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

Зозуля П.В.Термин штукатурка происходит от итальянского "Stucco" - слова, которое первоначально обозначало имитации природного камня, чаще всего мрамора. В течение длительного периода времени исчисляемого веками штукатурки рассматривались как материалы для отделочных работ и основными критериями их качества служили декоративные свойства. Это, в частности, нашло своё отражение и в названиях различных штукатурок, таких, например, как сграффито, терразитовых, венецианских, мюнхенских и т.п. В технической литературе вопросам обработки поверхностей штукатурных покрытий уделяется достаточно много внимания: здесь используются приёмы отделки как ещё пластичного (накатка, применение штампов, набрасывание), так и уже упрочнившегся раствора (затирка, заглаживание, обработка при помощи циклевания, насечка поверхности раствора с использованием специальных ударных инструментов - бучард, троянок, скарпелей, зубчаток, зубил и т.д.).

Прогресс в строительном материаловедении, развитие индустриальных методов строительства, а также достижения в области строительной физики коренным образом изменили отношение к штукатурным материалам. В качестве примера можно сослаться на стандарт Германии DIN 18550, ч.1 в котором говориться, что "штукатурки в зависимости от свойств применяемого строительного раствора и вяжущего вещества, а также толщины штукатурных слоёв выполняют определённые строительно-технические функции и вместе с тем служат для отделки строительных сооружений ". В соответствии с этим стандартом штукатурки подразделяют на: штукатурки, отвечающие обычным требованиям, штукатурки с дополнительными свойствами и штукатурки со специальными свойствами. В группу штукатурок с дополнительными свойствами входят водозадерживающие штукатурки, гидрофобные штукатурки, штукатурки для наружных работ с повышенной прочностью, штукатурки для внутренних работ с повышенной стойкостью к истиранию, стеновые и потолочные штукатурки для внутренних работ в помещениях с повышенной влажностью. К специальным штукатуркам отнесены теплоизоляционные штукатурки, штукатурки огнезащитные и штукатурки для защиты от ионизирующих излучений. Декоративные функции штукатурных покрытий в настоящее время рассматриваются как дополнительные, а основными являются показатели обеспечивающие защиту сооружений от различных внешних воздействий (ливневых осадков, мороза, температурных колебаний под действием инсоляции), от переувлажнения (паропроницаемость), от теплопотерь (теплоизоляционные свойства) и кроме того такие свойства, которые ответственны за долговечность конструкций - прочность сцепления штукатурного покрытия с основанием, деформации усадки и трещиностойкость, водозащитные характеристики - водонепроницаемость, гидрофобность, устойчивость к воздействию газовой агрессии (преимущественно серного ангидрида) и солевой коррозии, отсутствие высолов и выцветов на поверхности покрытий, стойкость по отношению к грибковым поражениям и др.

Введённый в действие в 2004 году ГОСТ 31189 "Смеси сухие строительные" за смесями собственно штукатурного назначения (А.3-смеси сухие штукатурные) закрепляет только функцию выравнивания и (при необходимости) придания декоративных свойств, что при разработке рецептур фактически выводит из сферы внимания необходимость придания штукатурным покрытиям строительно-технических характеристик безусловно обязательных для современных штукатурных материалов.

По образному высказыванию одного из специалистов в области строительных материалов [1], "современный строительный раствор так же похож на свои ранее использовавшиеся аналоги, как самолёт братьев Райт на современный лайнер". Вместе с тем, если обратиться к отечественному материаловедению в части нормативных требований к свойствам штукатурных растворов то следует констатировать, что таковые практически отсутствуют, а содержащиеся в стандартах положения не только не соответствуют современным знаниям и опыту эксплуатации этого вида строительного материала в других странах, но и прямо им противоречат.

Следует отметить, что ни один из действующих в настоящее время в России нормативных документов на строительные растворы не содержит определения понятия, что такое штукатурный раствор и не рассматривает этот вид строительного раствора как строительный материал, к которому предъявляются какие-либо специфические требования, более того, в описании области применения строительных растворов (см. ГОСТ 28013 п.1 "Растворы строительные. Общие технические условия") декоративные растворы отнесены к группе специальных и таким образом даже отделочные функции собственно штукатурных растворов отставляются в сторону. Один из основополагающих для строителей нормативных документов: "Свод правил по проектированию и строительству. Приготовление и применение растворов строительных. СП 82-101-98." растворы штукатурные и для крепления облицовочных плиток объединяет в один раздел, необоснованность такого объединения не требует каких-либо комментариев.

