Технология производства штукатурных работ с применением сухих смесей методом нагнетания

Современное состояние развития строительного комплекса России, и в частности Санкт-Петербурга, характеризуется постепенным увеличением требований к качеству работ, их экономической эффективности. Отделочные работы являются заключительным этапом строительства. От их качества зависит отношение к строительному объекту в целом, а, следовательно, именно качество отделочных работ определяет и экономические характеристики объекта при его продаже, сдаче в аренду и т.п. Экономическая эффективность отделочных работ определяется двумя факторами: их стоимостью (совокупность стоимости материалов и стоимости работ) и сроками производства работ.

Известно, что при строительстве жилых общественных и промышленных зданий штукатурные работы, производимые вручную, считаются одними из наиболее трудоемких: на их производство приходится до 15% от общих трудовых затрат и до 8–10% от общей сметной стоимости. Как происходит приготовление и нанесение раствора? Цикл состоит из следующих трудоемких операций:

– замес раствора;

– подача раствора к месту нанесения;

– нанесение на поверхность;

– разравнивание раствора;

– заглаживание;

– шпаклевание;

– затирка.

Наибольший удельный вес трудозатрат при производстве штукатурных работ ручным способом приходится на процессы нанесения слоев раствора, подбор упавшего раствора и нанесения накрывочного слоя с разравниванием и заглаживанием (85%–92%), в том числе на процессы придания гладкой фактуры поверхности 30–40%.

При современной тенденции к повышению социального уровня российского населения и к увеличению размера оплаты ручного труда производство штукатурных работ вручную становится все более дорогостоящим. Для увеличения эффективности штукатурных работ применяют машины и агрегаты, позволяющие добиться частичной механизации процесса оштукатуривания.

Условно уровни механизации штукатурных работ можно разделить на 4 вида (табл. 1).

Машины, выполняющие 1–2 операции и использующиеся по отдельности, можно отнести к первому уровню. На данном этапе агрегаты, выполняя один–два процесса, частично облегчают ручной труд, уменьшают потери расходного материала и, улучшая качество замеса раствора, повышают прочностные характеристики штукатурного слоя.

Установки второго уровня совмещают в себе функции нескольких отдельных вышеописанных агрегатов и позволяют обеспечить как приготовление раствора на стройплощадке из сухих компонентов (только штукатурные агрегаты и штукатурные станции), так и затворение готовой сухой строительной смеси (ССС) водой, подачу раствора на необходимое расстояние и его набрызг на оштукатуриваемую поверхность.

Табл. 1 Уровни механизации штукатурных работ

Условный уровень механизации	Основное оборудование	Дополнительное оборудование
1. Машины, выполняющие одну–две операции	Растворосмесители Смесители-перегружатели Растворонасосы и пневмонагнетатели Пневмотранспортные установки для ССС и сухих составляющих	Не требуется
2. Машины, выполняющие несколько операций	Штукатурные агрегаты Штукатурные станции Машины для торкретирования сухих смесей Растворосмесительные насосы для ССС	Инвентарные маяки Форсунки механические или пневматические Затирочные машинки
3. Пример полного комплекта машин для механизации работ	Бункер-накопитель (или сменный силос) для ССС Пневмотранспортная установка для ССС в комплекте с дозатором Растворосмесительный насос в комплекте с компрессором и форсункой	Инвентарные маяки Затирочные машинки
4. Пример комплектации оборудования для достижения комплексной механизации	Бункер-накопитель (или сменный силос) для ССС Пневмотранспортная установка для ССС в комплекте с дозатором Растворосмесительный насос Переставная или передвижная штукатурная опалубка	Не требуется

Использование полного комплекта машин для механизации штукатурных работ позволяет механизировать весь рабочий цикл, исключая процессы разравнивания, затирки и заглаживания поверхности. При высокой интенсивности (требуемой производительности) производства штукатурных работ, повышенном требовании к качеству штукатурного слоя наиболее рационально применение компактных растворосмесительных насосов в комплексе с пневмотранспортными установками ССС, подающими сухую смесь от бункеров-силосов в приемные бункеры нескольких растворонасосов одновременно. Именно подобные системы совместимых машин в настоящее время предлагаются производителям работ как наиболее рациональные: технология оштукатуривания наименее трудоемка, материалоемка и энергоемка.

Однако все применяемые в настоящее время машины и механизмы не способны полностью механизировать производство работ: вручную производится как выравнивание, так и заглаживание и дополнительные операции шпаклевания и шлифовки (затирки) поверхности, что при механизации прочих процессов представляет основную часть трудозатрат по оштукатуриванию плоскостных поверхностей помещений и фасадов.

Для полуавтоматического разравнивания и заглаживания поверхности ранее было изобретено определенное количество способов и устройств, в том числе стационарных – штукатурных опалубок. Еще в 70–80-е годы прошлого века в СССР были сделаны попытки разработки опалубки для оштукатуривания поверхностей. Однако, к сожалению, неудачные конструктивные решения этих разработок и применяемые несовершенные материалы, а также оборудование не позволили комплексно механизировать этот процесс на практике строительства.

Анализируя характеристики растворов, применяемых для производства штукатурных работ, их можно разделить на приготовленные:

– централизованно на заводе;

– на стройплощадке из отдельных компонентов;

– на стройплощадке из ССС.

До недавнего времени строительные растворы в основном либо изготовлялись на заводах, либо непосредственно на строительных площадках из сухих составляющих.

Растворы, приготовленные в заводских условиях, имеют контролируемый состав и, как правило, значительно более высокую стабильность качественных показателей, чем растворы, приготовленные на строительных площадках. Но ассортимент производимых смесей довольно узок, а объем растворной смеси, единовременно подаваемой на строительную площадку, варьировать достаточно сложно, что приводит к остаткам неиспользованной смеси и большим потерям. Кроме того, в течение времени транспортировки раствор теряет свои свойства, что негативно отражается на качестве.

Процесс приготовления растворной смеси на строительной площадке, в свою очередь, является достаточно трудоемким, кроме того, сложно или даже невозможно обеспечить точность дозировки и равномерность распределения сухих отдельных компонентов, в особенности специальных добавок, вводимых в строго определенном количестве.

Активно развивающиеся в настоящее время технологии использования ССС являются значительно более эффективными по сравнению с традиционными.

ССС – порошкообразные композиции, состоящие из минерального вяжущего или полимерного связующего, наполнителей и заполнителей, добавок (модификаторов, противоморозных полимеров, красителей и т.п.), приготовляемые в заводских условиях. На месте производства работ ССС достаточно затворить водой до необходимой консистенции и употребить в соответствии с их областью применения. ССС поставляют как в бумажных мешках для ручной транспортировки, так и в бункерах-силосах.

При оштукатуривании поверхностей с использованием ССС применение шпаклевки и нанесения смеси в несколько слоев, как правило, не требуется.

Целесообразность использования ССС, как материала полной заводской готовности, подтверждена отечественной и зарубежной практикой строительства.

Преимуществами использования ССС, по данным компании «Кнауф», являются:

– повышение производительности труда в 1,5–5 раз в зависимости от вида работ, механизации, транспортировки;

– снижение материалоемкости, по сравнению с традиционными технологиями, в 3–10 раз в зависимости от вида работ;

– стабильность составов и, как следствие, повышение качества строительных работ;

– длительность срока хранения без изменения свойств и расходование по мере необходимости;

– возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре.

Таким образом, можно выделить три основных способа производства штукатурных работ, при рациональном применении и совмещении которых возможно добиться максимальной эффективности процесса оштукатуривания по всем критериям:

– ручной способ с применением ССС и частичной механизацией максимального количества отдельных процессов становится необходимым в том случае, когда рациональность применения глобальной механизации не является оправданной (малые объемы работ, наличие лепных и прочих специальных работ);

– механизация при применении комплекта агрегатов – растворосмесительных насосов в комплексе с пневмотранспортными установками ССС и сменными силосами – применяется при обработке сложных участков стен (значительное количество углов, откосов на единицу площади и пр.);

– комплексная механизация штукатурных работ на базе комплекта агрегатов с дополнительным использованием штукатурной опалубки применяется при обычных условиях производства работ.

На рис. 1 видно, что при возрастающей интенсивности (требуемой производительности) производства работ для сохранения постоянного уровня качества и экономии затрат процесс мог бы осуществляться по выделенной жирной линии, переходя от ручного способа к механизированному, а затем и к основному – комплексно механизированному.

Следовательно, при всё более возрастающей в современных условиях интенсивности производства работ и высоких требованиях к качеству покрытий возникла реальная необходимость в разработке новой технологии комплексной механизации штукатурных работ, устраняющей недостатки предшествующих технологических решений и способной к внедрению на практике строительства.

Для разработки и исследования новой технологии комплексной механизации штукатурных работ, устраняющей все недостатки предыдущих изобретений и основывающейся на использовании принципиально нового типа штукатурной опалубки, был проведен ряд исследований, описанных ниже.

