Известковый раствор или торчащий раствор [1] [2] — это кладочный раствор , состоящий из извести и заполнителя , такого как песок , смешанного с водой. Это один из старейших известных типов раствора, использовавшийся в Древнем Риме и Греции , когда он в значительной степени заменил глиняные и гипсовые растворы, распространенные в древнеегипетском строительстве. [3]
С появлением портландцемента в 19 веке использование известкового раствора в новых конструкциях постепенно сократилось. Во многом это было связано с простотой использования портландцемента, его быстрым схватыванием и высокой прочностью на сжатие. Однако мягкие и пористые свойства известкового раствора обеспечивают определенные преимущества при работе с более мягкими строительными материалами, такими как натуральный камень и терракота . По этой причине, хотя портландцемент продолжает широко использоваться в новом кирпичном и бетонном строительстве, его использование не рекомендуется при ремонте и реставрации кирпичных и каменных конструкций, изначально построенных с использованием известкового раствора. [4]
Несмотря на свою неизменную полезность на протяжении многих веков ( римский бетон ), эффективность известкового раствора как строительного материала не была хорошо изучена; проверенные временем практики основывались на традициях, фольклоре и торговых знаниях, подтвержденных огромным количеством старых зданий, которые сохранились. Эмпирические испытания в конце 20-го века дали научное понимание его замечательной долговечности. [5] Как профессионалы, так и владельцы домов, занимающиеся самостоятельным строительством, могут приобрести известковый раствор (и подобрать свой исторический раствор по цвету и составу) у компаний, которые специализируются на сохранении исторических объектов и продают предварительно смешанный раствор небольшими партиями. [6]
Слово «известь» происходит от древнеанглийского lim («липкое вещество, птичий помет, раствор, цемент, клейковина») и связано с латинскими limus («слизь, грязь, трясина») и linere («размазывать»). [7] Слово «раствор» — это смесь с цементом, оно происходит от древнефранцузского mortier («строительный раствор, штукатурка; миска для смешивания») конца XIII века и латинского Mortium («раствор»). [7] Известь — это цемент, [8] который является связующим веществом или клеем, скрепляющим вещи вместе, но под цементом обычно понимают портландцемент.
Известковый раствор появился в античности . Древние египтяне были первыми, кто использовал известковый раствор около 6000 лет назад, они использовали известь для штукатурки пирамид Гизы. Кроме того, египтяне также использовали различные виды извести в своих религиозных храмах, а также в своих домах. [9] Традиционные индийские сооружения были построены с использованием известкового раствора, некоторые из них имеют возраст более 4000 лет (например, Мохенджо-Даро , памятник наследия цивилизации долины Инда в Пакистане ). [10]
Римская империя широко использовала известковые растворы. Витрувий , римский архитектор, дал основные указания по известковым растворам. Римляне создали гидравлические растворы, которые содержали известь и пуццолан, такой как кирпичная пыль или вулканический пепел. Эти растворы предназначались для использования в приложениях, где присутствие воды в противном случае не позволило бы раствору затвердеть (карбонатизироваться) должным образом. [11]
Сегодня известковый раствор в основном используется для консервации зданий, изначально построенных с его использованием, но может использоваться в качестве альтернативы обычному портландцементу. Он изготавливается в основном из извести (гидравлической или негидравлической, как объясняется ниже), воды и заполнителя, такого как песок. Портландцемент оказался несовместимым с известковым раствором, поскольку он тверже, менее эластичен и непроницаем. Эти качества приводят к преждевременному ухудшению состояния мягких исторических кирпичей [12], поэтому традиционно для использования с существующим раствором аналогичного типа или реконструкции зданий с использованием исторически правильных методов рекомендуются известковые растворы, обжигаемые при низкой температуре. В прошлом известковый раствор, как правило, смешивали на месте с любым песком, который был доступен на месте. Поскольку песок влияет на цвет известкового раствора, цвета раствора для затирки могут значительно различаться от района к району. [13]
Гидравлическая известь содержит вещества, которые схватываются при гидратации , поэтому она может схватываться под водой. Негидравлическая известь схватывается при карбонизации и поэтому нуждается в воздействии углекислого газа в воздухе; материал не может схватываться под водой или внутри толстой стены. Для растворов из натуральной гидравлической извести (NHL) известь получают из известняка, который естественным образом содержит достаточный процент кремнезема и/или глинозема. Искусственная гидравлическая известь производится путем введения определенных типов и количеств добавок в источник извести во время процесса обжига или добавления пуццолана к негидравлической извести. Негидравлическая известь производится из источника карбоната кальция высокой чистоты , такого как мел, известняк или устричные раковины.
