CC BY
13Научная статья УДК 691.41
ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_80
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ И ДЕКОРАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*
© Авторы 2023 SPIN: 3981-3286 AuthorID: 878855 ORCID: 0000-0002-7064-7235
ЗАКРЕВСКАЯ Любовь Владимировна
кандидат технических наук, доцент Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (Россия, Владимир, e-mail: lvzak@mail.ru)
ORCID: 0000-0002-1171-4119 НИКОЛАЕВА Ксения Алексеевна
студент
Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
(Россия, Владимир, e-mail: ksysha.nickolaeva@yandex.ru)
ORCID: 0000-0002-7391-1396 БАРУЗДИН Александр Андреевич
аспирант
Владимирский государственный университет
им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
(Россия, Владимир, e-mail: Baruzdin98@bk.ru)
Аннотация. Объектом исследования являются строительные материалы для зданий, подлежащих реставрации. Были проведены лабораторные исследования, в ходе которых были определены физико-механические свойства исследуемых материалов: плотность, прочность на сжатие, влажность. Рентгенофазовый анализ и сканирующая электронная микроскопия дают представление о химическом составе и микроструктуре материалов. В ходе работ были разработаны реставрационные составы для кирпича и декоративных бетонных элементов (балясин, карнизов). В процессе лабораторных исследований был получен композиционный материал для реставрации кирпичной кладки и композиция из фиб-робетона для реставрации архитектурных элементов здания с добавлением асбестовых волокон, который обладает следующими характеристиками: плотность сухого вещества 1,83 г/см3, прочность на сжатие 45,2 МПа, эластичность модуль упругости 0,95 МПа, теплопроводность 0,65 Вт/(м •ОС), морозостойкость F75. Асбестовые волокна являются оптимальным армирующим элементом фибробетона, составы с добавлением хризотила имеют прочную энергетическую связь вдоль волокон, что обеспечивает большую прочность на разрыв. Полученный материал устойчив к химическим воздействиям, так как хризотил, в отличие от многих других наполнителей, не растворяется в щелочной среде. Поверхностно-активное вещество Р-17 в составах полученных композитных материалов способствует оптимизации их физико-механических и эксплуатационных свойств, а также отвечает современным требованиям экологической безопасности.
Ключевые слова: строительные материалы; реставрация; кирпичная кладка; минеральный раствор; фибробетон; хризотил-асбест; физико-механические характеристики; поверхностно-активные вещества
Для цитирования: Закревская Л.В., Николаева К.А., Баруздин А.А. Композиционные материалы для кирпичной кладки и декоративных элементов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 80-85. Сок10.51608/26867818_2023_1_80.
* Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).
Original article
COMPOSITES FOR BRICKLAYING AND DECORATIVE ELEMENTS
© The Author(s) 2023 ZAKREVSKAYA Lyubov Vladimirovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: lvzak@mail.ru)
NIKOLAEVA Ksenia Alekseevna
Student
Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: ksysha.nickolaeva@yandex.ru)
BARUZDIN Alexander Andreevich
PhD Candidate
Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: Baruzdin98@bk.ru)
Annotation. The object of the study is the building materials of restoration constructions. Laboratory studies were carried out, during which the physical and mechanical properties of the studied materials were determined: density, compressive strength, humidity. X-ray phase analysis and scanning electron microscopy give an idea of the chemical composition and microstructure of materials. During the work, the compositions of restoration compositions for bricks and decorative concrete elements (balusters, cornices) were developed. In the course of laboratory studies, a composite for the restoration of brickwork and a composition of fiber concrete for the restoration of architectural elements of a building with the addition of asbestos fibers was obtained, which has the following characteristics: dry matter density of 1.83 g/cm3, compressive strength of 45.2 MPa, elastic modulus of 0.95 MPa, thermal conductivity of 0.65 W/(m- C), frost resistance F75. Asbestos fibers are the optimal reinforcing element of fiber concrete, composites with the addition of chrysotile have a strong energy bond along the fibers, which provides greater tensile strength. The resulting material is resistant to chemical influences as chrysotile, unlike many other fillers, does not dissolve in an alkaline environment. Surfactant P-17 in the compositions of the obtained composites contributes to the optimization of their physical, mechanical and operational properties, and also meets modern requirements for environmental safety.
