CC BY
13Силикатный кирпич в наружных стенах зданий: анализ состояния, прогноз долговечности и способы ее повышения
Д.т.н., профессор В. В. Бабков; аспирант Н. С. Самофеев*; к.т.н., доцент А. Е. Чуйкин,
ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
Ключевые слова: карбонизация структурообразующих гидросиликатных фаз; поврежденность наружных стен; продление и повышение долговечности; эксплуатационная надежность
Применение силикатного полнотелого кирпича в жилищном домостроении имеет длинную историю. Характерным примером развития этой отрасли является Республика Башкортостан.
Силикатный полнотелый кирпич как основной строительный материал начал применяться в Башкирии в начале XX века. Первое производство силикатного кирпича (по архивным материалам Уфимской губернии) относится к 1904 году, тогда как производство керамического кирпича уже к середине 1880 гг. в Башкирии реализовывалось на 9 заводах, из них 8 располагалось в Уфе. Первое производственное оборудование УКСМ (Уфимский Комбинат Строительных материалов, ныне «ОАО Башкирский кирпич») было представлено одним прессом, двумя гасильными барабанами и двумя автоклавами, обеспечивали работу известковый (пос. «Александровка») и гипсовый (пос. «Новиковка») заводы, располагавшиеся вблизи Уфы. К концу 1920-х годов жилищный фонд города насчитывал почти 10 тысяч домов: главным образом это были одноэтажные деревянные постройки. На всю Уфу приходилось всего 484 кирпичных здания, и только 41 из них имело три этажа.
Активное применение силикатного кирпича в жилищном домостроении началось после принятия в первой половине 1950-х гг. «Генерального плана реконструкции и развития г. Уфы». Жилые дома, построенные в этот период, реализовывались в основном по типовым сериям (1-447 и 1-511) в силикатном кирпиче с толщиной наружной стены 640 мм в 4-5-этажном исполнении.
В целом, развернутая в то время жилищная программа в значительной степени решила острый дефицит достаточно комфортных и пригодных для проживания жилых домов для многих жителей не только Уфы, но и в целом по СССР. Объем введенного жилого фонда в период с 1940-хх по 1970-е гг. на основе силикатного кирпича в крупных городах Республики Башкортостан оценивается в 18,3 млн. м2 общей площади, в т.ч. в Уфе примерно 6-6,5 млн.м2
Стоит отметить, что на современной территории Уфы сосредоточено более 200 крупных и средних промышленных предприятий, большая часть которых расположена в северной части города. По данным 2011 г. по количеству вредных выбросов столица республики Башкортостан занимает 9 место по России. Значительная часть жилых домов на основе силикатного полнотелого кирпича расположена в Орджоникидзевском и Октябрьском районах города и, учитывая розу ветров, находится в наиболее неблагоприятной экологической ситуации.
Очевидно, что силикатный кирпич автоклавного твердения, применяемый в массовом строительстве по типовым сериям жилых домов в Уфе, после 70 лет эксплуатации требует комплексной оценки изменения основных эксплуатационных свойств материала в конструкции наружной стены.
Исследование протекающих в структуре силикатного кирпича процессов и их последствий, а также вызывающих эти изменения причин, является актуальной задачей. Ее решение позволит более достоверно прогнозировать поведение материала кирпичных стен на основе силикатного кирпича в последующий период эксплуатации. В данной статье силикатный кирпич рассматривается в составе одной из наиболее повреждаемых частей здания - стеновой ограждающей конструкции жилого дома - в условиях длительной эксплуатации в крупном промышленном городе с развитой нефтехимической и химической промышленностью и со сложной экологической обстановкой.
