CC BY
47
УДК 669.9.015
В. В. Бабков (д.т.н., проф.), А. И. Габитов (д.т.н., проф.), А. Е. Чуйкин (к.т.н., доц.), А. В. Мохов (асп.)
Процессы высолообразования щелочной природы на фасадах зданий из вибропрессованных бетонных блоков
Уфимский государственный нефтяной технический университет кафедра строительных конструкций 450080, г. Уфа, ул. Менделеева, 195 тел. (347) 228-22-00, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
V. V. Babkov, A. I.Gabitov, A. E.Chujkin, A. V. Моkhov
Salt-formation processes by the alkaline nature on facade of buildings from vibrocompacted concrete blocks
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleyeva Str, 450080, Ufa, Russia; р^ (347) 2282200, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected] mailto:[email protected]
Проанализирована роль щелочей в циклических процессах высолообразования на поверхности наружных стен зданий из вибропрессованных бетонных блоков. Приведен расчет объемных изменений твердофазных продуктов в реакциях гидратации и карбонизации щелочей, протекающих в процессах высолообразования.
Ключевые слова: вибропрессованный бетонный блок; высол; высолообразование; твердофазный продукт; щелочь.
The role of alkalis in cyclic salt-formation processes on a surface of external walls of buildings from vibrocompacted concrete blocks is analysed. Calculation of volumetric changes solid products in reactions of hydration and carbonation the alkalis proceeding in saltformation processes is resulted.
Key words: alkali; salt; salt-formation; solid product; vibrocompacted concrete block.
Одним из главных источников высолообразования на поверхностях наружных стен зданий из вибропрессованных бетонных блоков являются едкие щелочи и соли щелочных металлов, обладающие высокой растворимостью 1 2. Содержание щелочей в цементах, производимых предприятиями Республики Башкортостан и Южного Урала, достигает 1.5—2.5 % в пересчете на Ыа20, что в значительной степени связано с практикой возврата цементной пыли в технологический цикл в целях повышения выхода конечной продукции.
Щелочи в значительных количествах образуются также при взаимодействии с клинкерными составляющими цемента и продуктами его гидратации противоморозных добавок ЫаМ02, К2С03, добавок — ускорителей твердения Ма2804, СаС12, используемых в кладочных растворах при ведении работ в зимних условиях. Вступая в химические реакции с С3А (минерал состава ЗСаО . БЮ2) портландцемента и продуктом гидратации силикатных
Дата поступления 01.02.10
фаз цемента Са(ОН)2, названные добавки частично связываются в практически нерастворимые двойные соли, при этом катионы добавок Ыа+, К+ в присутствии воды образуют значительные количества высокорастворимых щелочей. Выполненный нами количественный анализ этих процессов показал, что объем выхода щелочей в этих реакциях составляет 56—81 % от массы химически взаимодействующей добавки 3 4, что при дозировках добавок до 10— 12 % от массы цемента делает их источником резкого повышения содержания щелочей в кладочных растворах.
Химическое взаимодействие щелочей с водой и углекислым газом воздуха в сочетании с миграционными процессами перемещения растворов щелочей в направлении открытой поверхности обусловливает процессы высоло-образования, а также механическое воздействие продуктов карбонизации и гидратации карбонатов на структуру кладочных материалов и кладочных растворов.
Картина этих воздействий и их многоцик-ловый характер представлены в табл. 1.
Данные табл. 1 указывают на то, что после затворения цементной композиции водой и гидратации оксидов Ыа2О и К2О, с образованием гидроксидов ЫаОН, КОН и их растворов в условиях осушения внешней поверхности происходит миграция растворов щелочей к наружной поверхности. Последующее осушение поверхности обусловливает образование высо-лов белого цвета в виде щелочей ЫаОН, КОН. Далее реализуются процессы карбонизации щелочей с образованием Ыа2СО3, К2СО3, при этом продукт Ыа2СО3 имеет белый тон и сохраняет цветовой тон высолов 5.
