-
1. Introducere Procedeul utilizrii silicailor solubili
n sistem apos, ca liant, a fost i este foarte mult utilizat la
obinerea formelor de turnare din amestecuri pe baz de materiale
naturale silicioase (nisip, bentonit de turntorie, caolin,
caolinit, cromit, cromomagnezin etc.) i anumite tipuri de argile
[1]. Procesul de liere cu silicai solubili are la baz fie mecanisme
asemntoare realizrii i consolidrii frescelor cu hidroxizilor
alcalino pmntoi, proces numit carbonatare, cnd are loc reacia:
Na2OnSiO2xH2O + CO2 Na2CO3 qH2O + n(SiO2 + pH2O)
gel silicic sau n form restrns
Na2SiO3 + CO2 Na2CO3 + SiO2 fie alte procese acido-bazice sau
de
schimb ionic, cu absorbie sau eliminare de ap, n care sunt
implicate fore de adeziune i coeziune.
n primul caz, gelul de silice leag granulele de nisip cuaros
ntre ele, realiznd ntrirea amestecului de formare, prin insuflare
de CO2.
De aici, a fost mprumutat i pentru procesele de consolidare a
structurilor instabile de tipul sistemelor sol fundaie sau chiar a
fundaiilor degradate (din roci gresase, uor friabile, cu mortare
din nisipuri argiloase etc.), cnd se aplic p r o c e d e e l e s i
l i c a t i z r i i s a u electrosilicatizrii, n urma injectrii sub
presiune a soluiilor apoase de silicat de sodiu.
Procesul de formare n structurile
injectate a silicailor insolubili sau a SiO2 este foarte
ndelungat, fiind mult mai lent dect procesele de osmoz i segregare,
care au loc sub influena gradienilor hidrici (apa capilar, apa
pendular, apa zeolitic, apa ascensional, apa freatic i apa
meteoric). De aici o serie de neajunsuri. Un singur exemplu este
edificator: la nivelul anilor 1970 s-a executat consolidarea
fundaiei Teatrului Naional din Iai de ctre o echip condus de mult
discutatul (din respect pentru unele realizri nu acceptm s-l numim
controversatul) specialist Dinu Moraru din cadrul Institutului de
Cercetri n Construcii i Economia Construciilor (INCERC), Bucureti.
Acesta a injectat n structurile adiacente fundaiilor peste 600 de
tone de silicat de sodiu, din care circa 225 de tone l reprezint
sodiul ionic mobil, care, sub influena apelor freatice i a
fundaiilor noilor construcii din vechiul nucleu urban, a migrat
ascensional spre zonele marilor monumente ale Iaului, ce delimiteaz
platforma vechiului sit urban, ale cror efecte distructive sunt
foarte evidente la Palatul Culturii, Biserica Trei Ierarhi,
Catedrala Mitropolitan, Casa Dosoftei i altele.
Un alt exemplu, la elucidarea cruia autorii au avut unele
contribuii, n cadrul unui Consoriu Interuniversitar European, este
cel de la o biseric catolic de pe malul Atlanticului, din
apropierea oraului portughez Setubal, unde pigmenii de cinabru ai
frescelor de exterior i interior s-au degradat n urma silicatizrii
fundaiilor prin deplasarea culorii n alb (un
I o n S a n d u , A d r i a n D i m a , I r i n a - C r i n a A
n c a S a n d u , I o a n G a b r i e l S a n d u
ASPECTE ALE PROCESELOR DE CONSOLIDARE A FUNDAIILOR MONUMENTELOR
PRIN SILICATIZARE
-
caz particular, unic n felul su, datorit formrii calomelului
Hg2Cl2) sub influena igrasiei contaminate biotic i a
eflorescenelor.
2. Chimismul silicailor Dac ne referim la dioxidul de
siliciu
[2, 3], acesta poate fi considerat anhidrida acidului
ortosilicic, un compus cu caracter amfoter - slab acid, la care se
poate stimula att procesele acide, date de forma H4SiO4, ct i
procesele bazice ale formei Si(OH)4 (primul proces fiind dominant).
Legat de forma ipotetic a acidului ortosilicic, trebuie s remarcm
marea sa instabilitate, existnd doar n forma acidului metasilicic,
H2SiO3, derivat obinut prin condensare cu eliminare de ap. Acesta
este susceptibil de a forma acizi polisilicici, silicai simplii sau
dubli, de tipul: feldspatului, micei, azbestului, talcului i alii.
De asemenea, trebuie s amintim c la anumite concentraii n soluii se
formeaz hidrosoluri sau, dup caz, hidrogeluri cu capacitate de
peliculogen. Aceste pelicule pot deveni membrane semipermeabile sau
impermeabile, formnd adevrate bariere pentru osmoze i
electroosmoze, care devin ireversibile, conducnd la procese
nedorite, cum ar fi: eflorescena, igrasia i umiditatea ascensional,
urmate de contaminarea microbiologic cu anumii micei, licheni,
etc.
