Введение

Строительный материал

Известковый раствор или торшо́к – это кладочный раствор, состоящий из извести и заполнителя, такого как песок, смешанных с водой. Это один из древнейших известных типов раствора, использовавшийся в Древнем Риме и Греции, где он во многом заменил глиняные и гипсовые растворы, распространенные в древнеегипетском строительстве. С появлением портландцемента в XIX веке использование известкового раствора в новом строительстве постепенно сократилось. Это было связано главным образом с простотой использования портландцемента, его быстрым схватыванием и высокой прочностью на сжатие. Однако мягкие и пористые свойства известкового раствора предоставляют 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 применение не рекомендуется при ремонте и реставрации кирпичных и каменных сооружений, изначально построенных с использованием известкового раствора. Несмотря на многовековую эффективность (римский бетон), свойства известкового раствора как строительного материала долгое время оставались недостаточно изученными; проверенные временем методы основывались на традициях, народных знаниях и профессиональном опыте, что подтверждается огромным количеством сохранившихся старинных зданий. Эмпирические испытания, проведенные в конце XX века, позволили научно понять его замечательную долговечность. Как профессионалы, так и владельцы домов могут приобрести известковое тесто (и заказать анализ исторического раствора для подбора цвета и состава) у компаний, специализирующихся на исторической реставрации и продаже готовых смесей небольшими партиями.

Этимология

Известь происходит от древнеанглийского *lim* («липкое вещество, птичий клей, раствор, цемент, клейковина») и связана с латинским *limus* («ил, грязь, болото») и *linere* («мазать, обмазывать»). Раствор – это смесь с цементом, происходящая от старофранцузского *mortier* («строительный раствор, штукатурка; чаша для смешивания») в конце XIII века и латинского *mortarium* («раствор»), который является связующим веществом или клеем, скрепляющим материалы, однако термин «цемент» обычно используется для обозначения портландцемента.

История

Лаймовый раствор появился в древности. На Западе первыми его использовать начали древние египтяне, применяя его для оштукатуривания своих храмов. Более того, египтяне добавляли различные виды извести как в свои религиозные храмы, так и в жилые дома. На Востоке традиционные индийские сооружения строились с использованием известкового раствора, некоторые из них существуют более 4000 лет (например, Мохенджо-Даро – памятник наследия цивилизации долины Инда в Пакистане). Римская империя широко использовала растворы на основе извести. Римский архитектор Витрувий дал основные рекомендации по составу известковых растворов. Римляне разработали гидравлические растворы, содержащие известь и пуццоланы, такие как кирпичная пыль или вулканический пепел. Эти растворы предназначались для использования в условиях, когда присутствие воды могло помешать правильному затвердеванию (карбонизации) раствора.

Применение

Сегодня известковый раствор в основном используется при консервации зданий, изначально построенных с его применением, но также может служить альтернативой обычному портландцементу. Он состоит главным образом из извести (гидравлической или негидравлической, как описано ниже), воды и заполнителя, такого как песок. Портландцемент оказался несовместимым с известковым раствором, так как он тверже, менее эластичен и непроницаем. Эти свойства приводят к преждевременному разрушению мягкого исторического кирпича, поэтому традиционно рекомендуется использовать известковые растворы, обожженные при низкой температуре, для работы с существующим раствором аналогичного типа или при реконструкции зданий с использованием исторически точных методов. Ранее известковый раствор обычно смешивали непосредственно на строительной площадке с песком, доступным в данной местности. Поскольку песок влияет на цвет известкового раствора, цвета кладочного раствора могут значительно различаться от района к району.

Гидравлический и негидравлический известковый материал

Гидравлическая известь содержит вещества, которые твердеют в результате гидратации, поэтому она может твердеть под водой. Негидравлическая известь твердеет в результате карбонизации и поэтому требует воздействия углекислого газа из воздуха; этот материал не может твердеть под водой или внутри толстой стены. Для растворов на основе натуральной гидравлической извести (НГИ) известь получают из известняка, который естественным образом содержит достаточное количество кремнезема и/или глинозема. Искусственная гидравлическая известь производится путем добавления определенных типов и количеств добавок к источнику извести в процессе обжига или добавления пуццолана к негидравлической извести. Негидравлическая известь производится из источника карбоната кальция высокой чистоты, такого как мел, известняк или ракушечник.

