Известковые сухие смеси для реставрации

РЕФЕРАТ. Известковые штукатурные и кладочные сухие смеси широко применяются для реставрации памятников архитектуры. Использование воздушной извести в качестве вяжущего необходимо не только для того, чтобы обеспечить соответствие реставрационного материала историческому образцу по составу, но и для достижения требуемых технических характеристик. Растворы на основе извести характеризуются высокой паропроницаемостью, деформативностью, низкой гигроскопичностью и стойкостью к биопоражению. Вместе с тем известковые растворы в современных условиях можно рассматривать как недостаточно технологичные, так как их твердение в значительной степени зависит от относительной влажности воздуха окружающей среды и требует довольно длительного периода выдержки до достижения нормируемой прочности. Чтобы преодолеть этот недостаток, сохранив неизменными другие эксплуатационные характеристики известкового раствора, предлагается модифицировать состав смеси путем введения в оптимальном качестве ускоряющей схватывание и твердение добавки на основе гидроксида алюминия.

Ключевые слова: известь, сухая смесь, ускорение схватывания.

Keywords: lime, dry mortar, acceleration of setting.

История применения извести в строительстве насчитывает несколько тысячелетий, по­этому практически все старинные объекты культурного наследия и памятники архитектуры возводились с использованием известкового вяжущего [1, 2].

Портландцемент и гипсовые вяжущие в настоящее время практически вытеснили из практики строительства известь. Это связано с относительно низкой прочностью известковых материалов, длительным набором прочностных характеристик, а также низким показателем водостойкости. Наличие этих особенностей стало основной причиной сокращения объема использования извести. В середине XX века современные вяжущие вещества начали также активно использовать при реставрации памятников архитектуры. Но к настоящему моменту стало очевидно, что данная практика имеет негативные последствия. Высокая паропроницаемость, низкая жесткость (низкий модуль упругости) и гигроскопичность, присущие известковым материалам, оказались более важными экс­плуатационными свой­ствами для штукатурных и кладочных растворов, используемых для работ в зданиях и сооружениях с массивными кирпичными конструкциями. Это справедливо по отношению не только к объектам реставрации, но и к современному строи­тельству. Поэтому актуальность производ­ства известковых растворов, изготавливаемых также по технологии сухих смесей, неуклонно рас­тет [3].

Вместе с тем, выполняя реставрационные и строительные работы в ХХI веке, необходимо адаптировать традиционные материалы, в частности известковые смеси, к применению в современных условиях. В числе важнейших технологических требований к используемым материалам — ​снижение зависимости их твердения от внешних температурно-­влажностных условий, а также ускоренные схватывание и набор прочности [4].

Традиционным методом решения указанных задач применительно к известковым смесям является использование добавок, например, портландцемента, гипса, глиноземистого цемента, пуццоланы и др. Однако введение подобных добавок в состав известковых сис­тем приводит, как правило, к двой­ственному результату. С одной стороны, ускоряется темп набора прочности, но, с другой стороны, существенно, и не в лучшую сторону, изменяются важнейшие эксплуа­тационные параметры (возрастают жесткость и гигроскопичность, снижается паропроницае­мость) [5—12].

В этой связи важно оценить степень влия­ния вида и количества добавки на физико-­механические свой­ства растворов на основе извести в сочетании с эффектом ускорения твердения. Поэтому целью настоящей работы стало определение эффективности различных минеральных добавок-­модификаторов известковых растворов по критериям ускорения твердения, а также изменения конечной проч­ности и паропроницаемости [13].