Silicatul de sodiu sau de potasiu, cunoscut n tehnic sub
denumirea de sticl solubil, mai este folosit ca liant pentru
pigmeni, n tehnica picturii murale, avnd la baz procese de liere
asemntoare frescelor [4].
Silicaii metalelor alcaline, au comportri de hidrosilicai, fiind
solubili n sisteme apoase i greu solubili n sisteme organice
neprotolitice. Ele se ncadreaz n sistemul ternar MI2O SiO2 H2O,
deci i n structur cristalin conin molecule de ap. Fenomenul de
dizolvare a lor n ap este nsoit, de cele mai multe ori, de o
descompunere a silicatului. n acest caz, se
spune c silicatul are o solubilitate incongruent, iar cnd
dizolvarea are loc fr descompunere, solubilitatea este congruent.
De exemplu, unele forme de silicat de potasiu, la temperaturi
normale, au numai solubilitate incongruent, iar alte forme,
corespunztoare modulelor caustice ridicate, dup cum vom vedea
imediat, prezint solubilitate congruent, aa cum este cazul
modulului caustic 4,0.
Legat de definirea modulului caustic, de exemplu, n formula
sticlei solubile, pentru tipul sticla de sodiu, Na2OnSiO2, raportul
molar dintre SiO2 i Na2O, care este foarte apropiat de cel
gravimetric (deoarece au mase molare apropiate: 60 pentru SiO2,
respectiv 62 pentru Na2O), notat n cazul nostru cu n reprezint
modulul caustic. n funcie de acesta avem: sticle solubile neutre,
cu n = 3,3 i sticle solubile alcaline, cu n = 2,0. La fel avem
diverse module caustice i pentru sticla de potasiu, care variaz de
la 1,0 la 4,0.
Cum ns prin analiza chimic, coninutul de SiO2 i Na2O se
determin, de obicei, n procente gravimetrice, atunci, modulul se
determin cu formula:
n = ( % SiO2 / % Na2O ) x 1,032. Silicatul de sodiu, cel mai
utilizat ca
liant, are modulul cuprins ntre 2,5 i 2,9, iar densitatea ntre
1,42 i 1,49 g/cm3.
n cazul n care silicatul nu posed caracteristicile de mai sus,
corectarea lor se poate face astfel:
- mrirea modulului prin adugarea de clorur de amoniu(NH4Cl);
- micorarea modulului prin adugare de hidroxid de sodiu
(NaOH);
- modificarea densitii prin variaia coninutului de ap.
Proprietile de liere ale silicatului de sodiu se bazeaz pe
faptul c la pierderea apei de constituie silicea din silicat
formeaz un gel care nvelete granulele de nisip sau mbib structurile
poroase de argil. Prin pierderea apei (fie prin uscare,
-
fie prin legarea acesteia n urma unor reacii chimice), gelul se
ntrete i asigur structurilor, astfel consolidate, proprieti
mecanice superioare.
Silicaii celorlalte metale, ndeosebi a celor polivalente, care
pot avea cationii n stri de oxidare inferioare (cu caracter de la
slab bazic, la baz puternic), intermediare (cu caracter amfoter) i
respectiv, superi oare (cu caracter de la slab la puternic acid),
dau silicai insolubili (doar strile de oxidare inferioare, cu
caracter bazic puternic dau, ca i metalele alcaline, silicai
solubili). Astfel, metalele alcalino-pmntoase, cu configuraia
electronic a stratului de valen ns2np0, cu bazicitate slab, formeaz
membrane permeabile doar pentru apa liber i semipermeabil, pn la
impermeabil, pentru cationi i anioni mari. Metalele din blocul p,
cu configuraia ns2np1-2, cu tendin spre amfoterism, formeaz silicai
insolubili, susceptibili n realizarea de membrane schimbtoare de
ioni, iar cele de tip d, mai ales din prima serie de tranziie, dau
membrane semipermiabile sau chiar impermiabile, att pentru apa
liber, ct i pentru ioni.
n acest context, membranele cu ioni ai metalelor din blocul p, n
comparaie cu cele din grupa alcalinopmntoase, prezint o
reversibilitate mai ridicat, att pentru apa legat fizic, ct i
pentru cea legat chimic, pus pe seama amfoterismului acestora. n
schimb, n funcie de natura i starea de oxidare a ionului metalic,
membranele cu ioni ai metalelor din blocul d prezint
reversibilitate specific, mult diferit pentru cele dou tipuri de
ape (legat fizic, sub forma apei higroscopice i a celei
hidroscopice, respectiv, cea legat chimic, prezent sub forma
gruprilor OH amfotere, acide sau bazice).
innd cont de tipul cationului metalic, se cunosc diverse
structuri ale silicailor, dup cum urmeaz:
- structur insular sau izolat, capabil de a forma sisteme
microcoloidale de tip hidrosol (de tip: zircon, olivina, topaz,
silimanit, andaluzit, mulit etc.);
- structuri de lan i de band, capabile de a forma hidrogeluri
(de tip: spodumen, azbest, caolinit, montmorinolit, muscovit
etc.);
- structuri stratificate i spaiale, responsabile de formarea
sistemelor membranare (de tip: talc, mic, feldspat, sodalit
etc.).