Если к вышеизложенные замечания ещё можно рассматривать как некую дискуссиюи по вопросам терминологии, то совершенно иначе дело обстоит с положениями СП 82-101-98 в отношении обоснования состава отдельных слоёв штукатурного покрытия, а также в части ограничения максимального размера зерна заполнителя. В таблице 16 цитируемого документа приведены рекомендации по составу штукатурного обрызга, грунта и отделочного слоя для наружной штукатурки стен,цоколей, карнизов и других элементов, подвергающихся систематическому увлажнению, а также для внутренней штукатурки в помещениях с относительной влажностью воздуха выше 60%, а в таблице 17 для наружной штукатурки стен не подверженных систематическому увлажнению и для внутренней штукатурки в помещениях с относительной влажностью воздуха до 60%.

Рекомендуется в первом случае выполнять обрызг строительным раствором состава от 1:2 до 1:3 (состав раствора по объёму -цемент : песок), грунт составом от 1:1,5 до 1:2,5 и отделочный слой раствором от 1:1 до 1:1,5, а во втором случае обрызг и грунт растворами составов 1:2 до 1:3 и отделочный слой раствором от 1:1 до 1:1,5.

Отметим, что мировая практика проведения штукатурных работ основывается на прямо противоположном подходе к обоснованию состава отдельных штукатурных слоёв. В основе такого подхода лежит, так называемое, штукатурное правило иногда именуемое даже штукатурным законом [2,3]. Согласно этому правилу прочность штукатурных слоёв должна снижаться в направлении от основания к наружной поверхности штукатурного покрытия, то-есть состав для обрызга должен быть самым прочным и содержать наибольшее количество вяжущего вещества и, соответственно, содержание вяжущего должно прогрессивно снижаться в составах для грунта и для слоя накрывки. Прочность состава для обрызга должна быть равной или несолько более низкой по сравнению с прочностью покрываемой обрызгом основы.

Превышение раствором для обрызга прочности основания может явиться причиной разрушения контактных зон между слоем обрызга и основанием (и, равным образом, любых других контактных зон, например, между слоем обрызга и слоем грунта или между слоем грунта и отделочным слоем) вследствие появления в ней напряжений, обусловленных деформациями усадки. Эти деформации связаны с потерей влаги ( деформации высыхания), c деформациями при твердении вяжущего (контракция или химическая усадка) и с карбонизацией продуктов гидратации вяжущего вещества или смеси вяжущих веществ (усадка вследствие карбонизации). Во всех случаях, когда на какое-либо основание наносится слой более прочного строительного раствора возникает опасность отрыва слоя этого покрытия от основания, при этом вместо функции сохранения сооружения от разрушения (типичный пример, защита кирпичной кладки путём нанесения на неё штукатурки), нанесённое покрытие ведёт к его разрушению. Отметим здесь, что за крайне редкими исключениями (шпатлёвки, обмазочные штукатурные гидроизоляционные составы, инъекционные составы с компенсированной усадкой) растворы с соотношением вяжущее: заполнитель 1:1 и 1:1,5 в строительной практике не применяются из-за высокой склонности к усадочным деформациям и к трещинообразованию.

Так, например, Марк Витрувий ещё в I веке до нашей эры [4] при использовании в качестве заполнителя карьерного песка рекомендовал применять известковые строительные растворы состава 1:3. Можно сослаться и на более современные источники информации, которые подтверждают достаточно высокий уровень профессиональных знаний наших предков.

В DIN 18550 часть 2 (см. табл. 3) все рекомендуемые к применению составы штукатурных растворов (за исключением гипсовых и ангидритовых) характеризуются соотношением вяжущее: песок от 3-3,5 до 4,0-4,5, при этом предполагается что применяется песок с гранулометрией, обеспечивающей плотную упаковку. Аналогичные рекомендации даёт стандарт Великобритании BS 4887 . Соотношение вяжущее - заполнитель является определяющим для прочности искусственного камня, образующегося в результате твердения вяжущего вещества. В связи с этим возникает вопрос о том, какова должна быть прочность штукатурного покрытия. Наибольшую прочность должны иметь штукатурные растворы, применяемые в зоне цоколя. Минимальная прочность при сжатии таких штукатурных растворов согласно DIN 18550 должна быть не менее 10 МПа. Такую прочность имеют растворы с соотношением цемент: песок 1:3. К штукатурным растворам на воздушной извести требований в отношении прочности при сжатии не предъявляется. Растворы на основе гидравлической и высоко-гидравлической извести должны иметь минимальный предел прочности при сжатии, соответственно, - 1,0 и 2,5 МПа. Долговечность и сопротивление внешним воздействиям, а также высокая трещиностойкость обеспечиваются когда штукатурный раствор имеет прочность при сжатии в диапазоне значений от 2 до 5 МПа. Растворы с такими прочностными характеристиками способны приспосабливаться к малым деформациям и противостоять трещинообразованию. В крайнем случае смещения в кладках при использовании таких растворов ведут к образованию распределённых волосных трещин, в то время как в случае использования более прочных растворов смещения в кладках приводят к образованию локальных и широких трещин.

