CC BY
1
Строительные материалы и изделия Building materials and products
Научная статья УДК 691.554
DOI: 10.14529/build240104
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗВЕСТКОВЫХ СОСТАВОВ С ДОБАВКАМИ ПОЛИСАХАРИДОВ
В.И. Логанина1, loganin@mail.ru И.А. Пронин2, nano-micro@pnzgu.ru А.А. Карманов2, starosta07km1@mail.ru М.И. Филинова1, milana_fili@mail.ru
1 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия
2 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
Аннотация. Исследуются известковые составы с добавками полисахаридов. Результаты направлены на создание нового известкового штукатурного состава с улучшенными эксплуатационными свойствами. Применены стандартные методики исследования реологических и технологических свойств. Установлено влияние полисахаридов на изменение реологических свойств известковых составов. Выявлено, что введение добавки полисахарида (гидроксиэтилцеллюлоза) способствует ускорению набора пластической прочности. Результаты инфракрасной спектроскопии свидетельствуют о большем содержании кальцита в образце с добавкой полисахарида. Установлено отсутствие химического взаимодействия между известью и полисахаридами. Введение добавки полисахаридов способствует формированию структуры, способствующей повышению эксплуатационных свойств известкового композита.
Ключевые слова: известь, полисахариды, гидроксиэтилцеллюлоза, реологические свойства, структура
Для цитирования. Реологические свойства известковых составов с добавками полисахаридов / В.И. Логанина, И.А. Пронин, А.А. Карманов , М.И. Филинова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2024. Т. 24, № 1. С. 28-33. DOI: 10.14529/build240104
Original article
DOI: 10.14529/build240104
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF LIME COMPOSITIONS WITH POLYSACCHARIDES ADDITIVES
V.I. Loganina, loganin@mail.ru I.A. Pronin2, nano-micro@pnzgu.ru A.A. Karmanov2, starosta07km1@mail.ru M.I. Filinova1, milana_fili@mail.ru
1 Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia
2 Penza State University, Penza, Russia
Abstract. Lime compositions with polysaccharide additives are being studied. The results are aimed at creating a new lime plaster composition with improved performance properties. Materials and methods. Standard methods for studying rheological and technological properties were used. Results. The influence of polysaccharides on changes in the rheological properties of lime compositions has been established. It has been established that the introduction of a polysaccharide additive (hydroxyethylcellulose) helps to accelerate the development of plastic strength. The results of infrared spectroscopy indicate a higher content of calcite in the sample with the addition of polysaccharide. The absence of chemical interaction between lime and polysaccharides has been established. Conclusions. The introduction
© Логанина В.И., Пронин И.А., Карманов А.А., Филинова М.И., 2024.
of polysaccharide additives promotes the formation of a structure that improves the performance properties of the lime composite.
Keywords: lime, polysaccharides, hydroxyethylcellulose, rheological properties, structure
For citation. Loganina V.I., Pronin I.A., Karmanov A.A., Filinova M.I. Rheological properties of lime compositions with polysaccharides additives. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2024;24(1):28-33. (in Russ.). DOI: 10.14529/build240104
Введение
Для реставрации объектов культурного наследия широкое применение находят известковые составы. С целью ускорения твердения и повышения эксплуатационной стойкости известковых композитов в рецептуру вводят различные добавки
[1-3].
Для повышения стойкости композитов на основе минеральных вяжущих предложено вводить в рецептуру коллоидные дисперсии на основе диоксида кремния [4-6]. В результате взаимодействия наночастицы оксида кремния с Са(ОН)2 образуется гидросиликат кальция, что способствует существенному (до 30 %) сокращению количества пор.
В работе [7] предложено применять в качестве модифицирующей добавки в известковых составах органоминеральную добавку.
Для ускорения твердения извести предлагается также введение в рецептуру известковых составов добавки на основе природных и синтетических цеолитов [8, 9] Авторами установлено образование дополнительно гидросиликатов кальция - натрия и минералов группы цеолитов, увеличение количества химически связанной извести на 8,74 %.
В работе [10] предложено для повышения стойкости известковых покрытий применение синтезированных гидросиликатов (ГСК).
