Вместе с тем, применение для реставрации памятников архитектуры вышеуказанных составов вызывает определенные трудности, связанные со стоимостью краски, ее низкой эксплуатационной стойкостью, применением целевых добавок, поставляемых из-за рубежа, и т.д. Это вызывает необходимость поиска новых решений повышения стойкости известковых составов, предназначенных для реставрации и отделки зданий и сооружений.

Для повышения стойкости известковых отделочных состав в их рецептуру вводят нанодисперсные добавки[ 1,2,3 ]. В данной применялась добавка – коллоидная дисперсия на основе диоксида кремния. Для получения золя кремниевой кислоты применялся способ, основанный на ионообменной хроматографии. Жидкое стекло плотностью 1056 кг/м³ пропускали через ионообменную колонку с катионитом и получали золь кремниевой кислоты с рН 4,5…5,0 плотностью 1013-1030 кг/м³. Методом турбидиметрии выявлено, что радиус частиц золя плотностью 1027 кг/м³ до 5 сут составляет 17…25 нм, а 7… 19 сут – 57…140 нм [4].

Электрокинетический потенциал дисперсной системы, характеризующий его стабильность и определенный электрофоретическим методом, изменяется в зависимости от возраста золя кремниевой кислоты. Золь кремниевой кислоты стабилен в возрасте до 15 сут, электрокинетический потенциал составляет (–) 0,03…0,103 В. В дальнейшем наблюдается уменьшение электрокинетического потенциала. Величина толщины диффузного слоя в возрасте 1 сут составляет 29,5 нм, что предопределяет его стабильность.

Расчет среднеквадратического сдвига частицы  золя в соответствии с уравнением Эйнштейна-Смолуховского показал, что за 10 с среднеквадратический сдвиг частицы с радиусом 17 нм составил 1,89·10-5 м, что обуславливает высокую активность кремнезоля.

Установлено, что эффективными стабилизаторами для золя кремниевой кислоты являются желатин, поливиниловый спирт (ПВС) и катионитовый сополимер акриламида К-280.

Синтезируемая добавка на основе золя кремниевой кислоты была применена для модификации диатомита, в известковых отделочных составах [5 ].

При введении добавки золя в известковую смесь наблюдается ускорение набора пластической прочности. Спустя 48 ч после затворения пластическая прочность состава с добавкой золя SiO₂ (отношение И:Золь = 1:1) составила τ=0,09 МПа, а у контрольного состава – τ=0,01 МПа

Введение добавки золя кремниевой кислоты способствует повышению прочности при сжатии известковых растворов. Так, прочность при сжатии при введении 2%-ного золя кремниевой кислоты при соотношении И:З=1:1 в возрасте 28 сут твердения составляет R_сж =1,7 МПа, а контрольного (без добавки золя) – 0,85 МПа. Повышение концентрации золя вызывает больший прирост прочности. При введение в рецептуру 4%-ного золя при соотношении И:З=1:1 прочность при сжатии составляет R_сж =1,98 МПа. Дальнейшее увеличение содержания золя кремниевой кислоты в рецептуре известковых отделочных покрытий при соотношении И:З=1:1,25 и И:З=1:1,5 вызывает незначительный прирост прочности. Установлено, что по комплексу физико-механических свойств оптимальным является соотношение известь:золь = 1:1 при использования 2%-ного золя. Применение двухпроцентного золя кремниевой кислоты обусловлено его жизнеспособностью, хотя 4%-ный золь дает большее увеличение прочности.

Для исследования реакций, происходящих в процессе структурообразования известковых отделочных композиций в присутствии добавки золя кремниевой кислоты, был проведен качественный рентгеноструктурный анализ на дифрактометре марки Thermo Scientific модели ARL X’TRA.

