Сухие смеси для реставрации исторических объектов
Аутентичное воссоздание авторского облика зданий и сооружений во многом определяется правильным выбором строительных материалов, который должен быть основан, прежде всего, на обеспечении связи материалов с архитектурно-исторической средой и соответствия конструкционным особенностям реставрируемых объектов. Однако при производстве работ в третьем тысячелетии должны использоваться современные достижения в области строительного материаловедения при отсутствии противоречий общим целям реставрации. Указанным выше требованиям соответствуют сухие строительные смеси, при разработке составов которых реализованы новейшие научные разработки, позволяющие улучшить технические свойства традиционных материалов, сохранив их историческую идентичность.
Одним из важнейших материалов, использовавшихся при строительстве зданий, признанных в настоящее время памятниками архитектуры, являлись растворы на основе воздушных вяжущих, в частности известковые. Это обуславливает необходимость принципиального выбора в качестве основного вяжущего для реставрационных сухих смесей воздушной извести, которая и по сей день, несмотря на появление новых видов вяжущих, находит свое применение в строительстве.
К настоящему времени известны практически все достоинства и недостатки строительных растворов на основе извести, что позволяет научно обоснованно подходить к вопросу обеспечения максимально возможного ресурса долговечности кладочных и отделочных композиций. В данной статье рассмотрены основные проблемы и задачи, возникающие перед специалистами в области производства сухих строительных смесей, использование которых наиболее технологично, технически и экономически целесообразно при реставрации исторических зданий и сооружений.
Важнейшей задачей строителей всегда было повышение долговечности строительных материалов и, в частности, преодоление главных недостатков извести — низкой прочности и отсутствие водостойкости. Так, в Древнем Китае для этих целей применяли рисовую пасту, тунговое масло. В русских летописях указывается, что в растворы добавляли отвар еловой коры, творог, яичный белок, коровье молоко, льняное масло или бычью кровь.
С точки зрения современных воззрений подобные добавки неприемлемы по экономическим и технологическим причинам.
Существенное увеличение прочностных характеристик строительных композиций стало возможно с появлением гидравлических вяжущих веществ, лишенных недостатков извести. При этом главное достоинство цемента — его высокая прочность, не является существенным свойством для отделочных растворов. Даже для кладочных составов прочность не является основным показателем. Так, при увеличении прочности раствора в 2 раза прочность кладки возрастает всего на
Более значимой характеристикой отделочных материалов является их паропроницаемость, определяющая количество конденсируемой влаги в ограждающих конструкциях и, следовательно, влияющая на теплотехнические показатели и долговечность. По паропроницамости известковые составы значительно превосходят цементные (табл. 1).
| Раствор состава | Вид раствора (вяжущее: песок) | Коэффициент паропроницаемости в кг/м час мм вод. ст. |
| Известковый |
1:1 |
0,07∙10-3 |
| Цементный |
1:3 |
0,00322∙10-3 |
Следует признать, что до настоящего времени нет четкого объяснения тех различий, которые существуют в механизме сорбции влаги для известкового и цементного раствора. Можно лишь предполагать, что, поскольку, в соответствии с теорией мономолекулярной адсорбции [3], адсорбция «вызывается силами остаточной химической валентности», причина большей проницаемости известковых композиций заключается, как в различии размера и структуры пор, так и в количестве свободных активных центров на поверхности пор.
Замена известковых растворов на цементные при проведении реставрации объектов может нарушить процессы миграции влаги через ограждающие конструкции и вызывать негативные проявления в виде морозного разрушения, отслоения отделочных покрытий и пр.
Кроме этого, высокая паропроницаемость известковых составов способствует улучшению микроклимата отделанных ими помещений, что должно учитываться и при новом строительстве. Известковые растворы регулируют влажность внутри зданий — они легко поглощают избыточную влагу из воздуха и также легко её отдают при снижении относительной влажности в помещении.
Качество отделки также во многом определяется отсутствием трещин. Причины появления трещин различны, но основными являются усадка под действием физико-химических процессов при твердении, влажностная и карбонизационная усадка, а также неравномерное термическое расширение конструкции из разнородных материалов.
Известно, что трещины появляются под действием внутренних и внешних факторов, вызывающих деформаций растяжения, превышающие предельную растяжимость материала. Косвенно о трещиностойкости материалов можно судить по соотношению Rизг/Rсж (чем выше отношение, тем выше трещиностойкость), а также по времени появления трещины в образце-кольце (метод Лермита). На рис. 1 и рис 2. в графической форме представлены данные, которые позволяют судить о более высокой трещиностойкости известковых растворов по сравнению с цементными. Графики построены как по литературным данным [4], так и по результатам собственных исследований.
