Тихонов Юрий Михайлович, к.т.н., проф.,
зам. руководителя Испытательного центра "СПб ГАСУ",
Коломиец В.И., инженер, аспирант СПбГАСУ
Городецкий М.С., инженер, аспирант СПбГАСУ


В связи с реализацией повышенных требований СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", изменения №3, к сопротивлению теплопередачи (Rтр) ограждающих конструкций у строительных компаний, работающих в регионах с суровым климатом (а это более 80% территории России), остро стоит вопрос о применении качественных теплоизоляционных и конструктивно-теплоизоляционных материалов в наружных стенах. Например, для Ленинградской области Rтр возросло до 3,5 м2К/вт против 1,2 м2К/вт, существовавшего в доперестроечный период. Простое увеличение толщины стен с применением традиционных материалов задачу не решает. Следует использовать многослойные энергосберегающие системы из эффективных материалов. К таким относятся и легкие сухие кладочные и штукатурные смеси.

Легкие СРС для кладочных работ, заполняя горизонтальные и вертикальные швы между элементами кладки и имея среднюю плотность и теплопроводность, такие же или близкие по этим значениям, как и элементы кладки (стеновые блоки, камни, кирпич), создают однородное по всей глади стены термическое сопротивление, исключая так называемые "мостики холода", которые имеют место при кладке с использованием обычных тяжелых растворов. Это обстоятельство обеспечивает температурно-влажностный комфорт внутри помещений здания, т. к. при правильно выбранной толщине ограждения отсутствует выпадение конденсата на внутренней поверхности стен при так называемой "точке росы". Кроме того, скорость теплового потока в таких стенах уменьшается, что ведет к сокращению затрат на отопление здания (около 30-40% тепла в многоэтажном здании "уходит" через наружные стены).

Незначительное удорожание кладочных и штукатурных работ, связанное с применением растворов из СРС заводского изготовления и с использованием некоторого количества местных минеральных пористых заполнителей, с лихвой компенсируется экономией тепловой энергии в осенне-зимний период эксплуатации здания. Кроме того, снижение средней плотности раствора в 1,5-2 раза и использование высокоэффективной поризованной керамики в виде кирпича и камней с Sср~900-1000кг/м3 также снижает на 50% общую массу наружных стен и нагрузку на фундамент. Соответствующим образом снижается нагрузка здания на свайное поле, при этом возможно повышение этажности строящегося дома без изменения конструкции фундамента. Так называемые "теплые штукатурки с плотностью рср=1000 кг/м2, теплопроводностью < 0,3 вт/м2К, нанесенные на наружную поверхность стены, также повышают термическое сопротивление ограждения.

Задание на проектирование составов легких сухих кладочных смесей

Согласно пожеланиям заказчика - фирмы ЗАО "Победа/Кнауф" (г. Колпино, Санкт-Петербург) основные требования, которые должны быть выдержаны в работе, нижеследующие:

2.1. В состав ЛСКС должны входить материалы только отечественных товаропроизводителей. В качестве легких пористых заполнителей, формирующих основную структуру, в ЛСКС следует применять местные, производства г. Санкт-Петербурга и прилегающих районов Северо-запада России, материалы: вспученный перлит и вермикулит, а также материалы, обеспечивающие создание прочной матрицы:

  • портландцемент марок 400 и 500;
  • местный кварцевый песок, фракционированный, Мкр=1,5-2,5;
  • пластифицирующие и воздухововлекающие добавки: гашеная известь-пушонка, сульфанол, лигносульфонат.

    2.2. Средняя плотность затвердевших легких кладочных растворов из сухих смесей должна быть Sср=1000-1300 кг/м3.

    2.3. Теплопроводность ЛСКС < = 0,3-0,35 вт/мК0.

    2.4. Минимальные марки растворов для кладки при степени долговечности конструкции I (наивысшей) составляет минимум М 10-50 кгс/см2 в зависимости от условий эксплуатации (/3/, стр. 132). Марки растворов - предел прочности при сжатии образцов 7,07х7,07х7,07 см в возрасте 28 суток нормального твердения 50, 70, 100 кгс/см2.

