4.5 процессы разрушения кирпичных стен, связанные с увлажнением

Влага оказывает большое влияние на физический износ кирпичных стен. Стены сложены из материалов с пористо-капиллярной структурой. Поэтому при контакте с водой они интенсивно увлажняются.

В зависимости от связи воды с материалом различают химически связанную, абсорбционносвязанную, капиллярную и свободную влагу. Свободная влага заполняет крупные пустоты и поры материала и удерживается в них гидростатическими силами. Такая влага легко удаляется из кладки стены при высушивании.

В крупных порах и пустотах влага содержит, как правило, растворенные соли и поэтому она замерзает при температурах более низких, чем 0 ?С. Влага, находящаяся в капиллярах, может замерзать при очень низких температурах. Это зависит от диаметра капилляров, например, при диаметре 10–5 см и менее вода замерзает при температуре ниже –25 ?С.

Влага по-разному влияет на процессы износа. В одних случаях она действует в качестве химически активной агрессивной среды, растворяя материал конструкций. Влага может действовать так же, как поверхностно-активное вещество, способствующее процессу разрушения.

Наличие в материалах кладки и на поверхности конструкций пор, пустот, капилляров, микротрещин способствует увеличению их удельной поверхности. Это повышает уровень контакта кладки со всеми видами влаги. При смачивании материала кладки происходят физические процессы, приводящие к появлению напряжений. Попадая в имеющиеся в кирпичах микротрещины, молекулы воды, обладая дипольными моментами, определенным образом ориентируются. В результате этого адсорбированная влага получает повышенную плотность и вязкость. Ее упругость становится равной упругости материала кирпичей. Упругость влаги повышается к вершине микротрещины и в результате увеличивается расклинивающее действие влаги. Схема расклинивающего действия адсорбированной влаги приведена на рис. 2.1 в главе 2. Рост внутренних напряжений из-за расклинивания микротрещин влагой приводит к значительному снижению прочности поверхностей слоев материалов, смоченных водой. Такие явления

происходит при воздействии адсорбционно-связанной влаги. Расклинивающее действие этой влаги возникает при толщине полимолекулярной пленки влаги около 3?10–5 см.

Капиллярная влага за счет сил капиллярного давления воды может вызывать сложные напряжения в материале кладки. При этом в капиллярах образуются растягивающие напряжения, связанные с поверхностным натяжением (см. рис. 4.4),

P? ? (2? / r ) cos ?. (4.12)


где ? – поверхностное натяжение воды, Па; r – радиус капилляра, м; ? – угол смачивания, град.

Видно, что такие напряжения способствуют снижению давления жидкости в капиллярах и появлению напряжений сжатия и изгиба в материале вокруг капилляров. При полном смачивании материалов капиллярное давление может достигать величины 5,0?106 Па.

Разрушению материалов кладки способствует одновременное воздействие с влагой отрицательных температур. Замерзающая в капиллярах и порах влага увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения в материале конструкции.

P?? ? P?

Рис. 4.4 Схема образования

P капиллярного давления в материале

Процесс заполнения капилляров влагой при естественном увлажнении кладки различен для крупных и мелких капилляров. В мелких капиллярах влага поднимается на большую высоту, чем в крупных. Вода из крупных пор за счет разности давления капиллярного отсоса отсасывается в смежные мелкие поры и капилляры. При замерзании воды свободные крупные поры служат дополнительным объемом,

обеспечивающим компенсацию расширения влаги в мелких порах и капиллярах. В этой связи крупнопористые кирпичи более морозостойки.

При низких температурах материалов кладки и замерзании воды в порах и капиллярах могут возникать большие напряжения, во много раз превосходящие прочность материала кирпичей. В наибольшей мере это проявляется в том случае, если поры полностью заполнены водой.

