Физико-химические процессы, происходящие в структуре силикатного кирпича в цикле эксплуатации наружных стен зданий

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 711. 168
В. В. Бабков (д.т.н., проф.), А. И. Габитов (д. т. н., проф.), Н. С. Самофеев (асп.)
Физико-химические процессы, происходящие в структуре силикатного кирпича в цикле эксплуатации наружных стен зданий
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра строительных конструкций 450 080, г. Уфа, ул. Менделеева, 195- тел (347) 2 282 200, e-mail: azat7@ufanet. ru, bio@rusoil. net
V. V. Babkov, A. I. Gabitov, N. S. Samofeev
The physical and chemical processes occurring in structure of a silicate brick in a operation cycle of external walls of buildings
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleyeva str., 450 080, Ufa, Russia- ph. (347)2282200, e-mail: azat7@ufanet. ru, bio@rusoil. net
Проанализированы деструктивные процессы физико-химической природы, протекающие в структуре кирпича наружных стен жилых домов постройки 1940−2010 гг. в г. Уфе.
Ключевые слова: карбонизация структурообразующих гидросиликатных фаз- поврежден-ность наружных стен- уровни санации- эксплуатационная надежность.
Одним из основных строительных материалов, применяющихся в современном жилищном строительстве, является силикатный кирпич. Его массовое применение в 1940—1970 гг. в СССР связано с ростом индустриализации и необходимостью быстрого решения жилищной проблемы в послевоенные годы. В крупных городах Республики Башкортостан значительная часть жилого фонда (около 25- 30%), также реализована в этом материале. Первые заводы в Уфе, начавшие выпуск силикатного кирпича, действуют с начала XX века. Очевидно, что данный материал имеет сравнительно небольшую историю использования в климатических условиях республики, что требует оценки состояния этого материала в наружных стенах зданий. Стоит отметить, что построенные в 1940—1970 гг. жилые здания не соответствуют современным теплотехническим нормам по уровню теплозащитных характеристик ограждающих конструкций, что предопределяет их моральный износ.
Первичная оценка физического состояния наружных стен жилых домов в г. Уфе постройки 1940−1970 гг. проведена специалистами кафедры «Строительные конструкции» УГН-ТУ на основе визуального и инструментального осмотров слоя наружных стен с выявлением
Дата поступления 29. 03. 11
The destructive processes by physical and chemical nature proceeding in structure of a brick of external walls of houses constructed in 1940- 2010 in Ufa are analysed.
Key words: carbonation of structure formation hydrosilicate phases- damage of external walls- sanitation levels- operational reliability.
имеющихся дефектов и повреждений. На основе этих обследований авторами было предложено ранжирование категорий объектов по степени поврежденности ограждающих стеновых конструкций (табл. 1), а также выявлены основные деструктурирующие факторы, воздействующие на силикатный кирпич в конструкции наружных стен:
1) Попеременное увлажнение и высушивание наружного поверхностного слоя кирпича. При действии этого фактора в материале возникают неравномерные в объеме деформации набухания-усадки, обусловленные действием механизма сорбции-десорбции, а также напряжения капиллярного стягивания, что приводит к развитию внутренних напряжений и локальным структурным повреждениям, деструкции материала. Влагостойкость материала против действия этого фактора зависит от амплитуды и числа циклов попеременного увлажнения и высушивания.
2) Попеременное замораживание-оттаивание поверхностного слоя. При отрицательных температурах во влажном капиллярно-пористом материале, каким является силикатный кирпич, происходят фазовые превращения жидкой поровой влаги. Определенная ее доля переходит в лед с 9%-ным увеличением объе-
Таблица 1
Ранжирование категорий поврежденности наружных стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940−1970 гг.
Категории поврежденности наружных стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940−1970 гг.
