В условиях высокой конкуренции на рынке это становится наиболее важным, потому как увеличение цены готового продукта сделает его непривлекательным для покупателя. Для начала, кратко об истории применения добавок в ССС:

Часть 1. Минеральные компоненты и модифицирующие добавки

Стремление к росту производительности труда в строительстве привело к созданию многих производств по выпуску цементно-песчаной сухой смеси, так называемой "гарцовки". Она вполне пригодна для кладки и штукатурки при нанесении слоями толще 10 –20 мм. Цемент как минеральное вяжущее хорошо работает на сжатие, а кварцевый песок с правильно подобранным ситовым составом оптимально дополняет это важное свойство. Но как быть, если цементно-песчаный раствор должен сопротивляться усилиям растяжения и изгиба, да при этом наноситься тонкими слоями? Как предотвратить унос воды из строительного раствора в основу и ее испарение, что исключает полную гидратацию цемента? Как обеспечить адгезию к сложным, например плохо впитывающим воду основам?

Порошкообразные эфиры целлюлозы (компания ЕТС поставляет эфиры целлюлозы торговой марки Bermocoll, Akzo Nobel, Sweden) являются основными модифицирующими добавками практически для всех видов сухих смесей. При дозировке всего 0,1 – 0,5 % к весу смеси они обеспечивают значительное удержание воды в массе раствора. Водный раствор МГЭЦ не уходит бесконтрольно в основу и в атмосферу, он служит скользящей смазкой между частицами минеральных компонентов. Благодаря этому строительный раствор дольше, до 20 – 30 минут после его нанесения, сохраняет пластичную консистенцию и клеящую способность при оптимальном водоцементном отношении. Обладая загущающими свойствами, целлюлоза препятствует седиментации частиц наполнителей. Гидратация цемента происходит значительно полнее, в том числе на границе с основой и с атмосферой, при отверждении раствор набирает бόльшую прочность как при сжатии, так и при изгибе.

Плиточник может начинать облицовку с любой точки стены без закрепляющих плитку приспособлений. Эфиры целлюлозы устойчивы до температуры + 120 ⁰С, их можно дозировать в сухие цементно-песчаные смеси непосредственно в условиях цементного производства. Модифицированный данным образом плиточный клей после сухого выдерживания обладает прочностью при отрыве от бетона около 0,5 МПа, что соответствует нормативу ДИН 18 156 "Вещества для керамической облицовки по тонкослойной технологии" и существенно превышает этот показатель для "гарцовки". Плиточный клей такого класса выпускается и применяется для внутренних работ в сухих помещениях. Такой уровень модификации характерен также для выравнивающих штукатурок, кладочных клеев для ячеистого бетона, напольных стяжек и ряда других смесей. Во многих случаях цементно-песчаному раствору необходимо придавать еще более высокую прочность при отрыве в сложных условиях эксплуатации. Для фасадных красок, штукатурок, шпаклевок и клеев, особенно работающих в цокольной области, для водоизолирующих масс, для самонивелирущихся полов, для эластичных плиточных клеев, для клеев и армирующих масс для пенополистирола применяются совместно и эфиры целлюлозы, и редиспергируемые порошки (Компания ЕТС предлагает редисперсионные порошки Dairen, DCC, Taiwan). Последние производятся из синтетических дисперсий методом распылительной сушки. Не любой вид дисперсии пригоден для изготовления порошков.

Важными характеристиками служат минимальная температура пленкообразования (МТП), размер частиц смолы, щелочестойкость, наличие или отсутствие пластификаторов. Чем ниже МТП, тем длиннее сезон использования сухих смесей. С некоторыми порошками можно изготавливать смеси и для зимних работ. Дозировка дисперсионных порошков составляет от 1 % и выше в зависимости от требований к сухой смеси и от потребительских возможностей рынка стройматериалов, т.к. при повышенном уровне модификации химические добавки становятся ценоопределяющими. Замес сухих смесей на основе цемента, содержащих термопластичный полимерный порошок, рекомендуется производить при температуре не выше + 40 ⁰С.

