Технология сухих строительных смесей

Е. Н. Потапова




ТЕХНОЛОГИЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ








Допущено федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 18.00.00 «Химические технологии» в качестве учебного пособия, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Химическая технология»













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 666.9:691.3/.5
ББК 35.41+38.3
    П64


Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева А. ИЗахаров;
доктор технических наук, профессор Московского государственного строительного университета (НИУ МГСУ) С. В. Самченко


            Потапова, Е. Н.


П64 Технология сухих строительных смесей : учебное пособие / Е. Н. Потапова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 376 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1239-1

         Показана история развития технологии сухих строительных смесей (ССС). Приведены основные термины и определения. Дана классификация сухих смесей по условиям применения, способу нанесения, виду вяжущего, наибольшей крупности заполнителя и функциональному назначению. Рассмотрены минеральные, полимерные и смешанные вяжущие материалы, которые могут использоваться в сухих строительных смесях. Приведены классификация и основные свойства заполнителей и наполнителей. Подробно рассмотрены функциональные добавки, с помощью которых возможно прогнозировать и регулировать основные свойства сухих строительных смесей. Дана оценка проектируемых свойств растворных смесей и затвердевшего строительного раствора, рассмотрены последовательность разработки рецептур сухих смесей и расчет ориентировочного состава строительного раствора.
         Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и аспирантов - по специальности 2.6.14 «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов».

                                                       УДК 666.9:691.3/.5
                                                       ББК35.41+38.3










ISBN 978-5-9729-1239-1

     © Потапова Е. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


    В последние годы промышленность строительных материалов претерпела изменения, обусловленные необходимостью сокращения сроков и стоимости работ, внедрением новых технологий и материалов для упрощения и повышения производительности труда. Объемы жилищного строительства, предусмотренные национальным проектом «Жилье и городская среда», предполагают дальнейшую модернизацию строительной отрасли, повышение качества индустриального жилищного строительства, значительное увеличение производства эффективных строительных материалов и изделий. Долговечность и надежность объектов строительства непосредственно зависит от качества применяемых материалов.
    Одним из путей успешного решения этих задач является выпуск модифицированных сухих строительных смесей и растворов. Модифицированные сухие смеси представляют собой смесь минеральных вяжущих, заполнителей, наполнителей строго фиксированной дисперсности и модифицирующих химических добавок.
    Сухие строительные смеси находят все большее применение в строительстве для монтажных и отделочных работ, санирования и ремонта зданий благодаря ряду преимуществ по сравнению с применением товарных растворных и бетонных смесей. Использование товарных растворов централизованного приготовления для выполнения кладочных и штукатурных работ с переработкой их на объекте имеет ряд недостатков:
    •  повышенный расход цемента или другого вяжущего на 10-15 % из-за неудовлетворительного качества инертных заполнителей;
    •  отсутствие возможности порционной подачи растворов потребителю;
    •  разрыв технологического процесса производства работ во времени из-за вынужденных простоев бригад рабочих в результате сбоев графиков поставок растворных или бетонных смесей на строительные объекты;
    •  ухудшение технологических свойств товарных смесей ввиду отсутствия полной гарантии их нерасслаиваемости в процессе транспортирования и трудностей, связанных с необходимостью изготовления многокомпонентных составов и точной дозировки, малых количеств различных добавок.
    Поэтому возникла необходимость нахождения альтернативы товарным и растворным смесям. Этой альтернативой является производство сухих строительных смесей различного назначения.
    Производство модифицированных сухих строительных смесей и растворов отличается большим многообразием видов и широким ассортиментом продукции. Современные специалисты должны уметь хорошо разбираться в обширной номенклатуре этой продукции, выбирать для конкретных условий применения наиболее эффективные и подходящие ее виды с учетом качественных показате

