1.6 Шлакощелочные бетоны

1.6.1 Общие понятия о шлакощелочных бетонах

Шлакощелочные бетоны получают на основе шлакощелочных вяжущих и различных заполнителей, как традиционных природных (гранитов, известняков и др.), искусственных (керамзита, перлита), так и мелкодисперсных (мелких песков, супесей, лессов, легких суглинков). Гидрооксиды щелочных металлов, образующиеся при гидратации шлакощелочных цементов, могут вступать в химическое взаимодействие с глинами, образуя нерастворимые щелочные гидроалюмoсиликаты, (аналог природных цеолитов и слюд.) Поэтому присутствие в заполнителях пылеватых и глинистых примесей не только не вредно, но и полезно, так как в процессе затвердевания бетона образуются дополнительные уплотняющие и упрочняющие компоненты. Вследствие этого для приготовления бетонов можно использовать некондиционные с точки зрения обычных бетонов заполнители: с содержанием пылевидных частиц до 20% и глинистых частиц до 5%, отходы камнепиления и камнепереработки, щебень более слабых пород, мелкие и очень мелкие пески.

Применение шлакощелочных вяжущих в бетонах позволяет резко расширить сырьевую базу стройиндустрии без существенных дополнительных вложений, более полно использовать отходы металлургической, электротермофосфатной и химической промышленности, сократить режим термообработки, повысить морозостойкость, коррозионную стойкость, экaростойкость бетонов и, что очень важно исключить применение портландцемента. Цементирующим веществом этого вида бетонов служат гидратные кристаллические новообразования. Они возникают при взаимодействии шлаков со щелочами. Кроме того тонкие грунтовые частицы реагируют со щелочами, образуя гелиевую массу, пронизанную кристаллическими сростками новообразований.

1.6.2 Шлакощелочные цементы

Шлакощелочные цементы - гидравлические вяжущие вещества, полу­чаемые путем тонкого измельчения гранулированного шлака, совместно со щелочным компонентом или затворением молотого шлакарастворамисоединений щелочных металлов: натрия, калия или лития.

Для производства шлакощелочных вяжущих в настоящее время исполь­зуют доменные и электротермофосфорные гранулированные шлаки, тонкость помола которых определенным способом воздухопроницаемости, составляет не менее 3000 /г. Возможно применение для этой цели шлаков других производств (титанистых, никелевых, ферромарганцевых, ваграночных, мартеновских), но после их предварительных испытаний.

Составной частью шлакощелочных вяжущих являются щелочные компоненты, которые вводят в шлак в количестве 3...10% от его массы (в пересчете на сухое вещество) в виде соединений щелочных металлов, дающих в воздушной среде реакцию, используются эти вещества в виде водных растворов 15-40%-ой концентрации.

По характеру взаимодействия со шлаками эти соединения подразделяются на 4 группы:

I группа − едкие щелочи, смесь плавленых щелочей;

II группа − несиликатные соли слабых кислот, сода синтетическая кальцинированная, сода кальцинированная техническая, фтористый натрий и др.;

III группа с силикатные соли и растворимые стекла с силикатным модулем 0,5...2,5

IV группа − алюминаты натрия и калия. ( O. ).

Могут быть использованы и щелочeсодержащие отходы и побочные продукты различных производств после их непосредственного опробования. Наиболее часто на практике используются щелочные компоненты II и Ш групп.

Известны вяжущие вещества на основе доменных шлаков, активизированных соединениями щелочных металлов, или их смесью с известью или цементов. От этих вяжущих шлакощелочные цементы отличаются большим содержанием щелочных соединений. Если в первом случае эти соединения являются активизаторами (катализаторами), то во втором случае − самостоятельными компонентами вяжущей системы. Если в первом случае водостойкие структурные связи образуют в основном гидросиликаты кальция, то во втором − к ним добавляются щелочные гидролюмосиликаты типа R₂О ЗАl₂ OS 6SiO₂ nН2O; R₂O Al₂O₃ (2-4) SiО₂ nН₂O.

Нормальная густота теста шлакощелочного вяжущего как правило находится в пределах 25...30%. При одинаковом водовяжущем отношении подвижность бетона на шлакощeлочном вяжущем более высокая, чем на портландцементе.

Сроки схватывания шлакощелочных вяжущих почти на всех щелочных компонентах находятся в пределах, устанавливаемых ГОСТом для клинкерных цементов. Исключения составляют низкомодульные растворимые стекла, для которых сроки схватывания несколько короче, начало схватывания 10...15 мин, конец схватывания 45...50 мин.

