Безобжиговые малощелочные минерально-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе

[Filippcha]

Рассматриваются результаты научного поиска безобжиговых вяжущих веществ из тонкодисперсных пород путем их модифицирования шлаками и щелочными активизаторами. Приводятся разработанные авторами схемы классификации минеральных гидравлических вяжущих систем и минерально-шлаковых малощелочных композиционных вяжущих.

Современное развитие технологий армированных и неармированных бетонов связано с необходимостью повышения их конкурентоспособности, для чего необходимо значительно снизить их ресурсо- и энергоемкость, улучшить технические и эксплуатационные характеристики. В связи с постоянным возрастанием стоимости энергоресурсов (электроэнергии, природного газа, нефти и др.), значительным износом печных агрегатов по производству вяжущих, а следовательно, связанного с этими негативными явлениями удорожанием основного продукта для производства бетонов - портландцемента, в настоящее время наблюдается значительный рост цен на продукцию строительной индустрии. Эта тенденция особенно заметна в жилищном строительстве, что не вписывается в национальный проект «Доступное и комфортное жилье - гражданам России». Ситуация усугубляется еще и тем, что портландцемент используется крайне нерационально, т. к. большое его количество расходуется на производство низкомарочных растворов и бетонов М50-М250 и лишь до 20% применяется для изготовления конструкционных высокопрочных бетонов. К тому же обжиговая карбонатная технология получения портландцемента связана с большими выбросами С02, что негативно влияет на экологическую ситуацию.

Научную общественность давно волнует проблема создания безобжиговых вяжущих и строительных материалов на их основе для замены энерго- и ресурсоемкого портландцемента хотя бы в тех сферах строительства, где не нужны его высокие технические и функциональные свойства. Разработка бесцементных вяжущих с максимальным использованием местных сырьевых ресурсов особенно актуальна для регионов, не имеющих в настоящее время предприятий по производству вяжущих, в том числе и для Пензинской области.

№ пп Наименование показателей ГОСТ или СНиП Обозна*чение Пределы изменения показателей
1. Сроки схватывания МЩВ, час-мин. ГОСТ 31108-2003ГОСТ 310.3-76 ГОСТ 30744-2601 НС КС 1-20...12-30 2-20...21-15
2. Плотность бетонов, кг/м3 СНиП 52-01-2203 ГОСТ 12730.1-78 Р.О 1500-2500
3. Прочность при осевом сжатии, МПа СНиП 52-01-2003 ГОСТ 10180-90 ГОСТ 26633-91 кв 5,0-180,0
4. Прочность при осевом растяжении, МПа СНиП 52-01-2003 &*.„ 1,0-2,5
5. Соотношение Кв/ КВТп - - 6,8-13,2
б. Предельная сжимаемость, мм/м СНиП 52-01-2003 ево,п (120-420) 10"5
7. Предельная растяжимость, мм/м СНиП 52.01-2003 Вод (10-40) 10"5
8. Модуль деформации, МПа СНиП 52-01-2003 ГОСТ 24452-80 Евп (8-40) 103
9. Коэффициент Пуассона СНиП 52-01-2003 ГОСТ 24452-80 8 0,12-0,35
10. Трещиностойкость по методу кольца, сутки - - з-зоо
11. Усадка МШВ, мм/м СНиП 52-01-2003 ГОСТ 24544-81 е5Иг(в) 2,14-7,25
12. Усадка мелкозернистых бетонов, мм/м СНиП 52-01-2003 ГОСТ 24544-81 ГОСТ 26633-91 ^5Нг(м) 1,8-4,2
13. Усадка тяжелого и легкого бетонов, мм/м - °5Нг(Б) 0,60-1,02
14. Ползучесть тяжелого и легкого бетона, мм/м - 8СГ 1,41-1,90
15. Условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа м0,5 ГОСТ 29167-91 к* 0,77-2,69
16. Коэффициент водостойкости - - 0,75-0,92
17. Морозостойкость, циклов ГОСТ 10060.4-95 СНиП 52-01-2003 г 250-500
18. Прочность сцепления арматуры с бетоном, МПа - - 6,84-8,68
19. Коррозионная стойкость в щелочах - ксщ 0,85-0,97
20. Термостойкость (количество водных теплосмен), циклы СНиП 56-79 ГОСТ 20910-90 - 10-70


Неиссякаемым источником сырьевой базы безобжиговых вяжущих веществ и строительных материалов являются широко распространённые местные материалы (глины, известняки, песчаники, опоки и др) и отходы горнопромышленного комплекса, включающие отходы предприятий нерудных строительных материалов, предприятий по изготовлению облицовочного камня, высокодисперсные отходы горно-обогатительных комбинатов и др. Из всего добываемого в мире этого минерального сырья (100 млрд в год) в качестве общественного продукта используется только 2%, а остальные 98% - в химически малоизмененном состоянии - выбрасываются в виде отходов. На территории России ежегодно образуются 6~8 млрд т отходов, которых только в твердом виде накоплено в отвалах и хранилищах примерно 80 млрдт. Среди твердых отходов значительную часть составляют отходы горной промышленности, золы и шлаки энергетической промышленности, черной и цветной металлургии. В целом доля используемых отходов по стране составляет 8-10%.
Проблема прямого безобжигового синтеза вяжущих веществ из тонкодисперсных горных пород неоднократно исследовалась в строительном материаловедении. Установлено, что связующим звеном в этом синтезе должен быть шлак. Он может быть охарактеризован как химически активная искусственная «порода», которая, в отличие от естественных горных пород близкого химического состава, взаимодействует с водой и гидратируется ею. Причиной является наличие извести, связанной в силикаты и алюминаты кальция. Наилучшими активизаторами твердения шлака являются щелочи или жидкое стекло, поэтому комбинация шлака с дисперсными минеральными породами является наиболее предпочтительной. Подобная комбинация порошков горных пород с портландцементом успешно используется в мире при создании высококачественных бетонов.

