Разработаны новые методы определения долговечности кирпичной кладки

В «Строительной газете» №16 от 26 апреля было опубликовано интервью старшего научного сотрудника Научно-исследовательского института строительной физики РААСН Дмитрия Желдакова «Огонь, вода и… конденсат», в котором оценивалось влияние пожара на состояние собора Нотр-Дам-де-Пари. При этом упоминалось, что на состоявшемся недавно в Минске научно-техническом семинаре «Реконструкция, реставрация, реновация. Уход и содержание памятников архитектуры» Дмитрий Желдаков выступил с докладом о новом подходе к прогнозированию долговечности кирпичной кладки. Мы попросили его рассказать о проведенных им исследованиях и сделанных по их результатам выводах, а представителей научного и профессионального сообщества прокомментировать их.

Натурные исследования деструкции кирпичной кладки, проведенные в разных по климату регионах земного шара, таких, как Италия (города Сиена и Болонья), Оман (города Маскат и Хасаб), Болгария (София) и Россия (города Москва и Владивосток), позволили сделать следующие выводы.

Прежде всего необходимо отметить, что деструкция строительных материалов происходит и в регионах, где температура наружного воздуха не опускается ниже нуля градусов. При этом, оценивая разрушение в регионах с теплым климатом и резко континентальным, процессы деструкции протекают одинаково. Известны также процессы высокотемпературной деструкции кирпича, которые тем более не могут быть объяснены процессами замораживания-оттаивания.

Следовательно принятый в настоящее время подход к определению долговечности материала на основании количества циклов замерзания-оттаивания некорректен. Представляется более правильным оценивать долговечность материала особенно при его работе в ограждающей конструкции совместно с другими материалами, на основании процессов химической деструкции. При этом влияние процесса замораживания-оттаивания, а также климатическое воздействие на конструкцию, полностью не отрицается, но данные процессы должны рассматриваться как второстепенные, способные лишь ускорять или замедлять деструкцию материала.

На практике долговечность материалов определяют по морозостойкости, которая, на самом деле, не имеет никакого отношения к долговечности, что еще в 1884 году было отмечено автором метода исследования материалов на морозостойкость профессором Н.А. Белелюбским.

Переход строительной отрасли в связи с повышенными требованиями к энергосбережению на многослойные ограждающие конструкции требует пересмотра подхода к расчету долговечности материалов в таких конструкциях. Кирпичная кладка является старейшим и типичным представителем взаимодействия двух строительных материалов между собой. С точки зрения конструктивных характеристик кирпичная кладка абсолютно правильно рассматривается как однослойная конструкция. Однако на уровне ионообменных процессов и кирпич и, особенно, цементно-песчаный раствор при наличии в них влаги представляют собой сложную химическую систему.

Принципиальная схема основного процесса химического разрушения строительной керамики, протекающего в системе кирпич – раствор, описывается на первом этапе реакциями образования гидроксида кальция в растворе (реакции выщелачивания) и щелочей в кирпиче при гидратации оксидов щелочных и щелоче-земельных металлов аморфной части кирпича, а на втором этапе – реакциями взаимодействия щелочей со структурой материала кирпича как кристаллической, так и аморфной.

Для подтверждения правильности данной теории была проведена термодинамическая оценка 265 реакций, возможных при протекании процесса химической деструкции. Термодинамические расчеты позволили определить наиболее вероятные реакции процесса.

Инструментальные исследования проводились на рентгенофлуоресцентном спектрометре, порошковом рентгеновском дифрактометре, на приборе для проведения термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, сканирующем микроскопе. По результатам исследования до и после взаимодействия материала кирпича с гидроксидом кальция зафиксировано изменение фазового состава системы с возможным образованием гиролита, гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в системе.

Результаты экспериментальных исследований, также как и результаты термодинамических расчетов полностью подтвердили выдвинутую гипотезу о процессе химической деструкции материала кирпичной кладки.

В настоящее время на основании проведенных теоретических и инструментальных исследований автором разработаны новые методы аналитического исследования материала кирпича: метод определения скорости химической деструкции и метод определения активных ионов. Данные методы позволяют получить характеристики материала кирпича, по которым возможно рассчитать долговечность кирпичной кладки в ограждающей конструкции, выраженную в годах.