Решающим параметром согласования механических свойств контактных зон между основаниями и штукатурными покрытиями и слоёв покрытий друг с другом является значение модуля упругости (модуля Юнга) соответствующих материалов. Модуль упругости штукатурного покрытия должен быть меньше модуля упругости контактирующего с этим покрытием штукатурного слоя или штукатурной основы.. Напряжения растяжения (?), возникающие в штукатурке c модулем упругости (E) вследствие деформаций (?), могут быть рассчитаны из следующего уравнения: ? = E??. В цементной штукатурке с пределом прочности при сжатии 15 МПа, пределом прочности при растяжении 1,5 МПа, деформациями усадки 0,7мм/м и модулем упругости 15 000 МПа [3] растягивающие напряжения составят : ? = 15 000 ? 0,7 ‰ = 10,5 МПа, что существенно (в 7 раз) превышает предел прочности штукатурки при растяжении и образование в штукатурном покрытии трещин кажется неминуемым. На практике, правда, штукатурное покрытие не растрескивается, так как оно связывается механически с основанием, которое частично воспринимает возникающие напряжения. Основание при этом подвергается действию напряжений сжатия, часть которых релаксирует за счёт перестройки структуры твердеющего цементного камня

Исключением из этого правила являются штукатурные растворы в которых в качестве связующего используются органические материалы на основе синтетических полимеров. При достаточно высоких значениях предела прочности при сжатии (и при растяжении) штукатурные покрытия на основе синтетических полимерных связующих имеют сравнительно низкие значения модуля упругости и относительно небольшие усадочные деформации, поэтому их применение не ведёт к появлению в контактных зонах опасных напряжений, приводящих к разрушению контактирующих между собой материалов. Так как в современных штукатурных материалах на основе синтетических полимеров значение модуля упругости в известных пределах может изменяться вне связи с прочностью, то в таких случаях следует обращать внимание на согласование модуля упругости материала отдельных слоёв (а не прочностных характеристик). Модуль упругости должен уменьшатся изнутри наружу.

Ранее уже обращалось внимание на необходимость внесения в нормативные документы изменений в отношении факторов, имеющих исключительно важное значение для обеспечения прочного сцепления штукатурных слоёв с основаниями и между отдельными штукатурными слоями : речь идёт о гранулометрии заполнителей для штукатурных растворов и об ограничениях категорического характера в отношении предельной крупности зерна заполнителя [5]. В связи с основополагающим значением этих вопросов рассмотрим их ещё раз.

Каких-либо требований к гранулометрическому составу заполнителей для штукатурных растворов действующие отечественные нормативные документы не содержат.

Рекомендации по гранулометрическому составу мелкого заполнителя для тяжёлых и мелкозернитсых бетонов содержатся в ГОСТ 26633. Приведенным в этом стандарте графиком в первом приближении можно воспользоваться и для оценки качества песка для штукатурных растворов в отношении его гранулометрического состава, однако лучше воспользоваться методами оптимизации, основывающихся на представлениях об "идеальном" гранулометрическом составе заполнителей. Под "идеальным" понимают такой заполнитель, который характеризуется наименьшей межзерновой пустотностью при минимальной поверхности частиц заполнителя. В технической литературе можно найти различные уравнения и методы расчёта "идеального" гранулометрического состава заполнителя : уравнение Фуллера, Фуллера-Боломея, Хюммеля, Даля, Абрамса, Ротфухса и др. Наиболее простым и удобным по нашему мнению является уравнение Фуллера, согласно которому оптимальная гранулометрия заполнителя представляет собой параболу. Пользуясь графическим методом, предложенным Ротфухсом [6,7] можно линеаризировать параболические кривые, что существенно упрощает оценку качества заполнителя с точки зрения его гранулометрии. Отметим, что в самом общем виде гранулометрия мелкого заполнителя для штукатурных растворов должна отвечать следующим минимальным требованиям : массовая доля зёрен размером от 0 до 0,25 мм должна находиться в интервале 10-30 %, а крупная фракция должна содержаться в заполнителе в достаточном количестве.