Можно предположить, что если на этой стадии поверхность стены из вибропрессованных бетонных блоков находится на достаточно длительном временном интервале в условиях жаркой и сухой погоды, то произойдет фиксация высолов в виде комбинации сухих продуктов ЫаОН, КОН, Ыа2СО3, К2СО3 белого тона на поверхности стены. В этих условиях будет происходить также осушение (обезвоживание) поверхностных слоев кладки и высвобождение капиллярной пористости конструкционного материала кладки от капиллярной влаги.
Последующее замачивание стены косым дождем обусловит растворение высокорастворимых ЫаОН, КОН, К2СО3, Ыа2СО3 (табл. 1) и их возврат в объем кладки наружной стены
по механизму капиллярного подсоса. Этот механизм выхода высолов на поверхность и их возврат в сочетании с определенной степенью смыва дождем и сдува ветром части продуктов высолообразования может повторяться многократно 6 7.
Другая возможность развития процесса связана с гидратацией карбонатов натрия и калия в присутствии избытка капиллярной влаги, мигрирующей вместе с растворами щелочей, а также влаги дождевания. При этом продукты гидратации в значительной степени обесцвечиваются. Процессы гидратации представлены несколькими реакциями в табл. 1. Особенность этих процессов — образование продуктов с большим коэффициентом увеличения объема твердой фазы (до 1.5—5.3 раз по нашим расчетам, табл. 1), что для поверхностных слоев конструкционного материала будет сочетаться с механическим воздействием кристаллов Ыа2СО3 • (7-10)Н2О, К2СО3 • (1-1.5)Н2О и в условиях многократной повторяемости цикла приведет со временем к деструкции поверхностных слоев кладки.
Для реакции взаимодействия одного твердофазного продукта с водой и газом с образованием в результате химического взаимодействия нового твердофазного продукта коэффициент увеличения (изменения) объема твердой фазы и0 может быть рассчитан в соответствии с зависимостью:
Таблица 1
Объемные изменения в реакциях гидратации и карбонизации щелочей и характеристика продуктов реакций по растворимости и цвету
№ реакции Химическая реакция Коэффициент увеличения объема твердой фазы £ь Цвет продукта реакции Растворимость продуктов реакции в воде при 20 оС, г/100 г воды
По оксиду кальция СаО
1 СаО + Н2О ^ Са(ОН)2 1.986 - 0.148
2 Са(ОН)2 + СО2 ^ СаСОз + Н2О 1.116 - 0.0065
По оксиду натрия Иа2О
1 №20 + Н2О ^ 2№ОН 1.448 белый 107
2 2№ОН + СО2 ^ №2СОз + Н2О 1.115 белый 21.5
3 2№ОН + СО2 ^ №2СОз • Н2О 1.467 белый 48.5 бв
4 2№ОН + СО2 + 6Н2О ^ №2СОз • 7Н2О 4.092 бц Р.
5 2№ОН + СО2 + 9Н2О ^ №2СОз • 1ОН2О 5.269 бц 6.95 бв
По оксиду калия К2О
1 К2О + Н2О ^ 2КОН 1.352 белый 95.3
2 2КОН + СО2 ^ К2СО3 + Н2О 1.037 бц 111
3 2КОН + СО2 +Н2О ^ К2СО3 • Н2О бц 198
4 4КОН + 2СО2 + Н2О ^ 2К2СО3 • ЗН2О 1.47 бц 169
Примечание: бв — по безводному продукту, бц — бесцветный продукт
и = ту -Ух 1 тх ■ У у>
где тх и ту — соответственно молекулярные массы исходного и вновь образованного твердофазных продуктов в соответствии со стехиометрией реакции;
Ух и уу — соответствующие плотности твердофазных продуктов, г/см3.
По этой методике были рассчитаны объемные изменения твердофазных продуктов в химических реакциях, представленных в табл. 1.
В условиях осушения наружной поверхности будет происходить дегидратация гидрокарбонатных фаз с многообразным характером проявления и утраты цветового тона высолов.
