Штукатурные материалы: традиции и проблемы
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 свое отражение и в наименовании штукатурок, таких, например, как сграффито, терразитовых, венецианских, мюнхенских и др. В технической литературе обработке поверхностей штукатурных покрытий уделяется достаточно много внимания: здесь используются приемы отделки как еще пластичного (накатка, применение штампов, набрызг), так и уже упрочнившегося раствора (затирка, шлифовка, циклевание, насечка поверхности 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 еще недавно действующий стандарт Германии DIN 18550, основные положения которого вошли в введенный в действие в 2003 г. стандарт EN 998 на штукатурные и кладочные строительные растворы. Так, например, согласно DIN, «штукатурки в зависимости от свойств применяемого строительного раствора и вида вяжущего вещества, а также толщины штукатурных слоев выполняют определенные строительно-технические функции и вместе с тем служат для отделки строительных сооружений». В соответствии с этим, по DIN штукатурки подразделяют на:
- отвечающие обычным требованиям;
- с дополнительными свойствами;
- со специальными свойствами.
К штукатуркам с дополнительными свойствами относятся: водозадерживающие; гидрофобные; с повышенной прочностью для наружных работ; для внутренних работ с повышенной стойкостью к истиранию; стеновые и потолочные для внутренних работ в помещениях с повышенной влажностью.
К специальным штукатуркам отнесены теплоизоляционные штукатурки; огнезащитные; для защиты от ионизирующих излучений.
Таким образом, в современном строительном материаловедении 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 (коэффициент водопоглощения и паропроницаемость), от потерь тепла (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.
Введенный в действие в 2004 г. ГОСТ 31189 «Смеси сухие строительные» за смесями штукатурного назначения (А.3-смеси сухие штукатурные) закрепляет только функцию выравнивания и (при необходимости) придания им декоративных свойств, что фактически выводит из сферы внимания необходимость придания штукатурным покрытиям строительно-технических характеристик безусловно обязательных для современных штукатурных материалов.
В связи с существенным расширением требований, состав современных штукатурных материалов существенно усложнился. По образному высказыванию одного из специалистов в области строительных материалов [1], «современный строительный раствор так же похож на свои ранее использовавшиеся аналоги, как самолет 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 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 растворы для крепления облицовочных плиток объединяет в один раздел. Необоснованность такого объединения не требует каких-либо комментариев.
Если вышеизложенные замечания еще можно рассматривать как некую дискуссию по вопросам терминологии, то совершенно иначе дело обстоит с положениями СП 82-101-98 в отношении обоснования состава отдельных слоев штукатурного покрытия, а также в части ограничения максимального размера зерна заполнителя. В табл. 16 цитируемого документа приведены рекомендации по составу штукатурного обрызга, грунта и отделочного слоя для наружной штукатурки стен, цоколей зданий, карнизов и других элементов, подвергающихся систематическому увлажнению, а также для внутренней штукатурки в помещениях с относительной влажностью воздуха выше 60%. В табл. 17 даны рекомендации по составам для наружной штукатурки стен, но не подверженных систематическому увлажнению, и для внутренней штукатурки помещений с относительной влажностью воздуха до 60%.
Рекомендуется в первом случае выполнять обрызг строительным раствором состава от 1:2 до 1:3 (соотношение цемент:песок в объемных долях), 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 слоев. В основе такого подхода лежит так называемое основное штукатурное правило, иногда именуемое даже штукатурным законом [2, 3]. Согласно этому правилу, прочность штукатурных слоев должна снижаться в направлении от основания к наружной поверхности штукатурного покрытия, то есть составы для обрызга должны быть самыми прочными 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 несколько более низкой по сравнению с прочностью, покрываемой обрызгом основы. Превышение раствором для обрызга прочности основания может явиться причиной разрушения контактных зон между ними (и, равным образом, любых других контактных зон, например, между слоями обрызга и грунта или между слоем грунта и отделочным слоем) вследствие появления в них 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 путем нанесения на нее штукатурки), нанесенное покрытие ведет к его разрушению. Отметим здесь, что за крайне редкими исключениями (шпатлевки, 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 еще 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.
