Статья о природе эффекта высолообразования, о его влиянии на долговечность строительных материалов и о методах борьбы с ним

 

Высолообразование является настоящим бичом для производителей цветных бетонных изделий и смесей. Белый налет портит вид декоративных элементов из бетона, и даже часто «переползает» на элементы, контактирующие с бетоном или раствором, в частности, на кирпич, каменные плиты и т.п. При этом зачастую этот налет очень сложно удалить. При попытке его смыть он возникает снова и снова, иногда даже более интенсивно, чем перед попыткой его удаления. Более того, зачастую застарелые высолы просто не поддаются смывке водой.

В этой статье мы попробуем разобраться в причинах феномена высолообразования, в том, является ли этот процесс опасным для бетонных конструкций, а так же в методах борьбы с ним.

В двух словах, механизм появления белого налета на бетоне можно охарактеризовать как кристаллизацию на поверхности бетона водорастворимых минералов, поступающих в виде раствора из толщи самого бетона или раствора в процессе капиллярной миграции влаги в направлении поверхности.

Таким образом, для высолообразования требуется наличие трех факторов:

  • Наличие воды в порах материала
  • Наличие водорастворимых минералов в этой воде
  • Наличие условий для миграции (перемещения) этого раствора минералов в теле материала.

Пойдем разбираться далее, по порядку.

Вода

Откуда в бетоне берется вода объяснить проще всего. Бетонная смесь изначально содержит воду затворения. При этом бетоны и растворы являются гигроскопичными материалами, и никогда не высыхают до конца, даже в очень сухую погоду. То есть в их порах всегда содержится некоторое количество воды, которое зависит от влажности окружающего воздуха.

Пористость

Откуда в бетоне поры, и чем обусловлена миграция (перемещение) воды и растворенных в ней солей в бетонах и растворах?

Практически все минеральные строительные материалы являются пористыми. И значительная часть этих пор сообщается между собой (система капиллярных пор). При диаметре капилляров от 0,1 до 100 микрон, в них наблюдается еще и, так называемое, капиллярное давление, обусловленное силами поверхностного натяжения воды (водных растворов), которое, наряду с прочими факторами (градиент влажности, осмос, гидростатическое давление) и заставляет водные растворы «гулять» в теле строительных материалов.

Если говорить о бетоне или строительном растворе, то их пористость обусловлена двумя основными причинами:

а. Поры, оставшиеся после высыхания воды. Как всем нам известно, бетоны и растворы есть результат твердения бетонных и растворных смесей. Для обеспечения подвижности и пластичности (технологичности, удобоукладываемости) эти смеси содержат необходимое количество воды. Обычно это количество воды колеблется в пределах 50-100% от массы цемента в бетоне (растворе). В реакцию вступает лишь 10-20% воды от массы цемента. Вся остальная вода, содержавшаяся в бетонной (растворной) смеси просто испаряется, оставляя после себя воздушные поры.

б. Вовлеченный при приготовлении бетонной (растворной) смеси воздух. В процессе смешивания компонентов бетонных или растворных смесей, в их состав обычно вовлекается от 2% до 5% воздуха. При изготовлении же пенобетонных смесей, в них намеренно вовлекается до 70-80% воздуха.

В таблице ниже приведем усредненные показатели истинной и открытой (капиллярной) пористости наиболее распространенных строительных материалов.

Материал

Истинная пористость

В том числе,
открытая пористость

Раствор строительный

22%

14%

Бетон

10%

6%

Пенобетон

72%

29%

Кирпич керамический

29%

19%

Плотный натуральный камень (мрамор, гранит)

До 2%

До 1%

Как видно из таблицы, даже плотные материалы, такие как мрамор и гранит, имеют некоторую капиллярную пористость, а уж искусственные строительные материалы являются по сравнению с ними просто «губкой».

Минералы, растворимые в воде

Далее попробуем разобраться, откуда же в бетоне или растворе берутся водорастворимые минеральные вещества, приводящие к высолообразованию?

