штукатурный состав формирует защитно-отделочный слой повышенной эффективности.
Литература
1. Корнеев В.И. Сухие строительные смеси (состав, свойства). - М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2010 - 320 с.
2. Возможности использования электропроводного бетона (бетэла) в гражданском строительстве / Под ред. Л.Е. Врублевского. - Новосибирск: СибЗНИИЭП, 1971 - 51 с.
3. Томаровщенко О.Н. Получение и свойства цементных токопроводящих композитов с использованием углеродных материалов и меха-ноактивированного песка: Автореф... дис. канд. техн. наук. - Белгород: БГТУ, 2017. - 20 с.
4. Федорова О.В. Создание требуемых параметров микроклимата в подклетах православных храмов регулируемым воздухообменом при осушке ограждающих конструкций электроосмосом: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М.: МГСУ, 2011. - 20 с.
х
X
о
го А с.
X
го m
о
ю 3
м о
to
О)
о
сч
fO OI
5. А.с.868345/29-14 СССР. Способ электроосмотического осушения стен, фундаментов зданий и сооружений / О.М. Фридман // Бюл. -1966. - № 15. - С. 11
6. Немецкое издание EN 998-1:2010. Растворы строительные для каменной кладки. Технические условия. Часть 1. Строительный раствор для нанесения обрызга и штукатурки. - М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2011 - 24 с.
7. Ibraeva Y., Tarasevski P., Zhuravlev A. Salt corrosion of brick walls // MATEC Web of Conferences. 2016. №106.
8. Румянцева П.С., Филаткин Д.О., Шпкулнова А.Н., Григорьев Д.С. Разработка сухой строительной смеси для санации стен подвальных помещений // Актуальные проблемы современного строительства, Санкт-Петербург, 2017: материалы. Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2017. С. 114-119.
9. Григорьев Д.С. Структурное регулирование капиллярной проводимости санирующих штука-турок // Фундаментальные исследования. -2017. - № 9-1. - С. 42-47.
Plaster composition for complex protection of brick walls
from salt corrosion Kharitonov A.M., Nikolaev V.A.
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
The article gives an account of basic issues connected with a drainage plastering drafting for cellar brick walls protection. An objective of the research is an elaboration of a plastering able to move capillary moisture out of a wall design. This material should have following performances: high void content, required compression and salt corrosion resistance. The article represents the results of mathematical modeling of the material composition: the methodology is described, the basic requirements for the design solution are presented, and the optimum ratio of components is determined. In order to establish a mathematical relationship between key factors and the properties of protective plaster composition, an experimental design method and the Python programming language were used in research using both embedded and additional libraries for analyzing and visualizing the data obtained.
Keywords: sulfate attack, drainage plastering, mortar, carbonaceous composite, vapor permeability, data analysis.
References
1. Korneev V.I. Dry building mixtures (composition, properties). -
M .: RIF "STROYMATERIALY", 2010 - 320 p.
2. The possibility of using electrically conductive concrete (betel)
in civilian construction / Ed. L.E. Wroblewski - Novosibirsk: C-BZNIIEP, 1971 - 51 p.
3. Tomarovschenko O.N. Production and properties of conduc-
tive cement composites using carbon materials and mechanically activated sand: Abstract of thesis... dis. Cand. tech. sciences. - Belgorod: BSTU, 2017. - 20 p.
4. Fedorova O.V. Creation of the required parameters of the
microclimate in the churches of Orthodox churches with adjustable air exchange when drying the enclosing structures with electro-osmosis: Abstract of thesis ... of dis. Cand. tech. sciences. - M .: MGSU, 2011. - 20 p.
5. A. c. 868345 / 29-14 USSR. Method of electroosmotic drain-
age of walls, foundations of buildings and structures / О.М. Friedman // Bull. - 1966. - № 15. - p. 11
6. German edition EN 998-1: 2010. Construction mortars for
masonry. Technical conditions. Part 1. Mortar for applying splash and plaster. - M .: Federal State Unitary Enterprise "STANDARTINFORM", 2011 - 24 p.
7. Ibraeva Y., Tarasevski P., Zhuravlev A. Salt corrosion of brick
walls // MATEC Web of Conferences. 2016. №106.
8. Rumyantseva PS, Filatkin D.O., Shpkulnova A.N., Grigoriev
D.S. Development of dry construction mixture for the rehabilitation of basement walls // Actual problems of modern construction, St. Petersburg, 2017: materials. St. Petersburg: SPSUAC, 2017. P. 114-119.
9. Grigoriev D.S. Structural regulation of capillary conductivity of
sanitizing plasters // Fundamental research. - 2017. - No. 91. - pp. 42-47.
О Ш
m x
<
m о x
X