Негидравлическая известь в основном состоит из (обычно более 95%) гидроксида кальция , Ca(OH) 2 . Негидравлическая известь производится путем предварительного нагревания достаточно чистого карбоната кальция до температуры от 954° до 1066 °C, отгоняя углекислый газ для получения негашеной извести ( оксида кальция ). Это делается в известковой печи . Затем негашеную известь гасят : гидратируют, тщательно перемешивая с достаточным количеством воды для образования суспензии (известкового теста), или с меньшим количеством воды для получения сухого порошка. Эта гашеная известь (гидроксид кальция) естественным образом превращается обратно в карбонат кальция, реагируя с углекислым газом в воздухе, весь процесс называется известковым циклом .
Процесс гашения, используемый для создания известкового теста, представляет собой экзотермическую реакцию, которая изначально создает жидкость кремообразной консистенции. Затем она выдерживается в течение 2–3 месяцев — в зависимости от условий окружающей среды — чтобы дать ей время для конденсации и созревания в известковое тесто.
Выдержанная известковая замазка тиксотропна , что означает, что при перемешивании известковая замазка переходит из состояния замазки в более жидкое состояние. Это облегчает ее использование для растворов , поскольку с раствором легче работать. Если оставить ее стоять после перемешивания, известковая замазка медленно вернется из состояния густой жидкости в состояние замазки. [ требуется цитата ]
Наряду с известняком на основе кальция могут производиться доломитовые извести на основе карбоната кальция и магния .
Частой причиной путаницы в отношении известкового раствора является схожесть терминов «гидравлический» и «гидратированный».
Если негашеную известь гасить избытком воды, то получается замазка или шлам. Если использовать правильное количество воды, то в результате получается сухой материал (вся лишняя вода выделяется в виде пара при нагревании). Его измельчают, чтобы получить порошок гашеной извести.
Гидратированный, негидравлический известковый порошок можно смешать с водой для получения известковой пасты. Перед использованием шпатлевку обычно оставляют в отсутствие углекислого газа (обычно под водой) для созревания. Шпатлевка может созревать всего за 24 часа или в течение многих лет; увеличенное время созревания улучшает качество шпатлевки. Существует мнение, что известковая шпатлевка, которая созревала в течение длительного периода (более 12 месяцев), становится настолько жесткой, что с ней трудно работать.
Существует некоторый спор ( римский бетон ) относительно сравнительного качества замазки, образованной из сухой гашеной извести, по сравнению с замазкой, полученной в процессе гашения. Общепризнано, что последняя предпочтительнее. Гашеная известь даст материал, который не будет таким «жирным», что является общепринятым торговым термином для соединений, имеющих более гладкую маслянистую текстуру при обработке. Часто из-за длительного и плохого хранения полученная известь, полученная из гашеной извести, будет демонстрировать более длительные периоды карбонизации, а также более низкую прочность на сжатие.
Негидравлическая известь дольше схватывается и слабее гидравлической извести, и ее нельзя замораживать, пока она хорошо не схватится. Хотя процесс схватывания может быть медленным, время высыхания известкового раствора должно регулироваться медленно, чтобы обеспечить хорошее окончательное схватывание. Быстро высохший известковый раствор приведет к получению низкопрочного, некачественного окончательного раствора, часто имеющего усадочные трещины. На практике известковые растворы часто защищают от прямых солнечных лучей и ветра влажной мешковиной или опрыскивают водой для контроля скорости высыхания. Но он также обладает свойством аутогенного заживления (самовосстановления), когда некоторое количество свободной извести растворяется в воде и повторно откладывается в любых мелких трещинах, которые образуются.
В районе приливной воды Мэриленда и Вирджинии раковины устриц использовались для производства негашеной извести в колониальный период. Подобно другим материалам, используемым для производства извести, раковины устриц сжигаются. Это можно сделать в известковом стоге вместо печи. Сжигание раковин в стоге — это то, что Colonial Williamsburg и воссозданию Ferry Farm пришлось развивать на основе догадок и полевого обучения. Стог, который они построили, состоит из бревен, установленных по кругу, которые медленно горят, превращая устриц, содержащихся в куче дров, в пепельный порошок. [14] [15] Пояснительное видео о том, как был построен стог для Ferry Farm, можно найти здесь. Затем сожженные раковины можно погасить и превратить в известковую замазку.
Растворы с использованием устричных раковин иногда можно определить по наличию небольших кусочков ракушки в открытом растворном шве. В реставрационной кладке кусочки ракушки иногда преувеличивают, чтобы создать у зрителя впечатление подлинности. К сожалению, эти современные попытки часто содержат более высокие, чем необходимо, соотношения портландцемента . Это может привести к поломке кирпича, если растворный шов прочнее, чем кирпичные элементы.
Гидравлическая известь затвердевает в результате реакции с водой, называемой гидратацией.
Когда требуется более прочный известковый раствор, например, для внешних или структурных целей, можно добавить пуццолан , который улучшает его прочность на сжатие и помогает защитить его от повреждений, вызванных погодными условиями. Пуццоланы включают в себя измельченный кирпич, термически обработанную глину, микрокремнезем , летучую золу и вулканические материалы. Придаваемый химический набор варьируется от очень слабого до почти такого же сильного, как портландцемент.
Это также может помочь в создании более регулируемых сроков схватывания раствора, поскольку пуццолан создает гидравлическую усадку, что может быть полезно в проектах по реставрации, когда необходимо контролировать и поддерживать временные рамки и, в конечном итоге, затраты.
Гидравлическую известь можно рассматривать, как по свойствам, так и по производству, как нечто среднее между негидравлической известью и портландцементом. Используемый известняк содержит достаточное количество глины и/или кремнезема . Полученный продукт будет содержать дикальцийсиликат , но в отличие от портландцемента не будет содержать трикальцийсиликат .
Он достаточно гашеный, чтобы преобразовать оксид кальция в гидроксид кальция, но недостаточно воды, чтобы реагировать с дикальцийсиликатом. Именно этот дикальцийсиликат в сочетании с водой обеспечивает свойства схватывания гидравлической извести.
Алюминий и магний также вызывают гидравлическую усадку, и некоторые пуццоланы содержат эти элементы.
Существует три класса прочности для натуральной гидравлической извести, изложенные в европейском стандарте EN459: NHL2, NHL3.5 и NHL5. Цифры обозначают минимальную прочность на сжатие через 28 дней в ньютонах на квадратный миллиметр (Н/мм2 ) . Например, прочность NHL 3.5 варьируется от 3,5 Н/мм2 ( 510 фунтов на квадратный дюйм) до 10 Н/мм2 ( 1450 фунтов на квадратный дюйм). [16] Они похожи на старую классификацию слабогидравлических, умеренногидравлических и чрезвычайно гидравлических, и хотя они отличаются, некоторые люди продолжают называть их взаимозаменяемыми. Терминология для гидравлических известковых растворов была улучшена опытным французским инженером-строителем Луи Вика в 1830-х годах из более старой системы водных извести и слабо, умеренно и чрезвычайно. Вика опубликовал свою работу после исследования использования известковых растворов при строительстве мостов и дорог в своей работе. Французская компания Vicat до сих пор производит натуральные цементы и известковые растворы. [17] Названия известковых растворов были настолько разнообразны и противоречивы на европейском континенте, что реклассификация значительно улучшила понимание и использование известковых растворов.
Традиционный известковый раствор представляет собой комбинацию известкового теста и заполнителя (обычно песка). Типичная современная смесь известкового раствора будет состоять из 1 части известкового теста на 3 части промытого, хорошо просеянного, острого песка . В качестве заполнителя вместо песка использовались другие материалы. Теория заключается в том, что пустоты пустого пространства между частицами песка составляют 1/3 объема песка. Известковый тест при смешивании в соотношении 1 к 3 заполняет эти пустоты, создавая компактный раствор. Анализ образцов раствора из исторических зданий обычно показывает, что обычно использовалось более высокое соотношение около 1 части известкового теста на 1,5 части [18] заполнителя/песка. Это соответствует примерно 1 части сухой негашеной извести на 3 части песка. В традиционную грубую штукатурную смесь также добавляли конский волос для армирования и контроля усадки, что важно при штукатурке деревянных реек и для базовых (или выравнивающих) слоев на неровных поверхностях, таких как каменные стены, где раствор часто наносится более толстым слоем, чтобы компенсировать неровные уровни поверхности.
Если происходит усадка и растрескивание известкового раствора, это может быть результатом либо
Распространенный метод смешивания известкового раствора с порошкообразной известью заключается в следующем:
Волосяное армирование распространено в известковой штукатурке , и многие типы волос и других органических волокон можно найти в исторических штукатурках. [19] Однако органический материал в извести будет разрушаться во влажной среде, особенно на влажных внешних штукатурках. [20] Эта проблема привела к использованию полипропиленовых волокон в новых известковых штукатурках [19]
Обычно любая сырость в стене приводит к изменению цвета известкового раствора, что указывает на наличие влаги. Эффект часто создает пятнистый вид стены, побеленной известью. По мере изменения уровня влажности в стене, меняется и оттенок известковой побелки. Чем темнее оттенок известковой побелки, тем более выраженным становится этот эффект.