Datorit acestor modificaii cristaline, ntlnim fenomenul de
polimorfism, att la silicaii naturali, ct i cei de sintez. Trecerea
de la o form polimorf la alta sau obinerea unei anumite modificaii
cristaline este dictat de o serie de parametrii structurali i de
stare, dintre care amintim: natura i gradul de oxidare a
cationului, concentraia ionilor n procesul formrii silicatului,
pH-ul soluiei, temperatura i altele. Se tie c, formele polimorfe
sunt stabile n anumite domenii de temperatur. Cele stabile, sub
temperatura de transformare polimorf, sunt notate cu b, iar cele
superioare prin a. Trecerea de la forma b la forma a este un proces
endoterm, iar invers, exoterm. n urma acestor procese au loc
schimbri de poziie a ionilor n reeaua cristalin, trecnd de la un
sistem de echilibru la altul. Trebuie s menionm c transformrile
polimorfe pot fi reversibile (transformri enantiotrope) sau
reversibile (transformri monotrope).
3. Efecte membranare n procesele de silicatizare
Componentele principale implicate n procesele de consolidare
prin silicatizare ale sistemelor sol fundaie sunt reprezentate prin
urmtoarele faze (fig. 1):
- solide (argile, nisip, piatr, beton, mortar etc.);
- lichide sau pstoase, care formeaz pelicula de liant;
-
- gazoase, constituit din aer sau alte gaze ncorporate n sistem
n timpul lierii. Proprietile fizico-chimice i mecanice ale unor
astfel de sisteme disperse depind de natura i caracteristicile
componentelor, precum i de mecanismul proceselor de
peliculizare.
3.1 . Structura micelar a microgranulelor de argil monolit
Principalul constituent al argilei este caolinitul
(Al2O32SiO22H2O), care prezint o structur stratificat, specific
silicailor, ce rezult din unirea unor tetraedre de [SiO4]4-, n
celulele hexagonale prin intermediul unor puni de oxigen. Bazele
tetraedrelor sunt aezate ntr-un plan i au sarcini electrostatice
saturate,
rmnnd doar sarcini libere numai la cte un vrf al tetraedrelor
(fig. 2). Structura stratificat imprim argilei un caracter lamelar,
foios, care le confer capacitatea de a cliva uor la nivelul
planurilor pe care sunt aezate tetraedrele.
Radicalul structural care se repet este reprezentat prin
clusterul [Si2O5]n2.-. Structura caolinitului const dintr-un strat
de tetraedre [SiO4] legate ntre ele prin cte trei vrfuri n celule
hexagonale. De acest strat este legat un alt strat octaedric
[AlO2(OH)4] (fig. 2 b).
Valena liber a O2- (sau HO-) se mparte ctre doi ioni Al3+.
Fiecare ion Al3+, primete trei valene de la cei doi O2- i patru HO-
nconjurtori. Stratul de
-
tetraedre i cel de octaedre formeaz un pachet independent, care
nu este legat n nici un fel de pachetul urmtor.
Rezult, deci, c o argil pur, n care predomin caolinitul este
format dintr-o multitudine de foie extrem de fine, care determin
caracterul lamelar i clivajul acestora.
Forele care menin elementele din foia de argil sunt de natur
ionic, fiind deosebit de puternice, iar cele care leag ntre ele
foiele de argil sunt slabe, de natur fizic, ceea ce permite
separarea uoar a foielor una de alta (chiar sub influena apei
libere).
Apa de constituie este legat n scheletul spaial de ioni Al3+ sub
form de
ioni HO-. Delimitarea n spaiu a unei particule
de argil se face prin fragmentarea reelei. La vrfuri, pe muchii
i pe suprafeele acestui fragment din reeaua spaial rmn numeroi
anioni cu valene nesatisfcute, ceea ce confer acestei
microparticule un potenial electronegativ, microparticula
comportndu-se ca un macroanion.