На рентгенограмме образца на основе известково-песчаного состава выявлены пики с межплоскостными расстояниями 4.916Ǻ, 3.115Ǻ, 2.629Ǻ, 1.928Ǻ, 1.797Ǻ, 1.688Ǻ, 1.556Ǻ, 1.483Ǻ, 1.419Ǻ, указывающие на содержание Са(ОН)₂; пики, характерные для кальцита, образующегося в результате карбонизации извести: 3.857Ǻ, 3.040Ǻ, 2.493Ǻ, 2.098Ǻ, 1.913Ǻ, 1.876Ǻ, 1.622Ǻ, 1.608Ǻ, 1.602Ǻ, 1.529Ǻ. Выявлены также пики с межплоскостными расстояниями 4.267Ǻ, 3.349Ǻ, 1.829Ǻ, 1.549Ǻ, 1.543Ǻ, 1.449Ǻ, 1.383Ǻ, принадлежащие β-кварцу. Идентифицируются линии, соответствующие каолиниту Al₂O₃2SiO₂2H₂O – 7.177Ǻ, 4.491Ǻ, 3.571Ǻ, 2.567Ǻ, 2.343Ǻ, 1.981Ǻ [33, 94].

Гидрослюда, гетит, гематит присутствуют в небольших количествах, очевидно, как примесь к суглинку: K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O – гидрослюда типа иллита с d = [10.5- 9.5; 5.0; 4.50; …3.50- 3.49; 3.34; 3.095- 3.10; 2.86- 2.88; 2.56- 2.57;…1.49- 1.505] Ǻ; α-Fe₂O₃ – гематит с d=[2.69- 2.71; 2.50- 2.51; 1.69; 1.84…; 1.48; 1.451- 1.454;…] Ǻ; FeOOH или Fe₂O₃ H₂O с d= [4.16- 4.18; 2.45- 2.46; 2.69- 2.70; 1.720…; 2.18- 2.19; 1.56- 1.55; 1.455 Ǻ.

Анализ рентгенограмм образца с добавкой золя кремниевой кислоты показал, что присутствуют минералы, характерные для состава №1, однако появляются линии гидросиликата кальция C-S-H (II) с d = 2.847Ǻ, 2.381Ǻ, 2.130Ǻ, 2.109Ǻ, 1.628Ǻ, 1.526Ǻ, свидетельствующие о взаимодействии извести с золем кремниевой кислоты при обычной температуре. Интенсивность пиков, указывающих на содержание извести Са(ОН)₂, снижается по сравнению с контрольным составом.

Все пробы содержат кристаллическую и аморфную фазы. В пробе контрольного состава (без добавок) присутствуют две фазы – аморфная и кристаллическая с соотношением фаз 28% и 72%. В присутствии добавки золя кремниевой кислоты наблюдается уменьшение аморфной фазы и возрастание кристаллической, составляющее соответственно 24 и 76%.

На основании проведенных исследований разработана рецептура мастичных красочных составов, содержащих известь-пушонку, молотый суглинок, золь кремниевой кислоты, стабилизатор золя, сульфат алюминия, воду, а также рецептура декоративных штукатурных отделочных составов, включающих известь-пушонку, песок фракции 0,314-0,14мм, золь кремниевой кислоты, стабилизатор золя, сульфат алюминия, воду. В табл.1 приведены характеристики отделочных составов и покрытий на их основе.

Установлено, что по технологическим и эксплуатационным свойствам разработанные составы является более конкурентоспособным по сравнению с прототипом. Когезионная и адгезионная прочность известкового красочного состава значительно выше и составляют соответственно 1,7…1,9 МПА и 1,0…1,2 МПА, в то время как у прототипа – 0,8…1,3 МПА и 0,6…0,8 МПа. По жизнеспособности при хранении в открытых емкостях (7…9 ч) состав-прототип превосходит разработанный красочный состав, жизнеспособность которого составляет 5…7 ч. Разработанный красочный состав характеризуется замедленными сроками высыхания. Время высыхания до степени 5 составляет 47…50 мин, в то время как у состава-прототипа – 22…31 мин.

Когезионная и адгезионная прочность известкового декоративного штукатурного состава также выше, чем у состава прототипа, и составляют соответственно 1,5…1,7 МПА и 0,8…1,0 МПА, в то время как у прототипа – 0,7…1,2 МПА и 0,5…0,7 МПа. По жизнеспособности при хранении в открытых емкостях (8…10 ч) состав-прототип превосходит разработанный декоративный штукатурный состав, жизнеспособность которого составляет 6…8 ч. Предлагаемый штукатурный состав соответствует по водоудерживающей способности прототипу, которая составляет 98%. Разработанные составы являются экономичнее состава-прототипа, так, например, расход штукатурного состава при нанесении в 1 слой толщиной 10 мм составляет 1,1…1,3 кг/м², а у состава-прототипа – 1,5…1,7 кг/м².