3

лей, владеть знаниями в области технологии строительных материалов, представлять физико-химическую сущность процессов переработки исходного сырья в готовый продукт.
    Научиться оценивать качество материалов, находить возможные пути регулирования и управления этим качеством и уметь определить области рационального применения материалов в практике современного строительства можно только на основе глубокого изучения связи между составом, строением и свойствами материала.
    В современных условиях производство сухих строительных смесей должно соответствовать мировым стандартам качества. Требуется не только модернизация устаревшего оборудования и производство новых конкурентоспособных материалов, но и знание их свойств для дальнейшего правильного применения на строительной площадке.
    Производство сухих строительных смесей требует постоянного совершенствования технологии, оборудования и составов. Только наличие высококвалифицированного персонала, владеющего не только основами технологии, но и навыками и знаниями в проектировании составов и использования достижений химии, позволит предприятию постоянно производить обновляющуюся конкурентоспособную продукцию.
    В данном учебном пособии изложены основы современных представлений о сухих строительных смесях и растворах. Дана оценка проектируемых свойств растворных смесей и затвердевшего строительного раствора, рассмотрены последовательность разработки рецептур сухих смесей и расчет ориентировочного состава строительного раствора. Представлены технологические схемы производства сухих строительных смесей.
    Приведены основные свойства сухих строительных смесей, растворных смесей и затвердевших растворов. Описаны составы, свойства, производство работ и методы испытаний сухих строительных смесей различного назначения.
    Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и для аспирантов - по специальности 2.6.14 «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов».

4

1. ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ОТРАСЛИ


    Строительные растворные смеси на основе минеральных вяжущих (гипс, известь, цемент) так же, как и бетон, используются в строительстве зданий и сооружений уже более 8000 лет. Известно, что их применяли еще при постройке египетских лабиринтов, древних мексиканских пирамид, использовали при возведении городских стен, башен и крепостей.
    Интересно, что во все времена принцип формирования компонентного состава строительных растворов был практически одинаков. В состав строительных растворов всегда входили вяжущее вещество, заполнитель и вода; иногда -дополнительная примесь для придания раствору особых свойств. При этом, несмотря на одинаковый набор компонентов, химические составы строительных растворов в разных странах имели существенные различия, обусловленные, прежде всего, географическими факторами.
    Отдельные примеры связывания мелких камней растворами были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян.
    На протяжении нескольких тысячелетий бетоны и растворы на основе гипса и извести были единственно известными вяжущими материалами (не считая глины), а кизяк да птичьи яйца - первыми модифицирующими добавками. В античные и средние времена для улучшения технических характеристик производимых строительных материалов использовались такие добавки и присадки, как разные виды мыла, смолы, белки и зола. Они перемешивались на строительной площадке с минеральными вяжущими веществами и заполнителями.
    Огромный вклад в развитие ранних сухих смесей внесли мастера росписи стен. Стремление создать произведения долговечными побудило мастеров анализировать причины разрушения росписей, искать пути предохранения их от преждевременной гибели. Многовековой практический опыт говорит о том, что одними из условий долголетия произведений настенной живописи является доброкачественность штукатурного основания и грунта, на котором они написаны, и добротность кладки стены, на которой этот грунт положен, качество ее материалов. Мастера прошлых эпох старались придать грунтам и долговечность, используя специально разработанные методики и рецептуры компонентов.
    Первый патент на изготовление и применение сухих смесей был опубликован в 1893 г. Однако до 1950-х гг. строительные растворные смеси производились исключительно или в «мокром» виде - готовыми к употреблению, либо по так называемой технологии приготовления раствора на стройплощадке (job site mixing). Приготовление на строительной площадке подразумевало транспортировку отдельных компонентов на строительную площадку и их перемешивание на площадке в соответствующей пропорции (рис. 1.1).

5

     Раствор сухой строительной смеси


Рис. 1.1. Варианты приготовления растворной смеси на строительной площадке


    Основными недостатками строительных растворных смесей, приготовленных на строительной площадке, является то, что процесс их приготовления не может быть автоматизирован, а качество строительных растворов не может быть гарантировано. Кроме того, некоторые виды добавок либо вообще нельзя ввести в состав смеси, либо можно ввести только с высоким риском ошибок дозирования и перемешивания, что приводит к получению неоднородных и непостоянных по своим свойствам строительных растворов.
    Недостатком заводских смесей был и ограниченный срок годности - от нескольких часов у растворов, до пары месяцев - у шпаклевок и паст. При «полевом» способе производства (приготовление растворных смесей непосредственно на строительном объекте) сложно соблюсти необходимые пропорции, что приводило к нестабильности составов и к падению качества. Зачастую такой способ приготовления растворных смесей не предусматривал введение различных химических добавок и не позволял изготавливать высококачественные смеси широкой номенклатуры. Все это приводило к серьезным нарушениям технологии производства работ на строительных площадках и не соблюдению проектных решений.
    До появления сухих строительных смесей (ССС) большую популярность при введении отделочных работ имел цементно-песчаный раствор (так называемая «гарцовка»), который изготавливали непосредственно на площадке строительства. Такая строительная смесь по всем параметрам подходит для кирпичной кладки и для штукатурки с нанесением слоев от 10 мм и более. Однако цементнопесчаный раствор довольно плохо воспринимает растягивающие и изгибающие нагрузки, особенно при нанесении в тонкий слой. Подобные смеси обладали очень низкой способностью удерживать воду. Затворяющая вода очень быстро впитывалась поверхностью в основание, а также испарялась в атмосферу - что мешало необходимой гидратации цемента. В результате чего раствор не набирал нужного значения прочности.

