Защита природного камня в конструкциях

 

Процесс постепенного разрушения каменных материалов в кон­струкциях зданий и сооружений можно предотвратить или затормо­зить с помощью различных конструктивных и химических методов защиты, способствующих снижению воздействия увлажнения, на­гревания, замерзания, солнечной радиации и т. п.

Конструктивные методы выражаются в устройстве гладких или полированных поверхностей материалов, не способных задержи­вать дождевые и талые воды и пропускать агрессивные среды внутрь каменного материала.

Химические меры защиты заключаются в флюатировании кам­ня, т. е. обработке его водными растворами солей кремнефтористо-водородной кислоты. Эти соли (флюаты) вступают в химиче­ские соединения с растворимыми компонентами камня с образова­нием фтористых солей Ca и Mg и кремнезема, нерастворимых в воде, которые уплотняют поверхность камня и делают ее недоступ­ной для агрессивных сред. Так, например, при обработке известня­ковых пород кремнефтористым магнием образуется кремнезем и формируются фтористые соли:

Фтористые соли, образовавшиеся при флюатировании, уплотня­ют поверхностные слои камня и повышают устойчивость его про­тив выветривания.

Химические меры обработки особенно эффективны для карбо­натных пород. Кислые породы перед флюатированием пропитыва­ют раствором известковой соли, которая впоследствии образует с флюатом защитный слой из нерастворимых в воде соединений.

Кроме флюатирования поверхность камня может обрабатывать­ся добавками оксида свинца или железистых соединений, увеличи­вающих погодоустойчивость поверхности. Для аналогичных целей могут использоваться водные растворы и эмульсии, полимерные ве­щества и водополимерные дисперсии. Так, например, для получения поверхностного уплотнения камня и гидрофобизации его поверхно­сти и пор применяют кремнийорганические соединения: метилсиликонат натрия ГКЖ-94, этилсиликонат натрия ГКЖ-10 и др., а также водный раствор мочевиноформальдегидной смолы. Известны и дру­гие способы защиты камня от выветривания и разрушения, которые продлевают эксплуатационный срок службы каменных материалов и изделий без заметных выцветов и потускнения поверхности или других следов химического выветривания.

Возникающие аморфные или кристаллические новообразования оказываются практически нерастворимыми в воде. Отлагаясь в порах камня, они уменьшают пористость и смачиваемость его поверх­ности, скорость капиллярного подсоса воды или грязи. Конструк­тивные и химические мероприятия, применяемые в совокупности, приводят к увеличению долговечности природного камня в конст­рукциях зданий и сооружений.

Б. ИСКУССТВЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

 

В отличие от природных искусственные строительные материа­лы составляют продукцию заводского производства, получаемую чаще всего с применением химической технологии. Переработке подвергают природное минеральное сырье и. разнообразные побоч­ные продукты, в том числе промышленности строительных матери­алов и изделий. В соответствии с классификацией ИСК (см. рис. 1.1) вырабатывают материалы двух типов: безобжиговые и обжиговые. Из безобжиговых целесообразно отдельно выделять группу сили­катных материалов, получаемых с помощью автоклавной техноло­гии.

 

БЕЗОБЖИГОВЫЕ ИСКУССТВЕННЫЕ КОНГЛОМЕРАТЫ

 

Безобжиговые строительные конгломераты слагаются из двух взаимосвязанных структурных элементов — вяжущего вещества, выполняющего функции цементирующего матричного компонента, и заполняющего компонента. Вяжущее вещество, в свою очередь, слагается из двух химически и физико-химически контактируемых ингредиентов — жидкой, дисперсионной среды (с,%) и твердой вы­сокодисперсной фазы (ф,%). Совместно они образуют в конгломера­те гетерогенную дисперсную систему, выполняющую, как уже отме­чено, функцию матричного вещества, а количественно выражаемого как (с+ф, %). Остающаяся часть массы до 100 %, т. е. [100 — (с+ф)], приходится на заполняющий компонент конгломерата. Она и по массе, и по объему значительно больше вяжущего вещества. Однако матрица, являясь основой конгломерата, обусловливает его важней­шие свойства и, как правило, его наименование, а именно: ИСК на основе неорганических вяжущих веществ; ИСК на основе органиче­ских вяжущих веществ; ИСК на основе полимерных связующих ве­ществ; ИСК на основе комплексных вяжущих веществ. В этой после­довательности они и рассматриваются.

Глава 9

 

Строительные конгломераты на основе неорганических вяжущих веществ

 

К этой важнейшей для строительства группы ИСК относятся бе­тоны разной плотности, железобетон, строительный раствор, гипсо­вые и гипсобетонные изделия, изделия на основе магнезиальных вяжущих веществ, асбестоцементные и силикатные изделия авто­клавного твердения. В каждом из них имеется своя матричная часть и свой заполняющий компонент. Но несмотря на своеобразие каж­дого ИСК на них при оптимальных структурах распространяются общие объективные закономерности.

 

ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ КАК МАТРИЧНАЯ ЧАСТЬ В КОНГЛОМЕРАТАХ И ИСХОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

 

Матричная часть как гетерогенная дисперсная система в безоб­жиговых конгломератах образуется из жидкой дисперсионной сре­ды, в качестве которой наибольшим применением пользуются вода и некоторые водные растворы, и дисперсной фазы — высокотонко­го помола минерального вещества как разновидности неорганиче­ских вяжущих материалов.

