Гипсовый материал для реставрационных работ

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 175 страниц машинописного текста, состоит из оглавления, введения, основной части, состоя- щей из 5 глав, заключения, списка литературы из 210 наименований и 2 приложе- ний, содержит 39 рисунков и 77 таблиц.
OCHOBHOE СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Создание архитектурных элементов внутри исторических зданий произво- дилось с применением гипсовых материалов. В настоящее время многим памят- никам архитектуры требуются реставрационные работы, при которых возникают проблемы по восстановлению деталей, штукатурки и лепнины. Поэтому гипс для реставрации в современных условиях в совокупности должен обеспечить высокое качество работ, долговечность при эксплуатации, экологическую безопасность для человека и окружающей среды, снижение средней плотности и материалоём- кости реставрационных работ, негорючесть и белизну материала, эстетический вид. Наполнитель в гипсовых системах должен также соответствовать этим тре- бованиям.
К реставрационным гипсовым материалам предъявляется комплекс требо- ваний по белизне, средней плотности, срокам схватывания, прочности. Мини- мальная средняя плотность при требуемой прочности необходима потолочной лепнине, находящейся чаще всего на несущих деревянных конструкциях (балках, перекрытиях), которые со временем снижают свою несущую способность. Тради- ционные гипсовые реставрационные составы для лепнины имеют высокую сред- нюю плотность камня во влажном состоянии. Следовательно, на ослабленных де- ревянных конструкциях применение традиционных гипсовых составов приведёт к увеличению прогибов, разрушению исторической лепнины и самих конструкций.
Проанализированы известные гипсоцементно-пуццолановые вяжущие ве- щества с наполнителями для повышения прочности и водостойкости в виде це- мента, диатомита, трепела, опоки, золы, аморфного кремнезёма, кварца и техно- генных отходов. Для улучшения свойств гипсового камня вводили суперпласти-


фикатор, углеродные нанотрубки и силикатные наночастицы. Для облегчения смеси применяли древесные опилки, гранулы из пеностекла, пенообразователи, керамзит и др. Разработаны также способ получения пеногипсовой массы путём вакуумирования в кавитационном активаторе-дезинтеграторе и состав материала на основе полых алюмосиликатных (керамических) микросфер. Вместо гипса применялся также ангидрит и фосфогипс. Также проанализировано использова- ние полых стеклянных микросфер (далее по тексту ПCMC) в цементных кладоч- ных, штукатурных и тампонажных растворах. Определено, что ПCMC являются лучшим облегчающим наполнителем белого цвета в цементные системы по срав- нению с алюмосиликатными (керамическими, cepoгo цвета) полыми микросфера- ми, а также традиционными наполнителями (древесными опилками, вспученным перлитом и вермикулитом).
В работе использовались высокопрочный гипс для художественной лепни-
ны марки Г16 БІІІ Самарского завода, полые стеклянные микросферы (ПCMC) Новгородского завода «Стекловолокно» со средней плотностью 0,3 г/см^З и проч- ностью при объёмном сжатии 11,3 MПa. Применялся суперпластификатор Peramin SMF-10 (далее по тексту CП), представляющий собой порошок белого цвета (l-ая группа суперпластификаторов) и имеющий меламиноформальдегид- ную основу с активным радикалом -SO_зNa. Порошок гидрофобизатора Vinnapas 8031 Н (далее по тексту ГФ) также имеет белый цвет, состоит из тройного сопо- лимера этилена, виниллаурата, винилхлорида и содержит до 15% ультрадисперс- ного наполнителя в виде мела и метакаолина. Использовался также высокоактив- ный метакаолин BMK-45 (далее по тексту BMK) с удельной поверхностью 16215 ^{см2/г и химической формулой Al}2O3^{1,26 SiO}2. ^{В работе применялось современное} оборудование НИУ МГСУ и стандартные методики определения свойств.
Следует отметить, что диапазон расходов ПCMC (0, 10 и 30 %) взяты с учё- том следующих соображений. По условиям реставрации для заделки трещин, ско- лов и изготовления фрагментов в исторической лепнине требуется облегчённый гипсовый материал с разной средней плотностью, но не ниже 500 кг/м^З и доста- точной прочностью при сжатии, изгибе и сцеплении со старым основанием. Оп- тимальный и универсальный расход микросфер при различных несущих способ-


ностях деревянных конструкций получить невозможно. При средней плотности ниже 500 кг/м^З при расходе ПCMC >30 %, резко падают все виды прочности ма- териала.
Была предложена методика исследований для разработки научных положе- ний получения эффективного гипсового материала с ПCMC белого цвета для рес- таврационных работ. Методика имеет следующую схему:

• 
  проверка паспортных данных всех компонентов состава;
  

проведение микроструктурного (MCA), элементного (ЭА), рентгенофазового (РФА) анализов гипса для лепнины;

• 
  выявление основных закономерностей изменения структуры и свойств гипсового камня с ПCMC и определение путей повышения прочности;
  
• 
  модификация структуры и свойств гипсового камня с ПCMC путём введения в смесь CП и ГФ, и оптимизация расхода добавок с помощью математического планирования эксперимента и получением моделей свойств;
  
• 
  установление основных закономерностей изменения структуры и свойств модифицированного гипсового камня (CП+ГФ) с ПCMC с целью определения пути существенного повышения прочности за счёт введения в его состав метакаолина;
  
• 
  разработка теоретических положений упрочнённого гипсового камня с ПCMC с (CП+ГФ) + BMK и выявление основных закономерностей изменения структуры и свойств гипсового камня.
  

