Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса (аналитический обзор) 6
1.1 Причины и источники высолообразования 7
Физико-химические процессы, происходящие в кирпичной кладке 19
1.3 Методы устранения высолов 32
1.4 Выводыпо 1 главе 37
Рабочая гипотеза 39
Цель и задачи исследований 40
Глава 2 Методы исследования и характеристика используемых материалов 43
2.1 Стандартные и общепринятые методы 43
2.2 Авторские методики 46
2.2.1 Метод оценки интенсивности высолообразования керамического кирпича по внешнему виду 46
2.2.2 Методика оперативного определения высолообразования из цементно-песчаного раствора 48
2.2.3 Экспресс-метод оценки высолообразования по электропроводности глинистого сырья 49
2.3 Характеристика сырья и объектов исследований 50
Глава 3 Физико-химические процессы высолообразования в кирпичной кладке 59
Выводы по 3 главе 77
Глава 4 Оценка высолообразования по электропроводности глинистых суспензий 78
Выводы по 4 главе 98
Глава 5 Причины высолообразования в кирпичной кладке и способы их устранения 99
Влияние продуктов гидратации и твердения клинкерных минералов цемента на процессы высолообразования 99
5.2 Влияние химических и минеральных добавок на интенсивность высолообразования в цементных растворах 112
Выводы по 5 главе 124
Глава 6 Исследование процессов динамики высолообразования в кирпичной кладке (опытно-промышленная проверка) 125
6.1 Влияние структуры керамического кирпича и состава кладочного раствора на высолообразование 125
6.2 Технико-экономическая эффективность мероприятий по устранению высолов 134
Общие выводы 138
Список литературы 140
Приложения 153
- Методы устранения высолов
- Метод оценки интенсивности высолообразования керамического кирпича по внешнему виду
- Влияние продуктов гидратации и твердения клинкерных минералов цемента на процессы высолообразования
- Влияние структуры керамического кирпича и состава кладочного раствора на высолообразование
Введение к работе
Проблемы долговечности сооружений и зданий, снижения затрат на их капитальный ремонт являются весьма актуальными, определяемые масштабами промышленного, жилищного и индивидуального строительства.
Практика отечественного и зарубежного строительства показала, что керамический кирпич является одним из основных строительных материалов в настоящее время.
Ведущая роль отводится ему и на ближайшую перспективу. Здания и сооружения, возведенные из керамического кирпича, отличаются повышенной долговечностью, комфортностью и декоративной выразительностью, чего трудно достичь, используя силикатный кирпич или железобетонные конструкции. Именно это позволяет объяснить предпочтительность использования керамического кирпича в современных рыночных условиях, когда стоимость его выше других стеновых материалов.
Одним из существенных недостатков кирпичных зданий, ухудшающих технические и эстетические свойства является высолообразование — появление солей на поверхности кладки.
Фасады жилых, промышленных зданий и архитектурных ансамблей, облицованные кирпичом, покрытым солевыми налетами, имеют локальные белые пятна, различной степени распространенности и интенсивности. Лицевой кирпич с такими дефектами не может быть использован для декоративных целей.
Кроме ухудшения декоративных свойств, высолообразование со временем может привести к снижению прочности материала с высокой пористостью. Почти все процессы разрушения отделочных покрытий фасадов, таких как лицевой кирпич, облицовочная керамическая и бетонная плитка и, наконец, штукатурка, связаны с воздействиями на них влаги и растворимых солей.
Вода, проникая в поры материала, не только растворяет
* кристаллические частицы, но и интенсифицирует образование новых
кристаллов из растворимых солей. Вследствие этого сцепление между ними
нарушается или ослабевает, что приводит к образованию дефектов кладки и
*ф ее преждевременному разрушению.
Источники высолообразования весьма разнообразны. Прежде всего это керамический материал, кладочные растворы, а также грунтовые, технологические воды (в условиях промышленных предприятий) и, наконец, атмосферная влага (кислотные дожди).
Наличие растворимых солей в керамическом сырье, прежде всего в
глине, а также в песке, шамоте и воде затворения часто приводит к
образованию на керамическом кирпиче солевых налетов, которые
проявляются при сушке, и закрепляются при обжиге.
