Известковый раствор или обжиг [1] [2] представляет собой кладочный раствор , состоящий из извести и заполнителя , такого как песок , смешанного с водой. Это один из старейших известных типов раствора, который использовался в Древнем Риме и Греции , когда он в значительной степени заменил глиняные и гипсовые растворы, обычные для древнеегипетского строительства. [3]
С появлением портландцемента в 19 веке использование известкового раствора в новых конструкциях постепенно сократилось. Во многом это произошло благодаря простоте использования портландцемента, его быстрому схватыванию и высокой прочности на сжатие. Однако мягкие и пористые свойства известкового раствора дают определенные преимущества при работе с более мягкими строительными материалами , такими как натуральный камень и терракота . По этой причине, хотя портландцемент по-прежнему широко используется в новом кирпичном и бетонном строительстве, его использование не рекомендуется при ремонте и реставрации кирпичных и каменных построек, первоначально построенных с использованием известкового раствора. [4]
Несмотря на его непреходящее применение на протяжении многих столетий ( римский бетон ), эффективность известкового раствора как строительного материала до конца не изучена; проверенные временем методы были основаны на традициях, фольклоре и торговых знаниях, подтвержденных огромным количеством сохранившихся старых зданий. Эмпирические испытания в конце 20-го века позволили научно понять его удивительную долговечность. [5] Как профессионалы, так и домовладельцы, работающие самостоятельно, могут приобрести известковый раствор (и подобрать исторический раствор по цвету и содержанию) у компаний, которые специализируются на сохранении исторического наследия и продают предварительно приготовленный раствор небольшими партиями. [6]
Лайм происходит от древнеанглийского lim («липкое вещество, птичья известь, строительный раствор, цемент, клейковина») и родственен латинским limus («слизь, грязь, болото») и Linere («размазывать»). [7] Раствор представляет собой смесь цемента и происходит от старофранцузского mortier («строительный раствор, штукатурка; чаша для смешивания») конца 13 века и латинского Mortier («раствор»). [7] Известь — это цемент [8] , который представляет собой связующее или клей, скрепляющий детали, но цемент обычно используется для портландцемента.
Известковый раствор появился еще в древности . На Западе древние египтяне первыми начали использовать известковые растворы, которыми они штукатурили свои храмы . Кроме того, египтяне также использовали различные сорта липы в своих религиозных храмах и домах. [ как? ] . На Востоке традиционные индийские постройки были построены на известковом растворе, некоторым из них более 4000 лет (например, Мохенджо-Даро , памятник наследия цивилизации долины Инда в Пакистане ). [9]
Римская империя широко использовала растворы на основе извести. Витрувий , римский архитектор, дал основные рекомендации по приготовлению известковых растворов. Римляне создали гидравлические растворы, содержащие известь и пуццолан, например, кирпичную пыль или вулканический пепел. Эти растворы предназначались для использования в тех случаях, когда присутствие воды в противном случае не позволило бы раствору должным образом затвердеть (карбонатизироваться). [10]
Сегодня известковый раствор в основном используется для консервации зданий, первоначально построенных с его использованием, но может использоваться как альтернатива обычному портландцементу. Он состоит в основном из извести (гидравлической или негидравлической, как описано ниже), воды и заполнителя, такого как песок. Доказано, что портландцемент несовместим с известковым раствором, поскольку он более твердый, менее гибкий и непроницаемый. Эти качества приводят к преждевременному износу мягких исторических кирпичей [11] , поэтому традиционно известковые растворы низкотемпературного обжига рекомендуются для использования с существующим раствором аналогичного типа или для реконструкции зданий исторически правильными методами. Раньше 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 растирки могут сильно различаться от района к району. [12]
Гидравлическая известь содержит вещества, которые затвердевают при гидратации , поэтому она может затвердевать под водой. Негидравлическая известь схватывается в результате карбонизации и поэтому требует воздействия углекислого газа из воздуха; материал не может застыть под водой или внутри толстой стены. Для строительных растворов из натуральной гидравлической извести (NHL) известь получают из известняка, естественно содержащего достаточный процент кремнезема и/или глинозема. Искусственную гидравлическую известь производят путем введения определенных типов и количества добавок в источник извести в процессе обжига или добавления пуццолана в негидравлическую известь. Негидравлическая известь производится из источника карбоната кальция высокой чистоты , такого как мел, известняк или раковины устриц.
