Оценка долговечности кирпичных и каменных конструкций при проведении инженерных изысканий

Введение

Основные правовые акты Российской Федерации, нормирующие порядок проведения обследования и мониторинга технического состояния зданий и сооружений, устанавливают требования к включению в состав технического заключения результатов изучения и расчетов возможных изменений, происходящих во времени.

Пункт 4.1 статьи 47 Градостроительного кодекса Российской Федерации [1] определяет, что «Результаты инженерных изысканий представляют собой документ о выполненных инженерных изысканиях, содержащий материалы <…> в том числе о результатах изучения, оценки и прогноза возможных изменений природных и техногенных условий указанной территории применительно к объекту капитального строительства при осуществлении строительства, реконструкции такого объекта и после их завершения <…>».

Федеральный закон от 23 декабря 2009 года № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [2] конкретизирует обязательные, минимально необходимые требования к зданиям и сооружениям, которые должны выполняться в обязательном порядке. В статье 15 главы 3 «Требования к результатам инженерных изысканий и проектной документации в целях обеспечения безопасности зданий и сооружений» указанного Федерального закона определено, что «результаты инженерных изысканий должны быть достоверными и достаточными для установления проектных значений параметров и других проектных характеристик здания или сооружения, а также проектируемых мероприятий по обеспечению его безопасности. Расчетные данные в составе результатов инженерных изысканий должны <…> содержать прогноз изменения их значений в процессе строительства и эксплуатации здания или сооружения».

ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [13] «регламентирует требования к работам и их составу по получению информации, необходимой для контроля и повышения степени механической безопасности зданий и сооружений». При этом основное понятие комплексного обследования технического состояния здания определяется как «комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров <…>, характеризующих работоспособность объекта обследования и определяющих возможность его дальнейшей эксплуатации, реконструкции или необходимость восстановления, усиления, ремонта <…>». При этом цель комплексного обследования технического состояния здания «заключается в определении действительного технического состояния здания и его элементов, получении количественной оценки фактических показателей качества конструкций (прочности, сопротивления теплопередаче и др.) с учетом изменений, происходящих во времени, для установления состава и объема работ по капитальному ремонту или реконструкции» (п. 5.1.1).

Тем не менее результаты возможных изменений, происходящих во времени, практически отсутствуют в технической документации по мониторингу. Для кирпичной кладки в первую очередь это связано с отсутствием достоверных методик исследования долговечности. До настоящего времени в нормативных документах, например в СП 15.13330.2020 «Каменные и армокаменные конструкции» [14] (табл. 5), долговечность конструкций связывают с морозостойкостью материала кладки. При этом морозостойкость кирпича, например в ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» [15], определяется визуально по степени повреждений после определенного числа циклов замораживания/оттаивания. То есть морозостойкость есть величина абсолютно субъективная. Только характеристики морозостойкости кирпича, камня раствора не могут определять долговечность кирпичных и каменных конструкций. О невозможности использования морозостойкости как параметра для оценки долговечности говорится в [3][4].

Проведенные в ФГБУ «НИИСФ РААСН» в последние годы исследования показали, что долговечность кладки из кирпича и керамического камня определяется не только морозостойкостью кладочных изделий и раствора.

Выполненные специалистами НИИСФ обследования кирпичных и каменных конструкций зданий исторической застройки показали, что коррозия кладки, возведенной из керамических стеновых материалов, происходит даже в конструкциях зданий, не подверженных прямому воздействию положительных и отрицательных температур при увлажнении кладки.

Исследования также показали, что интенсивное замачивание кладки способствует более активному протеканию химической коррозии керамических кладочных изделий и образованию карбонатов и силикатов кальция на поверхности кладки, т. е. более интенсивная коррозия имеет место на участках, подверженных большему увлажнению.

Результаты исследований показали, что при оценке долговечности стен зданий из керамических кладочных материалов необходимо учитывать не только морозостойкость, но и химическую деструкцию материалов.

Метод

В работах [5][6] разработан метод и описана методика расчета долговечности материала стеновой керамики, в том числе при ее работе в ограждающих конструкциях зданий. Метод основан на протекании химической коррозии материала керамики при его увлажнении и может быть применен для расчета остаточной долговечности материала в конструкции.

В процессе деструкции участвует также нехимическая стадия – стадия увлажнения. Влага, в том числе и атмосферная, перемещаясь через конструкцию под действием паропроницаемости или влагопроводности, запускает механизмы деструкции. Процессы образования щелочей при взаимодействии воды и твердой фазы и реакции щелочей с твердой фазой напрямую зависят от температуры. Переменные температурные воздействия, проникая вглубь конструкции, создают различные условия протекания деструкции в различных слоях.