Научно доказанным фактом является то, что при твердении (гидратации) портландцемента или белого цемента образуется до 20% извести (гидроксида кальция) от его исходной массы. Известь растворима в воде, и способна мигрировать в растворенном виде при капиллярном подсосе на поверхность бетона или раствора, кристаллизуясь там в те самые белые кристаллы. Именно этот фактор и является основной причиной появления высолов.

Кроме того, в растворные смеси, для повышения их пластичности, часто добавляют дополнительное количество извести, которая усиливает высолообразование.

Таким образом, мы приходим к выводу, что тенденция к высолообразованию заложена в самой природе бетона, который, твердея, «вырабатывает» большое количество извести, содержит немалое количество капиллярных пор, и является, к тому же, гигроскопичным (всегда содержит воду, абсорбированную из атмосферы).

Но не только известь может высаливаться на поверхности бетона.

В строительных материалах могут содержаться и другие водорастворимые минералы (соли), которые попадают туда следующими путями:

  • Вместе с водой затворения. Природная вода обычно содержит около 1 грамма на литр растворенных в ней минералов, но это количество может доходить и до 10 г/л.
  • В виде противоморозных добавок. При зимнем строительстве в бетоны и растворы зачастую добавляются водорастворимые соли, снижающие температуру замерзания воды, позволяя бетону твердеть при отрицательных температурах.
  • Снаружи на строительные материалы могут попадать соли, используемые как антиобледенительные (обычно, хлориды кальция, магния и натрия), которые могут глубоко проникать в пористые материалы под действием дождей и капиллярного подсоса.
  • Соли, содержащиеся в осадках. Именно так. В зависимости от загрязненности воздуха, осадки (дождь, снег, туман), содержат в себе различное содержание солей. Их количество может составлять:
 

Сульфаты, г/м2/год

Хлориды, г/м2/год

Сельские районы

5-12

1-5

Промышленные зоны

12-20

5-75

Вот мы и видим, что источников высолообразования предостаточно.

Теперь, рассмотрев основные предпосылки возникновения феномена высолообразования, попробуем разобраться в механизмах этого процесса. Итак, что же происходит после того, как бетонная (растворная) смесь уложена в конструкции и начала твердеть? Либо, когда бетонное изделие распалублено (например, тротуарная плитка)?

Сразу после укладки смеси (или распалубки изделия) начинается ее высыхание за счет испарения влаги в атмосферу и оттока (отсоса) воды в строительные материалы, с которыми этот бетон (раствор) контактирует (например, в кирпич). Возникает градиент влажности. Т.е., влажность пограничных слоев раствора (бетона) оказывается ниже влажности в его теле. Потерянная в этих зонах влага начинает компенсироваться влагой из тела бетона. Вот и запускается капиллярная миграция воды и растворенных в ней веществ наружу, пополняя наружные слои водой и растворенными в ней минералами. При испарении воды с поверхности изделий и конструкций концентрация в ней минералов растет, и при превышении порога их растворимости, эти минералы начинают кристаллизоваться на поверхности и в порах около нее. Появляется тот самый белый налет, состоящий из кристаллов солей и других минералов.

При этом, налет в кирпичной кладке, например, появляется не только на кладочном растворе, но и на самом кирпиче, так как влага, поглощенная кирпичом из кладочного раствора точно так же мигрирует по его порам к поверхности, не только неся с собой все растворенные минералы из раствора, но и растворяя минералы, содержащиеся в самом кирпиче.

Этот эффект называется первичное высолообразование.

В первое время высолы на поверхности бетона еще легко растворимы в воде, и могут быть элементарно смыты. Но почему же тогда высолообразование считается такой серьезной проблемой? Идем дальше.

Итак, бетон или раствор затвердел и высох. Воды в его порах уже недостаточно для капиллярной миграции. Первичное высолообразование остановилось. Что же происходит дальше?

Если изделие или конструкция остаются в дальнейшем сухими, то происходит лишь то, что, подпитываясь влагой, всегда содержащейся в воздухе, цемент продолжает твердеть и набирать прочность. Высолообразование в этом случае более не развивается. Однако, известь, отложившаяся на поверхности и под ней начинает постепенно реагировать с углекислым газом (СО2), содержащимся в воздухе (карбонизоваться), превращаясь в известняк. Известняк не растворим в воде, и смыть его водой уже не удастся.