Давление в порах при замерзании в них воды может быть вычислено по формуле

(KQdT ) / T ? Vв dpв ? Vл dpл. (4.13)

где Q = 3,35·105 Дж/кг – скрытая теплота плавления льда; Т = 273 К – абсолютная температура плавления льда; Vв = 1·10–3 м3/кг, Vл = 1,091·10–3 м3/кг – удельные объемы воды и льда; dpв, dpл – давления в порах воды и льда, Па; dТ – разность температур, ?С.

При одинаковых давлениях воды и льда dp = dpв = dpл формула (4.13) имеет вид

(QdT ) / T ? (Vв ? Vл ) dp. (4.14)

Зная численные значения величин, входящих в формулу (4.14), можно получить формулу для определения dp в виде

dp ? ?1,348 ?107 ? dT. (4.15)

Из формулы (4.15) видно, что понижение температуры на 1 ?С приводит к росту давления в порах кладки на 13,48 МПа. При понижении температуры на 20 ?С давление составит соответственно 269

МПа.

В случае, если вода при замерзании льда и увеличении его объема свободно вытекает из пор, давление льда после замерзания и при дальнейшем понижении температуры может определяться как

dp ? ?1,13 ?106 ? dT. (4.16)

т.е. давление льда будет повышаться на 1,13 МПа при понижении его температуры на 1 ?С. При понижении температуры льда на 20 ?С давление в порах может достигнуть 22,6 МПа.

Таким образом, напряжения, возникающие в материале кладки при температурах ниже 0 ?С, могут разрушать стенки пор. Процессы разрушения значительно ускоряются при переменном оттаивании и

замораживании кладки. Оттаивание и замерзание кладки чаще всего происходит под воздействием солнечной радиации в весенний период года (см. пример главы 2).

На физический износ кирпичной кладки определенное влияние оказывают процессы попеременного увлажнения и высыхания материала. Такие процессы происходят как при положительных, так и отрицательных температурах среды. При достаточно сухом воздухе из материала кладки происходит последовательно испарение свободной, капиллярной и затем адсорбированно-связанной воды. Вода сначала испаряется из крупных пор, а затем из более мелких. После испарения воды из капилляров и микротрещин на материал кладки перестают действовать рассмотренные выше расклинивающие и сжимающие силы. В нем начинают происходит явления усадки, приводящие к появлению напряжений противоположного знака. В случае повышения влажности воздуха материал снова увлажняется, и трещины соответственно раскрываются. Скорость разрушения материала кладки при таких знакопеременных напряжениях зависит от скорости и степени увлажнения и сушки материалов.

Причиной разрушений материалов кладки иногда служит появления осмотического давления в порах, вызываемого разностью концентраций растворов солей в воде разных пор и капилляров. Как правило, стенки пор и капилляров проницаемы для воды и не проницаемы для растворенного в воде вещества. Вода, стремясь выровнять концентрацию растворов в соседних порах, проходит из пор с меньшей

концентрацией в поры с большей концентрацией и начинает создавать в них осмотическое давление.

Величина осмотического давления может достигать величины 15 МПа и более [15].

Скорость и характер разрушения материалов кладки во многом зависят от структуры пор материала. В частности, в кирпичах структура пор во многом определяется технологией их изготовления. Например, кирпичи сухого прессования имеют сеть капилляров и пор, сообщающихся между собой и открытых на поверхности. Материал таких кирпичей быстро насыщается влагой, приводящей к ускорению процессов физической коррозии. Наоборот, кирпичи пластического формования имеют закрытые поры и вследствие этого медленнее насыщаются влагой.

Как правило, процессы насыщения и удаления влаги материалами кладки происходят с разной скоростью. Насыщение кладки влагой в условиях естественной среды идет значительно быстрее, чем ее сушка. Поэтому при эксплуатации кирпичных стен следует стремиться ограничивать период влагонакопления и наоборот увеличивать период сушки стен. Поверхности наружных кирпичных стен должны быть достаточно открытыми для контакта с внешней окружающей средой с целью обеспечения хорошей естественной вентиляции их в период летней сушки.

