Каменные конструкции

По механизму протекания различают физическую, химическую и биологическую коррозии материала каменных конструкций. Вид коррозионных процессов зависит от местоположения конструктивного элемента и характера среды. Так, подземные конструкции могут подвергаться всем видам коррозии, надземные – преимущественно физической, реже – химической.

Классы среды по условиям эксплуатации при воздействии газообразных и твердых сред на конструкции из кирпича представлены, соответственно – в таблицах 5.17 и 5.18

Таблица 5.17 – Классы среды по условиям эксплуатации при воздействии на конструкции из кирпича газообразных сред

Влажностный режим помещений по ТКП 45-2.04-43	Группа газов по таблице 5.14	Класс среды по условиям эксплуатации при воздействии газообразных сред на конструкции из кирпича
Район (подрайон) влажности по СНБ 2.04.02	глиняного пластического прессования	силикатного
Сухой		В	ХА0	ХА0
Нормально-сухой		С D	ХА0 ХА0	ХА0 ХА0
Нормальный		В	ХА0	ХА0
Нормально-влажный		С D	ХА0 ХА0	ХА0 ХА1
Влажный, мокрый		В	ХА0	ХА0
Влажный		С D	ХА0 ХА0	ХА1 ХА2

Класс среды по условиям эксплуатации при воздействии жидких сред на конструкции из кирпича для растворов, содержащих хлориды, сульфаты, нитраты и другие соли и едкие щелочи в количестве свыше 10 до 15 г/л – ХА1, свыше 15 до 20 г/л – ХА2, свыше 20 г/л – ХА3.

Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты, стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены из искусственных каменных материалов с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.

Таблица 5.18 – Классы среды по условиям эксплуатации при воздействии на конструкции из кирпича твердых сред

Влажностный режим помещений по ТКП 45-2.04-43	Растворимость твердых сред в воде* и их гигроскопичность	Класс среды по условиям эксплуатации при воздействии твердых сред на конструкции из кирпича
Район (подрайон) влажности по СНБ 2.04.02	глиняного пластического прессования	силикатного
Сухой		Хорошо растворимые малогигроскопичные Хорошо растворимые гигроскопичные	ХА0 ХА0	ХА0 ХА0
Нормально-сухой
Нормальный		Хорошо растворимые малогигроскопичные Хорошо растворимые гигроскопичные	ХА0 ХА1	ХА1 ХА2
Нормально-влажный
Влажный, мокрый		Хорошо растворимые малогигроскопичные Хорошо растворимые гигроскопичные	ХА1 ХА2	ХА2 ХА2
Влажный
* Перечень наиболее распространенных растворимых солей, аэрозолей, пыли и их характеристики приведены в таблице 5.15.

В зависимости от вида связи с материалом различают химически связанную, адсорбционно связанную, капиллярную и свободную влагу. Свободная влага заполняет крупные пустоты и поры материала и удерживается в них гидростатическими силами. Эта влага легко удаляется из материала конструкции при высушивании.

Разрушение каменных материалов под воздействием влаги и отрицательных температур рассмотрены в подразделе 5.3. На долговечность каменных конструкций влияют также попеременное увлажнение и высыхание материала даже при отсутствии отрицательных температур. При высыхании конструкции влага сначала испаряется из крупных пор, а затем из более мелких пор–капилляров. В абсолютно сухом воздухе свободная, капиллярная и адсорбиционно-связанная вода в течение некоторого времени может полностью испариться из тела конструкции. При этом на конструкцию перестают действовать расклинивающие силы и, как следствие, в материале возникают значительные по величине напряжения усадки.

При увеличении относительной влажности окружающей воздушной среды материал вновь увлажняется, трещины раскрываются. Скорость разрушения каменных конструкций под действием напряжений, возникающих от усадки и набухания зависит от интенсивности увлажнения и высыхания.

Одной из причин разрушения увлажненного каменного материала является осмотическое давление в порах конструкций. В порах и капиллярах вода присутствует в виде растворов неодинаковой концентрации. В материалах каменных конструкций всегда имеются расположенные рядом поры с растворами разной концентрации, разделенные проницаемыми для воды стенками и непроницаемыми для растворенного в ней вещества. Стремясь выровнять концентрацию, влага проходит через материал, разделяющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. Если раствор, имеющий большую концентрацию, находится в замкнутом объеме, то в нем может возникнуть осмотическое давление, достигающее Па (150 кг/см²).

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 вызывают разрушение материала каменных конструкций. Повышенный конденсат возникает 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 (так называемый температурный гистерезис). Контакт воздушной среды с участками конструкций, имеющих более низкую температуру по сравнению с температурой наружного воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих участках, особенно в углах зданий.

Скорость и характер разрушений каменных конструкций, как уже отмечалось, зависят от структуры пор материала. Долговечность кирпичных стен в значительной степени определяется технологией изготовления кирпича. Например, кирпич сухого прессования имеет сеть капилляров и пор, сообщающихся между собой и открытых на поверхности. Такой материал быстро насыщается влагой, ускоряющей его физическую коррозию. Кирпич пластического прессования имеет закрытые поры, поэтому медленнее насыщается влагой. Насыщение влагой каменных материалов в естественных условиях происходит значительно быстрее, чем высыхание.

При эксплуатации зданий следует обращать внимание на состояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из материалов, имеющих разную 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 и отдает влагу плотному песчанику, имеющему мелкие поры. При этом количества влаги на границе контакта этих двух материалов достаточно для того, чтобы все поры песчаника были полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор известняка, содержит растворенные соли, которые при испарении влаги кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Значительно большие напряжения возникают в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми при замерзании в них влаги.

Аналогичные явления происходят в швах каменной кладки,если испольпользован раствор более плотного состава, чем материал кладки. В этом случае раствор в швах кладки быстро разрушается и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич по кромкам в месте примыкания к раствору, так как на нем скапливается влага, не успевающая мигрировать в раствор.

Причиной разрушения каменных конструкций является также устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок. Кирпичные стены, например, при нормальном режиме эксплуатации содержат 0,055–0,53 % влаги (по массе). Миграция происходит тем интенсивнее, чем больше перепад температур, при этом влага перемещается в сторону низких температур. Наличие плотной штукатурки приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При отрицательных температурах влага замерзает, возникают напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения из-за разности линейных температурных расширений: линейные расширения кирпичной кладки примерно в два раза меньше линейных расширений цементного раствора; для кладки из шлакобетонных камней эта разница еще больше. При этом надо иметь в виду, что температура штукатурного слоя фасада всегда выше температуры слоя кладки, находящейся под штукатуркой.

Одним из видов физической коррозии каменных конструкций является также растворение влагой и унос некоторых веществ из тела конструкций. К этому виду относится коррозия выщелачивания. Фильтрующиеся через конструкцию воды могут растворять и уносить находящийся в кладочном растворе гидрооксид кальция, снижая его прочность. На начало разрушения каменных конструкций указывают появляющиеся на поверхности конструктивного элемента белые высолы, которые свидетельствуют о том, что в материале происходит растворение солей материала и вынос их наружу в сторону более низких температур.

Следует отметить, что если наружные стены покрыты плотной штукатуркой из цементного раствора, то их воздухопроницаемость снижается в 20 раз. Коэффициент линейной усадки (набухания) материала штукатурки в 35 раз больше, чем кирпича. Кроме того, в этом случае создаются условия для интенсивного накопления влаги на границе кирпичная кладка – цементная штукатурка. Эти явления сопровождаются разрушением каменных и кирпичных кладок, при этом термическое сопротивление стен снижается.

Лучшими эксплуатационными параметрами обладают сложные (известково-песчаные) растворы, штукатурки из которых имеют коэффициент воздухопроницаемости, почти совпадающий с коэффициентом воздухопроницаемости каменных кладок, а в некоторых случаях даже больше. Это создает благоприятные условия для беспрепятственного удаления мигрирующей влаги из материала кладки. Известковый раствор устойчив при знакопеременных температурах, так как коэффициенты его линейного температурного расширения и кирпичной кладки почти совпадают.

5.6.1.1 Конструкции из силикатных материалов. Силикатные материалы представляют собой соли кремневых и поликремневых кислот, алюмосиликаты, кальциевые силикаты или чистый кремнезем с примесями других соединений.

Силикатный кирпич и изделия из силиката представляют собой гидросиликат кальция, который является продуктом автоклавной обработки материала, получаемого в результате взаимодействия извести и кремнезема:

.

При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидросиликата кальция под воздействием диоксида углерода карбонизируются. Скорость коррозии конструкций из силикатных материалов, как и других каменных конструкций, зависит от ряда факторов: химического и минералогического составов, характера их пористости (открытые или закрытые), типа структуры материала (аморфная или кристаллическая), характера агрессивной среды и концентрации химически активных веществ и др.

