符策光 鄧健 甘美娜
【摘要】本文主要分析了石材產(chǎn)生銹斑的成因,并闡述了預(yù)防和治理銹斑的方法及其原理。
【關(guān)鍵詞】石材;銹斑;治理;預(yù)防
銹斑是石材的病癥之一,常見于石材表面,與整體形成不均勻的色差,破壞了石材原本古樸天然的質(zhì)感和花色,極大地影響了石材裝飾效果和使用壽命。因此石材銹斑的預(yù)防和治理有著一定的研究價值。
1.石材銹斑的形成
1.1產(chǎn)生機理
石材銹斑是石材自身鐵成分或外來進入石材中的含鐵物質(zhì)與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),進而在石材表層形成黃色或黃褐色斑痕,其化學(xué)本質(zhì)是三價鐵離子的化合物:Fe2O3或Fe(OH)3。
根據(jù)主客體的關(guān)系,石材銹斑形成原因可分為內(nèi)因和外因。
內(nèi)因是由石材自身構(gòu)造和化學(xué)成分決定的:(1)石材中多少都含有鐵元素的礦物質(zhì),如赤鐵礦、硫鐵礦等。鐵含量高低與銹斑產(chǎn)生存在直接關(guān)系,例如美國白麻、山東白麻等鐵含量較高的淺色石材更容易出現(xiàn)返銹現(xiàn)象。(2)石材存在著許多孔隙和微裂紋,為環(huán)境中水、空氣、污染物等成分提供流通擴散的通道。其中直徑10-7m~10-4m的為微孔隙具有毛細管效應(yīng),能夠自動吸附液體和微小污染物。在潮濕的環(huán)境下,鐵與空氣、水分接觸,易被氧化銹蝕:2Fe +O2+H2O→Fe2O3+H2.;另外,石材中可溶的Fe2+在空氣中容易被氧化形成難溶的Fe3+化合物。采用水泥濕貼石材時,堿性物質(zhì)(OH-)入侵石材內(nèi)部與鐵離子反應(yīng)生成Fe(OH)3或者進一步脫水成了Fe2O3,隨著水分蒸發(fā),在毛細孔壓的作用下石材表層析出銹斑。鐵銹具有吸潮特性,鐵離子溶液在石材微孔隙會滲透和擴散,若未采取措施,一旦出現(xiàn)銹斑還可能會加深擴大,增加后期處理難度。
外因則是外環(huán)境因素造成的:(1)外來鐵物質(zhì)的污染。石材在開采、加工、安裝、使用過程中可能存在碎鐵屑、焊接火花等鐵質(zhì)殘留,或者石材與鐵構(gòu)件接觸,鐵在潮濕空氣中易生銹,產(chǎn)生的銹蝕液轉(zhuǎn)移到石材表面形成銹斑。(2)石材在切割、拋光等過程中,與鐵發(fā)生高能量碰撞,鐵表面晶格被破壞,離子電場處于失衡狀態(tài),促使Fe3+離子發(fā)生交換、擴散、吸附和滲透作用。(3)環(huán)境中的大氣、水、酸雨、鹽堿成分等化學(xué)物質(zhì)入侵石材,會促進銹斑形成。
1.2銹斑病癥特征
石材中的鐵銹并非都是萬惡的,甚至部分石材以銹本身的黃色為裝飾色。例如莆田銹、山東銹就是利用其均勻的銹黃色為主色調(diào)來展現(xiàn)石材之美的。更合理地講,只有影響石材觀感質(zhì)量的銹斑才視為病癥,其一般具有如下特征:
①銹斑的顏色深淺不一或呈不均勻、無規(guī)則的黃褐色分布
②局部質(zhì)地疏松或出現(xiàn)裂痕的區(qū)域銹斑較為嚴(yán)重,并呈向四周擴散的趨勢
③石材立表面鐵質(zhì)殘留、干掛件、鐵構(gòu)件等銹蝕液污染的下方呈流掛式
④石材鐵質(zhì)較為集中的地方銹蝕較嚴(yán)重,如孔洞、砂眼、色線等
⑤銹斑集中區(qū)域由于銹蝕膨脹,容易引起應(yīng)力集中,產(chǎn)生裂痕
2.銹斑的預(yù)防