Если же поверхность подвергается впоследствии увлажнению осадками, либо высолы преднамеренно пытаются смыть водой, то механизм высолообразования запускается вновь.

Сначала вода растворяет и смывает с поверхности образовавшийся солевой налет. Одновременно вода впитывается в материал, вновь растворяя содержащие в материале соли. После же прекращения увлажнения, при высыхании строительного материала все повторяется.

Подольем еще масла в огонь. Напомним, что наши стены и другие строительные конструкции и изделия «поливаются» с небес не очень-то чистой водой.

В процессе своей жизнедеятельности человек сжигает огромное количество ископаемых видов топлив (нефть, каменный уголь). Эти топлива содержат серу (S), которая при их сжигании выделяется в атмосферу в виде диоксида серы (S + O2 = SO2), наряду с другими продуктами горения. Будучи растворимым в воде, диоксид серы реагирует с влагой воздуха и кислородом, превращаясь в серную кислоту (SO2 + ½O2 + H2O = H2SO4), которая растворена в «кислотных дождях», выпадающих в крупных городах и промышленных районах. Если нормальный уровень рН воды составляет 6,5-8, то загрязнения атмосферы в результате сжигания топлив могут снижать рН дождевой воды до уровня 3-4. При такой кислотности дождевая вода уже является коррозионной и разрушает большинство строительных материалов.

Давайте посмотрим на цифры по среднему содержанию различных кислот в городском воздухе:

Наименование

Химическое обозначение

Концентрация

Углекислый газ (диоксид углерода)

CO2

700 мг/м3

Угарный газ (монооксид углерода)

CO

13 мг/м3

Диоксид серы

SO2

530 мг/м3

Триоксид серы

SO3

4,6 мг/м3

Окись азота

NO

420 мг/м3

Когда кислая дождевая вода (H2SO4) вступает в контакт с карбонатом кальция, содержащемся в виде заполнителей в бетоне, либо образовавшегося при карбонизации извести, начинается его коррозия с образованием гипса (CaCO3 + H2SO4 = CaSO4), который уже является растворимой в воде солью.

Помимо серной кислоты кислотные дожди содержат монооксид углерода (CO, угарный газ), содержащийся в выхлопных газах автотранспорта, под действием которого в строительных материалах образуется бикарбонат кальция (Ca(HCO3)2), который тоже является водорастворимой солью.

Таким образом, начинается вторичное высолообразование. Соли снова «лезут» на поверхность вместе с мигрирующей влагой, иногда даже обильнее, чем при первичном высолообразовании. Объясняется это тем, что в процессе твердения цемента уже успело образоваться больше извести, всегда готовой «подпортить» внешний вид материала.

Замкнутый круг! Что делать!?

Прежде, чем попытаться ответить на этот вопрос, попробуем разобраться в еще одном важном моменте: а не несут ли высолы в себе другого вреда, кроме ухудшения внешнего вида строительных изделий и конструкций?

Оказывается, что соли, откладывающиеся на поверхности строительных материалов и в слоях около поверхности, не только ухудшают их внешний вид, но и представляют серьезную опасность для этих материалов, оказывая на них сильное разрушающее воздействие.

Прежде всего, это объясняется тем, что растущие солевые кристаллы способны оказывать разрывающее давление на стенки пор, в которых они кристаллизуются. Это давление может составлять до 55 МПа и выше, что выше прочности большинства строительных материалов. Гигроскопичная природа многих солей, проявляющаяся в постоянной кристаллизации и повторном растворении, может очень быстро разрушить микроструктуру камня, оказывая высокое давление на стенки его пор.

Но это, оказывается, еще не все. Эти солевые отложения сами по себе характеризуются микропористостью, которая, в сочетании с гигроскопичной природой этих солей, обусловливает адсорбцию воды в этих порах. В случае замерзания этой адсорбированной в солевых отложениях воды, давление на стенки пор многократно усиливается, ускоряя процесс разрушения конструкции. Строительные же растворы низкой прочности способны разрушаться даже в результате циклического гигроскопического набухания и усадки таких солевых отложений.

