ОБЛЕГЧЕННЫЙ УПРОЧНЕННЫЙ ГИПСОВЫЙ КАМЕНЬ ДЛЯ РЕСТАВРАЦИИ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32

Т.Э. ХАЕВ1, аспирант (haevt@mail.ru), Е.В. ТКАЧ1, д-р техн. наук (ev_tkach@mail.ru); Д.В. ОРЕШКИН2, д-р техн. наук (dmitrii_oreshkin@mail.ru)

1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)

2 Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук (ИПКОН РАН) (111020, г. Москва, Крюковский тупик, 4)

Облегченный упрочненный гипсовый камень для реставрации памятников архитектуры

Предложен путь дальнейшего упрочнения модифицированного облегченного гипсового камня белого цвета для реставрации лепнины в архитектурных памятниках за счет применения метакаолина, суперпластификатора и гидрофобизатора. Изучена структура такого камня. Доказано, что введение в гипсовую смесь метакаолина и гидрофобно-пластифицирующей добавки уплотняет гипсовую матрицу за счет изменений элементного состава в гипсовой системе с полыми стеклянными микросферами, увеличения межплоскостных расстояний и размеров кристаллов гипса. По мнению авторов, такие изменения увеличивают площадь поперечного сечения и несущую способность кристаллов гипса. Установлено, что разработанный материал обладает технической эффективностью по показателям: средней плотности, удельной прочности, прочности сцепления с основанием, водостойкости и сорбционной влажности.

Ключевые слова: облегченный упрочненный гипсовый камень, структура и свойства камня, полые стеклянные микросферы, межплоскостные расстояния и размеры кристаллов гипса.

Для цитирования: Хаев Т.Э., Ткач Е.В., Орешкин Д.В. Облегченный упрочненный гипсовый камень для реставрации памятников архитектуры // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 68-72.

T.EH. HAEV, Engineer (haevt@mail.ru), E.V. TKACH, Doctor of Sciences (Engineering) (ev_tkach@mail.ru), D.V. ORESHKIN, Doctor of Sciences (Engineering) (dmitrii_oreshkin@mail.ru)

1 Moscow state university of civil engineering (National Research University) (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)

2 Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences (4, Kryukovskiy Tupik, Moscow, 111020, Russian Federation)

Lightened Strengthened Gypsum Stone for Restoration of Architectural Monuments

A way for further strengthening of modified lightened gypsum stone of white color for restoration of stucco in architectural monuments due to the use of metakaolin, superplasticizer, and hydrophobizator is proposed. The structure of this stone has been studied. It is proved that the introduction of metakaolin and a hydrophobic-plastisticizing additive in the gypsum mix compacts the gypsum matrix due to the change in element composition of the gypsum system with hollow glass micro-spheres, the increase in inter-planar distances and sizes of gypsum crystals. The authors consider that such changes increase the cross-sectional square and bearing capacity of gypsum crystals. It is established that the developed material has technical efficiency in terms of average density, specific strength, cohesion strength to the base, water resistance, and sorption humidity.

Keywords: lightened strengthened gypsum stone, structure and properties of stone, hollow glass micro-spheres, inter-planar distances and sizes of gypsum crystals.

For citation: Haev T.EH., Tkach E.V., Oreshkin D.V. Lightened strengthened gypsum stone for restoration of architectural monuments. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 5, pp. 68-72. (In Russian).

Развитие туризма, спорта, различных общественных мероприятий мирового уровня требует повышения привлекательности памятников архитектуры, в первую очередь восстановления дворцовых ансамблей и усадеб. Традиционно для украшения таких зданий использовали большое количество гипсовой лепнины, которая со временем в основном утрачена или существенно повреждена. Сложности реставрации гипсовой лепнины усугубляются ослаблением деревянных несущих конструкций старинных зданий. Следовательно, требуется существенное снижение средней плотности реставрационного материала без ухудшения других свойств. Добиться снижения средней плотности гипсовых материалов для производства работ по исторической лепнине можно, например, за счет использования полых стеклянных микросфер (ПСМС) [1, 2].

