Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса (аналитический обзор) 7
1.1 Природа и механизмы высолообразования 7
1.2 Способы предотвращения и устранения высолов 22
ГЛАВА 2 Анализ химической природы и механизмов высолообразования на поверхностях на ружных стен зданий на основе штучных стеновых материалов 38
2.1 Систематизация конструктивных решений наружных стен зданий на основе штучных стеновых материалов 38
2.2 Расчёт удельной ёмкости физически свободной воды в элементах кладок как носителе растворимых ингредиентов... 40
2.3 Систематизация растворимых продуктов в кладочных растворах на цементной основе и в элементах кладок по показателю растворимости 42
2.4 Систематизация химических добавок в кладочные растворы по показателю растворимости 48
2.5 Систематизация растворимых продуктов в кладочных элементах - керамическом, силикатном кирпиче, вибропрессованных бетонных блоках 49
2.6 Обоснование механизма связывания противоморозных добавок и добавок-ускорителей твердения минералами цементного камня и продуктами его гидратации 53
2.7 Картина процесса высолообразования в соответствии с показателями растворимости и связывания ингредиентов кладочных растворов и штучных стеновых материалов 55
ГЛАВА З Экспериментальные и натурные исследования процессов высолообразования 58
3.1 Натурные обследования зданий с проявлением процессов высолообразования и химический анализ продуктов высо-лообразования 58
3.2 Моделирование процесса высолообразования на образцах кладочного раствора и кладочных элементах 70
3.3 Влияние химических добавок на интенсивность высолообразования 76
3.4 Обоснование механизма естественного самоустранения вы-солов с поверхности наружных стен из штучных стеновых материалов 89
ГЛАВА 4 Разработка способов нейтрализации высолообразования 94
4.1 Применение гидрофобизаторов в виде поверхностных пропиток 94
4.2 Обоснование деструктурирующего действия химических процессов с участием щелочей и добавок на гидрофобный экран 96
4.3 Применение активного кремнезема для связывания Са(ОН)2 кладочного раствора 98
ГЛАВА 5 Рекомендации по предотвращению и снижению интенсивности высолообразова ния 100
5.1 Рекомендации по предотвращению и снижению интенсивности высолообразования 100
5.2 Рекомендации по контролю штучных стеновых материалов и кладочных растворов на высолообразование 102
Список использованных источников 117
Приложения 135
- Природа и механизмы высолообразования
- Систематизация конструктивных решений наружных стен зданий на основе штучных стеновых материалов
- Натурные обследования зданий с проявлением процессов высолообразования и химический анализ продуктов высо-лообразования
- Применение гидрофобизаторов в виде поверхностных пропиток
Введение к работе
Наружные стены зданий на основе кладок из штучных стеновых материалов - керамического и силикатного кирпича, вибропрессованных бетонных блоков с использованием кладочных растворов на цементной и извест-ково-цементной основах - в процессе строительства и эксплуатации подвергаются воздействию атмосферных осадков, переменных температур, газов и пыли различного состава. В процессе строительства в объём кладки попадает также значительное количество технологической влаги в виде воды затворе-ния кладочного раствора, избыточной влаги в штучных стеновых материалах. Содержащиеся в составе цемента кладочных растворов и штучных изделиях растворимые ингредиенты: щёлочи, противоморозные добавки, соли различной природы и другие в процессе естественного осушения стены выносятся в виде водных растворов с последующей кристаллизацией на наружную поверхность, формируя картину высолообразования.
Высолы ухудшают эстетический вид фасадов зданий и при кристаллизации мигрирующих растворов солей, и других растворимых ингредиентов не только на поверхности, но и в поровом пространстве кладочных материалов, обусловливают, в особенности в сочетании с воздействием циклического замораживания - оттаивания, деструкцию материала, снижая долговечность наружных стен и зданий в целом. При этом в ряде случаев процессы высолообразования протекают длительно, в течение многих лет и десятилетий, что создаёт проблемы для эксплуатационных служб и требует решения задачи минимизации подобного рода последствий на исходной стадии возведения зданий, в частности, путём тестирования используемых материалов на высо-лообразование.