    2.5. Кроме того, максимальный размер частиц ЛСКС не должен превышать 2,5 мм (ГОСТ 28013-98 п. 4.14.8).

    2.6. Сорбционная (эксплуатационная) влажность затвердевающих растворов должна быть W=4-6%.

    2.7. Влажность сухих ЛСКС не должна превышать 0,1% по массе /1/.

    2.8. Морозостойкость затвердевших ЛСКС не менее F35 /1/.

    2.9. В соответствии с рекомендациями ГОСТ /1/, подвижность кладочной растворной смеси (предназначенной для кладки из пустотелого кирпича или керамических камней) на месте применения должна быть по глубине погружения корпуса СтройЦНИЛ 78 см (марка по подвижности Пк 2).

    Сроки схватывания (время жизнестойкости) растворной смеси непосредственно связано с началом схватывания портландцементного теста, находящегося в составе ЛСКС. Согласно ГОСТ /11, 12/, начало схватывания - не ранее 45 мин. Именно в течение указанного времени следует приготовить растворную смесь (1 мин - всыпание в емкость и "тихоходное" перемешивание (60 об/мин); 2 мин - собственно приготовление растворной смеси со скоростью перемешивания не менее 120-240 об/мин; отстаивание в течение 3-5 мин для стабилизации структуры).

    Характеристика исходных материалов

    Материалы для приготовления ЛСКС испытывались в соответствии с требованиями стандартов и технических условий согласно методической карте испытаний (см. табл. 1). Результаты испытаний представлены в протоколах испытаний № 294-296. Заполнители, воздухововлекающие добавки, известь-пушонка перед приготовлением ЛСКС высушивались до постоянной массы.

    Таблица 1. Методическая карта испытаний исходных материалов

    Наименование материала,
    завод-изготовитель
    Измеряемый параметр,
    единица измерения
    Методика испытаний согласно
    Портландцемент производства ОАО "Мальцовский портландцемент", г. Фокино Брянской обл. - насыпная плотность, кг/м3;
    - нормальная густота, %;
    - тонкость помола, %;
    - начало схватывания, час, мин;
    - конец схватывания, час, мин;
    - равномерность изменения объема;
    - предел прочности при сжатии, МПА;
    - предел прочности при изгибе, МПа.
    ГОСТ 10178-85

    ГОСТ 25328-82
    Известь воздушная гашеная (пушонка) производства "Угловского известнякового комбината", Новгородская обл. - Насыпная плотность, кг/м3;
    - Содержание активных CaO, (MgO)%, по массе;
    - Содержание непогасившихся зерен, % по массе;
    - Скорость гашения, мин
    ГОСТ 9179-77

    ТУ 21-05292757
    Природный песок Финского залива, карьер СПб, "Турухтанные острова" - насыпная плотность, кг/м3;
    - истинная плотность зерен песка, кг/м3;
    - содержание органических примесей (колометрическая проба);
    - содержание SO3, %;
    - содержание глинистых и пылевидных фракций, %;
    - гранулометрический состав;
    - модуль крупности, Мкр
    ГОСТ 8736-93

    ГОСТ 8735-88

    Табл. 5
    Перлит вспученный производства завода "Стройдеталь", СПб Насыпная плотность, кг/м3;
    Гранулометрический состав
    ГОСТ 10832-91
    Табл. 3
    Вермикулит вспученный производства Слюдяной фабрики, г. Колпино Насыпная плотность, кг/м3;
    Гранулометрический состав
    ГОСТ 12865-67
    Табл. 4
    Сульфонол Насыпная плотность, кг/м3 ГОСТ 24211-91
    Лигносульфонат производства ОАО "Выборгская целлюлоза", Ленинградская обл. Насыпная плотность, кг/м3 ГОСТ 24211-91
    ТУ 2455-031-46289715-2000


    В работе в качестве водоудерживающей и пластифицирующей добавки использовалась известь-пушонка рн=420 - 450кг/м3, полученная гашением воздушной извести-кинелки II сорта, быстрогасящейся. В качестве основного вида вяжущего применяется портландцемент М-500.

