Кристаллизация водорастворимых солей оказывает серьезное деструктивное воздействие на структурную прочность капиллярно-пористых строительных материалов и конструкций. Этот вид коррозии особенно характерен для кирпичных и каменных кладок длительно эксплуатирующихся зданий [1].
Соли содержатся в керамическом стеновом материале, кладочном растворе, грунтовых водах, попадающих в тело конструкции при непосредственном контакте с почвой, с дождевой водой и из других источников.
Перколяционная структура строительных материалов обуславливает значительное водопоглощение растворов солей и наполнение порового пространства материала конструкции ионами (хлоридами, сульфатами, нитратами и т.п.), которые со временем концентрируются в локальных объемах конструкции. Проведенными ранее исследованиями накопления и миграции солей в строительных материалах установлено, что наибольшая концентрация солей происходит у поверхности испарения [2].
Значительное изменение объема солевой массы при кристаллизации в результате попеременного увлажнения и высушивания материала, а также перепада температур, неизбежно сопровождается циклическим накоплением дефектов структуры под действием кристаллизационного давления. В конечном счете это приводит к разрушению не только отделочных, но и несущих конструкций зданий и сооружений [1, 2].
Капиллярный подсос растворов солей и минерализованных грунтовых вод является основной причиной накапливания солей в порах материалов надземных частей сооружений и, следовательно, при соответствующих климатических условиях служит причиной появления различных дефектов кирпичной кладки [2].
Попеременное увлажнение и высыхание определяет количество стремящихся к поверхности испарения солей и их распределение в поровой структуре материала. При этом скорость испарения, безусловно, играет немаловажную роль. При высокой скорости испарения концентрация соли внутри кладки возрастает и кристаллизующиеся соли наполняют поровый объем, не успевая достичь поверхности стены и не скапливаясь в разделительных слоях между стеной и штукатуркой, что и требуется для равномерного распределения мигрирующих солей в порах санирующей штукатурки. Однако регулирование процессов испарения представляет собой практически невыполнимую задачу, так как она связана с созданием определенных микроклиматических условий. В реальных условиях это неосуществимо в большинстве случаев, например, при реставрации наружных стен здания или при осушении и обессоливании подвалов.
Поэтому одним из важнейших элементов комплекса защитных мероприятий (помимо устройства гидроизоляции и вентиляции) от разрушительного воздействия растворимых солей на строительные конструкции является применение специальных отделочных материалов – санирующих штукатурок [3–5].
Высокопористые санирующие штукатурки с достаточным поровым объемом принимают основную солевую нагрузку, однако при увеличении скорости капиллярного подсоса в отсутствие требуемого микроклимата для кристаллизации солевые растворы мигрируют к поверхности или скапливаются в разделительных слоях, что при их кристаллизации может привести к деструкции конструкций [6, 7].
Таким образом, помимо обеспечения достаточного порового пространства для безопасного аккумулирования кристаллических образований, регулирование скорости капиллярного движения влаги через защитную штукатурку из тела конструкции во внешнюю среду является наиболее важной задачей повышения эффективности санирующих систем. Помимо этого, безусловно, необходимо принимать во внимание технологические и эксплуатационные факторы – удобоукладываемость, прочность сцепления с основанием и др.
Активное распространение технологии сухих строительных смесей позволяет производить многокомпонентные специальные материалы с гарантированным уровнем свойств, что недоступно для технологии производства товарных растворов. Это открывает широкие возможности для развития направления санирующих материалов.
Вместе с тем следует отметить, что на сегодняшний день нет количественных оценок влияния параметров структуры и ключевых физико-механических характеристик подобных материалов на эффективность их защитных свойств. С этим связано отсутствие достаточного научного обоснования критериев подбора состава, не сформированы четкие требования к санирующим отделочным материалам.
Ввиду вышесказанного целью данной работы явилось исследование влияния легких заполнителей (перлита, пеностекла), воздухововлекающей добавки, используемых для формирования оптимального порового пространства на капиллярную проводимость санирующей штукатурки, изготовляемой по технологии сухих строительных смесей. Кроме этого в ходе выполнения работы исследовалась возможность регулирования величины капиллярного подсоса путем введения гидрофобизирующей функциональной добавки для достижения требуемых эксплуатационных показателей санирующей штукатурки в целом.
Материалы и методы исследования
На первом этапе исследований методом математического моделирования на основе применения трехфакторного трехуровневого планирования экспериментов нами определен оптимальный базовый состав известково-цементной штукатурной сухой смеси.
Смешанное вяжущее базового состава представлено портландцементом ЦЕМ I 42,5 Сланцевского цементного завода «Цесла» и гидратной известью (г. Россошь). Исходя из требований удобоукладываемости и достижения требуемой прочности состава соотношение цемента и извести принято 2 к 1 по массе.
В качестве заполнителя использовался кварцево-полевошпатовый песок 0–2,5 мм месторождения «Шапки», вспученный перлитовый песок марки 75 производства Апрелевского завода теплоизделий, а также гранулированное пеностекло с размером фракций 0,1–4 мм производства Рыбинского завода строительных технологий. Для водоредуцирования растворной смеси использовался суперпластификатор СП-1. За счет введения воздухововлекающей добавки Ufapore TLA, получаемой на основе лаурилсульфата натрия, дополнительно регулировалось образование условно-замкнутого порового пространства защитного состава.
В качестве функций отклика, представляющих ключевые параметры качества санирующей смеси, исследовались плотность, водопоглощение при капиллярном подсосе, прочность при сжатии и солестойкость раствора. Переменными факторами являлись расход перлита, пеностекла и воздухововлекающей добавки.
