Санирующие сухие смеси: требования к материалу и особенности подбора состава

РЕФЕРАТ. В статье рассмотрен механизм предотвращения солевой коррозии кирпичных кладок за счет использования санирующих штукатурок и рассмотрены результаты проведенного методом планирования эксперимента исследования влияния пористых заполнителей различной природы (перлита и пеностекла) на эффективность защитных составов. Выявленные закономерности и предложенные методы оценки санирующих растворов могут быть использованы для подбора составов высокоэффективных сухих смесей для защиты каменных конструкций.

Ключевые слова: солевая коррозия кирпичной кладки, санирующая штукатурка, капиллярное всасывание, пористые заполнители.

Keywords: salt corrosion of brickwork, sanitizing plaster, capillary suction, porous aggregates.

При длительной эксплуатации каменные конструкции подвержены деструктивным изменениям, одной из причин которых является солевая коррозия, развивающаяся по мере насыщения засоленной кладки водой, как правило, вследствие нарушения проектных требований по водоотведению.

Развитие солевой коррозии представ­ляет собой деструкцию капиллярно-пористых материалов (прежде всего керамического кирпича) за счет возникновения кристаллизационного давления в локальном объеме порового пространства при накоплении в нем кристаллов солей. Кроме того, вследствие миграции солевых растворов к поверхности испарения происходят вынос и отложение солей в контактной зоне между основанием и отделочными материалами, что снижает адгезионную прочность. Скопление солей приводит к повышению гигроскопичности поверхностного слоя конструкции и увеличению риска разрушения материала вследствие циклических температурно-влажностных деформаций [1].

Одним из способов, позволяющих предот­вратить развитие солевой коррозии в каменных конструкциях, является применение санирующих штукатурок. Такие материалы характеризуются многокомпонентным составом и, как правило, производятся по технологии сухих строительных смесей. В качестве основных эксплуатационных свойств подобных штукатурных растворов принято рассматривать высокие показатели пористости и паропроницаемости при ограниченной капиллярной проводимости. Благодаря им зоны испарения перемещаются из кирпичной кладки в слой штукатурки, обладающей достаточным объемом пор, чтобы нивелировать негативное влияние физических и химических процессов кристаллизации солей [2—4].

На рынке строительных материалов в настоящее время представлено достаточно большое разнообразие санирующих смесей от различных производителей (как отечественных, так и зарубежных). Сравнение декларируемых характеристик указывает на существенные различия материалов, что объясняется отсутствием нормированных требований и стандартных методов оценки прямой эффективности составов. Более того, не сформулированы теоретические принципы подбора защитных составов исходя из механизма санации, а рациональные области их применения требуют научного обоснования.

Эффективность санирующих штукатурок определяется главным образом их способностью поглощать водные растворы солей из кладки. В условиях высокой паропроницае­мости раствора опережающий темп испарения капиллярной жидкости, поступающей в штукатурный слой, должен предотвратить ее выход на лицевую поверхности отделки. В этой связи на первое место для направленного формирования эффективных структуры и свойств защитного материала выходит оценка его порового пространства. Следует учитывать, что работа санирующей штукатурки неразрывно связана с кладкой, имеющей собственную систему капиллярных пор, которые определяют миграцию влаги в целом и ее способность переходить в прилегающие слои материалов. Таким образом, принципы разработки составов защитных смесей должны базироваться на закономерностях транспортировки солевых растворов из капиллярной системы каменной кладки (кирпича) в санирующий слой.

Керамические материалы обладают мелкопористой структурой, отличающейся высокой капиллярной активностью. Размеры пор в керамическом черепке оцениваются в 10— 7—10— 4 м [4, 5]. В этом интервале размеров наиболее отчетливо проявляется действие капиллярных сил, что способствует поглощению воды и, как следствие, ее дальнейшей миграции в теле кирпича. При изучении структуры керамического черепка полнотелого исторического кирпича с использова­нием электронного сканирующего микроскопа выявлены поры размерами 10—6—3 ∙ 10—6 м (рис. 1).


Рис. 1. Структура керамического кирпича (полнотелого плас­тического формования)

Известно, что процесс впитывания зависит от плотности жидкости, размеров капилляра, а также от того, каким способом жидкость проникает в него. При постоянном контакте жидкости с пористым материалом ее поглощение и перенос осуществляются по макрокапиллярам. Если приток жидкости не постоянен, то, как правило, она движется по микрокапиллярам.

Перемещение жидкости в структуре материала характеризуется капиллярным потенциалом φk [6], который рассчитывается по формуле


где σ — ​коэффициент поверхностного натяжения жидкости, ρж — ​плотность жидкости,  — ​средний радиус кривизны поверхности жидкости.