    Воздухововлекающие добавки - тонкодисперсные порошки сульфонол и лингосульфонат с насыпной плотностью 450 и 325 кг/м3 соответственно. Сульфонол отличается высокой гигроскопичностью (сорбционная влажность W= 3,6%) в отличие от лигносульфаната, у которого W=1,6% и дает более устойчивую микропену.

    Вспученный перлит и вермикулит

    Для проведения лабораторных и опытно-производственных работ использовались:

  • Вспученный перлит производства завода "Стройдеталь" (СПб) непрерывного гранулометрического состава марки 100, отвечающий требованиям ГОСТ 10832-83 "Перлит вспученный". Цвет частиц - беловато-сероватый; форма зерен - сферическая; насыпная плотность - 60-100 кг/м3. Он представляет собой продукт обжига вулканической породы - перлита Арагацкого месторождения (Армения);
  • Вспученный вермикулит непрерывного гранулометрического состава марки 150, отвечающий требованиям ГОСТ 12865-67 "Вермикулит вспученный" производства Ленинградской слюдяной фабрки (г. Колпино). Цвет вермикулита - золотистый; преобладающая форма зерен - кубическая; насыщенная плотность - 100 - 150 кг/м3. Он является продуктом обжига разновидности гидрослюд - вермикулитового сырца (фирма "Ковдорслюда", Мурманская обл.).

    Основные технические свойства вспученного перлита и вермикулита приведены в табл. 2.

    Вспученные перлит и вермикулит относятся к особо легким, высокопористым сыпучим материалам с малой механической прочностью частиц, имеют довольно сложную структуру. Технология их получения сводится к дроблению, сушке и обжигу сырья при температуре 800-11000С. Процесс вспучивания длится несколько секунд и связан с удалением химически связанной воды, находящейся в природных сырьевых материалах: перлите и вермикулите. Оба материала являются огне- и биостойкими, нетоксичными и долговечными.

    Вспученные перлит и вермикулит - эффективные тепло-, огнезащитные материалы. Являясь пористыми заполнителями в аэрированных растворах и бетонах, они существенно определяют их свойства. Так, сферическая форма зерен перлита обеспечивает большую пластичность смесей, более высокую прочность при сжатии. Достоинством зерен вспученного вермикулита является их упругость, что обеспечивает трещиноостойкость, сплошность стяжек. У растворов с вермикулитом прочность при изгибе выше, чем у растворов с перлитом (см. табл. 2).

    Таблица 2. Технические свойства вспученных перлита и вермикулита

    Свойства Вспученный перлит Вспученный вермикулит
    Насыпная плотность, кг/м3 60 - 200 95 - 150
    Истинная плотность, г/см3 2,35 2,40
    Пористость, включая межзерновую пустотность, % 90 - 98 84 - 95
    Температура обжига, 0С 800 - 1020 1000 - 1150
    Время обжига, с 12 - 30 2 - 7
    Химический состав:
    SiO2 65 - 80 36 - 41,2
    AL2O3 10,8 - 15 10,1 - 15,7
    Fe2O3+FeO 0,3 - 12 3,9 - 29
    CaO 0,4 -0,5 0,4 -5,8
    MgO 0,3 - 2,8 5,1 - 27,8
    K2O+Na2O 1,9 - 9,9 1,2 - 11,8
    Потери при прокаливании 1 - 3 1,2 - 11,8
    Водопоглощение за 24 ч, %
    По массе 300 - 500 150 - 300
    По объему 40 - 60 30 - 70
    Гигроскопичность, % 2 - 8 2 - 17
    Теплопроводность, вт/мК0 0,052 - 0,07 0,06 - 0,09
    Коэффициент звукопоглощения при 1000 Гц 0,35 - 0,4 0,7 - 0,8
    Относительная упругая деформация при сж=0,015 МПа --- 10 - 20
    Форма зерен сферическая Пластинчатая,
    кубообразная
    Температура применения, 0С 1190 - 1250 1210 - 1350
    Цвет Серовато-белый Серебристо-золотистый


    О технических свойствах ЛСКС кладочных растворов на основе вспученного вермикулита можно судить по данным табл. 3. Аналогичные результаты получены для ЛСКС на основе вспученного перлита.