Описанные выше процессы высолообразо-вания, характеризующиеся цикличностью и повторяемостью, были подтверждены моделированием в лабораторных условиях, а также данными натурных наблюдений на кладках из вибропрессованных бетонных блоков.
На рис. 1а, д представлена картина выхода высолов из вибропрессованного (бессеровс-кого) стенового бетонного блока на портландцементе ПЦ 500 с высоким содержанием оксидов Ыа20 + К20 (около 2% от массы цемента в пересчете на Ыа20) при доминирующем объеме в сумме оксидов Ыа20. Картина высо-лов получена при увлажнении образца, помещенного в ванну с водой по механизму капиллярного подсоса с выносом высолов на поверхность по границе сухой и полностью увлажненной зон образца.
Минералогический состав высолов по данным количественного анализа представлял в основном комбинацию карбонатов и щелочей (в пересчете на Ыа2С03 и ЫаОИ в соотношении 4.9 : 1, некоторого количества сульфата натрия и кальцита).
После фронтального осушения образца при температуре ~35—40 оС, моделировавшего период теплой сухой погоды, и высвобождения от влаги капиллярного пространства
6. пигмент Коричневый
Б. пигмент Коричневый
6. ли^мен* Коричневый
ж
Рис. 1. Иллюстрация цикличности процессов высолообразования в виде комбинации щелочей и их карбонатов
б
а
г
д
е
и
цементного камня, образец помещался в горизонтальное положение, и зона высолообразо-вания подвергалась 2—3-кратному умеренному замачиванию пульверизацией, имитирующему воздействие на наружную стену здания косого дождя.
Смачивание продуктов высолообразова-ния в силу их высокой растворимости (21.6—111 г/100 г воды для щелочей и карбонатов натрия и калия 6) обусловило их растворение и возврат в объем образца по тому же механизму капиллярного подсоса. При этом поверхность образца практически полностью очищалась от высолов (рис. 1б, е).
Далее образец выдерживался при комнатной температуре в целях частичного обезвоживания раствора карбонатов и щелочей и повторно помещался в ванну с водой (рис. 1в, ж) с целью реализации второго цикла высолооб-разования. Интенсивное проявление этого второго цикла после 10 дней выдержки очевидно на образцах (блоках), приведенных на рис. 1г, и.
Эксперименты проводились на объемно-окрашенных минеральными нерастворимыми в воде пигментами облицовочных (лицевых) блоках в силу того, что именно для этой категории изделий важной является проблема вы-солообразования и поиск способов ее блокировки.
Литература
1. Бабков В. В., Климов В. П., Сахибгареев Р. Р., Чуйкин А. Е. и др. // Строительные материалы.- 2007. №8.- С. 74.
2. Розанталь Н. К., Чехний Г. В. Причины образования и методы предупреждения образования высолов на поверхности строительных конструкций // Материалы 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона «Бетон на рубеже третьего тысячелетия». - М.-2001.- Том 3.- С. 1444.
3. Бабков В. В., Габитов А. И., Чуйкин А. Е., Мохов А. В. и др. // Строительные материалы.- 2008.- №3.- С. 2.
4. Бабков В. В., Габитов А. И., Чуйкин А. Е. и др. // Баш. хим. ж.- 2007.- Т. 14, №5.- С. 156.
5. Мулюков Э. И. Щелочное набухание и защела-чивание грунтов // Труды международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство».- С.-Петербург.- 2008.- Том 4.- С. 631.
6. Бабков В. В., Мохов А. В., Гареев Р. Р., и др. Цикличность процессов высолообразования на поверхностях наружных стен зданий из штучных стеновых материалов // Материалы XIII Международной научно-технической конференции «Архитектура. Строительство. Коммунальное хозяйство-2009», Том 1.- Уфа, 2009.- С. 93-95.
7. Бабков В. В., Мохов А. В., Самофеев Н. С. Щелочи в процессах высолообразования на поверхностях наружных стен зданий // Материалы 67-й научно-технической конференции МГТУ им. Г. И. Носова, Магнитогорск.- 2009.-С. 62.
