К физическим факторам относятся:
- температурные колебания окружающей среды;
- влажностные колебания среды;
- кристаллизация солей с увеличением объема в порах и капиллярах камней;
- подсос агрессивной среды внутрь бетона за счет осмотического давления.
К химическим факторам коррозии каменных и бетонных материалов относятся:
- химическое воздействие агрессивных сред: водной, газообразной, органических веществ;
- химическая природа составляющих компонентов бетонов и цементных растворов.
Каменными называют конструкции, выполняемые из каменной кладки, состоящей из природных или искусственных камней, соединяемых между собой раствором.
В армокаменных конструкциях с целью повышения несущей способности применяется стальная арматура.
Каменные материалы различают:
1. По происхождению - природные и искусственные;
2. Величине - кирпич высотой 65, 88 и 103 мм, крупные блоки и панели высотой 500 мм и более;
3. Структуре - сплошные, пустотелые, пористые;
4. Пределу прочности:
- камни малой прочности, марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35 и 50 (кгс/см2) (сырцовый кирпич, слабые известняки, легкий кирпич);
- камни средней прочности, марки: 75, 100, 125, 150, 200 (кгс/см2) (обычный кирпич, бетонные и природные камни);
- камни высокой прочности, марки: 250, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000 (кгс/см2) (клинкерный кирпич, бетонные и тяжелые природные камни);
5. Морозостойкости: F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300.
Морозостойкость определяется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживает образец без снижения прочности более чем на 25 % от первоначальной.
Долговечность каменных материалов зависит от морозостойкости и определяется сроком службы конструкций без снижения эксплуатационных свойств.
Строительные нормы устанавливают три срока службы каменных конструкций: 100, 50 и 25 лет.
Растворы для каменных кладок:
1. При плотности массы в сухом состоянии 1500 кг/м3 и более растворы относят к тяжелым; до 1500 кг/м3 - к легким. В тяжелых растворах применяются плотные заполнители, в легких - пористые.
2. По пределу прочности на кубиках с размерами сторон 7.07 см устанавливаются марки растворов: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200 (кгс/см2).
3. По виду вяжущих различают цементные, известковые и смешанные (цементно-известковые и цементно-глиняные) растворы. Известь и глина являются пластификаторами, обеспечивающими удобную укладку раствора, отчего швы кладки заполняются более равномерно и повышается прочность кладки. Расчетные сопротивления кладки на “жестком” цементном растворе ниже на 15 %, чем на смешанных растворах.
При сжатии кладки в кирпиче возникают не только напряжения сжатия, но и изгиба, растяжения и среза. Это происходит из-за того, что кирпич опирается не всей поверхностью, а только участками по причине неровности поверхностей кирпича и разной толщины раствора. Сжимающие силы, действующие через раствор на кирпич сверху и снизу, не совпадают. Поэтому в кирпиче возникают напряжения изгиба и среза.
Модуль упругости кирпича больше модуля упругости раствора. Поэтому менее жесткий раствор выжимается из швов и тянет за собой кирпич, разрывая его. Для уменьшения растяжения кирпича в горизонтальные швы кладки укладываются арматурные сетки.
Вертикальные швы кладки хуже заполняются раствором. Кроме того, сцепление раствора с кирпичом в вертикальных швах меньше прочности кирпича на растяжение. Поэтому над и под вертикальными швами в кирпиче возникают трещины от концентрации напряжений.
Стадии напряженного состояния
От момента загружения кладки до ее разрушения различают четыре стадии напряженного состояния.
В первой стадии трещины в кладке отсутствуют. При переходе во вторую стадию появляются небольшие трещины в кирпичах над и под вертикальными швами кладки, которые являются концентраторами напряжений (рис. 3).
Рисунок 3 Четыре стадии напряженного состояния каменной кладки при сжатии
Величина нагрузки, при которой появляются трещины, зависит от прочности кирпича, системы перевязки кладки и деформативных свойств раствора.
При оценке запасов прочности поврежденной кладки должно учитываться повышение ее хрупкости с увеличением возраста кладки и с применением малодеформируемых цементных растворов. При большом возрасте кладки, выполненной на цементном растворе, резервы ее прочности снижаются и составляют всего 20-40 % от разрушающей нагрузки.
Во второй стадии трещины не растут без повышения нагрузки. Далее, при увеличении нагрузки, наступает третья стадия. Трещины пересекают несколько рядов кладки, разбивая ее на отдельные столбики шириной в половину кирпича. При этом разрушение может произойти без увеличения нагрузки.
Концом третьей стадии является стадия разрушения, когда отдельные кирпичные столбики, на которые расслоилась кладка, теряют устойчивость.
Методы снижения атмосферного воздействия
Все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на повышение их поверхностной плотности и на предохранение от воздействия влаги.
Стойкость материалов против выветривания можно повысить конструктивными мерами, к числу которых относятся обеспечение хорошего стока воды, устранение в конструктивном элементе выступов, придание камням плотной и гладкой поверхности. Стойкость против выветривания пористых материалов существенно повышается при создании на их лицевой поверхности плотного водонепроницаемого слоя или гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности камня является флюатирование, при котором пористые известняки пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты, например, флюатом магния. В результате реакции
MgSiF6 + 2CaCO3 = 2CaF2 +SiO2 +MgF2 + 2CO2
в поверхностных порах камня отлагаются труднорастворимые в воде фториды кальция и магния, а также кремнезем. Некарбонатные пористые породы перед пропиткой флюатами предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например, хлористым кальцием CaCl2,
Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными (водоотталкивающими) составами, резко понижающими проникание влаги в материал, в частности путем капиллярного подсоса, также повышает стойкость материалов против выветривания.
Меры борьбы с выветриванием могут быть конструктивными и консервационными.
Конструктивные меры заключаются в создании рациональных конструкций (отсутствие выступов, карнизов, на которых могла бы задерживаться вода; шлифовка и полировка камня и т.д.).
Консервационные меры заключаются в пропитке камня на достаточную глубину специальными составами
Флюатирование -- способ, применяемый для известняков. При пропитывании их раствором флюатов Кесслера (солей крем нефтористоводородной кислоты) получается целый ряд трудно растворимых в воде соединений. Например, при применении магниевого флюата образуются трудно растворимые соединения:
MgSiF6 + 2СаСО3 = 2CaF2 + MgF2 + Si02 + 2СО2
Аванфлюатирование -- способ, применяемый для камней, не содержащих СаС03. В этом случае камень перед флюатированием пропитывают составом, содержащим известковую или иную соль, с которой флюат дает нерастворимые соединения.
Источники
1. Журавлёв И. П., Лапшин П. А. Каменщик / Э. Юсупянц. 2-е. Ростов н/Д.: Феникс (издательство), 2000. 416 с. (Начальное профессиональное образование). ISBN 5-222-03437-2.
2. ГОСТ 530--2012. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия.
3. ГОСТ 379--2015. Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия.
4. Дубинин П. И., Дубинина А. П. К вопросу о классификации обработки природного камня // ГИАБ. 2006. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-o-klassifikatsii-obrabotki-prirodnogo-kamnya (дата обращения: 16.04.2022).
5. Уряшева Наталья Николаевна Взаимодействие микроорганизмов с каменными строительными материалами // Вестник ЮУрГУ. Серия: Строительство и архитектура. 2017. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vzaimodeystvie-mikroorganizmov-s-kamennymi-stroitelnymi-materialami (дата обращения: 16.04.2022).