ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ФУНДАМЕНТОВ

Разгрузка водных растворов, несущих следы химическою загрязнения атмосферы, через заглубленные в грунт фундаменты и стены памятников, испарение норовых растворов с открытых поверхностей подвалов, подклетов. подполий и с поверхности цокольных частей зданий сопровождается процессами метасоматического минералообразования и засоления строительных материалом конструкций. Рост кристаллов солей и грануляция белого камня вызывают интенсивное напряжение в строительных конструкциях и их разрушение в зоне кристаллизационной каймы и осыпание продуктов разрушения.

Вызванное этими процессами выветривание кладок протекает неравномерно в кирпичах, белом камне и кладочных растворах. Оно сопровождается потерей массы и формы элементов кладки, разрушением ее частей и выпадением кирпичей из кирпичных кладок, их расслаиванием, выщелачиванием белого камня, прогрессирующим снижением, а иногда и потерей несущей способности нарушенных конструкций. Обусловленные этими взаимодействиями процессы внутри конструкций, в конечном итоге, приводят к образованию высолов на стенах. Процесс их образования по своему характеру является скрытым и обнаруживается лишь после физического поражения красочного или штукатурного слоя, или материала кладки цоколя и стен.

Некоторые исследователи считают высолы грибковыми или бактериальными образованиями и рекомендуют вести с ними борьбу, как с органическими веществами. Для прояснения их природы в лаборатории физических методов исследования руд и минералов Российского государственного геологоразведочного университета был проведен комплекс исследований вещественного состава этих новообразований.

Исследуя проблему образования высолов на памятниках архитектуры, необходимо дать определение введенному понятию. Под высолом следует понимать агрегат минеральных солей, имеющий кристаллическую структуру и образующийся в результате выпаривания видных растворов. Следует добавить, что высоты могут состоять либо из одного минерала, либо включать два и более минералов. Они могут образовываться как на поверхности несущих конструкций, так и внутри них. Это связано с расположением испарительного гидрогеохимического барьера, на котором происходит минералообразование.

Изменение во времени использования разных строительных материалов и технологий, эволюционные изменения природной среды под влиянием техногенеза обеспечило ускорение развития процессов, приводящих к образованию высолов, появлению нескольких геохимических барьеров и увеличению разнообразия минерального состава высолов.

Наибольший интерес представляют участки геохимических барьеров, на которых наблюдается резкое изменение физико-химической обстановки и прежде всего увеличение концентрации солей. Встречающиеся геохимические барьеры относятся к испарительному типу. В их пределах конденсируются следующие анионы и катионы: [CO3]2–, [SO4]2–, [NO3]–, Cl–, Ca2+, Na+, K+, Mg2+.

Расположение гидрогеохимического барьера в приповерхностных участках стен зависит от проницаемости материалов, облицовочных покрытий. При полной паровлагопроницаемости этих покрытий барьер располагается на поверхности стен, где и происходит испарение и кристаллизация солей. Наличие паропроницаемых покрытий, но обладающих влагонепроницаемостью, определяет образование гидрогеохимического барьера между несущим остовом конструкций и облицовочным материалом. Кристаллизация солей в этой зоне приводит к шелушению внешней поверхности материала кладки за счет сил кристаллизационного роста агрегатов солей.

Минералы, наиболее часто встречающиеся в высолах, образуют девять минеральных групп, в которые входит разное число минералов:

1) карбонаты — кальцит;
2) водные карбонаты – термонатрит, трона, семиводный карбонат натрия;
3) сульфаты — тенардит, афтиталит, ангидрит, басслиит;
4) сульфаты с добавочными анионами ганксит;
5) водные сульфаты — гипс, сингенит, гексагудрит, эпсомит;
6) водные сульфаты с дополнительными нитрат-анионами — дарапскит, хумберстонит;
7) водные ортосиликаты с добавочными анионами — таумасит;
8) нитраты — натриевая селитра, калиевая селитра;
9) хлориды — галит.

Химический состав минералов высолов соответствует анионно-катионному составу поровых растворов, находящихся в зоне гидрогеохимических барьеров. При рассмотрении путей миграции и источников формирования химического состава норовых растворов, с которыми связано образование высолов, важно отметить, что средой для них служат не только материалы конструкций (белый камень, кирпич, связующие растворы, штукатурка и т. д.), но и вмещающие фундаменты грунты. Само же формирование высолов происходит при взаимодействии поровых растворов с материалами конструкций, грунтами и грунтовыми водами.

Источники поступления соли в конструкции памятников довольно многообразны. Они могут поступать в результате капиллярного подсоса фунтовых вод с повышенной минерализацией, находиться в строительных материалах самого памятника, проникать в стены и фундаменты с атмосферными осадками, содержащими сернистые соединения. Источником засоления кладки являются также материалы, используемые в реставрации и при ремонте памятником известь, камень, цемент, антисептики.