Другой количественной оценкой трещиностойкости штукатурных покрытий является показатель трещиностойкости КR, который прямо пропорционален прочности при растяжении и обратно пропорционален модулю упругости при растяжении и усадке при твердении. Максимально высокое значение этого коэффициента характеризует низкую склонность к образованию усадочных трещин. Ориентировочные значения этого показателя по данным [5] приведены в табл. 2.
 |
 |
| Вид штукатурного раствора | Коэффициент трещиностойкости, КR | Усадка мм/м | Набухание, мм/м |
| Известковая | 0,02 | 0,8 | 0,4 |
| Известково-цементная | 0,04 | 0,8 | 0,3 |
| Цементная | 0,10 | 0,7 | 0,2 |
По данным табл. 2 можно судить о том, что рост прочности и, соответственно, водостойкости раствора за счет добавления цемента способствует увеличению стойкости к образованию трещин, возникающих вследствие влажностной усадки.
Следует отметить большую первоначальную усадку известковых составов при высушивании. Данный факт обусловлен высокой водопотребностью известковых смесей, так как усадка прямо пропорциональна влагосодержанию составов.
Важным является также то обстоятельство, что трещиностойкость связана с адгезией штукатурного слоя к кирпичному основанию. Прочность же сцепления с основанием пропорциональна прочности при изгибе, и известковые растворы выгодно отличаются в этом отношении. При соблюдении технологического регламента известковые растворы имеют хорошее сцепление с основанием, что также защищает штукатурный раствор от появления трещин. И, наконец, известно, что в результате карбонизации известковые растворы могут компенсировать усадку (рис. 3). Этим свойством объясняется наблюдаемый в некоторых случаях эффект «самозалечивания» трещин в известковых растворах.
 |
Таким образом, поиск путей повышения трещиностойкости отделочных составов должен увязывать две разнонаправленных цели: повышение прочности для создания жесткой матрицы, препятствующей деформациям влажностной усадки и сохранение деформативности раствора, достаточной для релаксации напряжений. В известковых составах необходимо максимально полно учитывать данный аспект при их модификации минеральными и химическими добавками.
Важным положительным свойством строительных растворов на основе извести является их устойчивость к биоповреждениям. Растворы, полученные из сухих строительных смесей на основе извести устойчивы к биологической коррозии, что обусловлено высоким значением рН (щелочная среда), использованием песка, прошедшего термообработку и удаление илистых частиц, а также отсутствием в составе растворов органических добавок.
Немаловажным для практики, как реставрационных работ, так и нового строительства, является возможность выполнения отделочных работ при низких положительных или умеренно отрицательных температурах.
Известно, что при использовании растворов на основе портландцемента в подобных условиях необходимо введение в их состав противоморозных добавок или/и ускорителей твердения. Однако здания, построенные или отделанные с использованием таких растворов, в дальнейшем имеют постоянную проблему — образование высолов. Данное проявление усугубляется использованием керамического кирпича, в сырьевой смеси которого содержится большое количество ионов К, Na, Mg, Ca и SO4.
Твердение известкового раствора обусловлено испарением влаги и карбонизацией. Уникальной особенность извести является увеличение её растворимости с понижением температуры. Так при t=20 °C растворимость составляет 0,166 г на 100 г воды, а при t= 0 °C — 0,173 г. Это свойство может быть эффективно использовано при разработке сухих строительных смесей, предназначенных для применения при низких температурах (до −5 °C) без использования противоморозных добавок. На рис. 4 представлены эмпирические данные, из которых следует, что твердение раствора при температуре −5 °C сопровождается даже некоторым увеличением прочности.
Таким образом, проанализировав достоинства и недостатки известковых растворов, можно сделать однозначный вывод о том, что их применение целесообразно не только в соответствии с методами принятыми при реставрации объектов архитектурного наследия, но также и при новом строительстве.
Однако недостаточно высокая прочность и водостойкость, а также усадка при испарении влаги в первый период твердения, требуют дальнейших исследований по улучшению свойств известковых сухих смесей.
При проектировании состава сухих строительных смесей на основе извести необходимо решить одну важную задачу — получить раствор с надлежащими физико-механическими свойствами независимо от колебаний температуры и влажности окружающей среды.
 |
Известен метод, когда в раствор на гашеной извести добавляют молотую негашеную известь. Теплота, выделяемая при гашении части извести ускоряет один из известных процессов твердения известковых растворов — выделение кристаллов гидроксида кальция. Прочность таких растворов существенно выше, чем изготовленных на гидратной извести, а усадочные деформации проявляются в меньшей степени.
Процессу карбонизации и, соответственно, конечной прочности и трещиностойкости, известкового раствора под воздействием СО2 воздуха вредит ускоренное испарение и всасывание кладкой влаги.
Известь имеет высокую водопотребность, и опытный штукатур имеет возможность изменять содержание извести в растворе, приготовляемом на месте, в зависимости от условий применения. Состав же сухой строительной смеси стабилен и не может меняться в зависимости от погоды, а применение добавки негашеной извести также не допустимо.
Исходя из вышесказанного, использование в составе известковой сухой смеси модифицирующих добавок является необходимым условием. Самым распространенным видом добавок к сухим строительным смесям являются водоудерживающие добавки. По нашему мнению, в составе известковых сухих смесей применение таких добавок не целесообразно. Во-первых, водопотребность извести итак высока, во-вторых, во влажную погоду известковая смесь с такой добавкой будет твердеть очень медленно.
