Д.т.н., профессор Калашников В.И., к.т.н. Мороз М.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Геошлаковые композиционные материалы на основе различных горных пород

Предпосылкой к выявлению твердеющих систем на основе горных пород, щелочных активизаторов и модифицирующих добавок послужили экспериментальные результаты, выполненные в течение многих лет, по получению минеральношлаковых композиционных материалов на кафедре «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» из горных пород с малыми добавками шлака [1-6].

Многие регионы России не имеют металлургических заводов, поэтому ставилась задача снизить долю шлака в композиционном вяжущем до 25-30%, уменьшить основные расходы на транспортировку доменных металлургических шлаков из других регионов и оценить физико-технические свойства таких малошлаковых геовяжущих и геобетонов на их основе.

Огромное количество горных пород содержится в отвалах, которые ежегодно в мире пополняются на 100 млр. тонн. Эти породы требуют глубоких исследований с целью оценки их реакционной активности со шлаками, щелочами, щелочными солями в композиционных вяжущих. При уменьшении доли шлака до 25-30% физико-технические свойства таких новых малошлаковых геовяжущих и бетонов на их основе отличаются от свойств высокопрочных минеральношлаковых вяжущих при оптимальном соотношении «шлак:горная порода» – «60:40». При исследовании процесса твердения указанных пород в индивидуальном виде при затворении их 6%-ым раствором щелочи NaOH, нами было установлено, что песчаники обладают высокой гидравлической активностью. Из пород магматического происхождения – гранит обладает низкой реакционной активностью при добавлении 6% щелочи, диабаз и диорит при добавке щелочи в количестве 6% более активны, чем гранит, но при 3%-ом содержании щелочи не твердеют. Также установлено, что при воздействии сухого прогрева при t=150°С диабазо- и гранито-щелочные вяжущие при содержании щелочи 7-8% значительно повышают свою прочность. Породы осадочного происхождения: глауконитовые и кремнеземистые песчаники и халцедоны при таком содержании щелочи проявляют ещё более высокую активность при повышении температуры до 150-350ºС и прочность на сжатие достигает 150-200 МПа. Немаловажной является задача оценки долговечности геошлаковых вяжущих, в частности, водостойкости, трещиностойкости и морозостойкости.

Для оценки формирования прочности малошлаковых и малощелочных тройных систем, использовали молотые глауконитовый и кремнеземистый песчаники, гранит, диорит и диабаз. Породы подвергали дроблению и последующему помолу до удельной поверхности (по прибору ПСХ-2): для глауконитового песчаника она составляла – 1300 м²/кг, кремнеземистого песчаника –300 м²/кг, для гранита – 410 м²/кг, диабаза – 350 м²/кг, диорита – 330 м²/кг.

Процентное массовое соотношение «горная порода:шлак:песчаник» в таком смешанном геошлаковом вяжущем было – «60:24:16», соответственно. В качестве активизатора твердения системы применялась щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего при влажности смеси 8%. Таким образом, содержание шлака в вяжущем составляло лишь 24%. Образцы-цилиндры Ø2,5 см изготавливались методом прессования при давлении 25МПа.

Как следует из табл. 1, все три горные породы вулканического происхождения совместимы с глауконитовым и кремнеземистым песчаниками при нормальных условиях твердения, однако кинетика их твердения существенно отличается. Образцы из смеси гранита с песчаниками, несмотря на более низкую активность гранита в индивидуальном виде при высоко щелочной активации, имеют более высокую прочность, как в первые сутки твердения, так и в 28 суток. Очевидно наличие оксида натрия в полевошпатовой породе, преимущественно альбите Na₂O·Al₂O₃·8SiO₂, более благоприятно влияет на начальный синтез сложных новообразований, чем смешанные полевошпатовые альбито-анортитовые соединения в диабазе и диорите. И этот быстро протекающий синтез новообразований обеспечивает на ультракислой породе граните 100-кратное превышение суточной прочности, чем на ультращелочной породе диабазе с сильно замедленным синтезом новообразований.

Таблица

Физико-технические и гигрометрические свойства малошлаковых геовяжущих

№	Соотношение компонентов композиционного вяжущего вяжущее:наполнитель 1:1,5		Прочность при осевом сжатии, МПа				Прочность при сжатии, МПа, после 71 суток, (образцов норм.услов)		Коэффициент длительной водостойкости	Водопоглощение по массе, через 71 сут, %	Плотность в абсол.сух.сост, г/см^3
			Нормально влажностные условия твердения, сут		ТВО при t = 80°C	Сухой прогрев при t =150°C
	Вяжущее	Напол-нитель	1	28			водо- насыщ	абсол. сухие
1	Глауконитопесчанико- шлаковое Гл:Ш–1:1,5	Диабаз	0,1	62,4	5,3	4,9	47,5	75,4	0,63	16,13	1,86
2		Диорит	3,2	59,7	54,7	32,0	34,3	47,3	0,73	17,17	1,79
3		Гранит	11,4	82,6	56,5	57,9	52,2	76,8	0,68	16,72	1,85
4	Песчанникошлаковое Па:Ш–1:1,5	Диабаз	0,2	55,8	6,32	5,4	43,7	55,9	0,78	15,63	1,87
5		Диорит	4,2	62,8	60,1	32,2	34,1	48,7	0,70	16,94	1,78
6		Гранит	20,8	73,6	54,8	56,8	50,1	82,6	0,61	15,78	1,80

