Текст книги "Сухие строительные смеси (состав, технология, свойства)"

Дергунов С. А., Орехов С. А.
Сухие строительные смеси (состав, технология, свойства)

Введение

Затраты на выполнение отделочных работ составляют в среднем 35 – 40 % от расходов на возведения зданий и сооружений. Поэтому совершенствованию этого вида строительных работ, освоению новых отделочных материалов должно уделяться пристальное внимание. Усилия представителей науки, проектировщиков и строителей следует направлять на продвижение передовых технологий с целью снижения трудоемкости технологических операций отделочных работ.

Для этого, в первую очередь, требуются высококачественные строительные материалы. Сегодня уже невозможно представить себе как новое строительство, так и реконструкцию или ремонт зданий без использования модифицированных сухих смесей. Их преимущества перед традиционными растворами неоспоримы.

Традиционные растворные смеси изготавливают путем перемешивания минеральных вяжущих (цемент, известь), песка и воды в заводских условиях или непосредственно на строительных объектах.

В процессе транспортировки под воздействием различных факторов может произойти снижение подвижности товарных смесей, а также их расслаивание. На строительных объектах в растворные смеси с целью повышения их подвижности, а значит, и удобоукладываемости, вводят дополнительное количество воды. Необоснованное повышение водоцементного отношения приводит к резкому снижению прочностных характеристик раствора, увеличивается его усадка, снижается трещиностойкость, повышается пористость и, следовательно, снижается морозостойкость и, как следствие, долговечность конечного продукта.

Кроме того, для транспортирования товарных смесей заводского изготовления при отрицательных температурах необходим специальный автотранспорт или в смеси надо вводить противоморозные добавки, вследствие чего ухудшается внешний вид отделочного покрытия и его эксплуатационная надежность.

Приготовление растворных смесей непосредственно на строительном объекте не обеспечивает точность дозировки, что приводит к нестабильности составов. Как правило, такой способ приготовления растворных смесей не предусматривает введение различных химических добавок и не позволяет изготовлять высококачественные смеси широкой номенклатуры. В результате наблюдаются случаи несоблюдения проектных решений и серьезных нарушений технологии производства работ на строительных объектах.

Недостатков традиционных растворных смесей можно избежать, заменив их на сухие модифицированные смеси заводского изготовления.

Модифицированные сухие смеси представляют собой смесь минеральных вяжущих, заполнителей, наполнителей строго фиксированной дисперсности и модифицирующих химических добавок. Их доставляют на объекты в сухом виде и перемешивают с водой непосредственно перед применением.

Таким образом, по сравнению с традиционными растворными смесями модифицированные сухие смеси имеют следующие преимущества:

– существенно повышается качество строительных работ вследствие стабильности их составов и эффективного перемешивания;

– в зависимости от вида работ и уровня механизации в 1,5-3,0 раза повышается производительность труда;

– в 3-4 раза снижается материалоемкость работ;

– упрощаются снабжение и складские операции.

Особо следует отметить, что транспортировать сухие смеси можно как при положительных, так и при отрицательных температурах. Причем у сухих смесей отсутствуют технологические ограничения по дальности транспортирования. Сухие смеси могут использоваться на строительном объекте мелкими порциями, храниться достаточно длительное время (до полугода), сохраняя при этом все свои свойства.

Технологии изготовления сухих смесей позволяют получать смеси со строго оптимизированным фракционным составом наполнителей и точным дозированием исходных компонентов. Четкое соблюдение требований по подготовке исходного сырья, его дозированию и перемешиванию обеспечивают получение сухих смесей и конечной продукции на их основе (растворы и бетоны) стабильно высокого качества.

Именно поэтому модифицированные смеси весьма популярны несмотря на их высокую первоначальную стоимость. В конечном итоге сухие смеси и продукция на их основе оказываются дешевле продукции из традиционных смесей благодаря обеспечению гораздо более высокой производительности труда, низкой материалоемкости, высоким эксплуатационным характеристикам и, главным образом, существенно большей долговечности. Ведь долговечность является определяющим фактором при оценке экономической эффективности применения того или иного материала. Известно, что чем короче межремонтный период, тем больше эксплуатационные расходы. К сожалению, часто приходится сталкиваться с ситуациями, когда применение дешевых строительных материалов, в частности растворных смесей, ведет к высоким эксплуатационным расходам, и получается, что использование сухих смесей было бы экономически более целесообразно.