Keywords: restoration; brickwork; mineral mortar; fiber concrete; chrysotile-asbestos; physical and mechanical characteristics; surfactants
For citation: Zakrevskaya L.V., Nikolaeva K.A., Baruzdin A.A. Composites for bricklaying and decorative elements // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 80-85. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_1_80.
Введение
Существует множество исследований в области реставрации каменной кладки, в которых подробно описываются различные методы ее восстановления [1-5]. Одним из наиболее эффективных методов является метод докомпоновки кирпичной кладки. Общеизвестно, что при реставрации памятников архитектуры следует использовать материалы, сходные по составу, физико-механическим свойствам с исходными материалами. Кроме того, во время реставрации важно сохранить технику кладки, которая использовалась при строительстве реконструируемого сооружения. Согласно исследованиям [6-7], метод докомпоновки кирпичной кладки позволяет сохранить исходные материалы в их первоначальном виде, поскольку для восстановления используются специальные модифицированные минеральные растворы, которые соответствуют
исходному материалу по составу и физико-механическим свойствам.
В исследовании [8] описана технология реставрации кирпичной кладки инъекционным методом, а также какие материалы необходимы для выполнения той или иной технологической операции. Однако в работе отсутствуют составы модифицированных минеральных растворов для реставрации. В исследовании [9] инъекционный метод рассмотрен наиболее подробно. Однако, при многих преимуществах этого метода, воспроизвести технику старой кладки при его использовании довольно проблематично. Для правильной организации и выполнения работ по реконструкции кирпичной кладки необходимо знать основные факторы, приводящие к ее разрушению. Благодаря исследованиям [8-10] были сформированы факторы, влияющие на долговечность и пригодность кирпичной кладки: агрессивное
воздействие городской среды, жизнедеятельность живых организмов, перепады температур, воздействие солнечной радиации. Также важно помнить, что при проникновении воды в швы кладки в конструкции происходит нарушение ее целостности из-за замерзания и оттаивания [9].
Фасадный декор из бетона используется в строительстве уже давно, но декоративные элементы фасада со временем разрушаются. При восстановлении декоративных элементов из бетона наиболее эффективным решением является использование архитектурного фибробетона. Этот материал является современным и довольно распространенным в строительстве [10-11]. Фибробетон обладает рядом особенностей, благодаря которым этот материал эффективен и долговечен. Фасады из фибробетона обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с традиционным бетоном, а также большими возможностями для создания декоративных элементов сложной формы и стойкостью к внешним воздействиям в течение длительного времени [12-13].
Внешний вид декоративных элементов из фибробетона не зависит от погодных условий. Во многом это связано с тем, что коэффициент линейного расширения фибробетона практически не отличается от аналогичного показателя материала наружных стен, к которым крепится декор или отделка. Это важное качество для фасадных элементов из фибробетона, поскольку все виды нагрузок, которые испытывает здание, равномерно распределяются между всеми его частями, включая декоративные элементы.
В качестве микроармирующего элемента может выступать практически любой тип материала. В данной работе в качестве армирующего элемента предлагается использовать асбестовое волокно. В исследованиях [14-16] хризотиловые волокна рассматриваются как оптимальный армирующий элемент, а также описывается механизм взаимодействия компонентов фибробетона. В то же время составы фибробетона с хризотиловыми волокнами в качестве армирующего элемента не представлены. Одним из важных свойств хризотила является его устойчивость к агрессивной щелочной среде.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являются строительные материалы, отобранные на объекте реставрации - даче Воронова. Исследуемые образцы - керамический кирпич, фрагмент бетонной балясины. В таблице 1 приведены физико-механические свойства исследуемых материалов: бетонных балясин и керамического кирпича.
Физико-механические свойства изучались по стандартным методикам. Плотность образцов изме-
рялась гидростатическим методом, прочность измерялась неразрушающим способом с использованием измерителя прочности строительных материалов !РБ-МС4.036. Влажность образцов определяли с помощью влагомера Рго!уте!ег ММБРШб (производитель "СЕРгойте!ег", Ирландия).