基于銹斑機理與成因分析,阻礙水及污染源的入侵是預(yù)防石材返銹的一個重要途徑。人們通常采用石材專用防護劑涂覆于石材的待防護表面,使之形成一道防護層,降低石材吸水率,提高抗污染性。石材防水原理可利用潤濕的概念來解釋。當(dāng)液相的表面張力大于固相的臨界表面張力時,液體呈珠狀在固體表面,不易潤濕。反之則易潤濕。一般未做防護處理石材表面張力較大,水分容易潤濕石材并擴散至內(nèi)部。氟樹脂、有機硅、蠟等防護材料的表面張力均比水的小,所以具有防水效果。
根據(jù)石材防護機理的不同,防護劑還可分為密封型和透氣型。密封型防護劑主要通過防護材料覆蓋和填充封閉石材的孔隙,阻礙水及污染物的侵入,如石蠟、丙烯酸高分子樹脂類等。其共同缺點是透氣性較差,石材內(nèi)部的水汽無法排除,容易引起水斑等其他病癥,而且耐候性差。部分密封型防護劑可用作石材底面防護,有的還可以提高底面與水泥的粘結(jié)力。透氣型防護劑是通過防護劑滲透在石材內(nèi)部,在石材淺表層的毛細孔四周形成具有微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的保護膜,降低石材表面能,產(chǎn)生憎水的特性。由于透氣型防護劑保護膜的微孔直徑比水、油等污染物分子小,但又比空氣、水蒸氣分子的直徑大,因此在保證防水防污性能的同時,具有良好透氣性,從而減少了因石材內(nèi)部濕氣無法排除而產(chǎn)生病變的幾率。常見的有:有機硅型、有機氟型、氟硅型等防護劑。這一類防護劑滲透性強,耐候性好,使用壽命長,能夠預(yù)防銹斑、水斑等石材病害產(chǎn)生,防護效果好。
在應(yīng)用過程中,要認(rèn)真參考防護劑產(chǎn)品的說明書進行施工,由于石材密度、吸水率、環(huán)境等不同,采用防護劑不同,使用的防護劑劑量、涂覆遍數(shù)、養(yǎng)生時間等均不同。除了對石材進行有效防護之外,石材在應(yīng)用施工中需要注意幾點:
①盡量避免使用堿性較高的水泥濕貼石材,因為水泥的堿性物質(zhì)會與石材中鐵質(zhì)反應(yīng)生成Fe(OH)3。
②降低施工時的用水量。
③與石材接觸的鐵構(gòu)件、干掛配件應(yīng)選用不易生銹的材質(zhì),或做好防銹處理;及時清除石材應(yīng)用過程中的鐵質(zhì)殘留。
④避免酸堿性物質(zhì)入侵石材,清洗石材時不宜采用酸性較強的清洗劑清洗石材。
⑤針對含鐵量較高的石材,建議采用干掛法替代傳統(tǒng)濕貼法施工。
3.銹斑的處理
3.1物理研磨法除銹
物理研磨法是采用特定的機械設(shè)備對石材表面進行研磨拋光,能快速清除掉石材的表層銹斑,較適用于平板光面石材。該方法對石材有一定的物理損耗,針對于異形石材或者荔枝面、火燒面等粗面的石材要慎用,而且研磨處理的費用較高,因此物理研磨并不是一種理想的除銹方法。
3.2化學(xué)清洗法除銹
化學(xué)清洗法是指采用專用的化學(xué)處理劑(除銹劑)經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)起到清除銹斑的效果,其優(yōu)點是簡單,高效,成本低。化學(xué)清洗包括三個過程:清洗劑的滲透、清洗劑與銹跡的反應(yīng)、清洗殘留物稀釋和清除。常用的清洗方法有兩種:(1)敷貼法:利用無紡布、脫脂棉、紙等吸附材料將清洗劑潤濕敷貼在石材表面,使清洗劑充分滲透石材的微孔隙與銹斑污染物發(fā)生反應(yīng),隨著吸附材料表層液體的不斷揮發(fā)而產(chǎn)生了抽提作用,將已溶解的污物或殘液吸附掉,最后用水清洗表面并擦干。該方法藥劑用量少,污染物清除徹底,可根據(jù)銹斑深度來調(diào)控敷貼反應(yīng)的作用時間,除銹效果好,還適用于垂直立面和天花板的作業(yè)。(2)噴涂洗刷法:用將清洗劑噴涂到石材表面,作用一定時間,用塑料刷擦洗,再用清水清洗,最后用布等吸附材料擦干。一般用于清洗表層銹斑或銹斑不嚴(yán)重的位置,清洗方便快捷。若單次清洗未徹底時,可通過加大劑量或延長作用時間來進行多次重復(fù)清洗。無論采用哪一種清洗方法,最后都要盡可能清除掉殘留清洗物,否則容易留下印跡或再次引起石材病變。