Дмитрий Желдаков, старший научный сотрудник НИИСФ РААСН

ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

В работе Дмитрия Желдакова затронута одна из важных проблем строительного комплекса – это проблема повышения долговечности конструкций, возводимых из наиболее востребованного строительного материала – керамического кирпича. Автор отмечает, что при оценке долговечности кладки необходимо учитывать не только морозостойкость материалов, но и их совместимость. Как показали проведенные исследования, несовместимость материалов способствует ускорению процесса коррозионных повреждений.

Коррозионным повреждениям подвергаются, в основном, наиболее уязвимые части сооружений – это цоколи, фасады, конструкции, расположенные выше кровли зданий. Причем, наибольшие повреждения получают незащищенные конструкции, расположенные вблизи морей и океанов, в цехах химического производства и т.п. Результаты выполненных исследований позволили автору статьи сделать вывод о наличии факторов несовместимости материалов, которые могут значительно усилить коррозионные воздействия на кладку. В частности это касается воздействия некоторых видов цементно-песчаных растворов на керамический кирпич, что приводит к коррозионным повреждениям кладки даже при отсутствии процессов замораживания и оттаивания.

Предложенное автором направление по учету влияния щелочной коррозии на долговечность кладки из керамических стеновых материалов представляется весьма перспективным. Учет влияния щелочной коррозии при проектировании и эксплуатации позволит повысить долговечность конструкций зданий и сооружений, возводимых с применением керамических кладочных стеновых изделий.

Олег Пономарев, заместитель директора ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

НЕ ОСТАНАВЛИВАТЬСЯ НА ДОСТИГНУТОМ

Более девяти тысяч лет прошло с тех времен, как человечество стало использовать керамический кирпич. Все великие древние культуры внесли свой вклад в развитие керамического кирпича. Ворота Иштар в Вавилоне и Великая Китайская стена, Колизей в Риме и акведуки Средиземноморья, средневековые храмы Европы и Московский Кремль донесли до нас архитектурные шедевры мастеров. Несмотря на многолетнюю эксплуатацию, материалы, из которых они возведены, прекрасно сохранились до наших дней.

Введение повышенных требований к теплозащите зданий и сооружений с целью снижения затрат на отопление зданий привело к применению многослойных конструкций наружных стен, в которых облицовочный слой отделен плитным утеплителем от конструктивной части стены, что ухудшает его температурный режим и повышает число циклов замораживания и оттаивания. Столь серьезное качественное изменение физических процессов в наружных ограждающих конструкциях должно обеспечиваться изменением требований к физическим свойствам материалов. Эти обстоятельства побудили Дмитрия Желдакова исследовать долговечность методом протекания процесса химической коррозии кирпичной кладки. Им проведена глубокая, обоснованная работа, подтвержденная испытаниями и расчетами, опровергнут традиционно принятый подход к определению долговечности материала на основании количества циклов замерзания-оттаивания, который не объясняет такие процессы деструкции, как деструкция при положительных температурах.

Хочется пожелать автору исследований не останавливаться на достигнутых результатах, а использовать их для создания нормативных документов по долговечности строительных материалов. Причем не только керамических, но и других, которые претендуют на звание «долговечные строительные материалы». При этом ориентиром в этой нормотворческой работе должно стать главное преимущество кирпича – его надежность и высочайшая долговечность. Безремонтный срок службы в 100-150 лет является нормой для кирпичного домостроения!

Владислав ГЕРАЩЕНКО, директор Ассоциации производителей керамических стеновых материалов (АПКСМ)

СПРАВОЧНО:

В настоящее время во всем мире долговечность строительных конструкций оценивается только по их морозостойкости. При этом метод определения морозостойкости оценивается по принципу «прошел/не прошел», что делает невозможным применение показателя морозостойкости для каких-либо расчетов.

«Строительная газета», 13 мая 2019 г. (в сокращении)

На снимках: разрушение кирпичей химической коррозией в здании на улице Цурюпы в Москве; старший научный сотрудник НИИСФ РААСН Дмитрий Желдаков