Упомянутый радиус определяется по формуле


где r — ​радиус капилляра, φ — ​краевой угол смачивания на границе раздела фаз.

Жидкость движется по капилляру в направлении понижения капиллярного потенциала.

Солевые растворы представляют собой смачивающие жидкости, поскольку φ < 90°, а кривизна поверхности мениска отрицательна. Поэтому капиллярный потенциал снижается с уменьшением радиуса капилляра, и солевые растворы самопроизвольно будут перемещаться в сторону меньшего сечения.

Вместе с тем концентрация водных растворов солей в кладке может варьироваться. Это сказывается на изменении краевого угла смачивания жидкости и на направлении движения раствора в капиллярно-порис­той структуре материалов. Эмпирически подтверж­дено, что с ростом концентрации солевого раствора краевой угол смачивания уменьшается. Зависимость cos φ от концентрации водного раствора Na2SO4 показана на рис. 2.


Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания φ от концентрации водного раствора Na2SO4

В соответствии с формулой (1) можно утверж­дать, что по мере увеличения концентрации раствора уменьшается радиус капилляра, обеспечивающий устойчивое перемещение жидкости.

Следовательно, чтобы обеспечить надежный перенос жидкостей из кирпичной кладки в штукатурку, высокую паропроницаемость, свободное пространство для кристаллизации солей, а также ограничить скорость капиллярного всасывания, необходим достаточный объем как более мелких, так и более крупных капилляров в структуре санирующей системы по сравнению с поровым пространством керамического кирпича.

Достигать требуемых параметров структуры пор защитного раствора представляется наиболее целесообразным за счет введения в состав смеси легких заполнителей, содержащих капилляры необходимого размера. Исходя из этого было исследовано влияние пористых заполнителей на формирование структуры и свойств санирующей штукатурки.

За основу взята цементно-известковая штукатурная система с кварцево-полевошпатовым песком в качестве заполнителя и наполнителем в виде микрокальцита марки КМ‑100. Данный состав по прочности совмес­тим с керамическим кирпичом, он отличается хорошей технологичностью, а также универсальностью применения. Контрольный состав цементно-известковой смеси представлен в табл. 1.


В качестве пористых заполнителей исследовались перлитовый песок марки М75 Апрелевского завода теплоизделий и гранулированное пеностекло фракции 0,1—4 мм производства Рыбинского завода строительных технологий. Выбор этих заполнителей обуслов­лен их широкой доступностью.

На рис. 3 и 4 представлены фотографии структуры легких заполнителей, выполненные с использованием сканирующего электронного микроскопа. Визуально определено, что размеры поры пеностекла — ​более 3 ∙ 10—6 м, а перлита — ​менее 3 ∙ 10—6 м.


Рис. 3. Структура пеностекла


Рис. 4. Структура вспученного перлита

Таким образом, принимая во внимание размеры пор керамического кирпича, можно предположить, что выбранные пористые компоненты соответствуют условию формирования эффективной структуры санирующей штукатурки: совместный диапазон размеров пор в заполнителях шире, чем у керамического кирпича. Перенос высококонцентрированных солевых растворов из кладки в штукатурку должен обеспечиваться за счет перлита. Процессы испарения влаги и переноса менее концентрированных растворов будут обеспечиваться за счет более крупнопористой структуры пеностекла и цементного камня, размеры капиллярных пор которого — от 10—8 до 10—4 м [7].

Экспериментальная иллюстрация высказанного выше предположения о влиянии заполнителей осуществлялась на основе двухфакторного трехуровневого эксперимента, план которого представлен в табл. 2.


Переменными факторами приняты расходы перлита и пеностекла в процентах объе­ма песка. Легкие заполнители вводились в состав смеси с заменой соответствующего объе­ма кварцево-полевошпатового песка.

В качестве функций отклика рассматривались прочность при сжатии, плотность и капиллярное водопоглощение раствора.

Капиллярное поглощение определяли по методике, изложенной в ГОСТ 58277, на образцах размерами 10 × 10 × 3 см, с применением трубок Карстена [8] и водного раствора NaCl. Схема проведения испытаний представлена на рис. 5.


Рис. 5. Схема испытательной установки для определения капиллярного водопоглощения

Капиллярное поглощение рассчитывали по формуле


где V2 и V1 — ​объемы жидкости, поглощенной образцом в течение 90 и 15 мин после начала испытания соответственно, л; К — ​коэффициент капиллярного поглощения, равный 235,65 1/(м2 · мин0,5).