(*( Другим источником растворимых солей может быть кладочный раствор,
,. в том числе все его составляющие: заполнитель, вода, вяжущее, добавки,
корректирующие их составы.
Повышенная влажность воздуха в осенне-зимний период приводит к тому, что пористый кирпич отсасывает воду из более крупных капиллярных пор цементно-песчаного раствора с более высокой влажностью и создает предпосылки для интенсивного образования высолов.
Отрицательное воздействие на конструкции оказывает капиллярный
ф подсос при непосредственном контакте строительных материалов с
морскими или минерализованными грунтовыми водами, а также
промышленными сточными водами, содержащими растворимые соли,
которые или химически реагируют с компонентами строительных
материалов или повышают их растворимость.
, Известные решения в настоящее время не решают данную проблему.
Актуальность работы заключается в том, что впервые
систематизированы все основные источники и рассмотрены процессы
] высолообразования; установлена степень их значимости; разработаны
(* технологические приемы по устранению.
л 5
Методы устранения высолов
Мероприятия по устранению высолов можно осуществлять на стадии изготовления кирпича, в процессе приготовления кладочного раствора, при проведении кладочных работ и во время эксплуатации зданий и сооружений [20,25,38,129,130,139,192].
Наряду с широко распространенным методом ввода в глиномассу солей бария, рядом исследователей отмечено положительное влияние добавки каолина, кремнезема, глинозема, окислов железа и углерода, которые интенсифицируют разложение сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов при обжиге [3, 89, 143].
Для ликвидации выцветов на керамических изделиях предлагается комбинированная добавка, представляющая собой смесь гексамина и неорганической соли аммония [60]. Комбинированная добавка содержит (от массы сухой глины): 0,01-3 % гексаметилентетрамина; смесь 0,001-1 % гексаметилентрамина и 0,05-2 % нитрата аммония или сульфата, или хлорида.
Для устранения выцветов на поверхности кирпича рекомендуется добавка, содержащая 0,5-1 % от массы сухой глины четырехнатриевого пирофосфата Na4P207 или Na5P3Oi0 [87].
За рубежом широко применяется метод покрытия обоженных керамических изделий водоотталкивающими пленочными составами [73].
Для предохранения поверхности обожженного лицевого кирпича и керамических камней от загрязнения высолами и пылью их пропитывают силиконами, подразделяемыми на три группы: силиконаты, силиконовые смолы и силиконовые эмульсии [25]. Наиболее часто употребляются силиконаты, представляющие собой растворимые в воде соли, состав которых выражается формулой:
СН3 — Si(OH)2 — О — Me, где Me - Na или К
Водоотталкивающая способность достигается благодаря реакции: a2СН3 — Si(OH)2 — О — Me + С02 + Н20 - 2СН3 — Si(OH)3+Me2C03 и дальнейшей полимеризации СН3 — Si(OH)3 в полимеркремневую кислоту.
Силиконовые смолы и эмульсии представляют собой растворенные в органических растворителях (например, бензине) или смешанные с водой продукты.
Экспериментами установлено, что пропитка лицевых керамических изделий со всех сторон силиконами снижает до минимума водопоглощение, а следовательно, подвижность солей и их высолообразование. В результате устраняется возможность появления выцветов, образующихся за счет солей, проникающих из строительного раствора. При пропитке изделий силиконом стенки пор покрываются тончайшей пленкой, которая исключает капиллярный подсос воды, но сохраняет проницаемость для воздуха и пара.
Вместе с тем, отмечается, что защитное действие силиконов ограничено во времени и с потерей ими водоотталкивающей способности вследствие старения образовавшихся полимеров прекращается.