Dac acest macroanion vine n contact cu apa are loc o adsorbie de
cationi (Mg2+, Ca2+, K+, Na+), formnd pe suprafaa macroanionului un
strat difuz, numit strat cationic, care prezint la rndul su o
tendin puternic de hidratare, absorbind dipoli de ap, ce vor forma
al doilea strat difuz (fig. 3), care mbrac particula de argil ca o
manta. Acesta este alctuit din dipoli de ap deformai, a cror
molecule sunt reinute prin fore electrostatice puternice, datorit
crora i pierd mobilitatea.
O pondere aparte din apa care intr n compoziia mineralelor, deci
i n argile, este apa legat chimic. Aceasta poate fi de hidratare
sau zeolitic. Apa de hidratare
poate fi de constituie i de cristalizare. Apa de constituie este
dat de cele trei
grupri existente ntr-o argil: bazice, prin ionii hidroxid (HO-),
amfotere, prin radicalii hidroxil (-OH) i acide, prin structurile
ionizate (-O-H+), care le regsim n compoziia chimic a
hidroxi-oxizilor i oxiacizilor (ca de exemplu: Ca(OH)2, Mg2O(OH)2,
Al2O(OH)4, Al2O2(OH)2, SiO(OH)
-
2 etc.). Eliminarea acestei ape din sistem se face numai n
salturi, n cantiti determinate i la temperaturi de pn la 1000 0C.
Dup eliminarea ei, mineralele se descompun i formeaz compui
noi.
Apa de cristalizare este legat mai slab de reeaua cristalin. Are
proprietile unui corp solid i este situat ntre straturile plane ale
reelei cristaline. Se elimin prin nclzire pn ctre 120 - 160 0C i
poate aprea sub form de ap anionic i de ap cationic sau de
coordinaie.
Apa zeolitic este coninut sub form de ap liber sau fluidic n
cavitile i canelele structurilor ordonate ale alumino-silicailor
naturali i artificiali, numii zeolii, care se elimin greu, doar la
temperaturi ridicate (ntre 180 i 400 0C i chiar mai ridicate), prin
distrugerea reelei cristaline. Aceast ap nu influeneaz starea fizic
a argilelor respective.
Apa legat fizic poate fi higroscopic i pelicular.
Apa higroscopic nconjoar direct granulele monolit de argil cu o
pelicul de grosime nanometric, sub form de monostrat, variind pn la
cteva straturi moleculare. Ea este adsorbit din vaporii de ap aflai
n aer, fenomen care se desfoar cu degajare de cldur. Aceast ap nu
creeaz presiuni hidrostatice, nu asigur plasticitate i nu se
deplaseaz ca un lichid. Deplasarea ei se face numai prin schimbare
de faz, trecnd de la suprafeele umede la cele uscate.
Apa pelicular este alctuit din restul de molecule care nconjoar
granula mineral ntr-un strat cu grosime micrometric, de mai multe
zeci de straturi moleculare. Deplasarea acestei ape de la o granul
la alta se face direct prin pelicule sau prin pendulare, fr a mai
trece prin starea de vapori.
De aici rezult c natura activitii de suprafa poate fi explicat
ca o atracie
electric a apei n jurul granulei minerale. Forele de atracie
exercitate asupra moleculelor de ap se datoreaz faptului c aceste
molecule sunt polare (fig. 3).
Cationii fiind puternic ataai de granula de argil i pierd
funciile dinamice, comportndu-se ca i ioni strns legai, formnd
astfel un strat fix de contraioni.
Pelicula de ap, ce nconjoar acest strat are o zon semimobil spre
stratul cationic, mai puin atras i una mobil (liber), spre
exterior, ce formeaz stratul difuz cu ionii solvatai.
Spaiul dintre granula argiloas i limita pn la care se resimt
forele de atracie poart denumirea de atmosfer ionic (stratul
cationic), care mpreun cu granula, formeaz structura micelar.
Complexul alctuit din ionii adsorbii i moleculele de ap de la
suprafaa macroanionului poart denumirea de complex de adsorbie
(fig. 4).
Structurile formate din ioni de sarcini contrare, se asemn n
comportare cu plcile unui condensator electric,
Fig. 4. Structura micelei de argil i alura diferenei de potenial
la interfa: - potenial termodinamic; - potenial electrocinetic
-
formnd un strat dublu electric, a crui alur a diferenei de
potenial este reprezentat n figura 4.
Cantitatea de ioni adsorbii determin grosimea atmosferei ionice
i prin urmare grosimea total a peliculei de ap adsorbit (stratul
semimobil i cel mobil). Aceast cantitate depinde de: potenialul de
ioni de hidrogen liberi ai mediului de dispersie (pH); natura
ionilor adsorbii; originea geologic a argilei etc.
Ea se exprim n miligrame de ioni echivaleni la 100 g argil. Cu
ct cationii au o valen mai mare cu att grosimea stratului este mai
mic, dup cum urmeaz:
Al3+ < Ca2+ < Mg2+ < K+ < Na+. n cazul argilelor
avem urmtoarea
serie cresctoare: caolinit < ilit < montmorilonit.
