Есть мнение Гидрофобизация Предотвращение образования высолов на каменных конструкциях зданий и сооружений

Предотвращение образования высолов на каменных конструкциях зданий и сооружений

Кирпичная кладка в строительстве по-прежнему имеет чрезвычайно широкое распространение, что обусловлено ее высокой огнестойкостью, прочностью, устойчивостью к различным видам коррозии и, как следствие, высокой долговечностью и надежностью каменных и армокаменных конструкций. Современный рынок кладочных материалов достаточно разнообразен по виду предлагаемой продукции, и, соответственно, свойства материалов, в зависимости от их назначения, также существенно отличаются друг от друга по показателям прочности, средней плотности, водопоглощения и т.д.

Следует отметить, что большинство кладочных материалов выпускаются по новейшим технологиям и соответствуют требованиям не только российских, но и европейских норм.

Однако каменная кладка состоит не только из кирпичей или блоков, она представляет собой сложную конструкцию, и с позиции структурной механики в основе формирования ее свойств лежит взаимодействие структурных элементов — от наиболее крупных до субмикроскопических частиц/1/.

Основными элементами кирпичной кладки являются кладочные материалы и кладочные растворы. При возведении строительных конструкций зданий и сооружений из искусственных и природных каменных материалов кладочные растворы при помощи системы вертикальных и горизонтальных швов связывают между собой элементы кладки и обеспечивают единую работу конструкции. Правильный выбор кладочного раствора для производства работ является одним из важнейших условий обеспечения качества каменных конструкций. К сожалению, в России, за редким исключением, выбору кладочных растворов не уделяется должного внимания. В массовом порядке, не учитывая ни вида, ни назначения кладочных материалов, на строительных площадках применяют в лучшем случае «гарцовку», а чаще всего приготовленные непосредственно в построечных условиях строительные растворы из «дозированных» лопатой и ведрами песка, цемента и воды. В большинстве случаев результаты такого подхода к производству кладочных работ можно наблюдать на стенах зданий и сооружений в виде высолов, плесени и грибковых поражений (рис. 1). Образование контрастного белого налета, пятен или разводов существенно ухудшает эстетический облик сооружения и может привести в дальнейшем к коррозии и разрушению каменных конструкций.

Эксплуатация каменных конструкций, как правило, осуществляется в условиях воздействия атмосферных осадков, загрязнений воздушной среды, перепадов температур и образования конденсата, а в отдельных случаях и грунтовых вод, поступающих по капиллярам материалов. Наличие капиллярных пор размером 10 Нм — 100 мкр, как в кладочных материалах, так и в кладочном растворе, способствует транспортировке растворенных в воде солей по строительной конструкции. Перемещение растворимых солей представляет большую опасность для каменных конструкций. Результатом кристаллизации отдельных видов солей может стать разрушение структуры материалов, что снижает их несущую способность. Присутствие солей с высокой гигроскопичностью приводит к существенному увлажнению кладки, что в свою очередь ухудшает теплотехнические показатели ограждающих конструкций и способствует развитию плесневых и грибковых поражений. По данным Ф. Фресселя 121, вредное воздействие солей на каменные конструкции определяется их растворимостью и гигроскопичностью (табл. 1). Наиболее отрицательную роль в этом играют хлориды, карбонаты, сульфаты и нитраты, особенно соли щелочных и щелочноземельных металлов. В большинстве случаев появление высолов связано с наличием растворимых соединений в составе кладочных растворов и кладочных материалов. Например, наличие щелочей в цементе допускается ГОСТом, в составе заполнителей также может присутствовать различное количество растворимых солей. В зависимости от качества исходного сырья и технологии производства в составе кладочных материалов, как правило, также могут содержаться растворимые соединения. При затворении кладочного раствора водой свободные щелочи цемента немедленно переходят в жидкое состояние, а щелочи, связанные силикатами и алюминатами, переходят в раствор по мере гидратации цемента. При контакте с СО₂ воздуха щелочи карбонизируются, в результате чего образуются высолы, представленные карбонатами натрия и калия.