Доказано [1], что ПСМС снижают среднюю плотность чистого гипсового камня более чем в два раза, а использование суперпластификатора (СП) Регатт SMF-10 и гидрофобизатора (ГФ) Vinnapas 8031 Н оказывает существенное влияние на формирование кристаллов гипсовой матрицы и их размеры. Это повышает прочность облегченного гипсового камня с ПСМС. Разработанный модифицированный облегченный гипсовый материал с ПСМС [1] имеет белый цвет и соответствует требованиям к реставрации памятников архитектуры. Однако для улучшения эксплуатацион-

ных свойств и долговечности лепнины требуется повышение водостойкости и прочности облегченного гипсового камня с ПСМС. Это особенно важно для реставрации летних дворцовых ансамблей, не имеющих отопительных систем. Для этих целей предлагается в разработанную [1] модифицированную гипсовую смесь ввести высокоактивный метакаолин — ВМК-45 С, имеющий белый цвет. Было установлено, что эквивалентная замена 10% гипса на мета-каолин значительно повышает прочность при сжатии и изгибе. Применение метакаолина известно в мировой науке [3—12].

Метакаолин марки ВМК-45 С (далее — ВМК) поставляет ООО «Синерго» из г. Магнитогорска. Количество

Рис. 1. Микроструктура упрочненного гипсового камня с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ: а - общий вид; б - Zona A - ПСМС и Zona B - кристаллы гипсовой матрицы

научно-технический и производственный журнал '-^jVyH/SJliilJ-jJ^ !i май 2018 |ЦЛШ?ШЙШГ

Таблица 1

Элементный состав исходных ПСМС и микросфер в модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 10% ПСМС

Таблица 2

Элементный состав гипсовой матрицы в чистом, модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 10% ПСМС

Элемент Исходные ПСМС ПСМС в гипсовом камне с 10 % ПСМС +

без добавок СП, ГФ ВМК, СП, ГФ

Количество, мас. %

Na 7,56-7,58 6,9-7,12 6,1-6,6 6,2-6,5

Si 41,8-41,98 43,01-43,54 42,5-44,43 43,2-43,9

S 1,14-1,17 - - -

Са - - 0,71-0,77 -

В 1,1-1,8 1,06-1,6 1,05-1,61 1,03-1,24

O2 48,3-48,48 49,8-49,93 50,1-50,49 50,1-51,5

оксидов кремния и алюминия составило: SЮ2 — 55,72 %; А1203, — 44,28 %. Химическая формула метакаолина имеет вид: Al2Oз•1,26SЮ2. Размеры частиц метакаолина от 0,1 до 16 мкм. Основная масса частиц имеет размеры 1—3 мкм, что объясняет высокую удельную поверхность частиц метакаолина — 16215 см2/г. Такая удельная поверхность, химический состав и аморфное строение частиц определяют его высокую пуццоланиче-скую активность, равную 1050 мг Са(ОН)2/г.

Был проведен микроструктурный анализ упрочненного гипсового камня с 10% ПСМС (рис. 1, а и б).

Упрочненный гипсовый камень с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ отличается высокой плотностью упаковки и равномерностью распределения микросфер в объеме гипсового камня, что говорит об однородности его структуры, сформированной перекрещивающимися в разных плоскостях кристаллами гипса.

Было проведено сравнение элементных составов исходных ПСМС и ПСМС в модифицированном гипсовом камне, а также в упрочненном гипсовом камне (табл. 1).

Данные табл. 1 показывают, что в упрочненном гипсовом камне с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ в составе ПСМС на 1% уменьшилось количество натрия с одновременным увеличением содержания кремния на 1,5—2% по сравнению с исходным составом микросфер. Увеличение содержания кремния связано с возможным переходом его ионов из метакаолина и/или Vinnapas 8031 Н.

В табл. 2 приведено сравнение элементных составов гипсовой матрицы в чистом, модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 10% ПСМС.