Таблица 1. Физико-механические характеристики исследуемых материалов
Наименование
свойств
Наименование m S и то с h 5 чр -й Примечания,
образца ja ь 0 1 & с 0 <LÎ 1 s Ь о пояснения
Т h о то а эе с и то i i эе то S
Бетонные баля- 2,06 37,11 2,22 Материал пригоден
сины для дальнейшего
Керамический 1,73 15,81 2,54 использования с
кирпич учетом восстановления
Образцы подвергались испытанию на морозостойкость ускоренным методом с использованием 5% раствора хлорида натрия. Предварительно испытуемые образцы насыщались раствором, затем подвергались замораживанию на воздухе при температуре минус 18-20 С0 на протяжении 2,5 часов и последующему размораживанию в растворе хлорида натрия на протяжении 3,5 часов при температуре плюс 20 С0. После требуемого количества циклов замораживания и оттаивания образцы подвергались испытанию на сжатие. Оставшиеся образцы испыты-вались на водостойкость: насыщались водой, после чего повергались испытанию на сжатие. С помощью коэффициента размягчения была оценена водостойкость полученного материала.
Химический состав и микроструктуру исходных материалов изучали с помощью рентгенофазо-вого анализа и электронной микроскопии на порошковом дифрактометре Bruker AXSD8 ADVANCE (модель D8, производитель: Bruker Optik GmbH, Германия) и сканирующем электронном микроскопе FEI-Quanta 200 3D (производитель: FEI, США).
Результаты исследования
Результаты рентгенофазового анализа исследуемых образцов представлены на рисунках 1-2.
На рисунке 3 показаны результаты растровой электронной микроскопии исследуемых образцов.
Для разработки реставрационного материала кирпичной кладки используются следующие материалы: серый портландцемент; кирпичная крошка (0,01-0,25 мм, 0,5-1 мм); суперпластификатор П-17; вода для герметизации; пигмент (если кирпичная кладка не подлежит отделке и покраске).
2Th«a [Coupled TucThetaJTheta) WL=1.54060
Рис. 1. Результаты рентгенофазового анализа образца № 1 - бетонных балясин
2Theta [Coupled TwoTltetaniieta) WL-1 .54060
Рис. 2. Результаты рентгенофазового анализа образца № 2 - керамического кирпича
а б Рис. 3: а - результаты электронной микроскопии отобранных образцов бетонных балясин; б - результаты электронной микроскопии отобранных образцов керамического кирпича
По результатам лабораторных исследований был разработан состав модифицированного минерального раствора, который используется предназначен реставрации кирпичной кладки. Состав минерального раствора приведен в таблице 2.
Таблица 2. Состав модифицированного минерального раствора для реставрации кирпичной кладки
№ п/п Состав компози-
Наименование компонентов ции в весовых
частях
1 Серый портландцемент М-400 1,0
2 Кирпичная крошка фракции:
0,01.-0,25.25 мм (60%) 4,0
0,5.-1,0.0 мм (40%) 2,4
3 Суперпластификатор П-17 0,01
4 Вода 1,0-1,1
Технология реставрации и ремонта архитектурного бетона выбирается с учетом назначения кон-струкциии степени нагрузки, характера повреждений, условий окружающей среды, эстетических требований к объекту. В таблице 3 приведен состав фиб-робетона, который может быть использован при реставрации архитектурных элементов зданий.
Таблица 3. Состав фибробетона на асбестовом волокне
Содержание компонентов, масс.%
Наименование состава Портландцемент Диоксид кремния Асбестовое волокно Суперпластификатор П-17 Вода
РВД-1 49 23 8 0.55 19.45
РВД-2 50 20 10 0.50 19.5
РВД-3 51 19 12 0.65 17.35
В таблице 4 приведены физические, механические и эксплуатационные свойства полученного материала.
Таблица 4. Физико-механические и эксплуатационные свойства полученного материала
Наименование свойств материала Состав
FBA-1 FBA-2 FBA-3
Плотность сухого вещества, г/см3 1,75 1,83 1,79
Прочность на сжатие, МПа 35,4 44,8 33,6
Модуль упругости, МПа 0,4 0,95 0,88
Теплопроводность, Вт/(м • °С) 0,56 0,65 0,62
Морозостойкость F50 F75 F50
Рациональный выбор поверхностно-активных веществ имеет большое значение для оптимизации свойств разрабатываемого композита. В работе использовался поликарбоксилатный суперпластификатор (ПКС) марки Макготег, поскольку пластифицирующие добавки типа С-3 не соответствуют требованиям экологической безопасности. Использование ПКС способствует получению композитов с низкой ползучестью под
нагрузкой. Минимальные дозы ПКС обеспечивают высокую плотность фибробетонных смесей и повышают их эксплуатационные характеристики. Согласно результатам исследований, приведенным в таблице 4, состав фибробетона FBA-2обладает наилучшими показателями.
