Н.Р. ХАБИБУЛЛИНА, канд. техн. наук, доц., Р.З.РАХИМОВ, д-р техн. наук, проф. (Казанский государственный архитектурно-строительный ун-т), Повышение эффективности шлакощелочных вяжущих и бетонов
Получив название «материал XX века», бетон остается основным конструкционным строительным материалом в XXI веке, определяя на обозримое будущее технический уровень развития общества и внося существенный, если не решающий, вклад в создание материальной основы современной цивилизации [1]. Дальнейшее развитие технологии бетона и железобетона неразрывно связано с необходимостью расширения номенклатуры применяемых цементов за счет разработки и внедрения экономически, экологически, технологически и технически эффективных разновидностей вяжущих, обеспечивающих получение высококачественных изделий.
Все большее внимание в России и за рубежом уделяется развитию разработок и производства бесклинкерных и малоклинкерных вяжущих веществ, в значительной мере позволяющих одновременно решать задачи снижения цементо- емкости строительства, ресурсо-, энергосбережения и охраны окружающей среды [2, 3]. К таким вяжущим, в полной мере способным конкурировать с портландцементом, относятся шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) [4]. Бетоны на их основе (ШЩБ) не только не уступают портландцементным, но по некоторым эксплуатационным характеристикам даже превосходят их. Однако существует ряд факторов (высолы, дефицит и дороговизна щелочного компонента и т.д.), которые ограничивают масштабное применение таких бетонов в современном строительстве и определяют направления развития разработок и производства ШЩВ и ШЩБ.
Одним из перспективных направлений дальнейшего развития ШЩВ является разработка композиционных их разновидностей, отличающихся содержанием минеральных и других добавок (МД) различного происхождения и назначения. Получению композиционных шпакощелочных вяжущих (КШЩВ) посвящены систематические исследования последних лет, проводимые на кафедре строительных материалов КазГАСУ. Результаты этих исследований позволили разработать целый класс КШЩВ с добавками молотого боя керамического кирпича (БКК), кварцевого песка (КП), отработанной формовочной смеси (ОФС), золы-уноса, микрокремнезема, цеолитсодержащих пород и др. Получены нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие КШЩВ марок до 1200 и бетоны на их основе классов до В80, марок по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.
Содержание добавок зависит от их химико-минералогического состава и находится в пределах от 3-10% (цеолитсодержащие породы, микрокремнезем) до более 30- 50% (БКК, ОФС, КП, зола). При получении КШЩВ необходимо учитывать и зависимость их свойств от способа совмещения шлака и МД - совместного или раздельного помола с последующим смешением. К примеру, для КШЩВ с БКК более высокие прочностные характеристики достигаются при совместном помоле исходных компонентов (рис.1). В этом случае продолжительность помола до 600 м2/кг КШЩВ (при этой удельной поверхности ШЩВ имеет наилучший комплекс свойств) с добавками 30,60 и 80% молотого БКК соответственно в 1,3 больше, в 1,5 и 2 раза меньше, чем продолжительность помола бездобавочного до удельной поверхности 300 мкг. При получении КШЩВ могут использоваться БКК как в виде отхода кирпичных заводов, так и продуктов разборки кирпичных стен ветхих зданий. Уже при 20%-ном содержании добавки БКК шлакощелочной камень (ШЩК) приобретает окраску, близкую по цвету и его интенсивности к характерной для керамического кирпича. Полученные результаты расширяют сырьевую базу и области применения ШЩБ на основе КШЩВ с добавками БКК.
Для таких кремнеземистых МД, как КП, ОФС и золы, более эффективным является раздельный помол. Результаты исследований влияния удельной поверхности золы в диапазоне 200-800 м2/кг (при удельной поверхности шлака Syfl=300 м2/кг), представленные на рис.2, показывают, что с увеличением дисперсности золы происходит повышение прочности, сопровождающееся снижением оптимального содержания добавки в составе вяжущего. Прочность ШЩВ с добавкой золы с удельной поверхностью 200 м2/кг изменяется незначительно до содержания добавки 50%, достигая максимума (60 МПа) при содержании золы 30- 40%. При удельной поверхности золы 500 м2/кг максимальная прочность ШЩВ составила 90,8 МПа при содержании добавки 30%, а при удельной поверхности 800 м2/ кг - 91,3 МПа при содержании золы 25%.