Указывается, что существуют два способа покрытия водоотталкивающими кремнийорганическими пленками: обработка каждого отдельного изделия и готового фасада здания. В первом случае используют водорастворимые кремнийорганические соединения, которые приобретают водоотталкивающие свойства при последующей полимеризации. Изделия пропитывают водным раствором кремнийорганических соединений либо со всех сторон (черепица), либо с лицевой и торцевой (лицевой кирпич). Готовые фасады зданий обрабатывают щелочеустойчивыми кремнийорганическими смолами, растворенными в органическом растворителе, метод пульверизации. В Туркмении для устранения высолов на поверхности наружной стеновой кладки при сильной засоленности кирпича предложена промывка ее 2 %-ным раствором мылонафта. Рекомендуется также гидрофобизация кладки путем ввода в строительный раствор 0,2 % мылонафта от массы цемента или путем использования гидрофобного цемента [59, 120]. Комбинированный метод удаления высолов с поверхности стеновой кладки при строительстве цеха глазурованного кирпича использован на Катта-Курганском кирпичном заводе (УзССР) [15]. Вначале выделившиеся высолы счищают с поверхности стены металлическими щетками и наносят на нее тонкий слой глиняного шликера растворонасосом или малярными кисточками. Затем высохший слой шликера с выкристаллизовавшимися на его поверхности солями счищается щетками. После очисти стену обрабатывают 10 %-ным раствором НС1 для удаления гипса, который не проходит через шликер. Далее стену промывают горячей мыльной водой и покрывают одним из растворов поверхностно-активных веществ, например 3 %-ным раствором мылонафта или гидрофобной кремнийорганической жидкостью ГКЖ-11. При сильной засоленности кирпичной кладки стену двукратно покрывают шликером с целью выщелачивания растворимых солей. В лабораториях международного концерна «Мапеи» был разработан особые кислотосодержащие очистители «Керанет». Он универсален -устраняет и высолы любой сложности, остатки цемента, извести, клея, штукатурки. Легко удаляет известковые пятна, как с кирпичной кладки, так и с поверхности керамической плитки, стекломозаики, стекла. «Керанет» незаменим также для очистки гранитных покрытий. Состав «Антиплювиоль С» надежно изолирует кладку снаружи, но при этом позволяет дому «дышать». Проникая глубоко внутрь оснований, материал образует влагоотталкивающий слой внутри пор и капилляров. «Мапеи» рекомендует использовать «Антиплювиоль С» также для ремонта отштукатуренных стен, подвергающихся воздействию атмосферных осадков. Им можно обработать бетон против воздействия углекислых солей и даже для консервации памятников архитектуры [56].
Гидрофобизирующий состав Aquastop (Аквастоп) (предыдущее название Аквасил) - состав для защиты от воды строений из керамического и силикатного кирпича, асбестоцементного шифера, шлакоблоков, газобетона, песчаника, известняка, мрамора, гипса и других материалов, способных впитывать воду. Кроме того, фирма Tetracon проводит работы по удалению высолов на стенах кирпичных строений с последующей гидрофобизацией поверхности. Аквастоп - продукт нового поколения отечественных водорастворимых кремнийорганических гидрофобизаторов (ТУ 6-02-1-824-97). Этот состав на водной основе разработан в химической лаборатории ГНЦ РФ Тниихтэос" по заказу германской строительной фирмы и широко применяется в строительных и реставрационных работах [73].
Метод оценки интенсивности высолообразования керамического кирпича по внешнему виду
Для оценки интенсивности высолообразования была разработана десятибалльная шкала интенсивности высолообразования (от 1 до 10), представленная на рис. 2.1. Так называемая «Шкала интенсивности высолообразования» позволяет количественно определить интенсивность высолов на керамических поверхностях. Интенсивность высолообразования изменяется от 0 до 10 и определяется путем сопоставления цвета наружной грани с высолами и граней без высолов или внутренней окраски изделия.
Разработка метода была основана на том, что цвет поверхности керамического кирпича с высолами отличается от цвета основной массы: чем больше высолов, тем больше разницы между этими частями.
Для оценки интенсивности высолов по этому методу сначала определяют исходный цвет анализируемой керамики без высолов путем сопоставления цвета граней кирпича, не покрытых высолами, или внутренней зоны, с исходным цветом на шкале.