Характеристика поврежденности стеновых конструкций в соответствии с категорией поврежденности Наличие косых и вертикальных температур-но-усадочных трещин в подоконных зонах первого этажа с раскрытием до 5−6 мм, силовых трещин протяженностью до 8 рядов кладки- наличие разрушения кладки в под-карнизных зонах, разрушение камня до 8−10 мм и выветривание раствора из тела кладки на площади до 50% и глубину до 20−30 мм. Температурно-влажностный режим в квартирах нарушен с понижением температуры в зимний период до 10−15 °С Наличие косых температурно-усадочных трещин в подоконных зонах первого этажа до 3−4 мм, наличие зон намокания кладки в подкарнизных зонах с поверхностным шелушением и разрушением камня до 3−4 мм. Температурно-влажностный режим в квартирах удовлетворительный
Состояние конструкций в соответствии с СП 13−102−2003 Ограниченно работоспособное Работоспособное
Удельный вес жилого фонда по рассматриваемой категории домов, % (для г. Уфа) ~5−8 ~20−25
Остаточный ресурс, лет 15−20 30−40
?Область взятия проб |
1) 1940-е гг.
: 1 23 450 789. '-
2) 1970-е гг.
Область взятия проб


3) 2010 г.
Рис. 1. Тестируемые образцы силикатного кирпича (1940-х, 1970-х, 2010 гг.)
ма. При этом носитель прочности — твердая фаза испытывает давление льда и гидростатическое давление еще не замерзшей воды, захваченной льдом, блокирующим ее выход в резервные поры.
Этот механизм реализуется в виде многократных повторных воздействий с накоплением локальных повреждений и снижением прочности. Реализуется в поверхностных слоях наружной зоны кладки при ее периодическом переувлажнении выше сорбционной влажности с полной деструкцией этих слоев.
3) Карбонизация структурообразующих фаз. Химическое взаимодействие СО2 воздушной среды, для которой достаточно доступна пористая структура силикатного кирпича, с носителем прочности и водостойкости материала — кристаллами и кристаллитами
гидросиликатов кальция (как правило, низкоосновными в возрасте свыше 20 лет) приводит к карбонизации гидросиликатных фаз с образованием кальцита СаСО3 при выделении кремнекислоты и потерей объема носителя прочности — кристаллической фазы. Химическое взаимодействие ускоряется при увлажнении и при полном осушении.
Диагностика физико-химических и физико-механических параметров, связанных с уровнем эксплуатационной надежности силикатного кирпича в составе стены, проведена на образцах 1940-х, 1970-х и 2000-х гг (рис. 1.).
Измерение щелочности среды в объеме образцов (рис. 2) показало снижение уровня РН в водной вытяжке кирпича с 12.5 (образец 2010 г.) до 7.9 (образец 1940-х гг.).
Таблица 2
Перекристаллизация и объемные изменения в структурообразующих гидросиликатных фазах силикатного кирпича при карбонизации
Исходные продукты до карбонизации Продукты карбонизации Коэффициент Коэффициент
Реакции карбонизации Моле- Кристалл ические Вся твердая фаза изменения объема кри-сталличе-ской фазы изменения объема всей твердой фазы
кулярная масса, тх, г Плотность, Рх, г/смз Молекулярная масса, ту, г Плотность, Ру, г/смз Молекулярная масса, ту, г Плотность, Ру'-, г/смз
1 Са (ОН)2 + СО2 =& gt- СаСОз + Н2О 74. 09 2. 2з 100. 09 2. 71 — - 1. 111 1. 11
2. 1(гиллебрандит) =& gt- (ксонотлит) 6С2БН1. 17 + 6СО2 =& gt- =& gt-СбБбН+6СаСОз + 6Н 1159.8 2. 64 714. 96 600. 54 2. 69 2. 71 — - 1. 11 1. 11
2.2 (ксонотлит) С6Б6Н + 6СаСОз + 6Н + 6СО2 =& gt- =& gt-12СаСОз + 6БЮ2 + 7Н — - 1201.1 2. 71 з60. 54 2. з2 1. 01 1. з6