Негидравлическая известь в основном состоит из (обычно более 95%) гидроксида кальция Ca(OH) 2 . Негидравлическую известь производят путем нагревания достаточно чистого карбоната кальция до температуры от 954° до 1066°C с удалением углекислого газа и получением негашеной извести ( оксида кальция ). Это делается в печи для обжига извести . Затем негашеную известь гасят : гидратируют путем тщательного смешивания с достаточным количеством воды для образования суспензии (известковой замазки) или с меньшим количеством воды для получения сухого порошка. Эта гашеная известь (гидроксид кальция) естественным образом снова превращается в карбонат кальция в результате реакции с углекислым газом в воздухе. Весь этот процесс называется известковым циклом .
Процесс гашения, используемый при создании известковой замазки, представляет собой экзотермическую реакцию, в результате которой первоначально образуется жидкость кремообразной консистенции. Затем его выдерживают в течение 2–3 месяцев — в зависимости от условий окружающей среды — чтобы дать ему время конденсироваться и превратиться в известковую замазку.
Созревшая известковая замазка является тиксотропной , то есть при перемешивании известковой замазки она переходит из замазочного состояния в более жидкое состояние. Это облегчает его использование в минометах , поскольку с ним легче работать. Если после перемешивания оставить известковую замазку стоять, она будет медленно превращаться из густой жидкости в состояние замазки. [ нужна цитата ]
Помимо известняка на основе кальция, можно производить доломитовую известь на основе карбоната кальция-магния .
Частая путаница в отношении известкового раствора связана со сходством терминов «гидравлический» и «гидратированный».
Если негашеную известь гашить избытком воды, образуется замазка или суспензия. Если используется правильное количество воды, в результате получается сухой материал (лишняя вода выходит в виде пара во время нагрева). Его измельчают для получения порошка гашеной извести.
Гидратированный негидравлический известковый порошок можно смешать с водой для получения известковой замазки. Перед применением шпаклевку обычно оставляют в отсутствие углекислого газа (обычно под водой) для созревания. Шпаклевка может созревать от 24 часов до многих лет; увеличение времени созревания улучшает качество шпаклевки. Существует мнение, что известковая замазка, выдержанная в течение длительного периода (более 12 месяцев), становится настолько жесткой, что с ней становится трудно работать.
Существуют некоторые споры ( римский бетон ) относительно сравнительного качества замазки, полученной из сухой гашеной извести, по сравнению с замазкой, полученной в виде замазки во время гашения. По общему мнению, последнее предпочтительнее. Гашеная известь дает материал, который не такой «жирный», что является обычным торговым термином для соединений, имеющих при обработке более гладкую маслянистую текстуру. Часто из-за длительного и плохого хранения полученная известь, полученная из гашеной извести, будет демонстрировать более длительную карбонизацию. периодов, а также более низкую прочность на сжатие.
Негидравлическая известь затвердевает дольше и слабее, чем гидравлическая, и ее нельзя допускать замерзания до того, как она хорошо схватится. Хотя процесс схватывания может быть медленным, время высыхания известкового раствора должно регулироваться медленно, чтобы обеспечить хорошее окончательное схватывание. Быстро высыхающий известковый раствор приведет к получению низкопрочного и некачественного окончательного раствора, часто с трещинами от усадки. На практике известковые растворы часто защищают от прямых солнечных лучей и ветра влажной гессеновой пленкой или опрыскивают водой, чтобы контролировать скорость высыхания. Но она также обладает свойством аутогенного заживления (самовосстановления), когда некоторое количество свободной извести растворяется в воде и повторно откладывается в любых образующихся крошечных трещинах.
В приливном регионе Мэриленда и Вирджинии в колониальный период раковины устриц использовались для производства негашеной извести. Подобно другим материалам, используемым для производства извести, раковины устриц сжигаются. Это можно сделать в известковом стоге, а не в печи. Сжигание снарядов в стоге — это то, что колониальному Вильямсбургу и воссозданию Ферри-Фарм пришлось развивать на основе догадок и практического обучения. Скирда, которую они построили, состоит из бревен, расположенных по кругу, которые медленно горят, превращая устриц, содержащихся в куче дров, в пепел. [13] [14] Поясняющее видео о том, как строился стог для паромной фермы, можно найти здесь. Обгоревшую скорлупу затем можно загасить и превратить в известковую замазку.
Минометы, в которых используются раковины устриц, иногда можно идентифицировать по наличию небольших кусочков ракушек в открытых швах раствора. В реставрационной кладке кусочки ракушки иногда преувеличены, чтобы создать у зрителя впечатление подлинности. К сожалению, в этих современных попытках содержание портландцемента часто превышает необходимое . Это может привести к разрушению кирпича, если растворный шов прочнее кирпичных элементов.
