Методы повышения долговечности некоторых пород облицовочного камня —
Некоторые каменные породы, обладающие высокими архитектурно-декоративными качествами, достаточно долговечны. К их числу относятся, например, фельзитовые туфы Армении желтовато- и зеленовато-белого, кремового, розового и других тонов, а также некоторые андезиты и даниты.
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 сохранения этой облицовки.
Обследование ряда зданий показало, что спустя 20—25 лет уже стали заметны многочисленные следы выветривания фельзитовых туфов Кетлинского, Калачннского. Туманянского, Цатерсхого и других месторождений, а также андезита Капутаиского Карнутского месторождений. Быстрее выветривались части облицовки, сильно увлажняемые атмосферными осадками или грунтовой влагой. Там же, где камень былограждет 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 и твердой фазе при попеременном намораживании и оттаивании ее в порах различных материалов.
Выполненные нами 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 повышения долговечности каменной облицовки необходимо заградить 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 слон 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.
Сущность гидрофобизацни 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. В настоящее время Кусковский химический завод под Москвой выпускает один из видов указанных кремнеорганических соединений, а именно — метиленликонат натрия (CHSiOONaj. Это вещество и было использовано нами для проведения опытов по гидрофобизацни некоторых облицовочных камней месторождений Армянской ССР.
В первую очередь были поставлены опыты пэ 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 гидрофобизацни.
В таблице приводятся результаты одной серии опытов по определению динамики водопоглощения фельзитового туфа Кёрплинского месторождения при разных способах обработки концентрации раствора. 
Для гидрофобизацни 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 водопоглошение гидрофобизованного 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 известии, капиллярная сила зависит от диаметра капиляров и угла смачивания твердого тела жидкостью. Следовательно, при не диаметре капилляров изменения капиллярной силы будут характеризовать изменения угла смещения.
С целью установления степени изменена ла смачивания фельзитового туфа, обработанное натрия, производились измерения капиллярной силы. Для этой цели был использован сконструированный нами прибор (порозиметр). который дает возможность подвешивать к испытываемому 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 То-ним 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. 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 образна за 1 час пребывания в воде составляет 0.76 — 50 циклов испытаний он достигает 0,83. что примерно соответствует 48-часовому водопоглошению камня в первоначальном состоянии. При те же условиях коэффициент водонасыщения о метилсиликонатом натрия образца имел ветчину 0,03, без тенденции к повышению.
Непосредственное испытание на предел прочности при сжатии образцов фельзитового туфа, подвергнутых 50-кратному попеременному водонасыщеншо и высушиванию, показало, что гидрофобизованные образцы на 30—70% прочнее не прошедших обработки-.
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 ак 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 метиленликонатом натрия фактически не повышается? Нет, не означает.