Физико-химические основы

1. 1. Воздействие солей на кирпич

Капиллярно-пористая структура строительных материалов, обусловленная их природой, структурой и старением, создает известные предпосылки для разрушения.

Причинами природных и техногенных разрушений кирпичной кладки являются:

1. Замораживание – размораживание материала в условиях перепада температур;

1. Действие грунтовых вод;
2. Засоленность сырьевых материалов – глины и песка.

Высокоразвитая сеть капилляров и пор способствует транспорту воды в стенах сооружения за счет физических причин - так называемого капиллярного подъема. Чем меньше диаметр капилляра, тем больше давление воды и выше уровень подсоса.

Глинистые грунты, способствующие высокому уровню залегания грунтовых вод, скопления талых и дождевых вод, отсутствие эффективных дренажных и гидроизоляционных систем создают условия для капиллярного движения грунтовых и атмосферных вод.

Грунтовые воды представляют собой растворы разнообразных солей. Это гидрокарбонаты кальция и магния, обусловливающие так называемую временную или карбонатную жесткость воды; хлориды и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов – соли постоянной жесткости.

Концентрации солей в природной воде переменны и сильно зависят от специфики региона или местности, интенсивности промышленных и коммунальных сбросов, наличия сельскохозяйственных угодий с массовым применением минеральных удобрений и пр.

Засоленность грунтовых вод, как природного, так и техногенного характера приводит к повышению содержания солей в глиняных и песчаных карьерах. Современный кирпич после обжига не имеет высолов на поверхности, но в условиях атмосферной влажности покрывается разводами солей, где преимущественное место занимают водорастворимые и гигроскопичные сульфаты и хлориды натрия, кальция и магния.

Указанные соли в силу особенностей строения катиона являются агрессивными по отношению к строительным материалам и кирпичу, в частности.

Магний, кальций и натрий имеют малые размеры ионных радиусов – табл. 1, поэтому легко притягивают значительные количества дипольных молекул  воды.

Таблица 1.

Радиусы катионов

Хлориды магния и кальция термодинамически устойчивы в виде кристаллогидратов переменного состава, а сульфат натрия – в виде десятиводного кристаллогидрата Na₂SO₄^.10H₂O (табл.2)

Попадая в стены с грунтовыми водами, или растворяясь в кирпиче под действием атмосферной влаги, растворы солей пронизывают капилляры и поры кирпичной массы. В зависимости от температуры и уровня влажности среды в теле кирпича и на его поверхности с той или иной скоростью начинают идти попеременные процессы испарения воды и кристаллизации солей в виде твердых кристаллогидратов – объемных гидрофильных образований.

На рис. 1 представлены: шестиводный сульфат магния, где ион магния образует устойчивый октаэдрический кристаллогидрат, теряющий воду лишь при 200^оС, и десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия в плоской форме, дегидратирующийся при 32^оС.

Рис. 1. Кристаллогидраты солей

Вода, как известно, имеет полимерную структуру. Ассоциаты полимерных форм в состоянии льда состоят из 5 молекул, а при переходе в жидкую фазу могут включать до 10 и более единичных молекул. Полимерный характер воды обусловлен образованием т.н. водородных связей. Электроотрицательный кислород притягивает протон водорода к свободным электронным парам, и образуется водородная связь, устойчивая до температуры 100^оС (рис. 2).

Этим различием в свойствах воды и пара можно объяснить то обстоятельство, что водонепроницаемые системы при соответствующих размерах пор могут быть паропроницаемыми.

Рис.2. Полимерная структура воды

По указанным причинам масса и соответственно объем кристаллогидратов на порядок и более могут превышать массу и объём безводной соли.

При насыщении кирпича влагой соли растворяются и затем кристаллизуются повторно при испарении воды. Кроме того, отдельные кристаллогидраты при температурах более 30^оС теряют кристаллизационную воду полностью или частично (табл.2), вновь присоединяя ее в вечернее время с уходом солнца и повышением влажности. Эта периодичность наиболее характерна для сульфата натрия, полностью теряющего гидратную воду при температуре 32,4^оС, (табл.2).

Таблица 2

Потеря солями кристаллизационной воды

Возникающее периодически кристаллизационное и гидратационное давление, а также увеличение объема солевой массы неизбежно приводят к деструкции кирпича, табл.3.

Таблица 3

Давление кристаллизации и гидратации солей

* - при 100% относительной влажности воздуха

Собственная практика химического анализа солевых соскобов с поверхностей кирпичных фасадов в течение последних 5 лет показала преимущественное присутствие особо опасного для кладки сульфата натрия. Засоленность грунтовых вод и почв (соответственно песка и глины) натриевым сульфатом характерна практически для всех российских регионов, и это можно объяснить не только промышленными, но и в значительной степени - коммунальными стоками, содержащими большие концентрации моющих средств, главным образом, сульфонатов натрия. Органические сульфонаты преобразуются микроорганизмами почв в минеральные сульфаты.