Данные табл. 2 показывают, что в гипсовой матрице упрочненного камня с 10% ПСМС количество кальция снижается на 2—3% по сравнению с чистым гипсовым камнем. Количество серы осталось примерно на том же уровне, а кремния возросло в 23—38 раз и достигло 3,8% за счет возможного перехода его ионов из метакаолина и/или гидрофобизатора Vinnapas 8031 Н, где также обнаружен метакаолин. В гипсовой матрице имеется до

Элемент Гипсовый камень Гипсовый камень с 10% ПСМС +

чистый с СП, ГФ без добавок СП, ГФ ВМК, СП, ГФ

Количество, мас. %

Na - - - - 2,7-2,9

Mg - - - - -

AI - - - - -

Si 0,1-0,16 0,22-0,26 0,61-0,66 1,64-1,71 3,7-3,8

S 20,1-21,55 22,1-22,55 22,1-22,5 20,34-21,49 20,2-21,5

Ca 31,4-31,82 33,6-33,69 36,2-36,3 29,2-30,93 28,5-29,8

С1 - 0,77-0,97 - 0,45-0,61 0,38-0,51

O2 46,2-46,46 43,2-43,6 41,2-41,4 44,2-45,9 44,8-44,98

2,8% натрия. Ионы натрия перешли в гипсовые кристаллы, возможно, из стекла стенок микросфер [2] и из состава СП Регатт SMF-10, где содержится сульфированный натрий. В составе гипсовой матрицы обнаружено до 0,5% хлора, который имеется в составе винил-хлорида полимерного порошка Vinnapas 8031 Н.

Для дальнейшего снижения средней плотности гипсового камня количество ПСМС было увеличено до 30%, проведен микроструктурный анализ упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС (рис. 2).

Структура упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС, ВМК, СП и ГФ отличается высокой однородностью, равномерностью распределения ПСМС в объеме гипсового камня. Однородность структуры была проверена равенством средней плотности в четырех частях по высоте образца. У упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС, ВМК, СП и ГФ формируется структура из перекрещивающихся в разных плоскостях кристаллов гипса, но более пористая, чем у гипсового камня с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ.

В табл. 3 приведено сравнение элементных составов исходных ПСМС, микросфер в модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 30% ПСМС.

При анализе результатов табл. 3 установлено, что после введения в гипсовую систему ПСМС количество натрия в стенке микросфер уменьшилось в камне без добавок — в 2,2 раза, а в камне с добавками — от 2,7 до 3,1 раза по сравнению с содержанием элемента в исходной микросфере. Количество кремния увеличилось на 3—4%, а ионы серы перешли в гипсовую матрицу.

Таблица 3

Элементный состав исходных ПСМС и микросфер в модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 30% ПСМС

Рис. 2. Микроструктура упрочненного гипсового камня с 30 % ПСМС, ВМК, СП и ГФ: а - общий вид; б - Zona A - полая стеклянная микросфера и Zona B - кристаллы гипсового камня

н Исходные ПСМС ПСМС в гипсовом камне с 30% ПСМС +

н е 5 е л без добавок СП, ГФ ВМК, СП, ГФ

СО Количество, мас. %

Na 7,56-7,58 3,3-3,34 2,42-2,54 2,7-2,76

Si 41,8-41,98 44,51-44,53 44,51-44,53 45,3-45,6

S 1,14-1,17 - - -

Са - - 0,27-0,28 -

В 1,1-1,8 1,05-1,58 1,04-1,51 1,03-1,12

O2 48,3-48,48 51,84-51,91 51,84-51,91 51,8-51,9

научно-технический и производственный журнал

Таблица 4

Элементный анализ гипсовой матрицы в чистом, модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 30% ПСМС