Поэтому в практике производства известковых сухих смесей основное внимание было уделено активным минеральным добавкам. Критерием выбора минеральных добавок для известковых смесей, на наш взгляд, должна быть не только гидравлическая активность добавки, но и ее способность влиять на развитие ранней прочности и снижение усадочных деформаций за счет водоудержания.
Известны два вида добавок, которые широко применялись для улучшения качества известковых растворов — это обожженная глина (цемянка) и древесный уголь.
В качестве аналога цемянки нами используется добавка, получаемая термической обработкой каолина при t=650-700 °C. При обжиге из кристаллической решетки удаляются гидроокислы и кристаллическая структура преобразуется в аморфный метакаолин, с большим количеством пустот в структуре частицы. Химический состав получаемой добавки:
Реакции с участием нерастворимых веществ, как правило, являются топохимическими. Важнейшую роль при этом играет свойство поверхности вещества. Различия в состоянии и реакционной способности твердого вещества в объеме и на поверхности ярче всего сформулированы В.Б. Алесковским [6]: твердое тело рассматривается как состоящие из остова и функциональных групп поверхности.
На рис. 5 представлены данные о распределения центров адсорбции на поверхности некоторых наполнителей. Центры с различным показателем кислотности (рКа) способны к осуществлению твердофазных реакций по кислотному, либо основному типу. Согласно протонной теории кислот и оснований кислотой является вещество, способное отщеплять протон, а основанием вещество, способное присоединять протон.
 |
Метакаолин имеет развитую поверхность с особыми свойствами, для которой характерно высокое содержание акцепторных Льюисовских центров. Способность такого типа активного центра к отщеплению протона и гидроксилированию поверхности является ценным свойством — развитая поверхность добавки удерживает воду за счет топохимической реакции. Результатом применения аморфного метакаолина в свежеприготовленном известковом растворе является удержание воды, снижение усадочных деформаций. На более позднем этапе минеральная добавка увеличивает прочность и водостойкость камня, связывая известь в труднорастворимые гидратные новообразования. Эффект снижения усадочных деформаций более заметен в составах с высоким водо-вяжущим отношением (в некоторых случаях усадка снижается от 0,8 до 0,2 мм/м). Таким образом, при оштукатуривании отапливаемых зданий (сухие стены), или при недостаточной влажности окружающей среды, расход воды при приготовлении раствора может быть увеличен, но это не приведет к увеличению трещинообразования.
Исследуя исторические составы, изготовленные с добавкой древесного угля, мы сделали предположение, что добавка не просто удерживает воду, но может также и повышать скорость карбонизации извести. Эта гипотеза была исследовано и доказана эффективность нового типа добавки к известковым растворам — наноструктурированного углерода. Установлено, что в качестве добавки могут применяться некоторые ископаемые угли. Уголь является органо-минеральным соединением, содержит также и газообразную фазу. В углях, как и в полимерах, надмолекулярная организация образует наноструктуры различной сложности. На поверхности углеродных материалов присутствуют кислородсодержащие группы и адсорбированный молекулярный кислород [7, 8].
Развитая структура поверхности увеличивает роль топохимических реакций. В настоящее время нами проводятся исследования по применению добавки данного вида и детальному установлению механизма её действия. По предварительным результатам можно сделать вывод о том, что при использовании наноструктурированного углерода наблюдается большее, чем для каолина, увеличение прочности. Так, при использовании добавки в количестве 2%, прочность при сжатии в возрасте 7 суток на 50% выше, чем у контрольного известкового состава; в возрасте 28 суток прирост составляет порядка 30%. При этом снижается водопотребность смеси, увеличивается гидрофобность раствора и снижается средняя плотность.
Таким образом, применение современных минеральных добавок открывает новые перспективы по улучшению свойств известковых сухих смесей, как для нового строительства, так и для реставрационных работ на объектах исторического наследия.
Список литературы
- ↑ Беленцов Ю.А. Высолы на поверхности растворных швов кирпичной кладки //Строительные материалы. 2008. — № 4. — С.
60-61. - ↑ Цимерманис Л.Б. Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов. — Рига: Зинатне, 1985. — 247 с.
- ↑ Бриллинг Р.Е. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов. — М.: Стройиздат, 1948. — 103 с.
- ↑ Венюа М. Цементы и бетоны в строительстве. — М.: Стройиздат, Москва, 1980. — 415 с.
- ↑ Росс Х., Шталь Ф. «Штукатурка. Практическое руководство. Материалы, техника производства работ, предотвращение дефектов». — СПб.: РИА «Квинтет», 2006. — 173 с.
- ↑ Актуальные проблемы химии твердых веществ. Межвузовский сб. науч. Тр. под ред. В.Б. Алесковского, В.Г. Корсакова. — СПб, Технологический институт, 1992.
- ↑ Ковалев К.Е. Структурно-химические превращения ископаемых углей при их добыче и переработке: автореферат дис. ... д.х.н.: 02.00.21.. 2000. Ростов-на-Дону. — 42 с.
- ↑ Дубинин М.Н. Пористая структура и адсорбционные свойства активированных углей. — М: Военная акад. хим. защиты, 1965. — 70 с.