Учитывая основные требования к санирующим штукатуркам, для исследований приняты следующие характеристики оптимального состава:
– предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток – 6–10 МПа – данная величина принята исходя из принципа совместимости прочностных показателей основания, кирпичной кладки, и штукатурного состава [8];
– капиллярное водопоглощение – не более 1,0 кг/(м2•ч0,5) – указанная величина обеспечивает капиллярный подсос влаги штукатурным слоем без выхода её на лицевую поверхность;
– солестойкость – не менее 7 баллов (по 10 балльной системе визуальной оценки состояния образцов после 5 циклов попеременного увлажнения и высушивания в солевом растворе на базе методики ГОСТ 30629-2011). На рис. 1 представлены образцы исследованных составов санирующей штукатурки после испытания на солестойкость, оцененные по внешнему виду на 1 и 10 баллов.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно полученной математической модели, указанным требованиям соответствует состав, характеризующийся содержанием перлита и пеностекла в количестве 1 % от массы смеси (0,5 % перлита и 0,5 % пеностекла), а расход воздухововлекающей добавки – 0,1 %.
На рис. 2 в графическом виде представлены данные о влиянии суммарного расхода легких заполнителей на водопоглощение при капиллярном подсосе. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что с увеличением количества легких заполнителей возрастает капиллярное водопоглощение штукатурного раствора. Введение в состав раствора воздухововлекающей добавки позволяет ограничить капиллярное водопоглощение, не снижая при этом общей пористости материала (это важно для достижения наибольшей солеёмкости и паропроницаемости штукатурного слоя).
На втором этапе исследований решалась задача установления влияния гидрофобизирующей добавки на параметры защитного состава. Для этого определялось капиллярное водопоглощение и соленасыщение (в 10 % растворе хлорида натрия) санирующей штукатурки при погружении образцов-балочек по методике ГОСТ 31356-2007 в воду и соляной раствор соответственно. Соленасыщение определялось по величине увеличения массы образцов после высушивания, в % от первоначальной величины. Сравнивались показатели базового состава при содержании добавки-гидрофобизатора – олеиновой кислоты (Ligaphob 90) – в количестве 0 %, 0,1 % и 0,2 % от массы сухой смеси.
На рис. 3 представлена зависимость водопоглощения при капиллярном подсосе от количества гидрофобизирующей добавки.
На рис. 4 представлена в графическом виде зависимость между расходом гидрофобизирующей добавки и соленасыщением санирующей штукатурки.
Введение добавки Ligaphob 90 в количестве 0,1 % от массы смеси приводит к снижению капиллярного водопоглощения на 68 % (с 0,38 до 0,13 кг/(м2•ч0,5)), а при введении добавки в количестве 0,2 % капиллярное водопоглощение практически отсутствует.
Схожая тенденция имеет место и относительно соленасыщения санирующей штукатурки. При расходе гидрофобизирующей добавки 0,1 % от массы сухой смеси прирост массы образца, выдержанного в солевом растворе, после высушивания составил 0,8 %, а при отсутствии в составе добавки – 2,6 %.
Для сравнения следует отметить, что капиллярное водопоглощение обычной цементно-известковой штукатурки, предназначенной для фасадной отделки, составляет 1,16 кг/(м2•ч0,5), а её соленасыщение – 6,03 %.
а) б)
Рис. 1. Образцы составов санирующей штукатурки после испытания на солестойкость: а – образцы, оцененные на 1 балл по внешнему виду; б – образцы, оцененные на 10 баллов по внешнему виду
Рис. 2. Влияние расхода легких заполнителей и воздухововлекающей добавки на капиллярное водопоглощение
Рис. 3. Влияние расхода гидрофобизирующей добавки на капиллярное водопоглощение
Эти данные можно интерпретировать следующим образом: без гидрофобизирующей добавки за счет эффективной структуры санирующий состав за сутки практически только на треть объема подвергается насыщению солями. В присутствии 0,1 % Ligaphob 90 образование высолов на поверхности штукатурки гарантированно наблюдаться не будет, так как за сутки только 1/8 образца насыщается солями.
Рис. 4. Влияние расхода гидрофобизирующей добавки на соленасыщение
а) 
б)
Рис. 5. Фотографии структуры санирующей штукатурки при увеличении ×40: а – до насыщения солевым раствором; б – после выдержки в солевом растворе и высушивания
В то же время введение 0,2 % гидрофобизирующей добавки сопровождается тем, что только 1/15 часть образца за сутки насыщается солевым раствором. Это может вызвать быстрое заполнение кристаллами ограниченного объема штукатурного слоя и потерю работоспособности защитного состава. Кроме этого, избыточная гидрофобность материала затруднит шпаклевание или окраску поверхности штукатурного слоя.
На рис. 5 представлены фотографии структуры материала, демонстрирующие накопление кристаллов солей в структуре порового пространства санирующего состава. Кристаллические образования белого цвета наиболее отчётливо видны в структуре зерна пеностекла.
Исходя из вышесказанного, целесообразным представляется использование гидрофобизирующей добавки в количестве 0,1 % от массы сухой смеси. При этом обеспечивается проникновение влаги в слой санирующей штукатурки, но её выход на лицевую поверхность отделки затруднен. Более высокий расход Ligaphob 90 приведет к накоплению солей на границе раздела «штукатурка – кирпичная кладка» и последующему отслоению отделочного состава.
Таким образом, для достижения высокой эксплуатационной эффективности санирующей штукатурки расход легких заполнителей – перлита и пеностекла – должен составлять по 0,5 % от массы смеси, расход воздухововлекающей добавки – 0,1 %, а гидрофобизирующей добавки – 0,1 %.