В соответствии с ГОСТ 30459-96 «Добавки для бетонов. Методы определения эффективности» использование методики определения образования высолов на поверхности бетона и кладочного раствора предусматривается только при определении эффективности испытываемых добавок в бетон. В
других государственных стандартах рекомендаций по контролю штучных стеновых изделий и кладочных растворов на высолообразование не приводится, однако многообразие производимых и применяемых материалов требует разработки универсальной методики контроля.
Актуальным и недостаточно изученным остается вопрос о механизмах высолообразования, методах предотвращения и защиты стен от этого явления.
Таким образом, применительно к наружным стенам на основе штучных стеновых материалов существует целый ряд актуальных вопросов, связанных с необходимостью снижения высолообразования на поверхностях стен, требующих дополнительных исследований и решений.
Природа и механизмы высолообразования
Исследованиями И. А. Альперовича, В. В. Инчика, Н. К. Розенталя, В.Ф. Степановой, Н.С. Философова, Г.В. Чехний, Н.Г. Чумаченко и других установлено, что высолы образуются вследствие выноса на поверхность стен при осушении и выкристаллизации растворимых соединений из состава цемента кладочных и штукатурных растворов, керамического и силикатного кирпича, стеновых бетонных блоков при исходном и дополнительном увлажнении конструкций стен атмосферными осадками (рисунок 1.1). Образованию высолов способствуют: - наличие растворимых веществ в исходных материалах (цементе, заполнителе, воде затворения, добавках - ускорителях твердения и про-тивоморозных, кирпиче и керамических блоках); - присутствие воды в бетоне, штукатурном и кладочном растворах и/или дополнительное увлажнение конструкций водой (атмосферными осадками или проливами); - температурно-влажностные условия, способствующие медленному и длительному испарению влаги из материала конструкций; - пониженная и низкая температура воздуха, благоприятная для образования кристаллогидратов.
Причиной высолов из кладочного раствора является высокое содержание щелочей в цементах. Обычно содержание составляет от 0,2 до 1,2%, а иногда и до 2,5%. Едкие щелочи попадают в цемент в составе сырьевых материалов, главным образом с глиной и нефелиновыми шламами. К минералам, содержащим щелочи, относятся гидрослюды и полевые шпаты. При высокой температуре обжига клинкера щелочи возгоняются и осаждаются на обжигаемых материалах, а частично уносятся с пылью.
Осажденная в электрофильтрах пыль, содержащая щелочи, возвращается в технологический цикл. Соли щелочных металлов K2SO4 и Na2S04 находятся в цементе преимущественно в свободном виде. При недостаточном для образования сульфатов количестве серы в сырьевых материалах КгО и Na20 входят в состав силикатов и алюминатов.
При затворении цемента водой свободные щелочи немедленно образуют растворы. Щелочи, связанные силикатами и алюминатами, входят в раствор по мере гидратации клинкера. При контакте с воздухом щелочи карбонизируются. Образуются высолы, состоящие из карбоната натрия и калия. Образующиеся карбонаты щелочных металлов вступают в обменные реакции с гидроксидом кальция и в итоге могут способствовать карбонизации цементных материалов.
В первый период гидратации количество перешедших в раствор щелочей для разных клинкеров колеблется в пределах от 7 до 42% от общего количества. Определенную роль в поведении едких щелочей в цементном камне играют пуццолановые добавки. При взаимодействии гидроксида кальция с пуццоланами (вулканические пуццоланы, цеолитные туфы, зола-унос), в которых активная составляющая содержит натрий и калий, также выделяются щелочи. Щелочи выделяют лецит и полевые шпаты, которые могут находиться в составе пуццолановых добавок.
Таким образом, количество щелочей в растворе зависит от общего содержания щелочей в клинкере, а также от минерального состава клинкера и заполнителей. Уменьшение содержания щелочей в цементе является важнейшей предпосылкой предупреждения образования высолов на цементных материалах.
С этих позиций цементы, применяемые для изготовления конструкций, на которых не допускается образования высолов, должные содержать минимальное количество едких щелочей К20 и Na20; их количество не должно превышать 0,6% по массе в пересчете на Na20.
Другим источником образования высолов является гидроксид кальция из состава гидратированного клинкера. Выходя на поверхность материала, гидроксид кальция при определенных условиях реагирует с углекислым газом воздуха с образованием карбонатно-кальциевых высолов.