При затворении сухой смеси в воде редиспергируемый порошок превращается в клеевую полимерную дисперсию, которая при отверждении раствора создает "резиновые мостики" в его порах и на границе с основой. Они имеют прочность при разрыве не менее 5 МПа и эластично армируют цементный камень. С помощью дисперсионных порошков сухим смесям придаются и некоторые специальные свойства, например разжижающие, гидрофобизирующие. Для получения гибких и особо трещинностойких материалов применяют так называемые двухкомпонентные системы, а именно: заранее приготовленную модифицированную цементную смесь затворяют не в воде, а в разбавленной полимерной дисперсии. Полимерные дисперсии находят широчайшее применение и как самостоятельное
вяжущее (связующее) в производстве лаков, красок и стройматериалов.

Воднодисперсионные материалы успешно вытесняют продукцию на основе органических растворителей, являясь физиологически и экологически более безопасными. В свою очередь, полимермодифицированные сухие смеси позволяют оптимально сочетать полезные свойства как минеральных, так и органических вяжущих. Ряд рецептур модифицированных смесей включает в себя и другие химические добавки, например порообразователи, диспергаторы и т.д. При технических консультациях нашим заказчикам мы рекомендуем по возможности полнее использовать отечественное сырье, в этом случае производство сухих смесей наиболее рентабельно и конкурентоспособно.

Наиболее активны изготовители прогрессивных смесей в Москве, Минске, Новосибирске, Киеве, Санкт-Петербурге и Алматы. Особенно следует отметить опыт Беларуси, где отечественное производство развивается как за счет инициативы предпринимателей, так и благодаря государственной поддержке. В последние годы Беларусь лидирует в СНГ по выпуску модифицированных сухих смесей на душу населения.

Применение прогрессивных сухих смесей в строительстве в сочетании с передовыми технологиями обеспечивает значительный прирост качества и производительности работ, снижает затраты на строительство, ремонт и эксплуатацию объектов. Интеграция промышленности стройматериалов стран СНГ в мировое сообщество, в частности использование продукции признанных в мире производителей химических добавок, позволяет преодолевать имевшее место отставание и развивать производство продукции самого высокого уровня качества.

Способы оптимизации составов сухих строительных смесей

Конкурентоспособность и возможность достигать желаемой прибыли зависят от себестоимости продукции. Модифицированные ССС значительно дороже «гарцовки». Доля стоимости химических добавок в простых рецептурах (например, в плиточных клеях для внутренних работ) составляет более 80 %, а в сложных доходит до 97 %. Поэтому стремление экономить на минеральных компонентах ошибочно. Наоборот, минеральный состав должен быть подобран таким образом, чтобы расход химических добавок был минимальным. Любой универсальный продукт дороже специализированного. Использование модифицированных ССС не по назначению (например, выравнивание стен плиточным клеем) ведет к необоснованному удорожанию строительных работ.

Модификация сухих смесей.

Необходимость модификации объясняется теми свойствами, которые придают строительным растворам химические добавки, поставлемые в сочетании с цементом или гипсом. Существует несколько уровней модификации.

Первый (нормальный) уровень: с применением этилгидроксиэтилцеллюлозы Bermocoll CCA или метилэтилгидроксиэтилцеллюлозы Bermocoll ML.Отверждение цемента и гипса происходит по механизму гидратации, но при тонкослойном нанесении растворов вода быстро уходит в основу или испаряется. Водоудерживающие эфиры целлюлозы Бермоколл обеспечивают полноту гидратации минеральных вяжущих. Их дозировка составляет несколько десятых долей % от веса сухой смеси. Собственное водоудержание минеральной композиции должно составлять не менее 65 – 70 %, это позволяет экономить Бермоколл. По российскому ГОСТу 28013-89 водоудерживающая способность растворов должна быть не менее 90 % в зимних условиях и не менее 95 % в летних условиях.