Все гипсовые смеси, используемые в дальнейшей работе, имели стандарт-
ную консистенцию (расплыв гипсового теста 180+5мм по визкозиметру Суттар- да). Смеси из высокопрочного чистого гипса (без добавочный) и с добавлением к нему гидрофобно-пластифицирующей добавки (СП+ ГФ) обладали следующими показателями, соответственно: В/Г=0,4 и 0,34; pH=7,5 и 7,7; начало схватывания (н.с.) — 12 и 21 мин.; конец схватывания (к.с.): 15,5 и 23 мин.; марка по прочности
— Г16 и Г19. Для гипсовых смесей и камней с 10 % ПCMC (без добавки, с добав- кой (CП + ГФ) и (CП+ГФ) +BMK соответственно) были определены свойства: В/Г=0,б; 0,5 и 0,48; pH= 8,0; 8,2 и 7,7; н.с. — 13,5; 15 и 16,5 мин.; к.с. 18; 17 и 20 мин.; марка по прочности ГЗ; Г5 и Г10. Аналогичные свойства — для гипсового


камня с 30 % ПCMC: В/Г=1; 0,84 и 0,79; pH= 8,4;8,6 и 7,5; н.с. — 11,5; 13 и 14,5
мин.; к.с. — 15,5; 16 и 17,5 мин.; марка по прочности Г2; Г4 и Г5.
Для оптимизации расхода суперпластификатора (CП) Peramin SMF-10 и гидрофобизатора (ГФ) Vinnapas 8031 Н был реализован двухфакторный вариант математического планирования с опытами в 3-x уровнях. В качестве варьируемых факторов были выбраны:
^Xi ^{количество редиспергируемого полимерного порошка Vinnapas 8031 Н,}
выполняющего комплексную роль, в т.ч. гидрофобизатора. Его количество выра- жено в % от массы гипса и варьируется в 3-x уровнях: 2; 4; 6 %.
^X_{2 —} расход суперпластификатора Peramin SMF-10. Его количество дано в % от массы гипса и варьируется в 3-x уровнях: 0,5; 0,75; 1 %.
В качестве исследуемых показателей были выбраны: Yt — предел прочности при изгибе, MПa; _{2 —} предел прочности при сжатии, ^MПa_{: з —} влажность по массе, %.
Были получены уравнения регрессии для модифицированного гипсового камня с 10 % ПCMC:
R =2,8+1,38 ^X_i+¹0,¹8 ^X₂ 0,17 Xt² -7,16 ^Х₂² (ошибка аппроксимации 2 %);
^R_cж^'5p2 + 2362 Ху+22,83 ^X₂ 0,33 Х ² -15,72 ^Х₂₂ (ошибка аппроксимации 3 %);
Wp =46 — 6,45 Xt + 53,43 ^X₂₊ 0,76 Xt² - 36,46 ^Х2₂(ошибка аппроксимации 3 %).
Для модифицированного гипсового камня с 30 % ПCMC:
R =1,83 + 0,49 Xt + 17,84 ^X₂ 0,07 ^Х_і² - 11,91 ^Х₂² (ошибка аппроксимации 5 %);
R_cж'4p11 + 1353 ^Х_а+ 44,7 ^X₂ 0,19 Х ² - 22,98 ^Х₂₂ (ошибка аппроксимации 4 %);
Wq = 58 — 31,41X ₊ 557,6 ^X₂₊ 3,87 ^Х_і² - 374X₂² (ошибка аппроксимации 5 %).
Таким образом, были оптимизированы составы гипсового камня при рас- ходах ПCMC 10 и 30% по критериям прочности (при сжатии и изгибе), влажно- сти (по массе). Выявлено, что оптимальным расходом суперпластификатора Peramin SMF-10 является количество 0,75%, а гидрофобизатора Vinnapas 8031 Н
— 4 % от массы гипса. Для разработки облегчённых гипсовых составов, необхо- димых для реставрации памятников архитектуры, требуется существенное по- вышение прочности при сохранении низких значений средней плотности. Для этих целей предлагается в смесь гипса, ПCMC (CП+ГФ) введение высокоактив-


ного метакаолина BMK-45, количество которого было определено предвари- тельными исследованиями. Было установлено, что эквивалентная замена 10 мас.
% гипса на 10 мас. % метакаолина, позволит значительно повысить пределы прочности при сжатии и на изгиб. В дальнейшем исследования проводились на оптимизированных расходах CП и ГФ в соответствии с указанной методикой исследований. Были определены свойства гипсового камня с 10 и 30 % ПCMC. Последовательность снижения средней плотности и повышения прочности кам- ня представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Свойства гипсового камня и камня с 10 и 30% ПCMC

Средняя плотность, кг/м’		Прочность, MПa, на
влажного	cyxoгo	изгиб	сжатие