Заполнители могут содержать некоторое количество растворимых щелочей. В щебне и гравии по ГОСТу 8267-93 «Щебень и гравий из твердых горных пород для строительных работ. Технические условия» допускается содержание галоидных соединений до 0,1% по массе в пересчете на ион хлора, а в песке не более 0,15%. По расчетам ГУЛ НРШЖБ, содержание растворимых солей в песке и крупном заполнителе, используемых для изготовления конструкций, на которых не допускается образование высолов. не должно быть более 0,01% по массе.
Наибольшее количество щелочей содержат добавки-электролиты - ускорители твердения и противоморозные добавки. Щелочи могут находиться также в пластифицирующих добавках, которые изготавливают из нерастворимых органических веществ путем сульфирования и последующей нейтрализации избытка кислотой. Для нейтрализации кислоты используют гидро-ксид или карбонат натрия. В результате такой обработки нерастворимые органические вещества приобретают способность растворяться в воде. Образующийся при нейтрализации серной кислоты сульфат натрия может в холодное время года выпадать в осадок из раствора добавок, а затем в концентрированном виде попадать в растворные и бетонные смеси. Содержание натрия в отдельных видах пластифицирующих добавок техническими условиями не нормируется.
Систематизация конструктивных решений наружных стен зданий на основе штучных стеновых материалов
Штучные стеновые материалы применяются в конструкциях наружных стен, как в несущем слое монослойных стен, так и в облицовочном слое многослойных стен с применением эффективного утеплителя. Получившие широкое применение, стены толщиной 640 мм в монослойном исполнении для Республики Башкортостан не удовлетворяют требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и ТСН 23-318-2000 РБ «Тепловая защита зданий». Поэтому реализация данного конструктивного решения, в последнее время, отходит на второй план, уступая место многослойным стенам с эффективным утеплителем.
а) несущий слой из керамического или силикатного кирпича, эффективный утеплитель с облицовочным слоем из лицевого керамического или силикатного объёмно окрашенного кирпича;
б) железобетонная панель в качестве несущего слоя, эффективный утеплитель с облицовочным слоем из лицевого керамического кирпича или вибропрессованных бетонных блоков толщиной 90 или 190 мм
В монослойных стенах растворимые продукты будут выходить из всей толщи стены, в отличие от многослойной, где эффективный утеплитель будет отсекать несущий слой от облицовочного, сводя к минимуму потенциальный объём материалов (кладочные элементы + кладочный раствор) способных обусловить высолообразование.
Источниками высолообразований являются кладочные растворы и штучные материалы кладок, содержащие разнообразные растворимые ингредиенты. Вода как среда их растворения попадает в кладку в виде воды за-творения кладочного раствора и при увлажнении стены осадками. Особенно большое количество воды попадает в кладку через ее торец при замачивании дождем, таящим снегом в тех случаях, когда кладка при ее возведении не за щищается пленочными материалами. Кроме этого, стена постоянно «дышит», сохраняя паропроницаемость в процессе эксплуатации здания.
Если говорить о кладочных растворах, то растворимые ингредиенты, формирующие картину высолообразования, содержатся в клинкерном цементе, продуктах его гидратации и их перекристаллизации. Хорошо растворимыми также являются химические добавки разного назначения, вводимые в кладочные растворы, в частности противоморозные, ускорители твердения.
Чтобы составить представление о развитии, последовательности и интенсивности включения названных продуктов в процессы высолообразова ния, необходимо предварительно составить классификацию по их растворимости и концентрации в кладочном растворе. Потенциал высолообразования со стороны кладочного раствора предопределяется сочетанием параметров кладочного раствора - растворимости продуктов и их количества в единице объема раствора, единице площади стены.
Систематизация по растворимости ингредиентов в составе кладочных растворов, представленная в таблице 2.5 по трем группам продуктов, а также данные таблицы 2.10 позволяют прогнозировать картину процесса высолообразования, которая будет связана с сезоном строительства и, соответственно, с необходимостью использования противоморозных добавок и добавок-ускорителей твердения в зимних условиях и отсутствием такой необходимости в летних условиях.