Сущностью нового изобретения является облегченная сборно-разборная переставная штукатурная опалубка, состоящая из плоскостных и Г-образных щитов.

Конструкция элемента (плоскостного щита) новой штукатурной опалубки представлена на рис. 2.

Способ производства работ по новой технологии реализуется следующим образом. Перед монтажом щитов на поверхность стены при использовании лазерного нивелира с быстровращающейся призмой (или «причалок») в качестве ориентиров устанавливают анкерные регулирующие устройства в заданных точках. С их помощью крепят щиты и точно регулируют положение смонтированных щитов в плоскости, перпендикулярной плоскости стены. Также по краям образованной между опалубкой и поверхностью стены вертикальной формовочной полости устанавливают инвентарные маяки для предотвращения вытекания раствора. В формовочную полость нагнетают штукатурный раствор растворонасосом через муфты с притертыми съемными заглушками, размещенные на рабочей поверхности щитов. После твердения раствора щиты демонтируют, а анкерные устройства удаляют. Предлагаемая конструкция, как анкерных устройств, так и нагнетательных муфт, не влияет отрицательно на качество поверхности: единственный дефект в виде отверстий от анкеров легко устраняется шпаклеванием отдельных точек. Для вытеснения порового воздуха из объема раствора во время нагнетания и после его завершения допускается приложение к системе щитов вибрации от точечных источников.

Рис. 1 Зависимость стоимости производства работ от

ее интенсивности

Рис. 2 Элемент новой штукатурной опалубки: 1– каркас жесткости из легкого металла; 2 – рабочая поверхность; 3 – нагнетательная муфта; 4 – съемная заглушка; 5 – профильный пластичный полимерный материал; 6 – пружинные зажимы; 7– ручки для монтажа; 8 – анкерные регулирующие устройства.

Исследование новой технологии производилось как в теоретической, так и в экспериментальной областях.

При разработке рациональных режимов производства работ по данной технологии теоретически было определено, что основные параметры – приращение раствора и его давление на поверхность щита – зависят от производительности растворонасоса (за исключением потерь), ширины формовочной полости, динамической вязкости и коэффициента диффузии раствора, т.е. от скорости растекания растворной смеси и её реологических свойств. Характеристика качества поверхности штукатурного слоя и его прочность также зависят как от свойств раствора и от скорости его распространения в формовочной полости, так и от дополнительного воздействия виброобработки.

Далее была построена математическая модель, учитывающая зависимости растекания и давления смеси от совокупности параметров проведения процесса закачки. Это позволяет при известных коэффициентах (параметрах), учитывающих совокупность факторов, определяющих процесс нагнетания любого раствора в формовочную полость, прогнозировать его распространение и определять давление на поверхность щита на любом расстоянии r при заданном времени нагнетания t.

Экспериментальное многофакторное исследование процесса нагнетания растворной смеси производилось в Учебном центре «КНАУФ Северо-Запад» на основе договора о сотрудничестве с Санкт-Петербургским Государственным архитектурно-строительным университетом. Целью поставленного эксперимента являлось изучение параметров динамики процесса нагнетания раствора в формовочную полость между щитом опалубки и стеной, определение давления раствора для расчета опалубочных щитов на прогиб по параметру неизменяемости формы, свойств полученного штукатурного слоя, а также практическое подтверждение предположений о возможности получения высококачественного штукатурного покрытия.

Во время проведения экспериментов были использованы две сухие штукатурные смеси производства фирмы «Кнауф»: «MP–75» и облегченная смесь «LUP–222» на основе гипсового и цементного вяжущего соответственно.

Процесс проведения экспериментов заключался в нагнетании в формовочную вертикальную полость, образованную экспериментальным прототипом опалубочного щита (габаритами 1500х1600 мм) с прозрачной рабочей поверхностью из полиметилметакрилата и стеной, штукатурного раствора при помощи растворосмесительного насоса «PFT G5 Super», оборудованного шнеком, обеспечивающим подачу раствора со скоростью 25 л/мин. Вариационными экспериментальными параметрами являлись жесткости смесей по осадке стандартного конуса и ширина нагнетательной полости.

