Применение специальных добавок (модификаторов) при создании рецептур модифицированных сухих смесей обусловлено необходимостью получения определённых технических и технологических характеристик этих материалов и в первую очередь, — потребностью удержания воды в затворенном растворе после его нанесения. Вода впитывается в основание и испаряется с поверхности раствора, что приводит к сокращению времени пребывания цемента в фазе геля, уменьшению степени гидратации и, как следствие, к снижению прочности.
Чем меньше толщина слоя раствора, тем больше сказываются на качестве образующегося цементного камня указанные недостатки.
В соответствии с основными принципами классификации модифицирующих добавок, изложенными в ГОСТ 24211-91, и с учётом специфики производства строительных смесей, модифицирующие добавки для сухих строительных растворных смесей в зависимости от основного эффекта действия классифицируют следующим образом:
- модифицирующие добавки – регуляторы реологических свойств;
- модифицирующие добавки – регуляторы процессов схватывания и твердения;
- модифицирующие добавки – регуляторы структуры;
- модифицирующие добавки – специального назначения;
- модифицирующие добавки – полифункционального действия;
В таблице приведены модифицирующие добавки, наиболее широко используемые производителями сухих строительных смесей:
|
Класс |
Вид |
Основа добавки |
Основные эффекты от применения |
|
Регуляторы реологических свойств строительных растворных смесей |
1.Пластифицирующие
1.1.Гиперпластификаторы 1.2.Суперпластификаторы 1.3.Сильнопластифицирующие 1.4.Слабопластифицирующие |
Поликарбоксилаты, полиакрилаты, меламинсульфонаты, нафталинсульфонаты, лигносульфонаты |
Увеличение подвижности или снижение водоотделения, повышение прочности, непроницаемости и морозостойкости |
| 2.Водоудерживающие |
Водорастворимые эфиры целлюлозы, поливиниловый спирт, полиэтиленоксид полисахариды, ксантан, сукциногликан |
Повышение водоудерживающей способности, снижение водоотделение |
|
| 3.Стабилизирующие (структурирующие) |
Водорастворимые эфиры крахмала, тонкодисперская аморфная окись кремния (аэросил), бентониты |
Снижение водоотделения, улучшение тиксотропных свойств, увеличение времени переработки | |
|
Регуляторы схватывания и твердения |
4.1.Замедлители схватывания |
Фосфаты, сахара, декстрин, соли лимонной и винных кислот, дигидросульфат калия |
Увеличение времени переработки |
| 4.2.Ускорители схватывания — твердения |
Алюминат натрия, фторид натрия, карбонат калия, хлорид кальция, аморфная окись алюминия, карбонат лития, формиат кальция, тонкодисперсный аморфный кремнезём |
Ускорение схватывания Ускорение набора прочности |
|
|
Регуляторы структуры |
Воздухововлекающие |
Ионогенные и неионогенные поверхностно – активные вещества, лаурил сульфат натрия, элкенсульфаты натрия, этоксилированные жирные спирты. Продукты полимеризация окиси пропилена и этилена, олефинсульфонаты |
Повышение морозостойкости , непроницаемости, стойкости в агрессивных средах, снижение средней плотности. Улучшение удобоукладываемости, повышение морозостойкости, снижение опасности высолов |
| Уплотняющие |
Нитрат кальция, сульфат алюминия, хлорид железа, нитрат железа, аморфная окись кремния, бентонит |
Повышение водонепроницаемости |
|
|
Специального назначения |
6.1.Гидрофобизирующие |
Стеараты кальция, цинка, алюминия, олеатнатрия, полисилоксаны, силаны на твёрдых носителях |
Снижение водопоглащения раствора, повышение морозостойкости и стойкости в агрессивных средах |
| 6.2.Повышающие адгезию |
Редиспергируемые порошки сополимеров винилацетата, этилена, акрилата, версатата, виниллаурата и винилхлорида, бутадиенстирола, бутилакрилатстирола |
Увеличение прочности сцепления с основанием, повышение водонепроницаемости |
|
| 6.3.Повышающей стойкость к биологической коррозии |
Оловоорганические соединения, соли фтористой и кремнефтористой кислот, пентохлорфенолят натрия, пиритион цинка, соли высших жирных аминов |
Повышение биостойкости |
|
| 6.4.Ингибиторы коррозии стали |
Нитрит натрия, фосфаты, бораты щёлочных металлов, декстрин, крахмал |
Повышение коррозионной стойкости арматурных сеток |
|
|
6.5.Противоморозные |
Карбамид, карбонат калия, формиат натрия, формиат кальция, нитрит нитрат кальция |
Обеспечение твердения раствора при отрицательной температуре |
Наиболее широкое применение в производстве сухих строительных смесей нашли модифицирующие добавки первого класса – регуляторы реологических свойств. Добавки данного класса используют для модификации сухих строительных смесей практически любого назначения.