Присутствие в силикатных изделиях извести и углекислого кальция делает конструкции, изготовленные из силикатного кирпича и блоков, нестойкими даже против слабых водных растворов минеральных и органических кислот. Силикатные конструкции стойки по отношению к щелочным агрессивным средам. Вследствие наличия в воздухе и грунтовой воде веществ (оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной среде силикатные изделия быстро разрушаются.

Разрушение пористых силикатных конструкций при наличии сообщающихся пор происходит не только на поверхности, но и в толще материала. В замкнутых, не сообщавшихся друг с другом порах (например, в красном кирпиче пластического прессования) разрушительное влияние агрессивных сред проявляется в более ограниченном объеме, чем в открытых порах.

При кристаллической структуре материала силикатных конструкций коррозия протекает медленнее, чем при аморфной. Интенсивное разрушение силикатных материалов происходит во всех случаях, когда для изготовления конструкций применяется аморфный кремнезем. Механизм разрушения силикатных конструкций при действии на аморфный кремнезем щелочей аналогичен рассмотренному ранее.

Коррозионная стойкость конструкций из силикатного кирпичаопределяется в основном свойствами входящих в состав материала конструкций веществ, главным образом извести, обладающей невысокой стойкостью к кислым агрессивным средам. Только в разбавленных растворах щелочей силикатный кирпич достаточно устойчив.

Механизм коррозии силикатного кирпича в солевых растворах объясняется осаждением в порах материала кристаллов, которые, увеличиваясь в объеме, создают растягивающие усилия, приводящие к его разрушению.

5.6.1.2 Конструкции из минеральных строительных материалов. Минеральные материалы имеют молекулярную структуру преимущественно с ионными связями. Это обусловливает их относительно легкую реакцию с водой, вследствие чего образуются ионные растворы. Химические свойства материалов характеризуются их 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 М₀, который определяется из выражения

,

где – 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 преобладают основные оксиды, то конструкция из данного вида материала нестойка к действию кислых агрессивных сред, но в щелочных средах не разрушается.

Важной особенностью большинства минеральных материалов является их незначительная пористость, которая увеличивает капиллярный подсос и фильтрацию влаги, приводит к увлажнению материала конструкции вследствие конденсации водяных паров, а также интенсивному взаимодействию с жидкой агрессивной средой.

Керамические изделия и глиняный кирпич устойчивы к кислотам, вместе с тем обыкновенный глиняный кирпич разрушается под действием щелочей, водных растворов органических и минеральных кислот, а также многих солей. Конструкции из глиняного кирпича устойчивы в слабых кислотах и кислых газах. Из всех сортов глиняного кирпича наиболее устойчив к агрессивным средам плотный клинкерный кирпич.

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, поэтому конструкции из кирпича наиболее интенсивно подвергаются химической и физической коррозии в систематически увлажняемых местах (фундаменты, стены подвалов, стены и кирпичные перегородки влажных помещений, карнизы, сандрики и другие элементы зданий, незащищенные от попадания влаги из атмосферных осадков).

Керамическая плитка, содержащая алюмосиликаты, стойка против действия органических и минеральных кислот (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 готовят из тугоплавких и огнеупорных основных и полукислых глин высокой и средней пластичности.

Конструкции из шлакобетонных камней и материалов неустойчивы к действию кислых агрессивных сред и мало устойчивы к действию влажной среды и растворов щелочей (за исключением слабоконцентрированных). Слабоустойчивы эти конструкции к попеременному увлажнению и замораживанию.

Минеральные материалы можно условно подразделить на три группы в зависимости от поведения в агрессивных средах.

К первой группе относятся бетон и железобетон на портландцементе и его производных, растворы для кладки и штукатурки, асбестоцементные изделия, силикатный кирпич и блоки, а также природный известняк и доломит. Эти материалы содержат гидраты или карбонаты кальция и магния, имеют модуль основности больше единицы, а поэтому обладают высокой щелочестойкостью и низкой кислотостойкостью.

Ко второй группе относятся бетоны на жидком стекле с крем-нефтористым натрием, а также кислые природные каменные материалы, состоящие преимущественно из кремнезема, различных солей кремниевых и поликремневых кислот, алюмосиликатов и др. Модуль основности этих материалов меньше единицы, и они имеют высокую кислотостойкость и низкую щелочестойкость. Плотные и прочные кислые изверженные породы (кварц, гранит, диабаз, базальт и др.) отличаются высокой стойкостью не только к кислотам, но и к щелочным агрессивным средам при нормальной температуре.

