Разработка искусственной гидравлической извести

Логанина В.И, Гарькина И.А., Ткач Е.В., Степина И.В. Разработка искусственной гидравлической извести. Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(2):159–166. – EDN: WZDOJN.

Loganina V.I., Garkina I.A. Tkach E.V., Stepina I.V. Development of artificial hydraulic lime. Nanotechnologies in Construction. 2026;18(2):159–166. – EDN: WZDOJN.

Одной из проблем, с которой приходится сталкиваться современному обществу, является глобальное увеличение выбросов CO2 и связанное с этим повышение температуры. Строительная отрасль является одним из крупнейших источников выбросов CO2, на строительную отрасль приходится более 15% всех выбросов парниковых газов. Только на цементную промышленность приходится 5-7% глобального загрязнения CO2. Одним из способов решения этой проблемы является более широкое применение известковых растворов. Однако известковые растворы характеризуются низкой стойкостью в процессе эксплуатации. Для повышения прочности, стойкости в процессе эксплуатации в рецептуру известковых растворов вводят различные модифицирующие добавки [1-3].

Стойкость известковых растворов может быть повышена применением в качестве вяжущего гидравлической извести. Спрос на гидравлическую известь возник в последние несколько лет, особенно

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 159–166

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

в связи с сохранением исторических зданий. Натуральная гидравлическая известь характеризуется совместимостью со старой кладкой, низкой усадочной деформацией, устойчивостью к воздействию соли и мороза, а также более высокой деформативностью и паропроницаемостью [4–6].

Однако в структуре выпуска известкового вяжущего доля гидравлической извести составляет всего лишь 19,8%. Спрос на данный вид вяжущего по-прежнему остается ограниченным. Учитывая низкий объем производства натуральной гидравлической извести, перспективным является разработка рецептуры искусственной гидравлической извести.

Искусственную гидравлическую известь можно получить путем смешивания воздушной извести с пуццолановыми добавками. Обычно используемыми добавками для извести являются метакаолин, зола-унос, микрокремнезем, молотый кирпич, дегидратированная глина и др. [7–11]. Помимо бинарных комбинаций (известь → пуццолан), эффективным оказалось использование тройных систем (известь:пуццолан:цемент).

На свойства искусственной гидравлической извести оказывают влияние условия раннего твердения, учитывающие наличие воды, обеспечивающей пуццолановую реакцию и транспорт CO2 для дальнейшей реакции карбонизации. Синергетический и конкурентный эффект этих двух реакций обеспечивает уровень ранней прочности в пуццолановых системах [12, 13].

На свойства искусственной гидравлической извести существенное влияние оказывает реакционная способность извести и вид пуццолановой добавки, а также их соотношение в рецептуре [14]. Слишком большое количество добавки может привести к повышенной усадке при высыхании [15]. Кроме того, технология нанесения растворов играет фундаментальную роль в оптимальном созревании свежего раствора [16, 17].

Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что, несмотря на имеющиеся результаты исследований, многие вопросы требуют более детального рассмотрения при разработке рецептуры искусственной гидравлической извести.

Целью работы является разработка состава искусственной гидравлической извести и штукатурного раствора на ее основе для реставрации зданий исторической застройки.

МЕТОДОЛОГИЯ

Для разработки рецептуры искусственной гидравлической извести применяли гашеную известь (пушонка) 2 сорта с активностью 64%, а также воздушную известь 2 сорта с активностью 84% (ГОСТ

9179-18). Технология получения искусственной гидравлической извести заключалась в смешивании гашеной извести с пуццолановыми добавками, а также в смешивании воздушной извести с пуццо-лановыми добавками в процессе гашения. В качестве пуццолановой добавки в работе применяли диатомит Инзенского месторождения, микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 (S_уд = 24 000 м²/кг), с содержанием ( в % по масс. %): SiO₂ – 92; Al₂O₃ – 0.9; C – 1.6; CaO – 0.85; MgO – 0.4; (ТОО «YDD Corporation», Казахстан), высокоактивный метакаолин ВМК-45 ( S _уд = 1700 м²/кг) с содержанием (в % по массе): SiO₂ – 53; Al₂O₃ – 42 и пуццолановой активностью 1210 мг/г (ООО «Синерго», РФ), а также термообработанную при температуре 600 °С глину Пензенского региона (Белинское месторождение). Состав диатомита представлен следующими оксидами, %: SiO₂ – 84–87, Al₂O₃ – 5,5–6, Fe₂O₃ 2,5–3, CaO – 0,61.

Химический состав глин представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав глины

Наименование оксидов	Содержание,%
SiO2	59,56
A12O3	11,85
Fe 2 O 3	4,54
другое	24,05

Для разработки состава искусственной гидравлической извести также применяли белый цемент ПЦБ 1-500 Д0 (ГОСТ 965-89).

Для сравнения в работе применяли природную гидравлическую известь «Тамасли» NHL. Гидравлический модуль извести составляет М = 2,69.