Для восстановления исторических кладок предлагается использовать известково-метакаоли-новые смеси [11], которые были использованы для производства некоторых белых штукатурок Генуи. В работах [12-18] внесено предложение в рамках реализации реставрационных проектов использовать известковые составы, в рецептуру которых вводятся органические компоненты. Авторами определено, что введение животного клея в качестве добавки повышает механическую прочность раствора в 2 раза, увеличивает в 2 раза фронт карбонизации, уменьшает пористость и размер пор.
Несмотря на значительный объем исследований, посвященных методам повышения стойкости известковых композитов, многие вопросы обеспечения их стойкости, особенно при реставрации объектов культурного наследия, остаются нераскрытыми.
Материалы и методы исследования
В работе применяли гашеную известь (пушонка) истинной плотностью 2230 кг/м3, насып-
ной плотностью 280 кг/м3, активностью 71-76 %, с удельной поверхностью Sуд 559 м2/кг.
В качестве органической добавки применяли водорастворимый модифицированный полисахарид А^еп Сет HV и Айеп Сет LV (ТУ 2458-06263121839-2014). Добавки А^еп Сет HV и А^еп Сет LV представляют собой простой эфир целлюлозы (гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ)), получаемый реакцией щелочной целлюлозы с этиленокси-дом (ЭО). Добавки отличаются молекулярной массой. Добавки вводились вместе с водой затворе-ния. Кроме того, образцы также формировались с применением извести, гашеной в присутствии добавки А^еп Сет HV.
Время высыхания покрытия определяли согласно ГОСТ 19007-73* и оценивали по семибалльной шкале.
Реологические свойства оценивали по показателю пластической прочности, которую определяли с помощью конического пластометра КП-3.
Результаты
Кривые кинетики набора пластической прочности приведены на рис. 1, 2.
Анализ данных, приведенных на рис. 1, свидетельствует, что введение добавки А^еп Сет LV приводит к ускорению набора пластической прочности. Спустя 6 ч после затворения пластическая прочность контрольного состава составляла х = 0,38 кПа, а с добавкой А^еп Сет LV в количестве 1 % от массы извести - х = 3,2 кПа. Уменьшение содержания добавки до 0,25 % от массы извести приводит в начальный период к замедлению набора пластической прочности, однако спустя 6 ч пластическая прочность становится одинаковой с составами с содержанием добавки 0,5 и 1,0 % от массы извести.
Эффект ускорения набора пластической прочности наблюдается у составов, приготовленных на извести, гашеной в присутствии добавки органического полисахарида (рис. 2). Спустя 18 часов с момента затворения пластическая прочность контрольного состава составляла 49,6 кПа с добавкой Айеп Сет HV 120 кПа, а состава на основе извести, гашеной в присутствии добавки органического полисахарида, - 128 кПа (см. рис. 2).
Анализ пластограмм свидетельствует, что добавка с низкой молекулярной массой А1геп Сет LV обладает более ускоряющим эффектом набора пластической прочности.
36 14 12
10
A /
3 / /
//
0 2 4 б 8 10 12
Время, ч
Рис. 1. Изменение пластической прочности известковой смеси: 1 - контрольный состав; 2-4 - составы с добавкой А^еп Сет LV; 2 - содержание добавки 0,25 %; 3 - содержание добавки 1 %; 4 - содержание добавки 0,5 %
140
120
b 100
X
t КО
a
С 60
i 40
§ 20
й 0
3 !
-2
1 у
7 /
10
12
14
16 1S Время, ч
Рис. 2. Изменение пластической прочности известковой смеси: 1 - контрольный состав; 2 - состав с добавкой А^еп Сет HV; 3 - состав на извести, гашеной в присутствии добавки А^еп Сет HV
4050 3350 3550 3450 3250 3050 2350 2650 2450 2250 2050 1350 1650 1+50 1250 1050 350 650 450
Волновое число, см"1
Рис. 3. ИК-спектры пропускания исследуемых образцов: 1 - водорастворимый модифицированный полисахарид А^еп Сет HV; 2 - контрольный состав; 3 - состав с добавкой полисахарида А^еп Сет HV
Время высыхания составов с добавкой замедляется, очевидно, вследствие водоудерживающих свойств добавки.