Элемент Гипсовый камень Гипсовый камень с 30% ПСМС +

чистый с СП+ГФ без добавок СП, ГФ ВМК, СП, ГФ

Количество, мас. %

Na - - 0,8-0,84 0,85-0,87 2,84-2,88

AI - - - - 1,4-1,45

Si 0,1-0,16 0,22-0,26 0,92-0,94 0,94-0,96 4,52-4,61

S 20,1-21,55 22,1-22,55 23,3-23,7 24,3-24,4 18,5-19,92

Ca 31,4-31,82 33,6-33,69 35,5-35,9 32,5-32,65 27,3-28,5

CI - 0,77-0,97 - 0,2-0,32 0,23-0,24

O2 46,2-46,46 43,2-43,6 40,1-40,7 41,54-41,72 44,9-45,1

В табл. 4 приведено сравнение элементных составов гипсовой матрицы в чистом, модифицированном и упрочненном гипсовом камне с 30% ПСМС.

Данные табл. 4 демонстрируют ожидаемые изменения химического состава. В гипсовой матрице упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС количество кальция снижается на 3—4% по сравнению с чистым гипсовым камнем. Количество серы уменьшилось на 1,5—2%. Содержание кремния увеличилось в 28—46 раз и достигло 4,61% за счет возможного перехода его ионов из метакао-лина и/или ГФ Vinnapas 8031 H. В гипсовой матрице обнаружено до 2,88% натрия, которые могли перейти из стекла стенок ПСМС [2], а также из СП Peramin SMF-10. В составе гипсовой матрицы обнаружено до 0,24% хлора, содержащегося в составе Vinnapas 8031 H. Алюминий в количестве до 1,45 % попадает в гипсовый камень, видимо, из метакаолина и/или Vinnapas 8031 H.

Расположение кремния, алюминия и способ их проникновения в кристаллы гипса в системе с ПСМС пока не выяснены. Однако существенное увеличение их содержания в кристаллах должно внести изменения в строение кристаллов гипса. В табл. 5 приведены минимальные (Min) и максимальные ^ax) размеры сечения кристаллов гипса в облегченном гипсовом камне с 10 и 30% ПСМС. Кристаллы представляют собой формы, близкие к прямоугольным призмам.

Данные табл. 5 показывают, что при введении в состав чистого гипсового камня СП и ГФ размеры прямоугольных кристаллов-призм уменьшаются, в основном по толщине. После введения в гипсовую смесь 10% ПСМС установлены следующие закономерности:

— по сравнению с чистым гипсовым камнем минимальная высота кристаллов у всех составов уменьшилась;

— минимальная толщина кристаллов у составов без добавок и с СП+ГФ также снизилась, а с метакаолином увеличилась более чем в 2,5 раза;

— максимальные размеры кристаллов у камня с 10% ПСМС с добавками СП+ГФ и метакаолина +СП+ГФ более чем в два раза крупнее, чем у чистого гипсового камня;

— максимальная высота кристаллов достигает 6,12—7,08 мкм, а максимальная толщина — 4,9—5,4 мкм;

Размеры кристаллов гипса и гипса в камне с 10 и 30% ПСМС

— увеличение площади поперечного сечения кристаллов обеспечивает значительное повышение прочности модифицированного и особенно упрочненного гипсового камня с 10% ПСМС по сравнению с камнем без добавок.

При введении 30% ПСМС (табл. 5):

— по сравнению с чистым гипсовым камнем минимальная высота кристаллов у всех составов увеличилась до 2,25—4,4 мкм;

— минимальная толщина кристаллов у составов с 30% ПСМС без добавок (Ь = 0,3 мкм) объясняет низкую прочность такого камня;

— максимальная высота кристаллов у всех составов с добавками больше в 1,3—2 и более раз;

— максимальная высота кристаллов у камня с 30% ПСМС с добавками СП+ГФ, а также метакаолина +СП+ГФ составляет 7,08—8,3 мкм;

— максимальная толщина кристаллов у камня с 30% ПСМС+ СП+ГФ, а также метакаолина +СП+ГФ имеет размеры от 2,8—3,27 мкм;

— увеличение максимальной толщины кристаллов в 3—4 раза, а также их максимальной высоты в 1,5—2 раза обеспечивает значительное повышение площади поперечного сечения кристаллов и прочности модифицированного и особенно упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС по сравнению с гипсовым камнем без добавок.