Так, например, применение цементно – известковых растворов для оштукатуривания приводит к их разрушению уже через 1-2 года эксплуатации. Существует многолетний отрицательный опыт использования известково–цементных растворов для кирпичной кладки, когда после намокания кладки появляются «высолы».

Таким образом, для оценки экономической эффективности использования сухих смесей необходимо рассматривать не только единовременные, но и эксплуатационные затраты, правильно определяя срок окупаемости.

1 Историческое и техническое развитие отрасли

В течение многих тысяч лет архитектура и строительство зданий и сооружений были тесно связаны с использованием минеральных строительных растворных смесей. Известковые штукатурные растворы известны более 8000 лет, а гипсовые растворы использовались жителями Вавилона около 6000 лет назад. Строительные растворные смеси на основе пуццоланы (измельченный вулканический пепел) гидравлического схватывания, по всей видимости, были известны более 3000 лет назад и использовались древними финикийцами, греками и римлянами. В античные времена и средние века для улучшения технических характеристик производимых строительных растворов использовались добавки и присадки, такие как мыло разных видов, смолы, белки и зола; они перемешивались на строительной площадке с минеральными вяжущими веществами и заполнителями [1].

Огромный вклад в развитие ранних сухих смесей внесли мастера стенописи. Стремление создавать произведения долговечными побуждало анализировать причины разрушения росписей, искать пути предохранения их от преждевременной гибели.

Многовековой практический опыт говорит о том, что одним из основных условий долголетия произведений стенописи является доброкачественность штукатурного основания и грунта, на котором они написаны, а также добротность кладки стены, на который этот грунт положен, качество ее материалов. Мастера прошлых эпох старались придать грунтам (текториуму, штукатуркам и левкасу) наибольшую прочность и долговечность, используя специально разработанные методики и рецептуры компонентов [2].

Первый патент на изготовление и применение сухих смесей был опубликован в 1893 году. Несмотря на это, в Европе до 1950-х годов строительные растворные смеси приготавливались исключительно на строительных площадках. В течение 1950-х и 1960-х годов в США и Западной Европе, особенно в Германии, в строительной индустрии наблюдался быстро растущий спрос на современные строительные материалы и технологии. Это происходило по ряду причин: нехватка квалифицированной рабочей силы; необходимость сокращения времени строительства наряду с сокращением расходов; увеличение затрат на рабочую силу; диверсификация строительных материалов, подходящих для особых случаев применения; появление новых строительных материалов; повышение спроса на здания и сооружения более высокого качества.

Технология приготовления растворных смесей на строительной площадке неспособна должным образом соответствовать быстрорастущим требованиям. Как следствие, в странах западного мира, начиная с 1960-х гг., в отрасли строительных растворов наблюдаются следующие тенденции, которые в настоящее время можно проследить по всему миру:

• вытеснение традиционно приготовляемых строительных растворов расфасованными сухими строительными смесями;

• механизация применения строительных растворных смесей, включая системы транспортировки, автоматического затворения сухой строительной смеси, а также машинной укладки жидких строительных растворов;

• модификация строительных растворных смесей с использованием полимерных вяжущих веществ (редисперсионных порошков) и специальных добавок (например, эфиров целлюлозы) [3].

Отечественная отрасль сухих строительных смесей (ССС) находится только в самом начале своего развития: практически отсутствует нормативная база, только стали появляться высококачественные смеси, способные конкурировать с зарубежными аналогами, наблюдается значительное отставание в номенклатуре производимых продуктов строительной химии и т.д. Обзор литературных источников свидетельствуют о том, что отрасль сухих смесей до недавнего времени в России отсутствовала, а разработки велись, в основном, в смежных областях, таких как разработка наполненных вяжущих, их механическая активация, исследования гранулометрических составов заполнителей для бетонов, разрабатывались способы приготовления смесей и их составы [4-37].