Гидравлическая известь схватывается в результате реакции с водой, называемой гидратацией.
Когда требуется более прочный известковый раствор, например, для наружных или структурных целей, можно добавить пуццолан , который повышает его прочность на сжатие и помогает защитить его от атмосферных воздействий. Пуццоланы включают порошкообразный кирпич, термообработанную глину, микрокремнезем , летучую золу и вулканические материалы. Придаваемый химический состав варьируется от очень слабого до почти такого же прочного, как портландцемент.
Это также может помочь в создании более регламентированного времени схватывания раствора, поскольку пуццолан создаст гидравлическое схватывание, что может быть полезно в проектах восстановления, когда необходимо контролировать и поддерживать временные рамки и, в конечном итоге, затраты.
Гидравлическую известь можно рассматривать как с точки зрения свойств, так и с точки зрения производства, как нечто среднее между негидравлической известью и портландцементом. Используемый известняк содержит достаточное количество глины и/или кремнезема . Полученный продукт будет содержать силикат дикальция, но, в отличие от портландцемента, не будет силиката трикальция .
Он достаточно гашен, чтобы превратить оксид кальция в гидроксид кальция, но недостаточно воды для реакции с двухкальциевым силикатом. Именно этот дикальцийсиликат в сочетании с водой обеспечивает схватывающие свойства гидравлической извести.
Алюминий и магний также образуют гидравлический набор, и некоторые пуццоланы содержат эти элементы.
Существует три класса прочности природной гидравлической извести, предусмотренные европейским стандартом EN459; НХЛ2, НХЛ3.5 и НХЛ5. Цифры обозначают минимальную прочность на сжатие в течение 28 дней в ньютонах на квадратный миллиметр (Н/мм 2 ). Например, прочность NHL 3,5 варьируется от 3,5 Н/мм 2 (510 фунтов на квадратный дюйм) до 10 Н/мм 2 (1450 фунтов на квадратный дюйм). [15] Они похожи на старую классификацию слабогидравлических, умеренно-гидравлических и в высшей степени гидравлических, и, хотя они и различаются, некоторые люди продолжают называть их взаимозаменяемыми. Терминология гидравлических известковых растворов была усовершенствована опытным французским инженером-строителем Луи Вика в 1830-х годах на основе старой системы водяной извести и слабо, умеренно и в высшей степени. Викат опубликовал свою работу после исследования использования известковых растворов при строительстве мостов и дорог в своей работе. Французская компания Vicat до сих пор производит натуральный цемент и известковые растворы. [16] 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 известковой замазки и заполнителя (обычно песка). Типичная современная смесь известкового раствора состоит из 1 части известковой замазки и 3 частей промытого, хорошо фракционированного, острого песка . Вместо песка в качестве заполнителя использовались другие материалы. Теория состоит в том, что пустоты пустого пространства между частицами песка составляют 1/3 объема песка. Известковая замазка, смешанная в соотношении 1 к 3, заполняет эти пустоты, образуя плотный раствор. Анализ образцов строительного раствора из исторических зданий обычно указывает на более высокое соотношение: примерно 1 часть известковой замазки к 1,5 части [17] заполнителя/песка. Это соответствует примерно 1 части сухой негашеной извести и 3 частям песка. В традиционную грубую штукатурную смесь также добавляли конский волос для армирования и контроля усадки, что важно при оштукатуривании деревянных реек и для нанесения базового слоя (или дублирования) на неровные поверхности, такие как каменные стены, где раствор часто наносится более толстыми слоями, чтобы компенсировать неровные уровни поверхности.
Если происходит усадка и растрескивание известкового раствора, это может произойти либо в результате
Распространенный метод смешивания известкового раствора с порошкообразной известью заключается в следующем:
Армирование волосами часто встречается в известковой штукатурке , а в исторических штукатурках можно найти многие типы волос и других органических волокон. [18] Однако органический материал извести разлагается во влажной среде, особенно на влажной внешней штукатурке. [19] Эта проблема привела к использованию полипропиленовых волокон в новых известковых штукатурках [18]
Обычно любая влажность в стене приводит к изменению цвета известкового раствора, что указывает на наличие влаги. Эффект создаст часто пятнистый вид стены, вымытой известью. По мере изменения уровня влажности внутри стены изменится и оттенок известкового раствора. Чем темнее оттенок известкового раствора, тем более выраженным станет этот эффект.
