Основные условия разработки рецептур сухих строительных смесей

Валентин Исаакович Корнеев,
д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ, академик МАНЭБ,
зав. кафедрой строительных и специальных вяжущих веществ
Санкт-Петербургского Государственного технологического института

1. Общие вопросы

Определение, состав: Сухая строительная смесь (ССС) - сухая смесь вяжущих веществ, заполнителей, наполнителей и функциональных добавок. При затворении ССС заданным количеством воды она превращается в растворную смесь, которая с течением времени теряет свою пластичность (подвижность) и образует раствор (бетон) по общей схеме:


Основным компонентом ССС является вяжущее вещество, которое может быть минеральным, органическим или органо-минеральным. В качестве минеральных вяжущих используют силикатные и алюминатные цементы или их смесь, гидратную известь, строительный гипс. Органические вяжущие вещества - это, обычно, редиспергируемые или растворимые в воде полимерные порошки (сополимеры винилацетата, акрилата, стирола, эфиры целлюлезы). Широко используются органо-минеральные вяжущие вещества (цементно-полимерные). Содержание вяжущего в ССС может составлять от 2.0-3.0% при использовании в качестве вяжущего полимерных порошков до 30-50% в случае цементов и до 90% при использовании в качестве вяжущего гипса.

В основной номенклатуре ССС предусматривается использование заполнителей (размер частиц 0.16-3 мм): кварцевых песков, мраморной, известняковой, доломитовой или гранитной крошки, а также наполнителей (размер частиц < 0.16 мм) в виде молотых мрамора (известняка, доломита), кварца и других горных пород, а также в виде техногенных продуктов: топливных зол, топливных и металлургических шлаков и других отходов производства.

Обязательным компонентом ССС являются функциональные добавки, без применения которых, как правило, невозможно достижение заданного уровня свойств смеси. Номенклатура таких добавок достаточно широка и включает более 10 типов добавок различного функционального назначения: пластификаторов, водоудерживающих, упрочнителей, ускорителей, замедлителей и т. д.

Свойства ССС являются основным критерием для проектирования того или иного состава (рецептуры), и оптимизация состава сухой смеси производится исходя из достижения требуемого уровня ее свойств при минимизации затрат на ее производство. Под свойствами ССС понимают 3 вида характеристик:

- свойства собственно сухой смеси как порошка (дисперсность, цвет, плотность, насыпная плотность, влажность, гигроскопичность, воздухостойкость);

- технологические свойства растворной смеси (водопотребность, объемная масса, пластичность, сроки схватывания (живучесть), водоудержание, расслаиваемость, содержание воздуха);

- строительно-технические свойства затвердевшей растворной смеси (раствора, бетона, цементного камня) - объемная масса, скорость твердения, прочность при сжатии, изгибе, прочность сцепления с основанием, пористость, деформации, долговечность (в т. ч. водостойкость, химическая стойкость, морозостойкость), гидрофобность и др.

Недостижение хотя бы одной из этих характеристик может в ряде случаев стать бракующим признаком для всей разработанной рецептуры.

Минимизация стоимости. При разработке рецептуры ССС, отвечающей перечисленным трем типам свойств, дальнейшая оптимизация состава смеси осуществляется с позиций минимизации стоимости смеси. При сложившейся на рынке сырья для производства ССС ситуации, с учетом низкой стоимости отечественного портландцемента и умеренной цены заполнителей и наполнителей, реальным путем снижения стоимости сырья для производства сухих смесей является оптимизация рецептур с позиций минимизации количества типов и концентрации функциональных добавок. Такая работа может осуществляться на основе взаимозаменяемости однофункциональных добавок различных фирм-производителей, поиска отечественных аналогов, применения добавок комплексного действия.

Этот путь дает желаемые результаты, поскольку стоимость добавок (чаще всего импортных) в стоимости всей смеси может достигать 50-80%, однако этот путь достаточно опасен и требует высокой квалификации технолога - разработчика рецептуры, поскольку может привести к потере качества смеси.

2. Ход и последовательность разработки рецептур ССС

- Обоснование на основе маркетинговых исследований вида (типа) сухой смеси в качестве задания для разработки рецептуры. Аналитический обзор (обзор литературных, рекламных и патентных данных) по смесям данного вида. Выявление аналогов и прототипов.

- Конкретизация области, условий применения и требуемых свойств проектируемой к производству смеси (технологических и строительно-технических свойств). Выделение группы ведущих (главных) свойств для данного типа ССС как основы проектирования будущей рецептуры. Формулировка конкретного технического задания для разработки смеси, включающего: область применения проектируемой смеси, условия применения, технические характеристики (данные по максимальному размеру частиц, цвету, живучести смеси, пластичности, прочности, атмосферостойкости и другие характеристики, вытекающие из особенностей применения смеси данного вида и декларируемых свойств аналогов и прототипов).

- Выбор вяжущего вещества и выявление его соответствия сформулированному техническому заданию для обеспечения требуемого уровня свойств. Обоснование применения минеральных вяжущих веществ конкретного типа или их смесей, органических полимерных связующих или полимер-минеральных вяжущих композиций.

