Перспективы развития и применения сухих строительных смесей на основе гипса Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.55, УДК 691.58

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГИПСА

1 9

© К.Н. Пуценко', В.Б. Балабанов2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Строительные материалы на основе гипсового вяжущего относятся к числу перспективных видов строительных материалов и находят все более широкое применение в строительной отрасли. Для получения материалов с повышенными физико-техническими характеристиками необходима правильно разработанная рецептура, важной составляющей которой являются добавки. В связи с этим рассмотрены вопросы разработки составов сухих строительных смесей, проведен анализ российского рынка сухих строительных смесей в сопоставлении с зарубежным, выявлены преимущества и недостатки существующих смесей. Сделаны выводы о различиях применяемых рецептур.

Ключевые слова: промышленное и гражданское строительство; строительные материалы; сухие строительные смеси; отделочные материалы; разработка рецептуры.

DEVELOPMENT AND APPLICATION PROSPECTS OF DRY GYPSUM-BASED CONSTRUCTION MIXTURES

K.N. Putsenko, V.B. Balabanov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Building materials based on gypsum binder are among the promising types of building materials and are in ever-growing use in the construction industry. Production of materials with improved physical and technical characteristics requires an accurate formulation, whose important component is additives. In this regard, the article discusses the development aspects of formulations of dry construction mixes, analyzes the Russian market of dry construction mixes in comparison with the foreign market and identifies the advantages and disadvantages of existing compounds. The conclusion is drawn on the differences of the applied formulations.

Keywords: industrial and civil engineering; building materials; dry construction mixes; finishing material; formulation.

В настоящее время проблема производства высокоэффективных строительных материалов, которые отвечали бы всем современным требованиям экологической безопасности, требованиям физико-механических свойств и экономичности, стала очень актуальной, поэтому требуется внесение корректив в методы разработки новых строительных материалов с последующей их адаптацией к постоянно меняющимся условиям строительного производства.

Строительные материалы на основе гипсового вяжущего относятся к числу перспективных видов строительных материалов и находят все более широкое применение в сфере строительного производства.

Для получения материалов с повышенными физико-техническими характеристиками необходима правильно разработанная рецептура, где важной составляющей являются модифицирующие добавки, которые большей частью поставляются зарубежными производителями и, как следствие, являются весьма дорогостоящими. В связи с этим использование местного сырья для производства данных смесей является важной научно-технической задачей.

Актуальность поставленной проблемы определяется следующими факторами:

1. Строительные материалы на основе гипсового вяжущего относятся к числу высокоэффективных и перспективных ви-

1

Пуценко Ксения Николаевна, аспирант, тел.: 89041315613, e-mail: putsenko_kseniya@mail.ru Putsenko Ksenia, Postgraduate, tel.: 89041315613, e-mail: putsenko_kseniya@mail.ru

2Балабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, тел.: (3952) 405149, 89025161302, e-mail: ad@istu.edu

Balabanov Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, tel.: (3952) 405149, 89025161302, e-mail: ad@istu.edu

дов строительных материалов.

2. Методы и технологии производства материалов на основе гипсового вяжущего требуют пересмотра (расширения, обновления) с учетом последних достижений науки.

3. Острая необходимость в расширении области применения материалов на основе гипсового вяжущего за счет улучшения их эксплуатационных свойств, для чего необходимо использовать модифицирующие добавки, которые, в свою очередь, требуется разработать.

4. Необходимость изучения структуры материалов на основе гипсового вяжущего, модифицирующих добавок и того, как они взаимодействуют, какие свойства приобретает гипс после применения добавок.

Использование гипсовых вяжущих материалов и гипсовых изделий в современном строительстве

В настоящее время материалы и изделия на основе гипсовых вяжущих получают все более широкое распространение в сфере строительного производства на мировом уровне. В Германии, Испании, Франции, США, Канаде, скандинавских странах, являющихся признанными лидерами в производстве сухих строительных смесей, применение материалов на основе гипсового вяжущего получило широкое распространение еще несколько десятилетий назад. В России гипсовые материалы стали использоваться значительно позднее. Однако за последние 15 лет создано несколько сотен предприятий различной производительности.