Дополнительно были получены ИК-спектры пропускания исследуемых образцов (рис. 3) на ИК-Фурье-спектрометре ФСМ 1201 (ООО «Ин-фраспек», Россия). Образцы готовили в виде прессованных с бромидом калия таблеток при массовом соотношении х:10х, где х - масса исходной
навески, 10х - масса КВг. Дегазация образцов в процессе прессования не осуществлялась. Измерения проводили в спектральном диапазоне 4504050 см-1 со спектральным разрешением 4 см-1. Для удобства восприятия ИК-спектры нормировались и аддитивно смещались относительно нулевой точки по оси ординат.
Обобщенные данные анализа ИК-спектров исследуемых образцов представлены в таблице.
Интерпретация характеристических пиков и полос поглощения в исследуемых образцах
Характеристические полосы и пики поглощения, см-1 Интерпретация
712 плоскостные СО32-
876 внеплоскостные СО32-
1070 валентные С-О, С-СН2
1424 Са-СО32-, деформационные СН3
1650 деформационные Н-О-Н
1798 валентные С=О
2360 атмосферный СО2
2516 обертоны, характерные для СаСО3
2602 валентные СОО-Н
2870 валентные симметричные СН3
2930 валентные асимметричные СН2
2970 валентные асимметричные СН3
3100-3650 валентные симметричные ОН, Са-ОН
Анализ ИК-спектров, представленных на рис. 2 и в таблице, показывает, что для исследуемых образцов 2 и 3 характерно наличие существенного числа мод поглощения, отвечающих их ожидаемому химическому составу - Са(ОН)2+СаС03. Спектры инфракрасного поглощения с максимумами при 1424 см-1 обусловлены СО3 - группой в кристаллах кальцита. Также имеется интенсивная узкая полоса поглощения в области 876 см-1, характерная для кальцита. Большая интенсивность пика в области 876 см-1 свидетельствует о большем содержании кальцита в образце с добавкой Айеп Сет Н^ Очевидно, вследствие водоудерживающей способности полисахаридов создаются более благоприятные условия для карбонизации извести.
Анализ ИК-спектров показывает, что для образца 3 характерно наличие числа мод поглощения, отвечающих органическим компонентам, о чем свидетельствуют полосы валентных колебаний С-Н при 2970 и 2870 см-1.
Выраженная интенсивность полосы поглощения с максимумом 1650 см-1, отвечающая деформационным колебаниям Н-О-Н, указывает на присутствие в водорастворимом модифицированном полисахариде А^еп Сет HV (образец № 1) и в контрольном образце (без добавки) (образец № 2) воды в несвязанном виде. Введение добавки А1геп Сет HV (образец № 3) не приводит к возникновению
новых колебательных мод или заметному смещению максимума поглощения уже присутствующих, что позволяет говорить об отсутствии их химического взаимодействия. Интересной особенностью образца № 3 является практически полное исчезновение пика поглощения 1650 см-1 и заметное увеличение интенсивности полосы поглощения 31003650 см-1, отвечающей валентным симметричным колебаниям ОН-групп и Са-ОН. Данная особенность, по всей видимости, может указывать на то, что введение добавки полисахарида в гашеную известь способствует уменьшению концентрации воды в свободном виде в материале.
Об этом свидетельствуют также данные дифференциально-термического анализа. Потеря массы контрольных образцов составляет 61,1 %, с добавкой органического полисахарида А^еп Сет HV - 41,29 %.
Выводы
Установлено, что при введении добавки органического полисахарида А^еп Сет HV не наблюдается химического взаимодействия добавки с известью, однако наличие добавки способствует увеличению фронта карбонизации и формированию качественно другой структуры, способствующей повышению эксплуатационных свойств известкового композита.
Список литературы
1. Горегляд С.Ю. Использование модифицирующих добавок при производстве сухих строительных смесей // Строительные материалы. 2001. № 8. С. 28-29.
2. Балмасов Г.Ф., Прохоренко М.А., Душин Н.А. Современные добавки для производства сухих строительных смесей // Строительные материалы. 2005. № 4. С. 36-38.
3. Баталин Б.С. Исследования эффективности добавок, применяемых для производства сухих строительных смесей // Успехи современного естествознания. 2007. № 7. С. 60-62.
4. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 89-90.
5. Комохов П.Г. Нанотехнология радиационностойкого бетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 5. С. 22-23.
6. Логанина В.И., Давыдова О.А. Известковые отделочные составы на основе золь-гель технологии // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 50-51.
7. Перспективы изготовления органо-минеральной добавки на основе отечественного сырья / В.И. Логанина, Н.А. Петухова, В.Н. Горбунов, Т.Н. Дмитриева // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 9 (609). С. 36-39.
8. Селяев В.П., Куприяшкина Л.И. Влияние структуры цеолитсодержащих композитов на долговечность бетона // Современные проблемы строительного материаловедения: материалы V акад. Чтений. Воронеж: РААСН, 1999. С. 394-398.
9. Реологические свойства композиционного известкового вяжущего с применением синтетических цеолитов / В.И. Логанина, С.Н. Кислицына, Л.В. Макарова, М.А. Садовникова // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 4 (652). С. 37-42.
10. Логанина В.И., Фролов М.В. Тонкодисперсный наполнитель на основе силикатов кальция для известковых смесей // Вестник гражданских инженеров. 2015. № 5 (52). С. 144-147.
11. Evaluation of pozzolanic activity and physico-mechanical characteristics in metakaolin-lime pastes / A. Bakolas, E. Aggelakopoulou, S. Anagnostopoulou, A. Moropoulou // J. Therm. Anal. Calorim. 2006. No. 84 (1). Р. 157-163. DOI: 10.1007/s10973-005-7262-y
12. Bosiljkov V.B. The use of industrial and traditional limes for lime mortars. // In: Lourenco, P.B., Roca, P. (Eds.), Historical Constructions. Guimaraes: University of Minho, 2001. Р. 343-352.
13. Morris E.H., Charlot J., Morris A.A. The Temple of the Warriors at Chichen Itza, Yucatan. Washington: Carnegie Institution, 1931.
14. Littmann E. R, Ancient Mesoamerican mortars, plasters, and stuccos: The use of bark extracts in lime plasters. // Am. Antiquity. 1960. No. 25. Р. 593-597.
15. Studies on the Mayan mortars technique / D. Magaloni, R. Pancella, Y. Fruh, J. Cañetas, V. Castaño // MRS Online Proc. Lib. 1995. No. 352. Р. 483. DOI: 10.1557/PR0C-352-483
16. Artioli G., Secco M., Addis A. The Vitruvian legacy: Mortars and binders before and after the Roman world // EMU Notes Miner. 2019. No. 20. Р. 151-202. DOI: 10.1180/EMU-notes.20.4
17. Yang F., Zhang B., Ma Q. Study of sticky rice-Lime mortar technology for the restoration of historical masonry construction // Acc. Chem. Res. 2010. No. 43(6). Р. 936-944. DOI: 10.1021/ar9001944
18. Crystallization and colloidal stabilization of Ca(OH)2 in the presence of nopal juice (Opuntia ficus indica): Implications in architectural heritage conservation / C. Rodriguez-Navarro, E. Ruiz-Agudo, A. Burgos-Cara, K. Elert, E.F. Hansen // Langmuir. 2017. No. 33. Р. 10936-10950. DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02423
References
1. Goreglyad S.Yu. [Use of modifying additives in the production of dry construction mixtures]. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2001;8:28-29. (in Russ.)
2. Balmasov G.F., Prokhorenko M.A., Dushin N.A. [Modern additives for the production of dry building mixtures]. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2005;4:36-38. (in Russ.)
3. Batalin B.S. [Research on the effectiveness of additives used for the production of dry building mixtures]. Advances in current natural sciences. 2007;7:60-62. (in Russ.)
4. Komokhov P.G. [Sol-gel as a concept in cement composite nanotechnology]. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2006;9:89-90. (in Russ.)
5. Komokhov P.G. [Nanotechnology of radiation-resistant concrete]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologiiXXIveka [Building materials, equipment, technologies of the XXI century]. 2006;5:22-23 (in Russ.)
6. Loganina V.I., Davydova O.A. [Lime finishing compositions based on sol-gel technology]. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2009;3:50-51 (in Russ.)
