Одной из причин разрушения увлажненного каменного материала является осмотическое давление в порах конструкций. Концентрация слабых растворов, образуемых водой, в разных порах и капиллярах неодинакова. В материалах каменных конструкций поры с растворами различной концентрации граничат друг с другом, причем их разделяют стенки, проницаемые для воды и непроницаемые для растворенного в ней вещества.
Растворы в порах стремятся выровнять концентрацию, и в процессе этого явления влага проходит через материал, разделяющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. При этом, если раствор, имеющий большую концентрацию, находится в замкнутом объеме, в нем может возникнуть осмотическое давление, достигающее 1,5х107 Па (150 кгс/см2).
В воде, присутствующей в порах и капиллярах каменных конструкций, в растворенном состоянии содержатся различные вещества, составляющие материал конструкции. Наличие в ней гидроксидов кальция, натрия, калия и других металлов обусловливает ее высокую щелочность (рН =12–13).
Таким образом, интенсивность коррозии каменных конструкций зависит от структуры материала, степени и вида его увлажнения, а также от химического состава водной среды. Так, дождевая вода смывает со стен адсорбированные частицы и различные агрессивные вещества. Влага – конденсат – вступает с такими веществами во взаимодействие, образуя растворы кислот и щелочей, которые способствуют разрушению материала каменных конструкций по типу химической коррозии. Усиленный конденсат влаги образуется весной или осенью, когда температура наружного воздуха имеет знакопеременные значения. В этот период температура каменных наружных конструкций изменяется с некоторым отставанием от суточной температуры наружного воздуха. Разница между температурой воздуха и температурой ограждающих конструкций называется температурным гистерезисом. Контакт воздушной среды с участками конструкций, имеющими более низкую температуру по сравнению с температурой наружного воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих элементах, особенно в углах зданий.
При эксплуатации зданий следует обращать внимание на состояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из каменных, бетонных или железобетонных материалов, имеющих различную плотность. Так, в конструкциях из песчаника и известняка в месте их контакта наблюдается ускоренное разрушение песчаника. Объясняется это тем, что известняк, как материал с более крупными порами, быстрее впитывает влагу, чем плотный песчаник, имеющий мелкие поры. Затем крупнопористый материал отдает влагу мелкопористому. При этом на границе контакта известняка и песчаника она содержится в количестве, достаточном для того, чтобы все поры песчаника были полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор известняка, содержит растворенные соли, которые при ее испарении кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Значительно большие напряжения возникают при замерзании влаги в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми.
Аналогичные явления происходят в швах каменной кладки в том случае, если раствор имеет более плотный состав, чем материал кладки. В этих условиях раствор в швах кладки быстро разрушается и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич по кромкам в месте примыкания к раствору, так как на этом участке скапливается влага, которая не мигрировала в раствор.
Причиной разрушения каменных конструкций является также устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок. Например, кирпичные стены при нормальном режиме эксплуатации содержат 0,05–0,53% влаги (по массе). Чем больше перепад температур, тем интенсивнее происходит ее перемещение в стенах (миграция), при этом влага движется в сторону низких температур. Наличие плотной штукатурки со стороны фасада приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При отрицательных температурах она замерзает, и возникают напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения по причине разности линейных температурных расширений: данный показатель кирпичной кладки примерно в два раза меньше, чем аналогичный цементного раствора, а при кладке из шлакобетонных камней эта разница еще больше. При этом следует учитывать, что температура штукатурного слоя фасада всегда выше, чем температура слоя кладки, находящейся под штукатуркой.
Одним из видов физической коррозии конструкций является коррозия выщелачивания. Фильтрующиеся через конструкцию воды могут растворять и уносить содержащийся в ее материале гидроксид кальция, снижая прочность материала. Разрушение каменных конструкций обусловлено также явлениями увлажнения, которое приводит к набуханию материала. Изменение линейных размеров отдельных компонентов конструкции неодинаково и зависит от вида материала. Лучшими эксплуатационными параметрами обладают известковопесчаные растворы, штукатурки из которых имеют коэффициент воздухопроницаемости, почти равный данному показателю каменных кладок, а в некоторых случаях даже превосходящий его. Таким образом, создаются благоприятные условия для беспрепятственного удаления мигрирующей влаги из материала кладки. Известковый раствор устойчив при знакопеременных температурах, так как его коэффициент линейного температурного расширения и аналогичный показатель кирпичной кладки почти совпадают.
Вследствие износа каменные конструкции теряют стойкость к воздействию знакопеременных температур, к тому же происходит интенсивная фильтрация пресной влаги через тело материала конструктивных элементов. Если скорость фильтрации соизмерима со скоростью испарения влаги с поверхности конструкции, то в поверхностном слое может образоваться карбонатная пленка в виде плотной корки. Накопление малорастворимых веществ у наружной поверхности происходит в результате растворения и уменьшения их во внутренних слоях. Первые два наружных слоя образуются в результате адсорбции солей и их диффузии. На начало разрушения каменных конструкций указывают появляющиеся на поверхности конструктивного элемента белые высолы. Они свидетельствуют о том, что в материале происходит растворение солей материала и их вынос наружу в направлении миграции растворов более низких температур. Во многих случаях при отсутствии постоянного увлажнения карбонатная корка СаСО3 выполняет функцию защиты каменных конструкций. Опасны для каменных и бетонных конструкций воды, содержащие химически активные вещества.
