Туф – это натуральный природный материал, легкая горная порода. По происхождению туфы бывают вулканическими, известковыми и кремнистыми. Благодаря пористости, обладают малой шумо- и теплопроводностью. Широко используются в производстве строительных и отделочных материалов, в художественном промысле. Так, известковый туф, иначе называемый травертином, служит сырьем для изготовления напольных и облицовочных плиток.
Некоторые каменные породы, обладающие высокими архитектурно-декоративными качествами недостаточно долговечны и нуждаются в защите наружной облицовки на фасаде зданий. К их числу относятся, например, фельзитовые туфы Армении желтовато- и зеленовато-белого, кремового, розового и других тонов, а также некоторые андезиты и дациты.
Благодаря красивому внешнему виду названные породы камня нашли применение при облицовке многих зданий и сооружений. Понятно, что весьма важное значение имеет вопрос об изыскании надежных и экономичных способов защиты этой облицовки.
Обследование ряда зданий показало, что спустя 20-25 лет уже стали заметны многочисленные следы выветривания фельзитовых туфов Керплинского, Калачинского. Туманянского, Цатерского и других месторождений, а также андезита Капутанского и дацита Карнутского месторождений. Быстрее выветривались части облицовки, сильно увлажняемые атмосферными осадками или грунтовой влагой. Там же, где камень был огражден от влаги, он сохранился лучше.
Следовательно, основной причиной разрушения пористых облицовочных материалов, особенно микропористых, к числу которых относятся фельзитовые туфы, является проникновение и многократная миграция воды по капиллярной системе камней.
Общеизвестно воздействие воды в твердой фазе при попеременном замораживании и оттаивании ее в порах различных материалов.
Выполненные экспериментальные работы, основанные на методике определения динамического модуля упругости, выявили существенное снижение прочностных показателей образцов пористых камней и значительные объемные изменения их при многократном попеременном водонасыщении и высушивании. Это позволяет объяснить факт преимущественного выветривания туфов на южных фасадах древних сооружений в Армении. Подвергаясь наиболее интенсивному нагреву солнечными лучами, облицовка в данном случае быстро высушивается после каждого намокания. Повторение этого процесса и приводит к выветриванию камня.
Механическое воздействие воды в жидкой фазе включает также растворение некоторых составных частей камня. Косвенное воздействие воды (особенно грунтовой) выражается в том, что она способствует проникновению в камень растворенных в ней солей и дальнейшей их кристаллизации с присоединением молекул воды, т. е. с расширением объема. Присутствие воды благоприятствует также протеканию некоторых реакций химического выветривания под действием вредных атмосферных газов и других агентов.
Таким образом, для защиты наружной облицовки и повышения её долговечности необходимо устранить или минимизировать доступ атмосферной и грунтовой влаге.
Существует несколько способов повышения долговечности пористых материалов путем уплотнения их поверхностного слоя, обрабатываемого для этой цели различными химическими веществами. Наиболее известен способ флюатирования, т. е. обработки поверхности камня водными растворами металлических солей кремнефтористо-водородной кислоты. Изучение опыта применения флюатов и других (обычно патентованных) средств, уплотняющих поверхностный слой облицовки и, тем самым, уменьшающих доступ влаги, показало, что в большинстве случаев эти средства в конечном итоге приводят к противоположному эффекту: затрудняется свободное испарение влаги с накопление солей под уплотненной коркой и последующее расслоение материала.
Тонкие пленки, покрывающие при этом поверхности камня, стенки пор и капилляров, совершенно невидимы, так что ни цвет, ее фактура его не изменяются. Пленки эти не нарушают паро- и воздухопроницаемости гидрофобизованного материала.
Лучшие результаты для защиты наружной облицовки, чем уплотнение, дает гидрофобизация поверхности камня, т.е. обработка веществами, придающими ей свойство несмачиваемости водой. Одним из наиболее эффективных способов гидрофобизации является пропитка материала растворами кремнеорганических соединений. Тонкие пленки, покрывающие при этом поверхность камня, стенки пор и капилляров, совершенно невидимы, так что ни цвет, ни фактура его не изменяются. Пленки эти не нарушают паро- воздухопроницаемости гидрофобизированного материала.
Сущность гидрофобизации кремнеорганическими соединениями заключается в том, что, реагируя на поверхности с адсорбированной водой, они вызывают образование ориентированных молекул, гидрофильная часть которых в виде силоксановых групп обращена к поверхности материала и связана с ней силами адгезии или химически, а гидрофобные органические радикалы обращены наружу и образуют своеобразную щетку Последняя представляет собой водоотталкивающий слой, поскольку препятствует проникновению крупных молекул воды, пропуская при этом более мелкие молекулы воздуха и пара.
Работами советских химиков были получены удобные для практического применения в строительстве водорастворимые кремнеорганические соединения - алкилсиликонаты натрия примерного состава RSiOONa. Кусковский химический завод под Москвой ранее выпускал один из видов указанных кремнеорганических соединений, а именно - метилсиликонат натрия (CH3SiOONa). Это вещество и было использовано для проведения опытов по гидрофобизацни некоторых облицовочных камней месторождений Армянской ССР.
В первую очередь были поставлены опыты по гидрофобной обработке фельзитовых туфов, в основном Кёрплинского месторождения и, частично, туфа Туманянского месторождения. Для гидрофобизации фельзитовых туфов применялись водные растворы метилсиликоната натрия различной концентрации (от 0,5 до 3%). Покрытие наносилось кистью (в 1,2 и 3 слоя), путем пульверизации и погружением образцов в раствор на различные сроки (от 1 до 60 сек.). Изучались изменения в динамике водопоглощения туфов, величине капиллярных сил, степени размягчения материала при поглощении воды, стойкости его против попеременного водонасыщения и высушивания, а также морозостойкости при различных условиях испытания. Кроме того, изучалась глубина проникновения раствора в туф и сохранность гидрофобного эффекта в течение продолжительного времени. Определялся также расход раствора метилсиликоната натрия на единицу поверхности облицовки из фельзитового туфа при различных способах гидрофобизации.
В таблице на рис. 1 приводятся результаты одной серии опытов по определению динамики водопоглощения фельзитового туфа Кёрплинского месторождения при разных способах обработки концентрации раствора.
Рис. 1. Результаты опытов по динамике водопоглощения каменной облицовки
Как видно из таблицы, обмазка образцов туфа раствором в 3 слоя и погружение их в раствор на 10 сек. дают почти одинаковый гидрофобный эффект. Однако в последнем случае расход раствора на 1 м2 поверхности значительно выше.
Для гидрофобизации облицовки из фельзитовых туфов, очевидно, наиболее приемлемым будет способ пульверизации раствора с помощью краскопульта. Сравнительное изучение показало, что обработка кистью и краскопультом даст аналогичный эффект в отношении изменения динамики водопоглощения. При этом расход раствора метилсиликоната натрия приблизительно одинаков.
Обработка метилсиликонатом натрия, не делая камень абсолютно водонепроницаемым, затрудняет доступ влаги. Этого вполне достаточно, поскольку каменная облицовка не подвергается постоянному воздействию воды, а лишь кратковременному смачиванию косым дождем или снегом с последующим высыханием.
Поэтому в качестве одного из критериев повышения долговечности камня может быть условно принято изменение водопоглощения или коэффициента водонасыщения при погружении камня в воду в течение одного часа. За такой промежуток времени водопоглощение гидрофобизированных обрзцов кёрплинского туфа по данным наших опытов уменьшается в 25 раз, туманянского в 9 раз.
При обработке фельзитового туфа раствором метилсиликоната натрия последний проникает в капилляры, изменяя гидрофильные свойства их поверхности, благодаря чему и уменьшается водопоглощение.
Как известно, капиллярная сила зависит от диаметра капилляров и угла смачивания твердого тела жидкостью. Следовательно, при неизменном диаметре капилляров изменения капиллярной силы будут характеризовать изменения угла смещения.
С целью установления степени изменения угла смачивания фельзитового туфа, обработанного метилсиликонатом натрия, производились измерения капиллярной силы. Для этой цели был использован сконструированный прибор (порозиметр), который дает возможность подвешивать к испытуемому образцу через прослойку воды столб ртути переменной высоты, характеризующей величину капиллярной силы камня.
В необработанном виде фельзитовый туф Кёрплинского месторождения имел среднюю величину капиллярной силы 545 мм рт. столба, при обмазке же в три слоя 1%-ным раствором метилсиликоната натрия эта величина составила 100 мм, а 2%-ным раствором - 87 мм. При погружении камня в раствор на 10 сек. капиллярная сила выражалась величинами соответственно 65 мм и 31 мм.
Это означает, что обработка фельзитового туфа раствором метилсиликоната натрия сильно увеличивает угол смачивания. При обмазке 2%-ным раствором в три слоя угол смачивания по расчету достигает 80° а при погружении в 2%-ный раствор на 10 сек. - почти 87°, если считать, что без обработки туф вполне гидрофилен, т. е. угол смачивания его равен нулю.
Уменьшение водопоглощения фельзитового туфа после гидрофобизации повышает его водостойкость и как следствие повышается степень защиты наружной облицовки. Исследование водостойкости туфа производилось по методике определения динамического модуля упругости, что позволяет проследить за изменением свойств материала на одном и том же образце, без его разрушения.
Опыты показали, что модуль упругости необработанных образцов фельзитового туфа по мере водопоглощения снижается после выдерживания в воде в течение 1 часа примерно на 21-22%. Между тем при обработке раствором метилсиликоната натрия в два и три слоя снижение модуля значительно меньше и составляет при растворе 1%-ной концентрации 11-15%, а 2%-ной концентрации - только 5-6%.
Попеременное водонасыщение и высушивание фельзитового туфа, повторяемое многократно, увеличивает размягчаемость камня. Так, после 50-кратного попеременного водонасыщения и. высушивания необработанного туфа, модуль упругости его при выдерживании в воде в течение 1 часа снижается уже на 30% вместо первоначального 21-22%. При обработке же 2%-ным раствором метилсиликоната натрия в три слоя не наблюдается заметного изменения размягчаемости камня. В этом случае после 50 циклов снижение модуля упругости при часовом водопоглощении составляет всего 6%.
Дополнительным доказательством сильного воздействия попеременного водонасыщения и высушивания на структуру необработанного фельзитового туфа является изменение коэффициента водонасыщения. Если коэффициент водонасыщения образца за 1 час пребывания в воде составляет 0,76, то после 50 циклов испытаний он достигает 0,83, что примерно соответствует 48-часовому водопоглошению камня в первоначальном состоянии. При те же условиях коэффициент водонасыщения обработанного метилсиликонатом натрия образца имел величину 0,03, без тенденции к повышению.
Непосредственное испытание на предел прочности при сжатии образцов фельзитового туфа, подвергнутых 50-кратному попеременному водонасыщению и высушиванию, показало, что гидрофобизированные образцы на 30-70% прочнее не прошедших обработки.
Степень морозостойкости гидрофобизированного фельзитового туфа в сопоставлении с эталонными (необработанными) образцами определялись двумя способами: по стандарту и по принятой методики, приближающейся к условиям службы облицовочного камня. Отличие этой методике от стандартной заключается в том, что образцы насыщается водой в течение 1 часа, после чего их ставят в эксикатор и замораживают вместе с ним. Оттаивании образцов производится не в воде, а на воздухе при комнатной температуре. Таким образом, в процессе испытаний образец сохраняет постоянную влажность.
Как показали результаты испытаний, при стандартной методике никакого улучшения морозостойкости фельзитового туфа, обработанного метилсиликонатом, не наблюдается. Это вполне закономерно, поскольку при многосуточном выдерживании в воде (как практикуется при стандартной методике испытаний на морозостойкость) обработанные образцы насыщаются водой в такой же степени, как необработанные. Следовательно, и разрушение их при морозе должно наступать одновременно.
Но означает ли это, что морозостойкость фельзитового туфа после его обработки метилсиликонатом натрия фактически не повышается? Нет, не означает.
Наглядным доказательством тому является сравнение результатов испытаний по методике, близко воспроизводящее натуральные условия службы облицовочного камня. При этой методике необработанные образцы выдерживали от 15 до 29 (в среднем 20) циклов замораживания то есть почти столько же, сколько при стандартной методике испытания, обработанный – свыше 100 циклов.
С точки зрения повышения долговечности облицовочного камня важным моментом является также степень изменения динамики его влагоотдачи после обработки гидрофобизирующим раствором. Исследования показали, что в случае, когда свободное испарение влаги с поверхности облицовки затруднено, наблюдается накопление солей под поверхностной коркой камни. С течением времени это приводит к его расслоению.
Изучение динамики влагоотдачи производилась на двух разновидностях фельзитого туфа - кёрплинском и туманянском. Образцы обработанные различными приемами 1%- и 2%-ным раствором метилсиликоната натрия, а также эталонные (необработанные) насыщались водой в течение двух суток, после чего они хранились в комнатных условиях до достижения воздушно-сухого состояния. Установлено что способность влагоотдачи фельзитовых туфов в результате обработки их раствором метилсиликоната натрия почти не меняется.
Остается осветить результаты опытов по изучению сохранности гидрофобного эффекта в защите наружной облицовки в течение продолжительного времени.
Плиты из фельзитового туфа Кёрплинского месторождения, покрытые 1%-ным раствором метилсиликоната натрия, были выставлены в горизонтальном положении под открытое небо. Периодически проверялась водопоглощение плит за 1 час пребывания в воде, после чего их опять выставляли под открытым небо. Для сравнения рядом с обработанными образцами была выставлена эталонная (необработанная) плита из того же туфа.
Наблюдение велись в течение полутора лет. В первые месяцы часовое водопоглощение обработанных плит не превышала 1 %, концу же срока наблюдения оно увеличилась до 1,5-2%. При этом водопоглощение эталонной плиты составило около 11 %. Это означает что гидрофобный эффект обработки даже одна 1%-ным раствором метилсиликоната натрия может сохраниться в течение ряда лет. По-видимому повторная обработка фасадов потребуется не ранее чем через пять - шесть лет.
Следует отметить что наряду с повышенной с повышением долговечности наружной облицовки гидрофобизация улучшает также её внешний вид, так как препятствует загрязнению фасада, образованию солевых выцветов и потемнение облицовочного камня.
Помимо гидрофобизации фильзитовых туфов, аналогичные опыты были проведены на андезите Капутанского месторождения.
Изучение динамики водопоглощения показывать что нанесении на андезит 2%-ного раствора метилсиликоната натрия с помощью кисти в три слоя или погружением в раствор на 1 минуту, приводит к 8-кратному снижению водопоглощения. При этом раствор расход раствора не изменяется и составляет примерно 100 г/м2. Следовательно эффективность этих способов обработки, судя по часовому водопоглощение, одинаково. По двухсуточному водопоглощению сравнительная эффективность способа погружения в раствор несколько выше.
Обработка Капутанского андезита раствором существенно снижает величину капиллярные силы. При обработке 2%-ным раствором в три слоя среднее значение капиллярные силы составляет лишь 34 мм рт. столба. Несколько меньшее значение получается при обработке андезита погружением его в раствор.
Изучение размягчаемости Капуанского андезита показала, что за 1 час пребывания его в воде динамический модуль упругости снижается на 25 % т.е. больше, чем для фельзитового туфа. При обработке андезита 2%-ным раствором в три слоя снижение модуль упругости за тот же срок пребывания в воде составляет только 10%.
Скорость влагоотдаче Капуанского андезита при обработке метилсиликонатом натрия замедляется не значительно. Образцы, насыщавшиеся водой в течение двух суток, высыхают в условиях естественной сушки в недельный срок.
Приведённые результаты исследований показывают целесообразность гидрофобизации водным раствором метилсиликоната натрия в целях защиты наружной облицовки зданий из фельзитовых туфов, капутанского андезита и других аналогичных каменных пород. Это мира предотвращает выветривание облицовочных камней и повышает их долговечность.
Купить станки для кирпича и плитки облицовочной, от производителя вы можете обратившись в офис компании по указанным на сайте контактам.
Методы защиты природных каменных материалов от разрушения
Разрушение каменных материалов может происходить под действием воды как растворителя. Особенно активно действует на карбонатные породы вода, содержащая углекислоту, сернистые и другие кислотные соединения. Каменные материалы разрушаются также при переменном действии воды и мороза. Если горная порода состоит из нескольких минералов, то разрушение ее может происходить от изменения температуры вследствие того, что коэффициент линейного расширения разных минералов не одинаков.
Горные породы разрушаются также от воздействия органических кислот. Частицы пыли неорганического и органического бытовыми происхождения, являющиеся или промышленными отходами города, оседают на поверхности и в порах камня; при смачивании их водой возникают бактериологические процессы с зарождением микроорганизмов, которые разрушают камень за счет образования органических кислот. Скорость разрушения горной породы зависит также от качества и структуры ее, выражающихся в наличии микротрещин, микрослоистости и размокающих и растворимых веществ.
Для защиты каменных материалов от разрушения необходимо прежде всего предотвратить проникновение воды и ее растворов в глубину материала, для этого применяют так называемое флюатирование (см. Снижаем водопоглощение лего кирпича флюат пропиткой). При обработке известняка флюатами (например, кремнефтористым магнием) образуются нерастворимые в воде соли, которые закрывают поры в камне и тем самым повышают его водонепроницаемость и атмосферостойкость.
От воздействия углекислоты и образования сульфатов природный облицовочный камень предохраняют путем пропитки его на глубину до 1 см горячим льняным маслом. Для предохранения от проникновения воды поверхность камня покрывают слоем раствора воска в скипидаре, парафина в легком нефтяном дистилляте или каменноугольном дегте. Защищают каменные материалы от разрушения также конструктивными мерами, например путем образования хорошего стока воды с поверхности камня, придания камню гладкой поверхности и т. д.