На основании значительного количества исследований разработана математическая модель процесса химической деструкции строительной керамики. На основании математической модели разработана инженерная методика определения долговечности материала кирпича [9]. В общем виде скорость коррозии материала в конструкции можно записать в виде феноменологического уравнения как функцию температуры, концентрации щелочей и влажности материала:

, (1)

где Сd, Сd₀ – коэффициент химической деструкции материала в условиях эксплуатации, полученный в результате лабораторных исследований при концентрации щелочи С₀ = 0,5 н и температуре t₀ = 100 °C, %/час;

γ₁, γ₂ – температурный коэффициент скорости процессов гидратации и химической деструкции в формуле Вант-Гоффа, определенные в результате лабораторных исследований;

k – степенной коэффициент пересчета скорости реакции деструкции от концентрации веществ;

t₂₂ , t₀ , t – температура лабораторного эксперимента 22 °C, 100 °C и эксплуатации материала;

D = 1/0,01Cd [час], (2)

где 0,01 – переводной коэффициент из процентов в доли.

Для определения параметров в уравнении (1) были разработаны две методики, подробно описанные в [6]: методика исследования скорости образования щелочей в материале кирпича и их равновесной концентрации (определение коррозионной активности влаги) и методика определения скорости реакций взаимодействия щелочей с материалом кирпича (определение химической стойкости материала).

Влажность материала определяется несколькими характеристиками: влажностью и эксплуатационной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением материала.

Влажность проб определяется как отношение разницы массы отобранного материала в увлажненном и сухом состояниях к массе увлажненного материала, в процентах.

Эксплуатационная влажность материала конструкции по результатам натурных измерений определяется по методике, предложенной в [10].

Испытания на водопоглощение проводятся в соответствии с ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости» [16] методом насыщения образцов водой с температурой (20 ± 5) °C при атмосферном давлении. Водопоглощение (w_max) образцов в процентах по массе вычисляют по формуле

, (3)

где m₁ – масса образца, насыщенного водой, г;

m – масса образца, высушенного до постоянной массы, г.

Таким образом все параметры, входящие в уравнение (1), могут быть определены на основании разработанных методик. В соответствии с уравнением (1) долговечность строительной керамики может быть определена на основании физико-химических законов.

Результаты

Авторами статьи было проведено комплексное обследование отдельно стоящего кирпичного здания в составе многофункционального комплекса «ГЭС-2» в Москве (рис. 1) постройки 1906 года с использованием описанных в разделе 2 настоящей статьи методик.

Результаты исследования влажности материала по сечению ограждающей конструкции приведены на графике (рис. 2).

Максимальное водопоглощение материала кирпича по результатам исследования и обработки результата составило 13,2 %. Эксплуатационная влажность материала составила 1,15 %. При этом в соответствии с рекомендациями [10] коэффициент теплотехнического качества η принимался равным 1. Увеличение влажности на глубине около 200 мм, скорее всего, связано с наличием «забутовки», оставленной при реконструкции.

Результаты исследования химической активности материала кирпича представлены в табл. 1.

Результаты исследования химической стойкости материала показаны в виде графика на рис. 3.

Значение коэффициента химической деструкции, в соответствии с графиком на рис. 3, составляет 22,81 %/час.

Остаточная долговечность материала кирпича составит более 600 лет при условии сохранения существующих параметров эксплуатации. Через 640 лет кирпич полностью разрушится. Несущая способность кирпича будет утрачена ранее. Снижение прочности до нормативной может составлять около 20–30 % расчетного времени, то есть 130–190 лет.

Необходимо отметить, что вычисленная в соответствии с приведенной методикой долговечность учитывает индивидуальные физические и химические характеристики материала, а также условия эксплуатации материала в ограждающей конструкции.

Исследование высолов на кирпичной кладке

Образование солей в материале кирпича может влиять на его долговечность. В разработанной теории долговечности [9] такие реакции рассматриваются как побочные реакции второго типа, то есть реакции, обусловленные внешним воздействием. В процессе обследования были взяты пробы налета, образовавшегося с внутренней стороны наружных ограждающих конструкций. Пробы отбирались с двух противоположных стен здания методом соскоба. Место отбора проб и вид налета показаны на рис. 4.

На рис. 4 видно, что налет проб № 1 и 2 различен по своей структуре: для пробы № 1 характерна аморфная структура, распределенная по поверхности кирпича; для пробы № 2 характерны кристаллы высотой до 5 мм.

Количественный рентгенофазовый анализ налета проводился на порошковом рентгеновском дифрактометре ARL X’TRA по методу Ритвельда. Анализ содержания аморфной фазы в образцах выполнялся методом сравнения площадей гало и рефлексов кристаллических фаз. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Наличие в пробах кварца определено методом отбора. Во время соскоба с поверхности кирпича в пробу могло попасть неконтролируемое количество песка. Таким образом, наличие в пробе SiO₂ не влияет на долговечность и оценку причин возникновения налета на поверхности кирпича.

Карбонат кальция образуется на поверхности материала кирпича по качественной реакции взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом, а гидроксид кальция образуется в материале кирпича при его увлажнении или в процессе выщелачивания цементно-песчаного раствора. Практически одинаковое количество карбоната кальция в двух пробах свидетельствует об идентичности процессов, протекающих в материале кирпича.

Образование гипса возможно при наличии в материале кирпича серы в любых ее соединениях. Наличие серы в растворе подтверждено результатами анализа, представленного в табл. 1. При увлажнении материала кирпича в растворе образуется серная кислота. Взаимодействие серной кислоты с гидроксидом кальция способствует образованию гипса. Данный процесс замедляет процесс деструкции за счет связывания гидроксида кальция.

