Д.т.н., профессор В. И. Калашников, аспирант К. Н. Махамбетова,

д.т.н., профессор Ю.С. Кузнецов, д.т.н., профессор В.Л. Хвастунов, инженер Р.А. Ибрагимов, к.т.н., доцент И.И. Романенко

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

ПРОЧНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАРБОНАТНОШЛАКОВЫХ ВЯЖУЩИХ, АКТИВИЗИРОВАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ ДОБАВКАМИ

При изготовлении стеновых камней на основе карбонатно-шлаковых вяжущих методом силового прессования или вибропрессования, возможно использовать, как показано нами ранее [1], щелочной активизатор NaOH или смешанный активизатор – соду Na₂CO₃ и гидратную известь. Однако, в зависимости от вида используемого молотого гранулированного шлака, прочностная эффективность этих видов активизаторов может быть различной.

Считается, что щелочь при высокой молярности раствора, более эффективна в качестве активизатора твердения шлаков. Нами установлено, что щелочь может отверждать некоторые молотые горные породы за счет синтеза цементирующих новообразований.

Такие вяжущие названы нами геосинтетическими. Сода в индивидуальном виде не в состоянии отверждать горные породы. Не отверждаются содой и некоторые очень кислые шлаки, практически не содержащие в химическом составе СаО. Комбинация соды и извести в оптимальном соотношении, предложенная нами, является эффективным активизатором твердения шлаков, минерально- и геошлаковых композиций, и даже отдельных горных пород, т.е. геосинтетических вяжущих.

Как известно, реакция каустификации соды известью протекает по следующей реакции:

Na₂CO₃+Ca(OH)₂ = 2NaOH + CaCO₃

При этом 1% соды выделяет 0,75% щелочи. Эта реакция в растворе протекает достаточно быстро, но в жидкой фазе шлаковых и геошлаковых вяжущих замедляется. Скорость ее зависит от водотвердого отношения в бетонной смеси. Выделяющаяся щелочь активизирует твердение шлака, а побочный молекулярно-дисперсный кальцит является балластом. Он понижает прочность горных пород и шлаковых вяжущих по сравнению с прочностью их при использовании щелочи, особенно, в первые сроки твердения. В карбонатношлаковых вяжущих негативное действие не твердеющего CaCO₃ снижается. Это объясняется тем, что образующийся кальций синтактически нарастает на родственные ему частицы карбонатного наполнителя. С другой стороны кальцит является «рекордсменом» по количеству габитусов кристаллов (несколько тысяч) и он эпитаксиально нарастает на инородных минералах.

Для оценки активности щелочных активизаторов использовали молотый Магнитогорский (S_уд=390м²/кг) и Новотроицкий (S_уд=510м²/кг) шлаки, в смесях с известняковой мукой Ивантеевского карьера, Саратовской области. Удельная поверхность муки составляла 560м²/кг. Известняковую муку, шлак, соду и известь-пушонку однородно смешивали в шаровой мельнице с малым количеством шаров. В этом случае, полученную сухую смесь композиционного активизированного вяжущего можно хранить, транспортировать как готовое вяжущее, а при использовании для производства растворов и бетонов просто затворять водой.

Соотношение между содой и известью варьировали, но во всех случаях принимали избыток извести по сравнению со стехиометрической реакцией для возможной известковой активизации шлака для образования гидросиликатов кальция. Минеральношлаковое вяжущее (МШВ) состояло из 60% шлака и 40% известняковой муки. При использовании щелочного активизатора карбонатношлаковое вяжущее (КШВ) затворяли раствором щелочи, исходя из 2%-ого содержания NaOH на сухое вещество вяжущего, а при использовании содо-известкового активизатора – водой. Водовяжущее отношение составляло 0,14-0,17. Образцы прессовали при давлении 25 МПа, твердели они в одинаковых условиях при относительной влажности воздуха – 95% и температуре 18-22ºС. Результаты кинетики формирования прочности представлены в табл.1.