Ученые и производственники на протяжении многих десятилетий разрабатывали технологии наполнения цементного клинкера высокодисперсными порошками, особенно золами и шлаками. Современный зарубежный опыт свидетельствует о позитивном сочетании порошков горных пород с портландцементом (композиционные вяжущие) при изготовлении высококачественных экономичных порошковых бетонов. В последнее время дисперсные горные породы вводятся за рубежом, в основном, в цементы в качестве наполнителей для получения композиционных вяжущих. На создание таких вяжущих в России ориентирован новый ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия», гармонизированный с Евростандартом и предусматривающий 12 разновидностей композиционных цементов, в которых содержание клинкера изменяется от 35 до 95%, а остальное (наполнители) - золы и шлаки (см.таблицу). Руководствуясь этим ГОСТом, цементная промышленность не в состоянии полностью использовать металлургические шлаки (30 млн т в год), не говоря уже о золошлаках энергетической про*мышленности (столько же). Так как для портландцемента нет альтернативы при производстве высоконагруженных конструкционных бетонов, которые должны изготавливаться на клинкерных бездобавочных или малодобавочных цементах, то надеяться на широкое использование горных пород в составе цементного композиционного вяжущего не приходится. Поэтому нами формулируются новые направления, связанные с тем, что функцию цемента как основы композиционного вяжущего в совокупности с порошкообразными горными породами должен взять на себя шлак в составе минерально-шлаковых вяжущих.
Щелочная активация шлаков использовалась с целью получения на их основе высокопрочных материалов, что привело к созданию шлакощелочных цементов и бетонов. Такие высокощелочные, высоко-жидкостекольные, высокосодовые шлаковые вяжущие и бетоны были созданы В.Д.Глуховским и его учениками. Однако стремление к созданию высокопрочных шлакощелочных вяжущих, требующих существенного расхода щелочных активиза-торов (щелочей, соды, поташа, силикатов щелочных металлов), достигающих 8~12% от массы шлака, отнюдь не способствова*ло улучшению некоторых свойств бетонов: трещиностойкости, малому высолообра-зованию, сцеплению бетонов с защитно-декоративными покрытиями и др. Если говорить об использовании таких высоко-шлакощелочных бетонов в настоящее время, то с уверенностью можно сказать, что они вряд ли будут широко применяться в России из-за значительной стоимости щелочных активизаторов по сравнению с портландцементом.

Как показали продолжительные исследования в Пензенском ГУАС, по теории твердения композиционных вяжущих [1~5], наиболее эффективными активизаторами отверждения горных пород в щелочной среде по своей природе являются нейтральные и основные гранулированные металлургические шлаки. Однако роль шлака как основного связующего матричного вещества, которую он играет в чистых шлакощелочных вяжущих, кардинально меняется в композиционных минерально-шлаковых вяжущих нового поколения, особенно в малошлаковых и малощелочных.

Широкий диапазон полиморфных модификаций горных пород, их химико-минералогический состав создают перспективу для научного поиска безобжиговых вяжущих веществ из тонкодисперсных пород путем их модифицирования шлаками и щелочными активизаторами, в основном содержащими элементы Ыа и К, массовая доля которых в земной коре - 5,6%. Стратегия создания композиционных вяжущих с использованием горных пород должна развиваться от минерально-шлаковых к геошлаковым, а далее - к безшлаковым геосинтетическим вяжущим [4].

Разработанные нами схемы классификации минеральных гидравлических вяжущих систем и минерально-шлаковых малощелочных композиционных вяжущих (рис. 1,2) систематизируют основные идеи создания новых видов композиционных шлаковых вяжущих при сочетании шлаков и наполнителей из горных пород, когда наряду с созданием новых эффективных строительных материалов реализуется несколько вариантов энергосберегающей, ресурсосберегающей и природоохранной технологий с использованием следующих принципов: «отход + отход + химическая активация = вяжущее»; «отход + отход + термохимическая активация = вяжущее»; «отход + отход + катализатор = вяжущее». В процессе исследований обоснован выбор активизаторов - щелочных соединений со сверхвысокой растворимостью в воде, обеспечивающих повышенную температуру кипения щелочного раствора в тонкопленочном состоянии для растворения целого ряда горных пород с образованием цементирующих веществ с продуктами гидратации шлака. Впервые установлено, что с такими активизаторами гидратационные процессы отвердевания минерально-шлаковых систем протекают не только при тер-мовлажностной (водотепловой) обработке, но и в условиях сухого прогрева за счет кипения высокомолярного раствора и по*явления безводного расплава щелочи.