Расход Бермоколла зависит от планируемой толщины нанесения раствора. При
толстослойном нанесении передозировка опасна, т.к. возможен «эффект карамели», когда поверхность затвердела нормально, а внутри остается мягкий раствор. При недостатке Бермоколла повышается риск образования трещин.

Второй (повышенный) уровень: с применением эфиров целлюлозы Бермоколл для вышеназванных целей, а также дополнительно дисперсионных порошков Dairen, дозируемых в количестве от одного до нескольких %. В сложных по составу с.с.с. дисперсионный порошок является, как правило, основным ценообразующим компонентом.

Минеральные вяжущие обеспечивают высокую прочность при сжатии, но не могут работать на растяжение и на изгиб. Полимерные вяжущие Дайрен создают в порах цементного камня эластичные пленки, поэтому модифицированные ими стройматериалы выдерживают бoльшие деформирующие нагрузки, имеют повышенную стойкость против истирания.

Растворы на минеральных вяжущих имеют адгезию только к "родственным" материалам, например, к бетону и кирпичу, но плохо приклеиваются к сложным основам, особенно к невпитывающим воду – глазурованной керамике, пластикам, металлам, пенополистиролу и т.п. Повышенная адгезия необходима и для наружных работ. Полимеры Дайрен в строительных растворах работают как клей.

Минеральные стройматериалы гидрофильны, это снижает их морозостойкость и долговечность. Модификация органическими добавками позволяет снизить водопоглощение и отрегулировать паропроницаемость, уменьшить риск высолов. С помощью специальных добавок можно придать растворам и другие необходимые свойства, например пористость, тиксотропность, разжижающий эффект и т.д., как при первом, так и при втором уровне модификации.

Выбор наполнителей.

Совокупность некоторых требований к наполнителям заложена в ряде нормативных документов, прежде всего в российском ГОСТе 28013-89 «Растворы строительные. Общие технические условия». Германский ДИН 18 557 «Растворы заводского изготовления. Производство, контроль и поставка» устанавливает, что для выбора исходных материалов определяющими являются нормы по готовой продукции. Производитель выбирает сырье таким образом, чтобы гарантировать свойства растворов, требуемые для соответствующего их применения.

При производстве сухих смесей необходимо соблюдать стандарты по наполнителям, в частности: песок – ГОСТ 8736, песок из шлаков тепловых электростанций – ГОСТ 26644, зола-унос – ГОСТ 25818, кварц молотый – ГОСТ 9077, песок формовочный – ГОСТ 2138, мел природный обогащенный – ГОСТ 12085, крошка из кирпича – ГОСТ 530, крошка из ячеистобетонных изделий – ГОСТ 21520 и др., а также требования ГОСТ 23732 к воде для затворения растворных смесей.

Качество сухих смесей зависит как от химических добавок, так и от правильного подбора минеральных компонентов. При составлении рецептур необходимо анализировать процессы, которые произойдут при затворении смеси и последующем превращении раствора в отвердевший материал заданного назначения.

Наиболее важные свойства наполнителей:

Минеральный состав, примеси, влажность.

Наполнители должны содержать как можно меньше примесей, ухудшающих адгезию раствора, например доля глины 1 – 1,5 % в песке может снизить адгезию плиточного клея в 2 раза. Некоторые активные составляющие могут исказить механизм гидратации и твердения цемента, привести к неуправляемому изменению усадки или расширения, а также к коагуляции поливинилового спирта, который применяется как антикоагулянт для большинства редиспергируемых порошков Дайрен.

Водорастворимые компоненты, особенно электролиты, могут значительно снизить температуру коагуляции эфиров целлюлозы, т.е. раствор не будет содержать водоудерживающей добавки при нанесении его на теплые стены. Водорастворимые компоненты увеличивают риск высолов.

Гидрофильные составляющие увеличивают необходимое В:Ц-отношение, что снижает прочность и ведет к образованию трещин. Гидрофильные составляющие уменьшают морозостойкость материала. Влажность наполнителей должна быть не более 0,5 % (ГОСТ 28013-89 и новый СП 82-101-98 устанавливают показатель влажности с.с.с. на уровне 0,1 %, но это, на наш взгляд, избыточное требование).