Таким образом, для облегченного гипсового камня с ПСМС (10 и 30%) введение в исходную смесь органо-минеральных добавок в виде СП+ГФ (Регатт SMF-10 и Vinnapas 8031 Н) или метакаолина +СП+ГФ позволяет значительно повысить прочность модифицированного и упрочненного гипсового камня за счет увеличения площади поперечного сечения кристаллов двувод-ного гипса.

Были проанализированы рентгенограммы упрочненного гипсового камня с 10 и 30% ПСМС и органомине-ральной добавкой ВМК, СП+ГФ и получены данные по межплоскостным расстояниям (табл. 6) кристаллов гипса.

Определено, что для гипсового камня с 10% ПСМС без добавок при всех углах исследования межплоскостные расстояния в кристаллах гипса уменьшаются; для камня с 10% ПСМС, СП и ГФ при всех углах исследования межплоскостные расстояния в кристаллах гипса увеличиваются; для упрочненного камня с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ при всех углах межплоскостные расстояния в кристаллах гипса тоже увеличиваются, но несколько меньше, чем у модифицированного камня. Эти изменения связаны с изменениями элементного состава микросфер и гипсовой матрицы (табл. 1—4). ПСМС влияют на структуру облегченного гипсового камня и являются активным компонентом органоминеральной добавки.

У камня с 30% ПСМС установлено уменьшение межплоскостных расстояний в кристаллах гипса, а также их увеличение у модифицированного и особенно у упрочненного с 30% ПСМС, ВМК, СП и ГФ гипсового камня. Эти изменения произошли за счет химической и поверхностной активности микросфер и изменений элементного состава ПСМС и гипсовой матрицы, в том числе и за счет СП и ГФ.

Таким образом, доказано влияние полых стеклянных микросфер и органоминеральной добавки, состоя-

Таблица 5

Размеры*, мкм Гипсовый камень + Гипсовый камень с 10% ПСМС + Гипсовый камень с 30% ПСМС +

чистый СП, ГФ - СП, ГФ ВМК, СП, ГФ - СП, ГФ ВМК, СП, ГФ

Min (hxb) 1,8x1,08 1,26x1,08 2,25x0,3 4,4x1,7 2,725x1,09 0,9x0,72 0,9x0,72 1,63x2,72

Max (hxb) 3,6x2,16 3x1,9 4,8x0,8 8,3x2,8 7,08x3,27 5,4x1,8 6,12x5,4 7,08x4,9

*hxb - (высота) x (толщина).

научно-технический и производственный журнал '-ö'jVCJH/iJliii-J.y.l^ "70 май 2018 Ш?ЗЭДЙЙЁА9

Таблица 6

Межплоскостные расстояния гипсового камня и камня с 10 и 30% ПСМС

Угол Межплоскостные расстояния d = n-10-1° м, гипсового камня +

чистый гипс 10% ПСМС 10% ПСМС, СП и ГФ 10% ПСМС, ВМК, СП, ГФ 30% ПСМС 30% ПСМС, СП, ГФ 30% ПСМС, ВМК, СП, ГФ

11,6о 7,622 7,5989 7,642 7,6264 7,5989 7,642 7,6615

20,7о 4,287 4,2819 4,2957 4,2929 4,2819 4,2957 4,3016

29,2о 3,0686 3,0657 3,0729 3,0703 3,0657 3,0729 3,0751

31о 2,875 2,8754 2,8788 2,8775 2,8754 2,8788 2,8814

33,5о 2,686 2,6841 2,6888 2,6876 2,6841 2,6888 2,6914

щей из ПСМС, метакаолина, суперпластификатора Регатт SMF-10 и гидрофобизатора Vinnapas 8031 Н, на структуру (изменение в кристаллической решетке) облегченного упрочненного гипсового камня с ПСМС.