3.1 (фошагит) =& gt- (ксонотлит) 2С5БзН з + 4СО2 =& gt- =& gt- С6Б6Н + 4СаСОз + 5Н 1029. 28 2. 67 714. 96 400. з6 2. 69 2. 71 — - 1 07з 1. 07з
з.2 (ксонотлит) С6Б6Н + 4СаСОз + 5Н + 6СО2 =& gt- ЮСаСОз + 6БЮ2 + 6Н — - 1000.1 2. 71 з60. 54 2. з2 0. 957 1. з6
4.1 (афвиллит) =& gt- (ксонотлит) зСзБ2Н. з + зСО2 =& gt- =& gt- С6Б6Н + зСаСОз + 8Н 1027. 14 2. 64 714. 96 з00. 27 2. 69 2. 71 — - 0. 994 0. 994
4.2 (ксонотлит) С6Б6Н + зСаСОз + 8Н + 6СО2 =& gt- =& gt- 9СаСОз + 6БЮ2 + 9Н — - 600. 54 2. 71 з60. 54 2. з2 0. 877 1. 28
5 (ксонотлит) С6Б6Н + 6СО2 =& gt- =& gt-6СаСОз + 6БЮ2 + Н 714. 96 2. 69 600. 54 2. 71 з64.8 2. з2 0. 8з4 1. 425
6 (риверсайдит) С5Б6Нз + 5СО2 =& gt- =& gt- 5СаСОз + 6БЮ2 +Нз 694. 98 2.6 500. 45 2. 71 з64.8 2. з2 0. 691 1. 279
7 (тоберморит) С6Б5Н55 + 5СО2=& gt- =& gt-5СаСОз+6БЮ2+5. 5Н2О 7з9.8 2. 4з 500. 45 2. 71 з64.8 2. з2 0. 606 1. 12з
8 (гиролит) С2БзН2,5 + 2СО2 =& gt- =& gt-2СаСОз + зБЮ2 +Н2.5 з28.4 2.4 200. 18 2. 71 180. 27 2. з2 0. 54 1. 108
Рис. 2. Результаты измерения уровня рН водной вытяжки тестируемых образцов силикатного кирпича (рН-метр Анион-7000)
Рентгенофазовым анализом установлено изменение содержания кальцита (СаСО3) в материале кирпича и кладочного цементно-песчаного раствора с увеличением интенсивно-
сти пиков в более ранних образцах, что отражает происходящие процессы карбонизации в кирпиче и растворе. Минералогический состав силикатного кирпича 1940-х и 1970-х гг. по данным рентгенофазового анализа по основной структурообразующей фазе представлен низкоосновными гидросиликатами кальция (ксонотлит (СбSбH), тоберморит (С5 $ 6Н5. 5), гиролит (С2S3H2. 5)) с соотношением СаО/ SiO2 менее 1, кальцитом и а-кварцем. Минералогический состав «молодого» (2010 г.) кирпича представлен в большей степени средне — и высокоосновными гидросиликатами (гиллер-брандит (С^Н117), фошагит (2С5S3H. 3), аф-виллит (С^2Н. 3)) со степенью основности более 1, кальцитом и а-кварцем. Качественное увеличение низкоосновных гидросиликатов и
Сечение II — II

-и--^-, 640, 120
и 4 Атмосфер ^ ^^Улнца

(3) 60(4) 120 мм
Внешняя сторона тычка
5
4
3
Рис. 3. Распределение прочности по сечениям единичного кирпича (образец 1970-х гг)
кальцита в более «зрелом» кирпиче характеризуется 2-х стадийным протеканием перекристаллизации высокоосновных гидросиликатов кальция под влиянием СО2 в низкоосновные и кальцит 1'-2. Перекристаллизация основных структурообразующих фаз силикатного кирпича представлена в табл. 2.
Анализ измерения прочностных характеристик, проведенных на образцах 1970-х гг., показал изменение прочности с ее увеличением в приповерхностных слоях кирпича ложкового ряда облицовочного слоя. Увеличение прочности объясняется уплотнением структуры приповерхностного слоя за счет карбонизации и кольматации порового пространства в этой области кирпича. При этом прочность материала приповерхностного слоя оказалась выше исходной марочной прочности кирпича на сжатие по ГОСТ 8462–85 на 10−15% (рис. 3,4).
14. 2
11. 6
9. 6
0. 4




40 гг 70 гг 2010 г
Рис. 4. Результаты измерения марочной прочности облицовочного силикатного кирпича:? — прочность приповерхностного слоя облицовочного кирпича (Оникс-2. 5) — Л — прочность на сжатие образцов по ГОСТ 8462–85.
Глубина полностью деструктированного слоя по данным натурных обследований элементов кладки, вызванного попеременным замачиванием — осушением в летний и замораживанием-оттаиванием в переходные периоды (осень-зима, зима-весна), на объектах 1970-х гг. составила 3−4 мм, на объектах 1940-хх — 8−10 мм.