Что касается промышленных вод, то агрессивные стоки в грунты - явление нередкое. Сточные воды коксохимических, металлургических, целлюлозно-бумажных комбинатов чрезвычайно богаты водорастворимыми сульфатами щелочных металлов.

Насыщение почвы сульфатом натрия приводит к сильному солевому загрязнению песка и глины в карьерах. Поэтому новый кирпич уже является источником солей, и белые разводы на его поверхности - не просто эстетический минус, это сигнал опасности, угроза разрушения.

1. 2. Как защитить засоленный фасад?

Водорастворимые соли на кладке, кроме указанных выше сульфатов, могут включать еще: хлорид натрия NaCL (поваренная соль), карбонат калия K₂CO₃ (поташ), карбонат натрия Na₂CO₃ (сода).  Эти соли добавляются в кладочные растворы в период зимней кладки, а затем мигрируют с водой по капиллярной сети материала. Кроме того, цокольные этажи зданий в городах серьезно страдают от солевой нагрузки талых вод (хлористый натрий и хлористый кальций). При намокании в атмосферных условиях и последующем высыхании соли выступают на поверхность под действием капиллярных сил. Удалить их систематической водоструйной обработкой не представляется возможным, ибо процесс выхода солей на поверхность носит перманентный характер – соли стремятся навстречу влаге.

Водонерастворимые соли. Это продукты карбонизации свободной извести, продукты превращения гидрокарбонатов кальция и магния грунтовых вод в карбонаты, а также возможные остатки строительного раствора.

Как очистить кирпич в этом случае?

Ни в коем случае нельзя прибегать к советам случайных людей: например мыть фасад растворами, содержащими соляную кислоту, мазать его соляркой или растительным маслом, покрывать лаками и пр. Все эти «народные» способы наносят кирпичу непоправимый вред. Соляная кислота разрушает кладочный раствор, сильно открывает поры кирпича, и миграция солей на поверхность лишь усиливается, паронепроницаемые лаки начинают шелушиться и отслаиваться под давлением кристаллизующихся солей, а снять их с поверхности фасада часто бывает весьма затруднительно.

Водонерастворимые соли можно удалить без ущерба для поверхности действием разбавленного раствора органической кислоты, например ASO-Steinreiniger (очиститель камня).

Труднее избавиться от растворимых солей, ибо они в форме хлоридов или сульфатов, пронизывают всю кирпичную массу. Оптимальный вариант - перевести соли на поверхности в труднорастворимую форму действием так называемых флюатов – солей кремнефтористоводородной кислоты. Тем самым крупные поверхностные поры окажутся заблокированными для транспорта водорастворимых солей из тела кирпича на поверхность, и перспектива кристаллизационного давления на отделочный слой существенно снижается.

После механической очистки стен от выступивших труднорастворимых образований рекомендуется оштукатуривание фасада пористыми известково-цементными растворами. Цементно-песчаные штукатурки плохо пропускают пар, и это в условиях конденсации приводит к намоканию несущих стен и отслоению покрытий.

Применение гидрофобных, пористых, трещиностойких штукатурок (например, сиcтема THERMOPAL) создает реальную возможность долговечной защиты фасада. Легкая штукатурка (до 30% воздушных гидрофобизованных пор) не принимает на себя функций несущих конструкций и не деформируется при осадке дома. Такие штукатурки обладают способностью «дышать», т.е. пропускать пары воды без конденсации на границе раздела, равномерно распределяют частично мигрирующие соли в порах, не давая им скапливаться в разделительном слое и срывать покрытие. Гидрофобизованные поры защищают штукатурку от внешнего воздействия влаги и воды.

Можно применять порообразующую добавку THERMOPAL-Р, используя в качестве вяжущих – известь и цемент, что тоже сделает штукатурную систему более легкой и паропроницаемой.

Штукатурки THERMOPAL эффективны при защите цокольных частей зданий, подвергающихся серьезной водно-солевой нагрузке в период таяния снега.

Если оставить кирпичный фасад в натуральном виде, без оштукатуривания, следует избавиться от поверхностных солей и предпринять соответствующие защитные меры:

а) очистить фасад разбавленным раствором упомянутого выше кислотного очистителя на базе органической кислоты, который удалит остатки строительного раствора, растворимые и труднорастворимые соли и освободит поры поверхности;

б) пропитать фасад гидрофобизирующей жидкостью. Как правило, это кремнийорганические композиции в виде растворов или водных дисперсий. Активная часть композиции отверждается в атмосферных условиях, выстилая стенки капилляров и пор защитной водонепроницаемой, но паропроницаемой пленкой. Чем меньше воды в составе пропиточного раствора, тем быстрее идет процесс отверждения. Наиболее эффективными гидрофобизаторами являются кремнийорганические жидкости силоксанового типа на органических растворителях (ASOLIN-WS). В результате гидрофобизации капли воды скатываются с фасада, не впитываясь в материал и не давая глубинным солям возможности выхода на поверхность.

Солевые нагрузки на кирпич – факт повсеместный. И с этим следует серьёзно считаться, продумывая еще на стадии проекта комплекс защитных гидроизоляционных и гидрофобизационных мер.