Complexul format din apa
higroscopic, sub form de ap pelicular sau pendular i apa strns
legat se mai numete ap molecular, care nghea la 78 0C.
Complexul format din granul i pelicula de ap (strns i slab
legat) alctuiete o micel. Teoria care studiaz aceste structuri
poart denumirea de teoria micelar a argilelor, care permite
explicarea tuturor fenomenelor specifice argilelor, ca de exemplu:
plasticitatea, contracia, umflarea, tixotropia etc.
3 . 2 . Mecanismul f orm r i i peliculelor de liant n cazul
silicatului de sodiu
3.2.1. Formar ea st r uctu r i lor micelare
n soluii apoase, silicatul de sodiu hidrolizeaz cu formare de
SiO2 activ, conform reaciei:
Na2O nSiO2 xH2O 2NaOH + nSiO2 + (x-1)H2O
Hidroxidul de sodiu rezultat se gsete n sistem disociat n ioni,
conform reaciei de ionizare:
NaOH Na+ + HO- Ionii rezultai din aceast reacie sunt
adsorbii de particule coloidale de SiO2 i formeaz micelele.
Structura unei micele coloidale a silicatului n mediu bazic este
prezentat schematic n figura 5.
Molecula de SiO2 formeaz nucleul micelei. Acest nucleu adsoarbe
anioni de SiO32- acvatai din jur, formnd granule micelare, cu
formula: [(SiO2)n zSiO3-2].
Deoarece, granulele au n soluie sarcini negative, acestea atrag
ionii cu sarcini pozitive i astfel se obin microstructuri n care
ionii de hidrogen sunt atrai de granulele negative formndu-se
micele ale acidului silicic SiO(OH)2:
(SiO2)n zSiO32- 2zH+ granula, micela n condiii naturale reaciile
de
schimb ionic decurg lent i ntrirea
particulelor dureaz mult. 3.2.2. Formarea peliculelor de liant
Modul i capacitatea de distribuire a
liantului pe suprafaa granulelor de argil i a altor minerale,
depind de caracteristicile
Fig. 5. Structura unei micele coloidale de SiO2 n mediu bazic: 1
nucleu de [SiO2]n; 2 strat de difuzie extern; 3 strat de
compensaie; 4 strat electric de adsorbie; 5 micela; 6 particul cu
diametrul de 70 80
-
fizico-structurale i chimice ale granulelor, de compoziia i
chimismul soluiilor de silicat, de parametrii de stare (temperatur,
presiune, concentraie, pH, viscozitate etc.) ai sistemului dispers
format n procesele de consolidare. Acestea dicteaz cele dou fore de
adeziune i de coeziune, care confer o anumit structur i
continuitate
peliculei liante (fig. 6). Structura i continuitatea
peliculei
este determinat de capacitatea de umectare a liantului fa de
granula monolit, de starea energetic a suprafeei acestora,
respectiv de cantitatea n raport cu mineralul liat i de proprietile
reologice ale soluiei de silicat.
Dac pelicula de liant are o grosime mai mic (un coninut prea mic
de liant), ea devine instabil, n sensul c la dispariia presiunii
exterioare se va fragmenta n picturi izolate (fig. 7), micornd
suprafaa de contact dintre liant i granula de mineral.
n schimb, dac pelicula de liant are
o grosime mai mare (cazul structurilor superficiale sau
adiacente injectrii), liantul n exces imerseaz sau se scurge pe
suprafaa granulelor sub aciunea forelor Laplace din punile de
legtur dintre granule (fig. 8). Datorit acestui proces, rezistena
specific se micoreaz, deoarece n punile de legtur (de contact) se
concentreaz un numr mare de defecte structurale, ce afecteaz
rezistena sistemului de consolidare format.
n condiiile injectrii n mai multe etape cu perioade de pauz
mari, se formeaz structuri liate succesiv, care pot prezenta
dezavantaje, legate de prezena unor puncte de minim rezisten
induse, dar i avantajele corectrii unor lieri slabe prin puni de
contact.
3.3. ntrirea peliculelor de liant prin reacii acido-bazice i de
schimb ionic
Reaciile acido-bazice i de schimb ionic conduc la formarea unor
compui chimici sub form de geluri liante, care cristalizeaz n timp.
