Заполнители, наполнители и функциональные добавки
для сухих строительных смесей

Павел Васильевич Зозуля,
доцент, к.т.н., Санкт-Петербургский Государственный технологический институт,
кафедра строительных и специальных вяжущих веществ


Заполнители и наполнители - минеральные природные или искусственно приготовленные материалы определенного зернового состава, которые совместно с вяжущими веществами (цементами, строительной гидратной известью, строительным гипсом и др.) и различными функциональными добавками входят в состав сухих смесей, предназначенных для приготовления строительных растворных смесей различного назначения.

Заполнители и наполнители занимают до 70-80% всего объема строительных растворных смесей и позволяют сократить расход вяжущих без заметного падения прочности растворов*, а также уменьшить усадочные деформации цементного камня, достигающие 2 мм/м. Заполнитель способствует релаксации (снятию) механических напряжений, возникающих в цементном камне вследствие усадки. Деформации смесей цемента с заполнителем снижаются примерно в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня [1]. Заполнители для растворных и бетонных смесей подразделяют на крупные и мелкие.

К крупному заполнителю относят щебень и гравий с размером зерен более 5 мм, к мелкому - с размером зерен от 0.16 до 5 мм. В зависимости от плотности зерен, заполнители подразделяют на плотные с плотностью 2 г/см3 и пористые с плотностью менее 2 г/см3. Насыпная плотность для пористых песков не должна превышать 1400 кг/м3.

Для использования в составе сухих строительных смесей (ССС) важнейшими характеристиками заполнителей являются минералогический состав, зерновой состав, плотность зерен, насыпная плотность, влажность, наличие пылевидных и глинистых частиц, глины в комках и различных примесей. К вредным примесям в песках, используемых в качестве заполнителей, относят аморфные разновидности кремнезема (халцедон, опал, кремень и др.), сульфиды и сульфаты, слюду, галоидные соединения (NaCl и KCl), уголь и органические примеси. В составе ССС в основном используются кварцевые пески. Качество песков, пригодных для приготовления строительных растворных смесей, регламентируется требованиями:

- ГОСТ 8736-93 "Песок для строительных работ. Технические условия";

- ГОСТ 8735-88 "Песок для строительных работ. Методы испытаний".

Помимо этого, в качестве заполнителей в растворных смесях можно применять и другие виды дисперсных зернистых материалов:

- "Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия" - ГОСТ 5578-94;

- "Щебень и песок декоративные из природного камня. Технические условия" - ГОСТ 22856-89;

- "Пески формовочные. Общие технические условия" - ГОСТ 2138-91;

- "Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия" - ГОСТ 2263-76;

- "Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия" - ГОСТ 9757-90;

- "Щебень и песок перлитовые вспученные. Технические условия" - ГОСТ 10832-91;

- "Вермикулит вспученный" - ГОСТ 12865-67 и др.

Важнейшими характеристиками заполнителей, определяющими технологические и строительно-технические свойства растворных смесей и растворов, являются зерновой состав, пустотность, водопотребность и форма зерен заполнителя.

Зерновой состав мелкого заполнителя определяется просеиванием пробы заполнителя через стандартный набор сит с квадратными ячейками 0.16; 0.315; 0.63 и 1.25 мм по ГОСТ 6613-86 и с круглыми отверстиями диаметром 2.5 и 5 мм. Частицы с размером менее 0.16 мм рассматриваются как пылевидные и глинистые примеси, и допустимое содержание их в песках ограничивается. Наличие этих примесей может существенно влиять на прочность сцепления раствора с основанием. Так, например, содержание в песке 1-1.5% глинистых частиц может понизить прочность сцепления плиточного клея в 2 раза.

Оптимальный, с точки зрения формирования свойств растворных смесей и растворов, гранулометрический состав заполнителя достигается, если его характеристика соответствует "идеальной" кривой просеивания [2, 3]. Идеальная кривая соответствует такому зерновому составу заполнителя, у которого упаковка зерен наиболее плотная.