Кладка кирпичных стен состоит из материалов, имеющих разную пористость. Цементно-песчаный раствор кладки имеет большую плотность, чем кирпичи и, следовательно, пористость кирпичей значительной больше пористости цементно-песчаного раствора. При эксплуатации во влажных кирпичных стенах, сложенных на плотных растворах, идет быстрое разрушение растворных швов и повреждение тела кирпичей в местах примыкания к этим швам. Связано это с тем, что кирпич как материал с более крупными порами быстрее впитывает и отдает влагу плотному раствору, имеющему мелкие поры. Как правило, количество влаги на границе контакта кирпичей и раствора оказывается достаточным для того, чтобы заполнить все поры раствора водой. Зимой эта вода и избыточная вода, накапливающаяся в порах кирпичей на границе контакта кирпичей и растворных швов, замерзает, вызывая большие напряжения в мелкопористом материале раствора. Раствор в результате этого быстро разрушается и выветривается. Кирпичи кладки у наружной поверхности при замерзании воды, находящейся в растворных швах и капиллярах кирпичей вблизи швов, оказываются сдавленными «обоймой». Под этим давлением от поверхностей кирпичей начинают откалываться лещадки. Такие разрушения наиболее заметны на тычковых рядах кирпичей. Как показано ранее в главе 1, явление разрушения кирпичей «обоймой» ярко проявляется в кладке стен, сложенных в начале XX в. из слабых кирпичей «алого» сорта на цементнопесчаном растворе. С этих позиций большей долговечностью обладают кладки, сложенные на растворах, близких по плотности кирпичам, например, кладки на известковых и известково-цементных растворах.

Значительному увлажнению кирпичных стен и последующему их разрушению способствует устройство на фасадах наружных стен плотных слоев из штукатурок или облицовок. В период влагонакопления влага переносится от внутренней поверхности к наружным слоям и летом в период сушки она уходит из стен наружу. Наличие плотной штукатурки, например, из цементно-песчаного раствора, не

дает во время сушки возможности полностью уходить из ограждения влаге, накопленной в нем зимой. Это приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. Зимой при отрицательных температурах, когда влага замерзает, создаются большие напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой кладки.

Аналогичные процессы разрушения проявляются и при облицовках цокольных участков стен старых кирпичных зданий плотными каменными, керамическими и другими плитами, закрепляемыми на

стене на цементно-песчаном растворах.

Как сказано ранее, в стенах старых зданий отсутствует горизонтальная гидроизоляция и в результате этого нижняя часть стен активно увлажняется капиллярной влагой. Удаление капиллярной влаги из стен происходит в летний период во время естественной сушки стен. Большинство влаги в этом случае уходит из стен через наружную поверхность. При устройстве плотной облицовки часть влаги начинает уходить через внутреннюю поверхность стены, приводя к повышению влажности этой поверхности и к увеличению влажности внутреннего воздуха. На поверхностях стен образуются грибки и плесень, ухудшается санитарное состояние помещений. Другая часть влаги накапливается у поверхности облицовки и, замерзая при низких температурах, разрушает кладку и раствор крепления плит. Устройство таких облицовок приводит к быстрому разрушению нижней части кирпичных стен старой постройки, не имеющих горизонтальной гидроизоляции. Обследование стен исторических зданий г. Тамбова показало, что в цокольных частях стен, облицованных плотными плитами пять и более лет назад, кладка сильно увлажнена, прочность ее снижена, повсеместно имеются повреждения тела кладки. Дальнейшая эксплуатация кладки при таких условиях приведет к полному разрушению нижней части стен.