После формования образцы накрывали полиэтиленовой пленкой, выдерживали в течение 7 дней, затем извлекали из формы и выдерживали 21 сутки в воде. Прочность образцов на сжатие была определена после 28 дней твердения в соответствии с ГОСТ 9179-2018 «Известь строительная Технические условия».

При разработке рецептуры штукатурного раствора в качестве мелкого заполнителя применяли кварцевый песок различных месторождений. Выбор оптимального вида песка проводился из критерия прочности известковых композитов и активности песка, характеризуемой значением свободной поверхностной энергии [18].

Для определения значения свободной энергии поверхности (СЭП) применяли метод ОВРК. В качестве рабочих жидкостей применяли глицерин и воду с известными значениями поверхностного натяжения и его дисперсионной и полярной составляющи-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (1): 159–166

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ми. Измерение краевого угла смачивания выполняли на образцах-таблетках, изготовленных путем запрессовки песка на прессе в металлическую форму диаметром 20 мм. Экстраполируя зависимость cosθ = f (σ_ж) на cosθ = 1, получали значение критического поверхностного натяжения твердой поверхности. Полярную и дисперсионную составляющие рассчитывали с помощью линейной регрессии:

где σ_L – поверхностное натяжение рабочих жидкостей;

σ_S ^d – дисперсионная составляющая поверхностного натяжения рабочих жидкостей;

σ_L ^P – полярная составляющая поверхностного натяжения рабочих жидкостей;

σ_S ^d – дисперсионная составляющая поверхностного натяжения исследуемого материала;

σ_S ^P – полярная составляющая поверхностного натяжения исследуемого материала;

θ – краевой угол смачивания исследуемого материала.

Дисперсионную составляющую поверхностного натяжения исследуемого материала (песка) σ_S ^d определяли как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, а отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен значению полярной составляющей поверхностного натяжения песка σ_S ^P . Для каждого образца проводили не менее пяти измерений.

Величина энергии поверхности Е определялась общей площадью поверхности дисперсного образца и рассчитывалась по следующему выражению:

E = σS ,                                     (2)

уд где σ – поверхностное натяжение кварцевого наполнителя;

S _уд – удельная поверхность кварца.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

В таблице 2 приведены результаты оценки прочности при сжатии известковых растворов.

Анализ данных (табл. 2) свидетельствует, что по эффективности влияния на прочность известковых композитов наиболее эффективной является добавка метакаолина. Прочность при сжатии раствора в возрасте 28 суток твердения составляет 2,1 МПа при применении негашеной извести второго сорта. Увеличение дозировки метакаолина до 40% от массы извести позволяет повысить прочность при сжатии до 2,7–3,1 МПа, что позволяет получить искусственную гидравлическую известь без добавления цемента.

Все остальные пуццолановые добавки при дозировке 10% от массы извести не обеспечивали требуемой прочности при сжатии, равной не менее 2,0МПа. Введение в рецептуру портландцемента в количестве 25% от массы извести способствует значительному повышению прочности при сжатии, составляющему 2,9–4,0МПа в зависимости от вида добавки и вида извести, а также технологии приготовления вяжущего.

Применение воздушной негашеной извести при приготовлении искусственной гидравлической извести способствует более прочному формированию структуры известкового композита.

Таблица 2. Прочность при сжатии известкового раствора

№ п.п.	Вид вяжущего	Прочность при сжатии, МПа*
1	Воздушная известь	0,9/1,3
2	Гидравлическая известь NHL	2,05
3	Воздушная известь + портландцемент 25%	2,9/3,2
4	Воздушная известь + 10% метакаолин	1,4/2,1
5	Воздушная известь + 40% метакаолин	2,7/3,1
6	Воздушная известь + 10%микрокремнезем	1,2/1,6
7	Воздушная известь + 10%микрокремнезем + 25% портландцемент	3,4/3,7
8	Воздушная известь + диатомит 10%	1,1/1,4
9	Воздушная известь + дегидратированная глина 10%	1,3/1,5
10	Воздушная известь + диатомит 10% + портландцемент 25%	3,1/3,5
11	Воздушная известь + 25% цемент + 10% метакаолин	3,7/4,0

Примечание. * Над чертой приведены значения предела прочности при сжатии при применении гашеной извести, под чертой – при применении негашеной извести.

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

2026; 18 (2): 159–166

Nanob

Таблица 3. Пористость известкового камня

№ п. п.	Вид вяжущего	Пористость, %	Объем открытых пор, %	Объем закрытых пор, %	Водопогло-щение, %
1	Контрольный	60	50	10	44
2	Гидравлическая известь NHL	52	38	14	36
3	Воздушная известь + 10% метакаолин	57	46	11	34,8
4	Воздушная известь + 40% метакаолин	54	41	13	32,7
5	Воздушная известь + 10%микрокремнезем + 25% портландцемент	51	41	10	36
6	Воздушная известь + диатомит 10% + портландцемент 25%	53	43	10	33
7	Воздушная известь + 25% цемент + 10% метакаолин	48	39	9	31

В таблице 3 приведены значения пористости известкового камня на основе искусственной гидравлической извести. Результаты исследований показывают, что пористость известкового камня на основе искусственной гидравлической извести меньше по сравнению с камнем на основе воздушной извести, а для известкового камня на основе составов с применением цемента – меньше, чем на основе гидравлической извести. Так, пористость известкового камня на основе натуральной гидравлической извести составляет 52%, а на основе составов с пуц-цолановыми добавками и цементом – 48–51%, при этом наблюдается уменьшение объема закрытых пор.