Наличие щелочей в начальный период гидратации для цементов различных производителей может колебаться в широких пределах — от 5 до 45% от их общего содержания. Другим источником образования карбонатов является портландит — продукт гидратации портландцемента, при взаимодействии которого с С0₂ воздуха образуется карбонат кальция. При взаимодействии щелочей цементов в кладочных растворах с вредными сернистыми и азотными соединениями атмосферной среды или воды за-творения соответственно образуются сульфаты и нитраты. Источниками хлоридов чаще всего являются заполнители и вода затворения кладочных растворов.

Существует ошибочное мнение, что после возведения каменных конструкций кладку можно обессолить, тем самым навсегда избавиться от риска образования высолов на поверхности. Все существующие на сегодня методы борьбы с высолами, к сожалению, дают лишь временный эффект и применимы только до определенных концентраций солей в строительных конструкциях. Например, использование различного рода смывок имеет лишь кратковременное действие, и, как правило, высолы через некоторое время вновь проявляются на поверхности. Кроме того, борьба с высолами в уже возведенных каменных конструкциях — достаточно дорогая процедура и с учетом ее временного действия существенно увеличивает расходы на ремонт и эксплуатацию зданий и сооружений. Таким образом, наиболее эффективным методом борьбы с высолами является предупреждение их образования на стадии возведения каменных конструкций.

Самыми распространенными высолами на поверхности каменных конструкций являются карбонаты, поэтому на их примере будет рассмотрен механизм образования высолов и возможные меры их предупреждения.

Как отмечалось ранее, высолы образуются в результате миграции растворенных солей через пористую структуру материала к его поверхности, где после испарения воды растворенные в ней соли осаждаются на поверхности материалов. Для кладочных растворов на основе портландцемента механизм образования СаСО_э в основном можно представить следующим образом (рис. 2). Гидроксид кальция (портландит), продукт гидратации портландцемента, растворяется в водных пленках, адсорбированных вдоль стенок пор материала, с образованием ионов Са²* и ОН-. При этом в поры материала из атмосферы диффундирует С0₂, который растворяется в тех же водных пленках, частично образуя угольную кислоту (Н₂СО_э). В результате реакции нейтрализации при взаимодействии угольной кислоты и гидроксида кальция образуется трудно растворимый СаСО_э (рис. 3), часто данную реакцию называют карбонизацией извести (гидроксида кальция). Существенное влияние на скорость образования высолов оказывают температура, влажность, концентрация в атмосфере С0₂, а также роза ветров конкретного населенного пункта. Как правило, наиболее часто высолы образуются в межсезонье, а также в регионах с переменной влажностью в течение суток, когда периодически обеспечивается быстрая миграция солей к поверхности и такое же быстрое испарение воды на поверхности конструкции.

Учитывая источники и механизм образования высолов, должны предусматриваться соответствующие методы профилактической борьбы с ними. В основу этих методов положены несколько основных направлений: это герметизация поверхностей каменных конструкций; создание условий для прекращения миграции воды к поверхности каменных конструкций; связывание гидроксида кальция (портландита) на стадии его образования при помощи активных минеральных добавок и применение в составах кладочных смесей комплексных добавок, позволяющих исключить основные предпосылки образования высолов на поверхности каменных конструкций.

Метод герметизации поверхности заключается в создании на поверхности каменных кладок водонепроницаемых покрытий. Метод достаточно эффективен, но неприменим для ограждающих конструкций зданий, кроме того, достаточно дорогостоящий.

Условия для прекращения миграции воды к поверхности каменных конструкций достигается путем объемной гидрофоби-зации кладочных растворов либо блокировкой капиллярных пор микрочастицами. Образование высолов в данном случае может быть ослаблено (или исключено на некоторый период) за счет снижения капиллярной активности при объемной гидро-фобизации или путем включения в состав кладочных растворов тонких наполнителей, например микрокремнезема, метакаолина, или ультрадисперсных карбонатных наполнителей, которые блокируют капиллярные поры.