Проведенные патентные исследования охватили период, начиная с 1970 г. до наших дней, и проводились как по каталогам бюллетеней на изобретения, так и с использованием электронных ресурсов [38]. Условно данный период можно разделить на три этапа. Первый или ранний (приблизительно до 1985 г) отмечен повышенным интересом к фундаментальным научным исследованиям в сфере разработки специальных бесклинкерных вяжущих для бетонов и растворов преимущественно на отходах металлургических и химических производств (различные шлаки, шламы, кеки). На следующем этапе (1985-1995 гг.) наблюдается спад в научной деятельности. Этот период совпадает со временем политического и экономического кризисов в нашей стране и значительным снижением темпов производства во всех сферах деятельности. Несмотря на это, исследования не прекратились полностью и наравне со шлаками в активную разработку внедряются шламы, золы, пыли и др. Кроме того, появляются первые российские изобретения на специальные химические добавки и технологические разработки в области сухих смесей, где приоритет давно был уже за Германией. И на современном этапе, начало которого датируется серединой 90х годов, наибольший интерес проявляется к созданию различных видов сухих строительных смесей с применением наполненных вяжущих направленного спектра действия, фракционированных заполнителей, наполнителей определенного минералогического состава и химических модифицирующих добавок.

Широкое внедрение в практику строительства модифицированных сухих смесей в России началось с 90-х годов, и за небольшой период времени они завоевали высокий авторитет у российских строителей.

Сегодня на отечественном рынке сухих строительных смесей ситуация стабилизировалась: рост темпов производства составляет в среднем 15-20 % в год. Перспективы дальнейшего развития эксперты оценивают как самые благоприятные – все больше строительных компаний переходят на новые технологии и начинают в своей работе использовать сухие смеси.

В нашей стране потребление ССС на душу населения составляет от 2 до 3 кг в год, в то же время в Германии этот показатель равен 30 кг, во Франции, Польше и Финляндии – 20 кг в год. Основные потребители сухих смесей в России – это строительные и ремонтные организации – на их долю приходится 75 % продаж. По мнению участников рынка, частники в массовом порядке пока не готовы к потреблению ССС (рисунок 1) [39].

Рисунок 1 – Среднегодовое потребление ССС на душу населения

Наиболее популярный вид сухих строительных смесей – шпаклевки, их покупают более 60 % потребителей. Около 50 % используют штукатурку и универсальные смеси. Чуть меньшую долю занимает клей для плитки, грунтовка и затирки для швов. Гидроизоляция и наливные полы, еще несколько лет назад не имевшие особого успеха, в последнее время все шире применяются строителями.

Российский рынок смесей находится в стадии активного роста, по темпам опережающего другие сегменты строительно-отделочной индустрии, причем рост рынка обеспечивается в основном отечественными предприятиями, а доля импортируемых смесей постоянно снижается. Бурное развитие жилищного строительства вызвало значительный мультипликативный эффект – потянуло за собой, прежде всего, промышленность строительных материалов, в частности рост производства сухих строительных смесей.

В сентябре 2012 г. маркетинговое агентство DISCOVERY Research Group завершило исследование российского рынка сухих строительных смесей (ССС). В 2011 году производство модифицированных сухих строительных смесей в России достигло 5,7 млн. тонн в год, прирост к 2010 году – около 20 %, при емкости рынка 6,5 млн. тонн в год [40].

В 2011 году доля импортируемых сухих смесей составила 11 %. В среднем по стране, как утверждают аналитики, объемы производства и потребления сухих смесей увеличиваются примерно на 50 %. При этом если в Москве и Санкт-Петербурге рост объемов потребления колеблется в пределах 20 – 25 %, то во многих регионах, которые не входят по показателям темпов экономического развития и благосостояния населения в число депрессивных, эта цифра существенно превышает 50 %.

В настоящее время в России функционирует несколько сотен фирм, предлагающих сухие строительные смеси. Этот рынок изначально обрел ориентацию на дорогостоящую продукцию, но постепенно, с развитием конкуренции на нем, приобретает четкую ценовую дифференциацию. Как правило, рынок ССС состоит из трех ценовых групп:

• дорогостоящие импортные смеси;

• отечественные смеси средней ценовой группы, ориентированные на использование импортных химических добавок и технологий;

• смеси, ориентированные полностью на отечественные составляющие.