На объектах 1940-х гг., имеющих дефекты и повреждения, соответствующие 1 категории поврежденности наружных стен (табл. 1), без принятия защитных мероприятий, через 10−15 лет состояние кирпича ухудшиться до критического, глубина деструктированного слоя будет расти более интенсивно и, учитывая повышающееся влагопоглощение, объем влаги аккумулирующийся в объеме материала негативно повлияет не только на его прочностные, но и на теплотехнические характеристики.
С целью сохранения остаточного ресурса и повышения эксплуатационной надежности поврежденных наружных стен жилых зданий, рекомендуются следующие уровни санации:
I. Радикальный. Включает ремонт крупных дефектов и поврежденной поверхности наружной стены, утепление с использованием беспрессового или экструдированного пенопо-листирола с исполнением противопожарных рассечек и последующим исполнением многослойной гидроизоляционной защиты.
II. Умеренный. Включает восстановление фактуры и гидроизоляционных качеств поверхности наружной стены, ремонт дефектов на фасаде и установку гидроизоляции.
Таблица 3
Пример оценки прогнозируемых сроков остаточной долговечности наружных и внутренних стен жилых домов на основе силикатного кирпича постройки 1940−1970 гг в г. Уфа по
состоянию на 2010 г.
Ol Z Объект (улица, номер дома) Материал наружных стен Год постройки Уровень повреждения наружных стен в соответствии с принятой классификацией Уровень санации, реализованной на объекте Нормативный эксплутацион-ный ресурс стен, лет* Прогнозируемый остаточный ресурс стен до проведения санации, лет Прогнозируемый остаточный ресурс наружных стен после проведения санации, лет
наружные внутренние
1 Пр. Октября, 11 8 силикатный кирпич 1976 II II 125 -20−25 ~85 — 55
2 Конституции, 1 3 силикатный кирпич 1949 I II 125 — 15 ~60 — 35
3 Достоевского, 102/1 силикатный кирпич 1964 II I + II 125 — 40 ~75 — 65
4 Мира, 1 5 силикатный кирпич 1954 I II 125 -15 ~70 — 45
5 Пр. Октября, 82 силикатный кирпич 1968 II II 125 — 20 ~80 — 45
6 Кольцевая 34а силикатный кирпич 1935 I I 125 -10 ~50 — 50
7 Кольцевая 36 а силикатный кирпич 1938 I I 125 -15 ~55 — 55
8 Архитектурная 20 силикатный кирпич 1942 II II 125 -10 ~60 — 25
9 Калинина, 42 силикатный кирпич 1955 I II 125 -15 ~65 — 35
10 Кустарная 35/37 силикатный кирпич 1976 II III 125 — 20 ~85 — 35
* - СТО 44 807−001−2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий» (стандарт РОИС).
III. Упрощенный. Включает устранение дефектов путем шпаклевки, рихтовки и нанесение глубокопроникающего гидрофобизатора методом пульверизации или кистеванием.
Ожидаемый ресурс продления надежной работы наружной стены после качественной реализации работ по I уровню санации составит не менее 60−70 лет, для II уровня не менее 30 (пример оценки продления остаточной долговечности наружных стен приведен в табл. 3).
Механизм защиты наружной стены для всех трех уровней санации предполагает, прежде всего, ее защиту от атмосферных воздействий, которые наиболее существенным образом влияют на деструктивные процессы в материале, однако радикальный уровень санации, включающий термомодернизацию ограждающей стеновой конструкции, позволяет так-
же перевести конструктив наружной стены в комфортный режим работы в годовом цикле эксплуатации при снижении затрат на отопление до 40−50%.
Предлагаемые уровни санации апробированы в городах Республики Башкортостан в рамках Республиканской программы по капитальному ремонту многоквартирных жилых домов, реализованной в 2008—2010 гг. с участием авторов.
Литература
1. Силаенков Е. С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов.- М.: Стройиздат, 1986.- 176 с.
2. Бабков В. В., Мохов В. Н., Капитонов С. М., Комохов П. Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. — Уфа: ГУП"Уфимс-кий полиграфкомбинат", 2002.- 376 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой