Валентин Исаакович Корнеев, доктор технических наук, профессор,
Санкт-Петербургский государственный Технологический институт (Технический университет)


Конечным продуктом технологического процесса на заводах по производству сухих строительных смесей являются сухие строительные смеси, представляющие собой приготовленные в промышленных условиях, оптимизированные по составу, сухие смеси вяжущих веществ, заполнителей, наполнителей и функциональных добавок, образующие, при затворении заданным количеством воды, готовые к применению растворные смеси. Технологические процессы, составляющие основу промышленного производства сухих смесей требуемой номенклатуры и свойств, включают складирование исходного сырья, весовое дозирование компонентов смеси в научно-обоснованных соотношениях, тщательное смешение компонентов, упаковку приготовленной сухой смеси и отгрузку потребителю. Во многих случаях технологический процесс производства сухих смесей осложняется необходимостью организации сушки заполнителей (песков), а также их разделения на фракции (грохочения).

В любом варианте реализации технологического процесса на заводе сухих смесей, основным технологическим агрегатом является аппарат-смеситель, способный в периодическом режиме смешивать порошки, отличающиеся по размеру смешиваемых частиц (от долей мкм до 3-5 мм), их насыпной (0,2-2,0 г/см3) и истинной (от 0,5 до 4 г/см3) плотности, химической природе (органические и минеральные частицы). При производительности таких агрегатов, в зависимости от размеров, от 4 до 80 т/час и более, они обеспечивают тщательное смешение компонентов и однородность смеси как по распределению крупных частиц, так и тонких фракций. Такие смеси являются однородными в любом реальном объёме их практического применения.

За годы становления в России промышленного производства сухих строительных смесей (интенсивное развитие отрасли обычно связывают с последствиями дефолта 1998 г.) технология этого производства приобрела законченные очертания и вышла на современный уровень развития, чему в большой степени способствовали как достижения отечественной машиностроительной промышленности, так и опыт передовых зарубежных фирм. На территории России в настоящее время работают десятки предприятий по производству сухих строительных смесей, отвечающих последнему слову современной техники.

Тем не менее, несмотря на внешне благоприятные условия для развития отрасли, в последние 2-3 года наметилось снижение темпов роста производства сухих смесей. Так, среднегодовой темп роста объёмов производства сухих смесей в 2000-2004 г.г. составлял 50%, в 2005 г. производство увеличилось на 31%, в 2006 г. ожидается прирост 20-25%, а в ближайшие 2-3 года темпы роста могут снизиться до 10-15% в год. Несмотря на замедление роста рынка и снижение рентабельности, число производителей сухих смесей продолжает расти и в настоящее время превышает 230, что не может не привести к обострению конкурентной борьбы 1 .

Одним из способов частичного преодоления намечающейся определённой стагнации в производстве сухих строительных смесей может быть организация на заводах сухих смесей производства так называемой "непрофильной" для этих предприятий продукции, к которой можно отнести производство специальных цементов методом смешения компонентов, а также производство сухих смесей не строительного назначения.

Существующая на действующих Российских цементных заводах технология не позволяет выделить из технологического цикла и осуществить поставку заказчику относительной небольшой (например, менее 1000 т.) партии цемента, отличающегося по составу и своим техническим показателям от основного вида выпускаемой продукции. Например, цементный завод не может отгрузить конкретному заказчику партию быстротвердеющего цемента, если других заказчиков на эту продукцию нет. Минимальный объём заказываемой партии не должен быть меньше объёма хотя бы одного силоса для отгружаемой продукции, даже если заказываемая партия цемента отличается от основной продукции только тонкостью помола или содержанием активных добавок, т.е. не требует существенного изменения технологического процесса.

Эта ситуация ещё более усложняется, если для выпуска заказываемого цемента необходимо в состав цемента вводить какие-либо добавки, обычно не применяемые на данном предприятии, например, добавки для получения расширяющихся, гидрофобных, высокопрочных цементов и др. Препятствиями для выпуска на цементных заводах небольших партий цементов "под заказ", кроме ограниченных объёмов (силосов) для отгрузки, служат также объективные технологические обстоятельства, связанные с необходимостью раздельного хранения клинкеров разного состава, добавок в цементы для получения цементов разного назначения, наличием на заводах помольного оборудования большой мощности, не позволяющего разделить технологические потоки, объединенные склады для хранения материалов и др. Реальная технологическая ситуация на цементных заводах ориентирована, таким образом, на выпуск однотипной продукции и, с учётом запросов современного рынка, эта продукция чаще всего соответствует требованиям к цементам ПЦ Д-0 и ПЦ Д-20 (марки 400 и 500 по ГОСТ 10178). Другая продукция (малотоннажные партии специальных цементов), в силу объективной технологической ситуации, в большинстве случаев заводам практически невыгодна. Потребности рынка в относительно небольших партиях цементов со специальными свойствами цементная промышленность при существующей структуре производства удовлетворить не может. Эта ситуация, при намечающемся в настоящее время общем дефиците рядовых цементов, будет только усугубляться.

Одним из потребителей сравнительно небольших (по масштабам отгрузки цемента) партий цементов являются заводы по производству сухих строительных смесей. Эти предприятия, в ряде случаев, способны обеспечить собственное производство специальными цементами, а также организовать выпуск специальных цементов для сторонних потребителей в качестве товарного продукта. Технологические возможности по выпуску небольших партий специальных цементов на заводах сухих строительных смесей, не оснащённых помольным оборудованием, связаны с реализацией производства цемента способом смешения отдельных его компонентов. Такая технология - производство цементов на смесительных установках - известна и, в ряде случаев, экономически оправдана в условиях рынка 2 , однако в России, в силу исторически сложившейся структуры производства цемента, не реализована.

Технологическая схема процесса включает раздельное хранение компонентов цемента (в виде готовых к смешению сухих порошков требуемой гранулометрии), дозирование и смешение компонентов цементов на смесительной установке периодического действия, складирование полученных цементов с их последующей упаковкой и отгрузкой. Основным компонентом для получения смешанных цементов по такой технологии на заводах сухих смесей может быть бездобавочный цемент ПЦ Д-0 по ГОСТ 10178, на базе которого путём введения специальных компонентов и добавок могут быть получены некоторые виды специальных цементов для их последующего использования в составе сухих строительных смесей или отгрузки потребителю в качестве товарного продукта. Нужно иметь в виду, что бездобавочные цементы (ПЦ Д-0) содержат в своём составе для регулирования сроков схватывания гипс (1,5-3,5% в пересчёте на SO3). Содержание гипса в бездобавочном цементе обычно достаточно для регулирования схватывания смешанных цементов на основе бездобавочного цемента. При необходимости выпуска смешанных цементов с повышенным содержанием гипса, последний может быть введён в состав смешанного цемента дополнительно в виде молотого гипсового камня ("сыромола"), молотого ангидрита, а в отдельных случаях - в виде стандартного строительного гипса (ГОСТ 125).

В качестве примеров получения специальных цементов путём смешения компонентов на смесительной установке можно привести следующие.

Цветные цементы. Выпуск таких цементов в широкой палитре цветов в технологическом цикле цементных заводов, производящих белые цементы, вызывает значительные сложности, связанные с переходом с цвета на цвет, необходимостью раздельного хранения цементов, очистки оборудования и т.д. Технологический цикл упрощается, если цветные цементы производить смешением белого цемента и сухих пигментов на смесительной установке. Проведённые нами промышленные эксперименты на смесительной установке "Торнадо" (ф."Вселуг") показали, что одного цикла смешения в течение 2-4 минут достаточно для получения равномерно окрашенного продукта. Конечно, нужно иметь в виду, что цветовая характеристика цветного цемента зависит не только от качества процесса смешения, но и от белизны исходного белого цемента и качества пигментов. "Смешанный" цветной цемент может быть упакован сразу после смешения без предварительного его хранения в ёмкостях.