Именно третья группа представляет наибольший интерес для отечественных производителей сухих строительных смесей, поскольку невысокая цена при приемлемом качестве и широком ассортименте наиболее предпочтительна для большинства россиян, планирующих строительство или ремонт. В последнее время ведется активное строительство и модернизация заводов по производству ССС, что неизбежно приведет к увеличению производства высококачественной продукции. Перспективы роста рынка сухих строительных материалов связывают с увеличением объемов строительства и улучшением инвестиционного климата.

Рынок смесей характеризуется умеренной степенью концентрации: на пять компаний-лидеров приходится чуть более половины рынка. В последние годы постоянно увеличивается число производителей сухих строительных смесей на российском рынке.

Наиболее популярными марками сухих строительных смесей являются Knauf, Старатели, Юнис, Vetonit (Maxit), Глимс, MC-Bauchemie Russia (Plitonit). Чтобы быть ближе к российскому потребителю международные компании открывают в российских регионах свои производства. Тенденция открывать региональные производства делает рынок сухих строительных смесей более насыщенным. Однако новые производители с неизвестными марками в ближайшее время вряд ли появятся здесь – их будет ждать слишком жесткая конкуренция.

Поэтому необходимо поддерживать своих производителей, которые в свою очередь должны создавать промышленные цепочки, замкнутые внутри страны. Без такого развития производства невозможно побороть инфляцию, прекратить утечку капитала, т.е. обеспечить нормальное развитие экономики. Отрасль сухих строительных смесей является прекрасным примером подобного развития. Большинство исходных материалов для сухих строительных смесей производится отечественной промышленностью строительных материалов и химической промышленностью, которая имеет громадный потенциал. Поэтому наличие в нашей стране мощной индустрии по производству вяжущих материалов в сочетании с богатыми природными запасами минерального сырья представляют собой прекрасную базу для развития отечественного производства сухих строительных смесей. Таким образом, отечественным производителям при продвижении своих марок сухих строительных смесей необходимо учитывать следующие характерные для рынка тенденции:

• большинство российских строительных и ремонтных организаций готовы широко использовать в своей работе сухие смеси. При отделке зданий и помещений плиткой эти материалы практически полностью превосходят традиционные растворы. Значительный объем потребления приходится на долю индивидуальных потребителей и мелких строительных организаций;

• ожидается стремительное увеличение спроса на сухие строительные смеси в связи со стабилизацией экономического положения и расцветом строительства, что потребует увеличения производства, прежде всего за счет расширения имеющихся мощностей путем активного инвестирования в сферу производства сухих строительных смесей;

• на данный момент на рынке сухих смесей сложилась ситуация, когда более высокая цена товара вовсе не означает превосходство его качественных характеристик над своими аналогами. Любой импорт в настоящее время – слишком дорогое удовольствие. Дешевле и патриотичнее организовать производство в России на основе местных материалов. Такой товар более дешев, в силу описанных выше экономических предпосылок, а качеством зачастую превосходит импортные аналоги. Поэтому отечественные сухие смеси – это конкурентоспособный продукт, который в перспективе должен полностью вытеснить зарубежные аналоги с рынка.

В связи с развитием российского рынка сухих строительных смесей, необходимостью популизации их среди профессиональных строителей, отделочников и широкого круга потребителей, появлением контрафактной продукции, а также для представления и отстаивания интересов предприятий отрасли в 1999 году было создано некоммерческое партнерство «Союз производителей сухих строительных смесей» по инициативе компаний ООО «ЭМ – Си Баухеми Россия» (ранее «Отли»), ЗАО «ПП «Крепс»» и ООО «Петромикс». Позднее в состав Союза вошли крупнейшие известные отраслевые фирмы [41].

Представленный экскурс в историческое и техническое развитие отрасли строительных растворов показывает важность и эффективность массового производства и применения качественных сухих строительных смесей различного назначения. При этом качество и экономические показатели выпускаемой продукции определяются выбором составляющих компонентов, рациональным их использованием и оптимальностью разработанной рецептуры. Это позволяет сформулировать одно из наиболее перспективных направлений развития данной отрасли непосредственно в России – организация производства высокоэффективных сухих строительных смесей с максимальным использованием местной сырьевой базы, в том числе отходов. При этом разработка эффективных строительных растворов должна учитывать специфику и потребности региона, затрагивать вопросы рационального использования минерального сырья и экологии региона.

