Оптимизация немодифицированных строительных растворов :: Строительная доска объявлений

Главная » Объявления

14.05.11
Оптимизация немодифицированных строительных растворов

В этой статье мы решили поделиться нашим опытом в важной, на наш взгляд, теме оптимизации составов немодифицированных строительных растворов, известных так же строителям под названием «гарцовки». Про-звище «гарцовка» берет свое начало из своеобразной технологической операции «гарцевания» – смешивания лопатой в корыте (или прямо на голой земле) песка, цемента и воды путем «штыкования» этой самой лопатой получаемой смеси.
Чаще всего, немодифицированные сухие смеси состоят лишь из двух компонентов: песка строительного и портландцемента. Реже, они включают в свой состав недорогие суперпластификаторы, в частности, широко распространенный С-3. Некоторые производители так же используют в их составе золы уноса и еще реже, минеральный порошок (известняковый или доломитовый). Для штукатурных работ так же имеют распространение известковые и цементно-известковые растворы.
Готовые к применению «товарные» растворные смеси, поставляемые многочисленными бетоносмеси-тельными узлами, как правило, так же не «блещут» разнообразием состава и отличаются от вышеописанных сухих смесей лишь наличием в них воды.
Как известно, и это справедливо, основной целью производителей как сухих, так и готовых к применению «гарцовок» является минимизация их себестоимости при достижении заданной прочности и подвижности. А так как современное строительство потребляет огромное количество «гарцовок» в качестве кладочных, монтажных, напольных (стяжки) и штукатурных составов, оптимизация рецептур этих растворов несет в себе серьезный экономический стимул.
Вот мы и решились взяться за статью, посвященную исследованию целесообразности применения при производстве строительных растворов тонкомолотых наполнителей и модификаторов.
Для логичного изложения нашей статьи, начнем с более подробного разбора того, каковы же задачи оптимизации.
• Растворная смесь, готовая к применению (затворенная водой), должна обладать заданной подвижностью. (Обычно, это ПК2, согласно ГОСТ 28013-98.)
• Затвердевший в естественных условиях (температура 20±2⁰С, относительная влажность 50-60%) раствор должен через 28 суток набрать требуемую прочность (соответственно, 10, 15 или 20 МПа для наиболее распространенных марок растворов М100, М150 и М200).
• К раствору могут быть предъявлены и другие требования, такие как морозостойкость, водонепроницаемость, истираемость, водоудерживающая способность, способность твердения при отрицательных температурах и т.п.
• При прочих равных условиях, потребительские преимущества будет иметь та растворная смесь, которая обеспечит лучшую технологичность (связность, пластичность, стойкость к расслоению и водоотделению).
• И, конечно же, добиться этих требований нужно при минимальных затратах.
При подборе рецептуры обычного цементно-песчаного раствора (цемент + песок + вода), вся задача оптимизации сводится к определению оптимального соотношения цемента к песку, точнее, к определению того минимально необходимого количества ДАННОГО цемента к ДАННОМУ песку, которое обеспечит заданные характеристики растворной смеси и затвердевшего раствора.
Однако остается открытым вопрос, а можно ли еще удешевить рецептуру сухой смеси или готового к применению раствора путем ее усложнения за счет введения в состав других компонентов?
Оказывается, здесь есть, над чем поработать, и усложнение рецептуры «гарцовки» может дать хороший экономический эффект, что подтверждает ряд проведенных нами лабораторных работ.

1. Начнем с выбора песка.
Наиболее важной характеристикой песка, влияющей на расход цемента в рецептурах растворов, является его пустотность.
Пустотностью песка называется отношение совокупного объема воздушных пор к общему объему, зани-маемому свободно насыпанным песком. Логично предположить, что для того, чтобы получить связную и под-вижную цементно-песчаную смесь, необходимо, чтобы объем цементного теста (смесь цемента с водой, которая дополнительно может содержать тонкомолотый наполнитель) превышал пустотность песка, т.е., с избытком заполнял пустоты между частицами песка в растворной смеси, обеспечивая смазку между ними. Таким образом, применяя разные пески, обладающие разной пустотностью, требуется различное количество цемента для получения растворной смеси с некими заданными характеристиками.
Первый вывод отсюда заключается в том, что, как правило, более экономичные растворы можно получить, применяя более качественные пески (с меньшей пустотностью), даже если сами такие пески существенно дороже своих более мелких «собратьев». Как правило, при прочих равных условиях, меньшей пустотностью обладают пески с более высоким модулем крупности.
При выборе песка, конечно, следует учитывать и другие его характеристики, кроме модуля крупности, такие как форма зерен, минеральный состав, количество вредных примесей (глинистых и илистых частиц и т.д.). все эти факторы так же влияют на водопотребность песка и количество цемента, которое необходимо для получения раствора той или иной марки.
Лучшим же методом сравнения различных песков для наших целей является подбор на каждом из них рецептуры раствора с одинаковой подвижностью и водоцементным отношением. Этим мы делаем допущение, что при одинаковом водоцементном отношении полученные растворы будут обладать примерно одинаковой прочностью. Стоит затем сравнить сырьевую себестоимость полученных рецептур, и вопрос выбора песка станет очевиден.
Пример: Для сравнения двух песков, Песок 1 и Песок 2, отличающиеся как по крупности, так и по цене, подберем на них две сухие смеси с расплывом конуса на встряхивающем столике равном 130±5 мм при водоцементным отношением 100%. Результаты этих подборов, включающие и цены компонентов, сведем в таблице:
Компоненты: Цены
компонентов, руб/кг Смесь 1 Смесь 2
Цемент ПЦ500Д0 3,9 руб. 20% 16%
Песок 1 0,6 руб. 80%
Песок 2 0,7 руб. 84%
Вода - 20% 16%
Водоцементное отношение 100% 100%
Стоимость компонентов в 1 кг смеси 1,26 руб. 1,21 руб.
Как видим, смесь на более дорогом и крупном песке оказалась на 4% дешевле.
При этом если бы мы использовали более дешевый цемент, например, ПЦ400Д20, то наш выбор песка мог бы быть и иным (дешевле могла бы оказаться смесь на более дешевом песке).

2. Применение тонкодисперсных наполнителей в рецептурах растворов.
Итак, мы определились с видом применяемого песка. Теперь попробуем подобрать серию растворных смесей с этим песком, при постоянном количестве цемента (скажем, 15% от массы смеси), одинаковой подвиж-ности (пусть это будет 130±5 мм на встряхивающем столике), но частично заменяя песок в рецептуре минеральным порошком (известняковой или доломитовой мукой), широко применяемым при изготовлении асфальтобетона и доступного практически во всех регионах.
Давайте посмотрим, как изменяется водопотребность получающейся смеси и прочность затвердевшего раствора, в зависимости от количества песка в смеси. Вот несколько составов, которые получились у нас на мелком речном песке (фракция +0,1-0,63 мм):
Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4
Составы смесей
Цемент ПЦ500Д0 15% 15% 15% 15%
Песок +0,1-0,63 мм 85% 80% 75% 70%
Минеральный порошок 0% 5% 10% 15%
Вода 18,5% 16,6% 15,7% 17,5%
Характеристики смесей
Водоцементное отношение, % 123% 111% 105% 117%
Расплыв конуса, мм 232 231 228 229
Прочность при сжатии, 3 суток, МПа 1,3 3,2 4,4 1,1
Прочность при сжатии, 28 суток, МПа 4,7 11,1 12,1 7,9

Для наглядности, рассмотрим получившиеся характеристики растворов на диаграмме:

Теперь мы ясно видим, что оптимальное содержание в смеси песка, при котором наблюдаются минимальная водопотребность смеси и максимальные прочности и в раннем и в позднем возрасте, составляет около 76%.
Здесь следует сразу оговориться, что полученная цифра оптимального содержания песка верна для ДАН-НЫХ КОНКРЕТНЫХ видов сырья (песка, цемента и минерального порошка). При замене любого вида сырья на другую марку, оптимальный состав может быть и другим. Например, заменив минеральный порошок на золу уноса мы, вероятнее всего, имели бы другую цифру, так как водопотребность зол уноса обычно выше, чем у цемента и минерального порошка.
Это заключение так же верно и для случая введения в смесь пластифицирующих добавок. И это понятно. При введении в состав раствора пластификатора, оптимальное количество песка окажется ниже, чем без пластификатора, так как снижение водопотребности смеси (снижение требуемого объема воды) придется компенсировать повышением количества (объема) тонкодисперсных компонентов для заполнения межзерновой пустотности песка. Но с введением различных модификаторов в состав растворных смесей мы будем разбираться ниже. Пока продолжим з наполнителями.
Хочется обратить внимание еще на один момент. Если сравнить составы №1 (состав без минерального порошка) и №3 (близкий к оптимальному), то мы видим не только повышение марочной прочности на 74%, но и почти двукратное ускорение твердения. (3-хсуточная прочность оптимального состава составляет 53% от его марочной прочности, в то время как трехсуточная прочность состава без минерального порошка составляет 28% от его прочности в 28 суток.)
Неужели такие впечатляющие результаты мы получили исключительно за счет снижения водопотребности смеси? Кроме того, нас ведь изначально волнует другой вопрос – вопрос снижения себестоимости смесей без ущерба для их качества. Экономя время, свое и читателей, попробуем во всем этом разобраться одним махом (одним экспериментом).
Итак, сравним теперь характеристики двух составов без минерального порошка с дозировками цемента (15 и 20%) с двумя составами, характеризующимися оптимальным количеством песка за счет введения минерального порошка, и так же содержащими 15 и 20% цемента.
Без мин. порошка Оптимальные составы
Цена 1К 2К 1МП 2МП
Составы смесей
Цемент ПЦ500Д0 3,90р. 15% 20% 15% 20%
Песок +0,1-0,63 мм 0,75р. 85% 80% 76% 76%
Минеральный порошок 1,20р. 0% 0% 9% 4%
Вода - 18,5% 16,3% 15,7% 15,7%
Характеристики смесей
Себестоимость 1,22р. 1,38р. 1,26р. 1,40р.
Водоцементное отношение, % 123% 82% 105% 79%
Расплыв конуса, мм 232 229 228 229
Прочность при сжатии, 3 сут., МПа 1,3 6,1 4,4 7,7
Прочность при сжатии, 28 сут., Мпа 4,7 10,9 8,2 12,6

Прежде всего, попробуем, ориентируясь по диаграмме зависимости прочности от дозировки цемента, определить рецептуры растворов М100 и М150:

Глядя на полученную диаграмму, можно сделать несколько выводов:
• Продолжения линий графиков сходятся около 24% дозировки цемента. Это подтверждает верность результатов, так как в этой точке два типа составов действительно вырождаются в один (24% цемента и 76% песка).
• Оценочные рецептуры растворов М100 должны содержать около 17% цемента, в случае оптимальных соста-вов, либо около 19,5% цемента, случае простых составов (цемент + песок).
• Оценочные рецептуры растворов М150 отличаются меньше, что логично. Они должны содержать около 23% цемента, в случае оптимальных составов, либо 23,5% цемента, случае простых составов (цемент + песок).
Для решения основного для нас вопроса – экономического, перестроим те же графики в координатах себестоимости смесей:

Здесь мы видим, что линии оптимальных составов располагаются выше, чем линии простых составов. В частности, раствор М100 оптимального состава обойдется нам примерно в 1,32 руб/кг, а раствор той же марки, но простого состава – примерно на 4 копейки (на 3%) дороже.
Конечно, экономия получилась невелика (2 рубля на мешке 50 кг). Однако надо отметить, что оптимальные составы обладают значительно лучшей технологичностью и стойкостью к расслоению и водоотделению, чем просто обязаны подкупить потребителей. А рачительный хозяин и небольшой экономии достойное применение определит.
И, наконец, рассмотрим те же данные, исходя из показателя водоцементного отношения, чтобы уяснить для себя, получили ли мы повышение прочности только за счет снижения водопотребности смесей, либо есть тут еще какой неучтенный фактор:

И снова мы видим, что зеленые линии – выше синих. То есть, помимо водоцементного отношения есть еще какая-то причина роста прочности при добавлении минерального порошка.
Здесь мы лишний раз подтвердили мнение наших европейских коллег о том, что микрокальциты не являются инертными минеральными наполнителями, как мы их привыкли называть (т.е., не вступающими в химическое взаимодействие с цементом), а как раз наоборот, активно реагируют с цементом. Скрупулёзные европейцы даже предлагают формулу продукта взаимодействия портландцемента (а вернее, его алюминатной фазы) с карбонатом кальция: C4ACH11. А значит, мы можем смело называть минеральные порошки активными минеральными добавками к цементу.
В данной работе мы не рассмотрели влияние других тонкодисперсных наполнителей (минеральных добавок) в немодифицированные растворы, однако, применив тот же подход, что был здесь изложен, очень легко определить их экономическую эффективность. Наши же немногочисленные испытания показывают, что испытанные нами золы показывали нестабильные результаты, почему мы и не включили их в эту статью.
Вот, наконец, мы и подошли к выводам из второй главы нашей статьи.
Применение тонкодисперсных наполнителей позволяет заметно улучшить потребительские характеристики строительных растворов: технологичность, пластичность, стойкость к расслоению и водоотделению.
При этом, сырьевая себестоимость растворов даже немного снижается.
Особенно рекомендуется применение тонкодисперсных добавок к цементу в низкомарочных (М100 и ниже) растворах.

3. Эффективность применения модификаторов в строительных растворах.
В предыдущей главе нам удалось заметно повысить потребительские характеристики строительных рас-творов, снизив немного их себестоимость. Однако хотелось бы еще попробовать получить сколь-либо заметную экономию. Производителям она куда важнее осознания высокого качества. Вот здесь и «поднажмем» еще немного в этом направлении.
Нашей целью в этой части работы мы, конечно же, прежде всего, ставили оценку экономической эффек-тивности применения производимых нашей компанией комплексных модификаторов МетаМикс. Однако, в качестве сравнения мы не могли не провести испытания широко применяемого в России суперпластификатора С-3.
В качестве базы в этой части мы возьмем уже отработанные в прошлой главе оптимизированные рецептуры с минеральным порошком, и попробуем их еще улучшить.
Как и ранее, проведем сравнительные испытания растворов из равноподвижных смесей, содержащих 15 и 20% портландцемента, оптимальное количество песка, минеральных порошок и различные модификаторы.
В качестве органического модификатора (пластификатора) мы испытаем С-3 в дозировке 0,5% к цементу.
В качестве чисто минерального модификатора, испытаем МетаМикс-1 в дозировке 1% к цементу.
И, конечно, оценим работу комплексной органоминеральной добавки МетаМикс-1 СП в дозировке 1,5% к цементу.
Испытанные составы и результаты испытаний представлены в таблице ниже:
Цена, р/кг Без
модификатора 0,5%
С-3 1%
МетаМикс-1 1,5%
МетаМикс-1 СП
Составы смесей
Цемент ПЦ500Д0 3,9 р. 15% 20% 15% 20% 15% 20% 15% 20%
Песок +0,1-0,63 мм 0,75 р. 76% 76% 74% 74% 75% 75% 74% 74%
Минеральный порошок 1,2 р. 9,00% 4,00% 10,93% 5,90% 9,85% 4,80% 10,78% 5,70%
С-3 45 р. 0,08% 0,10%
МетаМикс-1 32 р. 0,15% 0,20%
МетаМикс-3 52 р. 0,23% 0,30%
Вода - 15,7% 15,7% 15,1% 14,9% 15,4% 15,4% 14,6% 14,3%
Характеристики смесей
Себестоимость 1,26р. 1,40р. 1,30р. 1,45р. 1,31р. 1,46р. 1,39р. 1,56р.
Водоцементное отношение, % 104,7% 78,5% 100,7% 74,5% 102,7% 77,0% 97,3% 71,5%
Расплыв конуса, мм 228 229 226 232 225 233 226 228
Прочность при сжатии, 28 суток 8,20 12,60 9,60 14,10 10,10 14,20 13,40 18,40

Теперь, как и ранее, поглядим на картинки:

Как мы видим из данной диаграммы, С-3 и МетаМикс-1 повышают прочность раствора практически одинаково. В то же время, органоминеральный модификатор МетаМикс-1 СП показывает значительно более высокую эффективность.

Посмотрим теперь на это с экономической стороны:

Очевидно, и С-3 и Метамикс-1 показывают практически нейтральный экономический эффект (их линии практически наложились друг на друга и на линию немодифицированного состава).
А вот органоминеральный Метамикс-1-СП, как видно из графика, позволяет сэкономить еще порядка 5 копеек на килограмме смеси. При этом если экономия, благодаря применению минерального порошка, была тем выше, чем ниже марка раствора. То экономия за счет применения Метамикс-1-СП, согласно полученным данным, практически не зависит от марки раствора (прямые на графике параллельны друг другу).

Ну и, наконец, попробуем оценить влияние добавок на прочность, исходя из показателя водоцементного отношения:

Как видно из графиков, все испытанные добавки не оказывают негативного влияния на твердение цемента. Все их линии находятся выше линии контрольного состава.
При этом, упрочняющий эффект С-3, как видно, в основном все же определяется его водоредуцирующей способностью.
Упрочняющий эффект чисто минерального модификатора МетаМикс-1 основан и на небольшом водоре-дуцирующем его эффекте и на повышении активности вяжущего.
Эта диаграмма, как и предыдущие, показывает сильный синергетический эффект компонентов органоми-нерального комплекса МетаМикс-1 СП, которой силен и в части водоредуцирующего действия добавки и в части повышения ей активности вяжущего.
Выводы из этой части нашего исследования:
А. Испытанные нами модификаторы не ухудшают себестоимость растворных смесей. То есть, растворы заданной марки по прочности и подвижности при введении модификаторов могут оказаться и не дороже немодифицированных растворов.
Б. Испытанные модификаторы органического и минерального происхождения имеют практически ней-тральную экономическую эффективность. Иначе говоря, их упрочняющий эффект аналогичен эффекту пот повышения дозировки цемента на стоимость введенного модификатора.
В. Заметный положительный экономический эффект показал лишь комплексный органоминеральный модификатор МетаМикс-1 СП, позволяющий снизить себестоимость килограмма растворной смеси примерно на 5 копеек. В частности, для смеси М100 эта экономия составит около 4%.

4. Побочные эффекты от введения модификаторов
В предыдущей главе мы сделали вывод о том, что некоторые модификаторы могут дать реальную эконо-мию при разработке рецептов растворных смесей. При этом мы основывались лишь на достижении растворными смесями заданной подвижности, а затвердевшими растворами – заданной прочности при твердении в естественных условиях.
Однако применение предлагаемых нами минеральных и органоминеральных модификаторов дает и другие преимущества.
Во-первых, модификаторы МетаМикс имеют в качестве основного своего компонента высокоактивный метакаолин, обладающий удельной поверхностью, в сотни раз превосходящей удельную поверхность цемента. Таким образом, введение в смесь даже 1% к массе цемента модификаторов МетаМикс, повышает общую удельную поверхность растворной смеси в два и более раза. За счет этого МетаМиксы обеспечивают существенное повышение стойкости растворов к расслоению и водоотделению, повышая, тем самым их технологичность и потребительскую ценность.
Во-вторых, важно отметить, что модификаторы МетаМикс являются мощными ускорителями твердения. Ранняя прочность модифицированных ими растворов будет выше, чем у немодифицированных. А для строите-лей ранняя прочность является важным критерием оценки качества растворов.
В-третьих, следует учесть, что строительные растворы в реальности твердеют в куда более сложных условиях, чем лабораторные образцы. Как правило, они работают в контакте со впитывающими основаниями (кирпич, бетон и т.п.), которые достаточно быстро их обезвоживают. К тому же, рабочая толщина слоя раствора обычно составляет 10-15 мм, а не 40 мм (размер меньшей стороны стандартного образца-балочки для испыта-ний растворов на прочность).
Поэтому важным свойством растворов является способность твердеть в условиях быстрого высыхания. понимая это, мы провели испытания нескольких растворов, с различным содержанием модификаторов, твердевших как во влажных условиях (влажность около 100%), так и в сухих условиях, в которых где образцы высыхали за день. Оказалось, что прочность немодифицированных растворов, твердевших в сухих условиях, составила менее половины прочности тех же составов, твердевших во влажных условиях. Введение же модификаторов МетаМикс существенно повышает прочность образцов в сухих условиях. Ниже предлагаем диаграмму относительной прочности растворов, твердевших в сухих условиях, в зависимости от дозировки модификатора МетаМикс-1:

Таким образом, модификатор еще и повышает надежность растворной смеси, позволяя ей набирать более высокую прочность в неблагоприятных условиях.
В заключение этой главы мы должны оговориться о том, что здесь приведены испытания двух модифика-торов серии МетаМикс-1, которые могут применяться только в неармированных растворах и бетонах.
Для армированных материалов наша компания производит модификаторы серии МетаМикс-3. Будучи дороже своих собратьев МетаМикс-1, они обладают и существенно более высокой эффективностью. Поэтому, с экономической стороны они не менее эффективны, чем показанные здесь МетаМикс-1, и обычно позволяют добиться даже более высокой экономии.

5. Дальнейшая оптимизация растворов
В предыдущих главах мы коснулись вопросов выбора песка, оптимизации его дозировки за счет введения в состав смеси тонкодисперсных наполнителей, а так же эффектов от введения в смесь нескольких модифицирующих добавок.
В первой главе мы лишь краем коснулись того, что выбор другого цемента может повлиять на выбор песка. Но, конечно же, выбор цемента и сам по себе влияет на экономические характеристики растворов. Что дешевле, положить побольше дешевого цемента или поменьше дорогого? На этот вопрос могут ответить только испытания.
Во второй главе мы упомянули в качестве возможных тонкодисперсных наполнителей на золы уноса. Здесь возникает еще один вопрос, какой наполнитель экономически эффективнее? Этот вопрос еще усложняется тем, что эффективность применения различных наполнителей зависит и от примененного цемента.
Таким образом, мы призываем наших коллег – технологов не лениться, и провести испытания доступных в их местности видов цемента и наполнителей в различных комбинациях. Наверняка им удастся найти «успеш-ную» комбинацию, которая принесет дополнительную экономию их работодателям, и даст возможность попросить прибавку к жалованию.
6. Общие выводы
В этой статье мы постарались подробно описать методику оптимизации составов сухих и готовых к применению растворных смесей. Если сложить экономию, полученную на каждом этапе оптимизации, мы получим уже заметную цифру 10% и более. Полагаем, собственники и руководители компаний – производителей растворных смесей, найдут достойное применение образовавшимся дополнительным средствам («поделятся» выигрышем с клиентами, снизив цены; пустят на мотивацию сотрудников, вложат в развитие производства или, в конце концов, в собственное здоровье и благосостояние).
Описывая оптимизацию обычных строительных растворов, и доказав положительный экономический эф-фект от введения тонкодисперсных наполнителей и модификаторов, мы должны отметить, что этот эффект будет значительно выше на декоративных цветных растворах, включающих в свой состав белый цемент и пигменты. Так как белый цемент в разы дороже обычного портландцемента, а дозировка пигментов обычно привязывается к массе цемента, то экономия цемента за счет введения наполнителей и модификаторов обеспечит значительно более высокий экономический эффект, чем мы видим в обычных растворах. Заметим здесь, что для декоративных смесей мы предлагаем модификаторы МетаМикс-2, которые, помимо упрочняющего эффекта, обеспечивают защиту от высолообразования.
Другие вопросы по декоративным смесям мы рассматривали в наших статьях «Соли в бетоне и высолооб-разование» и «Окрашивание цементных материалов», с которыми Вы можете ознакомиться на нашем web сайте.
В заключение лишний раз отметим, что мы предлагаем оптимизировать себестоимость смесей отнюдь не за счет их качества. Наоборот, потребительские характеристики смесей (пластичность, стойкость к расслоению и водоотделению, надежность твердения в сухих условиях) мы повышаем, усложняя состав смесей.
Мы надеемся, что эта наша работа поможет Вам производить недорогие и качественные строительные материалы.
С уважением,
коллектив ООО «МетаРус»


Адрес:	ООО МетаРус Россия Москва Салтыковская, д. 5 Тел: (495) 972-65-00, 972-00-31 Факс: (495) 972-65-00, 972-00-31 Контактное лицо: Коммерческий директор Баринов Сергей

Регистрационная карточка	МетаРус