Загрузку смешанного известкового раствора можно оставить на некоторое время в виде комка, не высыхая (на нем может образоваться тонкая корочка). Когда этот комок будет готов к использованию, его можно снова перемешать («взбить»), а затем использовать. Традиционно на строительных площадках, до использования механических миксеров, известковая замазка (гашеная на месте в яме) смешивалась с песком рабочим, который «взбивал и утрамбовывал» смесь «ларри» (широкой мотыгой с большие дырки). Затем его засыпали песком и оставляли на некоторое время (от нескольких дней до недель) — процесс, известный как «банкинг». Затем этот комок повторно перемешивали и использовали по мере необходимости. Этот процесс невозможно осуществить с помощью портландцемента.
Комбинацию портландцемента и извести применяют для стабилизации и уплотнения грунта путем устройства известково-цементных столбиков или стабилизации всего объема верхней массы. [ необходимо дальнейшее объяснение ] [22] Этот метод обеспечивает увеличение прочности, когда дело доходит до вибраций, устойчивости и осадки. При строительстве, например, автомобильных и железных дорог этот метод более распространен и распространен (улица Королевы Евфемии в центре Осло, E18 в Тёнсберге и т. д.). [ нужна цитата ]
В целях консервации часто используются растворы типов Н и О. Раствор типа N состоит из 1 части портландцемента, 1 части извести и 6 частей песка или другого заполнителя (1:1:6). Раствор типа О состоит из 1 части портландцемента, 2 частей извести и 9 частей песка или другого заполнителя (1:2:9). В чистом известковом растворе нет портландцемента: 1 часть извести на 3 части песка или другого заполнителя. Добавление цемента или другого пуццолана для сокращения времени отверждения называется «калибровкой». За исключением Портленда, для измерения растворов использовалась зола и кирпичная пыль. [23]
В целях исторической реставрации и реставрационных работ, связанных с перенастройкой или заменой кирпича, каменщики должны найти исходный кирпич и раствор и отремонтировать его с помощью аналогичного материала. Служба национальных парков предоставляет рекомендации по правильной перекладке каменной кладки в «Кратком сохранении 2». [24] В целом, «Краткое описание 2» предполагает, что перекладку следует выполнять с использованием аналогичного или более слабого раствора. Поэтому прямой шов из известкового раствора следует заменить в натуральном виде. Из-за популярности портландцемента это часто не так. Стеновая система требует баланса между раствором и кирпичом, который позволяет раствору быть слабой частью конструкции.
Когда раствор прочнее кирпича, он предотвращает любое естественное движение в стене, и грани кирпича начинают разрушаться - процесс, известный как растрескивание , процесс, при котором внешняя поверхность кирпича разрушается и может отслаиваться или поворачиваться. припудрить. Существует также естественное движение воды через каменную стену. Прочная смесь портландцемента предотвратит свободный поток воды из влажного помещения в сухое. Это может привести к тому, что поднимающаяся влага застрянет в стене 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 построек, построенных до 20 века, должно быть высокое соотношение извести и заполнителя к портленду. Это снижает прочность раствора на сжатие, но позволяет стеновой системе лучше функционировать. Известковый раствор действует как фитиль, помогающий вытягивать воду из кирпича. Это поможет предотвратить растрескивание старого кирпича. Даже если кирпич представляет собой современный и более твердый элемент, замена известкового раствора с более высоким соотношением может помочь уменьшить повышение влажности.
Не всем потребителям рекомендуется использовать обычный известковый раствор. Без портленда в смеси меньше контроля над нанесением раствора. В некоторых случаях цикла замораживания-оттаивания будет достаточно, чтобы вызвать разрушение растворного шва. Полное затвердевание прямого известкового раствора также может занять много времени, поэтому работы необходимо выполнять в то время года, когда погодные условия способствуют правильному схватыванию раствора. Эти условия не только выше нуля, но и засушливые сезоны. Чтобы защитить медленно затвердевающий раствор от влаги, на поверхность можно добавить силоксан . В случае с историческими структурами такая стратегия может оказаться спорной, поскольку она может оказать пагубное воздействие на историческую структуру.
Наличие Портленда позволяет получить более устойчивый миномет. Стабильность и предсказуемость делают смешанный раствор более удобным для пользователя, особенно в тех 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 появления портлендских смесей, все еще стоят и имеют оригинальный раствор, аргументы в пользу большей прочности на сжатие и простоты использования могут быть скорее результатом современной практики и отсутствия понимания старых технологий.