Впервые установлены межплоскостные расстояния в упрочненном гипсовом камне с ПСМС, ВМК, СП и ГФ.

Из физики твердого тела известно, что межплоскостное расстояние d определяется между параллельными элементарными структурными ячейками. При анализе данных табл. 6 установлено, что у облегченного упрочненного гипсового камня с 30% ПСМС определены большие межплоскостные расстояния в кристаллах гипса по сравнению с чистым гипсовым камнем. Рост составил более 0,06^ 10-10 м при угле исследования 11,6о и « 0,02^ 10-10 м при угле исследования 20,7о. Имеются также некоторые изменения фиксации пиков и соответствующего угла исследований (или отражения рентгеновских лучей) для камня с 30% ПСМС, СП и ГФ.

Были определены свойства гипсовой смеси с ВМК, СП и ГФ. Водопотребность равна 0,37 (В/Г=0,37) при расплыве лепешки по вискозиметру Суттарда — 175 мм; рН=7,7. Сроки схватывания смеси: начало схватывания — 27 мин; конец схватывания — 30,5 мин.

В оптимизированный состав модифицированной гипсовой смеси был введен метакаолин в количестве, эквивалентном 10% гипса. При этом суммарное значение было равно начальному количеству гипса для каждого состава. Водогипсовое отношение — В/Г бралось от этой суммы. Как уже отмечалось, расход гидрофобизатора Vinnapas 8031 Н составил 4%, а суперпластификатора Регатт SMF-10 - 0,75%. Расходы ПСМС были 10 и 30% от массы указанной суммы гипса и метакаоли-на, как и для СП и ГФ.

Диапазон расхода ПСМС (0; 10; 30%) принят с учетом следующих соображений. Во-первых, по условиям реставрации для заделки трещин, сколов и изготовления фрагментов в исторической лепнине требуется облегченный гипсовый материал с разной средней плотностью, но не ниже 500 кг/м3 и достаточной прочностью при сжатии, изгибе и сцеплении со старым основанием.

Свойства гипсового камня с 10% ПСМС

Средняя плотность гипсового камня, кг/м3 Прочность, МПа Влажность, %

влажного сухого при изгибе при сжатии по массе | по объему

Бездобавочный гипсовый камень с 10% ПСМС, В/Г=0,6

1301 867 1,77 3,12 57,1 49,6

Модифицированный камень с 10% ПСМС, СП и ГФ, В/Г=0,5

1350 1102 2,78 5,17 46,1 52

Упрочненный камень с 10% ПСМС, ВМК, СП и ГФ, В/Г=0,53

1270 805 3,53 10,32 40,1 | 32,3

Во-вторых, оптимальный и универсальный расход микросфер при различной несущей способности деревянных конструкций получить невозможно. В-третьих, во все времена на деревянные конструкции набивалась дранка, затем наносилась штукатурка, а после на ее поверхность — различная лепнина. В-четвертых, при средней плотности ниже 500 кг/м3, т. е. при расходе микросфер более 30% резко падают все прочностные показатели.

После 2 ч твердения были определены основные свойства упрочненного гипсового камня с 10% ПСМС и проведено сравнение результатов с чистым и модифицированным гипсовым камнем с 10% ПСМС (табл. 7).

Данные табл. 7 показывают, что у упрочненных облегченных гипсовых смеси и камня с 10% ПСМС В/Г увеличилось на 6%, влажность уменьшилась на 15 мас. %. Влажность снижается за счет фактического уменьшения отношения количества воды к сумме гипса и метакаоли-на: В/(Г+ВМК) до 0,48. При этом средняя плотность снизилась на 14%; за счет существенного уплотнения структуры гипсовой матрицы между ПСМС увеличилась прочность при сжатии в два раза, а при изгибе — на 27%. Марка по прочности стала выше на три ступени: с Г5 до Г10.

Для более существенного снижения средней плотности у упрочненного гипсового камня количество ПСМС было увеличено до 30%.

