КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ КАМЕННОЙ КЛАДКИ Российский патент 2000 года по МПК C04B28/24 C04B111/20 C04B41/68 

Изобретение относится к производству строительных материалов, которые могут быть использованы для укрепления старых каменных кладок из искусственных и природных камней, например, кирпичных кладок, выполненных на известковом и романцементном растворах, для восстановления и реставрации древних сооружений.

Одной из актуальных проблем эксплуатации существующих зданий и сооружений является восстановление несущей способности стен и фундаментов зданий, изготовление которых производилось на известковых и романцементных кладочных растворах. Решение этих проблем достаточно успешно осуществляется нагнетанием укрепляющих растворов в предварительно пробуренные в стенах и фундаментах шпуры диаметром 18-20 мм. Основной функцией укрепляющих растворов является повышение плотности каменных кладок и грунтов с одновременным увеличением их механических свойств. Применяемые в настоящее время составы укрепляющих растворов большей частью нацелены на заполнение пустот и пор в массивах каменных кладок по мере их проникающей способности. Однако, уплотнение массивов укрепляющими растворами не всегда сопровождается достаточным повышением их механических свойств, в частности, нормального сцепления.

Известна композиция для реставрации древних сооружений из разрушающегося камня по патенту РФ N 2017704, Б.И. N 15, 1994, стр. 65. Композиция включает цементное вяжущее, в качестве которого использован портландцементный клинкер, и добавку на основе соли неорганической кислоты, в качестве которой использован нитрит натрия и хромат калия, остальное вода. Недостаток композиции в том, что нитрит натрия и хромат калия приводят к образованию высолов на поверхности каменной кладки, а также в силу недостаточной проникающей способности портландцементного клинкера в поры кладки не обеспечивается равномерная прочность кладки по всему массиву. Кроме того, портландцементный клинкер недостаточно активно вступает в химическое взаимодействие с элементами кладки (старым известковым и романцементным растворами и кирпичом), не обеспечивается прочность нормального сцепления с кирпичом, что снижает сопротивляемость кладки динамическим и сейсмическим воздействиям.

Известен полимерный состав для укрепления каменных кладок по заявке на патент РФ N 92012962, Б.И. N 7, 1995, стр. 50, который содержит полиэфирную смолу, отход производства хлоропренового латекса, стирол, гипериз, ускоритель, в качестве которого использован нафтенат кобальта, и наполнитель. Полимерные составы обладают хорошими гидроизоляционными и водоотталкивающими свойствами. Однако, они недостаточно активно вступают в химическое взаимодействие с элементами кладки, не обеспечивают достаточной прочности нормального сцепления, вызывают значительные усадочные напряжения за счет старения.

Наиболее близким аналогом является композиция для укрепления каменной кладки, включающая, вес. ч. : жидкое стекло - 44, активный минеральный наполнитель - тальк - 30, мел - 14, вода - остальное (см., например, Григорьев П.Н. и др. растворимое стекло, М., 1956, с. 365-368).

Недостаток прототипа состоит в том, что присутствующий в составе композиции мел снижает количественное взаимодействие жидкого стекла с кальцитами - карбонитами кальция, которыми обычно богаты кладочные растворы на минеральных вяжущих, а химически инертный тальк, обладающий низким коэффициентом внутреннего трения, проникая в контактные зоны между элементом кладки (кирпичом, бутом) и кладочным раствором, снижает прочность нормального сцепления кладки по неперевязанным швам. Композиция не обеспечивает высокого упрочнения кладки в целом, т.к. не происходит образования достаточного количества нерастворимых щелочных гидроалюмосиликатов.

Задача изобретения состоит в восстановлении и повышении несущей способности старых кирпичных кладок, выполненных на известковых и романцементных растворах.

Технический результат - повышение прочности на сжатие и нормального сцепления кладок, повышение плотности растворных швов в кладке, повышение проникающей способности укрепляющих составов, повышение водостойкости каменных кладок при сохранении высокой проникающей способности, исключение высолов на поверхностях каменных кладок.

Поставленная задача решается тем, что композиция для укрепления каменной кладки, включающая жидкое стекло, активный минеральный наполнитель и воду, содержит в качестве указанного наполнителя цеолитсодержащую породу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Жидкое стекло - 28,5-32,0
Цеолитсодержащая порода - 2,7-10,0
Вода - Остальное
Жидкое стекло - щелочные гидрозоли кремниевой кислоты обладают высокой проникающей способностью, легко адсорбируются на поверхности элементов кладки и вступают в химическое взаимодействие с поверхностью глинистых, щелочноземельных и кварцевых составляющих кладки, переводя их в гелевидные частицы, которые адсорбируют щелочные ионы кремниевой кислоты, присутствие которых приводит к синтезу щелочных и щелочноземельных соединений кристаллической структуры. Этот процесс сопровождается присоединением воды с увеличением трудно растворимых в воде соединений кристаллогидратов щелочных гидроалюмосиликатов. Образование кристаллогидратов наблюдается в микротрещинах и в полостях небольшого размера каменной кладки. В более крупных полостях, порах и трещинах каменной кладки процесс образования кристаллогидратов происходит в основном по их контуру, что недостаточно эффективно и является причиной низких прочностных характеристик каменной кладки в целом. Добавление к жидкому стеклу в качестве минерального наполнителя цеолитсодержащей породы полностью решает проблему, т.к. при этом достигается монолитность инъецирования массивов каменной кладки, повышается ее прочность и плотность. Композиция, обладая высокой проникающей способностью, способна переходить в порах, полостях и микротрещинах кирпичной кладки в твердое вещество с высокой степенью прочности и без усадки. Происходит это благодаря тому, что композиция имеет химическое сродство с элементами укрепляемого каменного массива. За счет этого процесс образования кристаллов щелочных гидроалюмосиликатов идет более интенсивно, т. к. цеолит, обладая более развитой внутренней поверхностью кристаллов, способен интенсивно адсорбировать на своей поверхности кристаллические сростки гидроалюмосиликатов на контакте раствор - камень, ускоряя процесс твердения инъецированной композиции, повышая водостойкость и водонепроницаемость кладки. Композиция, обладая значительно большей химической активностью по сравнению с прототипом, взаимодействует с элементами кладки с образованием в порах, полостях и микротрещинах кристаллических структур, обладающих высокой прочностью, плотностью и водостойкостью при сохранении высокой проникающей способности. За счет высокой химической активности композиции обеспечивается более высокое сцепление между затвердевшим раствором и элементами кладки. Образовавшиеся высокопрочные соединения в теле кладки не провоцируют образование высолов, т.к. растворимые продукты старой кладки потребляются на создание нерастворимых гидратов. Кроме того, цеолитсодержащая порода ускоряет процесс коагуляции новообразований и связывает растворенные гидрооксиды кальция в гидроалюмосиликаты кальция внутри элементов кладки из пористо капиллярных материалов, таких как кирпич. При этом композиция с цеолитсодержащей породой заполняет крупные поры и трещины, обеспечивая высокую плотность растворного шва, что и повышает монолитность кладки.