Твердость наполнителей.

Для различных растворов характерны различные требования по твердости, жесткости, прочности на сжатие. Они определяются свойствами как цемента, так и наполнителей. Пористость наполнителей для некоторых видов смесей необходима, однако следует иметь в виду, что она увеличивает не только паропроницаемость, но и капиллярное водопоглощение. Небольшая добавка гидрофильного наполнителя, например, вспученного перлита, хотя и повышает В:Ц-отношение, но может принести и пользу - увеличить открытое время.

Ситовая характеристика наполнителей.

Вместо показателя модуль крупности рекомендуется пользоваться гранулометрическими диаграммами, причем рассев наполнителей в лаборатории производить начиная с самых мелких сит по ГОСТ 6613, а при необходимости для самых тонких фракций применять измерительные приборы. Оптимальной является такая ситовая характеристика наполнителя, при которой обеспечивается плотная упаковка при сохранении паропроницаемости и при которой доли различных фракций примерно равны. В этом случае достигаются максимальные механические показатели, например усилие при отрыве, при минимальном расходе химических добавок.

Большинство растворов для тонкослойного нанесения содержит зерна крупностью до 0,6 мм. Более крупные размеры зерна применяются или при толстослойном нанесении, или для декоративных целей. Размер частиц до 0,1 мм характерен для таких гладких растворов, как шпаклевки и расшивочные массы. Чем тоньше наполнитель, тем больше его удельная поверхность. Следовательно, для достижения требуемой пластичности (подвижности) раствору с более тонкими наполнителями требуется больше воды. Отклонение от оптимального В:Ц-отношения ухудшает прочность, ведет к образованию трещин. Большая удельная поверхность наполнителя требует повышенного расхода как минерального, так и полимерного вяжущего.

Как правило, отмытые речные, барханные и карьерные пески обогащены частицами класса крупности 0,2 – 0,3 мм. Если не восполнить недостающие более мелкие и более крупные фракции, то останется много пустот, раствор не будет иметь достаточной фиксирующей способности.

Тонкие составляющие.

Твердение цементной матрицы является решающим процессом для достижения механических показателей. Образование кристаллов из цементного геля происходит в области до 30 мкм. Поверхность границы фаз между цементным камнем и наполнителем имеет относительно более высокую пористость, чем сам цементный камень, эта зона также обогащена портландитом и эттренгитом. Это снижает прочность отвердевшего раствора. Если раствор обеднен частицами наполнителя класса крупности 30 – 100 мкм, то цементный гель частично создает не кристаллические, а аморфные, рыхлые образования, не сравнимые по прочности с цементным камнем.

Если для заполнения пустот в зоне < 100 мкм вводится слишком тонкий наполнитель, например, мел, пылевидные материалы типа золы и т.п., то он создает конкуренцию цементу, мешает расти его прочным кристаллам. Добавка мела крупностью < 30 мкм в раствор настолько снижает прочность твердеющего раствора, что расход дисперсионного порошка приходится увеличивать в 2 – 3 раза. Для восполнения недостающего количества наполнителя фракции < 100 мкм оптимальной является добавка моршалита, мраморной или известняковой муки. Для таких тонких смесей, как шпаклевочные и расшивочные, они могут служить основным или даже единственным наполнителем.

Крупные фракции.

ГОСТ 28013-89 «Растворы строительные. Общие технические условия» устанавливает предельные размеры зерен: в штукатурках 2,5 мм и в отделочных материалах 1,25 мм. Форма самого крупного зерна наполнителя важна для декоративно-отделочных материалов, как правило, она круглая, его гидрофильность в случае применения таких смесей недопустима. Для цветных штукатурок ГОСТ 28013 допускает применение крошки размером до 5 мм.

Одним из признаков правильно подобранного состава наполнителей является минимально возможное В:Ц-отношение, что позволяет при оптимальных механических свойствах экономить как цемент, так и химические добавки.

