Производство, применение и состав сухих строительных смесей

В последнем десятилетии XX века использование сухих смесей при проведении строительно-отделочных и ремонтных работ наконец-то стало нормой и в нашей стране. Материалы для устройства полов, гидроизоляционные и ремонтные составы, клеи для керамической плитки и натурального камня, затирки для швов (фуговки), штукатурные смеси самого разного назначения — вот далеко не полный перечень продуктов, поставляемых в форме сухих смесей. К сожалению, основная масса потребителей не имеет ни малейшего понятия о том, что скрывается за красивой (или не очень красивой) упаковкой, а основным критерием выбора того или иного материала нередко остается его стоимость, что в принципе не верно. Почему? Попробуем разобраться.
Современные сухие смеси — это не просто цемент с песком, а продукт наукоемких технологий, применение которого позволяет не только значительно увеличить производительность труда, но и получить совершенно иные качественные результаты, недостижимые в случае использования традиционных цементно-песчаных смесей. Естественно, что производители хранят рецептуры своих смесей в глубочайшей тайне, но общие принципы формирования специфических характеристик материалов, а также компоненты, входящие в них, хорошо известны. В составе модифицированных сухих смесей можно выделить четыре основные группы компонентов: минеральные вяжущие, инертные наполнители, добавки для получения специальных свойств, в том числе водоудерживающие, а также полимерные связующие, которые работают в том же направлении, что и минеральные, но имеют совершенно иной механизм действия.
Минеральные вяжущие вещества.
В качестве гидравлического минерального вяжущего чаще всего используются портландцементы (белые и серые), быстротвердеющие высокоалюминатные цементы, a- и .-полугидратный гипс, а также их комбинации. При совместной гидратации цемента и гипса образуется большое количество минерала, называемого эттрингит, наличие которого способно привести к разрушению материала, полученного из сухой смеси, поэтому такая комбинация находит ограниченное применение, например для устройства безусадочных полов с жесткой поверхностью. Гидратированная известь (пушонка) отверждается в результате реакции c двуокисью углерода (CO2), а потому является воздушным вяжущим.
В настоящее время известь используется в качестве добавки (5—30%) к цементным материалам, позволяющей значительно улучшить перерабатываемость затворенного раствора, а в качестве основного вяжущего — только в специализированных составах, предназначенных для реставрации исторических зданий. Если наполнитель выбран правильно, то есть имеет невысокую пористость, плотную упаковку и достаточную собственную прочность, то прочность и плотность получаемой минеральной композиции зависят только от свойств вяжущего вещества.
К сожалению, технические характеристики цемента, даже одного производителя, могут существенно варьировать от партии к партии, что ведет к изменению свойств сухой смеси при неизменной рецептуре. Несмотря на наличие в нашей стране огромного количества месторождений CaCO3, существуют большие проблемы и с качеством извести. В связи с этим нельзя не упомянуть о международной системе менеджмента качества DIN ISO 9001. Бытует ошибочное мнение, что наличие сертификата ISO 9001 является безусловной гарантией качества продукции. Это не совсем так. Стандарт ISO 9001 не определяет качественные характеристики материалов, а гарантирует лишь стабильность свойств выпускаемой продукции. Специальная комиссия проводит обследование предприятия, оценивает состояние его оборудования, технической документации, организацию производственного процесса и качества исходного сырья.
Решение о выдаче (или отказе в выдаче) данного сертификата принимается на основании всестороннего анализа полученных результатов. В дальнейшем при внесении в технологию производства любых изменений, способных повлиять на соответствие продукции требованиям нормативных документов, производитель обязан известить об этом комиссию, выдавшую сертификат. В свою очередь, комиссия, рассмотрев заявку, вправе принять решение о проведении повторной сертификации.
Таким образом, знак ISO 9001, присутствующий на упаковке с сухой смесью или в технической документации, означает, что продукт изготовлен на предприятии, прошедшем сертификацию, а информация, содержащаяся в техническом описании, соответствует действительности.
Наполнители
При производстве сухих смесей в качестве наполнителей чаще всего применяются известняковая мука и кварцевый песок. Использование доломита вместо известняковой муки не рекомендуется из-за содержания в нем большего количества растворимых солей магния, что может привести к образованию высолов.
В состав теплоизоляционных штукатурных смесей входят и пористые наполнители, такие, как керамзит, перлит и вермикулит, а в некоторых случаях — гранулированный пенополистирол. Если необходимость применения цемента высокого качества не вызывает и тени сомнения, то целесообразность использования наполнителей и, в частности, песка определенных кондиций, с точки зрения неспециалиста совершенно не очевидна.
