Инчик Всеволод Владимирович - д.т.н., профессор СПбГАСУ
Основные направления научной деятельности - улучшение качества керамического кирпича, солевая коррозия кирпичной кладки. Автор 78 научный статей.
Долговечность зданий и сооружений определяется качеством строительного материала и строительных работ, условиями эксплуатации. Однако в процессе эксплуатации могут возникать неблагоприятные факторы, которые не были учтены при проектировании. К таковым относится солевая коррозия кирпичных стен.
В период с 1980 по 1990 гг. сотрудниками СПбГАСУ проводились обследования кирпичных стен зданий и сооружений различного назначения, подвергшихся солевой коррозии. Таковыми были памятники архитектуры, сооруженные в XVIII – начале XX в.: Петропавловский собор (место обследования – колокольня), Дворец Юсупова (цоколь здания), Исаакиевский собор (чердак), гостиница “Астория” (подвал), Храм «Спас на крови» (внутренние стены), гостиница “Англетер” (наружные стены); здания и сооружения промышленного назначения, работающие в условиях повышенной агрессии: Производственное объединение “Титан”, г. Красноперекопск (сушильно-адсорбционный цех), Рыбный завод в Санкт-Петербурге (цех засола рыбы), Киришский биохимзавод (склад питательных солей), здание технического назначения на о. Белый (наружные стены).
Для диагностики дефектов стен кирпичных зданий применялись визуальные и инструментальные методы обследования Изучались также архивно-исторические документы, связанные со строительством перечисленных зданий.
На основании визуального метода обследования проводилось: выявление дефектов кирпичной кладки и их фотофиксация; определение площади отвала штукатурки, инфильтрационных пятен, образования высолов; определение глубины выкрошивания кирпичной кладки и ее швов; определение дефектов кирпичей, по внешнему виду и излому; фиксация клейм и размеров кирпичей.
На основании визуальной диагностики установлены характерные дефекты кирпичных стен зданий и сооружений: пятна сырости, высолы на кирпичной кладке, штукатурке, керамической плитке и смальте; вспучивание, горбление, растрескивание и отвал штукатурки и керамической плитки; растрескивание и выпадение смальты из мозаичного панно; шелушение, выкрошивание, растрескивание и выпадение кирпичей из кладки; высолы на швах кирпичной кладки и выкрошивание швов кладки (рис. 1 – 8).
Рис.
1. Шелушение окрасочного слоя внутренних
стен колокольни Петропавловского собора
Рис. 2. Отвал штукатурки, шелушение и выкрошивание кирпичей
цокольной части стены Дворца Юсупова
Рис. 3. Высолы на кирпичной стене и швах кладки
чердака Исаакиевского собора
Рис. 4. Солевые подтеки на мозаичном
пано, выполненном
из смальты, в Храме «Спас на крови»
Рис. 5. Выкрошивание и выпадение
отдельных кирпичей
из стены цеха ПО «Титан»
Рис. 6. Высолы на кирпичной стене и швах кладки склада
питательных солей Киришского биохизавода
Рис. 7. Отвал крупногабаритной керамической плитки,
высолы на кирпичной кладке, выпадение отдельных кирпичей
стены цеха Санкт-Петербургского рыбного завода
Рис. 8. Растрескивание и отвал крупногабаритной керамической
плитки, шелушение и выкрошивание кирпичей из стен
здания технического назначения, о. Белый
Возникновение дефектов связано с повреждением карнизов и водостоков (Петропавловский собор), с некачественной гидроизоляцией фундамента (Дворец Юсупова, гостиница “Астория”), с повреждением кровли в зоне карнизов, сливов, водосточных труб (гостиница “Англетер”), с протечками технологических жидкостей, образованием конденсата на внутренних стенах, дефектами водостоков (ПО “Титан”), с конструктивными просчетами, связанными с проектированием кровли, сливов и водостоков (здание технического назначения, о. Белый), с проливами солевых растворов и обильным конденсатом внутри цеха (Санкт-Петербургский рыбный завод), с проникновением грунтовых вод, кристаллизацией в порах кирпичных стен солей, обладающих гигроскопичностью (Киришский биохимзавод).
При инструментальном обследовании выполнялись следующие работы: анализ грунтовых вод для определения степени их агрессии; определение водопоглощения и прочности образцов кирпичей и кладочного раствора, извлеченных из стен; проводилось определение объема открытых пор стеновой керамики, влажности кирпичных стен, количества растворимых солей в кирпичах; определение химсостава кирпичей минералогического состава кристаллогидратов, образовавшихся в поровом пространстве кирпичной кладки.
С учетом картограммы критических мест обследуемых стен зданий отрывались шурфы размерами 1х0,6х1,5 м на объектах: Дворец Юсупова и гостиница “Астория”, ПО “Титан”, Киришский биохимзавод для обследования состояния гидроизоляции фундаментов.
Эти работы позволили выявить следующие дефекты гидроизоляции: плохую подготовку основания для изоляции цокольного участка наружной стены (сушильно-адсорбционный цех ПО “Титан”); разрушение фундамента в результате растрескивания кирпичного основания и вымывания швов кладки (Дворец Юсупова); образование щелей между облицовочным слоем отмостки и поверхностью цоколя здания (гостиница “Астория”); плохую приклейку рулонных изоляционных полотнищ цокольной части стены склада питательных солей (Киришский биохимзавод).
Дефекты гидроизоляции явились причиной проникновения грунтовых вод в цокольную часть зданий и более высокие слои кирпичной кладки.
Анализ проб грунтовых вод, отобранных батометром из шурфов, устроенных снаружи стен сушильно-адсорбционного цеха ПО «Титан», показал их высокую степень агрессии, которая характеризовалась большой минерализацией воды: сухой остаток водной вытяжки – 18230 мг/л; содержание сульфат-иона – 11107 мг/л; иона магния 209 мг/л; характер среды – кислотный – pH = 5,2.
Исследованные грунтовые воды обладали большой агрессивной способностью по отношению к бетонам, керамическому кирпичу и кладочным растворам. Они могли стать причиной: коррозии I вида по отношению к бетонам нормальной и повышенной плотности в условиях сильнофильтрующих грунтов; коррозией II вида по отношению к бетонам нормальной и повышенной плотности благодаря содержанию свободной углекислоты и иона Mg2+; коррозией III вида по отношению к строительным изделиям (в том числе песчано-цементным кладочным растворам), изготовленным из всех видов цемента, работающих в любых условиях эксплуатации, в результате высокого содержания иона SO42–. Повышенное содержание в грунтовых водах ионов SO42–, Na+, K+, Ca2+, HCO3– могло быть причиной солевой коррозии стенового керамического материала.
Степень агрессии грунтовых вод на промплощадке Киришского биохимзавода была меньше, чем в случае, рассматриваемом выше, что связано с гидрологическими условиями, а также с характером производства предприятия.
Агрессивность грунтовых вод для площадей, где были расположены сооружения непроизводственного характера (Дворец Юсупова, гостиница “Англетер”), были во много раз была меньше, чем на промплощадках производственных предприятий. Поэтому разрушение слабо агрессивными грунтовыми водами бетона, кирпича и кладочного раствора, происходило менее интенсивно и в более длительные сроки.
На основании определения фактических физико-механических характеристик кирпича и кладочных растворов, извлеченных из стен обследуемых зданий и сооружений (табл. 1) установлено: образцы стеновой керамики зданий и сооружений конца XVIII – начале XIX в., сохраняют достаточную прочность, – сопротивление сжатию для кирпичей, извлеченных из стен колокольни Петропавловского собора и Дворца Юсупова, примерно одинаково 0,63–0,65 МПа (потеря прочности 7-10%). Водопоглощение этих материалов соответствовало их прочности (8,4-11,4%).
Еще более низкие прочностные характеристики обнаружены у кирпичей, извлеченных из стен подвала гостиницы “Англетер”: сопротивление сжатию – 0,2 МПа (потеря прочности до 28%), при высоком водопоглощении – 16,2%; а также из лицевого слоя стен чердака Исаакиевского собора (рис. 9): сопротивление сжатию – 0,44 МПа (потеря прочности до 27%), водопоглощение– 20,5%).
Рис. 9. Кирпичи, извлеченные из лицевого слоя стен чердака
Исаакиевского собора
Причина низкой прочности исследуемого кирпича заключается, прежде всего, в примитивном уровне технологии его производства, о чем свидетельствовала и визуальная оценка материала по цвету и излому, на котором отчетливо просматривался свилеватость.
Практически неизношенными, устойчивыми к солевой коррозии оказались кирпичи, извлеченные из стен Храма «Спас на крови» (сопротивление сжатию – 1,38 МПа, водопоглощение – 8,8%). Это объясняется главным образом эффективной для того времени технологией получения кирпича, специально изготовленного для престижного культового сооружения.
Начальная прочность кирпича, пошедшего на строительство четырех обследуемых промышленных сооружений, соответствовала М100, что было установлено на основании архивно-исторических документов. Однако фактическая прочность – сопротивление сжатию было 0,75-0,85 МПа (потеря прочности 15-25%), при высоком водопоглощении – 13,8-18,2%.
Фактическая прочность кладочных растворов (швов кладки), определенная при обследовании четырех зданий, построенных в конце XVIII – начале XIX в., была не высока – от 0,08 до 0,17 МПа. Значительно бóльшую прочность имели пробы кладочных растворов, взятые из стен зданий, построенных на рубеже XX в. Очень прочным оказался кладочный раствор, применявшийся для сооружения кирпичных стен Храма «Спас на крови» (0,9 МПа).
Низкие прочностные характеристики кладочных растворов, взятых из стен промышленных сооружений (0,15-0,17 МПа), связаны с плохим качеством строительных работ и специфическими условиями эксплуатации сооружений, которые способствовали развитию солевой коррозии.
Фактическая прочность кирпичной кладки определялась по измененной формуле Л. И. Онищика [2]
,
где Rкл – прочность кирпичной кладки,
кгс/см2; Rкир – прочность кирпича, кгс/см2;
Rраст – прочность кладочного раствора, кгс/см2;
k – коэффициент, определенный методом математической статистики,
равный 0,7.
Эталоны для определения изменения пределов прочности материалов при сопротивлении сжатию находились на основании литературных источников [1, 2, 3], ГОСТ 5802–80 и СНиП 11-22-81.
Расчеты показали, что механическая прочность стен зданий (Петропавловского собора, Дворца Юсупова) несмотря на длительный срок их службы уменьшилась незначительно – от 4,6 до 7,7 %, так как кладка выполнялась на известковом растворе, который обладал хорошей пластичностью и удобоукладываемостью, а также большой водоудерживающей способностью.
В плохом состоянии оказались кирпичные стены двух других обследованных сооружений. Так, прочность стен гостиницы “Англетер” понизилась за время эксплуатации более чем на 25,2%. Еще менее прочной оказалась кирпичная кладка лицевого слоя чердака Исаакиевского собора – потеря прочности более 30%.
Все кирпичные конструкции зданий промышленных предприятий, выстроенных в 50-70-х годах имели большие потери прочности от 23 до 28 %. Главной причиной такого большого разрушения кладки является эксплуатация каменных конструкций в условиях повышенной агрессии.
Исследованиями установлено, что значительное понижение прочностных характеристик кирпичей и кладочного раствора, извлеченных из стен при обследовании зданий и сооружений, было связано не только с деформациями стен, которые могли возникнуть по различным причинам ( из-за неравномерной осадки грунтов оснований, значительной перегрузки кладки, различной деформативности разнонагруженных стен), но и в результате развития солевой коррозии.
Это подтверждается результатами других исследований, показывающих, что кирпичные стены всех зданий и сооружений имели высокую влажность и содержали большое количество солей.
Так, влажность кирпичных стен старых зданий (Петропавловского собора, Дворца Юсупова, Исаакиевского собора, гостиницы “Англетер”) составляла от 6 до 13%.
Еще бóльшая влажность кирпичей (от 12 до 20%) зафиксирована в стенах современных зданий промышленного назначения. Большое увлажнение стен зданий произошло исключительно в результате конструктивных просчетов при проектировании систем водостоков и их дефектов, возникших в процессе эксплуатации здания.
О большой засоленности керамических материалов свидетельствуют и результаты испытания кирпичей на высолы. Интенсивное образование высолов наблюдалось на кирпичах, извлеченных из стен зданий, построенных в середине XIX в. (Исаакиевского собора, гостиницы “Англетер”). В такой же степени были покрыты высолами и образцы стеновой керамики, взятые из стен зданий промышленного назначения (ПО «Титан», Санкт-Петербургский рыбный завод, Киришский биохимзавод).
По инициативе сотрудников СПбГАСУ на протяжении более чем 30 лет (с 1970 по 2000 гг.) изучались фактические свойства кирпичей, извлеченных из стен более 50 архитектурных памятников, зданий и сооружений. Отбор стенового керамического материала производился на основании известных методик [4]: путем поиска кирпичей в грунте около здания, в пазухах сводов, на чердаках, в подвалах, нишах, стенах (при наличии трещин); во время реставрации или реконструкции зданий и при полной или частичной разборке стен; путем зондирования и раскрытия кирпичных стен.
Методом математической статистики определялись коэффициенты корреляций между прочностью кирпича и объемом его открытых пор в одном случае и количеством растворимых солей – в другом. Установленные зависимости выраженные графически и приведенные на рис 10 и 11 показывают, что с увеличением объема открытых пор и содержания растворимых солей прочность кирпича уменьшается.
Методами рентгенофазового и химического анализов выявлены кристаллогидраты, обладающие разрушительными свойствами по отношению к керамическому стеновому материалу и кладочному раствору: гидросульфоалюминат кальция (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31-32H2O), мирабилит (Na2SO4·10H2O), эпсомит (MgSO4·7H2O), хлорит (NaCl·2H2O). Кроме этого, в массах разрушенных материалов (кирпича и кладочного раствора) были найдены и другие минералы – многоводные кристаллогидраты, являющиеся причиной развития солевой коррозии: алуминит – Al2(OH)4SO4·7H2O, таумасит – CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O, алуноген – Al2 (SO4)3·18H2O, натровые квасцы – NaAl(SO4) 2·12H2O [5].
Кристаллизация алуминита в порах кирпичной кладки чердака Исаакиевского собора происходила в результате взаимодействия 3CaO·Al2O3·6H2O, образовавшегося в цементном растворе, с сернистым газом, окисленным до SO3, который адсорбирован кирпичом из воздуха,
3CaO·Al2O3·6H2O + 4SO3 + 9H2O = Al2(OH)4SO4·7H2O + 3[CaSO4·2H2O] (1)
Таумасит в кирпичной кладке собора образовался в результате реакции между гидросиликатом кальция – 2CaO·SiO2·nH2O (из кладочного раствора), сульфатом кальция (из кирпича) и углекислым газом (из воздуха), концентрация которого в период эксплуатации культового сооружения была повышенной из-за постоянного сжигания свечей
2CaO·SiO2·nH2O + CaSO4 + CO2 + 15H2O = CaSiO3·CaCO3·CaSO4·(n+15)H2O (2)
Алуноген образовался в порах кирпичной кладки гостиницы “Англетер” в результате реакции между 3CaOAl2O3·6H2O (из раствора) и сернистым газом, адсорбированным кладкой из воздуха,
3CaO·Al2O3·6H2O + 6SO3 + 18H2O = Al2 (SO4)3 ·18H2O + 3[CaSO4·2H2O] (3)
Образование натровых квасцов в порах кирпичной кладки цеха ПО «Титан» могло происходить при взаимодействии гидроалюмината кальция (из кладочного раствора) с сульфатом натрия (из кирпича) и серным ангидридом, присутствие которого в цехе и воздухе было связано с технологией производственного объединения,
3CaO·Al2O3·6H2O + Na2SO4 + 6SO3 + 24H2O) =
= 2[Na·Al(SO4)2 ·12H2O] + 3[CaSO4·2H2O] (4)
На основании проведенных исследований, а также литературных источников составлена карта оценки степени солевой коррозии кирпичных стен (табл. 2).
На основании этой карты и данных табл. 1 сделаны следующие выводы: признаки солевой коррозии кирпичных стен Храма «Спас на крови» не выявлены; разрушение кирпичных стен колокольни Петропавловского собора и стен подвала гостиницы “Астория” отнесены к I степени коррозии; кирпичного цоколя Дворца Юсупова – ко II степени коррозии; лицевого слоя стен чердака Исаакиевского собора, стен гостиницы “Англетер”, ПО “Титан”, склада солей Киришского биохимзавода, Санкт-Петербургского рыбного завода и здания технического назначения (о. Белый) – к III степени коррозии.
Литература
1. Еленкин
А. Опыты над сопротивлением кирпича раздроблению // Инженерный
журнал. № 1, 1883.
2. Физдель
И.А. Дефекты в конструкциях
и сооружениях и методы их устранения. – М.: Стройиздат, 1978.
3. Онищик
Л.И. Расчет каменных кладок с керамической облицовкой. –
М.: Госстройиздат, 1960.
4. Подъяпольский С.С. и др. Реставрация памятников
архитектуры. – М.: Стройиздат, 1988.
5. Инчик
В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен, СПб., 1998.