ВОДА И ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ

 

Главнейшим ингредиентом безобжиговых ИСК на основе неор­ганических вяжущих веществ является вода. В начальной стадии технологического процесса при изготовлении конгломератной сме­си она выполняет функцию пластифицирующего компонента, но по мере уплотнения и формования смеси и конгломерата с ее активней­шим участием проходит структурообразование. Этот природный минерал (см. 8.2), находясь в жидком состоянии, принимает различ­ный характер связи с вяжущим веществом, использованным в искус­ственном конгломерате. Подобно тому как вода в земной коре име­ет три основных типа связи с другими породообразующими минералами — конституционную, кристаллизационную и адсорбци­онную, в искусственных конгломератах она также только частично остается в свободном состоянии. В большей мере она внедряется в кристаллические решетки новых формирующихся фаз, входит в но­вые химические соединения и гелеобразования. В конгломератных смесях и отформованных из них изделиях вода продолжает оста­ваться активной дисперсионной средой. В ней, как жидкой среде, протекают растворение, диссоциация, коагуляция, пептизация, седиментация и другие физико-химические процессы, характерные для стадий диспергирования и конденсации отвердевающих систем (см. 2.2.5). Вода может входить в межплоскостные емкости и задер­живаться в них, что особенно характерно для силикатов со слоистой структурой. Она может проникать в поры и различного рода пусто­ты, в том числе ультрамикроскопические, удерживаясь более проч­но' чем вода адсорбционная. Вода подвержена электролитической диссоциации (точнее, электролитической ионизации) в соответствии с уравнением 2Н₂О = OH₃⁺ + OH^- и распадом ее молекул на ионы H¹⁺ и OH^1- с появлением в ней нестойких ионов оксония H₃O¹⁺. В результате непрерывно изменяется активность водной среды по отношению к твердой дисперсной фазе, особенно к минеральному вяжущему веществу. Вода становится раствором электролитов и поэтому ее свойства изменяются пропорционально молекулярной концентрации растворенного вещества. Кроме того, вода реагирует на изменение внешних условий (температуры, давления, магнитных электрических полей и др.), под влиянием которых она изменяет |вои первоначальные свойства. Нередко в смеси дополнительно вносятся соли как истинные или потенциальные электролиты, что также благоприятствует повышению активности водного раствора по мере увеличения степени их диссоциации. Вносимая соль (иногда кислота) имеет функциональное назначение — повысить активность к растворению вяжущих веществ и к химической реакции с ними — гидролизу и гидратации с кристаллизацией гидратных новообразо­ваний.

Активизация воды с повышением ее энтропии может осуществ­ляться не только введением определенных доз электролитов. Другие методы, подобно солям, могут влиять на структуру воды с внесени­ем в нее новых ионов, образованием дополнительных мономерных молекул за счет разрыва водородных связей и т. п. В частности, к таким методам могут быть отнесены: обработка воды электриче­ским током строго дозированной величины (из научных работ В.М. Рудакова); магнитная обработка воды; облучение рентгенов­скими лучами с образованием свободного гидроксила OH и водо­родного атома H (не ионов!) по реакции Н₂О = Н + ОН; использо­вание радиоактивных изотопов и др.

Учитывая переменные внутренние и внешние условия, в которых выполняет свои функции вода как компонент конгломератной сме­си, можно отметить, что только в самый начальный момент вода в системе остается нейтральной. Затем она становится водным рас­твором. И тем не менее к воде всегда предъявляются определенные технические требования (ГОСТ 23732-79), которых строго придер­живаются в производстве бетонов, строительных растворов и дру­гих ИСК.

Вода не должна содержать примеси, препятствующие протека­нию химических и физико-химических процессов, в которых она принимает непосредственное участие как активный компонент кон­гломератной (чаще всего бетонной) смеси. К таким примесям отно­сятся: органические вещества и среди них — сахар и другие углево­ды, фенолы, нефтепродукты, масла, жиры и др.; взвешенные частицы глины, пыли, гумуса и т. п.; растворимые соли кислот, су­льфат-ионы, хлор-ионы, другие растворимые вещества. В природ­ной воде допускается не более 5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более 2700 мг/л (в пересчете на SO₃). Не допуска­ется применять болотную и сточную (бытовую и промышленную) воду без ее предварительной очистки и последующего тщательного контроля, а также морскую воду в целях предотвращения коррозии металла арматуры и образования цементных «бацилл».

Наиболее полно техническим требованиям удовлетворяет вода питьевая (водопроводная) и речная. Однако если река судоходная, то не рекомендуется использовать воду верхних горизонтов. Одним из положительных показателей качества воды служит водородный показатель pH, который, как известно, характеризует концентра­цию (активность) ионов гидроксония (для простоты их обычно на­зывают ионами водорода). Он численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации (активности) ионов гидро­ксония (OH₃⁺), выраженной в моль/л, т. е. pH = -lg(OH₃). Водород­ный показатель pH для воды, используемой в составе бетона, а так­же для поливки уложенного бетона в сухое время года, должен быть в пределах от 4 до 12,5. Это соответствует воде, дающей слабокис­лую либо слабощелочную реакции, либо самое лучшее, нейтраль­ную реакцию (pH = 7). Для измерения водородного показателя на практике используют прецизионные инструменты — pH-метры.