Как следует из табл.1, Новотроицкий шлак, затворенный 2% щелочи NaOH, обладает высокой скоростью набора прочности, достигающей на 28 сутки твердения 54,8 МПа. Через 420 суток прочность его превышает 28-суточную в 1,6 раза. Высокая плотность образцов объясняется наличием тонкодисперсного металла. Прочность через 28 суток КШВ на содо-известковом активизаторе снижается в 2 раза, как и кинетика набора ее в начальный период твердения.

Однако, в более поздний период твердения прочностные показатели превышают прочность шлака со щелочью. Это, очевидно, связано с избыточным количеством извести на образование гидросиликатов кальция.

Более активным в смешанном вяжущем является Магнитогорский шлак. Карбонатношлаковое вяжущее на этом шлаке более интенсивно твердеет при использовании как щелочного, так и содо-известкового активизатора. Прочность образцов из этого вяжущего через 420 суток увеличиваются в 2,8 раза (состав 3), в 2,5 раза (состав 4) по сравнению с 28-ми суточной.

Таблица 1

Кинетика формирования прочности карбонатно-шлакового вяжущего

№ п/п	Наименование состава	В/Т	Плот- ность кг/м^3	Прочность при сжатии, МПа, через суток
				3	7	28	80	420
1	Шлак Новотроицкий+2% NaOH на сухое вещество	0,12	2707	33,7	34,3	54,8	68,3	91,8
2	ИШВ с 2,8% соды и 3,7% извести в составе смеси	0,14	2435	13,9	16,5	28,0	32,4	100,8
3	ИШВ+2%NaOH на сух. вещ.	0,17	2047	22,0	33,0	41,5	54,8	113,5
4	ИШВ с 2,8% соды и 3,7% извести в составе смеси	0,14	2102	21,2	43,1	46,5	60,0	114,3

Это - важный фактор проявления конструктивных процессов, протекающих при длительном твердении минеральношлаковых вяжущих. В этом проявляется существенное преимущество таких вяжущих по сравнению с цементом. Цементный камень набирает высокую 28-суточную прочность во влажных условиях (до 80-100 МПа), однако годовой прирост прочности не превышает 30-50%.

Отдельные молотые гранулированные шлаки не поддаются жидкостекольной активации в первые сроки твердения. Так, Нижнетагильский гранулированный шлак даже при высокой удельной поверхности (680м²/кг) при В/Т=0,25 схватывается и не твердеет с добавкой 8-17% товарного жидкого стекла в течении 7-10 суток, но через 28 суток имеет прочность 40-50 МПа. В свою очередь активизация этого шлака содоизвестковым активизатором (сода – 6%, известь – 9%) способствовала формированию прочности на 1 сутки до 18 МПа, а через 28 суток она достигла 62 МПа.

Использование минеральношлаковых вяжущих в вибропрессованных бетонов для производства стеновых пустотных блоков, тротуарной брусчатки, поребрика и других мелкоштучных изделий может быть экономически оправдано по сравнению с цементными изделиями. С этой целью были изготовлены бетоны состава 1:2:2 и 1:2:1,5 (КШВ:песок:мелкозернистый щебень) на Нижнетагильском шлаке с различным содержанием содо-известкового активизатора. Вибропрессование осуществлялось при прессующем давлении 0,09 МПа. Составы бетонов и кинетика нарастания прочности представлена в табл.2.

Как следует из табл.2, прочностные показатели зависят не только от количества активизатора, но и от содержания вяжущего и заполнителей в бетоне. При уменьшении содержания щебня с 860 до 729 кг плотность при одинаковом расходе воды возрастает на 80 кг/м³, а прочность увеличивается более чем в 2 раза и достигает 57 МПа. С уменьшением содержания соды до 2,6% и извести до 3,9% прочность вновь падает в 2 раза. При средних расходах соды – 4% и извести – 6% (состав 4) прочностные показатели повышаются лишь на 15%. Поэтому целесообразно изготовлять стеновые пустотные блоки при низких расходах соды и извести и с прочностью 20-25 МПа. В этом случае расход шлака в КШВ не превышает 300 кг/м³, а содержание соды составляет 12,6 кг/м³, извести – 19 кг/м³. Для тротуарной плитки и поребрика наиболее приемлем состав 3, с маркой бетона М300. Морозостойкость такого бетона превышает 200 циклов.