Другой класс модифицирующих добавок – регуляторов сроков схватывания и твердения используют для модификации ремонтных составов, составов для устройства полов, составов для механизированного нанесения, сухих строительных смесей на основе гипсовых вяжущих и т.д.
Модифицирующие добавки третьего класса – регуляторы структуры используются для модификации ремонтных, гидроизоляционных, штукатурных и т.п. составов.
Модифицирующие добавки четвёртого класса – придающие растворам специальные свойства используют для составов сухих строительных смесей, к которым предъявляются особые, функциональные требования по условиям применения или эксплуатации.
К сожалению, каждый класс модификаторов в отдельности не может наряду с основным эффектом действия изменить в нужном направлении другие важные технологические и строительно-технические свойства растворных смесей и растворов, а в ряде случаев даже ухудшают их. Поэтому применение модифицирующих добавок пятого класса – полифункционального действия позволяет ослабить или совсем исключить отрицательное действие отдельных компонентов, сохранив при этом положительный эффект их действия. Добавки данного класса нашли применение в составах для устройства полов, штукатурных составах ручного и машинного нанесения и особенно в составах сухих строительных смесей со специальными свойствами.
Рассмотренная система классификации добавок касается различных типов сухих смесей, как общестроительного назначения, так и узкоспециального: жароупорных, защищающих от ионизирующих излучений, химически стойких и т.п. В специальных смесях основной эффект достигается не за счёт добавок, а в результате замены вяжущего заполнителя или того и другого на специальные компоненты. Добавки в таких смесях играют такую же роль, как и в общестроительных: регулируют реологические свойства, кинетику схватывания и твердения и т.п.
Строго говоря, в данной классификации модифицирующих добавок представлены не все добавки, применяемые на производстве сухих строительных смесей. Однако основные принципы данной классификации позволяют определить место существующих и вновь создаваемых модифицирующих добавок и помогут определять основные направления рационального применения различных добавок.
В начале прошлого века в Германии был разработан способ получения водорастворимых эфиров целлюлозы. Исследования показали, что вследствие слабого межмолекулярного взаимодействия с молекулами воды эти полимеры обладают великолепной водоудерживающей способностью. Каждая молекула полимера может удерживать до 20 тыс. молекул воды.
Энергия этого взаимодействия сопоставима с энергией испарения и капиллярной диффузии в основу, что является препятствием для ухода воды. В свою очередь, эта энергия несколько меньше, чем энергия диффузии воды при гидратации цемента, что позволяет ему отбирать воду.
Фактически вода в растворе заменяется гомогенным желеобразным раствором метилцеллюлозы, в котором взвешены частички цемента и заполнителя. Высокая водоудерживающая способность такой системы способствует полной гидратации цемента и позволяет раствору набирать необходимую прочность даже при тонкослойном нанесении. После ухода воды полимер в виде тончайшей плёнки остаётся на поверхности между цементным камнем и наполнителем, никак не влияя на механические характеристики затвердевшего раствора. Таким образом, добавление незначительного количества (0,02-7%) водорастворимых эфиров целлюлозы к цементно-песчаным смесям приводит к существенному увеличению открытого времени и даёт возможность раствору гидратироваться равномерно по всему объёму, а также обеспечивает существенное повышение адгезии к основанию и улучшение качества поверхности.
Чем больше толщина слоя цементного раствора, тем меньше метилцеллюлозы требуется для обеспечения необходимой степени начальной гидратации, поэтому на этикетке сухой смеси должна быть чётко указана минимально допустимая толщина нанесения состава. В свою очередь, недопустимо и толстослойное (10мм и более) применение раствора с высоким содержанием эфира целлюлозы, предназначенного для тонкослойных технологий. В этом случае может проявится «эффект карамели», когда поверхность отверждается нормально, а внутри сохраняется не отвердевший цементный раствор. По этой причине подготовки неровных оснований (с перепадами более 10-15 мм) рекомендуется применение системы материалов, состоящей из сухой смеси для грубого выравнивания и тонкослойной нивелирующей массы, обеспечивающей получение гладкого финишного слоя, на поверхность которого и укладывается напольное покрытие. Системный подход не только позволяет избежать перечисленных неприятностей, но и снизить уровень затрат на материалы.