Расширяющиеся цементы. Цементы этого вида могут быть получены на смесительной установке смешением бездобавочного портландцемента и расширяющегося компонента (расширяющейся добавки). Действие такой добавки чаще всего основано на "эттрингитовом" расширении - образовании трёхсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция на ранних стадиях твердения цементного камня. Расширяющийся компонент в этом случае может быть поставлен на завод сухих смесей от производителя таких добавок в виде готового к смешению продукта. Возможно также собственное производство расширяющейся добавки путём смешения компонентов на заводе сухих смесей. Расширяющиеся добавки, например, могут быть получены смешением алюминатных (глинозёмистых) цементов, гипса и гидратной извести. Цементы такого типа интересны не только для производителей сухих строительных смесей (смеси для устройства полов, гидроизоляционные смеси, ремонтные смеси), но и для традиционной технологии бетонов специального назначения. В последнем случае расширяющиеся цементы могут рассматриваться в качестве товарного продукта широкого применения.

Быстротвердеющие, высокопрочные цементы. Следует исключить из рассмотрения получение цементов за счет нормирования состава клинкера, а также особо тонкого помола цемента, поскольку такие технологические приёмы не могут быть реализованы на типовых заводах сухих смесей. Тем не менее, для "смесьевой технологии" остаются определённые возможности получения таких цементов: смешением бездобавочных цементов с активными добавками, специальными добавками - ускорителями твердения, добавками-упрочните-лями. В качестве таких добавок, не требующих организации их помола на заводе сухих смесей, можно рассматривать микрокремнезём 3 , активный гидроксид алюминия 4 , формиаты кальция и натрия, добавки на основе сульфоалюминатов кальция и т.д. В работе 5 показано преимущество по темпу твердения и конечной прочности цемента, полученного смешением двух портландцементов, по сравнению с каждым из смешиваемых цементов. Как и в предыдущих случаях, быстротвердеющие и высокопрочные цементы востребованы не только на заводах сухих строительных смесей, но и при производстве товарного бетона по традиционной технологии.

Цементы с регулируемыми сроками схватывания. Такие цементы следует рассматривать в рамках регулирования процессов твердения на ранних стадиях: схватывание и твердение являются последовательно протекающими процессами. Тем не менее, в ряде случаев быстрое или замедленное схватывание цемента могут оказаться ведущими свойствами. Например, быстрое схватывание является необходимым свойством цементов для производства торкрет бетона, инъекционных составов, цементов для ремонтных работ и др. Современные тенденции дополнительного регулирования сроков схватывания рядового портландцемента состоят в применении безщелочных, не содержащих хлора добавок, которые обеспечивают ускорение схватывания, не вызывая потерю прочности в длительные сроки твердения, что характерно для щелочных ускорителей. Выпуск цементов с укороченными сроками схватывания, относящихся к специальным цементам, должен регламентироваться техническими условиями или стандартом предприятия-производителя.

Цементы с гидравлическими или инертными добавками. Получение таких цементов в соответствии с действующими ГОСТ 10178 и ГОСТ 31108-2003 или вне рамок этих стандартов (по ТУ) возможно на заводах сухих строительных смесей путём смешения компонентов в виде небольших партий таких цементов. Однако, препятствием для реализации такой технологии становится отсутствие сухих молотых добавок, которые в виде товарного продукта можно было бы доставить на завод сухих смесей. Это препятствие относится к таким добавкам как доменные шлаки, природные пуццолановые добавки (трепел, опока, диатомит), отходы кирпичного производства и некоторые другие, которые не выпускаются отечественной промышленностью в виде сухих молотых порошков. Исключением из этого ряда может быть инертная добавка - молотый мрамор, а также зола-уноса ТЭЦ и микрокремнезём, уже упомянутый выше. Производство специальных цементов с активными или инертными добавками по технологии смешения компонентов могли бы быть реализованы более целенаправленно, если бы на рынке присутствовал безгипсовый портландцемент (молотый клинкер). Технических и технологических трудностей для производства такого продукта на цементных заводах не существует, нужно лишь создание определённой рыночной ситуации.

Обобщая изложенное выше можно утверждать, что на заводах сухих строительных смесей имеются исходные технические (оборудование для хранения, дозирования, смешения и упаковки) и технологические условия для производства определённой номенклатуры специальных цементов по технологии "смешения компонентов". Выпуск таких цементов не противоречит существующей нормативной документации и, в большинстве случаев, может быть осуществлён в рамках действующих стандартов на цементы - ГОСТ 10178 и ГОСТ 31108-2003. Для оценки целесообразности выпуска отдельных партий цементов по технологии смешения компонентов на заводах сухих строительных смесей, необходимо в каждом конкретном случае выполнить технико-экономическое обоснование (бизнес-план).

