Структурообразование гидравлической извести в присутствии пуццолановой добавки

Для реставрации зданий исторической застройки широкое применение находят известковые составы. Однако отделочные покрытия на основе известковых составов обладают недостаточной стойкостью к воздействию окружающей внешней среды. Для повышения срока службы в рецептуру известковых составов вводят различные модифицирующие добавки [1–5].

В качестве альтернативы воздушной извести, применяемой в растворах и штукатурках как в новом строительстве, так и при ремонте и обслуживании исторических зданий, служит гидравлическая известь NHL [6–9]. Растворы на основе гидравлической извести сочетают некоторые преимущества раствора на основе цемента (время схватывания и набор прочности) с преимуществами растворов на основе воздушной извести. Гидравлическая известь обладает как гидравлическими свойствами, так и свойствами твердения на воздухе.

Гидравлическая известь (NHL) является одним из вяжущих, применяемых в отделочных композициях для защиты зданий и сооружений исторической застройки [10]. Растворы на основе гидравлической извести обладают высокой совместимостью с древними зданиями по физическим, химическим и механическим свойствам. Однако относительно низкая устойчивость к окружающей среде (особенно устойчивость к кислотной эрозии, щелочестойкость и сульфатостойкость) растворов на основе гидравлической извести NHL сдерживает широкое распространение таких отделочных составов в реставрации.

Реакция гидратации NHL может быть улучшена путем использования пуццоланового материала, так как некарбонизированный портландит Ca(OH) 2 в структуре известкового камня, взаимодействуя с пуццолановой добавкой, способствует образованию компактной структуры с C-S(A)-H, что способствует повышению устойчивости к окружающей среде [11–16].

Целью данной работы является исследование структурообразования композитов на основе гидравлической извести в присутствии пуццолановых добавок.

Материалы и методы исследования

В качестве гидравлической извести применяли гидравлическую известь «Тамасли» NHL5. Гидравлический модуль извести составляет М = 2,69.

Учитывая, что гидравлическая известь образует менее пластичный раствор по сравнению с воздушной известью, целесообразно совместить вяжущие с тем, чтобы смешанное вяжущее сочетало в себе достоинство обоих материалов. В качестве добавки к гидравлической извести применяли гашеную известь (пушонка) истинной плотностью 2230 кг/м3, насыпной плотностью 280 кг/м3, актив- ностью 83 %, с удельной поверхностью Sуд 559 м2/кг.

В качестве пуццолановой добавки в работе применяли диатомит марки NDP-D-230. Технические характеристики диатомита приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики диатомита NDP-D-230

Наименование показателей	Значения
Цвет	бежевый
Влажность, %	2,5–3
Истинная плотность, кг/м3	2060
Средняя плотность, кг/м3	200–230
Пористость, %	89,1
Удельная поверхность, см2/г, определяемая на приборе ПСХ-10	30 000–33 000

Гидравлическая известь была заменена диатомитом по весу (10 и 20 %). Кроме того, были изготовлены образцы на основе гидравлической извести, при этом 25 % гидравлической извести было заменено на воздушную известь и 5 % диатомита. Составы изготавливались с водоизвестковым отношением В/И, равным 1,2. Образцы твердели в воздушно сухих условиях.

Прочность при сжатии образцов устанавливали с помощью испытательной машины типа ИР 5057–50 и определяли по формуле

R cж

P

F ^,

где P – разрушающая сила, Н; F – площадь поперечного сечения образца до испытания, м².

Коэффициент удельной прочности, R, определялся как вклад в прочность композита от единицы минеральной добавки:

R = R ^еж, ^p

где R _сж – прочность композита на сжатие; p – процент минеральной добавки в композите.

Индекс пуццолановой прочности, K, определяли как отношение прочности образца на основе гидравлической извести с добавкой диатомита ( R сж.m ) к прочности при сжатии образцов на основе гидравлической извести ( R сж ):

R сж.m

K = R.  '

cж

где R сж.m прочность образца на основе гидравлической извести с добавкой диатомита.

Процентное значение вклада пуццоланового эффекта Р в прочность определяли по формуле

R

P = —p- .                         (4)

R cж. m

Вклад пуццоланового эффекта в прочность на сжатие из-за минеральной добавки R P определяли по формуле

R =R -R

Rp  ^л еж.т   R сж .

Результаты исследований

На рис. 1 приведены результаты оценки прочности известкового камня на основе гидравлической извести. Установлено, что прочность при сжатии образцов на основе 100%-ной гидравлической извести в возрасте 28 суток воздушно-сухого твердения составляет 2,8 МПа. Замена гидравлической извести диатомитом приводит к повышению прочности при сжатии. Так, при замене 20 % гидравлической извести диатомитом прочность при сжатии в возрасте 28 суток составляет 3,5 МПа, а при замене 10 % диатомитом – 3,0 МПа.