Внешне такое разрушение обычно проявляется в отслоении наружной поверхности материала, наподобие сланца, и наблюдается не только на цементных материалах, но и на «засоленном» кирпиче.

Этот процесс разрушения обычно занимает несколько лет. Однако он может быть сильно ускорен, если строительная конструкция покрашена, даже в случае применения хорошей паропроницаемой латексной краски. Дело в том, что даже если краска паропроницаема (размер молекулы воды составляет всего 0,3 нм), то она остается непроницаемой для солей, провоцируя их отложение под слоем краски. Поэтому отслоение краски на засоленных поверхностях может наблюдаться уже на следующий сезон после окрашивания, причем такое отслоение сопровождается разрушением верхнего слоя окрашенного материала.

В своей лаборатории мы провели небольшой наглядный эксперимент.

Мы изготовили несколько цветных бетонных образцов с различной тенденцией к высолообразованию, и после их затвердевания погрузили их одной стороной в воду, оставив другую сторону на воздухе. Таким образом, мы создали условия для направленного капиллярного движения воды.

Выдержав в таком виде образцы в течение трех суток, мы отмыли высолы, высушили их и изучили их поверхность под микроскопом.

Ниже представляем Вам сравнение трех образцов после испытания. Слева показан внешний вид образца, в середине – состояние его верхней поверхности и справа – состояние боковой поверхности.

 

 

Первый образец – из немодифицированного бетона. Как видно на фотографиях, и на верхней и на боковой поверхности наблюдаются небольшие следы разрушения (отслоение верхнего слоя с оголением песка). На верхней поверхности так же очевидны следы расслоения смеси.

Второй образец содержал в своем составе соль, которая повысила его склонность к высолообразованию. На фотографии явно видны серьезные разрушения его верхней и боковой поверхностей.

Третий образец содержал добавку от высолов МетаМикс «Антивысол»-2. Как видно на фотографиях, этот образец не имеет следов разрушений, подобных первым двум образцам. Кроме того, заметим, что верхняя грань образца плотная, без следов расслоения. Это дополнительное полезное свойство модификатора.

Вывод из этого опыта:

Мы здесь явно видим, что высолообразование имеет сильное разрушающее воздействие на бетон. Уже через три дня испытаний на поверхностях образцов, на которых наблюдались высолы, видны разрушения верхнего слоя.

Итак, разобравшись немного с причинами высолообразования, а так же уяснив и разрушающее действие этого феномена на строительные материалы, мы должны не только прийти к выводу о необходимости борьбы с этим феноменом, но и к методам, которые помогут его предотвратить.

Принципы борьбы с высолообразованием

Как известно, борьба с симптомами болезни всегда менее эффективна, чем с причинами ее возникновения. Поэтому наша задача, разобравшись с причинами появления высолов, заключается в том, чтобы, если не предотвратить их, что практически невозможно, то минимизировать.

Итак, привяжем принципы лечения к источникам болезни:

Фактор

Методы устранения или минимизации фактора

  1. Капиллярная миграция влаги, обусловленная избыточной влагой и капиллярной пористостью материала

Здесь следует отметить, что из двух видов пористости (от воздухововлечения и от высыхающей влаги) нам следует бороться именно с пористостью от высыхающей влаги, так как пузырьки вовлеченного воздуха обычно замкнуты, имеют большой диаметр, и не участвуют в капиллярных процессах.

Методы борьбы с капиллярной пористостью:

  1. Снижение пористости и проницаемости материала.
  2. Гидрофобизация пор строительного материала, препятствующая капиллярной миграции воды.
  3. Снижение отсоса влаги в материалы, соприкасающиеся с раствором, в процессе его твердения.
  4. Разрушение капиллярной пористости материала около поверхности.
  1. Водорастворимые минералы
  1. Предотвращение или возможное снижение количества водорастворимых минералов, попадающих в материал при его изготовлении.
  2. Связывание водорастворимых минералов в в водонерастворимые стабильные соединения.
  1. Агрессивные атмосферные воздействия (кислоты)
  1. Защита материала от агрессивных воздействий.
  2. Снижение проницаемости материала для кислот (для анионов Cl, SO4 и пр.).