Исследовалась кинетика связывания извести СаО в процессе твердения (рис. 1).

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что с течением времени наблюдается уменьшение количества свободной извести. Так, в возрасте 7 суток количество свободной СаО в контрольном образце составляет 85%, а в возрасте 28 суток 79% (рис. 1, кривая 1). В образцах с добавлением метакаолина содержание свободной извести на 28-е сутки твердения уменьшилось до 64% (рис. 1, кривая 2), а с добавкой метакаолина с цементом – до 60% (кривая 4).

Наличие свободной извести в гидравлическом известковом растворе обеспечивает самовосстановление мелких трещин. Это происходит по мере того, как известь в растворе растворяется в воде и, испаряясь, перемещается к поверхности. Реакция между

Рис. 1. Кинетика изменения концентрации свободной СаО в известковых композициях:1 – контрольный известковый состав без добавок; 2 – искусственная гидравлическая известь (добавка метакаолин 40%); 3 – искусственная гидравлическая известь (добавка метакаолин 10% + цемент 25%); 4 – искусственная гидравлическая известь (добавка микрокремнезем 10% + цемент 25%)

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (1): 159–166

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

гидроксидом кальция и атмосферным газообразным диоксидом углерода образует кальцит, который заполняет и закрывает трещины.

При разработке рецептуры штукатурного раствора оценивалось влияние вида кварцевого песка на прочность раствора. Для этого использовали термодинамический метод. При оценке оптимального вида песка в качестве вяжущего применяли искусственную гидравлическую известь, содержащую воздушную гашеную известь и 40% метакаолина. Образцы твердели в воздушно-сухих условиях. Результаты исследований приведены в табл.4.

Установлено, что с увеличением значений СЭП кварцевых песков наблюдается повышение прочности при сжатии известкового композита. Так, прочность при сжатии известкового композита на основе сурского песка, характеризующегося более высоким значением свободной энергией поверхности (СЭП), равной 70,285 мН/м, составляет 2,4 МПа, а на основе песка Чаадаевского месторождения, свободная энергия поверхности (СЭП) которого равна 62,8 мН/м, – 1,92 МПа (табл.4). Оптимальным с энергетической точки зрения является песок Сурского месторождения, обеспечивающий более высокую прочность известкового композита.

Растворы на основе искусственной гидравлической извести обеспечивают достаточную прочность сцепления с кирпичной подложкой, составляющую 0,4–0,55 МПа (рис. 2). Прочность сцепления раствора на основе гидравлической извести составляет Rсц = 0,6 МПа.

Повышение прочности сцепления объясняется пуццолановой реакцией метакаолина, которая усиливает образование геля гидросиликата кальция (C–S–H), улучшая микроструктуру и адгезионные свойства раствора.

Сопоставление свойств раствора на основе искусственной гидравлической извести HL со свойствами

Таблица 4. Значения свободной энергии поверхности (СЭП) кварцевых песков

Наименование песка	Полярная составляющая СЭП,σρ, мДж/м2	Дисперсионная составляющая СЭП,σd, мДж/м2	СЭП, мДж/м2	Энергия поверхности, Дж/кг	Прочность при сжатии, МПа
Ртищевский	50,48	18,49	68,97	593,142	2,1
Раменский	53,08	16	69	614,1	2,3
Никольский	50,335	18,49	68,82	557,442	2,0
Сурский	51,79	18,49	70,285	687,106	2,4
Чаадаевский	48,36	14,44	62,8	436,46	1,92

Рис. 2. Прочность сцепления раствора с кирпичной подложкой: 1 – раствор на основе воздушной извести;

2 – раствор на основе гидравлической извести; 3 – раствор на основе воздушной извести + 25% портландцемента; 4 – раствор на основе гашеной извести + 40% метакаолина; 5 – раствор на основе негашеной извести + 10% метакаолина

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 159–166

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

раствора на основе натуральной гидравлической извести NHL показывает, что предлагаемая рецептура искусственной гидравлической извести обеспечивает требования национальных и международных нормативных документов в части достижения минимального значения предела прочности при сжатии, равного 2,0 МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что применение воздушной негашеной извести при приготовлении искусствен- ной гидравлической извести способствует более прочному формированию структуры известкового композита. Выявлено, что пористость известкового камня на основе искусственной гидравлической извести меньше по сравнению с камнем на основе воздушной извести, а для известкового камня на основе составов с применением цемента – меньше, чем на основе гидравлической извести. Разработаны составы искусственной гидравлической извести HL и штукатурного раствора на ее основе, предназначенные для реставрации объектов культурного наследия и отделки вновь возводимых объектов.