    Таблица 3. Протокол испытаний №294

    от 3 декабря 2001 г.
    Разработчик продукции - "ИЦ-СПбГАСУ" - ЗАО "Победа/Кнауф".
    Наименование продукции - легкая сухая кладочная смесь на основе вспученного вермикулита (сульфонол).
    Основание для проведения испытаний - договор №ИЦ132.

    Дата Измеряемый параметр Методика испытаний Результат испытаний
    1 01.09-10.12.01 Цвет визуально Серо-золотистый
    2 Максимальный размер зерен, мм ГОСТ 5802-86 2,5
    3 Насыпная плотность, кг/м3   1160
    4 Влажность сухой смеси, % ГОСТ 28013-98 0,1
    5 Подвижность растворной смеси, О.К., см   8
    6 Жизнестойкость растворной смеси (начало схватывания), час, мин.   2 часа 10 мин
    7 Водоудерживающая способность, %   96,1
    8 Средняя плотность кладочного раствора, кг/м3   1240
    9 Водопоглощение, %, по массе   29,8
    10 Сорбционная влажность кладочного раствора W=60%
    W=98%
    4
    6
    11 Истинная плотность, г/см3   2610
    12 Истинная пористость, %   52,5
    13 Предел прочности при сжатии на плотном основании, МПа   5,8
    14 Предел прочности на плотном основании, Мпа   5,5
    15 Морозостойкость, циклы ГОСТ 5802-86 п.10 F-50
    16 Теплопроводность, Вт/мК ГОСТ 30.256-94 0,32


    Для определения экономической целесообразности приготовления легких сухих кладочных смесей (ЛСКС) в заводских условиях нами сделаны предварительные расчеты по определению себестоимости и отпускной цены данного продукта.

    Таблица 4. Ориентировочный расчет отпускной цены 1 тонны ЛСКС на основе вспученного вермикулита (с округлением)

    Наименование материала Расход на 1 тонну ССС Ед. измерения Стоимость ед. продукции, руб. Стоимость продукции на 1 тонну ССС
    1 Вспученный вермикулит М-150 в мешках 0,4 м3 1000 400
    2 Портландцемент М-500 в мешках 0,4 т 1500 600
    3 Известь-пушонка II с 0,05 т 2500 125
    4 Песок морской, фр < 2,5 мм, в мешках 0,7 т 340 238
    5 Сульфонол 2 кг 30 60
    6 Крафт-мешки для ЛСКС М-25 40 Шт. 4 160
    Итого 1583


    Исходя из того, что стоимость материалов составляет ~60% от стоимости всех затрат на производство ЛСКС, себестоимость 1м3 ЛСКС составит:


    При 10% прибыли, равной y=2638,33*0,1=263,83 руб.
    Отпускная цена (без НДС) 1 м3 ЛСКС составит 2902 руб. 16 коп.
    Учитывая, что 1 м3 ЛСКС имеет массу ~1200 кг, отпускная цена 1 тонны составит 2902,16/1,2=2418,5 руб.

    Данные таблицы свидетельствуют, что отпускная цена ЛСКС на основе вспученного вермикулита составляет приблизительно 2500 руб./т.

    Достоинства предлагаемых ЛСКС: применение только местных материалов; снижение плотности раствора в 1,5 раза; уменьшение теплопроводности в 2 раза; увеличение производительности труда каменщика за счет снижения массы растворной смеси; снижение массы наружных стен и нагрузки на фундамент и свайное поле; ликвидация "мостиков холода" в кладке; отпускная цена - значительно ниже импортных аналогов свидетельствуют о целесообразности налаживания их промышленного производства.

    Предполагается, что изготовление ЛСКС будет производиться на существующих заводах сухих смесей. Например, в ЗАО "Победа/Кнауф". По мере увеличения потребности в данных материалах позднее может встать вопрос о налаживании производства не только легких кладочных, но и теплоизоляционных штукатурок и огнезащитных сухих смесей на основе вспученного перлита и вермикулита и строительстве специального цеха сухих смесей этого типа.