На основании полученных результатов построены регрессионные зависимости влияния пористых заполнителей на формирование свойств санирующей штукатурки. 

На рис. 6 и 7 представлены графические данные о влиянии исследованных легких заполнителей на плотность и прочность раствора. В выбранном диапазоне расхода перлита с рос­том его содержания плотность и прочность раствора несколько повышаются. Обусловлено это высокой водопотребностью перлита, которая способствует уменьшению истинного водоцементного отношения (В/Ц) в твердеющей сис­теме. При небольшом расходе легкого заполнителя, с точки зрения повышения плотности (и прочности) раствора, фактор снижения В/Ц превалирует над уменьшением доли плотного заполнителя в объеме материала.


Рис. 6. Зависимость плотности раствора от расхода легких заполнителей


Рис. 7. Зависимость прочности раствора от расхода легких заполнителей

Увеличение содержания зерен пеностекла в смеси приводит к закономерному снижению и плотности, и прочности раствора. Даже при введении 10 % пеностекла существенно снижается доля плотного заполнителя в системе, а также возрастает неоднородность структуры материала с формированием множественных центров концентрации напряжений.

Показатели плотности и прочности позволяют косвенно оценить изменение структуры материала за счет использования пористых заполнителей, но недостаточны для определения эффективности защитных свойств санирующих систем. Чтобы оценить ее, необходимо проанализировать изменение свойств раствора, связанных с поглощением и транс­портировкой водных растворов солей. С этой целью исследовали капиллярное поглощение водного раствора NaCl 5 %-ной концентрации.

Данные о влиянии перлита и пеностек­ла на капиллярное поглощение приведены на рис. 8. В принятом диапазоне расхода перлита оно практически не изменяется по сравнению с контрольным составом. Вероятно, это свидетельствует о недостаточном объеме перлита в составе смеси для увеличения капиллярного поглощения штукатурки.


Рис. 8. Зависимость капиллярного поглощения раствора от расхода легких заполнителей

По мере увеличения расхода пеностекла такое поглощение снижается, достигая минимального значения при максимальном содержании в составе материала этого легкого заполнителя. То есть, как и предполагалось, более крупнопористая структура, создаваемая за счет введения пеностекла, ограничивает перемещение растворов солей в штукатурный состав.

Заключение 

Обобщая полученные результаты, можно заключить, что среди параметров, характеризующих эффективность санирующих свойств штукатурной системы, наиболее значим показатель капиллярного поглощения, поскольку именно он определяет главную способность штукатурного раствора — поглощать влагу из кирпичной кладки. 

Исследованные в работе диапазоны расходов пористых заполнителей не охватывают значения, позволяющие достичь оптимального капиллярного поглощения, но полученные зависимости наглядно иллюстрируют необходимость создания тонкокапиллярной системы в санирующем слое для обеспечения вывода в него солей из кирпичной кладки. Крупнопористые заполнители позволяют эффективно ограничивать капиллярный массоперенос, что важно для предотвращения высолообразования на лицевом слое отделки. 

Отметим, что использованный в работе метод оценки поглощения не в полной мере моделирует реальный процесс массопереноса, так как в большей степени интерес представляет перемещение жидкости из капиллярной системы одного материала в систему другого материала. Это требует дальнейшего совершенствования методов испытания ключевых свойств санирующих штукатурок.



ЛИТЕРАТУРА

1. Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ, 1998. 324 с.

2. Ройль Х. Руководство по защите и санированию строительных сооружений: причины повреждений, методы диагностики, возможности санирования. СПб.: РИА «Квинтет», 2013. 372 с.

3. Харитонов А.М., Беленцов Ю.А., Тихонов Ю.М. Штукатурные системы для комплексной защиты засоленных кладок // Тез. докл. междунар. науч. конф. «Современные материалы и передовые производственные технологии». СПб.: ФГАОУВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». 2019. С. 41—42.

4. Фрессель Ф. Ремонт влажных и поврежденных солями строи­тельных сооружений. М.: ООО «Пэйнт-Медиа», 2006. 320 с.

5. Massari G., Massari I. Damp buildings, old and new. ICCROM, Architecture, 1993. 305 p.

6. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. Л.: Химия, 1977. 592 с.

7. Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Киев: Оранта, 2004. 301 с.

8. Закоршменный А.И. Сравнение результатов водонепроницаемости бетона подземных сооружений в натурных усло­виях, получаемых с использованием прямых и косвенных методов испытаний // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № 4. С. 282—294.




Автор: А.М. Харитонов, М.В. Ступак, Т.А. Иванова

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.