Техногенное поражение кирпичных фасадов

Белые разводы на новых кирпичных стенах появляются достаточно быстро после возведения домов. Непрофессиональные действия по их устранению не дают положительных результатов, а порой приводят к повреждению кирпичной основы.

Происхождение белых пятен разнообразно. Строители предполагают, что это могут быть потеки свежего кладочного раствора, соли – антифризы в период зимней кладки, вымытые осадками, соли –антиобледенители, содержащиеся в талых водах, наконец, соли грунтовых вод в результате капиллярного подъёма.

 

 

Однако, пятна поражают не только цокольные участки домов и группируются не только вокруг швов, они рассеяны произвольно по всему фасаду. Качественный анализ соскобов солей в абсолютном большинстве случаев дает в водном растворе положительную реакцию на сульфат-ион и значение рН-фактора, близкого к нейтральной среде. Реже и слабее проявляется хлорид-ион в основном, из кладочного раствора. Еще реже встречается поташ, и величина рН раствора этой щелочной соли увеличивается до 12. Вывод напрашивается один – в составе высола присутствуют преимущественно водорастворимые сульфаты, самым распространенным из которых является сульфат натрия. И этой опасной солью поражены не швы, а непосредственно кирпичная масса.

Характерно, что концентрация сульфатов в современном кирпиче значительно выше, чем в кирпиче старинных построек. Это можно объяснить причинами техногенного характера и связано с источниками поступления сернистых соединений, как стороны атмосферы, так со стороны почвы. Атмосфера крупных мегаполисов воспринимает большое количество сернистого газа от перерабатываемого дизельного топлива и из выбросов промышленных предприятий. Кислые сернистые дожди, воздействуя на щелочную почву, способствуют образованию сульфатов щелочных металлов и прежде всего, сульфата натрия, наиболее распространенного в земной коре щелочного металла. С другой стороны загрязнение карьеров сульфатами обусловлено накоплением в почве продуктов разложения поверхностно-активных веществ – сульфонатов натрия (синтетические моющие средства, пластификаторы и пр.), поступающих из производственных и коммунальных сточных вод. Микроорганизмы почв, разлагая сульфонат, перерабатывают органическую часть молекулы, оставляя в грунтах минеральный сульфат натрия. Этой водорастворимой солью загрязнены соответственно и грунтовые воды, вымывающие сульфат натрия из почв.

Водорастворимые сульфаты калия и магния встречаются в грунтах значительно реже, в основном вблизи морских акваторий и магнезитовых жил.

Попадая в кирпич из сырьевой глиняной массы в процессе изготовления изделий или из грунтовых и талых вод при эксплуатации здания, соли постепенно начинают свою разрушительную работу. Капиллярно-пористая структура строительных материалов, способствует интенсивной миграции влаги в стенах сооружения. Реально мигрирует уже не вода, а солевой раствор, охватывающий значительные участки стен. Испаряя воду, раствор оставляет на поверхности солевые разводы, называемые высолами. Непривлекательный вид фасада – только малая часть тех факторов, которые могут нанести сооружению непоправимый вред. Рассмотрим основные моменты солевой агрессии.

Гигроскопичность солей

Соли магния, кальция и натрия имеют малые размеры катионных радиусов – табл. 1, поэтому легко притягивают значительные количества диполей воды.

Хлориды магния и кальция существуют в виде кристаллогидратов переменной структуры (символ «n» в таблице 1 имеет переменную величину), а сульфат натрия – в виде термодинамически устойчивого десятиводного кристаллогидрата Na₂SO₄^.10H₂O.

Ион калия в силу существенно большего значения ионного радиуса кристаллогидратов не образует.

 

Таблица 1. Гидратация катионов

Катион	Радиус иона, Å	Кристаллогидрат
Mg2+	0,61	MgCl2*nH2O
Са2+	1,02	CaCl2*nH2O
Na+	0,95	Na2SO4*10Н2О
K+	1,33	-

В зависимости от температуры и 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.

Сульфат магния	Сульфат натрия

На схемах указаны: шестиводный сульфат магния, где ион магния образует устойчивый октаэдрический кристаллогидрат, теряющий воду при 200^оС, и десятиводный кристаллогидрат сульфата натрия – плоская форма, теряет воду уже при 32^оС.

Гигроскопические свойства солей способствуют усиленному поглощению стенами влаги из воздуха, поэтому увлажнение кладки происходит даже в отсутствие подсоса грунтовых вод и действия атмосферных осадков. При отрицательных температурах давление льда разрушает тонкие межкапиллярные стенки, способствуя расширению и разветвлению поровой структуры кирпича.

Кристаллизация и гидратация солей

Учитывая неизбежность процессов гидратации солей, следует иметь в виду тот факт, что вода обладает сложной полимерной структурой, не соответствующей моноформуле Н2О. Ассоциаты полимерных форм в состоянии льда состоят из 5 молекул, а при переходе в жидкую фазу могут включать до 10 и более единичных молекул.