Гипсовые материалы обладают рядом достоинств: огнестойкость, высокие экологичность, термоизоляция и звукопоглощение. Названные характеристики позволяют считать гипсовые материалы идеальными для выполнения ремонтно-отделочных работ. Основные направления применения материалов на основе гипсового вяжущего:

- комплексные системы: потолки, перегородки, напольные стяжки;

- гипсовые штукатурки, шпаклевки, затирки;

- лепнина и другие элементы декора интерьера.

Классификация сухих строительных смесей

Сухая строительная смесь (ССС) -изготовленная в заводских условиях смесь сухих компонентов, содержащая в определенной пропорции минеральные и полимерные вяжущие, заполнители и модифицирующие (функциональные) добавки различного назначения, применяемая при строительстве, реконструкции, реставрации и капитальном ремонте зданий и сооружений [1].

Для придания ССС специфических свойств в состав вводятся следующие добавки: ускоряющие затвердевание, поро-образовывающие, противоморозные, окрашивающие, гидрофобизирующие пено-гасители, суперпластификаторы, антивспе-ниватели, армирующие волокна, пигменты, компенсаторы усадки, загустители и т.д.

ССС дифференцируются согласно следующему ряду признаков: вид вяжущего (цементосодержащие и бесцементные), дисперсность наполнителя (крупнозернистые и тонкодисперсные) и основной вид назначения.

По назначению ССС подразделяются на: кладочные, монтажные, штукатурные, шпаклевочные, грунтовочные, клеевые, затирочные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, окрасочные, самонивелирующиеся.

ССС состоит из трех основных компонентов: вяжущее, наполнитель и добавка.

В качестве вяжущего используют портландцемент, известь-пушонку, гипс, в качестве наполнителя - кварцевый или полиминеральный песок. Главным компонентом в ССС является добавка. В табл. 1 представлена классификация добавок по функциональному признаку.

В 1977 г. профессор В.Б. Ратинов разделил добавки, регулирующие сроки схватывания вяжущих веществ, по механизму их действия на четыре класса [6]:

1) добавки, которые меняют растворимость вяжущих и не вступают с ними в

химические реакции;

2) вещества, реагирующие с вяжущими веществами с образованием труднорастворимых или малодиссоциирующихся соединений;

3) вещества - центры кристаллизации;

4) поверхностно-активные добавки

(ПАД).

Анализ используемых добавок для сухих строительных материалов (на основании данных крупнейшей российской организации, занимающейся поставкой химического сырья для производства лакокрасочных материалов, ССС, бытовой химии и т.д.) позволяет классифицировать их по основным характеристикам (табл. 2).

Таблица 1

Классификация добавок по функциональному признаку [5]

Функциональный признак добавок Свойства Химическая природа Марка

Стабилизирующие 1. Реологические свойства: связность, удобоукладываемость. 2. Осаждение наполнителей и испаряемость частиц воды из смеси до момента схватывания Эфиры целлюлозы: карбок-симетилцеллюлоза (КМЦ), метилгидроксиэтилцеллю-лоза (МГЭЦ), метилцеллю-лоза Tilosa, Walocel M, Kulminal

Диспергируемые полимерные порошки (ДПП) 1. Диспергируемость ПП при за-творении водой ССС. 2. Образование пленок, увеличивающих непроницаемость и прочность затвердевшего материала после испарения частиц воды из ССС. 3. Подвижность, водоудерживаю-щая способность, адгезия, замедление испарения воды из смеси Стирол-бутадиеновые, ви-нилацетатэтиленовые и ви-нилацетатакриловые сополимеры, гомополимеры полиакриловых эфиров, ви-нилацетатные гомополиме-ры Movilit, Vinnapas, Roximat PAV

Таблица 2

Классификация добавок по основным характеристикам [4]_

Вид добавки Химический состав Свойства Марка (производитель)

Модификатор вязкости Эфиры целлюлозы (метил-гидроксипропилцеллюлоза) Порошок, растворимый в воде: - с замедленным набуханием; - без замедленного набухания Hecellose, Mecellose (Корея)