Негидравлическая известь

Негидравлическая известь в основном состоит из (обычно более 95%) гидроксида кальция, Ca(OH)₂. Негидравлическую известь получают путем первоначального нагрева достаточно чистого карбоната кальция до температуры от 954° до 1066°C, с выделением углекислого газа для получения негашеной извести (оксида кальция). Это происходит в известковой печи. Затем негашеную известь гасят: увлажняют, тщательно смешивая 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, и весь процесс называется известковым циклом. Процесс гашения, связанный с получением известкового теста, является экзотермической реакцией, которая первоначально создает жидкость кремообразной консистенции. Затем она выдерживается в течение 2–3 месяцев – в зависимости от условий окружающей среды – чтобы дать время для уплотнения и созревания в известковое тесто. Созревшее известковое тесто тиксотропно, то есть при перемешивании оно переходит из состояния теста в более жидкое. Это облегчает его использование в растворах, поскольку делает раствор более удобным в работе. Если после перемешивания оставить в покое, известковое тесто медленно вернется из густой жидкости в состояние теста. Помимо известняка на основе кальция, можно производить доломитовую известь на основе карбоната кальция и магния. Частый источник путаницы в отношении известковых растворов возникает из-за схожести терминов «гидравлическая» и «гашеная». Гашеная известь – это любая известь, кроме негашеной, и может относиться как к гидравлической (твердеющей под водой), так и к негидравлической (не твердеющей под водой) извести. Известковое тесто всегда негидравлическое и может храниться неограниченно долго под водой. Как следует из названия, известковое тесто представляет собой пасту, состоящую только из извести и воды. Если негашеную известь гасят избытком воды, получается тесто или суспензия. Если используется ровно необходимое количество воды, получается сухой материал (избыток воды испаряется в виде пара при нагревании). Его измельчают для получения порошка гашеной извести. Порошок гашеной, негидравлической извести можно смешать с водой для получения известкового теста. Перед использованием тесто обычно оставляют в отсутствие углекислого газа (обычно под водой) для созревания. Тесто может созревать от 24 часов до многих лет; увеличение времени созревания улучшает качество теста. Существует мнение, что известковое тесто, выдержанное в течение длительного периода (более 12 месяцев), становится настолько жестким, что с ним трудно работать. Существуют споры (например, в отношении римского бетона) относительно сравнительного качества теста, полученного из сухой гашеной извести, по сравнению с тем, которое образуется в процессе гашения. Обычно считается, что последнее предпочтительнее. Гашеная известь дает материал, который не такой «жирный» – распространенный профессиональный термин для соединений, обладающих более гладкой, маслянистой текстурой при работе. Часто из-за длительного и неправильного хранения известь, полученная из гашеной извести, демонстрирует более длительные периоды карбонизации, а также более низкую прочность на сжатие. Негидравлическая известь застывает дольше и слабее, чем гидравлическая, и не должна замерзать до полного схватывания. Хотя процесс схватывания может быть медленным, время высыхания известкового раствора необходимо регулировать медленно, чтобы обеспечить хорошее окончательное схватывание. Быстро высыхающий известковый раствор приводит к низкой прочности, низкому качеству и часто к образованию усадочных трещин. На практике известковые растворы часто защищают от прямых солнечных лучей и ветра влажной мешковиной или опрыскивают водой для контроля скорости высыхания. Но она также обладает свойством самовосстановления (автогенного заживления), когда некоторая свободная известь растворяется в воде и повторно откладывается в любых микротрещинах, которые образуются.

Мортажная растворная смесь из раковин устриц

В приливной зоне Мэриленда и Вирджинии в колониальный период раковины устриц использовались для производства негашеной извести. Подобно другим материалам, используемым для производства извести, раковины сжигаются. Это можно сделать в так называемом "рик" (временная постройка для обжига) вместо обжиговой печи. Способ обжига раковин в рике был воссоздан Колониальным Уильямсбургом и на ферме Ферри Фарм на основе предположений и практического опыта. Рик, который они построили, состоит из бревен, установленных по кругу, которые медленно сгорают, превращая содержащиеся в поленнице устрицы в пепельный порошок. Объясняющее видео о том, как был построен рик для фермы Ферри Фарм, можно найти здесь. Обожженную раковину затем можно гасить и превращать в известковое тесто. Растворы, в которых использовались раковины устриц, иногда можно идентифицировать по наличию небольших фрагментов раковин в видимом шве кладки. В реставрационной кладке фрагменты раковин иногда намеренно увеличивают, чтобы создать впечатление аутентичности. К сожалению, эти современные попытки часто содержат избыточное количество портландцемента. Это может привести к разрушению кирпичной кладки, если раствор прочнее, чем сами кирпичи.