Замена гидравлической извести воздушной известью в количестве 25 % приводит к снижению прочности при сжатии, составляющей 1,4 МПа. Однако совместное введение с воздушной изве- стью диатомита в количестве 10 % способствует увеличению прочности при сжатии до 2,2 МПа.

Результаты исследования, приведенные в табл. 2, свидетельствуют, что наличие диатомита в составе способствует пуццолановой реакции, что приводит к повышению прочности при сжатии. Индекс пуццолановой прочности K составляет 1,07–1,25 в зависимости от содержания диатомита. Так как пуццолановая реакция идет медленнее по сравнению с гидравлической реакцией, то в более позднем возрасте будет наблюдаться больший эффект от введения диатомита. Также при наличии доступной воды эффект будет проявляться в большей степени. Следовательно, следует ожидать увеличения числового значения индекса пуц-цолановой прочности K у составов с применением воздушной извести в более позднем возрасте.

Рис. 1. Изменение прочности при сжатии образцов гидравлической извести в зависимости от условий твердения: 1 – на основе гидравлической извести;

2 – замена 20 % гидравлической извести диатомитом; 3 – замена

10 % гидравлической извести диатомитом; 4 – замена 25 % гидравлической извести воздушной известью и 10 % – диатомитом

Прочность при сжатии образцов на основе гидравлической извести

Таблица 2

Состав	Прочность образца на основе гидравлической извести, МПа	Индекс пуццо-лановой прочности, K	Вклад пуццола-нового эффекта в прочность на сжатие раствора из-за минеральной добавки Rp, МПа	Процентное значение вклада пуццоланового эффекта Р в прочность
На основе гидравлической извести	2,8	–	–	–
Замена гидравлической извести диатомитом (20 %)	3,5	1,25	0,7	0,2
Замена гидравлической извести диатомитом (10 %)	3,0	1,07	0,2	0,066
Замена гидравлической извести воздушной известью (25 %) и диатомитом (10 %)	2,2	0,785	–0,6	–0,027

Рис. 2. Кривые дифференциально-термического анализа образцов на основе гидравлической извести в возрасте 28 суток твердения

Рис. 3. Кривые дифференциально-термического анализа образцов на основе гидравлической извести с добавкой диатомита в возрасте 28 суток твердения

Методом ДТА образца композита на основе гидравлической извести выявлено, что эндотермический эффект при температуре 93–173 °С (рис. 2), составляющий 33,45 Дж/г, связан с удалением адсорбированной воды, а также частичным обезвоживанием гидроалюминатов кальция, которое сопровождается потерей массы в образце, составляющей 0,03 г (9,36 %). Экзоэффект, составляющий 1,589 Дж/г (см. рис. 2), вызван наличием выделившейся в процессе гидратации гелеобразной массы.

Интенсивный эндоэффект на термограмме в интервале 486,4–576,1 С связан с дегидратацией портландита, а также удалением первоначально химически связанной воды. Эндоэффект в интервале температур 820,5–963 °С (см. рис. 2) обусловлен диссоциацией кальцита и составляет 129,88 Дж/г, потеря массы составляет 0,04 г (12,49 %).

При сравнении термограмм образцов на основе гидравлической извести и на основе гидравлической извести с применением диатомита установлено, что эндотермический эффект при температуре 705,5–982,7 °С у образцов с применением диа томита больше и составляет 151,39 Дж/г (рис. 3).

Более высокое значение эндотермического эффекта, на наш взгляд, обусловлено большим количеством гидросиликатов кальция вследствие взаимодействия портландита с диатомитом. Диоксид углерода расщепляет гидратированный силикат кальция на карбонат кальция, увеличивая его содержание. Об этом свидетельствуют данные потери массы, составляющие 0,09 г (47,54 %).

Реакция карбонизации образцов на основе гидравлической извести NHL5 имеет более высокую скорость на ранней стадии затвердевания (до 28 суток) по сравнению с образцами с применением диатомита, что очевидно обусловлено более плотной структурой образцов с применением диатомита вследствие протекания пуццолановой реакции и образования дополнительного количества гидрата силиката кальция (C-S-H).

Выводы

Установлено, что введение в рецептуру составов на основе гидравлической извести пуццолано-вой добавки диатомита способствует повышению прочности образцов за счет формирования более плотной структуры вследствие образования дополнительного количества гидрата силиката кальция. Вклад пуццоланового эффекта наблюдается при замене гидравлической извести диатомитом в количестве 20 %. Сравнительный дифференциально-термический анализ выявил большее содержание гидросиликата кальция в структуре образцов с добавкой диатомита.