Плотные цементно-песчаные штукатурки и облицовки имеют большие линейные температурные

расширения, чем кладка, например, для цементной штукатурки эти расширения в два раза больше по сравнению с кладкой из глиняного кирпича. Такая разность линейных деформаций создает дополнительные напряжения на границе кладки и раствора и приводит к появлению трещин между штукатуркой и кладкой. Трещины появляются также и в штукатурке. Наличие трещин способствует дополнительному увлажнению поверхностных слоев кладки стен. Поэтому для наружной штукатурки стен следует подбирать штукатурные растворы с коэффициентами линейного расширения, близкими к этим коэффициентам для кладки. Например, штукатурка из известкового раствора достаточно устойчива при знакопеременных температурах, так как коэффициент ее линейного температурного расширения совпадает с таким коэффициентом для кладки из глиняного кирпича, сложенной на известковом растворе. Следует отметить, что известковый раствор и кладка из красного кирпича также имеют почти равные коэффициенты паропроницаемости: ? = 14…16 г/(м · ч · Па) для кладки и ? = 16…18 г/(м · ч · Па) для известкового раствора. Такое соответствие создает благоприятные условия для миграции влаги из кладки стен наружу.

Выше рассмотрены в основном физические процессы разрушения кладки, связанные с ее увлажнением. Кроме этого материалы кладки могут подвергаться химической коррозии.

Скорость химической коррозии материалов кладки зависит от целого ряда факторов. К основным из них относятся химический и минералогический составы материалов, характер их пористости (откры-

тые или закрытые поры), тип структуры материалов (аморфная или кристаллическая), характер агрессивной среды, ее концентрация и др.

Влияние пористости на скорость химической коррозии материалов кладки определяется скоростью подвода агрессивной среды к месту ее контакта с материалом. Разрушение пористых материалов при открытых сообщающихся порах происходит не только на поверхности, но и внутри материала. В замкнутых, не сообщающихся друг с другом порах (например, в глиняном кирпиче пластического прессования) влияние агрессивных сред проявляется менее активно, чем при наличии открытых пор.

На интенсивность разрушений кирпичной кладки оказывает влияние химический состав воды и способы ее попадания на конструкции стен. Например, чистая дождевая вода при интенсивном дожде смывает со стен адсорбированные частицы и осевшие на поверхности кладки агрессивные вещества. В то же время влага, выпадающая на наружных стенах в виде конденсата, вступает с агрессивными веществами во взаимодействие и образует растворы кислот и щелочей, активно способствующие разрушению материалов кирпичной кладки. Чаще всего конденсат на наружных поверхностях образуется при резких изменениях температур воздуха от низких значений до более высоких. При понижении температур воздуха наружные поверхности стен из-за большой тепловой инерции кладки оказываются в определенный промежуток времени более холодными по сравнению с окружающим воздухом. При соприкосновении с холодными стенами теплый воздух начинает отдавать поверхности стен влагу, которая оседает на них в виде конденсата. Это явление наиболее часто происходит в осенне-весенние периоды года.

Для исключения разрушения стен растворами солей и кислот рекомендуется наружные неоштукатуренные поверхности стен зданий – памятников периодически очищают от агрессивных веществ, оседающих на них в виде пыли, копоти и др. Удаление веществ с поверхности следует производить путем их смывания водой без добавки в нее каких-либо моющих средств. При очистке неоштукатуренных стен нельзя применять жесткие щетки и пескоструйные аппараты. При механической очистке происходит разрушение поверхностного слоя кирпичей. В кирпичах старой кладки поверхностный слой является защитной коркой, предохраняющей кладку от интенсивного разрушения. После удаления корки рассмотренные выше процессы разрушения материалов кладки под воздействием влаги значительно ускоряются.

Достаточно часто атмосферная влага городов и промышленных зон содержит растворенные агрессивные вещества, например, диоксид серы. Этот газ под воздействием кислорода окисляется в триоксид серы и образует с водой серную кислоту, активно разрушающую силикатные кирпичи. Агрессивность атмосферных осадков повышает также ряд и других, растворяемых в воде газов, например, сероводород, диоксид углерода, аммиак и др. Например, вода с диоксидом углерода в 30 раз больше растворяют карбонат кальция, чем чистая вода. При эксплуатации кирпичных зданий в городах и

промышленных зонах с большим выбросом вредных веществ в атмосферу необходимо предусматривать надежные меры защиты от атмосферного увлажнения и подбирать соответствующие материалы для кладки наружных стен.