После этого для установленного цвета определяют интенсивность путем сопоставления цвета грани кирпича, имеющего наибольшие высолы, с рядом интенсивности для выбранного цвета. 5 6 7 8 9 10
Для оперативной, экспериментальной оценки интенсивности высолообразования в зависимости от состава исследуемых растворов и определения вида наиболее эффективных добавок в растворы, предназначенных для снижения интенсивности высолообразования была разработана специальная методика.
Изготовлены были образцы, имитирующие высолообразование в кирпичной кладке за счет капиллярного подсоса. Для этого цементно-песчаный раствор с добавками укладывали между керамическими плиточками, специально изготовленными и обоженными. Керамические плиточки размером 60x20x10 мм формовали из красножгущейся глины, не вызывающей образование высолов и обжигали до частичного спекания.
Оценка высолообразования из кладочных растворов проходила следующим образом.
Исследуемый свежеприготовленный раствор с добавками укладывали на поверхность керамической плитки толщиной в 5 мм и склеивали им две керамические плиточки. Полученные образцы после суточного твердения на воздухе устанавливали в дистиллированную воду так, чтобы верхний уровень воды не доходил до растворной составляющей (рис. 2.2). Уровень воды поддерживался постоянным.
Такая конструкция и среда позволяли мигрировать воде с нижней и боковых граней вверх, а увлекаемые водой растворимые соединения скапливались на верхних гранях. Степень высолообразования оценивали в баллах по 10-ти бальной шкале.
Интенсивность высолообразования из растворов оценивалась за определенный период по изменению цвета и появлению белых пятен на верхней грани.
Практика производства лицевого и облицовочного керамического кирпича показывает, что шихта из запасника поступает в формовочные пресса для изготовления кирпича, как правило, с неодинаковым содержанием растворимых солей. Вследствие этого трудно прогнозировать интенсивность высолообразования и соответственно разрабатывать приемы, направления на снижении количества высолов.
Предлагаемый метод базируется на свойствах растворимых солей растворяться в воде и вследствии этого образовывать электролит, который способен пропускать электрический ток. Это позволяет измерить электропроводность, на основании которой можно прогнозировать высолообразование из глиняной суспензии [83]. Кондуктометрические методы анализа, основанные на измерение электропроводности растворов, достаточно широко используются при изучении строительных материалов [25].
Влияние продуктов гидратации и твердения клинкерных минералов цемента на процессы высолообразования
Как было установлено ранее, основными причинами высолообразования из цементов является Са(ОН)2, образовавшийся при гидролизе клинкерных минералов [107, 108].
Гидроксид кальция образуется при гидролизе алита и белита по следующим уравнениям [72]:
Как видно из уравнений (5.1) и (5.2), из белита Са(ОН)2 выделяется меньше. При одинаковой массе исходных клинкерных минералов, процентное содержание образующего Са(ОН)2 при гидролизе алита составит 48,7 %, а из белита - 21,5 %. То есть у белита гидроксида кальция образуется в два раза меньше, чем у алита.
Существенное влияние на динамику высолообразования оказывает скорость твердения клинкерных минералов. По литературным данным [128] известно, что алитовые и белитовые минералы обладают разной скоростью химического взаимодействия с водой. Наиболее быстро гидратирующимся минералом является алит, медленная гидратация в начальный период характерна для белита (рис. 5.1, 5.2).
Ориентируясь на скорость химического взаимодействия, можно предположить разную динамику высолообразования при изменении соотношения между алитом и белитом, а именно: преобладание алита вызывает интенсивное высолообразование уже в начальные сроки твердения; увеличение доли белита растягивает этот процесс на длительный срок. щ 100
В зависимости от содержания основных клинкерных минералов выпускается три вида портладцемента: алитовый, нормальный (по содержанию алита), белитовый. Как следует из данных, представленных в табл. 5.1, суммарное содержание образующего гидроксида кальция определяется видом клинкера, который, в свою очередь, зависит от соотношения между алитом и белитом. Таблица 5.1 — Влияние состава клинкера ПЦ на количество гидроксида
кальция, образующего при гидролизе алита и белита [71]
Для прогнозирования динамики высолообразования удобнее представить полученные расчетные значения в виде гистограмм (рис. 5.2), где содержание образующегося в цементном камне Са(ОН)2 разделено на: полученное при гидролизе алита - постоянное и переменное (что может наблюдаться при изменении состава клинкера), а также полученное при гидролизе белита. Из клинкера алитового состава, твердеющего несколько месяцев образуется наибольшее количество Са(ОН)2. В цементном камне из нормального и особенно белитового клинкера количество образуется примерно на 30 % меньше Са(ОН)2, чем из алитовог кликера.
