Тема 2.4 Соли, повреждающие строительные объекты, их происхождение

Под солями понимают, в первую очередь, продукты превращения и нейтрализации кислот и щелочей, которые реагируют друг с другом с образованием солей и воды.

При этом ион металла щелочи замещает ион водорода кислоты (см. таблицу 2.4.1.

Таблица 2.4.1 – Некоторые соли и их исходные вещества

H+	Na+ NaOH едкий натр	K+ KOH едкий кали	Mg++ Mg(OH)2 гидро-ксид магния	Ca++ Ca(OH)2 гидро-ксид кальция	Al+++ Al(OH)3 гидроксид алюминия	Наименование
HNO3 азотная кислота	NaNO3	KNO3	Mg(NO3)2	Ca(NO3)2	Al(NO3)3	нитраты
H2SO4 серная кислота	Na2SO4	K2SO4	MgSO4	CaSO4	Al2(SO4)3	сульфаты
HCl соляная кислота	NaCl	KCl	MgCl2	CaCl2	AlCl3	хлориды
H2CO3 угольная кислота	Na2CO3	K2CO3	MgCO3	CaCO3	-	карбонаты

В химическую реакцию со строительным материалом вступают неорганические кислоты: азотная, серная, соляная и угольная, реже – органические кислоты.

Азотная кислота HNO₃ возникает вследствие бактериального разрушения аммиака и органических азотсодержащих соединений (мочевина, белок и др.), а также из нитрозных газов. Известные соли азотной кислоты: нитрат кальция Ca(NO₃)₂4H₂O (селитра), нитраты калия KNO₃, магния Mg(NO₃)₂6H₂O и натрия NaNO₃.

Серная кислота H₂SO₄ образуется при реакции оксида или триоксида серы с дождевой водой, а также при бактериальном окислении сульфидов. Наиболее известные соли серной кислоты: сульфат натрия Na₂SO₄10H₂O (глауберова соль), сульфат калия K₂SO₄, сульфат кальция Ca₂SO₄2H₂O (гипс) и сульфат магния MgSO₄H₂O (горькая соль).

Соляная кислота HCl образуется, например, при сгорании поливинилхлорида (ПВХ-покрытия), так называемая термическая HCl –деструкция. Наиболее известные соли соляной кислоты: хлорид магния MgCl₂6H₂O, хлорид кальция CaCl₂6H₂O и хлорид калия KCl.

Угольная кислота H₂CO₃ образуется при растворении углекислого газа в дождевой воде.

Натриевые и калиевые соли угольной кислоты (карбонаты) в обиходе называются соответственно сода Na₂CO₃H₂O и поташ K₂CO₃H₂O.

Таким образом, агрессивные для сооружения соли появляются при взаимодействии кислот со щелочами строительной субстанции как результат реакции нейтрализации.

Тема 2.5 Виды повреждений солями. Разрушение строительного камня (кирпич, блоки) и раствора

Растворимые соли играют важную роль в распространении дефектов и в сквозном увлажнении строительной конструкции, например, каменной кладки. Степень повреждения солями напрямую связана с их растворимостью. Наиболее известными и часто встречающимися соединениями являются хлориды, сульфаты и нитраты, причём особую роль играют соединения щелочных и щелочно-земельных металлов. Посредством кристаллизации и гидратации соли могут разрушать поровую структуру и, соответственно, субстанцию строительного материала. Кроме того, они могут значительно повышать гигроскопические свойства строительной субстанции, вызывая сквозное капиллярное увлажнение кладки.

Например, химическое действие угольной кислоты на поверхности строительных конструкций протекает в несколько стадий:

1. Реакция гашеной извести с угольной кислотой с образованием известняка:

Гидроксид Диоксид Вода Карбонат Избыток

кальция углерода кальция воды

2. Последующее действие угольной кислоты на карбонат кальция приводит к образованию бикарбоната илигидрокарбоната кальция. Это легкорастворимое соединение, поэтому может транспортироваться водой из глубины стен наружу:

Карбонат Бикарбонат кальция

кальция Угольная (полностью растворим)

кислота

3. Бикарбонат кальция реагирует с гидроксидом кальция с образованием карбоната кальция:

Гидрокарбонат Гидроксид Карбонат Вода

кальция кальция кальция

4. Последующее действие угольной кислоты приводит к растворению карбоната кальция и получению бикарбоната, который выступает на поверхности строительной конструкции, образуя солевые разводы:

Подобным образом ведут себя некоторые калиевые и аммониевые соли. Эти соли в отдельных случаях настолько высокорастворимы, что не выкристаллизовываются из раствора. Это означает, что вследствие своей высокой гигроскопичности соли вновь переходят в раствор и смываются непосредственно при действии дождя.

Большое значение по разрушению структуры строительного камня имеют соли, которые приникают в строительное сооружение извне и мигрируют там в виде чужеродной субстанции. Особая роль принадлежит здесь хлоридам и сульфатам. Хлориды натрия и кальция в больших количествах используются в качестве размораживающих солей при зимнем обслуживании дорог. В виде солевых брызг они попадают на цокольные части зданий.