Гидравлическая известь

Гидравлическая известь затвердевает в результате реакции с водой, называемой гидратацией. Если требуется более прочный известковый раствор, например, для наружных работ или конструктивных целей, можно добавить поццолан, который повышает его прочность на сжатие и защищает от разрушительного воздействия атмосферных явлений. К поццоланам относятся порошковый кирпич, обожженная глина, микрокремнезем, зола-унос и вулканические материалы. Химическое схватывание варьируется от очень слабого до почти такого же, как у портландцемента. Это также может способствовать более регулируемым срокам схватывания раствора, поскольку поццолан обеспечивает гидравлическое схватывание, что может быть полезно в проектах реставрации, где необходимо контролировать и поддерживать сроки и, в конечном итоге, затраты. Гидравлическую известь можно рассматривать, как с точки зрения свойств, так и с точки зрения производства, как промежуточное звено между негашеной известью и портландцементом. Используемый известняк содержит достаточное количество глины и/или кремнезема. Полученный продукт содержит силикат дикальция, но, в отличие от портландцемента, не содержит силикат трикальция. Известь гасится до такой степени, чтобы преобразовать оксид кальция в гидроксид кальция, но не с использованием достаточного количества воды для реакции с силикатом дикальция. Именно этот силикат дикальция в сочетании с водой обеспечивает схватывающие свойства гидравлической извести. Алюминий и магний также обеспечивают гидравлическое схватывание, и некоторые поццоланы содержат эти элементы. Для натуральной гидравлической извести предусмотрено три класса прочности, установленные европейским стандартом EN459: NHL2, NHL3.5 и NHL5. Числа обозначают минимальную прочность на сжатие через 28 дней, выраженную в ньютонах на квадратный миллиметр (Н/мм²). Например, прочность NHL 3.5 находится в диапазоне от 3,5 Н/мм² (510 psi) до 10 Н/мм² (1450 psi). Эти классы схожи со старой классификацией – слабогидравлическая, умеренногидравлическая и высокогидравлическая, и хотя они отличаются, некоторые специалисты продолжают использовать их взаимозаменяемо. Терминология для гидравлических известковых растворов была усовершенствована опытным французским инженером-строителем Луи Викатом в 1830-х годах, заменив более старую систему, основанную на «водных известках» и классификациях – слабогидравлическая, умеренногидравлическая и высокогидравлическая. Викат опубликовал свои исследования после изучения применения известковых растворов при строительстве мостов и дорог. Французская компания Vicat до сих пор производит натуральный цемент и известковые растворы. Наименования известковых растворов были настолько разнообразными и противоречивыми по всей Европе, что переклассификация значительно улучшила понимание и использование известковых растворов.

Волосы

Волосы часто используются для армирования известковой штукатурки, и множество видов волос и других органических волокон можно найти в исторических штукатурках. Однако органические материалы в известке разрушаются во влажной среде, особенно во влажных наружных слоях. Эта проблема привела к использованию полипропиленовых волокон в новых известковых штукатурках. Эта способность к испарению влаги широко известна как «дышащие свойства» или «паропроницаемость». Известковый раствор не следует использовать при температурах ниже +5°C и требует больше времени для схватывания, поэтому его следует защищать от замерзания в течение трех месяцев. Благодаря более быстрому схватыванию, гидравлическая известь может не требовать такого длительного времени перед наступлением отрицательных температур. Обычно любое увлажнение стены вызывает изменение цвета известкового раствора, указывающее на наличие влаги. Этот эффект создает часто пятнистый вид известковой побелки. По мере изменения уровня влажности в стене меняется и оттенок известковой побелки. Чем темнее оттенок побелки, тем более заметным становится этот эффект. Партию смешанного известкового раствора можно оставить в виде комка на некоторое время, не давая ему высохнуть (может образоваться тонкая корка). Когда раствор готов к использованию, этот комок можно повторно перемешать («набить») и использовать. Традиционно на строительных площадках, до использования механических смесителей, известь (гашеная на месте в котловане) смешивалась с песком рабочим, который «выбивал и трамбовал» смесь с помощью «ларри» (широкой мотыги с большими отверстиями). Затем смесь покрывали песком и оставляли на некоторое время (от нескольких дней до нескольких недель) – процесс, известный как «вызревание» или «банкирование». Затем этот комок повторно перемешивали и использовали по мере необходимости. Этот процесс невозможен с портландцементом.