3.3除銹清洗劑及其反應(yīng)機理
清洗劑與銹斑的化學(xué)反應(yīng)機理可分為溶解、還原、絡(luò)合三步:
①加酸溶解鐵銹中的Fe2O3及少量的FeO等鐵的氧化物,產(chǎn)生Fe3+和Fe2+離子:Fe2O3+6H+→Fe3++3H2O; FeO+2H+→Fe2++H2O。
②Fe3+還原:利用草酸等還原性物質(zhì)將Fe3+還原成Fe2+,過量的草酸還具有輔助絡(luò)合的作用。
③Fe2+的絡(luò)合:用絡(luò)合劑絡(luò)合Fe2+,形成較為穩(wěn)定的絡(luò)合物,防止發(fā)生逆反應(yīng),降低再次返銹的風(fēng)險。
質(zhì)量較好的清洗劑的配方是經(jīng)過科學(xué)合理地搭配,而不是酸的簡單混合。據(jù)文獻調(diào)查,針對銹斑的清洗劑主要是以無機酸、有機酸、混合酸和少量添加劑混合而成。如可采用鹽酸、磷酸等無機酸溶解鐵離子,并輔助還原絡(luò)合反應(yīng);用草酸等有機酸還原鐵離子;用檸檬酸、磺基水楊酸等有機酸為絡(luò)合劑穩(wěn)定亞鐵離子。也有人采用檸檬酸為主清洗劑,添加硫脲調(diào)節(jié)pH來清洗銹斑。劉仁植、張秉堅研制出一種以低濃度草酸為主摻入水合肼、胺類物質(zhì)等混合而成的中性清洗劑,采用無紡布敷貼法處理銹斑,效果極佳,且避免對石材表面侵蝕的二次傷害。
3.4除銹的注意要點
設(shè)計石材清洗方案前,要對石材構(gòu)造特點、化學(xué)成分、含鐵量、銹斑深淺和嚴(yán)重程度、外環(huán)境因素等進行調(diào)查分析。比如大理石成分以碳酸鈣為主,其耐酸性比花崗巖較差,應(yīng)選偏中性的清洗劑;經(jīng)過打蠟防護的石材要先用專門的除蠟劑處理后才能清洗,以免蠟成分溶入石材內(nèi)部造成水斑等其他病癥;石材化學(xué)成分、孔隙率、銹斑深度、天氣溫度等都有可能影響選用的清洗方法、清洗劑種類、調(diào)配濃度和使用量、作用時間等。注意不能單純使用強酸或草酸等直接清洗石材。強酸清洗容易侵蝕石材表面;草酸只是簡單將銹中的三價鐵離子還原成不穩(wěn)定的亞鐵離子,其在空氣容易被氧化而重新返銹。清洗劑的選取不當(dāng)可能會使得銹斑不治反重的效果。
結(jié)語
石材銹斑的清洗只是一種亡羊補牢的辦法,做好石材防護工作才是最根本的保障,即使石材清洗完畢后也要及時地做好防護處理。不管石材銹斑清洗還是防護,我們都應(yīng)深入了解病癥產(chǎn)生及防治的內(nèi)在聯(lián)系和機理,具體情況具體分析,在大面積施工前應(yīng)先經(jīng)過局部小樣測試,最后根據(jù)綜合效果來確定最佳方案。
參考文獻
[1]劉仁植,張秉堅.石材表面銹黃斑的中性清洗劑及清洗工藝研究[J].石材,2014,(7):25-28
[2]洪光.淺談大理石、花崗巖石材的防護[J].建材與裝飾,2013,(24):176-177
[3]張偉,王京江,王延華.石材養(yǎng)護[M].鄭州:黃河水利出版社,2010:33-35