Отмытые речные и карьерные (овражные) пески, как правило, обогащены частицами класса крупности 0.2ј0.3 мм. Если не вводить более мелкие и более крупные фракции заполнителя, то в нем останется много пустот, которые потребуют для их заполнения дополнительного количества вяжущего, что нежелательно как по технико-экономическим соображениям (песок стоит в 3-5 раз дешевле вяжущего), так и из-за неизбежного увеличения водопотребности растворной смеси, поскольку водопотребность цемента значительно выше водопотребности песка. Для цементов значение водопотребности составляет 25-30%, для песков - 4-12%.

С целью улучшения фракционного состава заполнителя вместо того, чтобы увеличивать долю вяжущего, целесообразнее вводить наполнители - тонкодисперсные материалы с размером частиц 0.05-0.20 мм. К таким материалам относятся тонкомолотые кварцевые пески, пылевидный кварц (маршалит), микрокальцит, известняковая и доломитовая мука и др. Для тонкодисперсных смесей, таких как шпаклевочные смеси и затирки, тонкодисперсные наполнители могут быть основными компонентами.

В качестве наполнителя может также использоваться молотая слюда, молотые тальк и талькомагнезит, и др. Например, применение слюды повышает трещиностойкость растворов, а также придает растворным смесям тиксотропные свойства.

В качестве активного микрозернистого наполнителя в состав некоторых видов ССС (гидроизоляционные составы, высокопрочные ремонтные растворы и др.) может вводиться микрокремнезем. Он представляет собой чрезвычайно мелкодисперсную кремнеземистую пыль, образующуюся при получении элементарного кремния и ферросплавов. Размер частичек микрокремнезема составляет, в основном, 0.10-0.15 мкм. Микрокремнезем имеет высокую реакционную способность и реагирует с продуктом гидратации минералов клинкера - портландитом (Са(ОН)2) с образованием гидросиликатов кальция, что дает эффект упрочнения твердеющей системы и, при условии использования специальных технологических приемов, позволяет получать высокоплотные и высокопрочные (до 270 МПа) бетоны и растворы [4].

К особому виду наполнителей можно отнести волокна, которые могут быть как минерального происхождения (стек-ловолокна, базальтовые), так и органического (полипропиленовые, целлюлозные и др.). Минеральные волокна должны быть устойчивы по отношению к щелочной коррозии, что требует применения для их производства специальных видов стекол или же противокоррозионной защиты волокон путем их обработки полимерными материалами. Волокна вводятся в растворы в количестве до 1-1.5 кг/м3 с целью придания им увеличенной прочности при изгибе и растяжении, эластичности и повышения устойчивости при вибрационных воздействиях.

Введение в состав строительных растворных и бетонных смесей различных добавок с целью регулирования их технологических свойств (подвижности, сроков схватывания, расслаиваемости, водоудерживающей способности), а также строительно-технических свойств растворов и бетонов (прочности, пористости, гидрофобности и водонепроницаемости, коррозионной стойкости, морозостойкости и др.) давно используется в строительном материаловедении. Классификация и технические требования к добавкам регламентированы стандартами ГОСТ 24211-89 "Добавки для бетонов. Классификация" и ГОСТ 24211-91 "Добавки для бетонов. Общие технические требования", однако в перечень компонентов, использующихся в настоящее время в технологии ССС, входят новые химические продукты, которые в момент разработки упомянутых стандартов либо не были известны, либо не применялись в России на практике по причине отсутствия их производства. В перечень таких добавок входят редиспергируемые полимерные порошки (РПП), добавки тиксотропного действия, некоторые пеногасители, стабилизаторы и регуляторы деформаций и расширяющиеся компоненты, бесщелочные ускорители схватывания, противоморозные добавки и вещества, обеспечивающие биостабильность материалов - биоциды.