6

    Поэтому с течением времени технология приготовления строительных растворов на строительной площадке была вытеснена технологией заводского приготовления сухих строительных растворных смесей (dry pre-mixing). Сухие строительные смеси производятся на специально спроектированных заводах по производству сухих растворных смесей, где минеральное вяжущее, заполнители и необходимые добавки отвешиваются в необходимых пропорциях и смешиваются соответствующим образом. Сухие строительные смеси для конкретных областей применения, как правило, производятся в соответствии с рецептурой и составом, разработанным и предварительно испытанным в лаборатории. Сухие строительные смеси заводского изготовления доставляются на строительную площадку в мешках или в специальных бункерах, их необходимо смешивать с водой только перед использованием.
    Возможность добавления к сухой смеси специальных сухих добавок или присадок в точно определенном количестве способствовала созданию высококачественных минеральных строительных растворных смесей с точно определенными и специфическими техническими свойствами. Широкое распространение подобных смесей дало возможность полного изменения культуры производства любых ремонтных и отделочных работ (точная рецептура, сокращение расхода строительных растворов), а их эффективность возрастала на 150-200 %.
    Применение модифицирующих добавок позволило изменять в широких пределах технологические свойства растворных смесей и строительно-технические свойства растворов и открыло возможность широкого применения тонкослойных технологий и технологий машинного нанесения. На сегодняшний день во многих промышленно развитых странах доля используемых в строительстве бетонов и растворов, приготовленных с использованием модифицирующих добавок, достигает 90-95 %. Иногда в составе определенного вида сухой смеси присутствуют комбинации из 15 модифицированных добавок, а иногда достаточно и одной-трех. При этом на химические модифицирующие добавки приходится в среднем 4 % состава любой сухой строительной смеси.
    Мировой и отечественный опыт использования сухих смесей показал их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными смесями, приготавливаемыми на строительной площадке, и традиционными методами проведения работ:
    •  существенное повышение качества строительных работ вследствие стабильности их состава и эффективного перемешивания;
    •  повышение производительности труда в 1,5-5 раз в зависимости от вида работ, механизации, транспортировки ит.д.;
    •  снижение материалоемкости по сравнению с традиционными технологиями в 3-10 раз (плиточные работы - в 7 раз, выравнивание стен и полов -в 10 раз);
    •  длительность срока хранения без изменения свойств и расходование по мере необходимости;

7

    •  негорючесть материалов, низкая категория химической вредности;
    •  возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре.
    Еще одним достоинством сухих строительных смесей является их экологичность - они не выделяют вредных веществ, поэтому не загрязняют воду и воздух и не оказывают вредного воздействия на человека.
    У сухих строительных смесей отсутствуют технологические ограничения по дальности транспортирования. Сухие смеси могут использоваться на строительных объектах мелкими порциями, храниться достаточно длительное время (по полугода), сохраняя при этом все свои свойства.
    В настоящее время в мире выпускается широкая номенклатура сухих смесей для различных видов строительных работ (рис. 1.2). Наибольшее распространение получили так называемые облицовочные, выравнивающие, напольные, гидроизоляционные сухие строительные смеси и смеси для систем внешней теплоизоляции зданий.

Рис. 1.2. Структура рынка сухих строительных смесей России

    По сравнению с остальными секторами промышленности рынок строительных смесей можно назвать достаточно молодым. На российском рынке сухие строительные смеси появились только в 90-х годах прошлого столетия. Первые сухие строительные смеси были изготовлены в Польше, Финляндии и Германии - это финские материалы марки Vetonit, немецкие штукатурные смеси Knauf и др. Их стоимость по отечественным меркам была очень высокой - из-за больших транспортных расходов и низкого уровня конкуренции. Уже через несколько лет после прихода «иностранцев» - после 1998 г. - в России стали производить свои сухие строительные смеси. Появилась продукция таких торговых марок, как «Бирсс», «Глимс», «Крепс», «Боларс», «Юнис», «Старатели». Рынок стал расти быстрыми темпами, прибавляя примерно 40-50 % в год.