Другим направлением производства "непрофильной" продукции на заводах сухих строительных смесей является производство сухих смесей не строительного назначения, предназначенных для различных отраслей техники и технологии. Такие смеси, также как и смеси строительного назначения, являются механическими смесями сухих компонентов разного состава и гранулометрии (в основном, при максимальном размере частиц до 5 мм). Сухие смеси не строительного назначения могут содержать минеральное или органическое вяжущее вещество, обеспечивающее самоотвердевание дисперсий, а могут быть смесью компонентов без вяжущего вещества. В качестве вяжущих веществ могут быть использованы традиционные строительные вяжущие вещества: цементы (силикатные, алюминатные), известь, гипс, а также освоенные в последние годы промышленностью водорастворимые порошки силикатов щелочных металлов 6 . Характеристика порошков водорастворимых гидросиликатов натрия "Монасил", выпускаемых Волховским химическим заводом, приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика порошков "Монасил"

Наименование показателя Нормы для вида
Марка силиката Н22 Н28
1. Внешний вид Гранулированный порошок белого цвета
2. Содержание оксида натрия, Na2O, масс.% 24-29 20-24
3. Содержание диоксида кремния, SiO2, масс.% 53-58 52-64
4. Силикатный модуль 1,9-2,5 2,5-3,1
5. Время растворения, мин. 2-15 5-30
6. Потери при прокаливании, масс.% 13-23 12-28


Номенклатура таких смесей включает, например, смеси для получения жаростойких и огнеупорных материалов, смеси для получения кислотостойких материалов и обмазок, инъекционные смеси для заполнения дефектов в материалах и конструкциях, смеси для тампонирования нефтяных, газовых и геолого-разведочных скважин, формовочные литейные и стержневые смеси, смеси для производства флюсов и обмазки электродов и др. Понятно, что компонентный состав таких смесей отличается от состава смесей строительного назначения, тем не менее, эти компоненты в виде сухих порошков заданной гранулометрии во многих случаях доступны и при благоприятной рыночной конъюнктуре могут быть завезены на заводы сухих смесей и использованы в составе смесей нестроительного назначения. Так, например, производство сухих смесей для возведения печей, каминов, дымоходов уже освоено некоторыми предприятиями. В номенклатуре продуктов ф."Оптирок" присутствуют "глиняный раствор для печей и каминов", "огнеупорный раствор для заливки" (для заливки деталей печей и каминов, t°C - до 1300), "огнеупорный раствор для кладки" (для топок из огнеупорного кирпича, t°C - до 1200). Такие смеси приготовляют из сухой молотой глины, в т.ч. огнеупорной глины, цементов, в том числе алюминатных цементов, выдерживающих нагрев до высоких температур, огнеупорных заполнителей, например, молотого шамота (обожжённая глина - 0÷5 мм) и специальных добавок, улучшающих удобоукладываемость смесей. Вяжущим веществом в этих случаях является молотый глиняный порошок, затвердевающий при высыхании растворной смеси, в сочетании с гидравлическими цементами, твердеющими за счет химического связывания воды. Вяжущими веществами в таких системах могут быть также порошки гидросиликатов натрия 6,7 . Основой сухих композиций для приготовления жаростойких материалов в этом случае могут быть смеси, состоящие из порошка гидросиликата натрия, отвердителя (гексафторсиликата натрия) и огнеупорного наполнителя (шамота). Смеси, затворённые водой, образуют камень, устойчивый к температурам 1000-1100°С, и могут использоваться в качестве защитной обмазки и для изготовления штучных жаропрочных изделий. Содержание в смеси порошка гидросиликата натрия находится на уровне 10%. Исходные компоненты для таких смесей выпускаются в виде сухих порошков заводами и цехами по производству огнеупоров и керамики. Производство высокотемпературных смесей технологически возможно на любом заводе сухих строительных смесей и может быть организовано при благоприятной рыночной конъюнктуре с минимальными дополнительными затратами.

