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.