Суперпластификаторы Сульфонированный порошковый продукт поликонденсации на основе меламина Пластификация. Уменьшают расход воды для смесей Melment, Melflux (Германия)

Модифицированный поли-эфиркарбоксилат / поликар-боксилатный эфир Диспергатор, снижение усадки, высокая ранняя прочность. Эффективны в широком диапазоне температур

Редисперги- руемые порошки Редиспергируемый в воде дисперсионный порошок сополимера из винилацетата и этилена Сцепление (адгезия), прочность при изгибе и растяжении, пластичность, стойкость к истиранию, пеногасящие свойства VINNAPAS® (Германия)

Компенсаторы усадки Композиционный материал на основе аморфного алюмината кальция Высокая скорость гидратации на ранней стадии Denka ® (Япония)

Спирты на неорганическом носителе Снижение капиллярного напряжения и усадочных деформаций, повышение трещиностойкости Sitren (Япония)

Порообразо- Аурил сульфат натрия / не-ионогенный ПАВ, насыщенный жирный спирт с оксидом этилена Порообразователь Esapon (Корея)

ватели Анионный ПАВ на базе высокомолекулярного олефин-сульфоната Порообразователь, смачиватель, пластификатор. Морозоустойчивы, способствуют снижению высолов ASCO 93 (Корея)

Модификаторы схватывания Смесь лимонной кислоты с полифосфатами и желатином Полная растворимость, термостабильность, замедляют схватывание гипса (Италия)

Формиат кальция/карбонат лития / натриймонофтор-фосфат (1М^Р) / тетрака-лийпирофосфат К4Р2О7 / натрийтрифосфат (№3Р04) Замедление/ускорение схватывания, ускорение затвердевания цемента (Германия)

Гидроксипропил крахмал Удобоукладываемость, фиксирующая способность ESAMID NA, (Италия)

Поликарбоксилат Загущение смеси, сохранение удобоукладывамости Starvis (Германия)

Загустители Сложный эфир на основе кукурузного крахмала Загущение смеси AMITROLIT® (Австрия )

Водорастворимый биополимер тонкого помола с быстрой гидратацией Устойчивость сдвигу, износостойкость, низкая вязкость, удерживаемость влаги Kelco-Crete (США)

Диспергаторы Насыщенный жирный спирт с оксидом этилена Диспергатор и порообразователь, эластичность, предотвращает усадку и образование трещин, морозостойкость Esapon (Корея)

Стеарат цинка / кальция / олеат натрия Эффект гифрофобизации Стеараты и олеаты (Россия)

Гидрофоби-заторы Органосилоксаны / модифицированные силаны / силок-саны /эмульсия на основе активных модифицированных органосилоксанов Грязеотталкиваемость, растекаемость, щелочеуствойчивость, снижение теплопроводности, теплоизоляция Кремнийорганика (Германия)

Армирующие волокна Целлюлозные волокна Связывание частиц пыли во время производственного процесса Целлюлозные волокна «Technocel» (Германия)

Высокомодульное полиакриловое армирующее волокно Устойчивость к органическим растворителям, кислото- и щелочестойкость к органическим и неорганическим растворам Полимерная фибра «Panacea» (Россия)

Антивспени-ватели Полиэфирсилоксаны на неорганическом носителе Снижение содержания воздуха. Поддержание желаемой текучести Sitren AirVoid® (Германия)

- тонкая дисперсия, основанная на сополимере стирола / эфира акриловой кис-

Модификатор эластичности лоты; - модифицирующая смола; - тонкая дисперсия тройного сополимера винилацетата / винилхлорида/ этилена в воде Эластичность VINNAPAS® (Германия)

Таблица 3

Основные преимущества и недостатки материалов на основе гипсового вяжущего

(требования, предъявляемые к ССС)

Достоинства Недостатки

1. Быстрое твердение. 2. Сравнительно небольшой вес по сравнению с другими, аналогичными по назначению, изделиями. 3. Огнестойкость. 5. Звукопоглощение. 6. Низкая теплопроводность. 7. Хорошие показатели паро- и воздухопроницаемости. 8. Экологичность. 9. Малые трудо- и энергозатраты при добыче. 10. Не требуется специального оборудования для производства и утилизации. 11. Прост в эксплуатации. 12. Простота в работе - легкое придание любой архитектурной формы и цвета. 13. Конструкционная совместимость с другими материалами. 14. Низкая себестоимость. 15. Высокие эксплуатационные характеристики. 1. Низкая водостойкость. 2. Относительно небольшая прочность - деформации под нагрузкой (ползучесть). 3. Малая морозостойкость. 4. Особые условия хранения.