В период 2006-2008 гг. специалистами кафедры «Строительные конструкции» УГНТУ в Уфе были проведены натурные визуальные обследования более 80% (около 600 объектов) 4-5-этажных жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 40-70-х гг. с фотофиксацией характерных повреждений и дефектов наружных стеновых конструкций. По результатам
обследований были выявлены основные деструктурирующие факторы [1, 2], воздействующие на силикатный кирпич в конструкциях наружных стен:
• попеременные увлажнение и осушение поверхностного слоя, вызывающие неравномерные объемные деформации набухания-усадки, обусловленные действием механизма сорбции-десорбции, а также напряжений капиллярного стягивания, приводящие к развитию внутренних напряжений и локальным структурным повреждениям, деструкции материала. Природа этих механизмов связана с замачиванием наружной стены косым дождем и действием конденсатообразования;
• процессы замораживания-оттаивания, сочетающиеся с поверхностным увлажнением, приводящие к деструкции и деградации поверхностных слоев материала;
• изменения, вызванные воздействием углекислого газа воздуха на структуру гидросиликатной связки силикальцитного материала;
• объемное глубокое замачивание стены (подкарнизной и подоконной зон), связанное с залповым попаданием влаги при нарушениях кровли и подоконных водоотливов, нарушениях общих систем водостоков. При сочетании с замораживанием и оттаиванием силикатная кладка в этих условиях подвергается массированному разрушению и вывалам.
Особое место среди механизмов разрушения силикатной кладки занимает глубокое замачивание массива кладки на большую глубину по механизму ее промачивания дефектами кровли и подоконной защиты. Совпадение такого глубокого замачивания и замораживания-оттаивания в переходные периоды года приводит к интенсивному размораживанию кладки на большую глубину. Восстановление несущей способности и ремонт кладки наружных стен в данном случае связаны с переборкой кладки и ее заменой на новый полнотелый силикатный кирпич.
Оценка состояния силикатного кирпича и кладочного раствора в конструкциях наружных стен в лабораторных и натурных условиях была проведена на образцах 40-х, 70-х и 2000-х гг. с диагностикой изменения основных физико-химических и физико-механических параметров.
Обследованиями установлено, что глубина поверхностного слоя элементов кладки, полностью деструктированного за счет попеременного замачивания - осушения в летний и замораживания-оттаивания в переходные периоды (осень - зима, зима - весна), а также карбонизации и перекристаллизационных процессов в гидросиликатных фазах структуры силикатного кирпича, на объектах 70-х годов составляет 3-4 мм, на объектах 40-хх гг. - 8-10 мм. За пределами деструктурированного слоя структура силикатного кирпича сохраняет прочность и жесткость.
Интенсивную деструкцию поверхностного слоя можно объяснить действием механизма коррозии II вида по В.М. Москвину. В данном случае в силу развития внутренних напряжений от воздействия попеременного замачивания-осушения и замораживания-оттаивания происходит частичная деструкция силикатного материала. Содержащаяся в воде углекислота (Н2СО3), проникая в структуру разуплотненного материала, образует растворимый гидрокарбонат кальция (Са(НС03)2), который, диффундируя к наружной поверхности кирпича, вымывается дождевой водой, снижает относительное содержание кальцита в этой зоне кирпича, вплоть до его полной деструкции.
Прочность на сжатие образцов силикатного кирпича лицевого слоя кирпичной кладки за пределами деструктурированного слоя наружной стены жилых домов начала 40-х - середины 50-х гг. в среднем составила 8,4 МПа, начала 60-х - середины 70-х - 10,9 МПа. С конца 40-х -начала 50-х гг. промышленное производство силикатного кирпича велось по действующему в то время ГОСТ 379-53 и для кладки наружных стен применялся лицевой кирпич марки 75, а с середины 60-х уже использовался ГОСТ 379-69, повысивший требования к облицовочному кирпичу до марки 125. Учитывая это, можно сделать вывод о применении в лицевом слое кладки на объектах 40-50-хх гг. силикатного кирпича марки около 100 (что согласуется с результатами наших испытаний изделий, взятых из наружных стен жилых домов), а на объектах 60-70-х гг -марки 125.