А между тем качество сухой смеси зависит не только от гранулометрического состава наполнителя, но и от содержания посторонних добавок, наличие которых существенно влияет на конечный результат. В частности, даже небольшое содержание примесей глины способно значительно уменьшить адгезию раствора, а присутствие некоторых растворимых соединений инициирует разрушение дорогостоящих органических добавок.
Кроме того, в составе минерального наполнителя могут содержаться химические соединения (например, активный оксид алюминия), способные влиять на процесс гидратации цемента. Чтобы избежать подобных неприятностей производители стремятся использовать наполнитель из одного месторождения, что позволяет обеспечить стабильное качество конечного продукта.
Например, нивелирующие массы торговой марки «Ветонит», пользующиеся неизменной популярностью среди наших строителей, производятся на заводе компании Optiroc, который расположен в центре карьера, песок из которого используется в качестве наполнителя.
К сожалению, объем журнальной статьи не позволяет подробно рассмотреть такие важные параметры наполнителя, как твердость и пористость. Коротко остановимся на влиянии ситовых характеристик. Большинство растворов для тонкослойного нанесения, таких как плиточные клеи и тонкие штукатурки, содержат, как правило, зерна не крупнее 0,6 мм. Составы, предназначенные для толстослойного нанесения, в том числе и декоративные, содержат более крупные зерна. Размер до 0,1 мм характерен для таких гладких растворов, как шпаклевки и расшивочные массы. Максимальные механические показатели, например усилие на отрыв, при минимальном расходе химических добавок могут быть достигнуты в том случае, когда наполнитель имеет достаточно плотную упаковку, то есть содержит примерно одинаковые доли различных фракций.
Модифицирующие добавки.
Применение специальных добавок (модификаторов) при создании рецептур модифицированных сухих смесей обусловлено необходимостью получения определенных технических и технологических характеристик этих материалов и, в первую очередь, — потребностью удержания воды в затворенном растворе после его нанесения. Вода впитывается в основание и испаряется с поверхности раствора, что приводит к сокращению времени пребывания цемента в фазе геля, уменьшению степени гидратации и, как следствие, к снижению прочности. Чем меньше толщина слоя раствора, тем больше сказываются на качестве образующегося цементного камня указанные недостатки.
В начале прошлого века в Германии был разработан способ получения водорастворимых эфиров целлюлозы. Исследования показали, что вследствие слабого межмолекулярного взаимодействия с молекулами воды эти полимеры обладают великолепной водоудерживающей способностью. Каждая молекула полимера может удерживать до 20 тыс. молекул воды.
Энергия этого взаимодействия сопоставима с энергией испарения и капиллярной диффузии в основу, что является препятствием для ухода воды. В свою очередь, эта энергия несколько меньше, чем энергия диффузии воды при гидратации цемента, что позволяет ему отбирать эту воду.
Фактически вода в растворе заменяется гомогенным желеобразным раствором метилцеллюлозы, в котором взвешены частички цемента и заполнителя. Высокая водоудерживающая способность такой системы способствует полной гидратации цемента и позволяет раствору набирать необходимую прочность даже при тонкослойном нанесении. После ухода воды полимер в виде тончайшей пленки остается на поверхностях между цементным камнем и наполнителем, никак не влияя на механические характеристики затвердевшего раствора. Таким образом, добавление незначительного количества (0,02—7%) водорастворимых эфиров целлюлозы к цементно-песчаным смесям приводит к существенному увеличению открытого времени и дает возможность раствору гидратироваться равномерно по всему объему, а также обеспечивает существенное повышение адгезии к основанию и улучшение качества поверхности.
Чем больше толщина слоя цементного раствора, тем меньше метилцеллюлозы требуется для обеспечения необходимой степени начальной гидратации, поэтому на этикетке сухой смеси должна быть четко указана минимально допустимая толщина нанесения состава. В свою очередь, недопустимо и толстослойное (10 мм и более) применение раствора с высоким содержанием эфира целлюлозы, предназначенного для тонкослойных технологий. В этом случае может проявиться «эффект карамели», когда поверхность отверждается нормально, а внутри сохраняется не отвердевший цементный раствор. По этой причине для подготовки неровных оснований (с перепадами более 10—15 мм) рекомендуется применение системы материалов, состоящей из сухой смеси для грубого выравнивания и тонкослойной нивелирующей массы, обеспечивающей получение гладкого финишного слоя, на поверхность которого и укладывается напольное покрытие. Системный подход не только позволяет избежать перечисленных неприятностей, но и снизить уровень затрат на материалы.