Все минеральные материалы отличаются от металлов строением составляющих их веществ. Они имеют молекулярную структуру преимущественно с ионными связями – это обусловливает их относительно легкую реакцию с водой, вследствие чего образуются ионные растворы. Кроме того, материалы характеризуются способностью к химическим превращениям под влиянием вещества, с которым данный материал находится в контакте.
Стойкость неорганических материалов в кислых и щелочных средах характеризуется модулем основности, который определяется по выражению:
М = [СаО + MgO + Na2O (К2 О)]/(SiO2 + Al2 О3), где СаО, MgO, Na2O, К2 О, SiO2, Аl2 О3 – содержание оксидов металлов в составе данного материала,%.
Если преобладает диоксид кремния (кремнезем), то материал стоек по отношению к кислотам, но взаимодействует с основными оксидами. Если же преобладают основные оксиды, то конструкция из материала данного вида не имеет стойкости к воздействию кислых агрессивных сред, однако в щелочных средах не разрушается.
Особенностью большинства минеральных материалов является их незначительная пористость, которая способствует капиллярному подсосу и фильтрации влаги. Кроме того, происходит увлажнение материала конструкции вследствие конденсации водяных паров, а также его интенсивное взаимодействие с жидкой агрессивной средой. Минеральные материалы можно условно разделить на три группы в зависимости от поведения в агрессивных средах.
К первой группе относятся следующие материалы:
- бетон и железобетон на портландцементе и его производных;
- растворы для кладки и штукатурки;
- асбестоцементные изделия;
- силикатный кирпич и блоки;
- природный известняк и доломит.
Перечисленные изделия содержат гидраты или карбонаты кальция и магния, имеют модуль основности больше единицы, а поэтому обладают высокой щелоче- и низкой кислотостойкостью.
Вторая группа включает следующие материалы:
- бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием;
- кислые природные каменные материалы, состоящие пpеимущественно из кремнезема, различных солей кремниевых и поликремниевых кислот, алюмосиликатов.
Модуль основности данных материалов меньше единицы, и они имеют высокую кислото- и низкую щелочестойкость. Плотные и прочные кислые изверженные породы (кварц, гранит, диабаз, бaзaльт) при нормальной температуре показывают высокую стойкость не только к кислотам, но и к щелочным агрессивным средам за счет высокой плотности материала.
К третьей группе относятся изделия из обожженной глины (кирпич, керамические плитки, трубы), которые имеют очень высокую кислотостойкость.
Силикатные материалы представляют собой соли кремниевых и поликремниевых кислот, алюмосиликаты, кальциевые силикаты или чистый кремнезем с примесями других соединений. Скорость коррозии конструкций из силикатных материалов, как и других каменных, зависит от ряда факторов: химического и минералогического составов, характера пористости материалов (открытые или закрытые), типа структуры (аморфная или кристаллическая), характера агрессивной среды и концентрации химически активных веществ.
Влияние пористости материалов на скорость коррозии конструкций определяется скоростью подвода агрессивной среды к месту ее контакта с материалом. Разрушение пористых силикатных конструкций при наличии сообщающихся пор происходит не только на поверхности, но и в толще материала. В замкнутых, не сообщающихся друг с другом порах (например, в красном кирпиче мокрого прессования) разрушительное влияние агрессивных сред проявляется в более ограниченном масштабе, чем в открытых порах.
При кристаллической структуре материала силикатных конструкций коррозия протекает медленнее, чем при аморфной. Интенсивное разрушение силикатных материалов характерно для всех случаев, когда для изготовления конструкций применяется аморфный кремнезем.
Силикатный кирпич и изделия из силиката представляют собой гидросиликат кальция, который является продуктом автоклавной обработки материала, получаемого в результате взаимодействия извести и кремнезема:
Ca (OH)2+SiO2 CaO•SiO2•H2O.
При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидросиликата кальция под воздействием воздуха (диоксида углерода) карбонизируются. По причине содержания в силикатных изделиях извести и углекислого кальция конструкции, изготовленные из силикатного кирпича и блоков, нестойки даже к воздействию слабых водных растворов минеральных и органических кислот. Силикатные конструкции устойчивы к щелочным агрессивным средам. Благодаря наличию в воздухе и грунтовой воде веществ (оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной среде силикатные изделия быстро разрушаются.
Керамические изделия и глиняный кирпич устойчивы к кислотам, однако обыкновенный глиняный кирпич не имеет стойкости к водным растворам щелочей. Кирпичные стены часто разрушаются под действием кристаллогидратов, образующихся в материале стен из раствора солей, особенно сульфатов натрия и магния.
Разрушение кирпичных стен может происходить при периодическом увлажнении и высыхании, причем химическая и физическая коррозия конструкций из кирпича (фундаменты, стены подвалов, стены и кирпичные перегородки влажных помещений, карнизы, сандрики и другие элементы зданий, не защищенные от попадания влаги из атмосферных осадков) в систематически увлажняемых местах происходит с высокой интенсивностью.
Керамическая плитка, содержащая алюмосиликаты, имеет стойкость к органическим и минеральным кислотам (кроме плавиковой). Хорошей щелочестойкостью отличаются плитки с плотным, хорошо обожженным черепком. Для придания керамическим изделиям устойчивости по отношению к агрессивным средам их изготовляют с добавкой соответствующих материалов. Например, кислотоупорные изделия производят из тугоплавких и огнеупорных основных и полукислых глин высокой и средней пластичности.
По материалам доклада С.Д.Сокова, профессора МГСУ