Минеральные вяжущие.

С.с.с. изготавливают с портландцементом (серым и белым), глиноземистым цементом, β-полугидратным гипсом, ангидритом, гашеной известью. Возможны комбинации минеральных вяжущих, но совместное использование цемента и гипса ограничено. Т.к. в основном применяется портландцемент, то приведем несколько замечаний по его свойствам и поведению после затворения.

Прочность, плотность (водонепроницаемость)и долговечность – важнейшие показатели отвердевшего цементного камня. Если наполнители не пористые, имеют достаточную прочность и плотную упаковку, то прочность и плотность минеральной композиции зависят только от свойств цемента. В:Ц-отношение, степень гидратации и воздействие окружающей среды определяют эти показатели. Решающее значение имеет объем пор, возникающих при гидратации цемента. Например, при В:Ц = 0,50 он составляет 40 – 45 %, но низкая водопроницаемость цементного камня объясняется тем, что большая часть пор имеет размер менее 10 нм. В них вода действует как герметик.

Количество воды для затворения чаще всего больше, чем требуется для гидратации. При полной гидратации химически связанная вода и вода, находящаяся в гелеобразном состоянии, составляют около 38 % от массы цемента, что соответствует В:Ц = 0,38. Если эта величина больше, начинается образование капиллярных пор, бороться с которыми придется с помощью химических добавок. Увеличение В:Ц-отношения резко снижает прочность на сжатие цементного камня. Продукты гидратации портландцемента имеют меньший объем, чем смесь цемента с водой. За счет сил адсорбции вода в цементном камне имеет плотность от 1,10 до 1,25 г/см³.

Поведение воды, образование эттрингита и ряд других факторов определяют усадку или расширение цементного камня. Усадку цемента необходимо компенсировать, особенно в таких смесях, как наливные полы. Усадка зависит и от климатических условий при твердении цементного камня.

Выбор химических добавок.

Качество ССС определяется правильным подбором и взаимной гармонизацией всех составляющих. При выборе химических добавок к оптимально составленной минеральной композиции должны быть заданы количественные показатели, которые планируется достичь. Вначале исходят из того, что каждая добавка отвечает только за один показатель. Совместное действие добавок и побочные эффекты учитываются позднее, при детальной отработке рецептур.

Эфиры целлюлозы и крахмала Bermocoll и Starpol 136.

КМЦ и МЦ применяются для клеев и как загустители для нещелочных систем, МГЭЦ и ГЭЦ как водоудерживающие и загущающие добавки для щелочных систем. Важные характеристики:

• водоудержание,

• загущающее действие, вязкость (зависимость водоудержания, адгезии, структурная вязкость: связь вязкости целлюлозы и вязкости растворов при различных усилиях сдвига),

Полимерные вяжущие – порошки Dairen.

Редиспергируемый порошок ПВА применяется как клей только для нещелочных систем в теплых условиях. Сополимерные дисперсии и редиспергируемые порошки на их основе – полимерные вяжущие для цементных смесей или самостоятельные вяжущие. Следует учитывать наличие ПВС как антикоагулянта. Антиблокирующей добавкой служит природный каолин.

Важные характеристики редиспергируемых порошков:

•  адгезия,

•  щелочестойкость, совместимость с цементом,

•  минимальная температура пленкообразования и температура стеклования,

•  модификация,

•  скорость и полнота редиспергирования,

•  наличие или отсутствие пластификатора.

Другие химические добавки.

Поробразователи, диспергаторы, антивспениватели, замедлители или ускорители схватывания, гидрофобизаторы, разжижители, волокна, аэросил. Возможность применения асбеста.

Продолжение смотрите в статье ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ (Часть II)

С рынком и технологическим оснащением производства ССС Вы можете познакомиться в работах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

Анализ производителей сухих строительных смесей

Анализ оборудования для производства сухих строительных смесей

Бизнес-план производства сухих строительных смесей в Приволжском ФО

Автор – ЕТС-Киев