Груз смешанного известкового раствора может некоторое время оставаться в виде комка, не высыхая (он может покрыться тонкой корочкой). Когда он готов к использованию, этот комок можно снова перемешать («взбить») и затем использовать. Традиционно на строительных площадках, до использования механических миксеров, известковое тесто (гашеное на месте в яме) смешивалось с песком рабочим, который «бил и трамбовал» смесь «ларри» (широкая мотыга с большими отверстиями). Затем это засыпалось песком и оставлялось на некоторое время (от нескольких дней до нескольких недель) — процесс, известный как «насыпь». Затем этот комок повторно перемешивался и использовался по мере необходимости. Этот процесс не может быть выполнен с портландцементом.
Сочетание портландцемента и извести используется для стабилизации и укрепления грунта путем создания известково-цементных колонн или стабилизации всего объема верхней массы. [ необходимо дополнительное объяснение ] [23] Метод обеспечивает увеличение прочности при колебаниях, устойчивости и усадке. При строительстве, например, автомобильных и железных дорог, метод более распространен и распространен (улица королевы Эуфемии в центре Осло, E18 в Тёнсберге и т. д.). [ необходима ссылка ]
Для консервации часто используются растворы типа N и типа O. Раствор типа N состоит из 1 части портландцемента, 1 части извести и 6 частей песка или другого заполнителя (1:1:6). Раствор типа O состоит из 1 части портландцемента, 2 частей извести и 9 частей песка или другого заполнителя (1:2:9). Прямой известковый раствор не содержит портландцемента, а содержит 1 часть извести и 3 части песка или другого заполнителя. Добавление цемента или другого пуццолана для уменьшения времени затвердевания называется «калибровкой». Помимо портландцемента, для калибровки растворов использовались зола и кирпичная пыль. [24]
Для целей исторической реставрации и реставрационных работ, включающих повторную расшивку швов или замену кирпича, каменщики должны обнаружить оригинальный кирпич и раствор и отремонтировать его с помощью аналогичного материала. Служба национальных парков предоставляет руководство по правильной повторной расшивке швов кладки в документе Preservation Brief 2. [25] В целом, документ Brief 2 предполагает, что повторную расшивку швов следует выполнять с помощью аналогичного или более слабого раствора. Поэтому прямой известковый шов следует перешивать тем же раствором. Из-за популярности портландцемента это часто не так. Стеновая система нуждается в балансе между раствором и кирпичом, который позволяет раствору быть слабой частью блока.
Когда раствор прочнее кирпича, он препятствует естественному движению в стене, и поверхности кирпича начнут разрушаться, этот процесс называется растрескиванием , процессом, при котором внешняя поверхность кирпича разрушается и может отслаиваться или превращаться в порошок. Также существует естественное движение воды через каменную стену. Прочная смесь портландцемента будет препятствовать свободному движению воды из влажной области в сухую. Это может привести к тому, что поднимающаяся влага будет заперта внутри стены и приведет к сбоям в работе системы. Если влага не сможет выйти в воздух, это приведет к повреждению конструкции стены. Замерзание воды в стене является еще одной причиной растрескивания.
При реставрационных работах сооружений, построенных до 20 века, должно быть высокое соотношение извести и заполнителя к портландцементу. Это снижает прочность раствора на сжатие, но позволяет системе стен функционировать лучше. Известковый раствор действует как фитиль, который помогает вытягивать воду из кирпича. Это может помочь предотвратить растрескивание старого кирпича. Даже если кирпич является современным, более твердым элементом, повторная расшивка швов известковым раствором с более высоким соотношением может помочь уменьшить подъем влаги.
Не всем потребителям может быть целесообразно использовать известковый раствор без добавок. Без портландцемента в смеси снижается контроль за схватыванием раствора. В некоторых случаях цикла замораживания-оттаивания будет достаточно, чтобы разрушить шов раствора. Известковый раствор без добавок также может долго застывать, поэтому работу необходимо выполнять в то время года, когда погодные условия способствуют правильному схватыванию раствора. Эти условия не только выше нуля, но и более сухие сезоны. Чтобы защитить медленно схватывающийся раствор от влаги, на поверхность можно добавить силоксан . В случае исторических сооружений это может быть спорной стратегией, поскольку это может оказать пагубное воздействие на историческую ткань.
Наличие портландцемента позволяет получить более стабильный раствор. Стабильность и предсказуемость делают смешанный раствор более удобным для пользователя, особенно в случаях, когда укладываются целые секции стен. Подрядчики и проектировщики могут предпочесть смеси, содержащие портландцемент, из-за повышенной прочности на сжатие по сравнению с обычным известковым раствором. Поскольку многие здания, построенные до портландцементной смеси, все еще стоят и имеют оригинальный раствор, аргументы в пользу большей прочности на сжатие и простоты использования могут быть скорее результатом текущей практики и отсутствия понимания старых методов.