Вода с молекулярной массой, равной 18, по сравнению с другими, более высокомолекулярными жидкостями, например, близкими по структуре спиртами, имеет аномально высокие значения плотности и температуры кипения, аномально высокую величину поверхностного натяжения, определяющую её способность подниматься по капиллярам на значительную высоту. В отличие от всех других жидкостей плотность воды с переходом в твердую фазу не увеличивается, а уменьшается. Известно, что полимерная структура воды, нарушаемая при кипении, обусловлена наличием водородных связей, однако, только этот факт не объясняет ряда уникальных свойств воды.

Последние исследования с применением современных инструментальных методов свидетельствуют о весьма сложном строении макромолекул воды, где строго упорядоченные структуры ассоциатов центра окружены достаточно хаотичным распределением периферийных, менее упорядоченных ассоциатов.

 

Полимерная структура воды в разном агрегатном состоянии

Лёд	Вода

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

При насыщении кирпича влагой соли могут вновь растворяться и затем кристаллизоваться повторно. Кроме того, кристаллогидраты при температурах более 30^оС могут терять кристаллизационную воду полностью или частично (табл.2), вновь присоединяя ее в вечернее время с уходом солнца и повышением влажности.

Таблица 2. Потеря солями гидратационной воды

MgSO4*7H2O	150oC	MgSO4*6H2O	200oC	MgSO4*1H2O
Na2SO4*10Н2О	32,4oC	Na2SO4
Ca(NO3)2*4H2O	30oC	Ca(NO3)2*3H2O	100oC	Ca(NO3)2

Таблица иллюстрирует характерную особенность десятиводного сульфата натрия, полностью терять воду при температуре выше 32^оС. Возникающее при последующей гидратации кристаллизационное и гидратационное давление (табл.3), а также увеличение объема солевой массы за счет гидратации неизбежно приводят к явлениям отшелушивания, трещинообразования и постепенной деструкции кирпича. Если кирпич покрыт цементно-песчаной штукатуркой, возможны трещины и локальные отслоения штукатурки.

Таблица 3. Давление кристаллизации и гидратации сульфата натрия

Соль	Давление кристаллизации, МПа	Давление гидратации, МПа
Na2SO4*10Н2О	7,2 (0OC); 8,3 (50оС)	98,2 (0оС)*; 67,4 (20оС)*
Na2SO4	29,2 (0оС); 34,5 (50оС)

* - при 100% относительной влажности воздуха

Выход солей на поверхность фасадов – процесс неизбежный, поскольку соли мигрируют навстречу влаге, стремясь к образованию своей термодинамически устойчивой модификации – кристаллогидрату. Будучи водорастворимыми, они вымываются атмосферными осадками, освобождая место новым порциям солей, которые, вымываясь в свою очередь, способствуют многократному развитию сети капилляров и пор. Увеличивающееся водопоглощение создает серьезную угрозу замораживания-размораживания и соответственно – разрушения кирпичной массы

Удаление солей

Удалить водорастворимые соли систематической водоструйной обработкой стен не представляется возможным, ибо процесс выхода солей на поверхность носит перманентный характер. Сильное увлажнение кирпичной кладки нежелательно.

Как очистить кирпич в этом случае? Ни в коем случае нельзя прибегать к советам непрофессионалов, например отмывать фасад растворами соляной кислоты. Соляная кислота разрушает кладочную смесь, сильно открывает поры кирпича, и миграция солей на поверхность лишь усиливается, при этом вносится дополнительное количество хлор-ионов.

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, который, конденсируясь на границе раздела, может привести к отслоению штукатурки и намоканию несущих стен.

Применение гидрофобных, пористых, трещиностойких штукатурок создает реальную возможность долговечной защиты фасада. Такие штукатурки называются санирующими или осушающими. Приготовленные на легких заполнителях (вспученные минеральные и органические материалы – керамзит, перлит, полистирол, стекловолокно) и содержащие специальные добавки известково-цементные штукатурки содержат до 40% воздушных гидрофобизованных пор. Объемная масса свежего штукатурного раствора равна примерно единице. Они не принимают на себя функций несущих конструкций и не деформируются 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.

Отдельно следует остановиться на такой важнейшей характеристике санирующих штукатурок, как коэффициент диффузионного сопротивления давлению водяного пара µ.

Таблица 4. Значения µ для некоторых материалов

Материал	Коффициент сопротивления диффузии водяного пара, µ
Алюминий	1 000 000
Цементно-песчаные смеси	До 10 000
Обмазочная гидроизоляция AQUAFIN на цементной основе	1000 – 1500
Cанирующие штукатурки	12 - 15

Следует отметить, что указанный коэффициент, используемый для характеристики сухих смесей, производимых в Германии, является величиной относительной, не имеющей размерности. Российские сухие смеси характеризуются коэффициентом паропроницаемости, размерностью мг/м.ч.Па, который для санирующих штукатурок варьируется в пределах 0,02 для внутренних помещений и 0,03 – для наружных работ.