- Предварительное (ориентировочное) выявление главных компонентов проектируемой рецептуры, необходимых для достижения уровня требуемых свойств смеси. Такое предварительное выявление компонентного состава делается исходя из известных технических характеристик выбранной вяжущей композиции, общих научных представлений о ее гидратации и твердении, а также из уровня проектируемых свойств смеси, перечисленных в техническом задании. Результатом такой предварительной оценки явится перечень основных компонентов будущей смеси: тип вяжущего, вид заполнителей и наполнителей, необходимость применения функциональных добавок того или иного типа.

- Определение состава и основных свойств вяжущих веществ (цементов, извести, гипса), предполагаемых к использованию в проектируемой рецептуре. Такое определение может быть сделано на основе технических харак-теристик вяжущих веществ, производимых в данном регионе, по данным заводов-производителей или из справочной литературы. Следует иметь в виду, что, как правило, эти материалы являются местными (региональными), а их перевозка на значительные расстояния не оправдывается экономически. Желательным является экспериментальное определение в специализированной лаборатории химического и фазово-минералогического состава и свойств предполагаемых к использованию в данном регионе вяжущих веществ: активности, скорости твердения, сроков схватывания и др.

- Выбор заполнителей (Р > 0.16 мм) для заданного типа ССС - исходя из предложений местных производителей таких материалов (природные кварцевые пески, дробленые горные породы, техногенные продукты). Для предполагаемых к использованию заполнителей необходимо экспериментально определить их химический, фазовый (минералогический) состав, гранулометрический состав, построить кривую рассева и проанализировать ее с позиций оптимальности размера частиц для данного вида проектируемой смеси. В некоторых случаях на основе такого анализа от использования того или иного заполнителя приходится отказаться или использовать смесь заполнителей.

- Обоснование применения и выбор минеральных наполнителей (Р < 0.16 мм) для проектируемой смеси (кварцевая мука, микрокальцит, молотые граниты и др. горные породы, тонкодисперсные техногенные продукты). Химический и фазовый (минералогический) анализ предполагаемых к использованию наполнителей, гранулометрический (дисперсионный) анализ. Построение и анализ кривой распределения частиц наполнителей по размеру. Оптимизация соотношения заполнитель-наполнитель на основе анализа гранулометрии заполнителя и наполнителя.

- Особая ответственность возлагается на технолога, проектирующего рецептуру ССС, в случае рекомендаций использования в составе смеси заполнителей и наполнителей техногенной природы. Возможность применения таких продуктов в строительстве должна подтверждаться соответствующей нормативной документацией. В противном случае необходимо проведение специальных исследований, включающих химический и фазовый анализ техногенных продуктов, их санитарно-химическую экспертизу и получение заключений специализированных лабораторий об условиях применения таких продуктов и их влиянии на эксплуатационные свойства готовых строительных изделий.

- После выявления основных компонентов проектируемой смеси (вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей) необходимо перейти к обоснованию выбора функциональных добавок. Такой выбор делается исходя из заданных свойств смеси и технических характеристик предполагаемых к использованию вяжущих композиций, заполнителей и наполнителей. Назначение системы добавок при этом целесообразно осуществлять в две очереди. Вначале назначаются добавки, необходимость применения которых очевидна для смеси данного типа.

На основе выбранных вяжущих композиций, заполнителей, наполнителей и функциональных добавок 1-й очереди (чаще всего, это водоудерживающие добавки, пластификаторы, редиспергируемые полимерные порошки) составляют первую серию базовых рецептур, охватывающих определенный диапазон содержания в смеси всех выбранных компонентов и добавок 1-й очереди. В соответствии с составами первой серии приготовляют лабораторные сухие смеси и проводят их испытания. Первичная оптимизация состава смеси выполняется исходя из полученных лабораторных результатов определения тех свойств смеси, которые выбраны как ведущие для данного типа смеси.

- После первичной оптимизации состава выявляются те свойства смеси, которые не достигаются в базовых рецептурах первой серии, и назначаются функциональные добавки 2-й очереди, необходимые для получения всего комплекса свойств проектируемой смеси. Такими добавками могут быть ускорители или замедлители схватывания, упрочнители, реологические добавки, пеногасители, воздухововлекающие добавки и др. Назначаются диапазоны составов лабораторных смесей по содержанию основных компонентов и добавок 1-й и 2-й очереди, смеси приготовляются в лабораторных условиях и испытываются по всему комплексу требуемых свойств. По результатам испытаний осуществляется дальнейшая оптимизация состава и выбор рабочих составов для изготовления крупно-лабораторных или опытно-промышленных партий. Испытание опытных партий ССС осуществляется по всему комплексу технологических и строительно-технических свойств, в т. ч. включающих определение долговечности. На основании проведенных испытаний может быть осуществлена корректировка рабочего состава, предполагаемого к промышленному производству.

- На заключительном этапе разрабатывается техническая документация, необходимая для организации промышленного производства: технические условия на предлагаемый вид ССС, технологический регламент, санитарно-гигиенический сертификат.