Результаты и обсуждение
По результатам исследования можно сделать вывод, что материал образца №1 (бетонная балясина) состоит из гидросиликатов кальция, кварца и карбонатов в виде доломита и сидерита. Реакции силикатообразова-ния прошли до конца, материал приобрел максимально возможную прочность. Образец № 2 (керамический кирпич) включает глинистые минералы и кварц.
По результатам электронной микроскопии материал образца №1 (бетонной балясины) при увеличении в 4000 раз, представлен мелкозернистой структурой продуктов гидратации цемента, материал пронизан порами. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что материал образца №2 (керамика) плотный, однородной структуры.
В ходе исследований был разработан модифицированный минеральный раствор для восстановления кирпичной кладки. Для приготовления этого раствора необходимо выполнить следующие технологические операции: взвесить сухие компоненты смеси на технических весах, а затем поместить их в емкость для сухого смешивания; тщательно перемешать сухие компоненты смеси; взвесить необходимое количество поликар-боксилатного суперпластификатора; дозировать необходимое количество воды в специальную емкость, поместить в нее добавку (суперпластификатор Р-17) и тщательно перемешать; порциями добавлять цемент и кирпичную крошку в сухую смесь, а затем добавить воду и тщательно перемешивать в течение 15 минут до получения однородной массы. Смесь должна быть тщательно перемешана и не содержать неравномерно перемешанных частей цемента, кирпичной крошки и пигмента, смесь должна быть пластичной во время выполнения реставрационных работ. Гранулометрический состав смеси не должен меняться во время перемешива-ния.После перемешивания материал выгружается в промежуточную емкость. Его не следует хранить более 2 часов с момента приготовления, при хранении в течение двух часов его необходимо периодически перемешивать, чтобы сохранить пластичность и избежать сегрегации.
Выводы
В результате исследований был разработан состав фибробетона на основе асбестового волокна, который является инновационным и прочным материалом, не склонным к растрескиванию, как большинство современных архитектурных бетонов. Благодаря хризотиловым волокнам этот материал устойчив к морозу и жаре, обладает низкой тепло-
проводностью, достаточной устойчивостью к агрессивным условиям окружающей среды и высокой прочностью на разрыв. Хризотил образует микроармирование в композите благодаря своей структуре -тончайшим трубкам, которые можно отнести к природным наноструктурированным материалам. Характерной особенностью материала с добавлением хризотила является мощное сцепление вдоль волокна, что подтверждается высокими значениями среднего модуля упругости (около 20 000 МПа) и прочности на разрыв (около 400 кг/мм2). Они также характеризуются высокой химической стойкостью и низкой теплопроводностью и выгодно отличаются от УНТ четко определенной ориентацией.
Библиографический список
1. Способы реставрации кирпичной кладки зданий старой застройки / Л. А. Аниканова, Т. Е. Дизендорф, О. М. Лоскутов [и др.] // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2010. - № 5(136). - С. 42-43. - ЕЭЫ УиК1Ю7.
2. Серикова, Л. С. Технологии реставрации кирпичной кладки / Л. С. Серикова, К. А. Лапунова // Научный альманах. -2018. - № 4-3(42). - С. 85-88. - 00! 10.17117/пэ.2018.04.03.085. - ЕЭЫ ХЦВОТС.
3. Евсеев, Е. Эволюция строительных технологий в контексте истории архитектуры XIX века: реставрационный аспект / Е. Евсеев // Мир искусств: Вестник Международного института антиквариата. - 2016. - № 3(15). - С. 86-92. - ЕЭЫ УТОВТР.
4. Реставрация зданий из керамического кирпича / А.К. Сосенко, В.Д. Котляр, Я.В. Черевкова // Строительство-2015: современные проблемы строительстваСовременные проблемы строительства. Материалымеждународной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону: Ростовский государственный строительный университет, 2015. - С. 463-465. -ЕЭЫ ОКРУРС.
5. Исследование фторангидритового сырья для получения композиционных вяжущих / Л. А. Аниканова, О. В. Волкова, А. И. Курмангалиева, К. С. Волков // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. -2015. - № 4(51). - С. 160-170. - ЕЭЫ и 0К0ОУ.