2 Технологии производства сухих строительных смесей

Из определения термина «технология» следует, что это наука о способах и средствах переработки сырьевых материалов в предметы потребления [42]. Несмотря на кажущуюся простоту технологий сухих смесей, это производство с уверенностью можно отнести к одному из самых наукоемких.

Передовые работы в данном направлении охватывают решение проблем, связанных с технологической переработкой отдельного компонента, разработкой определенного процесса и конструированием целых производственных предприятий, что подтверждается значительным числом статей, появившихся в последние годы в СМИ [43, 62].

В настоящее время производством как отдельного технологического оборудования, так и целых производственных линий, их модернизацией посредством своих сил или совместно с зарубежными партнерами на территории Российской Федерации занимаются многие предприятия [44 – 57].

Обобщенная технологическая схема производства сухих строительных смесей расширенной номенклатуры представлена на рисунке 2.

Поставка исходных компонентов на предприятие осуществляется посредством авто– и железнодорожного транспорта, поз. 1, 2. Хранение вяжущих веществ предусмотрено на складах силосного типа 3. Химические модифицирующие добавки складируются в сухих отапливаемых помещениях 4. Заполнители и наполнители обычно хранятся на складах штабельного типа 5, 6.

Песок со склада 5 по галерее ленточных конвейеров 7 через питатель 8 подается в сушильный агрегат 9. Сушка песка осуществляется при температуре от 550 °C до 600 °С. Остаточная влажность песка обычно не превышает от 0,2 % до 0,3 %. После сушки песок поступает в промежуточный бункер 10. Далее посредством транспортеров 11 подается на классификацию 12 с разделением на необходимые фракции. Крупные и мелкие фракции удаляются в бункер отходов 13 и далее утилизируются, либо вывозятся в отвал. Готовые фракции направляются в металлические силосы 14, где хранятся раздельно по фракциям.

Минеральные наполнители, приготавливаемые на месте, проходят ряд технологических операций: посредством транспортирующих систем 18 и 20 со склада они поступают на сушку 16 через питатель 15 и далее на помол 17. Межоперационное хранение наполнителя осуществляется в промежуточных бункерах 19 и 22.

С промежуточного бункера наполнителей 22, склада фракционированного песка 14 и складов готовой продукции 3 и 4 компоненты поступают в расходные бункера 23, 24, 25, 26 смесительного отделения. Через дозатор 27 и ленточный питатель 28 материалы в строго определенном порядке поступают в смеситель 29.

Перемешивание сыпучих материалов продолжается в течение 60-180 с. Полученная смесь поступает в промежуточный бункер-накопитель готовой продукции 30, а затем через систему транспортеров 31 в упаковочную машину 32, где осуществляется автоматическое отвешивание сухой смеси, наполнение соответствующих бумажных мешков и их упаковка.

Готовые мешки или пакеты с сухой смесью автоматом-манипулятором укладываются на деревянные поддоны или контейнеры 33 и отправляются на склад готовой продукции 34.

На данный момент, по мнению некоторых специалистов [58], все заводы и установки по схеме расположения оборудования можно разделить на горизонтальные, вертикальные и смешанные.

1 – автотранспорт; 2 – железнодорожный транспорт; 3 – склад цемента; 4 – склад химических добавок; 5 – штабельный склад песка; 6 – склад минеральных наполнителей; 7, 18, 20, 11, 31 – системы транспортирования; 8, 10, 15,, 19, 22 – бункера промежуточного хранения материалов; 9, 16 – сушильное оборудование; 17 – помольное оборудование; 12 – классификаторы песка; 14 – склад фракционированного песка; 23, 24, 25, 26 – расходные бункера смесительного отделения; 28 – питатель ленточный; 27 – система дозаторов; 29 – смеситель; 30 – накопительный бункер готовой сухой смеси; 32 – фасовочная машина; 33 – укладчик мешков, 34 – склад готовой продукции.