Санирующие штукатурки признаны в настоящее время лучшей защитой от влаги при наличии в кладке гидрофильных (гигроскопических) солей. В данных условиях без специальных франкирующих мероприятий (флюатирование) не спасает применение отсечной горизонтальной или вертикальной гидроизоляции.

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

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

б) обработать фасад гидрофобизирующей жидкостью. Как правило, это кремнийорганические композиции в виде растворов или водных дисперсий. Активная часть композиции отверждается под действием влаги и углекислого газа воздуха, 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. Такие жидкости быстро обеспечивают водоотталкивающий эффект. В результате гидрофобизации капли воды скатываются с фасада, не впитываясь в материал, а глубинные соли не имеют возможности выхода на поверхность. Кирпич защищен от кристаллизации и гидратации солей, от процессов замораживания-размораживания, а, следовательно, и от разрушения.

Защита фасада от подъёма грунтовых вод?

Объемная (отсечная) гидроизоляция – один из наиболее эффективных способов защиты от грунтовой влаги и растворенных в ней солей. Метод основан на инъектировании в материал кладки соответствующих жидкостей и химических процессах твердения либо под влиянием атмосферных условий, либо за счет реакций с составляющими строительного материала. Во втором случае чрезвычайно важно знать, возможны ли химические реакции с компонентами материала в данном конкретном сооружении. Реакционноспособной составляющей известковой или цементной композиции является гидроксид кальция – свободная известь. Поэтому действие агентов объемной гидроизолирующей системы направлено именно на реакцию с известью с целью связывания ее в труднорастворимые кальциевые гидросиликаты, закупоривающие капилляры или сужающие их диаметр (на схеме ниже примеры 2 и 3):

K₂SiO₃ + Ca²⁺ + Н₂О----------------- CaSiO₃*Н₂О  + K⁺

Na₂SiO₃ + Ca²⁺ + Н₂О----------------- CaSiO₃*Н₂О + Na⁺

Применение отсечной гидроизоляции требует данных о наличии свободной извести в материале, находящемся в условиях длительной эксплуатации. Если рН водной вытяжки образцов материала (кладочного раствора) не превышает величин 8 -9, то свободная известь большей частью карбонизована в известняк СаСО₃, и это не способствует ни адгезии, ни тем более - химической реакции

Наличие свободной извести существенно важно для старых известковых кладок, защищаемых с помощью инъекций растворами жидкого стекла. Химическая реакция с образованием гидросиликата не проходит вследствие недостатка извести – основная её масса присутствует в форме карбоната кальция. Тогда вводимые силикаты щелочных металлов лишь увеличивают содержание в кладке водорастворимых солей, что особенно опасно в случае солей натрия.

Самопроизвольный гидролиз щелочных силикатов в присутствии влаги с образованием труднорастворимой метакремневой кислоты протекает очень медленно и может быть ускорен лишь в кислой среде, нереальной для кладки.

SiO₃^2- +  2HOH ----------- H₂SiO₃ + 2OH^-

При недостатке свободной извести в материале необходимо вводить ее в составе специальных известково-цементных трассовых растворов, создавая базу для химической реакции с жидким стеклом - силикатом калия

С точки зрения механизма взаимодействия со свободной известью принципиальных различий между силикатами калия и натрия не существует. Однако, силикат натрия существенно повышает содержание в кладке ионов натрия, которые как уже было сказано выше склонны к гидратации и в виде сульфатных образований повреждают кирпич. Силикат натрия дешевле и экономически зачастую более приемлем, однако, вопросы поражения кирпича гигроскопичными натриевыми солями при этом не принимаются во внимание.

Если для инъектирования используются кремнийорганические соединения, твердеющие на воздухе самопроизвольно, то соответственно наличие свободной извести в материале не является обязательным. Кремнийорганические составы, особенно на полисилоксановой основе, достаточно быстро отверждаются, образуя тонкие водонепроницаемые, но паропроницаемые пленки, гидрофобизующие стенки капилляров (на схеме пример 4). В разбавленных водных эмульсиях микрочастицы полисилоксана могут достигать размеров 40 – 70 нм, что позволяет им заполнять и очень тонкие капилляры.

Присутствие свободной извести в ряде случаев играет положительную роль, поскольку способствует выделению труднорастворимых алкилсиликатов кальция. При этом имеет место синэнергетический эффект сужения диаметра и гидрофобизации стенок капилляров (на схеме пример 5).

Схема изменения капиллярных проходов при отсечной гидроизоляции

 

1.Заполненные водой капилляры	2.Закупорка или кольматация капилляров	3.Сужение диаметра капилляров	4.Гидрофобизация стенок капилляров	5.Сужение диаметра и гидрофобизация стенок

Легкие (плотность около единицы), низковязкие кремнийорганические эмульсии могут быть использованы для отсечной гидроизоляции кирпичных и бетонных сооружений.

 

Яковлева М.Я. канд. хим. наук

Эксперт ЗАО «АСОКА», г. Москва