Натурные обследования зданий с проявлением процессов высолообразования и химический анализ продуктов высо-лообразования
Натурные обследования зданий с проявлением процессов высолообразования и химический анализ продуктов высолообразования
В соответствии с анализом, представленным в главе 2, можно предложить следующую классификацию источников высолообразования из кладок на основе керамического и силикатного кирпича, бетонных блоков с применением кладочных растворов на цементной основе: 1 - едкие щёлочи КгО + ИагО в цементе кладочного раствора или бетона блока; 2 - известь как продукт гидратации силикатных фаз цемента, а также избы точная известь в составе известково-кремнезёмистого вяжущего в силикатном кирпиче, растворяемая и мигрируемая к поверхности с возможностью последующей карбонизации в условиях замачивания и осушения кладки;
3 - химические добавки противоморозные и ускорители твердения, а также щёлочи, образующиеся в процессах их химического взаимодействия с трёхкальциевым алюминатом цемента;
4 - сернокислые соли (K2S04, Na2S04, MgS04, CaS04) в глинистом сырье и в керамическом кирпиче на его основе. Данная классификация согласуется с результатами выполненного нами химического анализа образцов высолов с поверхности наружных стен зданий из керамического и объёмно-окрашенного силикатного кирпича, вибропрессованных бетонных блоков, возведённых как в летний, так и в зимний период с применением химических добавок. Результаты химического анализа (качественные реакции по открытию катионов и анионов) продуктов высолообразования, собранных более чем с двухсот различных объектов г. Уфы, частично приведены в таблице 3.1.
Химический анализ высолов, отобранных с наружных стен зданий заключается в открытии катиона и аниона. Открытие катиона
Анализ начинается с открытия катиона так как, "часто открытый катион исключает некоторые анионы, а иногда и целые их группы. Например, Ва2+ или РЬ2+ в кислом растворе делает невозможным присутствие иона S042" . Если же ион Ва2+ найден в растворе, имеющем, нейтральную или щелочную реакцию, в нем не могут присутствовать и все остальные анионы первой группы.
Точно так же по наличию Ag+ в прозрачном растворе можно заключить об отсутствии анионов 2-й группы. Если к тому же реакция среды нейтральная, то не могут присутствовать и все анионы первой группы, кроме иона SO4 , так как все соответствующие соли серебра не растворимые в воде (за исключением Ag2S04).
При открытии катиона: сначала определяют принадлежность его к той или иной аналитической группе. Затем переходят к анализу найденной группы. Открытие катиона
Для открытия аниона большое значение имеет принадлежность обнаруженного катиона к той или иной аналитической группе. Если анализируемая соль содержит катион первой или второй группы, то открывать анион непосредственно из исследуемого раствора. Для этого сначала установить группу, к которой принадлежит искомый анион, а затем определить его с помощью качественных реакций.
Если анализируемая соль содержит катион третьей, четвертой или пятой группы, то полностью его отделить. Это надо сделать потому, что некоторые катионы тяжелых металлов мешают открытию тех или иных анионов, так как взаимодействуют с прибавляемыми реактивами на анионы. Удалять катионы тяжелых металлов осаждением их насыщенным раствором соды. Для этого к 15—20 каплям исследуемого раствора добавить 7—8 капель раствора соды и кипятить 2—3 мин. Выпавший от действия Ыа2СОз осадок от-центрифугировать и отбросить.
Полученный центрифугат после испытания на полноту осаждения разделить на три части: а. В одну часть влить разбавленную HNO3 или СНзСООН до нейтральной ре акции (проба на лакмус). Раствор прокипятить для удаления СОг; использо вать эту порцию для открытия анионов первой группы. б. К другой части прибавить разбавленную HNO3 до кислой реакции (проба на лакмус). Эту порцию использовать для открытия анионов второй группы. в. В третью часть влить разбавленную H2SO4 до нейтральной реакции (проба на лакмус) и прокипятить ее для удаления 0(. Эту порцию использовать для открытия анионов третьей группы.
В анализе анионов нет общепринятого деления на группы. Классификация анионов, которая приводится нами, основана на отношении их к двум реактивам — AgN03 и ВаС12. Все анионы разделяются по отношению к этим реактивам на три группы.