Особенности технологии ССС исключают возможность использования в их составе жидких компонентов, а также веществ, обладающих гигроскопичностью. Добавки должны, кроме того, быть быстрорастворимыми или же быстроредиспергируемыми (в течение не более 5-10 мин.), равномерно распределяться в сухих и растворных смесях и быть влагоустойчивыми и химически стойкими по отношению к компонентам смеси.

Эти требования не выполняются по отношению к большей части традиционных отечественных добавок для бетонов и растворов; кроме того, некоторые из наиболее широко используемых в России на практике добавок - водоредуцирующие (суперпластификаторы и гиперпластификаторы) и водоудерживающие (загущающие) - либо вообще отсутствуют, либо не конкурентны по качеству.

В табл. 1 приведены обобщенные данные о свойствах, физико-химической характеристике и диапазоне концентраций наиболее распространенных на рынке Санкт-Петербурга функциональных добавок для ССС [5, 6, 7].

Табл. 1. Характеристика добавок для ССС

№ п/п Назначение Фазово-химический состав Применение Концентрация, масс.%
1 Редиспергируемые полимерные порошки (РПП) Гомо- и сополимеры винилацетата, этилена, виниллаурата, винилверсатата, стирол-акрилаты, полиакрилаты, смеси поливинилацетата с сополимером винилацетата с этиленом и винилхлоридом Клеи для плитки и для систем теплоизоляции, ремонтные составы, самонивелирующиеся полы, шпатлевки, штукатурки, кладочные растворы для монтажа газобетонных блоков, сухие краски, гидроизоляционные покрытия, затирки 0.5-8.0
2 Водоудерживающие Гидратная известь. Модифицированные эфиры целлюлозы:
- метилгидроксиэтил целлюлозы;
- метилгидроксипропил целлюлозы;
- этилгидроксиэтил целлюлозы;
- карбоксиметил целлюлоза и др.
Все виды ССС для пористых оснований и для тонкослойного нанесения 02-04
3 Водоредуцирующие (водопонижающие) пластификаторы, суперпластификаторы, гиперпластификаторы Соли сульфонированных меламин-формальдегидных (СМФ) или нафталинформальдегид-ных (СНФ) полимеров.
В отношении гиперпластификаторов информация о составе отсутствует.
Известно, что это химические продукты высокой степени очистки
Самонивелирующиеся полы, инъекционные растворные смеси, ремонтные растворы, гидроизоляционные материалы 0.3-3.0
4 Загущающие и технологические (уменьшающие липкость к инструменту) Модифицированные бентониты (на основе магнезиального монтмориллонита - гекторита).
Производные крахмала (гидроксипропиловый эфир)
Высококачественные клеи, затирки, шпатлевки, штукатурки 0.01-0.15
5 Воздухововлекающие (порообразователи) Поверхностно-активные вещества неионогенного и ионогенного действия:
органические сульфокислоты и их соли, алкиларил сульфонаты, нейтрализованная винсоловая смола, смоляные мыла, полигликолевые эфиры
Смеси для морозостойких растворов и бетонов, кладочные и штукатурные растворы 0.05-0.1
6 Пеногасители Жидкие углеводороды и полигликоли (диолы) на инертном носителе (аморфном кремнеземе) Самонивелирующиеся полы, ремонтные растворы, клеи для теплоизоляции, клеи для плиток, сухие краски 0.05-0.1
7 Коалесценты (способствуют слиянию диспергированных в воде частиц полимерного порошка в сплошную пленку) Смеси диолов на носителе (аморфном кремнеземе) Сухие краски, самонивелирующиеся полы 0.1-5.0
8 Ускорители и замедлители схватывания Алюминат натрия, гидросиликат натрия, карбонат лития, поташ, формиат кальция.
Полисахариды, глюконат натрия, лимонная и винная кислоты и их соли, фосфат натрия
Инъекционные ремонтные составы, составы для торкрет- и набрызг-бетона, гидропломбы, самонивелирующиеся полы 0.5-1.5
9 Ускорители твердения и упрочнители Формиат кальция, тиосульфат натрия, роданид кальция, микрокремнезем, микрокальцит. Смеси для высокопрочных быстротвердеющих растворов и бетонов, для работы при пониженных и отрицательных температурах, самонивелирующиеся полы 0.5-3.0
10 Гидрофобизирующие> Стеараты кальция, магния, цинка, олеат натрия, силиконовые смолы на твердых носителях Фасадные штукатурки, шпатлевки, гидроизоляционные смеси 0.2-2.0
11 Противоусадочные, расширяющиеся Глиноземистые и высокоглиноземистые цементы, активные гидраты глинозема, смеси диолов на аморфном кремнеземе Гидроизоляционные смеси, стяжки, шпатлевки, ремонтные растворы и бетоны и др. 0.1-3.0
12 Противоморозные (проведение работ при температуре меньше 0 градусов по C) Формиат кальция, тиосульфат натрия, поташ, мочевина Штукатурные смеси для фасадных работ, кладочные растворы, ремонтные растворы и бетоны 3.0-7.0
13 Биоциды (обеспечение биостабильности) Пиритион цинка Штукатурки, клеи для плитки, самонивелирующиеся полы 0.2-0.5


