На главную Обратная связь Карта сайта
Главная




(351) 247-87-17
232-33-51
polbeton@mail.ru
www.pol-beton.ru
ICQ: 493-705-348

ПРАЙС ЛИСТ



Прайс/Типовое предложение


Галерея покрытий



Безобжиговые малощелочные минерально-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе

Безобжиговые малощелочные минерально-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе

В. Л. ХВАСТУНОВ, доктор техн. наук, доцент; В. И. КАЛАШНИКОВ, доктор техн. наук, профессор; А. В. ХВАСТУНОВ, бакалавр, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

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 показателейГОСТ или СНиПОбозна­чениеПределы изменения показателей
1.Сроки схватывания МЩВ, час-мин.ГОСТ 31108-2003ГОСТ 310.3-76 ГОСТ 30744-2601НС КС1-20...12-30 2-20...21-15
2.Плотность бетонов, кг/м3СНиП 52-01-2203 ГОСТ 12730.1-78Р.О1500-2500
3.Прочность при осевом сжатии, МПаСНиП 52-01-2003 ГОСТ 10180-90 ГОСТ 26633-91кв5,0-180,0
4.Прочность при осевом растяжении, МПаСНиП 52-01-2003&*.1,0-2,5
5.Соотношение Кв/ КВТп--6,8-13,2
б.Предельная сжимаемость, мм/мСНиП 52-01-2003ево,п(120-420) 10"5
7.Предельная растяжимость, мм/мСНиП 52.01-2003Вод(10-40) 10"5
8.Модуль деформации, МПаСНиП 52-01-2003 ГОСТ 24452-80Евп(8-40) 103
9.Коэффициент ПуассонаСНиП 52-01-2003 ГОСТ 24452-8080,12-0,35
10.Трещиностойкость по методу кольца, сутки--з-зоо
11.Усадка МШВ, мм/мСНиП 52-01-2003 ГОСТ 24544-81е5Иг(в)2,14-7,25
12.Усадка мелкозернистых бетонов, мм/мСНиП 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-8СГ1,41-1,90
15.Условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа м0,5ГОСТ 29167-91к*0,77-2,69
16.Коэффициент водостойкости--0,75-0,92
17.Морозостойкость, цикловГОСТ 10060.4-95 СНиП 52-01-2003г250-500
18.Прочность сцепления арматуры с бетоном, МПа--6,84-8,68
19.Коррозионная стойкость в щелочах-ксщ0,85-0,97
20.Термостойкость (количество водных теплосмен), циклыСНиП 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 про­мышленности (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 способствова­ло 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 по­явления безводного расплава щелочи.

Доля шлака в минерально-шлаковых вяжущих, исходя из необходимости возра­стающей степени наполнения шлака горной породой, постоянно уменьшается. Если ис­пользуется горная порода, индифферент­ная к щелочам (кальцитовый известняк, мрамор, барит и др.), то уменьшение со­держания шлака при одной и той же дози­ровке щелочи от массы смешанного вяжу­щего равносильна повышению содержания щелочи, приходящейся на шлак и взаимо­действующей с ним. Так, например, в сме­шанном вяжущем при соотношении шлак : порода = 1 : 1 и дозировке щелочи в коли­честве 3% от массы смеси на шлак прихо­дится 6% щелочи, а при соотношении шлак : порода = 1:4 при дозировке щелочи 2% на шлак приходится уже 10%.

Установлено, что с понижением водо-шлакового отношения (В/Ш) при неизменном содержании ще­лочи ее молярность (ионная сила) и рН ра­створа в композицион­ном материале сильно возрастают, обеспечивая его связывание с крем-некислородным остовом стекла. Роль малых до­бавок щелочей при этом сводится к начальному каталитическому воз­действию на шлаковое стекло.

 

Для приготовления минерально-шлаковых вяжущих и бетонов на их основе использова­лось семь разновиднос­тей шлаков с 5 =330-уд

350 м2/кг и более деся­ти видов горных пород различных месторож­дений, в том числе гли­ны, суглинки, опоки, известняки, доломиты, кремнеземистые и глау-конитовые песчаники, халцедоны месторожде­ний Пензенской области, песок Сызран-ского и песчано-гравийная смесь и изве­стняк Жигулевского месторождений Са­марской обл.

Для сравнения основных показателей минерально-шлаковых композиций с ана­логичными показателями традиционного цементного вяжущего использовался це­мент Вольский М400. В качестве заполни­телей использовались: песок Сурский (ГОСТ 8736-93) с М =1,5, фракциониро­ванные отсевы камнедробления карбонат­ных пород Иссинского карьера Пензенской обл. (ГОСТ 8267-93), дробленый отсев ПГС Жигулевского карьера фракции 510 мм, дробленый доломит ст. Сатка, Челябинской обл. и Павловского карьера Воронежской обл. фракции 5~10 мм, крупные заполни­тели фракции 5-20 мм из горных пород, ке­рамзитовый гравий Пачелмского завода Пензенской обл.

Для модификации минерально-шлако­вых вяжущих и строительных материалов на их основе использовались химические добавки различного функционального на­значения: активизаторы твердения - ще­лочь 1ЧаОН (ГОСТ 2263-79), жидкое стек­ло (ГОСТ 13078-81), КОН (едкий калий тех­нический) по ГОСТ 9285-78, сода техни­ческая кальцинированная Ыа2С03 (ГОСТ 510-85), поташ К2С03 (ГОСТ 10690-81), из­весть негашеная кальциевая СаО (ГОСТ 9179-81); пластифицирующие - порошкообразный пластификатор С-3 (ТУ 6-36-02429-625).

В экспериментах соотношение компо­нентов вяжущего принималось как «горная порода : шлак» - от 1 : 9 до 9 : 1. Содержа­ние активизатора принималось минималь­ным и составляло 2% от массы смеси вяжу­щего. Образцы и изделия изготавливались методом прессования при раличных давле­ниях и методами виброуплотнения и виб­ропрессования при влажности смеси от 12 до 34%.

Физико-механические характеристики безобжиговых малощелочных минераль­но-шлаковых вяжущих и бетонов на их ос­нове различных составов представлены в таблице.

Данные проведенных исследований свидетельствуют о том, что наличие во мно­гих регионах РФ многотоннажной сырьевой базы в виде местных природных ресурсов и промышленных отходов позволяет в ши­роком диапазоне регулировать физико-механические и эксплуатационные характе­ристики как самих минерально-шлаковых вяжущих, так и бетонов на их основе с уче­том требований к каждому виду продукции строительной индустрии.

 

                                                                                                                                                                                                                                        Технологии Бетонов №1, 2007