Рисунок 2 – Технологическая схема производства сухих строительных смесей расширенной номенклатуры

При горизонтальном расположении технологических линий помимо основного оборудования в состав установок заводов входят вспомогательные агрегаты для аспирации и обеспечения сжатым воздухом. Преимущество заводов, работающих по данной схеме, в том, что не требуется специально запроектированных высотных сооружений и они могут размещаться в существующих, например, складских помещениях или стройплощадках заводов ЖБИ. Эта конструкционная схема больше ориентирована на модернизацию производственных площадей с целью выпуска сухих строительных смесей. Разработки в данном направлении весьма эффективны, т.к. отличаются меньшими капитальными затратами, чем при организации нового производства.

При реконструкции предприятий удается использовать часть уже имеющегося оборудования и применять наиболее экономичную схему. Такие установки введены в действие в Самаре, Пензе, Белгороде (рисунок 3) [59].

Еще одной уникальной разработкой отечественных проектировщиков является создание производств сухих строительных смесей на базе асфальтобетонных заводов, схема размещения установки на предприятии представлена на рисунке 4.

Рисунок 3 – Технологическая линия сухих смесей

Рисунок 4 – Размещение установки на промплощадке АБЗ в г. Белгород

В данном случае линия по производству сухих смесей размещается в непосредственной близости от сушильного барабана и получает сухой песок из элеватора АБЗ. При этом выпуск сухих смесей, как отмечают авторы, можно наладить без нарушения технологической цепочки производства асфальта.

По вертикальной схеме работает большинство заводов западноевропейских стран. Принцип вертикальной схемы завода сухих смесей заключается в размещении силосов сырьевых материалов в верхней части сооружения над вытянутой сверху вниз цепочкой технологического оборудования.

Сырьевые материалы поднимаются вверх один раз при загрузке их в силосы, и далее при прохождении всех технологических операций происходит движение компонентов и готовой продукции вниз. Гравитационная подача материалов является главным достоинством завода с вертикальной схемой размещения оборудования. При этом количество транспортирующих устройств между весами, смесителями и фасовочной машиной сводится к минимуму. Тогда как при горизонтальной схеме расположения оборудования именно транспортирующие устройства создают проблемы, особенно при чередовании рецептур смесей.

Недостатком вертикальной схемы производства является необходимость строительства мощной опорной конструкции, несущей нагрузки от заполненных силосов.

К наиболее совершенным относятся специальные заводы башенного типа с вертикальной схемой расположения оборудования, представленные на рисунке 5.

Перечисленные заводы полностью оснащены оборудованием крупнейшей машиностроительной фирмы ООО «ВСЕЛУГ» [60].

Определенный интерес представляют мини-заводы сухих смесей МЗС-10 и МЗС-10М, разработанные ЗАО «Стройпрогресс – Новый век» [61], которые относятся к заводам со смешанной компоновкой технологического оборудования (рисунок 6).

Это быстромонтируемые модульные заводы контейнерного типа, изготовляемые в виде блочной системы, в которую входят следующие блоки: смесительный, бункерный, блок сушильного оборудования, воздухоочистительный и внеблочное оборудование.

А – Московская обл. (CONSOLIT); Б – Московская обл. (СТАРАТЕЛИ); В – Екатеринбург (ГОРА ХРУСТАЛЬНАЯ); Г – Московская обл. (БОЛАРС); Д – Свердловская обл. (AVANTEX); Е – Московская обл. (EMFI).

Рисунок 5 – Технологические линии по производству сухих смесей

Рисунок 6 – Схема модульного завода МЗС – 10М (модернизированный) производительностью 20 тыс. т сухих смесей в год

Проведенный анализ технологий производства сухих строительных смесей показал богатое разнообразие конструкторских решений, которое в дальнейшем будет развиваться.

Отдельно взятый завод (даже если он собран из серийно выпускаемого оборудования) представляет собой воплощение оптимальных конструкторских решений, технико-экономических расчетов, маркетинговых исследований и т.д., что придает ему абсолютную неповторимость. Несмотря на это, главной чертой, сходной для заводов и отдельно взятых установок, является высокая технологичность и автоматизация большинства производственных процессов. Это позволяет с высокой точностью воспроизводить даже сложные многокомпонентные рецептуры сухих смесей, разрабатываемые в специализированных научных лабораториях. Кроме того, при внедрении в производство новых составов необходимо учитывать технологические особенности сырья и производства.