В рамках данного сообщения невозможно рассмотреть особенности влияния и механизм действия всех видов добавок, представленных в табл. 1, поэтому ограничимся более детальным рассмотрением первых двух, наиболее широко применяемых: редиспергируемых полимерных порошков (РПП) и водоудерживающих добавок.

РПП имеют насыпную плотность 400-500 кг/м3 и характеризуются средним размером частиц 50-250 мкм. Вязкость дисперсии полимера в воде (по Брукфильду) составляет 500±200 мПа•с. Порошки могут иметь высокую, среднюю и низкую скорости редиспергирования.

Важным для практического выбора редиспергируемого порошка показателем является минимальная температура пленкообразования (МТП), характеризующаяся температурой, при которой редиспергируемый порошок еще способен образовывать слитную эластичную пленку. Эта характеристика для различных РПП лежит в интервале от 0 до 25°С, и для некоторых типов порошков может быть даже несколько ниже нуля, при этом, естественно, должны быть обеспечены условия, препятствующие замерзанию растворной смеси. Кроме того, свойства РПП характеризуются температурой стеклования, отвечающей за точку перехода эластичного состояния пленки полимера в хрупкое. Она лежит в диапазоне температур от -20°С до +20°С. Помимо полимерной части и антикоагулянта, в состав РПП могут входить пластификаторы, коалесценты, антислеживатели и неорганические наполнители.

При смешивании РПП с водой имеет место процесс редиспергирования его частиц - агломератов - с образованием дисперсий, состоящих из частичек со средним размером 0.01-0.5 мкм. РПП в составе растворных смесей играют роль органического связующего, создавая эластичные контактные пленки между частичками заполнителей, наполнителей и минерального вяжущего. При их введении в количестве 0.5% и более ощутимо улучшается перерабатываемость и возрастает прочность сцепления растворов с различными основами.

Опыт применения РПП за рубежом насчитывает уже многие десятилетия. Практика применения РПП и лабораторные испытания подтверждают стабильность этих материалов в контакте с продуктами гидратации портландцемента и долговечность материалов, включающих в свой состав РПП.

Модифицирование РПП с помощью различных добавок, вводимых в их состав, придает строительным смесям дополнительные свойства - пониженную склонность к пенообразованию, гидрофобные свойства, способность к более ускоренному твердению и др. Рекомендуется вводить в строительные растворы от 5 до 12% РПП по отношению к количеству цемента в смеси. В случаях, когда от цементных растворов требуются особенно высокие эксплуатационные свойства, например, при изготовлении высоконагруженных половых или дорожных покрытий, количество добавляемого в раствор полимера может быть повышено до 20% (по отношению к массе цемента).