Предел прочности на сжатие кладочного раствора на объектах 40-х гг. постройки в среднем составил 5,6 МПа, 70-х - 7,4 МПа. На образцах силикатного кирпича 40-х гг. также было проверено сцепление кирпича с цементно-известковым раствором. Прочность раствора на отрыв составила в среднем 1.26 кгс/см2 при когезионном характере разрушения.
Рентгенофазовым и дифференциально-термическим анализом проб, взятых на глубине 25 мм от наружной поверхности силикатного кирпича 40-х и 70-х гг., установлено, что
минералогический состав материала в основном представлен (рис. 1, 2 (а, б)) а-кварцем, низкоосновными гидросиликатными структурообразующими фазами (ксонотлит (С^6Н), тоберморит (С^6Н55), гиролит (С2S3H2i5)) с соотношением (СаO/SiO2) < 1 и кальцитом (СаСО3). Минералогический состав «молодого» кирпича (производства 2010 г), взятого для сравнения, представлен (рис.1 и 2 (в)) а-кварцем, в большей степени и высокоосновными гидросиликатами (гиллебрандит фошагит (С^3Н3), афвиллит (С^2Н3)) со степенью основности
(СаО^Ю2) > 1 и в меньшей - низкоосновными гидросиликатными фазами (ксонотлит, тоберморит, гиролит), портландитом (Са(ОН)2), а также следами кальцита.
а) Шндкшпгклсий гостив СК'ШКТПННО к|[]ишчл 1940 гг.
1- а -Кваз)ц{ЙЮ3)
2- Т >""--]:мс|>] п {С, 3-..Н <0
ксошглигтаад
4- Пгролгт
5- Кальцит {СэСОз)
^41
3S.DC
1Ь. ГЬ..АЛ
1
65 .оо
1-й-
Тобермо^гт ССД-Н.,)
.1- КС0М07ЛГ7 (Св^Н!
4- '' ч'! ,,:::]|: "' -Ъ I
5- ПчюлнгСедН«)
6- Кгцгьщтт(СаССч)
бI Мин е|>л логический состав гШШк.ИНгЛп МфИН'С) 19т01Т.
1 м
1Л
7 ^ 46 ,6
24
1
1- а - Кварц (БЮ2)
Портлавдит (Са(ОН>2>
3- Гиш1ебранд1гт (СаЗН]^?) в) Шкралпггшка! состав
Афю ню гг {О'з^Н* () сжлвкагного кирттл ¡(110 гг.
Фошэпи (ОДЩ
6- Тоберморит (Св5>5Н*
7- Ксонотлит (СУШ)
8- Гиролит
9- Кальцит (СаС03) (следы)
6 2 _ Л- > ..... 1 1 |
0
15.00
70
Рисунок 1. Рентгенограммы минералогического состава силикатного кирпича (на глубине 25 мм от наружной поверхности) на 70-летнем интервале эксплуатации (а-в)
в климатических условиях Уфы
Отметим, что все образцы (40-х, 70-х, и 2010 гг), отобранные для исследования, взяты на объектах, имевших одного и того же поставщика силикатного кирпича (ОАО «Башкирский кирпич» (ранее ОАО «УКСМ»)).
При изучении минералогического состава проб силикатного кирпича по данным рентгенограмм (рис. 1) и дериватограмм (рис. 2) было отмечено, что частота и интенсивность пиков на рентгенограммах и отчетливо выражающиеся эндоэффекты на дериватограммах у кальцита (СаСО3) увеличиваются в направлении образцов более раннего возраста (70-е ^ 40-е гг.), что отражает происходящие процессы карбонизации в кирпиче (рис. 3).