В процессе эксперимента фиксировались не только конечные показатели (т.е. прочность штукатурного слоя и качество поверхности), но и показатели, характеризующие динамику процесса: давление нагнетаемого штукатурного раствора в различных точках щита и скорость растекания «пятна». Фиксация давления производилась при помощи шести пьезометрических трубок и чувствительного манометра с мембранными латексными переходниками. Динамика процесса фиксировалась с помощью «цифрового» фотоаппарата с интервалами 5–8 секунд. По окончании нагнетания в некоторых опытах щиту сообщалась вибрация с максимальной амплитудой 0,4 мм при частоте 4000 мин-1. После схватывания штукатурного слоя из него по всей площади выпиливались цилиндрической полой пилой образцы для испытания на прессе.

Итогом эксперимента явилось практическое подтверждение теоретических предположений о высоком качестве полученного штукатурного слоя и его поверхности, а также определены оптимальные параметры процесса. Кроме того, удалось получить «зеркальную» поверхность даже для смеси «LUP–222» (рис. 3), что категорически невозможно при ручном заглаживании ввиду наличия пенополистирольных шариков.

Рис. 3 Штукатурный слой, отформованный из смеси LUP–222

По данным экспериментов была построена графическая модель определения давления в зависимости от параметров нагнетания. Установлено, что по достижении определенного времени нагнетания происходит стабилизация давления на поверхность щитов (стационарный режим). Таким образом, возможно наличие небольшого количества нагнетательных муфт на поверхности щитов (вплоть до одной) на оштукатуриваемый участок стены. Далее было проведено сравнение данных графической и математической моделей и таким образом подтверждена адекватность математической модели экспериментально полученным данным. Рассчитаны рациональные параметры для исследуемых условий: технология применима при ширине формовочной полости свыше 15 мм и при подвижности исследуемых смесей от 12 до 16 см (табл. 2). Определены эпюры давления на поверхность щитов в стационарном режиме, и предложен комплект их типоразмеров.

Табл. 2 Данные для производства работ по разработанной технологии

Применяемая смесь «Кнауф»	Ширина штукатур-ного слоя, мм	Требуемая проность слоя, кг/см3	Подвижность смеси, см
MP–75	15 и выше	Не ниже 10	14–16
		Не ниже 15	14
LUP–222	15–30	Не ниже 10	14–15
		Не ниже 15	14 (13)
	30 и выше	Не ниже 10	12–15
		Не ниже 15	12–13

По предварительным подсчетам, несмотря на материальные затраты на приобретение комплектов опалубочных щитов и трудозатраты на их монтаж / демонтаж, новая технология оказывается экономичнее, по сравнению с использованием полного комплекта машин, более чем на 18%.

Таким образом, при высокой интенсивности производства комплексная механизация штукатурных работ с применением штукатурной опалубки в дополнение к комплекту машин позволяет:

– дополнительно понизить трудоемкость работ по причине отсутствия таких трудоемких видов ручных работ, как разравнивание, затирка и заглаживание поверхности, а также работы, выполняемой сопловщиком;

– понизить материалоемкость вследствие полного исключения потерь раствора;

– понизить энергоемкость производства, т.к. не требуется подключение компрессора к растворонасосу;

– значительно повысить качество поверхности штукатурного слоя (вплоть до «зеркального»);

– избежать значительного количества грязи на строительной площадке, поскольку не требуется ручная обработка схватываемого раствора, повысить культуру труда и престиж профессии штукатура.

Данный способ оштукатуривания наиболее оправдан при высокой интенсивности производства работ в совокупности с максимальными требованиями к качеству поверхности, например, под окраску. Кроме того, использование специальных комплектов опалубки крайне эффективно при оштукатуривании криволинейных поверхностей, заливке тонких гипсовых перегородок.

Результаты выполненных исследований свидетельствуют о практической целесообразности разработанной комплексно механизированной технологии производства штукатурных работ. На новую технологию получено решение Федерального Института Промышленной Собственности о выдаче патента РФ «Способ оштукатуривания стены здания и устройство для его осуществления» по заявке № 2004130068 приоритет от 11 октября 2004 года.

Следует учитывать, что исследуемые в процессе эксперимента смеси первоначально не были разработаны для данной технологии, что отражается на относительно невысокой прочности полученного штукатурного слоя. Кроме того, совсем недавно были выпущены новые растворонасосы, позволяющие производить плавную регулировку подачи раствора (практически от «0»), а это, в свою очередь, отразится на значительном понижении давления на поверхность щитовой опалубки и снижении ее веса за счет облегчения каркаса жесткости. Планируемые в дальнейшем исследования будут направлены на определение в лабораторных условиях коэффициентов (параметров), учитывающих совокупность факторов, определяющих процесс закачки раствора для различных типов смесей и условий их нагнетания (растворонасосов и пр.); разработку специализированных ССС, максимально приемлемых для данной технологии.