К третьей группе относятся изделия из обожженной глины (кирпич, керамические плитки, трубы и т. п.), которые имеют очень высокую кислотостойкость.

5.6.1.3 Природные каменные материалы. Устойчивость природных и искусственных каменных материалов главным образом определяется модулем основности. Вместе с тем коррозийная стойкость природных каменных материалов зависит от свойств горных пород, из которых они получены. Изверженные породы отличаются высокой кислотостойкостью и щелочестойкостью. Важнейшие из них используют в строительных конструкциях: гранит, сиенит, диорит, габбро, порфиры, диабаз, базальт, андезит. Эти материалы применяют в основном в виде блоков для отделки ответственных сооружений и уникальных зданий, а также в качестве щебня для бетона, при устройстве фундаментов, стен, перекрытий и др.

Осадочные породы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Среди осадочных пород можно назвать: песчаники, состоящие из зерен кварцевого песка, сцементированного карбонатом кальция, кремнеземом, гипсом, оксидами железа, глинистыми материалами; известняки, состоящие из кальцита. Песчаники и плотные известняки используют в виде плит и фасонных деталей для облицовки стен, изготовления лестничных проступей, подоконников. Пористые известняки и известняк-ракушечник с плотностью 1500–2000 кг/м³ и прочностью на сжатие – Па применяют для наружных облицовок, а также для получения щебня.

К осадочным породам относятся также мраморовидные известняки, доломиты, гипс и травертин. Травертин применяют в основном для облицовки внутренних стен и потолков. Конструкции из известняков менее кислотостойки, если в качестве материала в них применен обычный известняк или магнезит Несколько более кислотостойки конструкции из доломитов и плотных кремнистых известняков. Гипсовый камень и ангидрид легко поддаются коррозионному разрушению под действием кислот; эти материалы растворимы в воде, поэтому их используют в элементах, эксплуатирующихся только внутри помещений.

Из метаморфических горных пород наиболее распространены в строительных конструкциях известняковые песчаники, гнейс, кварциты и мрамор. Известняковые песчаники, сцементированные оксидом кремния, или весьма кислотостойки и достаточно щелочестойки.

Железистые песчаники, скрепленные гидратированными оксидами железа, некоррозионностойки.

Мрамор применяют в качестве облицовочного материала. Он корродирует с сернистыми газами и влагой. Вначале на поверхности мрамора образуется сернистая, а затем серная кислота, превращающая мрамор (карбонат кальция) в растворимый гипсовый камень:

.

Особенность химической коррозии конструкций из природных каменных материалов заключается в том, что она зависит от химической стойкости по отношению к агрессивной среде. Агрессивная среда характеризуется модулем основности М₀, определяемым из выражения

.

Преобладание в материале конструкции диоксида кремния повышает

стойкость к действию кислот, но делает его недостаточно стойким к основным оксидам. И наоборот, если в составе материала преобладают основные оксиды, он устойчив к действию щелочей и недостаточно стоек к действию кислот (таблица 5.19).

Таблица 5.19 – Стойкость некоторых строительных материалов к агрессивным воздействиям

Материал	Модуль основности	Стойкость в среде
Природный камень, со- держащий 95–98 % Si02.	<1/4	Устойчив в кислой среде, кроме плавиковой кислоты, неустойчив к основным оксидам
Природный камень, содержащий СаО и СаС03	3/2	Неустойчив в кислой среде, устойчив в щелочной
Жидкое стекло	4-1/2	С кварцевым песком образует кислотоупорную массу, неустойчивую в щелочной среде

Естественные каменные материалы, подвергаясь длительному воздействию климатических и других природных факторов среды, в которой находится конструкция, испытывают многократное увлажнение и высыхание, замерзание и оттаивание. Величина и характер напряжений, возникающих в результате этих воздействий, аналогичны рассмотренным выше. При этом степень воздействия зависит от размера поверхности, контактирующей с материалом. Чем больше внешняя и внутренняя (поры, микротрещины, каверны) площадь поверхности и чем менее устойчив материал конструкции в данной среде, тем интенсивнее процесс коррозии.

Конструкции из карбонатных пород – известняков, доломитов и мрамора – относительно быстрее корродируют, чем силикатные материалы, так как в атмосферной среде преимущественно содержатся кислые примеси.