8

    Сегодня в «десятку» мировых производителей сухих смесей входят Saint-Gobain Weber, Materis (PAREX), Henkel, Mapei, Sto, Ardex, BASF, Baumit, Bostik и Knauf. Можно также отметить, что сегодня компании, которые в свое время лишь импортировали ССС из-за рубежа, активно создают в России собственные производства. За счет экономии на таможенных пошлинах, транспортных расходах и других затратах, удорожающих себестоимость продукта, их инвестиции сравнительно быстро окупаются. Для примера можно назвать компанию «Мапеи» (Mapei), которая в 2002 г. организовала выпуск строительных материалов на территории небольшого завода в Южном Порту, а в 2006 г. запустила большой завод в подмосковном Ступине. «Хенкель Баутехник» в 2007 г. ввела в эксплуатацию новый завод на Урале по выпуску фасадных материалов нового поколения марки CERESIT. Собственные производственные предприятия создал и «Сен-Гобен Вебер Рус». Благодаря постоянным инвестициям в развитие бизнеса в СНГ, на конец 2019 г. «Сен-Гобен» владел в России уже восемью действующими заводами.
    Крупные компании уделяют внимание и обучению работе с ССС. К примеру, в «КНАУФ» практикуют как занятия для строителей, так и лекции в вузах для будущих инженеров-руководителей. Все это способствует популяризации и продвижению продукции.
    В ноябре 2013 г. компания «Сен-Гобен» открыла свой инновационный учебный центр «Академия Сен-Гобен», а в конце 2015 г. - первый на территории России Центр исследований и развития WEBER. Сотрудники Центра ведут исследования в области химической технологии строительных материалов, занимаются разработкой продукции, максимально отвечающей специфике и потребностям российского рынка, исследованиями физико-химических свойств материалов, тестированием различных компонентов, входящих в состав продуктов «Сен-Гобен». С 2016 г. на базе Центра проводятся и фундаментальные исследования.
    Компания «Henkel» пошла еще дальше - в 2014 г. с целью познакомить детей с исследовательской работой, привить интерес к естественным наукам, а также рассказать о главных принципах заботы об окружающей среде стартовала образовательная программа «Мир Исследователей Henkel». За это время было проведено более 900 уроков, более 5000 школьников стали участниками программы, и их число продолжает расти. С 2016 г. компания Henkel организует занятия программы на регулярной основе в Московском Дворце пионеров.
    Крупные зарубежные компании, создающие в России собственные производства, уделяют большое значение устойчивому развитию. В течение долгого времени рост и потребление ресурсов были неразрывно связаны. Рост населения и повышение уровня жизни всегда означали увеличение потребления ресурсов планеты. И эта тенденция продолжится, так как ожидается, что к 2050 г. мировое население составит 9 миллиардов человек. Расход ресурсов будет ускоряться в ближайшие десятилетия, поскольку такие природные ре

9

сурсы, как ископаемое топливо и вода потребляются гораздо быстрее, чем планета их производит. Такие тенденции являются серьезные вызовами будущего, но в то же время они предоставляют большие возможности: инновации и принцип достижения большего с меньшими ресурсами станут ключевыми факторами устойчивого развития.
    Компания «Henkel» свои приоритеты разделила на два измерения (рис. 1.3): «больше ценности» и «меньшее воздействие на окружающую среду».

Рис. 1.3. Приоритетные направления устойчивого развития компании «Henkel»

    Под такими лозунгами «подпишутся» большинство компаний - производителей сухих строительных смесей.
    Чтобы сократить логистические расходы, компании строят новые заводы в непосредственной близости к рынку сбыта. Наметилась тенденция к отказу от импортных составляющих для ССС - также в целях удешевления продукции. Помимо основной базы, некоторые компоненты, например, редиспергируемый полимерный порошок, уже выпускают и в России.
    Сегодня сухие строительные смеси выпускают порядка 250-300 предприятий, «оккупировавших» не менее 80 % рынка. Около половины всей продукции приходится на долю признанных лидеров, в первую очередь «КНАУФ». Ряды крупных игроков пополняют «Крепс», «Старатели», «Юнис», «Ветонит»,

10