Под морозостойкостью строительных материалов, в частности природного камня, обычно подразумевают его способность противостоять в насыщенном водой состоянии многократному попеременному замораживанию и оттаиванию без видимых признаков разрушения и без значительного снижения прочности, регламентируемого действующими стандартами. Морозостойкость - важнейшее эксплуатационное свойство природного камня, позволяющее судить о его долговечности.
Примеры разрушения камня с низкой морозостойкостью
Многочисленные наблюдения и накопленный практический опыт свидетельствуют о существенном отрицательном влиянии на каменные материалы совместного действия воды и циклично повторяющихся отрицательных температур, вызывающих «расшатывание» структуры горной породы и приводящих к образованию и развитию замкнутых микрополостей; последние, соединяясь друг с другом, образуют сквозную пористую систему, облегчая дальнейший доступ воды в камень. В этих условиях процессы переноса влаги в поровой системе камня осуществляется в жидкой или газообразной фазе под действием капиллярных сил или гидростатического давления.
В механизме образования и накопления повреждений при замерзании воды в порах камня доминирующая роль принадлежит физическим процессам, так как именно они определяют сопротивление породы замораживанию и оттаиванию. Иными словами, замораживание камня под воздействием отрицательных температур сопровождается снижением его механической прочности в результате повреждений структуры и микротрещинообразования, при этом степень деградации существенно определяется уровнем водонасыщения горной породы и циклической повторяемостью процесса.
Теоретически при заполнении водой всех пор и переходе её в лёд с увеличением объёма на 9% казалось бы должно произойти массовое разрушение стенок пор с резким снижением прочности камня. Но на самом деле этого не происходит: исследованиями установлено, что, например, в климатических условиях средней полосы РФ в зимнее время замерзает не более 10-15% поровой воды - главным образом в виде наружных ледяных корочек и, в меньшей степени, в самих капиллярах с повышенным диаметром (от 0,001 до 1 мм). При этом одностороннее давление растущих кристаллов льда ничтожно и 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, связано с возникновением гидравлического внутреннего давления, которое достигает 200 МПа (при температуре воздуха - 22⁰С).
Другой особенностью является то, что тонкая плёнка воды, покрывающая поверхность пор, даже после превращения воды в лёд может вызвать в поровой системе образование парообразной фазы; при этом в самых малых порах при охлаждении воды развивается гидравлическое внутреннее давление; происходит диффузионное перемещение ещё не замёрзшей воды в направлении от малых пор к большим. Это приводит к более сильным повреждением , чем замораживанием камня на воздухе. 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 на известняках различной пористости, позволяют предполагать, что наиболее морозостойкие виды камня должны характеризоваться изомерными порами примерно равных размеров, свободно соединяющимися друг с другом по типу сетки пересекающихся капилляров. Для таких пор величина водопоглощения не является критерием морозостойкости: морозостойкие породы, обладающие большим водопоглощением, легко впитывают воду, но и быстро её отдают (известняки «мячковский», «мелехово-федотовский», доломит «берёзовский», известняк юрский и др.). С другой стороны, наименее морозостойкими окажутся породы с резко пониженной скоростью водоотдачи по сравнению со скоростью насыщения. Морозостойкость зависит также от прочности когезионных связей между минеральными зернами породы, а также от соотношения узких и широких открытых пор и многих других факторов.
Испытания природного камня на морозостойкость
Основные требования по морозостойкости природного камня сформулированы в отечественных стандартах (ГОСТ 9479-2011, ГОСТ 30629-2011) и зарубежных стандартах (ЕN 12371) и др. Горные породы, используемые для изготовления блоков и архитектурно-строительных изделий, подразделяют на семь марок: F15. F25,.F35.:F50, F100,F150. F200. Марку морозостойкости указывают в договоре на поставку блоков горной породы, область применения которой устанавливают в зависимости от строительно-климатической зоны, срока службы проектируемых зданий и сооружений, условий эксплуатации (влажностного режима помещений и зон влажности территории строительства), а также с учётом действующих строительных норм.