7. Loganina V.I., Petukhova N.A., Gorbunov V.N., Dmitrieva T.N. [Prospects for the production of organo-mineral additives based on domestic raw materials]. News of higher educational institutions. Construction. 2009;9(609):36-39 (in Russ.)
8. Selyaev V.P., Kupriyashkina L.I. [The influence of the structure of zeolite-containing composites on the durability of concrete]. In: Sovremennye problemy stroitel'nogo materialovedeniya: materialy V akad. chteniy [Modern problems of construction materials science: materials V acad. readings]. Voronezh: RAASN, 1999. P. 394-398 (in Russ.)
9. Loganina V.I., Kislitsyna S.N., Makarova L.V., Sadovnikova M.A. Rheological calcareous astringent properties of the composite with synthetic zeolite. News of higher educational institutions. Construction. 2013;4(652):37-42 (in Russ.)
10. Loganina V.I., Frolov M.V. Fine dispersion filler based on calcium silicates for lime mixes. Bulletin of Civil Engineers. 2015;5(52):144-147 (in Russ.)
11. Bakolas A., Aggelakopoulou E., Anagnostopoulou S., Moropoulou A. Evaluation of pozzolanic activity and physico-mechanical characteristics in metakaolin-lime pastes. J. Therm. Anal. Calorim. 2006;84(1):157-163.
12. Bosiljkov V.B. The use of industrial and traditional limes for lime mortars. In: Lourenco P.B., Roca P. (Eds.), Historical Constructions. Guimaraes: University of Minho; 2001. Р. 343-352.
13. Morris E.H., Charlot J., Morris A.A. The Temple of the Warriors at Chichen Itza, Yucatan. Washington: Carnegie Institution; 1931.
14. Littmann E. R. Ancient Mesoamerican mortars, plasters, and stuccos: The use of bark extracts in lime plasters. Am. Antiquity. 1960;25:593-597.
15. Magaloni D., Pancella R., Fruh Y., CaNetas J., CastaNo V. Studies on The Mayan Mortars Technique. MRS Proceedings. 1995;352:483. DOI :10.1557/PROC-352-483
16. Artioli G., Secco M., Addis A. The Vitruvian legacy: Mortars and binders before and after the Roman world. EMU Notes Miner. 2019;20:151-202. DOI: 10.1180/EMU-notes.20.4
17. Yang F., Zhang B., Ma Q. Study of sticky rice-Lime mortar technology for the restoration of historical masonry construction. Acc. Chem. Res. 2010;43(6):936-944. DOI: 10.1021/ar9001944
18. Rodriguez-Navarro C., Ruiz-Agudo E., Burgos-Cara A., Elert K., Hansen E.F. Crystallization and colloidal stabilization of Ca(OH)2 in the presence of nopal juice (Opuntia ficus indica): Implications in architectural heritage conservation. Langmuir. 2017;33:10936-10950. DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02423
Информация об авторах:
Логанина Валентина Ивановна, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление качеством и технология строительного производства», Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия; loganin@mail.ru.
Пронин Игорь Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Нано-и микроэлектроника», Пензенский государственный университет, Пенза, Россия; nano-micro@pnzgu.ru
Карманов Андрей Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Наноэлектроника», Пензенский государственный университет, Пенза, Россия; starosta07km1@mail.ru
Филинова Милана Игоревна, студент, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия; milana_fili@mail.ru
Information about the authors:
Valentina I. Loganina, Doctor of Engineering, Professor, Head of the Department of Quality Management and Construction Production Technologies, Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia, loganin@mail.ru.
Igor A. Pronin, Doctor of Engineering, Professor, Head of the Department of Nano- and Microelectronics, Penza State University, Penza, Russia, nano-micro@pnzgu.ru
Andrei A. Karmanov, Candidate of Sciences in Engineering, Associate Professor, Department of Nanoelec-tronics, Penza State University, Penza, Russia, starosta07km1@mail.ru
Milana I. Filinova, Student, Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia; mila-na_fili@mail.ru
Статья поступила в редакцию 19.10.2023, принята к публикации 30.10.2023.
The article was submitted 19.10.2023; approved after reviewing 30.10.2023.