Наличие в пробах нитратов натрия и калия и хлорида натрия (поваренной соли) позволяет определить их природу. Основываясь на результатах, приведенных в табл. 2, механизмы возникновения налетов будут различны.

В пробе № 2 значительно преобладает хлорид натрия. Можно предположить, что его источником является обработка улиц в зимний период противогололедным составом. С таянием снега и льда хлорид натрия попадает в почву, а затем в бутовую или кирпичную кладку фундамента стены. В процессе капиллярного подсоса хлорид натрия может подниматься по кирпичной кладке и на поверхности кирпича образовывать налет. При этом налет образуется как с внешней, так и с внутренней стороны кладки. Наличие хлорида натрия снижает долговечность материала кирпича [11].

Для пробы № 1 характерно наличие значительного количества нитрата натрия. Значительное увеличение нитратов в составе налета на кирпиче возможно только при попадании в материал кирпича нитратов. Источник нитратов установить сложно, однако можно предположить, что при реконструкции здания в зимний период использовался раствор с противоморозными добавками, например нитрит натрия. Нитриты могут легко окисляться до нитратов. Это определяет наличие в пробе № 1 значительного количества нитрата натрия. При этом возможна реакция с соляной кислотой с образованием хлорида натрия, что может также определять наличие в пробе № 2 хлорида натрия.

Ионы азотной и азотистой кислот, так же как и в случае с соляной кислотой, могут инициировать ряд реакций, ускоряющих деструкцию материала кирпича.

Подробный анализ проб налета на поверхности кирпичной кладки дает более точное понимание, позволяет сделать более точную оценку долговечности кирпичной кладки. Кроме того, такой анализ дает возможность рекомендовать как методы борьбы с налетом, так и методы его устранения, основываясь на том, что основные присутствующие в налете вещества хорошо растворимы.

Обсуждение

Выполненные исследования, описанные в данной статье, показывают, что разработанная методика определения долговечности строительной керамики может быть использована в том числе для оценки остаточной долговечности материала кирпича исторических зданий. Методика основана на физико-химических законах и исследовании кинетики протекания химических процессов в материале кирпича при его увлажнении. Таким образом, методика дает возможность прогнозировать изменения в работе ограждающих конструкций в течение определенного срока эксплуатации, что определено требованиями Градостроительного кодекса РФ. На этом основании метод может быть рекомендован для включения в нормативную документацию, определяющую требования к обследованию каменных конструкций зданий.

Аналогичные выводы были сделаны в [12]. Методика исследования остаточной долговечности здания была опробована на одном из объектов незавершенного строительства. Изучаемый объект представляет собой жилой комплекс, состоящий из семи многоквартирных жилых домов, из них три дома построены и введены в эксплуатацию. На четырех жилых домах строительные работы остановлены без консервации в 2015–2016 годах. Степень строительной готовности объектов составляет от 20 до 55 %.

Внутренние и наружные ограждающие конструкции объектов незавершенного строительства выполнены из крупноформатной пористой керамики с включением в кладку полнотелого керамического кирпича стандартных размеров (1НФ). Наружные ограждающие конструкции толщиной 510 мм являются несущими. Отсутствие защиты от атмосферной влаги привело к активному замачиванию конструкций, что в свою очередь способствовало интенсивному протеканию химической коррозии керамического кирпича и камня и образованию карбонатов и силикатов кальция на поверхности стен (рис. 5). Активное протекание химической коррозии материала кирпича с разрушением поверхностных слоев крупноформат­ной керамики и образованием карбонатов и силикатов кальция на поверхности стен визуально отмечается на всех этажах здания, однако наибольшему разрушению подверглись блоки первых трех этажей сверху, где замачивание атмосферными осадками максимально.

В результате обследования и расчета остаточной долговечности материала строительной керамики были определены участки конструкции, в которых остаточная долговечность материала была ниже проектного срока эксплуатации зданий. Например, верхний ряд блоков парапета имеет остаточную долговечность около 25 лет и должен быть демонтирован. При этом блоки, расположенные на высоте менее 1 м от верхнего перекрытия, обладают остаточной долговечностью, достаточной для их дальнейшего использования в конструкциях.

Таким образом, методика обследования с расчетом остаточной долговечности конструкций дает значительно более точные результаты и позволяет сэкономить значительные средства при проведении работ.

Заключение

Основные требования к проведению обследования каменных кладок нормируются ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [13] в п. 5.3.2 «Обследования каменных конструкций». Предлагается ввести в объем комплексного обследования зданий оценку остаточной долговечности материала в соответствии с изложенными в данной статье методиками. В связи с этим предлагается дополнить методику обследования кладки на зданиях незавершенного строительства, изложенную в ГОСТ 31937-2011 [13], следующими позициями: правила отбора проб для последующего определения влажности материала конструкции с указанием требований к оборудованию, правила отбора проб для последующего определения остаточной долговечности материала, а также методика расчета остаточной долговечности.