У модифицированных гипсовых смеси и камня с 30% ПСМС, СП и ГФ были получены свойства [1]: начало схватывания — 13 мин; конец схватывания — 16 мин; марка по прочности Г4.

В данной статье были определены свойства облегченной упрочненной гипсовой смеси с 30% ПСМС, ВМК, СП и ГФ: В/Г=0,87 и рН=7,5 при расплыве лепешки по вискозиметру Суттарда — 180 мм. Сроки схватывания смеси: начало схватывания — 14,5 мин; конец схватывания — 17,5 мин.

Были определены свойства упрочненного облегченного гипсового камня с 30% ПСМС. В табл. 8 проведено сравнение результатов бездобавочного, модифицированного и упрочненного облегченного гипсового камня.

В табл. 9 представлены эксплуатационные свойства облегченного упрочненного гипсового камня с 10 и 30% ПСМС+ВМК+СП+ГФ.

По сравнению с чистым гипсовым камнем облегченный упрочненный гипсовый камень с ПСМС обладает технической эффективностью по средней плотности; удельной прочности; прочности сцепления; коэффициенту размягчения; сорбционной влажности.

Под действием значительных поверхностных сил ПСМС, частиц метакаолина, а также влияния поверхностно-активных веществ (СП и ГФ) при формировании кристаллов гипса в присутствии большого количества воды происходит своеобразное деформирова-

Таблица 7

научно-технический и производственный журнал

ние кристаллов гипса за счет включения в их структуру ионов кремния и алюминия. Этим, видимо, можно объяснить изменение межплоскостных расстояний и поперечного сечения кристаллов гипса в облегченном камне с ПСМС, ВМК и СП, ГФ.

Таким образом, доказано, что ПСМС, суперпластификатор Peramin SMF-10 и гидрофобизатор Vinnapas 8031 H формируют плотную структуру из перекрещивающихся кристаллов гипса. Это увеличивает прочность при сжатии от 1,65 до 3 раз по сравнению с бездобавочными составами при расходах ПСМС 10 и 30% соответственно. У облегченного упрочненного гипсового камня с ПСМС, метакаолином и ги-дрофобно-пластифицирующей добавкой происходит существенное изменение элементного состава кристаллов гипса и стенок ПСМС, что приводит к увеличению размеров кристаллов и межплокостных расстояний в кристаллах гипса. Установлено, что все эти изменения уплотняют и упрочняют структуру гипсового камня с ПСМС и получены путем введения в систему метакаолина и указанной добавки. При этом прочность при сжатии увеличивается с 1,3 до 5,33 МПа при средней плотности 502 кг/м3 и с 3,12 до 10,32 МПа при средней плотности 805 кг/м3 у гипсовых систем с расходом микросфер 30 и 10% соответственно по сравнению с составами без добавок. Происходит увеличение поперечного сечения прямоугольных призм кристаллов гипса. Это приводит к повышению несущей способности кристаллов гипса в виде балочек, у которых длина значительно больше ребер сечения. В свою очередь, увеличивается прочность при изгибе и сжатии гипсовой матрицы и облегченного камня в целом. Камень обладает технической эффективностью по показателям: средней плотности; удельной прочности; прочности сцепления с историческим основанием; водостойкости; сорбционной влажности.

Полученные результаты не противоречат положениям строительного материаловедения для растворов и бетонов на минеральных вяжущих системах. Они говорят о том, что прочность таких систем увеличивается при уменьшении размеров зерен в структуре с заполнителями по форме, близкой к кубической.

Список литературы/ References

1. Хаев Т.Э., Ткач Е.В., Орешкин Д.В. Модифицированный облегченный гипсовый материал с полыми стеклянными микросферами для реставрационных работ // Строительные материалы. 2017. № 10. С. 45—50.

1. ^aev T.E., Tkach E.V., Oreshkin D.V. Modified lightweight gypsum material with hollow glass microspheres for restoration works. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 10, pp. 45-50. (In Russian).

2. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 34-37.

2. Oreshkin D.V. Lightweight and ultralight cement solutions for construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 6, pp. 34-37. (In Russian).