Известны три механизма твердения извести: карбонатное, гидратное и гидросиликатное (автоклавное) [1, 2, 3].

Структурообразование разрабатываемых отделочных материалов будет протекать в нормальных физических условиях, поэтому гидросиликатное твердение известковых составов не будет протекать. Процесс карбонизации в первую очередь протекает в поверхностных слоях. Карбонатное твердение глубинных слоёв длительно из-за небольшого количества СО₂ в атмосфере (только 0,04%) и низкой проницаемости пленки СаСО₃. Ввиду этого основным процессом твердения является гидратное твердение извести.

На первом этапе процесса гидратного твердения образуется безводный оксид кальция [1, 2]. Этот процесс может проходить как топохимически, так и сквозь раствор. Однако, независимо от механизма процесса, гидроксид кальция выделяется в коллоидном состоянии. Коллоидные частички агрегируются и создают коагуляционную структуру, которая со временем переходит в кристаллизационную. Вначале образуется небольшое количество кристаллических зародышей, далее их число увеличивается, начинается рост отдельных кристаллов и на определённом этапе происходит взаимное сцепление и срастание некоторых из них. В основе твердения вяжущих материалов лежат два противоположных процесса. Первый процесс – это создание кристаллического сростка устойчивого гидратного образования, что ведет к созданию определённой структуры, благодаря чему возрастает прочность твердеющего конгломерата. Вторым процессом является возникновение и частичная релаксация внутренних напряжений в результате роста крупных кристаллов и растворения термодинамически неустойчивых мелких кристаллов, что может привести к разрушению уже возникшей структуры. Опасность представляют те места, где кристаллическая решётка искажена и поэтому термодинамически неустойчива. Эти участки имеют достаточно высокую растворимость. Ввиду этого уже образовавшийся камень перекристаллизовывается, начинают расти правильные и растворяются мельчайшие кристаллы Са(ОН)₂ в местах контактов, что приводит к необратимому снижению прочности.

При введении золя кремниевой кислоты, который химически активен по отношению к извести, одновременно с гидратационным твердением протекает процесс гидросиликатного твердения, особенностью которого является возникновение низкоосновных гидросиликатов кальция, кристаллизующихся в виде тончайших пластинок, свёртывающихся в трубки.

Образующиеся гидросиликаты кальция выполняют функции центров кристаллизации Ca(OH)₂, а также стабилизаторов структуры извести посредством расположения на поверхностях ее кристаллов извести. Это обеспечивает формирование термодинамически устойчивой мелкокристаллической структуры материала.

Критерием адекватности предлагаемого механизма действия наноразмерного золя кремниевой кислоты на структурообразование материалов на основе извести является условие:

где ­S_n - площадь поверхности, покрываемая частицами золя кремниевой кислоты; ­S_kr – площадь поверхности кристаллов извести.

Общая площадь поверхности частиц золя равна:

где ­N_n – количество частиц золя;

(здесь ­m_n – масса кремниевой кислоты; ρ_n – плотность вещества частиц золя; d_n – диаметр частиц золя);

- площадь поверхности одной частицы золя

Отсюда  S_n  равно

На основании проведенных исследований установлено, что введение 2%-ого раствора золя кремниевой кислоты обеспечивает повышение качества отделочных составов на основе извести [4]. Тогда масса кремниевой кислоты будет равна

где В – расход золя кремниевой кислоты, кг/т.

 Используя указанные формулы, значение S_n равно:

Общая площадь поверхности кристаллов извести равна:

где N_kr – количество кристаллов извести; d_kr – усредненный диаметр кристаллов извести.

Количество кристаллов равно:

где V₀ – представительный объем; V_п – объем пор.

Площадь поверхности кристаллов извести с учетом последней формулы равна:

По результатам проведенного эксперимента значения V_п=31%, d_kr=15,75 мм. Отсюда

Сопоставление значений S_n ­и S_kr указывают на адекватность выбранного механизма структурообразования строительных материалов на основе извести, модифицированных наноразмерным золем кремниевой кислоты.