В отличие от анализа катионов анионы в большинстве случаев открывают дробными реакциями в присутствии других анионов. Поэтому и групповые реактивы AgN03 и ВаСЬ применяются при анализе анионов не для разделения групп, а только для их обнаружения. Если какая-либо группа отсутствует полностью, её групповой реактив не дает с анализируемым раствором никакого осадка. Из этого становится ясным, что не имеет смысла делать реакции на отдельные анионы этой группы; таким образом, работа значительно облегчается.
Применение гидрофобизаторов в виде поверхностных пропиток
Одним из наиболее эффективных способов блокировки высолообразо-вания на поверхностях наружных стен зданий является обработка поверхности гидрофобизирующими составами. Гидрофобизирующие составы на основе силоксанов, кремнийорганических соединений при их нанесении пульверизацией или ручным способом способны пропитать поверхность кладки и создать гидрофобный экран глубиной 5-15 мм, который препятствует увлажнению стены снаружи при косом дождевании и выходу на поверхность растворов щелочей и солей. Осушение стены в этом случае происходит за счет выхода сквозь гидрофобный
а) образец, обработанный «Типром К», производитель ЗАО «САЗИ», до выхо да растворимых экран паров воды. Действие гидрофобного экрана иллюстрируется рисунком 4.1. ингредиентов (гидрофобный экран «пробивается» высолами);
б) образец, обработанный «Типром К», после частичного предварительного выхода и смыва растворимых ингредиентов (гидрофобный экран не «проби вается» высолами).
Высолы могут оказать деструктурирующее действие на гидрофобный экран, что подтверждают результаты испытаний кладочного раствора с про-тивоморозной добавкой NaN02 (рисунок 4.2). Одна из призм была гидрофо-бизирована сразу после набора прочности, что не предотвратило высолооб-разования, другая - после предварительного выхода и смыва основного объема растворимых ингредиентов, что обеспечило эффективную работу экрана.
Высокое содержание щелочей при заблокированности их выноса в виде раствора на наружную поверхность стены гидрофобной пленкой будет сопровождаться их концентрацией в приповерхностных слоях материала стены, где они будут карбонизироваться: 2NaOH + С02 + Н20 - Na2C03 + 2Н20; 2КОН + С02 + Н20 - К2С03 + 2Н20. Эти процессы протекают с некоторым увеличением объёма твердофазных продуктов (коэффициенты увеличения твёрдой фазы для первой и второй реакции и0=1,12 и 1,04 соответственно) [11].
Далее в условиях переменных температур и миграции влаги изнутри к приповерхностным слоям карбонаты натрия и калия будут претерпевать вторичную гидратацию с образованием гидратов карбоната натрия и калия [121, 145], сопровождающуюся значительным увеличением объёма твёрдой фазы:
В условиях существенного заполнения пор приповерхностных слоев материала стены безводными карбонатами натрия и калия их гидратация при столь значительном увеличении объёма твёрдой фазы окажет деструктури-рующее влияние на материал и гидрофобную плёнку. Оба этих следствия крайне негативны и, в связи с этим, целесообразно на начальной стадии эксплуатации стены дать возможность максимально реализоваться выходу и смыву щелочей и некоторых других высокорастворимых ингредиентов и лишь после этого защитить стену поверхностной гидрофобизацией, рассчитанной на блокировку слабо растворимой гидроокиси кальция и остатков щелочей.
Время создания гидрофобного экрана должно увязываться с целесообразностью предварительной очистки кладки от избытка высокорастворимых щелочей и некоторых добавок. Особенно это важно при использовании кладочных растворов на цементах с высоким содержанием щелочей (выше 0,6%), гидраты которых оказывают деструктурирующее влияние на гидрофобный экран. В связи с этим целесообразно на начальной стадии эксплуатации стены дать возможность максимально реализоваться выходу и смыву щелочей и других высокорастворимых ингредиентов и лишь после этого защитить стену поверхностной гидрофобизацией, рассчитанной на блокировку слаборастворимой гидроокиси кальция и остатков щелочей. Такой подход к защите наружной стены от высолов существенно продлит долговечность и эффективность гидрофобного экрана.