3. Sabir B. B., Wild S. and Bai J. Metakaolin calcined clay as pozzolan for concrete: a review Journal of Cement and Concrete Composites. 2001. No. 23, pp. 441-454.

Таблица 8

Свойства гипсового камня с 30 % ПСМС

Cредняя плотность гипсового камня, кг/м3 Прочность, МПа Влажность, %

влажного сухого при изгибе при сжатии по массе по объему

Бездобавочный гипсовый камень с 30% nCMC; В/Г=1

0,963 0,544 0,76 1,3 80,3 43,4

Модифицированный гипсовый камень с 30% nCMC, Cn и ГФ; В/Г=0,84

0,911 0,585 1,83 4,11 58,2 34,1

Упрочненный гипсовый камень с 30% nCMC, ВМК, Cn и ГФ; В/Г=0,87

0,87 0,502 2,85 5,33 50,1 25,1

Таблица 9

Эксплуатационные свойства облегченного упрочненного гипсового камня

Показатели Гипс 10% ПCMC 30% ПCMC

Средняя плотность высушенного камня, кг/м3 1,465 805 502

Удельная прочность при изгибе, МПа 4,41 4,41 5,7

Удельная прочность при сжатии, МПа 12,7 12,9 10,66

Прочность сцепления с основанием, МПа 1,8 1,85 0,9

Коэффициент размягчения 0,5 0,7 0,65

Сорбционная влажность, % 4,9 3,1 4,2

4.

6.

8.

Ilich B.R., Mitravich A.A., Milichch L.R. Termal Treatment of Kaolin Clay to Obtain Metakaolin. Chemistry & Industry. 2010. No. 64 (4), pp. 351-356. Kakali G., Perraki T., Tsivilis S., Badogiannis E. Thermal treatment of kaolin: the effect of mineralogy on the pozzolanic activity. Applied Clay Science. 2001. No. 20, pp. 73-80.

Shvarzman A., Kovler K., Grader G.S., Shter G.E. The effect of dehydroxylation/amorphization degree on pozzolanic activity of kaolinite. Cement and Concrete Research. 2003. No. 33, pp. 405-416. Kostuch J.A., Walters G.V., Jones T.R. High performance concrete incorporating metakaolin. A review, Concrete 2000. 2 (1993), pp. 1799-811.

Arikan M., Sobolev K., Ertun T., Yeginobali A., Turker P. Properties of blended cements with thermally activated kaolin. Construction and Building Materials. 2009. No. 23, pp. 62-70.

9. Rahier H., Wullaert B., Van Mele B. Influence of the degree of dehydroxylation of kaolinite on the properties of aluminosilicate glasses. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2000. No. 62, pp. 417-427.

10. Badogiannis E., Kakali G., Tsivilis S. Metakaolin as supplementary cementitious material Optimization of kaolin to metakaolin conversion, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2005. No. 81, pp. 457-462.

11. Нгуен Т.Т., Орешкин Д.В. Технические свойства автоклавного и неавтоклавного газобетона // Вестник ИрГТУ. 2014. № 8. С. 100-103.

11. Nguen T.T., Oreshkin D.V. Technical properties avtoclaved and non-avtoclaved gas concrete. Vestnik IrGTU. 2014. No. 8, pp. 100-103. (In Russian). Нгуен Т.Т., Орешкин Д.В. Подбор и оптимизация состава неавтоклавного газобетона для условий Вьетнама // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер. Политематическая. 2014. Вып. 2 (www.vestnik. vgasu.ru).

Nguen T.T., Oreshkin D.V. Selection and optimization of composition for non-avtoclaved gas concrete for conditions of Viet Nam. Internet-vestnik VolgGASU. Ser.: Politematicheskaya. 2014. Vol. 2. (www.vestnik.vgasu.ru). (In Russian).

12

12

научно-технический и производственный журнал '-fí'jVCJH/iJliii-J.y.l^ 72 май 2018 ШШ