Из других важных свойств строительных растворов, содержащих РПП, следует отметить понижение водопоглощения, уменьшение водо- и паропроницаемости, повышение сопротивления к удару и истиранию, возрастание морозостойкости. Следует отметить, что у строительных растворов на РПП прочность, приобретенная после их предварительного высушивания на воздухе, после погружения в воду понижается. Это падение прочности составляет 10-20% по отношению к прочности составов, твердеющих в нормальных условиях. При высушивании материала прочность восстанавливается.

Другим важнейшим компонентом ССС являются водоудерживающие добавки - сложные гидратированные эфиры целлюлозы. В зависимости от назначения, выпускается целый ряд сложных эфиров целлюлозы с различными свойствами. Основные свойства эфиров целлюлозы заключаются в их способности иммобилизировать воду, т. е. снижать подвижность свободных молекул воды. Благодаря повышению водоудержания, снижается отсос влаги из твердеющей растворной смеси в основу и уменьшается скорость испарения влаги в окружающую среду, что повышает степень гидратации минеральных вяжущих, а тем самым - и прочность сцепления раствора с основаниями. Удерживая воду в составе растворной смеси, эфиры целлюлозы позволяют улучшить подвижность растворов, увеличить время корректировки монтируемых блоков, увеличить открытое время (время между моментом нанесения раствора и образованием на нем корки) и улучшить удобоукладываемость. Без использования эфиров целлюлозы в цементно-известково-песчаных композициях трудно обеспечить водоудерживающую способность растворов более 80-85%, в то время как высококачественные ССС с добавками 0.2-0.4% эфиров целлюлозы характеризуются водоудержанием на уровне 95-98%.

Применение водоудерживающих добавок особенно важно в тех случаях, когда растворные смеси работают в контакте с пористыми подложками (клеи для плиток, кладочные растворы для монтажа газобетонных блоков, штукатурные растворы и т. п.), а также при использовании тонкослойных материалов, характеризующихся большой скоростью высыхания, таких как тонкослойные штукатурки, шпаклевки и затирки. Сохранение влаги в твердеющей системе важно также и в самовыравнивающихся составах для наливных полов, при этом рекомендуется использовать эфиры целлюлозы с умеренной вязкостью - менее 6000 мПа•с.

В составе растворных смесей эфиры целлюлозы, помимо водоудерживающего действия, эффекта загущения и пластифицирующего действия, вызывают и нежелательные эффекты - повышают В/Ц отношение, что снижает прочность при сжатии, изгибе и растяжении, способствует дополнительному воздухововлечению, что не всегда необходимо, тормозят схватывание и твердение.

Что касается эффективности действия и целесообразности применения других видов добавок, представленных в табл. 1, то следует отметить определенный прогресс, достигнутый в разработке и применении водопонижающих добавок, бесщелочных ускорителей схватывания и твердения, в области гидрофобизации и в разработке способов регулирования деформаций при твердении.

Литература
1. Ицкевич С.М., Чумаков Л.Д., Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. - М.: Высшая школа, 1991. - 271 с.
2. Rothfuchs G. Betonfibel. Ratgeber fЯr die Herstellung von Beton und Betonsteinerzeugnissen. Berlin: VEB Verlag Technik, 1958. - 260 S.
3. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Высшая школа, 1978. - 455 с.
4. Тейлор Х. Химия цемента. - М.: Мир, 1995. - 560 с.
5. Сухие смеси в современном строительстве /Безбородов В.А., Белан В.И., Мешков П.Н. и др. Новосибирский Государственный строительно-архитектурный университет. - Новосибирск, 1998. - 94 с.
6. Козлов В.В. Сухие строительные смеси. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2000. - 96 с.
7. Сухие строительные смеси /Карапузов Е.К., Лутц Г., Герольд Х. и др. - Киев: Техника, 2000. - 226 с.