Для испытаний на морозостойкость готовят образцы горных пород в форме кубиков с ребром 40-50 мм либо цилиндров диаметром и высотой 40-50 мм. Количество образцов устанавливается из расчёта 5 образцов на каждую стадию испытаний (обычно 15, 25, 50, 75, 100 и т.д. циклов). Продолжительность выдерживания образцов в камере при температуре - (20±2)⁰С должна составлять 4 ч, после чего их помещают в ванну и выдерживают в ней до полного оттаивания (но не менее 2ч). Далее цикл замораживания-оттаивания повторяют. После 15, 25 и каждых последующих 25 циклов попеременного замораживания-оттаивания подвергают испытанию по пять водонасыщенных образцов в соответствие с ГОСТ 30629-2011 (в европейских стандартах испытаниях проводят также на растяжение при изгибе). Потерю прочности образцов в результате цикличного замораживания-оттаивания вычисляют в процентах как частное от деления разности прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии на прочность при сжатии в сухом состоянии (каждое вычисление берётся как среднеарифметическое значение результатов испытаний по 5 образцам). Для образцов горной породы с выраженной слоистой текстурой отдельно фиксируют результаты, полученные при испытании вдоль слоистости и перпендикулярно к ней. Горная порода отвечает соответствующей марке по морозостойкости, если значение потери прочности при сжатии (изгибе) после установленного числа циклов попеременного замораживания-оттаивания не превышает 20%. После каждого цикла испытаний тщательно осматривают образцы, фиксируя происшедшие в них изменения: сколы рёбер, выкрашивание углов, выпадение кусков, разрушение по трещинам и т.п. Полностью разрушенные образцы исключаются из испытательного цикла: при вычислении средней прочности при сжатии после замораживания их прочность считают равной нулю. Образцы, частично разрушенные, испытываются на общих основаниях.
В некоторых случаях замораживание образцов в морозильной установке заменяют пропитыванием их различными солями, расширяющимися при кристаллизации (так называемые "ускоренные испытания"). Обычно с этой целью используют соли серной кислоты - сернокислый натрий, сернокислый магний и т.п. При этом полагают, что действие кристаллизующихся сернокислых солей аналогично действию замерзающей в порах воды. У этой точки зрения имеется множество оппонентов, считающих, что никакой аналогии здесь не существует: на поведение камня, пропитываемого раствором солей серной кислоты, а затем кристаллизующегося, влияет не столько кристаллизационная сила, действующая в процессе роста солевых кристаллов, сколько полиморфные превращения вещества в процессе изменения температуры среды увлажнения и высыхания кристаллов соли. Различие поведения горной породы при замораживании воды и при воздействии раствора солей серной кислоты состоит в том, что эти соли воздействуют не равномерно на испытываемый образец (как при замораживании), а влияют лишь на его поверхностные части (куда может проникнуть кристаллизующийся раствор). В результате при испытании низкопрочных пород происходит не общее разрушение образцов, а отслаивание внешних частей.
Следует иметь в виду, что снижение прочности камня в результате климатических воздействий представляет собой лишь первую стадию деструкции облицовочного материала, за которой неизбежно последует шелушение, поверхностная и объёмная макротрещиноватость, расслоение и последующее разрушение камня.
Хочется напомнить, что например юрский известняк залегает слоями и есть многолетний опыт использования этого камня. Доподлинно известно, что некоторые слои юрского мрамора не выдерживают требований по морозостойкости и поэтому не рекомендуются добросовестными поставщиками в качестве внешней облицовки экстерьеров. Это можно увидеть опытным глазом на открытой выработке юрского мрамора, когда перезимовавший открытый карьер со срезом по слоям имеет видимые разрушения по некоторым слоям.
Примеры разрушения юрского известняка с низкой морозостойкость и явными дефектами структуры (сутуровые швы)
Однако в ситуации, если снижение прочности камня ещё не достигло критических значений (25-30%), развитие процессов деструкции можно замедлить путём принятия комплекса мер по обеспечению сохранности каменной облицовки: систематический мониторинг состояния камня с использованием электронных методов неразрушающего контроля, периодическая гидрофобизация поверхности, герметизация швов, обработка консолидантами, флюатирование и т. п.