Выполненные работы 8,9 показали возможность получения кислотоупорных композиций путём сухого смешения порошков гидросиликата натрия (вяжущего), кислотоупорного заполнителя (молотый кварцевый песок) и гексафторсиликата натрия (ГФС) - отвердитель. Перед использованием такая композиция затворяется водой и твердеет по схеме, идентичной классическому кислотоупорному цементу на жидком стекле. Такой материал используется для укладки изделий из химически стойкой керамики, изготовления мастик для защиты корпусов химической аппаратуры и др. Так, например 9 , для получения сухой кислотоупорной композиции готовится смесь тонкомолотого кварцевого песка, порошка ГФС (8% от массы песка) и порошка гидросиликата натрия. Доля гидросиликата варьируется в пределах 0,10-0,28 от массы смеси песка и ГФС. Свойства затвердевших растворных смесей при В/Ц в пределах 0,16-0,23 соответствуют свойствам традиционных жидкостекольных композиций, имея все преимущества, связанные с применением сухих смесей (перевозка и хранение при отрицательных температурах и т.д.).

Перспективной областью производства сухих смесей является производство буровых концентратов в виде сухих композиций на основе специальных глиняных порошков, порошков гидросиликатов натрия и добавок. При смешивании таких смесей с водой образуются буровые растворы, служащие для смазки долота, удаления бурового шлама и придания стволу скважины определенных характеристик. При использовании порошков гидросиликатов натрия и бентонитовых глин могут быть произведены буровые концентраты в виде сухих композиций, удобных для транспортировки и легко диспергируемых в воде на месте потребления.

Приведённые выше примеры являются лишь частными случаями производства сухих смесей различного нестроительного назначения. Имеющиеся на заводах сухих смесей технологические возможности могут быть использованы во многих других случаях, например, при производстве смешанных минеральных удобрений, сухих смесей для изготовления электродных масс и флюсов для сварки металлов, стиральных порошков, формовочных смесей и т.д.

В рамках поиска возможностей расширения ассортимента продукции на заводах сухих строительных смесей, целесообразно также выполнить технико-экономическую оценку производства минеральных строительных красок: цементных, известковых, водно-дисперсионных, силикатных. Исходное сырьё для производства строительных красок во многих случаях однотипно с сырьём для сухих строительных смесей. В случае организации такого производства строитель сможет приобретать у одного производителя весь комплекс материалов для отделочных работ: штукатурки, шпатлёвки и краски для отделки строительных конструкций и фасадов. Однако, в этом случае придется поступиться принципами "сухой" технологии, т.к. б?льшую часть строительных красок целесообразно производить не в виде сухих порошков, а в виде водных дисперсий, что требует отдельного рассмотрения и анализа.

Литература:

1. Ботка Е. Рынок сухих строительных смесей России: темпы роста, структура потребления, сегменты. //Цемент и его применение. - 2006. - № 5. - С. 22-24.

2. Рамм Ю. Опыт эксплуатации смесительной установки на цементном заводе Alsen. //Цемент и его применение. - 2000. - № 3. - С. 6-9.

3. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 2-е изд., перераб. и доп.. - М: Технопроект, 1998. - 768 с.

4. Илясов А.Г., Медведева И.Н., Корнеев В.И. Ускорители схватывания и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия. //Цемент и его применение. - 2005. - № 2. - С. 61-63.

5. Судакас Л.Г. Повышение ранней прочности смешением клинкеров в портландцементе. //20 Всероссийское совещание начальников лабораторий цементных заводов. - М., 20-24 мая 2002 г. - С.193-197.

6. Брыков А.С., Корнеев В.И. Порошки гидратированных силикатов щелочных металлов в строительной индустрии и промышленности. //Цемент и его применение. - 2000. - № 2. - С. 33-35.

7. Брыков А.С., Напсиков В.В., Артемьева Т.В. Гидратированные силикаты натрия - новая продукция ООО "Витахим" и Волховского химического завода. //Строительные материалы. - 2006. - вып.3. - С. 45-47.

8. Брыков А.С., Алешунина Е.Ю. Формирование цементного камня в кислотоупорных композициях. //Известия вузов. Строительство. - 2004. - вып.5. - С. 38-43.

9. Алешунина Е.Ю., Брыков А.С., Данилов В.В., Корнеев В.И. Кислотоупорный цемент на основе гидратированных силикатов натрия. //Цемент и его применение. - 2002. - вып.2. - С. 26-27.