Можно предположить, что при равных условиях из цемента на алитовом клинкере высолов будет больше сразу после твердения. Менее интенсивное высолообразование будет характерно для цементов из нормального и белитового клинкеров.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы были исследованы три вида портландцемента (алитовый, белитовый, нормальный). Интенсивность высолообразования во времени (до 4 месяцев твердения) по 10-ти бальной шкале. Методика проведения эксперимента приведена в главе П. На основании оценки интенсивности высолообразования портландцементы образуют ряд: алитовый нормальный белитовый. При гидролизе алита гидроксида кальция выделяется в 2,5...3 раза больше, чем при гидролизе белита. Процесс образования Са(ОН)2 происходит как в начальные сроки твердения, так и при длительной выдержке (рис. 5.3).
Однако на процессы высолообразование оказывает роль не только вид портландцемента, но и химико-минералогический состав вяжущего. Для кладочных работ применяются, в основном следующие вяжущие: портландцемент без добавок (ПЦ), портландцемент с добавками (ПЦ-Д), шлакопортландцемент (ШПЦ), пуццолановый портландцемент (ППЦ) и цемент для строительных растворов. Содержание клинкера в них меняется от 98,5 до 20 %, а количество добавок (не принимая во внимание добавку гипса) от 0 до 80 %. Если предположить, что все вяжущие изготовлены на основе одного клинкера, нормального состава и первоначально не учитывать роль добавок, то опираясь на регламентированные составы вяжущих (глава II табл. 2.8), количество гидроксида кальция и соответственно интенсивность высолообразования в цементом камне будет меняться (рис. 5.4) в ряду: ПЦ ПЦ-Д ШПЦ ППЦ цемент для строительных растворов. Эта зависимость характерна для вяжущих с максимальным содержанием клинкера. При минимальном содержании клинкера наименьшее количество Са(ОН)2 может образовываться у ШПЦ [169].
Активные минеральные добавки (АМД) вначале адсорбируют, а затем химически связывают Са(ОН)2, образующийся при взаимодействии алита с водой, в нерастворимый гидросиликат кальция по реакции: mCa(OH)2 + Si02 (aifr.) + nH20 - (0,8-1,5) CaOSi02pH20 (5.3)
ЭТОТ процесс происходит при обычных условиях твердения: влажной среде и при положительных температурах. Согласно уравнению (5.3) предельное содержание АМД для полного связывания извести составляет: АМД:Са(ОН)2=1:1, при повышении основности гидросиликата кальция содержания АМД может быть снижено до соотношения: АМД:Са(ОН)2 = 1:1,85.
Влияние структуры керамического кирпича и состава кладочного раствора на высолообразование
Все виды пор в пористой керамике по форме и основному влиянию на практическое применение материала можно разделить на группы: закрытые, каналообразующие, открытые с обоих концов и тупиковые [73].
Закрытые поры, имеющие преимущественно округлую форму, являются изолированными и не учитываются при определении открытой пористости.
Каналообразующие открытые с обоих концов поры создают поровые капилляры. Эти поры могут быть более или менее прямолинейными, их называют прямыми, а также извилистыми или червеобразными и петлеобразными.
Тупиковые поры, открытые с одного конца, также могут быть различной конфигурации: прямые, червеобразные и петлеобразные. Поры, открытые с обоих концов, а также тупиковые, чаще всего имеют уширения и пережимы (горлышки), поэтому их форма бутылкообразная. Как правило, в структуре керамического черепка имеются все виды пор, а на формирование пористой системы и трещинообразования влияют в первую очередь состав сырьевой шихты, способ и режим сушки керамического кирпича, параметры его обжига.