Наблюдаемое количественное увеличение низкоосновных гидросиликатов и кальцита в кирпиче более «зрелого» возраста, связанное с 2-х стадийным протеканием процессов перекристаллизации высокоосновных гидросиликатов кальция под влиянием СО2 в низкоосновные (первая стадия - реакции 2.1, 3.1, 4.1, указанные в табл. 1) и далее в кальцит (вторая стадия -реакции 2.2, 3.2, 4.2, 5, 6, 7, 8), подтверждается результатами рентгенофазового и дифференциально-термического исследований проб образцов силикатного кирпича с разным сроком эксплуатации. Принципиальный характер двухстадийности подобных процессов в силикатных структурах называется также в работах [3, 5].
Расчеты, касающиеся процессов перекристаллизации основных структурообразующих фаз силикатного кирпича, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Перекристаллизация и объемные изменения в структурообразующих гидросиликатных фазах силикатного кирпича при карбонизации (по данным [3, 4])
Реакции карбонизации Исходные продукты до карбонизации Кристаллические продукты карбонизации (CaCO3) Коэффициент изменения объема
Молекулярная масса, mx Плотность, Yx, г/см3 Молекулярная масса, my Плотность, Yy, г/см3 кристаллической фазы
1 2 3 4 5 8
1 Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н2О 74,09 2,23 100,09 2,71 1,111
2.1(гиллебрандит) => (ксонотлит) 6С2БН1.17+6С02 = СбЭбН+6СаСОз+6Н 1159,8 2,64 714,96 600,54 2,69 2,71 1,11
2.2 (ксонотлит) С6в6Н+6СаСОз+6Н+6С02 => 12СаСОз+6ЭЮ2+7Н - - 1201,1 2,71 1,01
3.1 (фошагит) => (ксонотлит) 2С5ЭзН.з+4С02 = С6в6Н+4СаСОз+5Н 1029,28 2,67 714,96 400,36 2,69 2,71 1,073
3.2 (ксонотлит) С6в6Н+4СаСОз+5Н+6С02 = 10СаСОз+6ЭЮ2+6Н - - 1000,1 2,71 0,957
4.1 (афвиллит) => (ксонотлит) зСзЭ2Н.з + зС02 = С6Э6Н + зСаСОз + 8Н 1027,14 2,64 714,96 300,27 2,69 2,71 0,994
4.2 (ксонотлит) С6в6Н+зСаСОз+8Н+6С02 = 9СаСОз+6БЮ2+9Н - - 600,54 2,71 0,877
5 (ксонотлит) С6Э6Н+6С02 = 6СаСОз+63Ю2+Н 714,96 2,69 600,54 2,71 0,834
6 (риверсайдит) С5в6Нз + 5С02 = 5СаСОз + 6Si02 +Нз 694,98 2,6 500,45 2,71 0,691
7 (тоберморит) С^5Н55+5С02 = 5СаС03+6Si02+5,5Н20 739,8 2,43 500,45 2,71 0,606
8 (гиролит) С^зН25+2С02 = 2СаС03+3Si02+Н2,5 328,4 2,4 200,18 2,71 0,54
Рисунок 2. Дериватограммы проб (на глубине 25 мм от наружной поверхности) силикатного кирпича 1940-х (а), 1970-х (б) и 2010 г. (в)
а
МАТЕРИАЛЫ
Инженерно-строительный журнал, №8, 2011
Рисунок 2. Дериватограммы проб (на глубине 25 мм от наружной поверхности ) силикатного кирпича 1940-х (а), 1970-х (б) и 2010 г. (в)
В ряде работ [6, 7, 8] также отмечается, что снижение прочности облицовочного кирпича (до 15-20%) в кладке наружных стен за длительный период эксплуатации (30-40 лет) характерно для силикатного кирпича в наружном облицовочном слое. После соответствующих расчетных оценок прочностных характеристик кладок можно сделать вывод о снижении прочности стены за счет уменьшения эффективного сечения вследствие разрушения наружного слоя на 7-12 %. Состояние материалов (кирпича и кладочного раствора) более глубоких слоев кладки наружных стен зданий находится в значительно лучшем или даже в исходном состоянии, что подтверждается нашими обследованиями состояния большого количества жилых объектов на основе силикатного кирпича разного возраста.