Основной задачей является повышение качеств гипсовых вяжущих веществ, в частности таких как: прочность, водостойкость и морозостойкость, что позволит значительно расширить сферу использования гипсовых вяжущих в отрасли строительного производства (табл. 3).

Рынок и его особенности Производство ССС в России и других странах увеличивается с каждым годом. Однако значительная доля в объеме выпускаемой продукции принадлежит зарубежным производителям. Целью каждого производителя является выпуск высококачественной продукции, отвечающей всем современным требованиям, выпуск как можно большего спектра ССС с ориентацией на доходы потребителей (то есть поддержание стоимости товара в средней ценовой категории).

Для бесперебойного производства необходима местная сырьевая база, располагающая цементом, песком, гипсом и другими компонентами, необходимыми для производства ССС.

Виды и количество вводимых в ССС добавок для регулирования свойств смесей оказывает влияние на конечную стоимость выпускаемой смеси. По данным табл. 2 видно, что большинство используемых в ССС добавок импортного производства. Для развития номенклатуры добавок отечественного

производства возникает необходимость в разработке и исследовании добавок для ССС, что позволит ускорить время производства и снизить стоимость выпускаемой продукции.

Первые ССС начали появляться в конце 1980-х гг. и поставлялись в основном из Скандинавии. Потребовалось около 10 лет, чтобы потребители по достоинству оценили эти материалы, их эффективность, простоту использования и легкость работы с ними.

Растущий спрос на ССС способствовал появлению малых и больших организаций по выпуску ССС. На сегодняшний день на территории России функционирует несколько сотен организаций, занимающихся производством ССС. Некоторые отечественные предприятия работают совместно с зарубежными коллегами.

В начале 1990-х гг., когда ССС только начали активно производиться, использовались исключительно зарубежные добавки, что в свою очередь повышало стоимость продукции. В последнее время отечественные производители занимаются производством добавок с использованием местного сырья.

Ведущими торговыми марками сухих строительных смесей являются: Knauf (Германия), Unis (Россия: Московская, Челябин-

ская, Ульяновская и Новосибирская области), Гипсополимер (Россия: Пермь), PLITONIT (российско-германское предприятие), Bergauf (российско-германское предприятие, Россия: Свердловская область), Nova Home (Россия:

Иркутск), Основит (Россия), De Luxe (Россия), TERTA (Россия).

Результаты сравнительного анализа двух ССС - шпаклевки и штукатурки - представлены в табл.4 и 5 соответственно.

Таблица 4

Характеристика количественных и качественных показателей шпаклевки

на гипсовой основе

Марка смеси Показатель

Расход смеси при толщине слоя в 1 мм на 1 м , кг Время жизни не менее, мин Время высыхания, ч Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа Прочность сцепления, МПа Максимальная фракция наполнителя, мм

Knauf (Фуген) 0,8 - - 1,5 3,0 - 0,15

Unis (Слайд) 1,0 100 240 (3 мм) - 2,0 0,4 0,2

Гипсополимер (Универсаль) 1,1 60 (±10) - - 6,0 0,5 0,315

Плитонит (МастерГипс) 1,0-1,1 20-40 6 - - 0,3 0,2

Bergauf (Fugen Gips) 1,0 40 - 1,5 3,5 0,5 0,2

Nova Home 1,2-1,6 120 - 1,3 4,8 0,5 0,2

Основит(Эконсилк PG35W) 0,8-0,9 120 3-5 - - 0,5 0,1

De Luxe (финишная) 1,0 120 6-7 - - 0,4 -

TERTA (гипсоплан 351) 1,2 20 - - 7,0 0,5 -

Таблица 5

Характеристика количественных и качественных показателей штукатурка

на гипсовой основе

Марка смеси Показатель

Время высыхания слоя 10 мм, сут. Расход смеси при толщине слоя в 10 мм на 1 м2 Жизне-способность раствора, мин Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа Прочность сцепления, МПа Максимальная фракция наполнителя, мм