Acest tip de reacii se datoreaz n primul rnd activitii stratului de
adsorbie al micelei coloidale de SiO2, format in situ, prin procese
fizice de
Fig. 6. Tipuri de structuri liate: a structur cu liant
pelicular; b structur cu liant tip puni de contact
Aglomerarea liantului n zonele de contact, la exces
Fig. 8. Structuri liate succesiv
-
deshidratare parial a anionilor silicai acvatai, ce au adsorbit
ioni hidroniu, formnd cele dou structuri ale stratului dublu
electric de la suprafa (stratul de compensaie i stratul de
adsorbie).
n condiii date, reaciile acido-bazice i de schimb ionic decurg
lent, iar ntrirea peliculelor de liant dureaz mult i din aceast
cauz se folosesc acceleratori ai proceselor de ntrire, ca de
exemplu: injectare de CO2, injectare de soluii pe baz de clorur de
amoniu (mai puin indicat, din motive ecologice), soluii de baz de
acid acetic, respectiv soluii saline a unor metale ce conduc la
structuri greu solubile, membranare.
3.3.1. ntrirea cu CO2 a peliculelor de silicat de sodiu
La ntrirea cu CO2 gazos se formeaz carbonai, care duc la
micorarea pH-ului soluiei coloidale. Stratul de difuzie se
micoreaz, potenialul electrocinetic scade, iar mediul acid dispare
complet obinndu-se astfel un sistem cu valoare mare a entalpiei
libere. Ca urmare, are loc coagularea silicatului de sodiu, proces
determinat de ionii de hidroniu, care au sarcina electric opus
particulei coloidale.
n timpul procesului de coagulare se formeaz gelul nSiO2 xH2O.
Acesta leag granulele minerale i confer sistemului rezisten
mecanic. Silicogelul obinut are comportri neelastice i poate
adsorbi mult ap fr s se umfle, deoarece are o cantitate mare de
pori, cu raza cuprins ntre 20 i 200 .
Reacia dintre silicatul de sodiu i dioxidul de carbon duce la
formarea gelului de silice i a carbonatului de
sodiu:Na2OnSiO2xH2O+CO2 = n(SiO2+pH2O)+Na2CO3 qH2O, cu x = p +
q.
Aceast reacie este real numai dac exist CO2 n exces i condiii
optime de difuzie.
Reacie dintre silicat i CO2 se desfoar repede, din aceast cauz
mai
nti trebuie asigurat continuitatea peliculei de silicat i apoi
injectarea de CO2. O problem la acest procedeu l reprezint
carbonatul de sodiu, care ncarc chimic apele freatice i meteorice.
De asemenea, continuitatea sistemului de liere este fragmentat n
urma proceselor de barbotare i difuzie a CO2 gazos la presiuni
mari.
Procese asemntoare au loc la adugarea de soluii a unor acizi
organici sau a unor sruri cu hidroliz acid, cnd vorbim de formarea
structurilor micelare prin procese cu transfer de protoni.
Obinerea sistemelor membranare prin procese de schimb ionic au
la baz mecanisme total diferite, asemntoare reaciilor de
precipitare. Tipul i caracteristicile structurilor membranare
depinde de chimismul celor dou sisteme de interacie: soluia de
silicat i soluia cationilor metalici.
4. Aspecte practice ale consolidrii fundaiilor prin
silicatizare
Cinetica proceselor de liere prin solidificare poate fi
controlat foarte uor utiliznd diagrama ternar Na2O-SiO2-H2O, trecnd
din zona gel n cea de sol. Trecerea din starea de gel instabil, la
cea stabil, sub form de pelicul continu, uniform, n stare de
membran semipermiabil sau impermiabil se face, dup cum am vzut, n
prezena celorlali ioni metalici, diferii de metalele alcaline. n
urma proceselor de consolidare prin silicatizare a fundaiilor,
tipul silicailor formai depinde de o serie de parametrii variabili,
cum ar fi: umiditatea i temperatura solului, pH-ul i ncrctura
chimic n ioni solubili, respectiv agresivitatea solului, umiditatea
i temperatura fundaiilor, natura ionilor mobili (nelegai chimic)
din fundaie i din diverse structuri adiacente. Pentru obinerea unui
anumit silicat, n funcie de complexitatea parametrilor structurali
i de
-
stare din sistemul sol-fundaie, se stabilete modulul caustic al
sticlei solubile, temperatura i concentraia soluiei de injectare.
Mai mult, compoziia i duritatea apelor freatice i a celor meteorice
poate influena tipul de membran care se formeaz.
Dac metalele alcaline, la anumite concentraii tind s formeze
silicai instabili, cu solubilitate incongruent, formnd sisteme
heterogene microcristaline (subcoloidale), metalele din grupa a
II-a principal (Mg2+,Ca2+, Sr2+, Ba2+) formeaz sisteme membranare
permeabile la ap i cu mare reversibilitate n ceea ce privete
echilibrele hidrice, dar impermeabile pentru cationii metalelor
alcaline i pentru anionii poliatomici (azotat, sulfat, fosfat,
etc.), metalele din blocul p (n deosebi, cele cu caracter amfoter:
Al3+, Sn2+, Pb2+ etc.) formeaz sisteme membranare cu
reversibilitate limitat la ap, dar cu mare capacitate de schimb
ionic, pe cnd metalele din blocul d formeaz membrane cu
caracteristici specifice, n funcie de natura cationului i de gradul
su de oxidare. n general, acestea prezint reversibilitate foarte
ridicat pentru apa higroscopic i o mic capacitate de schimb
ionic.
Plecnd de la aceste proprieti, n faz de laborator, s-au obinut i
caracterizat diferite tipuri de sisteme membranare cu solubilitate
incongruent. Dintre acestea, n funcie de diversele cazuistici
privind ncrcarea chimic i umiditatea solului, au fost selectate
cele cu capacitate de blocare unidirecional a ionilor responsabili
de igrasii contaminabile microbiotic i de eflorescene saline, att
la fundaii, ct i la ziduri (mai ales n lipsa zonelor de ntrerupere
a proceselor hidrice prin straturi hidrofobizate). Sistemele alese
au fost studiate, folosind suporturi gresoase naturale (loes i
tufuri vulcanice) sau artificiale (beton autoclavizat),
peliculizate prin coprecipitare secvenial strat pe strat, care
apoi au fost imersate n soluii saline cu ncrcare chimic i
agresiviti apropiate de cazurile reale. S-au implicat att procesele
acido-bazice, prin barbotare de CO2 sau injectare de soluii de
acizi organici sau de sruri cu hidroliz acid, introduse dup
peliculizare cu silicat, ct i cele de schimb ionic, cu sruri de
precipitare, care au fost introduse utiliznd acelai sistem de
injectare naintea peliculizrii cu silicat.
n funcie de natura chimic a argilei din solul de fundare i a
materialelor minerale din fundaie, lund ca etalon caracteristicile
mecanice ale betonului, cruia i se atribuie coeficientul 1, efectul
silicatizrii variaz dup cum urmeaz:
- soluri i roci nisipoase (cuaroase): 0,35-0,60;
- soluri i roci argiloase (alumino-silicai): 0,25-0,4;
- soluri i roci calcaroase (calcare i sisteme numulitice):
0,05-0,30.
n tabelul 1 se prezint unele caracteristici ale structurilor
liate prin silicatizare n timp.
Menionm, c pentru aplicaii practice, este necesar o cunoatere
intrinsec a activitii diferitelor specii ionice, att din sol, ct i
din fundaii i ziduri, cu o urmrire a evoluiei chimismului acestora,
a umiditii solului i fundaiei, precum i a nivelului apelor freatice
din zon, pe parcursul a cel puin dou anotimpuri, unul cald i unul
ploios (primvar var sau var toamn).
Silicatizarea ca metod de consolidare a sistemelor sol-fundaie
nu se indic la terenurile care prezint excavaii anterioare punerii
n oper, pnze freatice aproape de suprafa, cu variaii ascensionale
mari i a celor care prezint pivnie, catacombe sau grote ascunse,
inferioare tlpii fundaiei.
ntruct o serie de date experimentale fac obiectul unor dosare
OSIM, care urmeaz s fie luate n analiz,
-
autorii i rezerv dreptul de a nu prezenta soluiile
revendicabile. n schimb, colectivul rmne deschis la orice
colaborare n acest sens.
5. Concluzii Consolidarea prin procese de
silicatizare a terenului de fundare, a fundaiilor i a unor
structuri de zidrie fragilizate ridic i n prezent multe probleme
legate n primul rnd de eficien i de efectele negative, dar i de
insuficienta cunoatere a proceselor implicate. n acest sens, se
prezint chimismul silicailor, cu structurile posibile i tipurile
lor de solubiliti n sisteme protolitice, precum i efectele pe care
le dau n urma interaciilor acido-bazice i de schimb ionic. Astfel,
sunt discutate comparativ structurile insulare sau izolate de tip
hidrosol, de lan i de band, de tip hidrogel, respectiv
stratificate
i spaiale, de tip membranar, responsabile de liere.
n baza teoriei structurilor micelare, pentru cele trei tipuri se
analizeaz modul i capacitatea de distribuire a liantului pe
suprafaa granulelor minerale, care sunt dependente de
caracteristicile fizico-structurale i chimice ale acestora, de
compoziia i chimismul soluiilor de silicat, de parametrii de stare
(temperatur, presiune, concentraie, pH, viscozitate etc.) ai
sistemului dispers format n procesele de consolidare. Aceste
aspecte controleaz cele dou fore, de adeziune i de coeziune, care
confer o anumit structur i continuitate peliculei liante,
determinate de capacitatea de umectare a liantului fa de granula
monolit, de starea energetic a suprafeei acestora, respectiv de
cantitatea n raport cu materialul consolidat i de proprietile
Nr. Probei Tipul solului
Tipul procesului de silicatizare
Timpul de priz (min)
Rezistena mecanic Kg /cm2
sRT sRC
1 Nisip cuaros Procese fizice i de schimb ionic
30 25 220
2 Argil loes Procese fizice i de schimb ionic
180 18 180
3 Sol calcaros Procese fizice i de schimb ionic
720 12 80
4 Argil loes ntrire cu CO2 5 30 410
5 Argil loes ntrire cu soluii acide
15 25 260
6 Argil loes ntrire cu NH4Cl 20 20 200
Tabelul 1. Caracteristicile structurilor liate prin
silicatizare.