Свойства штукатурных растворов
|
Свойства
|
Категории
|
Значения
|
|
Прочность при сжатии в возрасте 28 суток
|
CS I
|
0,4 до 2,5 МПа
|
|
CS II
|
1,5 до 5,0 МПа
|
|
|
CS III
|
3,5 до 7,5 МПа
|
|
|
CS IV
|
≥6,0 МПа
|
|
|
Капиллярное водопоглощение
|
W 0
|
Нет требований
|
|
W 1
|
с ≤0,40 кг/м2•ч0,5
|
|
|
W 2
|
c ≤0,20 кг/м2•ч0,5
|
|
|
Теплопроводность
|
T 1
|
≤0,1 Вт/м•K
|
|
T 2
|
≤0,2 Вт/м•K
|
В DIN 18550 часть 2 (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 дает 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 высокогидравлической 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. Деформация кладок при использовании таких растворов сопровождается образованием распределенных 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 слоев 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 (у), возникающие в штукатурке с модулем упругости (E) вследствие деформаций (е), могут быть рассчитаны из следующего уравнения Т. Юнга: е=у/E. В цементной штукатурке с пределом прочности при сжатии 15 МПа, пределом прочности при растяжении 1,5 МПа, деформациями усадки 0,7 мм/м и модулем упругости 15 000 МПа [3] растягивающие напряжения составят: е=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, такое штукатурное покрытие не растрескивается, так как оно соединено механически с основанием, которое частично и принимает возникающие напряжения. Основание при этом подвергается действию напряжений сжатия, часть которых релаксирует за счет 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 ведет 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 слоев (а не прочностных характеристик). Модуль упругости должен при этом снижаться от основания к поверхности покрытия.
Ранее уже обращалось внимание на необходимость внесения в нормативные документы изменений в отношении факторов, имеющих исключительно важное значение для обеспечения прочного сцепления штукатурных слоев с основаниями и между отдельными штукатурными слоями: речь идет 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 еще раз.
Каких-либо требований к гранулометрическому составу заполнителей для штукатурных растворов действующие отечественные нормативные документы не содержат.
Рекомендации по гранулометрическому составу мелкого заполнителя для тяжелых и мелкозернистых бетонов содержатся в ГОСТ 26633. Приведенный в этом стандарте график можно использовать и при оценке качества песка для штукатурных растворов с точки зрения его гранулометрии, однако лучше воспользоваться методами оптимизации, основывающимися 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 расчета «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 гранулометрический состав мелкого заполнителя для штукатурных растворов должен отвечать следующим минимальным требованиям: массовая доля зерен 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 еще в 1929 г. [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 зерна заполнителя должны выступать из слоя обрызга (а также и из наносимых на обрызг слоев штукатурного грунта) и тем самым формировать шероховатую поверхность, обеспечивающую прочное сцепление контактирующих друг с другом слоев. Совершенно очевидно, что нанесение слоя обрызга толщиной 5 мм, как это рекомендуется в отечественной технической и учебной литературе по штукатурным работам, ведет к утапливанию зерна заполнителя в растворной смеси и не дает возможности обеспечить шероховатость поверхности, необходимую для надежного сцепления слоев. Отметим, что крупность зерен в контактирующих между собой штукатурных слоях должна последовательно уменьшаться от слоя обрызга к слою накрывки, при этом в каждом слое должны присутствовать достаточно крупные зерна. Низкая прочность сцепления штукатурки с основанием и между слоями штукатурного покрытия ведет к ее отслоению от основы и к расслоению на отдельные пластинки, что можно нередко наблюдать на практике.
В заключение еще раз вернемся к вопросу о функциональном назначении современных штукатурок. Эту задачу облегчает европейский стандарт EN 998-1 «Технические условия на строительные растворы. Часть 1. Штукатурный раствор». В соответствии с этим документом, в группу штукатурных включены 6 видов растворов: обычный штукатурный раствор (GP), легкий (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 основных требований к перечисленным штукатурным растворам. Эти сведения приведены в табл. и относятся ко всем растворам, за исключением однослойного штукатурного раствора для наружных работ.
Следует обратить внимание на требования к прочностным характеристикам, они, как видно из табл., 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. Росс Х., Шталь Ф. «Штукатурка. Практическое руководство. Материалы, техника производства работ, предотвращение дефектов». — СПб.: РИА «Квинтет», 2006. — 173 с.
4. Значко-Яворский И. Л. «Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времен 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., Зозуля П. В. «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 Mortar Coats., J. Am. Concr. Inst., I, (1929), p. 699–716.
| Автор: П. В. Зозуля Дата: 11.12.2006 Журнал Стройпрофиль 8-06 Рубрика: сухие смеси Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |