Сколь долог будет век кирпичный?

В НИИ Строительной физики разработали теорию определения долговечности строительной керамики

О том, как шла разработка этой революционной для строительной отрасли теории рассказал ее автор, ведущий научный сотрудник Лаборатория №12 НИИСФ Российской академии архитектуры и строительных наук Дмитрий Желдаков.

«Морозостойкость» не равно «долговечность»

— Дмитрий Юрьевич, почему вы взялись за изучение вопросов долговечности стройматериалов, и в частности, кирпича?

— Тема очень актуальная, поскольку сейчас понятие «долговечность» сразу ассоциируется с понятием «морозостойкость». Потому что сегодня для того, чтобы оценить долговечность кирпича и ряда других строительных материалов, традиционно используется понятие морозостойкости, а для кирпича также и понятие прочности. Но на самом деле ни морозостойкость, ни прочность не определяют долговечность такого материала, как кирпич.

Долговечность — это отдельное, самостоятельное свойство материала, которое можно определить на любой стадии его эксплуатации. И уже тогда, когда кирпич выходит из обжиговой печи, он обладает этим свойством, то есть уже на данном этапе можно определить его долговечность.

Теперь планируем использовать те теоретические результаты, которые мы получили, для практического использования.

— На чем основываются эти разработки?

— Это — абсолютно новая разработка, которая пока не имеет аналогов. Теория долговечности материала строительной керамики основана на описании процессов химической коррозии, протекающих в материале, с помощью законов физической химии.

— Как появилась идея этой разработки?

— Идея появилась на основании большого количества обследований ограждающих конструкций кирпичных зданий.  Кирпичная кладка зданий, которые находятся на территориях, где вообще не бывает отрицательных температур, например, в центральной Италии или в Омане (я и там, и там, будучи в туристических поездках, проводил обследования кирпичных кладок) так же подвержена процессам разрушения, как и на территориях с морозными зимами. А это говорит о том, что морозостойкость нельзя отождествлять с понятием долговечности.

При этом оказалось, что сам процесс разрушения оказался одинаков не только для разных территорий (где есть и где отсутствуют отрицательные температуры), но и для кладок различных по времени их создания. То есть процесс разрушения кладок, которые имеют четырех- или пятисотлетний возраст, и новых кладок одинаков. И разрушаются не все кирпичи в кладке одинаково. Одни разрушаются быстрее, другие — медленнее, хотя все находятся в одинаковых температурных условиях, количество циклов замерзания и оттаивания одинаковое. Однако в отечественной строительной практике сложилось так, что между морозостойкостью и долговечностью безосновательно был поставлен знак равенства.

— Почему безосновательно?

— Результат проверки на морозостойкость определяется по принципу «да — нет», причем субъективно, то есть по мнению исследователя. Скажем, если кирпич прошел  50 циклов замораживания—оттаивания и не разрушился, то считается, что его марка по морозостойкости F50. Но что говорит эта марка с точки зрения долговечности? Мы же не знаем, сколько он вообще выдержит? 51 цикл или 151?

И еще важный вопрос. Сколько циклов замерзания—оттаивания здание проходит за одну зиму? Порядка 50? Тогда получается, что кирпич, который при испытании прошел 50 циклов замораживания может служить один год?!

Поэтому у нас даже по ГОСТу долговечность должна определяться по экспертной оценке. То есть по оценке какого-то физического лица, пусть очень грамотного, но не основанная ни на каких научных законах.

— А что предлагает ваша теория определения долговечности, на чем она основана?

— Теория долговечности материала строительной керамики основана на  описании протекания процессов химической деструкции с помощью законов физической химии. Процессы, протекающие в материале кирпича, подтверждены расчетами по законам химической термодинамики, а расчеты скоростей реакций выполнены на основании исследований химической кинетики.

И главное, о чем я уже говорил, в основу теории положен основной принцип, что долговечность является свойством материала, а, следовательно, в первую очередь мы должны рассматривать процессы, проходящие внутри материала. Только после их изучения мы сможем правильно оценить внешнее воздействие среды, будь то мороз, повышенная кислотность почвенной влаги, кислые газы или внешнее механическое воздействие.

Кирпичный «рафинад»

— Условно говоря, вы попытались как бы заглянуть внутрь «организма» кирпича?

— Если продолжить образные сравнения, разрушения кирпича подобны эффекту рафинада. Если мы возьмем сухой кусочек сахара и надавим на него пальцем, то он не разрушится. Но если капнем на сахар воды, то он разрушится и без нашего усилия. Приблизительно так разрушается и кирпич.

 Влага попадает в тело кирпича — а она может попадать разными путями, в том числе, это могут быть и водяные пары. Она взаимодействует с материалом аморфной части кирпича (именно аморфным веществом скрепляются кристаллы алюмосиликатов после обжига).

В аморфной части находятся различные элементы, которую могут вступать в химическое взаимодействие с водой. В первую очередь это оксиды щелочных и щелочноземельных металлов — K2O, Na2O, CaO, MgO, которые с водой образуют щелочь. А образовавшиеся щелочи реагируют с материалом кирпича — с оксидами кремния и алюминия. Таким образом, аморфная часть так же, как в кусочке сахара, превращается в раствор. Твердые кристаллы распадаются и кирпич теряет свои прочностные качества, несущую способность.

Разработав эту теорию, я начал проводить исследования. На основании методик исследования сейчас разработаны две основные методики, которые в скором времени будут определены как ГОСТы.

— Расскажите о них подробнее.

— Прежде всего надо отметить, что методики разрабатывались с учетом удобства и оперативности их применения, и в первую очередь на производстве. Поэтому подготовка пробы для обеих методик одинакова и состоит в измельчении кирпича до размеров 0,5 мм. Масса пробы, принимающий участие в эксперименте, 2 г.

— Первая методика дает возможность определения первой стадии процесса деструкции — образование щелочей. Проба помещается в колбу с водой и через два часа проверяется концентрация элементов щелочных и щелочноземельных металлов на спектрометре. Так получается количество оксидов, которое образуется в воде за определенное время.

Второй эксперимент — воздействие на пробу сильной щелочью — KOH. Через каждый час проверяем, насколько разрушается материал кирпича.

В результате этих экспериментов мы получаем данные — сколько образуется щелочи и как активно эта щелочь действует на материал кирпича — то есть скорость химической реакции деструкции.

Эти НИОКРы, которые мы вели по заданию Минстроя России, позволили пересчитать экспериментальные данные на условия естественной эксплуатации материала и получить реальные значения долговечности материала.

— В какой стадии готовности ваша работа?

— Сейчас подвожу итоги исследований и разрабатываю с коллегами математическую модель расчета долговечности. В математическую модель закладываются условия эксплуатации материала (температура и влажность окружающей среды) и характеристики материала, полученные в результате экспериментов.

Предполагаю, что в следующем году методика расчета долговечности материала появится в виде ГОСТа.

Кирпич не «мерзнет» при нуле!

— А что теперь с понятием морозостойкости? Про циклы замораживания—размораживания теперь можно забыть?

— Нет конечно. Методику исследования материала на воздействие холода разработал великий русский ученый Н.А. Белелюбский в 1884 году. Сам он говорил, что данный эксперимент показывает исключительно сопротивление материала холоду. И для нашей страны это очень важно. Поэтому исследования материала на морозостойкость должны остаться в практике как одна из важных характеристик. Другое дело, что нельзя использовать марку материала на морозостойкость как параметр долговечности. Тем более, что, как я уже говорил, это только экспертная (читаем субъективная) оценка.

В оценку воздействия холода на материал наши исследования также вносят некоторые коррективы.

Поскольку по нашей теории, как только вода попадает внутрь кирпича, она перестает быть водой, а становится электролитом, поскольку в ней растворяются различные компоненты. А это значит, что температура замерзания уже не может равняться нулю градусов, она ниже.

В прошлом году мы провели большую экспериментальную научно-исследовательскую работу и на основе эксперимента и математической базы доказали, что даже при 8° — 10°С ниже нуля в кирпиче еще остается влага.

Эту температуру можно рассчитать и определить заранее. По нашей методике это довольно просто сделать.

Теперь мы можем корректировать представление о воздействии мороза на материал. При температуре до минус 8°—10° воздействия мороза на кирпич в силу вышеназванных причин вообще не происходит!

А это очень важно. Ведь можно точно определить, сколько раз за зиму происходит понижение температуры ниже —10°. И получается, что число замерзаний-оттаиваний за зиму на самом деле гораздо ниже, чем считалось раньше. Кроме того, сам процесс замерзания электролита, отличается от процесса замерзания чистой воды, и возникающие при этом внутренние напряжения совершенно другие. А поскольку была проведена такая работа, то уже в этом году будет разработан ГОСТ по этой теме.

— Какое практическое значение будет иметь определение долговечности кирпича в современной практике строительства? Например, чтобы решить, у какого завода лучше его заказать, дабы здание дольше простояло?

— Если мы будем четко знать, какой материал сколько выдерживает по долговечности, то при строительстве дома, рассчитанного на сто лет, не будет необходимости использовать кирпич, который выдержит двести лет эксплуатации. А это заметно скажется на стоимости строительства.

Заводы, которые выпускают кирпич, смогут в соответствии с этим варьировать свою технологию. Экономия здесь зависит в основном от количества газа, которое ушло на обжиг кирпича. И если технологи заводов  будут иметь эту методику и будут четко знать, какой кирпич им нужно выпустить, то не будут тратить лишнего газа. А это — и экономия, и экология.

Еще один момент. Сегодня очень многими заводами и технологами исследуется возможность добавки каких-то промышленных отходов в кирпич при его производстве. Это важно потому, что отходы производства надо куда-то девать, а кроме того, их применение может позволить уменьшить температуру обжига, снизить содержание более дорогих ингредиентов, а следовательно уменьшить себестоимость продукции. Теперь можно будет знать, как влияет новый состав сырья или условия его обжига на долговечность.

Немаловажно, что разработанный метод позволяет проводить контроль за эксплуатацией зданий по параметру долговечности практически в автоматическом режиме. Думаю, не надо говорить, как это важно для сохранения памятников архитектуры.

— Есть ли среди параметров, которые завод указывает при выпуске кирпича, долговечность?

— Этого параметра сегодня нет.

— Что ж не исключено, что благодаря вашей теории он вскоре появится!

Спасибо за интересный рассказ!

Источник

Добавить комментарий