Теперь перейдем от теории к практике.

Существующие конструкции

В существующих конструкциях методов по борьбе с высолами меньше, чем при изготовлении новых, и практически все они сводятся к пропитке конструкций (как со стороны поверхности, так и изнутри – через пробуренные шурфы) активными пропитками-гидрофобизаторами, которые призваны:

  • связать известь и другие растворимые минералы в конструкции в нерастворимые соединения, тем самым, уплотнив (заполнив) поры материала и снизив его проницаемость.
  • Гидрофобизировать поверхность пор материала и предотвратить капиллярную миграцию влаги.

Обычно такие пропитки изготовлены на основе силикатных или кремнийорганических материалов.

Так же следует принять меры по высушиванию конструкции и последующей ее защиты от атмосферной агрессии.

Опираясь на вышеописанные механизмы разрушительного воздействия высолообразования, мы не рекомендуем пытаться избавиться от высолов путем полного запечатывания пор бетона лакокрасочными материалами. Это может дать временное улучшение внешнего вида, но впоследствии это может весьма негативно сказаться на долговечности изделия или конструкции. Сначала надо вылечить болезнь, а уже затем делать косметику.

Новые конструкции и изделия

При изготовлении (возведении) новых конструкций или изделий имеется значительно более широкий арсенал средств для предотвращения или снижения вероятности появления высолов.

Эти технологические средства или методы можно поделить на рецептурные и организационные.

В числе рецептурных методов мы рекомендуем следующие:

  • При изготовлении материала по возможности снижать количество воды. Для цементных составов это означает применение возможно более низкого водоцементного отношения. То есть, следует использовать более жесткие растворные и бетонные смеси.

Здесь следует отметить, что применение органических пластифицирующих добавок зачастую не дает положительного эффекта в борьбе с высолами, так как органические пластификаторы (по сути – диспергаторы) повышают гигроскопичность материала, делая стенки его пор более гидрофильными.

  • В составе цементных смесей рекомендуется использовать достаточное количество пуццолановых добавок, вступающих в химическое взаимодействие с известью, превращая ее в нерастворимые в воде и прочные соединения.

В качестве таких пуццолановых добавок мы рекомендуем применять не чисто силикатные добавки (такие, как микрокремнезем), а алюмосиликатные (например, метакаолин (ссылка на страницу «Метакаолин)). Алюмосиликатные материалы способны связывать в нерастворимые соединения, подобные цеолитам, не только щелочноземельные металлы (Ca, Mg), но и щелочные (Na, K, Li), лучше защищая бетон (раствор) от высолов и силикатно-щелочной реакции.

Связывая известь и другие растворимые соединения в нерастворимые вещества, которые откладываются в порах бетона, пуццоланы, тем самым, делают бетон более водонепроницаемым, снижая капиллярные эффекты. Кроме того, проницаемость материала для сульфат- и хлорид-ионов (SO4-2, Cl-) так же значительно снижается, что делает бетон более стойким к воздействию атмосферной агрессии.

Таким образом, пуццолановые добавки решают сразу несколько задач, перечисленных в таблице, показывающей методы устранения высолообразования, в частности, пункты 1а, 1d, 2b и 3b.

  • В состав строительных материалов так же рекомендуется вводить гидрофобизирующие добавки, предотвращающие капиллярную миграцию влаги.

Введение таких добавок наиболее эффективно от первичного высолообразования, когда вода из высыхающего раствора (бетона) стремится наружу, и пуццолановые добавки еще не успевают связать растворенные в ней соли. Предотвращение капиллярной миграции поровых растворов на ранней стадии высыхания растворов позволяет удержать растворимые минералы в толще раствора, где впоследствии они будут связаны пуццоланами, и не смогут участвовать во вторичном высолообразовании.

  • В составе кладочных растворов мы рекомендуем использовать водоудерживающие добавки, которые снижают отдачу ими влаги (а значит и растворов водорастворимых минералов) в кладочный материал. Это уменьшит высолообразование на самом кладочном материале (кирпиче, блоках) около растворных швов.
  • В общем, лучше использовать декоративные бетонные и растворные смеси (сухие смеси) заводского приготовления, так как в заводских условиях легче отследить все технологические операции по их изготовлению (да и есть, с кого спросить за качество, в конце концов).

В числе организационных методов мы рекомендуем следующие:

  • Для изготовления строительных растворов и бетонов следует использовать по возможности чистое сырье, содержащее минимум растворимых в воде соединений. Это же относится и к воде затворения.
  • Затворяя сухие смеси, особенно, цветные, следует использовать как можно меньше воды (приготавливать более жесткие растворные смеси).
  • Если нет возможности использовать водоудерживающие добавки в кладочных растворах, то рекомендуется для кладки использовать насыщенный водой кирпич (или другой стеновой материал), который не будет оттягивать из раствора влагу. Здесь важно отметить, что вода для вымачивания стенового материала должна быть чистой, и этот метод не гарантирует отсутствия высолов на самом кирпиче, если в его составе присутствуют водорастворимые минералы. (При высыхании кирпича, содержащиеся в нем соли «полезут» на поверхность).
  • Хороший метод разработан на практике подрядчиками, работающими с цветными кладочными растворами. Они затирают (расшивают) растворные швы, удаляя излишки раствора, только после подсыхания раствора. Таким образом, схватывающийся раствор около поверхности разрыхляется, разрушается его капиллярная сеть около поверхности, и результирующий цвет раствора оказывается более ярким.
  • После подсыхания раствора или бетона следует как можно раньше нанести гидрофобизирующую пропитку. (Перед применением поверхностных гидрофобизаторов следует всегда проводить опытное нанесение.)
  • Твердеющий декоративный раствор или бетон следует предохранять как от быстрого высыхания (прямой солнечный свет, ветер), так и от увлажнения (дождь, туман). Оптимальными условиями твердения являются теплая и влажная атмосфера, но без осадков.
  • Ну и, конечно, конструкционно следует предусмотреть защиту декоративных поверхностей от прямого воздействия осадков (козырьки, отливы и т.п.)

Как мы видим, борьба с высолообразованием – это не тривиальная задача, и стопроцентной гарантии от высолов дать невозможно.

Однако, мы надеемся, что эта наша статья поможет Вам понять причины возникновения высолов и опасности, которые они таят. А наши рекомендации позволят производителям декоративным строительных материалов и подрядчикам, применяющим их, принять максимум мер по защите от этого феномена.

И, конечно, мы не можем здесь не сказать нескольких слов о предлагаемом нами для этих целей модификаторе МетаМикс «Антивысол».

Этот модификатор сочетает в себе сразу несколько методов борьбы с высолами.

  • В его основу заложен наиболее эффективный пуццолановый материал – метакаолин, одинаково эффективно связывающий как известь, так и соли щелочных металлов, с превращением их в нерастворимые новообразования, подобные цеолитам.
  • Этот модификатор обеспечивает гидрофобизацию пор модифицируемого материала, предотвращая капиллярную миграцию растворов минералов в материале, особенно, в первые часы твердения.
  • Имея глинистую природу, модификатор выступает в качестве минерального пластификатора для цементных систем, особенно эффективного в «тощих» растворах, позволяющего снизать количество воды затворения без ухудшения технологичности растворов.
  • Являясь одновременно и ускорителями и упрочняющими добавками, модификаторы МетаМикс «Антивысол» снижают вероятность высыхания декоративных отделочных смесей на отделываемой поверхности до их отвердевания и уплотнения пор. Тем самым, снижается вероятность появления высолообразования на поверхности, отделанной в сухую погоду (в летние месяцы) с началом влажного сезона (осени).

Мы очень надеемся, что предлагаемый нами модификатор поможет Вам избежать возможных рекламаций в части высолов и сохранить, благодаря этому, Ваши средства и репутацию.

Если эта статья была Вам интересна, мы так же предлагаем Вам ознакомиться с нашими общими рекомендациями по объемному окрашиванию бетона «Окрашивание цементных материалов».

С уважением,
Команда ООО «МетаРус»

Вы так же можете скачать эту статью в формате pdf