Продукты разложения и высолооброзования в кладках архитектурных памятников древней Хивы

В число приоритетных задач при развитии туризма в Узбекистане входит охрана архитектурных памятников. В связи с обострением экологической ситуации в Нижнеамударьинском регионе  в последние годы наблюдается ускорение процесса разрушения и высолообразования в кладках нижних строений некоторых архитектурных памятников.

Проблемы долговечности сооружений и зданий, снижения затрат на их капитальный ремонт всегда являются актуальными[6]. Это  обусловлено масштабами промышленного, жилищного и индивидуального строительства в нашей стране. Прочность, долговечность, цветоустойчивость, высокие гигиенические и эстетические качества кирпича, доступность глинистого сырья позволили ему стать одним из самых распространенных и востребованных изделий[5]. В условиях современного строительства наиболее перспективно производство лицевых, поризованных и клинкерных керамических изделий. Однако дефицит качественного кирпича наблюдается во многих регионах мира. Вопрос повышения качества продукции остается одним из самых важных для кирпичных заводов, как для действующих, так и для строящихся.

Дефекты каменных сооружений привлекали внимание человека с давних времен. Одним из существующих дефектов кирпичной кладки являются так называемые «солевые налеты», или высоли [6]. Установлено, что под воздействием солевой коррозии кирпичные сооружения начинают разрушаться через 15-20 лет, тогда как сроки их службы рассчитаны на значительно большее время – 100-150 лет[5].Этой проблеме посвящено много работ, в частности, по вопросам высолов на кирпичной кладке и коррозии керамических материалов нашли отражение в трудах таких видных ученых, как Н.С. Философов, Г.К. Дементьев, И.А. Ковельман, А.И. Августиник, П.Н. Григорьев, Я.А. Соколов, Е.Н. Родин, Г. Раис, Л. Палмер, И. Мелор, Г. Зальманг, В. Броунел и других [6].

На рис. 1 показаны фрагменты кладки с элементами разложения и высолообразования мавзолеев «Ичан кала».

Рисунок 1. Фрагменты разрушающихся стен архитектурных памятников древней Хивы

Как видно из рисунка, разрушение и высолообразование стен наблюдается в нижних строениях кладки. Это происходит, по нашему мнению, в связи с подъемом уровня грунтовых вод или же под действием атмосферной влаги. Нанижеследующам рисунке приведены факторы, влияющие на разрушение архитектурных памятников древней Хивы.

Рисунок 2. Факторы, влияющие на разрушение архитектурных памятников древней Хивы

Как видно из рисунка 2, к числу основных разрушающих факторов относятся осадки. В Хорезмском регионе особого внимания на них не обращалось, т.е. не были изучены основные характеристики осадков по периодам года. Основными характеристиками осадков считаем химическую активность, рН-среду, количество минеральных включений.

Проведенными нами опытные наблюдения показывают, что осадки, выпавшие за май-июнь 2018 года, т.е. в весенний период, имеют характер «слабого солевого раствора» с рН-средой 7,5-8,2; аналогичный характер носят осадки, выпавшие в осенний период,– рН-среда 7,2-8,0.

К другим факторам, влияющим на разрушение архитектурных памятников, относятся грунтовые воды. Грунтовые воды в условиях Хивы имеют следующие показатели:

Глубина залегания грунтовых вод в районе Земли Хива в разных частях Ичан-Калы в марте составляет 1,33 метра, а в декабре ее самая глубокая позиция составляет 2,31 метра, т.е. уровень изменения составляет 0,98 метра. Изменения в грунтовых водах значительно варьируются в районе Ичан-Кала, составляющем 26 градусов, например, комплекс Пахлаван Махмуд в южной части и скважины медресе Шергазихана значительно отличаются от уровня воды в колодцах зимой (1,80 м) и летом (1,30 м). Это, конечно, зависит от свойств почвы и слоев подземных вод в этих районах.

К числу воздействующих факторов разрушения архитектурных памятников древней Хивы относятся также соли, осажденные на поверхность кладок из песчано-солевых бурь, возникающих из высохшей части Аральского бассейна. Отобранные пробы осажденных продуктов после песчано-солевых бурь в период 27-28 мая 2018 года в основном состоят из сульфата натрия.

Как известно, сульфат натрия в природе встречается в виде минералов мирабилита-Na₂SO₄∙10H₂O,тенардита-Na₂SO₄∙7H₂O и безводной формы Na₂SO₄ [1].Также имеются сведения об обезвоживании этого минерала под действием температуры[4].

Оседающий на поверхность кладки фасадной части зданий сульфат натрия постепенно впитывает в себя влагу из окружающей среды, превращая в Na₂SO₄∙7H₂O и затем в Na₂SO₄∙10H₂O.

Схема превращения различных форм сульфата натрия.

Ниже показаны возможные химические реакции с участием сульфата натрия в кладках:

3CaO·Al₂O₃·6SiO₂+7Na₂SO₄+30H₂O=2NaAl(SO₄)·12H₂O+3CaSO₄·2H₂O+6NaSiO₃

При разработке реставрационных материалов на основе керамического кирпича, по нашему мнению, необходимо учитывать следующие моменты. В природных глинах накапливаются водорастворимые соли, которые приводят к их засолению. Особенно сильное засоление грунтов наблюдается в Приаралье. Как известно, соли в глинах накапливаются как в твердом виде, так ив виде растворов в порах глин[2]. По химическому составу засоленные глины разделяют на три клас­са: хлоридные, сульфатные и содовые; наиболее распространены в Приаралье сульфатные. По степени растворимости в воде простые соли, наиболее часто встречающиеся в породах, подразделяются на легко-, средне- и труднорастворимые. К легкорастворимым солям относятся NaCl, MgCl₂, СаС1₂. MgSO₄, Na₂CO₃ [1]. Их растворимость при 20°С соответственно равна 42,7; 35,3; 26,4; 17,8%. Слаборастворимы гипс (CaSO₄ 2H₂O) и ангидрит (CaSO₄), растворимость которых равняется 0,2% при 20 °С; труднорастворимы карбонаты кальция (СаСО₃) и магния (MgCO₃), имеющие растворимость 0,0014% при 20°С. По составу легкорастворимые соли разделяются на три группы: хлориды, сульфаты и карбонаты. Хлориды (СаСl₂, MgCl₂, NaCl) характеризуются ярко выра­женной гигроскопичностью, повышающей общую влажность породы. При кристаллизации из растворов хлориды не увеличивают своего объема. Сульфаты (Na₂SO₄, MgSO₄) не обладают свойством гигрос­копичности, но при кристаллизации способны присоединять опреде­ленное количество воды, образуя кристаллогидраты. При кристалли­зации Na₂SО₄ присоединяются 10 молекул воды, что сопровождается увеличением объема соли. При температуре 32,4°С Na₂SO₄·10H₂O переходит в безводную форму с некоторым уменьшением в объеме. Сер­нокислый магний присоединяет 7 молекул воды, образуя кристалло­гидрат MgSO₄·7H₂O.

Содержание солей в глиняном кирпиче повышается в процессе его сушки и обжига. Это происходит при использовании в качестве топлива каменного угля, который содержит от 0,5 до 2% серы. В углях Узбекистана содержание серы может доходить до 5%. При сгорании угля большая часть серы (до 80%) в виде SO₂ переходит в атмосферу обжиговой печи. Увеличение количества солей в керамическом изделии происходит при взаимодействии оксидов кальция и магния, содержащихся в глине, с сернистым газом, находящимся в атмосфере обжига. В результате такого процесса образуются сульфиты соответствующих металлов, в дальнейшем переходящие в сульфаты, термическая диссоциация которых даже при максимальной температуре обжига (1000°С) незначительная.

Другим источником появления высоли керамического кирпича  является вода затворения. Так, в Приаралье большинство заводов по выпуску керамического кирпича используют природную воду, содержание хлор-иона может достигать 1-2 г/л, бикарбонат-иона и наиболее опасного для керамического материала сульфат-иона – 1,0 г/л [2]. 

К эксплуатационным источникам высолов относится атмосферная дождевая влага, взаимодействующая с поверхностью керамического кирпича. В результате миграции растворимых солей в капиллярной системе кирпичной кладки, которая происходит вследствие изменения температурного режима, на фасадах зданий, как правило, появляются кристаллические солевые образования– высоли. Последние не только снижают эстетические качества фасадов зданий, но и являются индикаторами возможных разрушительных процессов как облицовки зданий, так и стенового материала. Разрушительный характер растворимых солей связан с развитием солевой коррозии соответствующего строительного материала.

Методами рентгенофазового и химического анализов поверхности керамического кирпича с высолами выявлены кристаллогидраты, обладающие разрушительными свойствами по отношению к керамическому стеновому материалу и кладочному раствору: гидросульфоалюминат кальция (3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31-32H₂O), мирабилит (Na₂SO₄·10H₂O), эпсомит (MgSO₄·7H₂O), хлорит (NaCl·2H₂O). Кроме этого, в массах разрушенных материалов (кирпича и кладочного раствора) могут находиться другие минералы – многоводные кристаллогидраты, являющиеся причиной развития солевой коррозии: алуминит – Al₂(OH)₄SO₄·7H₂O, таумасит – CaSiO₃·CaCO₃·CaSO₄·15H₂O, алуноген – Al₂ (SO₄)₃·18H₂O.

Кристаллизация алуминита в порах кирпичной кладки может происходить в результате взаимодействия 3CaO·Al₂O₃·6H₂O, образовавшегося в цементном растворе, с сернистым газом, окисленным до SO₃, (сернистый газ может адсорбироваться черепком кирпича из воздуха):

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 4SO₃ + 9H₂O = Al₂(OH)₄SO₄·7H₂O + 3CaSO₄·2H₂O

Таумасит в кирпичной кладке может образоваться в результате реакции между гидросиликатом кальция – 2CaO·SiO₂·nH₂O (из кладочного раствора), сульфатом кальция (из кирпича) и углекислым газом (из воздуха)-

2CaO·SiO₂·nH₂O + CaSO₄ + CO₂ + 15H₂O = CaSiO₃·CaCO₃·CaSO₄·(n+15)H₂O.

Также алуноген может образоваться в порах кирпичной кладки в результате реакции между 3CaO·Al₂O₃·6H₂O (из раствора) и сернистым газом, адсорбированным кладкой из воздуха,

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 6SO₃ + 18H₂O = Al₂ (SO₄)₃ ·18H₂O + 3CaSO₄·2H₂O.

На основании проведенного визуального наблюдения установлено, что процессы солевой коррозии возникают также в результате попеременного увлажнения и высыхания строительного материала, при которых происходит кристаллизация солей в его порах. Образование многоводных кристаллогидратов с увеличением объемов, превышающих объем пор материала, приводит к возникновению давления, разрушающего строительный материал. Внешними признаками солевой коррозии являются шелушение и выкрашивание лицевого кирпича, горбление, трещины и отвал облицовочных материалов.

Таким образом, нами проведен анализ состояния архитектурных памятников древней Хивы. В связи с обострением экологической ситуации в Приаралье наблюдается усиление разрушения кладок ряда архитектурных памятников. Основными факторами, влияющими на разрушение, считаются осадки, грунтовые воды, а также осевшие частицы песчано-солевой бури.