К следующей группе добавок относятся дисперсионные порошки, которые, в отличие от водорастворимых производных целлюлозы, при затворении водой образуют не растворы, двухфазные системы, состоящие из полимерных частиц (на основе сополимеров винилацетата и этилена, винилхлорида, стиролакрилата и т.п.), диспергированных в воде. Добавление этих составов в продукты строительной химии позволяет активно влиять на характеристики конечного материала и обеспечивает получение результатов, недостижимых при использовании только традиционных минеральных вяжущих.
Первые попытки модификации цементных смесей полимерами заключались в добавлении к воде затворения дисперсии винилацетата, известной как клей ПВА. В процессе образования винилацетатной плёнки происходит значительная (до10%) усадка, что влечёт за собой растрескивание полимерно-цементного материала, поэтому от применения ПВА быстро отказались.
Следующим этапом стало использование двухкомпонентных составов, состоящих из цементно-песчаной смеси, приготовленной в заводских условиях, и полимерной дисперсии, поставляемой в жидком виде, которые смешиваются на строительной площадке. Двухкомпонентные растворы применяются до сих пор, но водная дисперсия теряет свои свойства при замерзании, поэтому в холодное время года её транспортировка и приготовление рабочего раствора вызывают определенные затруднения.
Начало производства однокомпонентных сухих смесей относятся к 1953 году, когда специалисты фирмы Wacker (Германия) удалось получить сухой редиспергируемый порошок, образующий после затворения водой двухфазную систему, обладающую свойствами исходной полимерной дисперсии.
Дисперсии отличаются от метилцеллюлозы и механизмом действия. По мере расходования вода концентрируется в порах цементного камня и там же концентрируется дисперсия, образуя «эластичные мостики», работающие на растяжение и изгиб несравненно лучше, чем цемент. Комбинация минеральных и полимерных вяжущих представляет возможность производства продуктов строительной химии, обладающих не только повышенными прочностными свойствами и улучшенной адгезией (в том числе и к таким «проблемным» основаниям как металл, дерево, пластик, глазурованная плитка, и т.п.) но и управляемыми реологическими (тиксотропность, пластичность) и специальными (гидрофобность, текучесть) характеристиками.
Например, выравнивающие растворы для полов содержат комбинацию специальных дисперсионных добавок с органическими и синтетическими пластификаторами, наличием которых и определяются такие специфические свойства этих материалов, как способность к растеканию и гладкость получаемой поверхности. Дисперсионные модификаторы, входящие в состав клеевых составов для плиточных работ, улучшают условия работы, продлевают срок жизни затворенного раствора и повышают тиксотропность (способность загустевать в состоянии покоя и разжижатся при перемешивании) материала.
Кроме повышении адгезии к сложным основам, дисперсионные порошки выполняют функцию полимерного вяжущего в тех случаях, когда величина сдвиговых нагрузок превышает возможности цементно-песчаных растворов, модифицированных только эфиром целлюлозы. Пластичность таких клеевых составов позволяет, в частности, компенсировать термические напряжения, возникающие между облицовочным материалом и основанием. В первую очередь это относится к фасадным системам, где суточные колебания температуры могут достигать 70-80˚С и «тёплыми» полам, где перепады температур также очень велики.
Очень высокое (20-30%) содержание полимера приводит к тому, что цемент уже не образует непрерывной кристаллической решётки, а отдельные фрагменты цементного камня связаны между собой только эластичными полимерными цепочками. Такие материалы применяются только для устройства гидроизоляции. Ассортимент многих производителей компонентов строительной химии включает в себя дисперсионные порошки с температурой плёнкообразования порядка 0˚С, что позволяет использовать сухие смеси с добавкой этих материалов при низких (но не отрицательных) температурах, а некоторые марки дисперсионных порошков имеют температуру плёнкообразования на уровне -15˚С. Растворы, в рецептуре которых используются такие порошки, предназначены для проведения строительно-отделочных работ в зимний период (при температуре не ниже -10˚С).
Составление рецептуры сухих смесей – это сложный и длительный процесс, невозможный без участия квалифицированного персонала и предполагающей обязательное наличие современной лаборатории для анализа и испытания образцов, оснащенной высококлассным оборудованием. В связи с этим хочется предостеречь потребителей от попыток кустарной «модификации» простых цементных растворов.
В частности, распространенная в нашей стране практика «улучшения» простых цементно-песчаных смесей дисперсией винилацетата (клей ПВА) приводит к весьма плачевным результатам. Низкая стойкость к щёлочным растворам, присущая винилацетату, вызывает его омыление в местах с повышенной влажностью (ванные комнаты и т.п.). Именно это обстоятельство является причиной того, что отваливается плитка, уложенная на раствор с добавлением клея ПВА.