Магазин

Материалы сайта

Снижение механической прочности камня

Под этим дефектом мы будем подразумевать скрытую, невидимую (или почти невидимую) на глаз деградацию каменного материала, выражающуюся в потере его первоначальной механической прочности. Снижение прочности с течением времени свойственно любым строительным материалам и любым разновидностям природного камня, даже таким долговечным, как мелкозернистый гранит, кварцит, кварцевый порфир, кристаллический сланец и т. п.

По существу, это первая стадия деструктивных изменений, её развитие приведёт к расслоению, растрескиванию и другим нарушениям целостности камня, за которыми последует полное разрушение облицовки с утратой отдельных деталей или их фрагментов.

Как правило, снижение механической прочности (оценочным критерием которой в большинстве случаев является показатель предела прочности при одноосном сжатии) происходит в результате комплексного воздействия на камень различных факторов (химического, физического, биологического и др.), приводящих к ослаблению межзерновой когезии, разрыхлению поровой структуры, возникновению внутренних напряжений и др.

Выявление и оценку рассматриваемого скрытого дефекта производят обычно экспресс-методами непосредственно на строительном объекте, пользуясь аппаратурой неразрушающего контроля: ультразвуковым дефектоскопом, склерометром и т.п. При необходимости (и при возможности) экспресс-контроль дополняют лабораторными исследованиями отобранных образцов: петрографический и рентгено-структурный анализы, ртутная порометрия, определение физико-механических характеристик и т. п..

Из числа перечисленных выше факторов, приводящих к снижению прочности камня, химический и биологический подробно рассмотрены в соответствующих разделах. Здесь же мы остановимся на важнейшем факторе — физическом, обусловленном климатическими воздействиями и играющим определяющую роль в процессах деструкции камня.

К основным параметрам климатических воздействий на камень относятся: температура, влажность воздуха и число переходов через 0 °С. При этом в качестве главных «разрушителей» камня выступают мороз и вода.

Следует отметить, что даже воздействие на камень только одной воды (при постоянных положительных температурах) отрицательно сказывается на физико-механических свойствах горной породы. Общеизвестно, что при водонасыщении подавляющего большинства разновидностей природного камня происходит снижение его механической прочности. И.Гиршвальд предложил характеризовать это явление с помощью «коэффициента размягчения»; в современных стандартах используют показатель «снижение механической прочности камня при его водонасыщении». Достаточно обоснованного объяснения процессам, происходящим в горной породе при её насыщении водой, в настоящее время ещё не дано. Ряд исследователей считает, что камень, погружённый в воду, подвергается сильному скоростному напору воды, обуславливающему внутренние напряжения в материале и снижающему его механическую прочность. Существование такого гидродинамического напора подтверждается высокой скоростью насыщения горных пород: исследования, выполненные лабораторией декоративного камня ВНИПИИСТРОМСЫРЬЕ на облицовках зданий в Москве, показывают, например, что мячковский известняк и коелгинский мрамор при воздействии на них воды уже через 10 секунд поглощают 97% того количества воды, которое они могут поглотить при полном насыщении водой в процессе эксплуатации облицовки.

Повторное многократное насыщение и высушивание камня в процессе его лабораторных испытаний, возможно, вызывают усталость материала от повторяющихся внутренних напряжений, что снижает его механическую прочность не только в насыщенном, но и в сухом состоянии.

Наиболее серьёзное влияние на каменную облицовку оказывает совместное действие воды и циклично повторяющихся отрицательных температур, вызывающее разрыхление структуры камня и приводящее к образованию замкнутых микрополостей; последние, соединяясь друг с другом, образуют сквозную пористую систему, облегчая дальнейший доступ воды в камень. Замораживание камня под воздействием отрицательных температур сопровождается снижением его прочности в результате повреждений структуры и микротрещинообразования; при этом степень деградации существенно определяется уровнем водонасыщения камня и циклической повторяемостью процесса.

В механизме образования и накопления повреждений при замерзании воды в порах камня, как уже ранее отмечалось, доминирующую роль играют физические процессы, так как именно они определяют сопротивление породы замораживанию и оттаиванию. В этих условиях процессы переноса влаги в поровой системе камня осуществляется в жидкой или газообразной фазе под действием капиллярных сил, гидравлического давления или температурного градиента. Теоретически при полном заполнении водой всех пор и переходе её в лёд с увеличением объёма на 9 % произойдёт массовое разрушение стенок пор и резкое снижение прочности камня. Однако на самом деле этого не происходит: исследованиями установлено, что при температуре -30 С замерзает лишь 30 % поровой воды, при температуре -60 С — около 60 %. В климатических же условиях Средней полосы в зимнее время замерзает не более 10-15% поровой коды — главным образом, в виде наружных ледяных корочек и н Меньшей степени в самих капиллярах, имеющих повышенный диаметр (от 0,001 до 1 мм). При этом одностороннее давление растущих кристаллов льда находится в пределах 0,04-0,06 МПа, в то время как гидростатическое давление воды, возникающее при изменении объёма системы вода — лёд в замкнутом или полузамкнутом пространстве, достигает 200 МПа (при температуре воздуха -22 °С). Очевидно, что разрушающие напряжения, возникающие в камне при замораживании, будут зависеть от соотношения между скоростью образования в нём льда и лёгкостью «рассасывания» возникающих местных давлений с помощью пор-компенсаторов (т.е. пор, не заполненных водой).

Исследования, выполненные Б. В. Залесским и К. П. Флоренским на известняках, позволяют предполагать, что наиболее морозостойкие виды камня должны характеризоваться изомерными порами равных размеров, свободно соединяющимися друг с другом по типу сетки пересекающихся капилляров. Для таких пород величина водопоглощения не является критерием их морозостойкости: морозостойкие породы, обладающие большим водопоглощением, легко впитывают воду, но и быстро её отдают. С другой стороны, наименее морозостойкими окажутся породы с резко пониженной скоростью водоотдачи по сравнению со скоростью насыщения.

Возвращаясь теперь к дефекту, рассматриваемому в этом разделе, повторим, что снижение прочности камня в результате климатических воздействий и прочих факторов представляет собой лишь первую стадию деструкции материала, за которой неизбежно последуют шелушение, поверхностная и объёмная, выходящая на поверхность макротрещиноватость, расслоение и последующее разрушение камня.

Если снижение прочности камня ещё не достигло критических значений (25-30 %), развитие процессов деструкции можно замедлить путём рационального ухода за облицовкой (периодическая гидрофобизация поверхности, герметизация швов и т. п.), с систематическим мониторингом состоянием камня, предусматривающего использование современных экспресс-методов неразрушающего контроля. При превышении указанным показателем критических значений облицовку необходимо заменить на идентичную. Иное дело, если речь идёт об историкоархитектурных памятниках, а также особо ценных предметах культуры (скульптура, орнаменты, барельефы и т.п.). В этих случаях сейчас принято помещать художественно ценное произведение в музей, а вместо него оставлять на открытом воздухе копию. И лишь в отдельных случаях камень восстанавливают, оставляя его на прежнем месте, для чего используют технологию консервации (упрочнения).