Коррозионная стойкость силикатных кирпичей определяется в основном свойством входящей в состав их материала извести, обладающей невысокой стойкостью к кислым агрессивным средам. В солевых растворах силикатный кирпич главным образом разрушается за счет образования в порах материала кристаллов, которые, разрастаясь, создают давления, достаточные для разрушения силикатного материала.

Глиняные кирпичи могут разрушаться под воздействием растворов органических и минеральных кислот, а также многих солей. Стены из глиняного кирпича устойчивы при слабых воздействиях кислот и кислых газов. Из всех сортов глиняного кирпича к агрессивным средам наиболее устойчивы пережженные кирпичи – в старых зданиях это кирпичи «железняки», в современных конструкциях плотные клинкерные кирпичи.

Конструкции из шлаковых кирпичей неустойчивы к действию агрессивных сред и малоустойчивы к действию влажной среды и растворов щелочей. Слабоустойчивы эти кирпичи и к процессам переменного увлажнения и замораживания.

Содержание

Читать: Аннотация

Читать: Условные обозначения и размерности основных величин

Читать: Указатель обозначения основных индексов

Читать: Введение

Читать: 1 конструктивные решения и материалы кирпичных стен гражданских зданий

Читать: 1.1 конструктивные схемы и системы кирпичных зданий

Читать: 1.2 материалы кирпичных стен

Читать: 1.3 конструктивные решения кирпичных стен

Читать: 2 внешние и внутренние воздействия на стены и требования, определяющие их эксплуатационные качества

Читать: 2.1 характеристики климата, влияющие на эксплуатационные качества стен

Читать: 2.2 микроклимат помещений и требования, определяющие эксплуатационные качества стен

Читать: 3 теплозащитные качества кирпичных стен гражданских зданий

Читать: 3.1 процессы и условия передачи тепла через наружные стены

Читать: 3.2 теплотехнические характеристики материалов кладки

Читать: 3.3 сопротивление теплопередаче стен как мера их теплозащитных качеств

Читать: 3.4 распределение температур в стенах

Читать: 3.5 оценка температуры внутренней поверхности кирпичных стен в местах расположения теплопроводных включений

Читать: 3.6 нормирование теплозащитных качеств стен

Читать: 4 влажностный режим кирпичных стен гражданских зданий

Читать: 4.1 причины появления и накопления влаги в наружных кирпичных стенах

Читать: 4.2 конденсация влаги на поверхностях стен и меры по ее ограничению

Читать: 4.3 сорбционное увлажнение кладки кирпичных стен

Читать: 4.4 конденсация и перемещения влаги внутри кирпичных стен

Читать: 4.5 процессы разрушения кирпичных стен, связанные с увлажнением

Читать: 4.6 меры по защите кирпичных стен от влаги

Читать: 5 воздушный режим кирпичных стен гражданских зданий

Читать: 5.1 воздухопроницаемость кирпичных стен

Читать: 5.2 нормирование и расчет сопротивления воздухопроницанию кирпичных стен

Читать: 5.3 мероприятия по ограничению фильтрации воздуха в кирпичных стенах

Читать: 6 повышение теплозащитных качеств стен эксплуатируемых кирпичных зданий

Читать: 6.1 повышение теплозащитных качеств отдельных участков наружных кирпичных стен

Читать: 6.2 проектирование и устройство дополнительной теплоизоляции наружных стен при реконструкции и капитальном ремонте кирпичных зданий

Читать: Заключение

Читать: Список литературы

Читать: Преложнения

По материалам сайта: http://vuzmen.com