В керамических кирпичах преобладают капиллярные поры, по которым и идёт капиллярный подсос. Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощённой воды и интенсивностью всасывания. Высоту поднятия жидкости в капиллярах можно определять по формуле Жюрена: h=2acos0/(rpg), где П 125
поверхностное натяжение; 0- краевой угол смачивания; г-радиус капилляра; р-плотность жидкости; g- ускорение свободного падения. Капиллярное всасывание объясняется тем, что сила поверхностного натяжения воды в тонких капиллярных порах меньше силы смачивания и тогда капиллярные поры работают как насос.
Характер и интенсивность высолообразования зависит от ряда факторов:
- вида и количества растворимых солей в керамической шихте;
- структура керамического черепка;
- состава кладочного раствора;
- скорости высыхания кирпичной кладки и др.
В настоящей работе исследовалось влияние строения керамического черепка на процесс образования высолов на кирпичах различных производств отличающихся по плотности, способу и параметрам сушки и состава сырьевой шихты.
Исследовали явление капиллярного всасывания на керамическом кирпиче трёх видов. Материалы были установлены в воду, и на протяжении нескольких суток через определённое количество времени наблюдали за поднятием уровня воды. На рисунке приведены результаты эксперимента (рис. 6.1). По экспериментальным данным построены зависимости высоты увлажнения как от времени насыщения (рис. 6.2).
Для исследования явления капиллярного всасывания был использованы керамические кирпичи:
1. Кирпич Стромиловского ОАО «ЗСМ» из сырьевой шихты с отощителем. Принудительной сушкой в тоннельных сушилах. Кирпич с пустотами (до 13 %).
2. Кирпич Кинель-Черкасского завода - глина карьерная без отощителя. Сушка принудительная в камерных сушилах. Кирпич с пустотами объемом до 13 %.
3. Кирпич Богатовского ООО «Стройдеталь» - глина карьерная с карьерной влажностью (больше формовочной) без отощителя. Сушка естественная под навесами. Кирпич полнотелый.
О процессах возможно высолообразования судили по скорости распространения в черепке окрашенного раствора пигмента хромтемносинего. Для чего образцы кирпичей ставили в раствор на тычок и фиксировали высоту подъема окрашенной жидкости во времени с интервалом 1... 1,5 часа в начале эксперимента и через сутки в дальнейшем.
Наиболее быстрый подъем окраски отмечен в кирпиче ОАО «ЗСМ» (партия №1). Это очевидно, связано с тем, что отощитель, введенный в шихту при формовке облегчает миграцию воды изнутри кирпича, а интенсивная принудительная сушка способствует формированию протяженных (почти сквозных) пор. Это подтверждается близкими значениями водопоглощения и водонасыщения. Поэтому 100 %-ное насыщение раствором пигмента наступает уже через 2 суток.
В кирпиче Кинель-Черкасского завода отсутствует отощитель. Сушка также принудительная и достаточно интенсивная приводит к образованию протяженных пор, частично сквозных, а по большей части тупиковых. Поэтому интенсивность проникания окраски наименьшая (из 3-х кирпичей) и через 2 суток высота подъема окраски - 60 %.
Богатовский кирпич отформован без отощителя. Сушка естественная, и в нем должны преобладать тупиковые поры. Однако такой режим сушки способствует образованию большого количества трещин. В эксперименте было отмечено, что подъем окраски в отличие от предыдущих кирпичей идет неравномерно - по трещинам окраска поднимается быстрее, чем по порам. Через 2 суток насыщение раствором - 95 %, этому способствует трещиноватость кирпича.
Таким образом в ходе исследований установлено, что на динамику высолообразования оказывает влияние строения керамического черепка, определяется составом шихты, способом и режимом сушки.
Повышению интенсивности высолообразования способствуют:
- наличие сушильных трещин и сквозных пор;
- наличие в составе отстающих добавок;
- применение принудительной сушки.
Понижению интенсивности высолообразования способствуют:
- уменьшение количества отощающих добавок в шихте;
- преобладание в структуре замкнутых и тупиковых пор;
- мягкий режим сушки.