Таблица 2

Кинетика твердения вибропрессованных щебеночных бетонов на композиционном, карбонатношлаковом вяжущем и их физико-технические свойства

№	Наименование состава	Колич- ество по массе, кг	В/В	Плот- ность кг/м^3	Прочность при сжатии, МПа, через суток
					1	3	7	28	150
1	Вяжущее:Песок:Щебень:Вода= 1:2:2:0,37 КШВ с 5,2% соды и 7,8%извести Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода Влажность смеси – 7,4%	430 860 860 159	0,37	2252	4,6	9,2	14,6	23,0	33,2
2	Вяжущее:Песок:Щебень:Вода= 1:2:1,5:0,34 КШВ с5,2% соды и 7,8% извести Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода Влажность смеси – 7,4%	486 972 729 165	0,34	2322	11,0	30,8	-	57,5	-
3	Вяжущее:Песок:Щебень:Вода= 1:2:1,5:0,34 КШВ с 2,6% соды и 3,9%извести Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода Влажность смеси – 7,4 %	486 972 729 165	0,34	2243	3,0	9,4	-	26,8	-
4	Вяжущее:Песок:Щебень:Вода= 1:2:1,5:0,34 КШВ с4,0% соды и 6,0% извести Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода Влажность смеси – 7,4%	486 972 729 165	0,34	2300	6,2	14,7	-	31,1	42,4

Использование МШВ в вибрационно-уплотняемых бетонах также возможно при применении тех шлаков, которые плохо активизируются силикатами натрия. В табл.3 приведены составы бетонной смеси жесткостью Ж-1 и Ж-2 с добавкой ЛСТ в количестве 0,3% от массы вяжущего с водовяжущими отношениями В/В=0,45 и В/В=0,42.

Как следует из табл.3, использование содо-известкового активизатора позволяет получить бетоны марок 300-350 по вибрационной технологии уплотнения, что существенно расширят возможности применения минерально-шлаковых вяжущих.

Таблица 3

Кинетика твердения виброуплотненных щебеночных бетонов на композиционном, карбонатношлаковом вяжущем

№	Наименование состава	Колич- ество по массе, кг	В/В	Плот- ность кг/м^3	Прочность при сжатии, МПа, через суток
					1	3	7	28
1	Вяжущее:Песок:Щебень: :Вода=1:2:1,5:0,45 КШВ с5,2%соды и 7,8%изв. Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода+ЛСТ(0,3% от вяж.) Влажность смеси –10%	400 800 600 180	0,45	2255	3,6	6,0	-	32,0
2	Вяжущее:Песок:Щебень: :Вода=1:2:1,5:0,42 КШВ с5,2%соды и 7,8%изв. Песок Сурский с Мкр=1,5 Щебень известняковый фр.5-10мм Вода+ЛСТ(0,3% от вяж.) Влажность смеси –9,3%	200 400 300 84	0,42	2270	5,0	13,6	-	36,8

Преимущества их при использовании содо-известковой активации состоит в следующем:

1. Возможно изготовливать сухие строительные смеси на специализированном предприятии и отправлять их на заводы стройиндустрии.

2. Для получения каменной муки можно использовать дешевые отсевы камнедробления, которых накопились в России более 6 млрд. тонн на предприятиях нерудной промыщленности.

3. Возможно использовать каменную муку высокой дисперсности (менее 70-100 мкм) с горно-обогатительных фабрик рудной промышленности складированные объемы которых превышает 100 млрд. тонн.

4. Для изготовления минеральношлакового вяжущего возможно использовать молотые смеси гранулированных и отвальных шлаков в равном соотношении без потери качества.

Библиографический список

1. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Хвастунов А.В. Безобжиговые малощелочные минеральношлаковые вяжущие и бетоны на их основе // Технологии бетонов. Москва. 2007. №1. С. 8-10.