Технологии

В последние годы существенно увеличился объем сооружений, возводимых с использованием кирпичных кладок, растет также количество зданий высокой этажности (16-25 и более этажей). Вместе с тем нормативные требования к составам и строительно-техническим свойствам кладочных растворов, а также методы контроля качества кладочных растворов и кладочных работ в отечественном строительном материаловедении продолжают оставаться на уровне требований, разработанных еще в середине 70-х годов прошлого века. В этом легко убедиться, сравнив между собой такие документы, как СН 290-74 "Инструкция по приготовлению и применению строительных растворов" и Свод правил по проектированию и строительству - СП 82-101-98 "Приготовление и применение растворов строительных".
Основным контрольным показателем качества растворов для каменных и кирпичных кладок до сих пор остается марка раствора, характеризуемая прочностью строительного раствора при сжатии, в то время как работоспособность и эксплуатационная надежность кладок определяется совсем другими показателями - прочностью сцепления раствора с элементами кладки (сопротивление отрыву и сопротивление сдвигу) и модулем упругости раствора.
Отметим, что в основном нормативном документе (ГОСТ 28013 - "Растворы строительные. Общие технические условия"), определяющем уровень технических требований к строительным растворам, об этих важнейших характеристиках нет даже упоминания.
Вместе с тем известно [1], что прочность прослоек кладочного раствора, оцениваемая как прочность твердого тела, имеющего небольшую толщину по сравнению с его размерами в плоскости приложения нагрузки ("пластинчатая прочность"), для строительных растворов с меньшей марочной прочностью выше, чем при использовании растворов с высокой прочностью, определяемой испытанием образцов-кубиков, поэтому заключение о фактической несущей способности кладки нельзя сделать на основании оценки "кубиковой" прочности строительного раствора.
Высокомарочные кладочные растворы, c учетом изложенных соображений, вовсе не гарантируют повышения устойчивости кладок к различным внешним воздействиям - деформациям, возникающим при осадке оснований, вибрациям, воздействиям колебаний земной коры в результате землетрясений. Убедительным подтверждением этого являются события, произошедшие в США в Калифорнии в 1933 году, которые выявили неприемлемость использования в кладках цементно-песчаного раствора состава 1:3 не содержащего извести [2]. Растворы без добавки извести характеризовались плохой удобоукладываемостью, что послужило основанием для введения в спецификацию американского стандарта ASTM так называемых кладочных цементов (M,S,N,O,K) и известковых растворов. Позднее требования к кладочным растворам были определены также стандартом Union Building Code (UBC) 24-20.

Какие же требования предъявляются к современным кладочным растворам и какие свойства обеспечивают работоспособность и устойчивость кладок?

Cтроительные растворные смеси должны характеризоваться:
- хорошей удобоукладываемостью;
- высокой водоудерживающей способностью;
- низкими усадочными деформациями при твердении;
- пониженным содержанием в их составе легкорастворимых солей, являющихся причиной появления на фасадах зданий и сооружений высолов и выцветов (cульфатов и хлоридов щелочных металлов);
- тонкослойные кладочные растворы должны иметь определенное время корректирования;
- достаточной продолжительностью срока годности растворной смеси к применению ("живучесть").

Строительный кладочный раствор должен иметь:
- определенную прочность сцепления со строительными элементами кладки (керамическим или силикатным кирпичем, блоками из различных строительных материалов и т.п.);
- определенный предел прочности при сжатии (марка);
- низкое водопоглощение (для наружной кладки);
- хорошую трещиностойкость;
- воздухо- и паропроницаемость;
- по возможности более низкую теплопроводность;
- морозостойкость и долговечность.

Дополнительно к этим требованиям при оценке пригодности кладочного раствора для его использования в конструкции какого-либо здания и сооружения необходимо знание предела прочности при сдвиге и продольного и поперечного модулей упругости.
Из изложенного можно сделать очевидный вывод - разработка и производство сухих строительных кладочных растворных смесей является весьма ответственной и достаточно технически сложной задачей.

ГОСТ 31189-2003 "Смеси сухие строительные. Классификация" к кладочным относит "смеси, предназначенные для кладки стен и перегородок из мелкоштучных изделий". Недостаток такого определения очевиден- в нем отсутствует весьма важная для разработки составов кладочных материалов позиция -определение разновидностей кладочных растворных смесей. Обратимся по этому вопросу к международному опыту - европейскому стандарту на кладочные растворы EN 998-2. В соответствии с этим нормативным документом кладочные растворы подразделяются на обычные, для швов толщиной >3мм, на кладочные растворы для тонких швов толщиной 1-3 мм и на легкие кладочные растворы с плотностью в сухом состоянии менее 1500 кг/м3.

Рассмотрим некоторые аспекты определяющие условия разработки составов кладочных растворных смесей и растворов.
Очевидно, что самым слабым местом кладок являются швы. Для того, чтобы сформировать прочный шов совершенно недостаточно использовать высокомарочный кладочный раствор. Определяющими факторами в формировании прочного шва являются с одной стороны технологические свойства растворной смеси: ее водоудерживающая способность, удобоукладываемость(подвижность, консистенция), низкие усадочные деформации при твердении, а с другой стороны свойства поверхностей, которые должны быть прочно соединены раствором: способность их к водопоглощению (открытая пористость, структура пористости), невысокие деформации набухания при увлажнении за счет поглощеия воды из растворной смеси (этот фактор особенно заметно проявляется в ячеистых бетонах, где эти деформации доходят до 4-5 мм/м).
Для обеспечения надежной кладки растворная смесь должна покрывать соединяемые поверхности элементов кладки по возможности наиболее равномерным слоем. Для сильно впитывающих воду строительных элементов с целью улучшения сцепления следует применять пластичные растворные смеси с повышенной водоудерживающей способностью. Параметром, который определяет необходимую степень водоудержания растворной смеси является начальная скорость всасывания воды (НСВ) [3] (точнее жидкой фазы, содержащей некоторое количество коллоидно-дисперсных продуктов начальной стадии гидратации цементных минералов). Показатель НСВ является критерием, по которому можно определить необходимость предварительного увлажнения поверхности строительного элемента (например, кирпича). В прежние времена керамический кирпич обжигался таким образом, что его поверхность имела высокую открытую пористость и НСВ была такой высокой, что кирпич при производстве кладочных работ должен был обязательно замачиваться в воде. Необходимость такой операции обусловливалась также низкой водоудерживающей способностью кладочных растворных смесей, которые теряли свои пластические свойства ("сгорали") практически сразу же после их нанесения на поверхность кирпича. В настоящее время поверхность керамических кирпичей характеризуется очень низкой НСВ и, поэтому необходимости увлажнять ее нет, более того, увлажнение поверхности будет отрицательно влиять на прочность сцепления с ней раствора.

Принимая во внимание вышеизложенные соображения сформулируем требования как к основному компонентному составу кладочных растворных смесей, так и к выбору ассортимента добавок функционального действия.
Учитывая большие объемы потребления кладочных растворов содержание в них дорогостоящих, в основном импортных, добавок по экономическим причинам должно быть минимальным. Минимизация расхода добавок в свою очередь требует оптимизации свойств основных компонентов кладочных смесей: мелкого заполнителя (песка), вяжущих веществ (извести и цемента) и, в некоторых случаях, тонкодисперсного наполнителя (золы-уноса, каменной муки и т.п.).
Количество заполнителя в составе кладочных растворов составляет от 75 до 85 масс. %, соответственно, количество вяжущего (гидратной извести и цемента) составит 15-25 масс.%. Содержание вяжущих веществ в составе кладочных растворов зависит от их марочной прочности, однако во всех случаях объемное соотношение между заполнителем и связующим лежит в интервале соотношений 1:2,4 - 1:3[4]. Пример базовых соотношений компонентов в кладочных растворах приведен в таблице 1.