К следующей группе добавок относятся дисперсионные порошки, которые, в отличие от водорастворимых производных целлюлозы, при затворении водой образуют не растворы, двухфазные системы, состоящие из полимерных частиц (на основе сополимеров винилацетата и этилена, винилхлорида, стирол-акрилата и т.п.), диспергированных в воде. Добавление этих составов в продукты строительной химии позволяет активно влиять на характеристики конечного материала и обеспечивает получение результатов, недостижимых при использовании только традиционных минеральных вяжущих.
Первые попытки модификации цементных смесей полимерами заключались в добавлении к воде затворения дисперсии винилацетата, извест- ной как клей ПВА. В процессе образования винилацетатной пленки происходит значительная (до 10%) усадка, что влечет за собой растрески- вание полимерно-цементного материала, поэтому от применения ПВА быстро отказались.
Следующим этапом стало использование двухкомпонентных составов, состоящих из цементно-песчаной смеси, приготовленной в заводских условиях, и полимерной дисперсии, поставляемой в жидком виде, которые смешиваются на строительной площадке. Двухкомпонентные растворы применяются до сих пор, но водная дисперсия теряет свои свойства при замерзании, поэтому в холодное время года ее транспортировка и приготовление рабочего раствора вызывают определенные затруднения.
Начало производства однокомпонентных сухих строительных смесей относится к 1953 году, когда специалистам фирмы Wacker (Германия) удалось получить сухой редиспергируемый порошок, образующий после затворения водой двухфазную систему, обладающую свойствами исходной полимерной дисперсии.
Дисперсии отличаются от метилцеллюлозы и механизмом действия. По мере расходования вода концентрируется в порах цементного камня и там же концентрируется дисперсия, образуя «эластичные мостики», работающие на растяжение и изгиб несравненно лучше, чем цемент. Комбинация минеральных и полимерных вяжущих предоставляет возможность производства продуктов строительной химии, обладающих не только повышенными прочностными свойствами и улучшенной адгезией (в том числе и к таким «проблемным» основаниям, как металл, дерево, пластик, глазурованная плитка и т.п.), но и управляемыми реологическими (тиксотропность, пластичность) и специальными (гидрофобность, текучесть) характеристиками.
Например, выравнивающие растворы для полов содержат комбинацию специальных дисперсионных добавок с органическими и синтетическими пластификаторами, наличием которых и определяются такие специфические свойства этих материалов, как способность к растеканию и гладкость получаемой поверхности. Дисперсионные модификаторы, входящие в состав клеевых составов для плиточных работ, улучшают условия работы, продлевают срок жизни затворенного раствора и повышают тиксотропность (способность загустевать в состоянии покоя и разжижаться при перемешивании) материала.
Кроме повышения адгезии к сложным основам, дисперсионные порошки выполняют функции полимерного вяжущего в тех случаях, когда величи на сдвиговых нагрузок превышает возможности цементно-песчаных растворов, модифицированных только эфиром целлюлозы. Пластичность таких клеевых составов позволяет, в частности, компенсировать термические напряжения, возникающие между облицовочным материалом и основанием.В первую очередь это относится к фасадным системам, где суточные колебания температуры могут достигать 70—80°С и «теплым» полам, где перепады температур также очень велики.
Очень высокое (20—30%) содержание полимера приводит к тому, что цемент уже не образует непрерывной кристаллической решетки, а отдельные фрагменты цементного камня связаны между собой только эластичными полимерными цепочками. Такие материалы применяются для устройства гидроизоляции. Ассортимент многих производителей компонентов строительной химии (CLARIANT, BAYER, WACKER и др.) включает в себя дисперсионные порошки с температурой пленкообразования порядка 0°С, что позволяет использовать сухие смеси с добавкой этих материалов при низких (но не отрицательных) температурах, а некоторые марки дисперсионных порошков имеют температуру пленкообразования на уровне –15°С. Растворы, в рецептуре которых используются такие порошки, предназначены для проведения строительноотделочных работ в зимний период (при температурах не ниже –10°С).
Составление рецептуры сухих смесей — это сложный и длительный процесс, невозможный без участия квалифицированного персонала и предполагающий обязательное наличие современной лаборатории для анализа и испытания образцов, оснащенной высококлассным оборудованием. В связи с этим хочется предостеречь потребителей от попыток кустарной «модификации» простых цементных растворов.
В частности, распространенная в нашей стране практика «улучшения» простых цементно-песчаных смесей дисперсией винилацетата (клей ПВА) приводит к весьма плачевным результатам. Низкая стойкость к щелочным растворам, присущая винилацетату, вызывает его омыление в местах с повышенной влажностью (ванные комнаты и т.п.). Именно это обстоятельство является причиной того, что отваливается плитка, уложенная на раствор с добавлением клея ПВА.