б
в
Рисунок 3. Относительное содержание кальцита в пробах силикатного кирпича разного возраста (на глубине 25 мм от наружной поверхности стены)
Анализ результатов проведенных физико-механических и физико-химических исследований позволяет сделать вывод, о том, что наружная стена в силикатном кирпиче после 50-70 лет эксплуатации в основном сохраняет свои эксплуатационные качества с уровнем потерь несущей способности до 10-15%. Продление эксплуатационного ресурса наружной стены на основе силикатного кирпича возможно путем ее защиты гидроизоляционными материалами (штукатурные системы, гидрофобные проникающие композиции) при сочетании названных систем гидрозащиты с эффективной фасадной теплоизоляцией [9, 10].
Такие системы должны обладать необходимой паропроницаемостью и обеспечивать требования нормативов по температурно-влажностному состоянию стены за зимние месяцы и годовой период [11, 12].
Литература
1. Бабков В. В., Самофеев Н. С., Проторчин Р. В., Садыков И. М. Реализация программы комплексной санации жилых домов постройки 1950-1980 гг в Республике Башкортостан // Жилищное строительство. 2010. №4. С. 22-26.
2. Бабков В. В., Самофеев Н. С. Состояние силикатного кирпича в наружных стенах жилых домов после длительной эксплуатации // Инженерные системы. 2011. Май. С. 25-28.
3. Силаенков Е. С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. М. : Стройиздат, 1986. 176 с.
4. Бабков В. В., Мохов В. Н., Капитонов С. М., Комохов П. Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов / ГУП «Уфимский полиграфкомбинат». Уфа, 2002. 376 с.
5. Кржеминский С. А., Судина Н. К., Кройчук Л. А., Варламов В. П. Автоклавная обработка силикатных изделий. М. : Стройиздат, 1974. 160 с.
6. Песельник В. Е. Исследование поведения силикатных облицовок фасадов зданий. М. : Стройиздат, 1956. 156 с.
7. Смирнов Н. Н. Исследования в области силикатного кирпича // Труды НИИ минералогии и петрографии. 1928. Вып. 1. С. 5-17.
8. Кнатько М. В., Горшков А. С., Рымкевич П. П. Лабораторные и натурные исследования долговечности (эксплуатационного срока службы) стеновой конструкции из автоклавного газобетона с облицовочным слоем из силикатного кирпича // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 8. С. 20-26.
9. Гайсин А. М., Бабков В. В., Синицин Д. А. Теплоэффективные конструкции наружных стен в практике проектирования и строительства зданий в Республике Башкортостан, опыт эксплуатации и существующие проблемы // Строительные материалы. 2006. №5. С. 43-46.
10. Синицин Д. А., Бабков В. В. Результаты наблюдений за объектами, выполненными с применением фасадной теплоизоляции в Республике Башкортостан // Материалы X международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» при X Международной специальной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство». 2006. С. 27-29.
11. Бабков В. В., Кузнецов Д. В., Гайсин А. М., Резвов О. А., Самофеев Н. С. Проблемы эксплуатационной надежности наружных стен зданий на основе автоклавных газобетонных блоков и возможности их защиты от увлажнения // Инженерно-строительный журнал. 2010. №8. С. 28-31.
12. Савин В. К. Долговечность и эффективность зданий // Стены и фасады. 2004. № 3-4. С. 21-26.
*Никита Святославович Самофеев, г. Уфа, Россия Тел. моб.: +7(917)404-93-21; эл. почта: volvita@inbox.ru
Бабков В.В., Самофеев Н.С., Чуйкин А.Е. Силикатный кирпич в наружных стенах зданий: анализ состояния, прогноз долговечности и способы ее повышения
40