Таблица 1. Базовое соотношение компонентов в кладочных растворных смесях

Действующими нормативными документами оговариваются требования к наибольшей крупности зерна заполнителя: в обычных кладочных растворах максимальный размер зерна заполнителя не должен превышать 2,5 мм, а в бутовой кладке не более 5 мм. Несмотря на определяющую роль в формировании cвойств раствора таких характеристик заполнителя, как его зерновой состав и допустимое содержание в заполнителе в зависимости от вида раствора глинистых и пылевидных частиц (EN 13139 , например, ограничивает в обычном заполнителе для кладочных растворов количество тонких фракций максимальным проходом через сито 0,063 - 8 масс.%, а в заполнителе из дробленых пород 30 масс.%), какие-либо указания по этому вопросу, в действующих в настоящее время нормативных документах, отсутствуют. Ранее действовавший стандарт ГОСТ 6426 - 52 " Песок природный для кладочных и штукатурных растворов", в котором была приведена графическая информация об области гранулометрического состава песков для кладочных и штукатурных растворов, по непонятным причинам после утраты срока действия не был продлен.
Анализ представленных данных по методу Ротфукса [5] показывает, что линии ограничивающие область рекомендуемых составов располагаются достаточно близко к линиям отвечающим представлениям об "идеальных" гранулометрических кривых, поэтому приведенный в ГОСТ 6426 график по нашему мнению вполне пригоден для оценки качества заполнителя для кладочных растворов. Требования к гранулометрическому составу песка для кладочных растворов можно найти в ASTM C144 и в стандарте UBC 24-21.(см. таблицу 2).

Таблица 2. Требования к гранулометрии песка для кладочных растворов в соответствии со стандартом UBC 24-21

Что касается других показателей качества вяжущих веществ, то в составах сухих строительных смесей для кладочных растворов следует применять цементы с пониженным водоотделением. В случае применения цементов с добавками необходимо контролировать набор прочности в ранние сроки твердения- в возрасте до 7суток. Гидратная известь должна иметь низкую влажность, предельно допустимое значение которой зависит от содержания извести в кладочном растворе. Целесообразно использовать в рецептурах сухих смесей гидратную известь с высокой водоудерживающей способностью, что позволит снизить затраты на регулирование водоудержания кладочных растворных смесей путем введения в их составы водоудерживающей добавки – эфиров целлюлозы. Количество вводимой водоудерживающей добавки должно определяться по возможности наиболее точно. Строительная гидратная известь, применяемая в составе кладочных растворов должна характеризоваться равномерностью изменения объема при твердении. Вследствие того, что определение этого свойства по ГОСТ 22688 не всегда надежно, для его более строгого контроля можно воспользоваться методикой, описанной в EN 459-2.
Кроме необходимой в большинстве случаев водоудерживающей добавки, в составы кладочных растворов экономически выгодно и эффективно с технической точки зрения вводить воздухововлекающие добавки, а также пластификаторы.

Литература
1. Шульце В., Тишер В., Эттель В.П. Растворы и бетоны на нецементных вяжущих, М., Стройиздат, 1990.-240 с.
2. Robert R, Schneider W, Dickey L. Reinforced Masonery Design,New Jersey, Ed. Prentic-Hall, 1987.-682 pp.
3. Степанян В.А. Нормальное сцепление раствора с камнем, Ереван, 1950,-240 с.
4. Building mortar, Carston,1991, -8pp. Building Research Establishment Digest (BRE 362).
5. Корнеев В.И. "Что" есть "что" в сухих строительных смесях, Санкт-Петербург, НП "Союз производителей сухих строительных смесей", 2004, -312c.

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

По материалам доклада конференции Baltimix-2007

www.spsss.ru