Как видно, прочность ШЩВ с добавкой 25-30% золы на 60% превышает прочность бездобавочного вяжущего (при удельной поверхности добавки 500 и 800 м2/кг). При этом в лабораторных условиях (на планетарной мельнице МПЛ-1) установлено, что для измелынения шлака до 300 м2/кг требуется столько же времени, сколько для помола КП, ОФС и золы до 650-750 м2/кг.
Свойства КШЩВ с МД (в зависимости от их вида) колеблются и при изменении основности шлака, вида щелочного компонента, условий твердения и т.д. Так, уровень увеличения прочности КШЩВ при использовании кремнеземистых МД различной гидравлической активности (при оптимальной удельной поверхности и содержании) имеет более высокие значения при твердении в условиях тепловлажностной обработки и увеличивается в ряду:
для образцов на основе нейтрального шлака ОХМК
КП > ОФС > зола-унос микрокремнезем 5% 16% 60% 105%,
на основе кислого шлака Челябинского металлургического комбината (Мо=0,92)
КП > ОФС > зола-унос > микрокремнезем 4% 12% 30% 60%.
При исследовании влияния МД на состав и структуру вяжущих рентгенофазовым методом и методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что для ШЩК на основе КШЩВ характерны большие объемы новообразований и закристаллизованность, более однородная и тонкозернистая структура по сравнению с контрольным составом [5]. В результате повышаются эксплуатационные характеристики ШЩК и бетонов на основе КШЩВ.
В таблице приведены сравнительные характеристики ШЩВ на основе КШЩВ (шлак ОХМК) с добавками золы (при содержании 30% и Syfl=500 м2/кг) и затворите- лем из соды (р =1,15 г/см3) и КШЩВ с 30% БКК (Sy/J КШЩВ 300-350 мкг) и затворителем из жидкого стекла (р =1,3 г/см3, Мс=1,5) и ШЩБ на бездобавочных ШЩВ. В качестве крупного заполнителя при изготовлении образцов использовался гранодиоритовый щебень, мелкого - кварцевый песок. Состав ШЩБ — Ш:П:Щ = 1:1,1:3,4 при расходе шлака на 1 м3 - 385,5 кг и растворошлаковом отношении 0,32-0,35.
Данные таблицы показывают, что использование добавок золы и БКК позволяет повысить прочность и модуль упругости ШЩБ. Морозостойкость и водонепроницаемость ШЩБ на КШЩВ снижаются, оставаясь тем не менее на высоком для бетонов уровне.
Помимо возможности замены в составе КШЩВ части шлака минеральной добавкой и повышения их прочностных характеристик, выявлены и другие положительные свойства шлакощелочного камня на основе КШЩВ. К примеру, в отличие от смешанных вяжущих на портландцементах с кремнеземистыми МД, такими как зола, ОФС, КП и микрокремнезем, при твердении по крайней мере в течение 1 года, они не снижают скорости набора прочности по сравнению с образцами на основе бездобавочного ШЩВ. Кроме того, добавки БКК, золы и микрокремнезема снижают уровень высолообразования до полного устранения. Методом оптическо-эмиссионной спектроскопии установлено, что при оптимальном содержании золы содержание свободной щелочи снижается на 10%, а БКК - на 18%.
В результате проведенных исследований установлено положительное влияние минеральных добавок природного и техногенного происхождения на состав, структуру и свойства композиционных шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов на их основе. Получены нормально-, быстро- и особо- быстротвердеющие КШЩВ марок до 1200 и бетоны на их основе классов до В80, марок по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.
Бетон и железобетон, 2006 №5