Решение проблемы высолообразования

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, контакти‐ рующие 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.

1.   Природа эффекта высолообразования

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 влаж‐ ности окружающего воздуха.

Пористость

Откуда в бетоне поры, и чем обусловлена миграция (перемещение) воды и растворенных в ней солей в бето‐
нах 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 причи‐
нами:

а. Поры, оставшиеся после высыхания воды. Как всем нам известно, бетоны и растворы есть результат твер‐ дения бетонных и растворных смесей. Для обеспечения подвижности и пластичности (технологичности, удобо‐ укладываемости) 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 цемен‐ та. 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 компо‐ нентов 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 ве‐
щества, приводящие к высолообразованию?

Научно доказанным фактом является то, что при твердении (гидратации) портландцемента или белого цемен‐ та образуется до 20% извести (гидроксида кальция) от его исходной массы. Известь растворима в воде, и способ‐ на мигрировать в растворенном виде при капиллярном подсосе на поверхность бетона или раствора, кристалли‐ зуясь 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 количе‐
ство извести, которая усиливает высолообразование.

Таким образом, мы приходим к выводу, что тенденция к высолообразованию заложена в самой природе бе‐ тона, который, твердея, «вырабатывает» большое количество извести, содержит немалое количество капилляр‐ ных 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 попа‐
дают 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 добавля‐ ются 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 разо‐ браться в механизмах этого процесса. Итак, что же происходит после того, как бетонная (растворная) смесь уло‐ жена 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 ат‐ мосферу 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) ока‐ зывается 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 наруж‐ ные 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 кри‐ сталлов 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, содер‐ жащиеся в самом кирпиче.

Этот эффект называется первичное высолообразование.

В первое время высолы на поверхности бетона еще легко растворимы в воде, и могут быть элементарно смы‐
ты. 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 вла‐ гой, 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 постепен‐ но 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 пыта‐
ются смыть водой, то механизм высолообразования запускается вновь.

Сначала вода растворяет и смывает с поверхности образовавшийся солевой налет. Одновременно вода впи‐ тывается 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 «по‐
ливаются» 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 диок‐ сида серы (S + O2 = SO2), наряду с другими продуктами горения. Будучи растворимым в воде, диоксид серы реа‐ гирует с влагой воздуха и кислородом, превращаясь в серную кислоту (SO2 + ½O2 + H2O = H2SO4), которая раство‐ рена в «кислотных дождях», выпадающих в крупных городах и промышленных районах. Если нормальный уро‐ вень рН воды составляет 6,5‐8, то загрязнения атмосферы в результате сжигания топлив могут снижать рН дож‐ девой 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)
Угарный газ (монооксид углерода) CO2
CO 700 мг/м3
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 заполни‐ телей в бетоне, либо образовавшегося при карбонизации извести, начинается его коррозия с образованием гип‐ са (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 ми‐ грирующей 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?

2.   Разрушающее действие солей

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

Прежде всего, это объясняется тем, что растущие солевые кристаллы способны оказывать разрывающее дав‐ ление на стенки пор, в которых они кристаллизуются. Это давление может составлять до 55 МПа и выше, что вы‐ ше 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 слу‐ чае замерзания этой адсорбированной в солевых отложениях воды, давление на стенки пор многократно усили‐ вается, ускоряя процесс разрушения конструкции. Строительные же растворы низкой прочности способны раз‐ рушаться 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 кон‐ струкция покрашена, даже в случае применения хорошей паро‐ проницаемой 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 засо‐ ленных поверхностях может наблюдаться уже на следующий се‐ зон после окрашивания, причем такое отслоение сопровождает‐ ся разрушением верхнего слоя окрашенного материала.

В своей лаборатории мы провели небольшой наглядный экс‐
перимент.

Мы изготовили несколько цветных бетонных образцов с раз‐ личной тенденцией к высолообразованию, и после их затверде‐ вания погрузили их одной стороной в воду, оставив другую сто‐ рону на воздухе. Таким образом, мы создали условия для направленного капиллярного движения воды.

Выдержав в таком виде образцы в течение трех суток, мы отмыли  высолы  (там,  где  они  были),  высушили  образцы  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).

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, предотвращающую высолообразование. Как видно на фотографиях, этот образец не имеет следов разрушений.

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.

3.   Методы борьбы с высолообразованием

Итак, разобравшись немного с причинами высолообразования, а так же уяснив и разрушающее действие это‐ го 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 предот‐ вратить их, что практически невозможно, то минимизировать.

Итак, привяжем принципы лечения к источникам болезни:



Фактор Методы устранения или минимизации фактора
1.  Капиллярная ми‐
грация влаги, обу‐ словленная избы‐ точной влагой и ка‐ пиллярной пористо‐ стью 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:

a.   Снижение пористости и проницаемости материала.

b.   Гидрофобизация пор строительного материала, препятствующая капилляр‐
ной миграции воды.

c. Снижение отсоса влаги в материалы, соприкасающиеся с раствором, в про‐
цессе его твердения.

d.   Разрушение капиллярной пористости материала около поверхности.
2.  Водорастворимые
минералы a.   Предотвращение или возможное снижение количества водорастворимых
минералов, попадающих в материал при его изготовлении.

b.   Связывание водорастворимых минералов в в водонерастворимые стабиль‐
ные соединения.
3.  Агрессивные ат‐
мосферные воздей‐
ствия (кислоты) a.   Защита материала от агрессивных воздействий.

b.   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 прак‐ тически все они сводятся к пропитке конструкций (как со стороны поверхности, так и изнутри – через пробурен‐ ные шурфы) активными пропитками‐гидрофобизаторами, которые призваны:

• связать известь и другие растворимые минералы в конструкции в нерастворимые соединения, тем са‐
мым, 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 агрес‐
сии.

Опираясь на вышеописанные механизмы разрушительного воздействия высолообразования, мы не рекомен‐ дуем 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 арсе‐
нал 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 озна‐ чает 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 поло‐ жительного 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 со‐ единения.

В качестве таких пуццолановых добавок мы рекомендуем применять не чисто силикатные добавки (такие, как микрокремнезем), а алюмосиликатные (например, метакаолин). Алюмосиликатные материалы способ‐ ны 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 реак‐ ции.

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

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

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

Введение таких добавок наиболее эффективно от первичного высолообразования, когда вода из высыхаю‐ щего раствора (бетона) стремится наружу, и пуццолановые добавки еще не успевают связать растворенные в ней соли. Предотвращение капиллярной миграции поровых растворов на ранней стадии высыхания раство‐ ров 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 сни‐ жают 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 приго‐ товления, 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 от‐ тягивать 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 присут‐ ствуют водорастворимые минералы. (При высыхании кирпича, содержащиеся в нем соли «полезут» на по‐ верхность).

• 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 воз‐
действия осадков (козырьки, отливы и т.п.)

Заключение

Как мы видим, борьба с высолообразованием – это не тривиальная задача, и стопроцентной гарантии от вы‐
солов 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 модифика‐
торе МетаМикс‐2 «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 новообра‐ зования, подобные цеолитам.

• Этот модификатор обеспечивает гидрофобизацию пор модифицируемого материала, предотвращая капил‐
лярную 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.

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 рекомендация‐
ми по объемному окрашиванию бетона «Окрашивание цементных материалов».

С уважением,

коллектив ООО «МетаРус»