Рассмотрим теперь ситуацию с максимальным размером зерна заполнителя. Стандарты ГОСТ 28013 и СП 82-101-98 в категорической форме ограничивают предельную крупность зерна заполнителя в составе штукатурных растворов значением 2,5 мм. Это ограничение в отечественных нормативных документах появилось достаточно давно, так в работе опубликованной ещё в 1929 году [8] , как некий парадокс отмечается то что в России предельный размер зерна в штукатурных составах ограничивается 2,5 мм, в то время как, например, в США он составляет 4,76 мм, в Дании-5 мм, в Великобритании-4,76 мм, а в Германии - 7 мм. Парадоксальность отмеченного ограничения крупности зерна заполнителя заключается в том, что, например, слой обрызга может эффективно выполнять свою основную функцию обеспечения прочного сцепления с основанием слоя штукатурного грунта, только в том случае, если толщина слоя обрызга не превышает крупности зерна заполнителя. Крупные зёрна заполнителя должны выступать из слоя обрызга (и, к слову, из наносимого на обрызг слоя штукатурного грунта) и тем самым формировать шероховатую поверхность, обусловливающую прочное сцепление слоёв друг с другом. Совершенно очевидно, что нанесение слоя обрызга толщиной 5 мм, как это рекомендуется в отечественной технической и учебной литературе по штукатурным работам, ведёт к утапливанию зерна заполнителя в растворной смеси и не даёт возможности обеспечить шероховатость поверхности необходимую для надёжного сцепления слоёв. Отметим, что крупность зёрен в контактирующих между собой штукатурных слоях должна последовательно уменьшаться от слоя обрызга к слою накрывки, при этом в каждом слое должны присутствовать достаточно крупные зёрна. Низкая прочность сцепления штукатурки с основанием и между слоями штукатурного покрытия ведёт к отслоению штукатурки от основы и к расслоению штукатурки на отдельные пластинки, что можно нередко наблюдать на практике.

В заключение ещё раз вернёмся к вопросу о функциональном назначении современных штукатурок. Эту задачу облегчает введённый в действие в 2003 году европейский стандарт EN 998-1 "Технические условия на строительные растворы для кладочных работ. Часть 1. Штукатурный раствор. В соответствии с этим документом в группу штукатурных растворов включено 6 видов штукатурных растворов: обычный штукатурный раствор(GP), лёгкий (LW), декоративный (CR), однослойный штукатурный раствор для наружных работ (OC), санирующий (ремонтный) штукатурный раствор(R) и теплоизоляционная штукатурка (T). Аббревиатура в скобках является сокращением английских названий соответствующих штукатурных материалов. Представляется целесообразным в свете вышерассмотренных проблем привести также сведения о регламентации свойств перечисленных штукатурных растворов. Эти данные приведены в таблице 1 и относятся к всем растворам за исключением однослойного штукатурного раствора для наружных работ.

Таблица 1. Свойства штукатурных растворов

Свойства Категории Значения
Прочность при сжатии в возрасте 28 суток CS I
CS II
CS III
CS IV
0,4 до 2,5 МПа
1,5 до 5,0 МПа
3,5 до 7,5 МПа
>/= 6,0 МПа
Капиллярное водопоглощение W 0
W 1
W 2
Нет требований
с </= 0,40 кг/м2xч0,5
c </= 0,20 кг/м2xч0,5
Теплопроводность T 1
T 2
</= 0,1 Вт/мxK
</= 0,2 Вт/мxK


Следует обратить внимание на требования к прочностным характеристикам, они как видно из таблицы отличаются невысокими показателями и, более того, в большинстве случаев ограничены в отношении предельных значений.

Литература

1. Schneider R., R., Dickey W. L., Reinforced Masonry Design., New Jersey., 1987,- 682 p.

2. Венюа М., Цементы и бетоны в строительстве. / Пер. с франц.-М.: Стройиздат, 1980.-415 с.

3. Ross H., Stahl F., Praxis - Handbuch Putz., Stoffe, Verarbeitung, Schadensvermeidung., 3. Auflage., Rudolf Muller Verlag., Koln.,2003.- 255 s.

4. Значко-Яворский И., Л., Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времён до середины XIX века., Изд. АН СССР., М-Л, 1963.- 496 c.

5. Зозуля П., B., Оптимизация гранулометрического состава и свойств заполнителей и наполнителей для сухих строительных смесей. Сборник тезисов. 3-я Международная конференция "Сухие строительные смеси для XXI века: Технологии и бизнес".,2003, 12-13 стр.

6. Rothfuchs G., Betonfiebel., VEB Verlag Technik., Berlin,1958.-260 s.

7. Корнеев В. И. "Что" есть "что" в сухих строительных смесях. Словарь.-СПб.: НП "Союз производителей сухих строительных смесей",-312 с.

8. Allan W.D.M., Anomalous Behavior of Mortars Coats., J. Am. Concr. Inst., I, (1929), p.699-716.