Связывание гидроксида кальция (портландита) на стадии его образования основывается на использовании в составе кладочных растворов активных минеральных добавок, обладающих высокой пуццолановой активностью. Гидроксид кальция реагирует с пуццоланами, взятыми в избытке, тем самым, предотвращая реакцию с атмосферным диоксидом углерода. В качестве пуццолановых добавок для этих целей могут быть использованы трепел, опока, диатомит, микрокремнезем и т.д. В 2000 году был получен патент /3/ на метод предупреждения высолообразования, основанный на связывании гидроксида кальция системой смешанных вяжущих. В отличие от применения пуццолановых добавок, где основным активным веществом, вступающим в реакцию с Са(ОН)₂, является аморфный Si0₂, эффект действия данной системы достигается за счет использования в составах наряду с портландцементом алюминатных цементов и сульфатов кальция для направленного формирования минеральной структуры кладочного раствора.

Применение в составах кладочных смесей комплексных добавок, позволяющих исключить основные предпосылки образования высолов, — достаточно новый и перспективный метод. Результаты исследований, представленные в /4/, показывают высокую эффективность их применения. Оригинальность действия данных добавок основана на сочетании и совместной реализации всех основных принципов борьбы с высолами. Комплексный подход в действии добавок позволяет предотвратить образование высолов на поверхности каменных конструкций практически всех видов солей.

С целью проверки эффективности использования различных подходов для предотвращения высолов в каменных конструкциях были проведены сравнительные испытания образцов кладочных растворов. Испытания проходили по методике, основанной на постоянном увлажнении образца, начиная с начального этапа твердения. Экспериментальные составы образцов приведены в табл. 2. Образцы после изготовления 24 часа выдерживались при 20°С и влажности 55%, после чего в течение 28 суток их увлажняли при температуре 5°С, таким образом моделировали воздействие на каменную кладку атмосферных осадков при температуре, наиболее благоприятной для образования высолов. Каждые сутки проводился визуальный контроль поверхности кладочных растворов на наличие солей.

Для экспериментальных исследований были выбраны три различных подхода к предотвращению образования высолов и изготовлены пять образцов кладочного раствора:

Образец 1 — контрольный образец кладочного раствора;

Образец 2 — кладочный раствор с комплексной добавкой Elotex ERA 100;

Образец 3 — кладочный раствор с добавкой микрокремнезема;

Образец 4 — кладочный раствор с добавкой метакаолина;

Образец 5 — кладочный раствор с объемной гидрофобизацией силанами.

Количество цемента как основного источника гидратной извести (портландита) в твердеющем кладочном растворе принято постоянным для всех образцов. Введение добавок осуществлялось за счет снижения содержания кварцевого песка.

Результаты исследований (рис. 4) показали, что образование высолов на поверхности контрольного образца начинается на вторые сутки твердения и усиливается к 14-м суткам, после чего интенсивность высолообразования снижается и к 28-м суткам наступает стабилизация.

На поверхности образца с комплексной добавкой Elotex ERA 100 в течение всего срока испытаний образования высолов не наблюдалось.

Образование высолов на поверхности образцов с добавками микрокремнезема и метакаолина наблюдалось в первые и вторые сутки твердения, затем стабили зировалось на седьмые сутки твердения, однако локальное высолообразование продолжалось на образцах до 14 суток.

Незначительные высолы на поверхности образцов с объемной гидрофобизацией силанами были отмечены в начальный период твердения, но в дальнейшем на протяжении всего срока твердения высолообразование не наблюдалось.

Следует отметить, что на эффективность действия в составах растворов добавок микрокремнезема и метакаолина, вероятнее всего, оказала влияние температура воздуха, при которой проводился эксперимент. Поэтому применение добавок данного типа целесообразно при среднесуточной температуре выше 18°С. Объемная гидрофобизация силанами показала неплохие результаты, за исключением начального периода твердения, что может быть также связано с влиянием температуры на гидратацию цемента. Наиболее хороший результат получен при использовании в составе кладочного раствора комплексной добавки Elotex ERA 100. Отсутствие высолов на протяжении всего периода испытаний говорит об эффективности ее применения, в том числе и при минимальных температурах воздуха.

Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность различных методов предупреждения образования высолов на поверхности каменных конструкций. Приоритет в данном направлении следует отдавать добавкам комплексного действия, исключающим высолообразование на всех стадиях твердения кладочных растворов.