В ряду ставших уже традиционными добавок-модификаторов, таких как портланд­цемент, гипс, глиноземистый цемент, для применения в известковых системах в рамках данного исследования использовалась добавка на основе гидроксида алюминия (содержание которого в ней  было не ниже 95 % масс.), способного ускорять твердение известковых систем за счет связывания части гидроксида кальция в его гидроалюминаты. Указанная добавка синтезировалась в ходе переработки солевого шлака от переплавки алюминия. Процесс заключается в выщелачивании шлака с последующей карбонизацией полученного раствора. В результате карбонизации образуется гидроксид алюминия, который после отмывки и сушки может использоваться в качестве модификатора известкового вяжущего [14, 15]. При этом конечным продуктом взаимодействия являются гидрокарбоалюминаты кальция, имеющие схожие свой­ства с продуктом карбонизации в традиционном известковом растворе.

Для оценки эффективности указанных модификаторов была запроектирована базовая известково-­песчаная смесь с соотношением по массе песка и извести, равным 1 : 5. Количество воды затворения подбиралось исходя из необходимости получения требуемой удобоукладываемости растворной смеси, которая оценивалась на стандартном встряхивающем столе по ГОСТ 310.4. За стандартную консис­тенцию принят расплыв стандартного конуса 140 ± 5 мм после 30 встряхиваний. Модифицированию подвергалась базовая смесь.

В качестве модифицирующих добавок применялись портландцемент, строительный гипс, глиноземистый цемент и добавка на основе гидроксида алюминия, которые вводились в состав известково-­песчаных смесей в количестве 0,5, 1, 3 и 5 % масс. сверх 100 %. Эффективность модификаторов оценивали в сравнении с бездобавочным контрольным (КО) составом.

Общая характеристика используемых ма­териалов:

⋅ известь воздушная по ГОСТ 9179, I сорт;

⋅ песок строительный по ГОСТ 8736, М_кр = 2,09;

⋅ портландцемент по ГОСТ 31108, СЕМ II 42,5 Н;

⋅ гипс строительный по ГОСТ 125, Г5 Б II;

⋅ алюминатный цемент по ГОСТ 969, ГЦ‑50;

⋅ добавка на основе гидроксида алюминия.

Оценка влияния вида и количества модификаторов на кинетику твердения известковой смеси проводилась с использованием конического пластометра Ребиндера. В качестве оценочного критерия фиксировалось изменение показателя пластической прочности растворной смеси во времени [16—18].

Полученные зависимости представлены на рисунке. Их анализ позволяет заключить, что в исследуемом интервале расхода модифицирующие добавки оказывают разнонаправленное влияние на кинетику набора пластической прочности.

Влияние гипса (а), портландцемента (б), глиноземистого цемента (в) и добавки на основе гидроксида алюминия (г) на кинетику набора пластической прочности известково-­песчаной смеси

Наибольшее ускорение твердения наблю­дается при использовании строительного гипса. При этом даже при содержании 0,5 % добавка гипса способствует росту пластической прочности более чем в 2 раза относительно контрольного состава. Расход модификатора на основе гид­роксида алюминия для двукратного повышения пластической прочности должен быть не менее 3 %, а глиноземистого цемента — ​не менее 5 %.

Использование портландцемента в составе известкового раствора сопровождается замедлением темпа набора пластической проч­ности по мере роста содержания добавки. Механизм данного явления связан, вероятно, со снижением растворимости извести вследствие увеличения щелочности среды, обусловленного гидратацией портландцемента.

Как уже отмечалось, вместе с увеличе­нием темпов набора пластической прочности модифицированной смеси важно обеспечить неизменность физико-­механических свой­ств затвердевшего известкового раствора в сравнении с бездобавочным. В связи с этим оценивалось влияние модификаторов на паропроницаемость и прочность при сжатии известковых растворов. Паропроницаемость оценивалась по стандартной методике ГОСТ 25898 с использованием образцов размерами 100 × 100 × 15 мм. Прочность при сжатии определялась по ГОСТ 5802 с использованием образцов размерами 70,7 × 70,7 × 70,7 мм.