Известковый камень с портландцементом

Сочетание портландцемента и извести используется для стабилизации и упрочнения грунта путем устройства известково-цементных колонн или стабилизации всего верхнего объема грунта. Метод обеспечивает повышение прочности при воздействии вибраций, устойчивости и при осадке. При строительстве, например, дорог и железных дорог, метод широко распространен (улица Королевы Евфимии в центре Осло, E18 в Тёнсберге и т.д.). Для целей консервации часто применяются растворы типов N и 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). Чистый известковый раствор не содержит портландцемента и состоит из 1 части извести и 3 частей песка или другого заполнителя. Добавление цемента или другого пуццолана для сокращения времени схватывания называется “разбавлением”. Помимо портландцемента, для разбавления растворов использовались зола и кирпичная пыль. При исторической реставрации и работах по ремонту, включающему переделку швов или замену кирпича, каменщики должны определить исходный состав кирпича и раствора и восстановить кладку с использованием аналогичных материалов. Служба национальных парков предоставляет рекомендации по правильной переделке кладочных швов в Preservation Brief 2. В целом, в Brief 2 рекомендуется использовать для переделки швов раствор, аналогичный по составу или более слабый. Следовательно, шов, выполненный чистым известковым раствором, следует переделывать тем же составом. Однако из-за популярности портландцемента это часто не соблюдается. Кладке необходим баланс между раствором и кирпичом, при котором раствор является самым слабым звеном. Если раствор прочнее кирпича, это препятствует естественным движениям в кладке, и лицевые поверхности кирпича начинают разрушаться, процесс, известный как отслаивание, при котором внешняя поверхность кирпича деградирует, образуя трещины, сколы или превращаясь в порошок. Также происходит естественное движение воды через каменную кладку. Прочный портландцементный раствор препятствует свободному движению воды из влажной зоны в сухую. Это может привести к удержанию поднимающейся влаги внутри стены и вызвать системные сбои. Если влага не может испаряться в воздух, это может повредить конструкцию стены. Замерзание воды в стене также является причиной отслаивания. При реставрации зданий, построенных до начала XX века, следует использовать высокое соотношение извести и заполнителя к портландцементу. Это снижает прочность раствора на сжатие, но позволяет кладке функционировать более эффективно. Известковый раствор действует как фитиль, помогая отводить воду из кирпича. Это может помочь предотвратить отслаивание старого кирпича. Даже если кирпич современный и более твердый, переделка швов раствором с более высоким содержанием извести может помочь уменьшить поднимающуюся влагу. Не всем потребителям может быть целесообразно использовать чистый известковый раствор. Без портландцемента в составе сложнее контролировать схватывание раствора. В некоторых случаях цикла замораживания и оттаивания достаточно, чтобы разрушить шов. Чистый известковый раствор также может долго схватываться, поэтому работы необходимо выполнять в период года с благоприятными погодными условиями для правильного схватывания раствора. Эти условия включают не только температуру выше нуля, но и сухую погоду. Для защиты медленно схватывающегося раствора от влаги на поверхность можно нанести силоксан. Однако для исторических зданий это может быть спорным решением, поскольку это может негативно повлиять на историческую ткань. Наличие портландцемента обеспечивает более стабильный раствор. Стабильность и предсказуемость делают смешанный раствор более удобным в использовании, особенно при кладке целых участков стен. Подрядчики и проектировщики могут предпочесть смеси, содержащие портландцемент, из-за более высокой прочности на сжатие по сравнению с чистым известковым раствором. Поскольку многие здания, построенные до использования портландцемента, все еще стоят и имеют оригинальный раствор, аргументы в пользу более высокой прочности на сжатие и простоты использования могут быть связаны с современной практикой и недостаточным пониманием старых технологий.