Knauf (Ротбанд) 7 8,5 - 1,0 2,5 - 1,2

Unis (Теплон белый) 5-7 8-9 50 - 2,5 1,0 -

Гипсополимер (Ротгипс) - 10,0 60 (±10) - 2,5 0,3 -

Плитонит (ГТ) - 9,0-10,0 90 - 2,5 - 0,63

Bergauf (BAU PUTZ GIPS) - 11-13 60 1,0 3,5 0,5 0,63

Nova Home - 15,0-18,7 60-210 1,2 3,0 0,5 0,63

Основит (Т 25) 1-3 9,0 90 1,5 3,0 - 0,63

De Luxe (Class) - 9,0-9,5 40 - - 0,3 -

TERTA (гипсомюр 455) - 14,0 240 - 15 0,5 -

Согласно ГОСТ 31387-2008 к затвердевшим шпатлевочным смесям предъявляются следующие требования (п. 4.6) [3]:

- предел прочности на растяжение при изгибе затвердевших смесей должен быть не менее 1,0 МПа;

- предел прочности при сжатии затвердевших смесей должен быть не менее 2,0 МПа;

- прочность сцепления затвердевших смесей с основанием должна быть не менее 0,30 МПа.

По данным табл. 4 видно, что все смеси удовлетворяют требования ГОСТ 31387-2008. Минимальный расход смеси при толщине слоя в 1 мм2 составляет 0,8 кг, максимальная прочность при сжатии составляет 7,0 МПа, средняя прочность сцепления - 0,458 МПа.

Штукатурные смеси, характеристика которых представлена в табл. 5, отвечают требованиям ГОСТ 31377-2008 (п. 4.6) [2]:

- предел прочности на растяжение при изгибе затвердевших смесей должен быть не менее 1,0 МПа;

- предел прочности при сжатии за

твердевших смесей должен быть не менее 2,0 МПа;

- прочность сцепления затвердевших смесей с основанием должна быть не менее 0,30 МПа.

Минимальный расход смеси при толщине слоя в 10 мм2 составляет 8(8,5)-9 кг, максимальная прочность при сжатии -3,5 МПа, средняя прочность сцепления -

0.516.МПа.

Библиогра

1. ГОСТ 31189-2012. Смеси сухие строительные. Классификация. Термины и определения. М.: МНТСК, 2012. 6 с.

2. ГОСТ 31377-2008. Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 5 с.

3. ГОСТ 31387-2008. Смеси сухие строительные шпатлевочные на гипсовом вяжущем. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 5 с.

Анализируя количественные и качественные характеристики выбранной сухой строительной смеси, следует сделать вывод о том, что существует необходимость в разработке смеси, у которой все показатели были бы высокого и выше среднего значения.

Заключение

Проблема производства высокоэффективных, инновационных строительных материалов действительно является актуальной. Перспективное направление в этой области - разработка рецептур сухих строительных смесей на основе гипсового вяжущего.

В ходе проведения сравнительного анализа качественных и количественных показателей девяти отобранных образцов сухих строительных смесей различных производителей установлено, что еще не создана такая смесь, у которой были бы все или большая часть показателей выше среднего. Одновременного улучшения показателей можно достичь лишь путем использования многофункциональных добавок.

Проанализировав классификацию добавок по основным характеристикам, следует отметить, что на сегодняшний день используются добавки преимущественно зарубежных производителей, что приводит к удорожанию отечественной продукции. Очевидно, что единственным способом снизить стоимость производства смеси, применяя импортные добавки, возможно только используя местное сырье и отходы производства и потребления.

Статья поступила 16.06.2015 г.

чий список

4. ЕвроХим-I // ЕвроХим-I. Настоящая химия будущего [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.eurohim.ru/catalog/DryMortarAdditives /allgrups.html (12.05.2015).

5. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.: Высш. шк., 1988. 123 с.

6. Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. Химия в строительстве. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1977. 107 с.