Полученные результаты в виде отклонений параметров модифицированных составов относительно контрольного приведены в таб­лице. Видно, что применение строительного гипса даже при минимальном содержании (0,5 % масс.) значительно повышает прочность (в 2,3 раза) и снижает паропроницаемость (на 38 %). Схожие тенденции наблюдается для всех модификаторов, кроме добавки на основе гидроксида алюминия. При использовании данного модификатора паропроницаемость уменьшается незначительно (на 6 %) при оптимальном содержании добавки (3 % масс.). Прочность при сжатии, тем не менее, заметно возрастает (на 76 %). Однако в сравнении со строительным гипсом и глиноземистым цементом (при оптимальном их расходе с точки зрения обеспечения роста пластической прочности растворной смеси — ​1 и 5 % соответственно) применение гидроксида алюминия сопровож­дается наименьшим приростом прочности при сжатии.

Таким образом, по совокупности парамет­ров модификатор на основе гидроксида алюминия можно считать наиболее эффективным с точки зрения использования в высокоизвестковых реставрационных смесях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Balksten K. Traditional lime mortar and plaster — ​reconstruction with emphasis on durability. PhD Thesis at Chalmers University of Technology. 2007.

2. Штарк Й., Вихт Б. Цемент и известь. Киев, 2015. 480 с.

3. Шангина Н. Н., Харитонов А. М. Особенности производства и применения сухих строительных смесей для реставрации памятников архитектуры // Сухие строительные смеси. 2012. № 3. С. 35—38.

4. Hidemark O., Holmström I. Kalkputs 2 Historia och teknik — ​redovisning av kunskaper och forskningsbehov. Stockholm: Riksantikvarieämbetet, 1984.

5. Shangina N., Pukharenko Y., Kharitonova T. Dry mixes for the restoration: basic principles of design // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 106, 03021.

6. Pukharenko Y., Kharitonova T. Lime based dry mixes with carbonate aggregates // Intern. J. Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019. Vol. 8, N 11.

7. Smirnova O., Kharitonov А. Optimization of repair mortar used in masonry restoration // SPATIUM. 2019. N 42. P. 8—15.

8. Hanson C., Theliander H. Properties an quality of lime. Part 1. The influence of conditions during reburning // Nordic Pulp & Paper Res. J. 1994. Vol. 9, N 3. P. 161—166.

9. Пухаренко Ю. В., Харитонова Т. В. Оценка применения карбонатных заполнителей в составе сухих смесей для реставрации // Вестник гражданских инженеров. 2018. № 4 (69). С. 121—125.

10. Пухаренко Ю. В., Харитонов А. М., Шангина Н. Н., Са­фо­нова Т. Ю. Реставрация исторических объектов с применением современных сухих строительных смесей // Вестник гражданских инженеров. 2011. № 1 (26). С. 98—103.

11. Аниканова Л. А., Волкова О. В., Хуторной Л. О., Доро­шенко А. И., Курмагалиева А. И. Исследование паро­про­ницаемости растворов из сухих строительных смесей // Вестник Томского государственного архитектурно-­строительного университета. 2016. № 3. С. 146—156.

12. Фролов М. В. Активность модифицирующих добавок для известковых отделочных смесей // Фундаментальные основы строительного материаловедения. Сб. докл. Междунар.онлайн-­конгресса. 2017. С. 735—740.

13. Корнеев В. И., Зозуля П. В. Краткий справочник технолога по сухим строительным смесям. СПб.: РИА «Квинтет», 2015. 168 с.

14. Панасюгин А. С., Михалап Д. П., Панасюгин С. А. и др. Загрязнение атмосферы при хранении шлаков вторичной переработки алюминия // Литье и металлургия. 2013. № 1 (69). С. 66—70.

15. Лайнер А. И. Производство глинозема. М.: ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1961. 621 с.

16. Махкамова М. А. Исследование пластической прочности мелкозернистых бетонных смесей в процессе твердения // Сб. трудов НИИЖБ. 1978. 250 с.

17. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-­химическая механика. Избранные труды. М.: Наука, 1979. 384 с.

18. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. С. 224.