Предложенная композиция по сравнению с прототипом имеет новые отличительные признаки, что свидетельствует о соответствии технического решения критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники, позволило выявить техническое решение, содержащее признак, сходный с признаком, отличающим заявляемое техническое решение от прототипа - использование цеолита, в частности, цеолит-клиноптиломита в составе строительной композиции, патент РФ N 2023702, Б.И. 22, 1994, стр. 75.

Однако, назначение цеолита в данном известном составе - снижать температуру спекания и увеличивать пористость заполнителя. Назначение цеолитсодержащей породы в предлагаемой композиции - повышать химическую активность композиции, интенсифицировать процесс образования кристаллов щелочных гидроалюмосиликатов, адсорбировать на своей поверхности образовавшиеся кристаллы щелочных гидроалюмосиликатов, интенсифицировать процесс коагуляции в крупных порах и полостях кладки, что и является первопричиной повышения прочностных характеристик каменной кладки, инъецированной раствором на основе предложенной композиции.

Предложенная совокупность признаков является существенной, т.к. все признаки работают на новый технический результат, заключающийся в повышении прочностных характеристик каменной кладки, что и обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Ниже приведены составы композиции, которые использовались при реконструкции Иркутского драматического театра, построенного в 1895 году. Усилению подвергали подземную часть театра и надземные кирпичные стены. Подземная часть театра выполнена из постелистых камней песчаника, швы заполнены известковым раствором. Изнутри подвальная часть выполнена из кирпича также на известковом растворе. Заполнение швов известковым раствором составляло от 60 до 95%. Примеры составов композиции и физико-механические свойства строительно-песчаных растворов, приготовленных на основе этих композиций, приведены в таблице.

Все указанные составы готовились известным способом и испытаны в лабораторных условиях. Инъецирование композиции в виде раствора в кирпичную кладку осуществлялось также известным методом.

Состав N 4 был использован для укрепления кирпичной кладки при реставрации Иркутского драматического театра, результаты его применения приведены ниже.

Характеристики кирпичной кладки до инъецирования
Прочность известкового раствора на сжатие, мПа - 0,8-1,3
Прочность нормального сцепления, кПа - 0,0-38,3
После твердения раствора в течение 28 суток приведены испытания инъецированной кирпичной кладки.

Характеристики кирпичной кладки после инъецирования
Прочность раствора на сжатие, мПа - 7,8
Прочность нормального сцепления, кПа - 136
Проникающая способность, м - До 0,9 при давлении 0,4 Па
Таким образом, прочность раствора в инъецированной кирпичной кладке увеличилась в среднем в 6 раз относительно неинъецированной, а прочность нормального сцепления в кладке увеличилась в среднем в 4-7 раза.

Из приведенной таблицы видно, что присутствие в композиции цеолитсодержащего наполнителя в сочетании с жидким стеклом увеличивает его прочность после твердения и ускоряет процесс перехода композиции из пластичного состояния в твердое. Однако, состав N 5 имеет большую скорость перехода композиции из пластичного состояния в твердое, а при содержании цеолитсодержащей породы 5,7 мас.% наблюдается очень быстрое схватывание раствора в кладке.

Композиция для укрепления каменной кладки, преимущественно старых кирпичных кладок, выполненных на известковом или романцементном растворах, может применяться для восстановления и реставрации древних сооружений. Технический результат - повышение прочностных характеристик каменной кладки, в частности прочности на сжатие, прочности нормального сцепления, плотности, водостойкости, а также исключение высолов на поверхности каменной кладки. Композиция для укрепления каменной кладки содержит, мас.%: жидкое стекло 28,5-32,0, активный минеральный наполнитель - цеолитсодержащая порода 2,7-10,0, вода остальное. 1 табл.

Композиция для укрепления каменной кладки, включающая жидкое стекло, активный минеральный наполнитель и воду, отличающаяся тем, что в качестве указанного наполнителя она содержит цеолитсодержащую породу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Жидкое стекло - 28,5 - 32,0
Цеолитсодержащая порода - 2,7 - 10,0
Вода - Остальное