-
reologice ale soluiei de silicat. n vederea stabilirii
condiiilor
optime de silicatizare prin anumite procese cunoscute n
literatura de specialitate, autorii au luat n studiu diferite
suporturi gresoase naturale (loes i tufuri vulcanice) sau
artificiale (beton autoclavizat), care au fost peliculizate prin
coprecipitare secvenial strat pe strat i analizate apoi comportarea
lor la imersie n soluii saline cu ncrcare chimic i agresiviti
apropiate de cazurile reale. S-au implicat att procesele
acido-bazice, prin barbotare de CO2 sau injectare de soluii de
acizi organici sau de sruri cu hidroliz acid, introduse dup
peliculizare cu silicat, ct i cele de schimb ionic, cu sruri de
precipitare, care au fost introduse utiliznd acelai sistem de
injectare naintea peliculizrii cu silicat.
n funcie de natura chimic a argilei din solul de fundare i a
materialelor minerale din fundaie, lund ca etalon caracteristicile
mecanice ale betonului, cruia i se atribuie coeficientul 1, efectul
silicatizrii variaz n seria: materiale cuaroase (0,35-0,60)>
aluminosilicai (0,25-0,4)>calcare i sisteme numulitice
(0,05-0,30).
Se constat c, pentru o aplicare optim, este necesar o cunoatere
intrinsec a activitii diferitelor specii ionice, att din sol, ct i
din fundaii i ziduri, cu o urmrire a evoluiei chimismului acestora,
a umiditii solului i fundaiei, precum i a nivelului apelor freatice
din zon, pe parcursul a cel puin dou anotimpuri, unul cald i unul
ploios (primvar var sau var toamn).
De asemenea, se menioneaz c, silicatizarea, ca metod de
consolidare a sistemelor sol-fundaie, nu se indic la terenurile
care prezint excavaii anterioare punerii n oper, pnze freatice
aproape de suprafa i a celor care prezint pivnie, catacombe sau
grote ascunse, inferioare
tlpii fundaiei. Bibliografie 1. C. Cernat, P. Toboc, Teodora
Sbu, Bazele fizico-chimice ale lierii nisipurilor de turntorie,
Ed. Tehnic, Bucureti, 1998.
2. I. Teoreanu, L. Nicolescu, N. Ciopcea, V. Moldovan,
Introducere n tiina materialelor anorganice, vol I i II, Ed. Tehnc,
Bucureti, 1987.
3. D. Negoiu, Tratat de chimie anorganic, vol II, Ed. Tehnic,
Bucureti, 1972.
4.. I.J. McColm, Ceramic Science for Materials Technologists,
Ed. Chapmann & Hall, New York, 1983.
5. I. Sandu, Irina Crina Anca Sandu, Chimia conservrii i
restaurrii, vol I i II, Ed. Corson, Iai, 2002.
6. D. Moraru, E. Dumitriu-Vlcea, Umezeala n construcii i
combaterea ei, Ed. Tehnic, Bucureti, 1969.
7.D. Moraru, L.Dima, Electrodrenarea construciilor umede (teorie
i practic), Ed. Tehnic, Bucureti, 1996.
8. Irina Crina Anca Sandu, Principii fundamentale de teoria
conservrii i restaurrii, Ed. Corson, Iai, 2000.
9. Irina Crina Anca Sandu, Ion Sandu, Paula Popoiu, Antonia van
Saanen, Aspecte metodologice privind conservarea tiinific a
patrimoniului cultural, Ed. Corson, Iai, 2001.
10. . Solacolu, Florica Paul, Chimia fizic a solidelor
silicatice i oxidice, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1984.
11. I. Teoreanu, Introducere n chimia fizic a strii solide
Compui oxidici, Ed. Did. i Ped., Bucureti, 1995.
12. M. Cruceanu i colaboratorii, Site moleculare zeolitice, Ed.
tiinific i Enciclopedic, Bucureti, 1986.
13. D. Becherescu, V. Cristea, Fr. Marx, I. Menessy, Fr. Winter,
Metode fizice n chimia silicailor, Ed. tiinific i Enciclopedic,
Bucureti, 1977.