Все источники соли могут быть разделены на внутренние и внешние. К внутренним относятся: анион [CO3]2–, поступающий в поровые растворы за счет солей свежих штукатурных и цементных растворов, анион [SO4]2–, поступает из солей связующего цементного раствора и растворенных солей бетона, катионы Ca2+ и Na+, поступают в поровые растворы из связующего материала кладок, штукатурок и свежих цементных растворов, источником поступления катиона Mg2+ являются романцементные связующие растворы кладки. К внешним источникам можно отнести анион [NO3]–, являющийся продуктом жизнедеятельности бактерий — нитрофикатов (представители родов Nitrosomonas и Nitrobakter); анион Cl–, поступающий с примыкающих территорий, на которых для борьбы с гололедом применяются соли NaCl и KCl; катион Na+, поступает в поровые растворы вместе с поверхностными водами и из прослоев техногенных накоплений. В состав высолов входят минералы, образующие парагенетические ассоциации, соответствующие им ионы поровых растворов и основные источники поступления солей приведены в таблице:

Парагенетические ассоциации минералов высолов,
формирующиеся при различных источниках засоления

Основным компонентом порового раствора и одновременно транспортером, доставляющим минеральные соли от места растворения до гидрогеохимических барьеров и мест кристаллизации, является вода, а причиной появления и проникновения влаги в несущие конструкции памятников: это непосредственная связь грунтовых вод и верховодки, а так-же капиллярной оболочки с фундаментами; это перемещение влаги и ее концентрация в определенных местах за счет миграции водяного пара из области, где его упругость выше, в места более низких давлений пара; это конденсационное увлажнение каменных конструкций, когда на них при охлаждении влага выпадает в виде росы и конденсирующаяся влага впитывается в поры камня.

Так, при обследовании здания Сената Московского Кремля удалось установить, что основной причиной повышения влажности в стенах цокольной части и фундаментах послужило создание паровлагонепроницаемой плиты, вплотную прилегающей к зданию, и многослойной бетонной отмостки с гидроизоляционной мембраной. Подобная изолированность атмосферы от зоны аэрации привела к нарушению ее температурно-влажностного режима, что обусловило, с одной стороны, подсос поровых вод и солей и конденсирование пара под подошвой плиты, а, с другой стороны, снижение до минимума испарения влаги из грунтов. Все это определило переувлажнение грунта под подошвой плиты до 28-30%, миграцию влаги и солей через белокаменную кладку фундамента дворца, влажность блоков до 29%, а известкового раствора до 41%.

Столь высокая влажность кладочного раствора объясняется большим объемом порового пространства, состоящего из ультра и макропор. Последние соединены между собой канальцами, образуя единую поровую систему в швах кладки, но которым как по “транспортным артериям перемещается горизонтально и вверх влага, насыщенная солями. Поднявшись до уровня цокольного этажа, поровый раствор подтягивается к поверхности стены, где образуется испарительный гидрогеохимический барьер и происходит кристаллизация солей и образование высолов.

Диагностика здания Государственного Исторического музея и проведение исследований причин образования высолов на стенах, выявило несколько путей попадания влаги в несущие конструкции: протечки атмосферных осадков через внутренние дворы в подвалы и цокольный этаж; замачивание стен атмосферными осадками; протечки из коммуникаций; попадание конденсационной влаги в цокольную часть здания.

Наиболее опасными, в отношении образования высолов, являются протечки фекалий, химический состав которых характеризуется преобладанием хлоридов и восстановленных соединений азота, которые после их переработки нитрифицирующими бактериями окисляются до нитратов. Минералы высолов для этого типа поровых вод представлены нитронатритом, нитрокалитом, дарапскитом.

Замачивание стен и фундаментов атмосферными осадками вызвано нарушенной планировкой и отсутствием отмосток. Для этого вида замачивания характерно повышенное содержание хлоридов натрия и калия, содержащихся в средствах борьбы с гололедом в зимнее время.

Конденсационная влага формируется под паровлагонепроницаемыми покрытиями с внешней стороны здания и беспрепятственно проникает в фундаменты, поскольку отсутствует вертикальная наружная гидроизоляция. Эти воды преимущественно обладают сульфатно-хлоридным составом, образовавшимся в результате взаимодействия этой влаги с грушами техногенных накоплений, содержащих большое количество сульфатов в составе строительного мусора.

Результаты изучения высолов позволяют решать задачи по определению источников путей миграции, химического состава исходных растворов и обоснованно принимать проектные решения по ликвидации причин образования высолов.