6. Проблемы реставрации памятников архитектуры и реставрационные технологии / Ю.В. Ивашко //Будмайстер. -2003. -№ 4. - С. 22-24.
7. Мальцева, И. В. Об использовании гидрофобизато-ров в фасадных отделочных материалах / И. В. Мальцева // Инженерный вестник Дона. - 2017. - № 4(47). - С. 169. - ЕЭЫ УиОЬОР.
8. Белановская, Е. В. Защита кирпичной кладки памятников архитектуры от коррозии / Е. В. Белановская // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2013. - № 1-2(46). - С. 7-9. - ЕЭЫ ОВЮТС.
9. Клюев, А. В. Усиление изгибаемых конструкций композитами на основе углеволокна / А. В. Клюев // Вестник Белгородского государственного технологического универ-
ситета им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С. 38-41. - ЕЭЫ ОДКСРТ.
10. Щеткова, Е. А. Хризотил как оптимальный армирующий агент для фибробетонов / Е. А. Щеткова, Р. В. Севастьянов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. -2015. - № 2. - С. 174-191. - 00! 10.15593/2224-9826/2015.2.12.
- ЕЭЫ таиЕШ.
11. Изменение структуры и химического состава волокон хризотил-асбеста под воздействием технологических факторов производства известково-кремнеземистых теплоизоляционных изделий / Т. И. Григоренко, Н. А. Захарова, Н. Т. Картель [и др.] // Химия, физика и технология поверхности. - 2014.
- Т. 5. - № 3. - С. 349-357. - ЕЭЫ БУВ!ЕТ.
12. Пятница-Горпинченко, Н. К. Асбест и волокнистый канцерогенез / Н. К. Пятница-Горпинченко // Довкшля та здо-ров'я. - 2014. - № 1(68). - С. 4-9. - ЕЭЫ КУЕЕРР.
13. Щеткова, Е. А. Процессы структуро- и фазообразо-вания в системе "вяжущее вещество (цемент) - вода - заполнитель" и их влияние на свойства бетона / Е. А. Щеткова, Р. В. Севастьянов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2014. - № 4(16). - С. 48-58. - ЕЭЫ ТЕОРХН.
14. Калашников, В. И. О применении комплексных добавок в бетонах нового поколения / В. И. Калашников, О. В. Тараканов // Строительные материалы. - 2017. - № 1-2. - С. 6267. - ЕЭЫ ХХ!НБ7.
15. Зотов, А. Н. Исследование и прогнозирование технологических свойств бетонных смесей с полипропиленовой фиброй / А. Н. Зотов // Вестник гражданских инженеров. - 2014.
- № 1(42). - С. 79-83. - ЕЭЫ БСБНМК
16. Коровкин, М. О. Исследование эффективности полимерной фибры в мелкозернистом бетоне / М. О. Коровкин, Н. А. Ерошкина, А. Р. Янбукова // Инженерный вестник Дона. -2017. - № 2(45). - С. 129. - ЕЭЫ 7Е00ЕЫ.
17. Черепанова, Е. Е. Новшества в строительстве: фиб-робетон / Е. Е. Черепанова, Е. С. Полетаева // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре : материалы 70-ой юбилейной Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2012 г., Самара, 15-19 апреля 2013 года / Самарский государственный архитектурно-строительный университет. Том Часть 2. - Самара: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет", 2013. - С. 42-46. - ЕЭЫ ТУРОВ.
18. Лошак, В. В. Влияние гранулометрического состава заполнителя на эстетические и эксплуатационные свойства декоративного бетона / В. В. Лошак, С. В. Черкасов, В. В. Власов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы строительного материаловедения и высокие технологии. - 2011. - № 3-4. - С. 61-66. - ЕЭЫ РЛЮН.
19. Архитектурный бетон: новые подходы к обеспечению качества / В. Р. Фаликман, Ю. В. Сорокин, В. В. Денискин, Н. Ф. Башлыков // Бетон и железобетон. - 2002. - № 5. - С. 10-14.
- ЕЭЫ ZWVNCL.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 09.01.2023; одобрена после рецензирования 07.02.2023; принята к публикации 15.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 09.01.2023; approved after reviewing 07.02.2023; accepted for publication 15.02.2023.