В качестве чужеродной субстанции особо опасными для цементсодержащих материалов являются сульфаты.

Сульфаты – соли серной кислоты, очень сильной минеральной кислоты. Вследствие этого они обладают высокой кислотоустойчивостью. При горении горючих ископаемых (уголь, нефтепродукты) содержащаяся в них сера (до 5%) образует диоксид серы, который окисляется кислородом воздуха и с водой образует серную кислоту.

Диоксид Кисло- Вода Серная

серы род кислота

Попадая с влагой внутрь строительной конструкции, серная кислота реагирует с гидроксидом кальция и карбонатом кальция, образуя частично водорастворимый сульфат кальция. Растворяющее действие серной кислоты описывается реакцией:

Карбонат Серная Сульфат Углекис- Вода

кальция кислота кальция лый газ

(известняк)

Преобразующее действие серной кислоты (образование сульфатов):

Карбонат Серная Вода Гипс Диоксид

кальция кислота углерода

(известняк)

Наиболее известным сульфатом является сульфат кальция (гипс). Карбонат кальция, реагируя с сульфатом кальция, кристаллизуется с существенным повышением объёма и при очередном дожде или выпадении росы снова растворяется. Растворение и кристаллизация повторяются постоянно, и каждый раз происходит соответствующее увеличение объёма.

Повреждения сооружений как следствие влияния серной кислоты, по причине существенного увеличения в последние годы использования горючих ископаемых, играет сегодня доминирующую роль. Этот процесс в обиходе известен как «кислотный дождь».

Кроме того, сульфаты могут реагировать с алюминатной составляющей цемента и образовывать смешанную соль сульфоалюминат кальция с очень высоким содержанием гидратной воды.

Эта соль хорошо известна под названием «эттрингит» и в условиях сульфатного вспучивания может нанести сооружению сильный ущерб.

Представим механизм важнейшей реакции образования эттрингита.

Сульфаты реагируют с сохранившими реакционную способность составными частями гидравлического вяжущего – портландцемента. При образовании эттрингита, называемого в обиходе «цементной бациллой», сульфатная экспансия, называемая также «гипсовым вспучиванием», имеет место в случае наличия трехкальциевого алюмината, одного из клинкерных минералов, содержащегося в большинстве видов цементов и гидравлической извести. Эттрингит кристаллизуется в виде тонких игл с шелковистым блеском и образуется вследствие того, что на трехкальциевом алюминате цемента откладывается сульфат кальция (гипс).

Трехкальциевый Гипс Вода Гидрат трехкальциево-

алюминат го сульфоалюмината

(эттрингит)

Образование кристаллического трехкальциевого сульфоалюмината с учетом включения большого количества кристаллогидратной воды ведет к значительному увеличению объема по сравнению с исходными веществами. Как следствие возникает кристаллизационное давление, действие которого приводит к механическому разрушению структуры и ускоренной потере прочности цементного бетона или раствора. Образованию эттрингита благоприятствует влажность (например, атмосферная или капиллярно поднимающаяся влага) и низкие температуры.

В качестве причины ущерба, наносимого агрессивными для сооружения солями, нельзя забывать и влияние азотсодержащих субстанций.

Действие азотсодержащих кислот на имеющиеся в штукатурке или строительном растворе составные части, содержащие известь, обозначается в обиходе «пожирание каменной кладки».

Этот механизм повреждения наблюдается преимущественно в сельской местности, поскольку существует его непосредственная зависимость от сельского хозяйства. При этом существуют два механизма реакций: с карбонатом кальция и гидроксидом кальция.

Карбонат Азотная Нитрат Вода Диоксид

кальция кислота кальция углерода

(известняк)

Карбонат Азотная Нитрат Вода

кальция кислота кальция

(известняк)

При реакциях аммиака и мочевины, содержащихся в больших количествах в фекалиях и навозной жиже, с карбонатом или гидроксидом кальция - составными частями цементного камня - образуется нитрат кальция. Последний кристаллизуется в момент образования с 4 молекулами кристаллизационной воды на молекулу соли, которая в обиходе называется «кладочной (известковой) селитрой» или «пожирателем кладки».

Нитрат Вода Известковая селитра

кальция «кладочная селитра»

Нитрифицирующие бактерии, вызывающие образование солей, могут быть также причиной повреждений. При этом аммиак, свободно выделяющийся из продуктов разложения белка, через промежуточные стадии окисляется в азотную кислоту. При реакции с известью образуется нитрат кальция – известковая селитра.

Нитраты высоко гигроскопичны, т.е. обладают свойствами поглощать из влажного воздуха влагу и связывать её в кристаллогидраты. При наступлении фазы высыхания соли выкристаллизовываются, образуя так называемые «высолы».

Этот процесс и результирующая картина, называемая высолами, сопровождаются увеличением объёма и ростом кристаллизационного давления солей. Это увеличение объема во время кристаллизации приводит к разрушению строительного материала, если кристаллизация происходит внутри поровой структуры. Если кристаллизация происходит на границе между поверхностью сооружения и покрытием (штукатурка, краска), то имеет место отслоение покрытий.