Промежуточное положение занимает прочность вяжущего со средней породой – диоритом. Хотя диабаз в смеси с песчаником сильно блокирует набор прочности в первые сутки твердения, но к 28-ми суточному сроку прочность у этих композиций достигает 55-60 МПа. Наибольшую прочность формируют вяжущие с диабазом во влажных условиях при температуре 20ºС находится в интервале 74-82 МПа. Прочность при пропаривании образцов из всех видов вяжущих снижается: у вяжущих с диоритом незначительно – на 3-8%, с гранитом существенно – на 26-31%. Однако чрезвычайно аномальные явления, приводящие к сильным деструктивным процессам, в связи с низкой начальной прочностью, протекают при пропаривании образцов с диабазом. Причина такого аномального поведения в тройной системе «шлак-песчаник-диабаз» нами окончательно не выявлена. Однако, установлено, что с повышением температуры водо-тепловой обработки образуются продукты реакции с увеличением объема. Внешний осмотр образцов с диабазом позволил обнаружить развитую сетку волосяных трещин.

Сухой прогрев образцов из диабаза при температуре 150ºС не восстанавливает прочностных показателей до прочности, достигнутой при нормальном твердении. Более того, у образцов из вяжущих с диоритом и базальтом она продолжает снижаться по сравнению с прочностью пропаренных образцов, а у образцов из вяжущих с гранитом – сохраняется на том же уровне.

Таким образом, для изготовления песчанистых бетонов нормального твердения наиболее активным видом вяжущего является гранитошлакопесчаниковое. Для бетонов с тепловой обработкой можно применять композиционные вяжущие с диоритом и гранитом. Такие бетоны являются экономичными, т.к. содержание шлака в нем составляет всего лишь 24%.

Рисунок Рентгенограмма Архангельского песчаника

0

0

0

0

0

0

0

На рентгенограмме Архангельского песчаника (рисунок) отчетливо обнаруживаются рефлексы бета-кварца (3,34 А; 4,26 А, 2,46 А, 2,28 А, 2,24 А, 2,13 А и 1,98 А). Тонковолокнистый кварц сцементирован другой модификацией SiO₂, нежели кварц по всей вероятности, опало-тридимитовой, что подтверждается наличием тридимита (1,82 А; 2,17 А и 1,63 А) и аморфного гало (4,06-4,14 А), возможно опалового.

0

0

0

0

В табл. 2 приведены значения прочности образцов бетона на сжатие и водопоглощение из вяжущих 3-его состава (ГтШГлПБ) и 6-ого состава (ГтШПаПБ) из табл. 1. Соотношение «вяжущее:заполнитель» составило 1:1,5. В качестве заполнителя использовали мелкий Сурский песок. Содержание шлака в бетоне составляло всего лишь 9,4%. Образцы-кубы с размерами 7,07×7,07×7,07 см прессовались при давлении 25 МПа при влажности смеси 8% с содержанием щелочи 3% от массы вяжущего.

Таблица 2

Водопоглощение по массе и кинетика прочности на сжатие

малошлаковых геобетонов

Состав	Прочность при одноосном сжатии при нормальных условиях твердения, МПа, через:				Плотность в абс.сух. сост., г/см^3	Водопоглощение по массе, %, через 7 месяцев	Коэфф.длител.водост-ти через 7 месяцев
	1 сут.	3 сут.	7 сут.	28 сут.
ГтШГлПБ	0,7	0,72	12,83	23,3	1,99	9,7	0,67
ГтШПаПБ	3,8	7,78	13,67	22,0	1,98	9,1	0,64

Как следует из табл. 2, песчаный бетон на гранито-шлакоглауконитовом вяжущем отличается замедленным набором прочности в первые трое суток твердения по сравнению с гранито-шлакопесчаниковым. К 28-ми суточному возрасту прочностные показатели бетонов становятся одинаковыми.

Водопоглощение по массе после 7-ми суточного выдерживания в воде у гранито-шлакоглауконитопесчаного бетона – 9,7%, а у гранито-шлакопесчаникопесчаного бетона – 9,1%.

В заключении можно сделать вывод, что для производства стеновых блоков или различных мелкоштучных изделий нами впервые разработаны высокоэкономичные геошлаковые материалы, состоящие из малого количества и щелочи, шлака и бинарных дисперсных порошков осадочного происхождения – песчаников и вулканического происхождения ультракислого состава – гранита, среднего – диорита и ультраосновного – диабаза, которые обладают достаточно высокими физико-техническими показателями.

Литература

1 Глиношлаковые строительные материалы [Текст] /В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, В.Л. Хвастунов и др.; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Калашникова. – Пенза: ПГАСА, 2000. – 207 с.: ил.

2 Калашников, В.И. Экологические и технические аспекты применения безобжиговых минеральношлаковых вяжущих в производстве строительных материалов [Текст] / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, А.А. Карташов, А.П. Кандауров, Р.Н. Москвин // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. научных трудов МНТК – Пенза: ПДНТП, 2003. – С. 197-200.

3 Калашников, В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих [Текст] / В.И. Калашников //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара: СамГАСУ, 2004. – С. 193-196.

4 Калашников, В.И. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей [Текст] / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, А.А. Карташов, М.Н. Мороз //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара: СамГАСУ, 2004. – С. 205-209.

5 Калашников, В.И. Проблема строительного материаловедения в области создания геополимеров [Текст] / В.И. Калашников // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара: СамГАСУ. 2004. – С. 193-196.

6 Калашников, В.И. Перспективные направления в области получения геосинтетических строительных материалов [Текст] / В.И. Калашников // Строительные материалы ХХI века. – М., 2007. - №3. - С. 16-18.