Для замедления сроков схватывания необходимо создать вокруг частиц шлака пленку, замедляющую химическое взаимодействие со щелочами.

С этой целью применяют небольшое количество (0,1...0,3%, иногда и более 0,5...0,7%) поверхностно-активных веществ ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ -94 мылoнафт, лигносульфонаты, СНВ и др.

Способность шлаков к проявлению гидравлической активности характеризуется модулем основности (М_о), модулем активности (М_а) и коэффициентом качества (К_к).

CaO+Mg

Модуль основности М_о=SiO₂+ Al₂O₃

Шлаки являются основными, если Мо 1 и кислыми, если Мо<1

Al₂O₃

Модуль активности Ма=SOO₂

В большинстве случаев активность доменных шлаков возрастает c увеличением модуля основности и особенно модуля активности.

CaO+MgO+Al₂O₃

Коэффициент качества = SiO₂+МnО

По величине этого показателя шлаки имеют повышенную активность (Kк >1.9), среднюю активность (Кк=1,6...1,9) и малую активность (Kк <1,6).

Влияние этих коэффициентов на шлaкoщелочного свойства цемента неоднозначно и зависит от вида щелочного компонента, а также структуры шлака

Рис.16. Технологическая схема производства шлакощелочных

вяжущих веществ:

1-склад шлаков и добавок;

2-сушильный барабан;

3- вальцы;

4,5-pасходные бункера;

6-бункер щелочного компонента;

7-8-дозаторы вальцы;

9-сушильный барабан;

10-щелочной компонент;

11-шаровая мельница;

12-склад вяжущего

Известно, что прочность бетона на портландцементе является функцией активности цемента цементноводного отношения (Rб=f(Rц; ).

Прочность бетона на шлакощелочном вяжущем является функцией его активности, а также соотношения расхода вяжущего и водного раствора щелочного компонента.

ШB

Rб=f(Rшв;Р)

На основании опыта

Rшв

Rб=1…1,35

Шлак молотый − 550 кг

Песок − 500 кг

Щебень − 1150 кг

1.6.3 Получение шлакощелочных вяжущих

Их получают двумя способами:

-в различных измельчителях путем совместного помола шлака и щелочного компонента

-шлак измельчают отдельно, а затем затворяют его раствором щелочного компонента.

Второй способ является основным. Измельчение осуществляют в шаровых или струйных мельницах, получая порошкообразный материал с удельной поверхностью не менее 3000 /г.

Шлак предварительно высушивают, например, в сушильных барабанах до остаточной влажности не более 1% (по массе). Температура газов на входе в барабан не менее 500 , а температура материала после помола − не более 100 . Допускается ввод инертных добавок, например кварцевого песка в количестве до 10%.

В процессе транспортирования, хранения, сушки и помола сырьевых компонентов и готового вяжущего не допускается попадание гипса, извести, портландцемента и других вяжущих.

1.6.4 Виды шлакощелочных цементов и их свойства

Шлакощелочные цементы имеют несколько разновидностей в зависимости от состава: бездобавочный цемент, цемент с добавками перлита, глинистых минералов (до 50%), пигментов (до 15%).

Марки шлакощелочных цементов: от М400 до М1000 (R_изг- 5,5; 6;6,5; 7; 7,5; 8; 8,5МПа).

Введение добавок позволяет заменить активность вяжущего.

При получении декоративных цементов используют не только пигменты, но и каолин, известняк и некоторые другие породы или минералы (долотит).

Основными особенностями свойств шлакощелочных вяжущих являются:

-повышенная активность.

-возможность регулирования изменением расхода и вида прочности щелочного компонента.

-укороченные сроки схватывания

1.6.5 Приготовление бетонной смеси

Оно может быть организованно:

-на центральном районном заводе

-на приобъектных бетонных заводах

-с помощью автобетоносмесителя загружаемого сухой бетонной смесью на центральных установках

-в отдельно стоящих бетоносмесителях для приготовления небольших порций бетонной смеси.

В первом случае необходимо учитывать, чтобы радиусы автомобильных перевозок были не больше допустимых (в зависимости от сроков схватывания).

Приготовление бетонной смеси лучше производить в бетономешалках принудительного действия. Пластичные бетонные смеси на крупных тяжелых заполнителях допускается перемешивать в бетоносмесителях гравитационного типа. Узел для приготовления раствора щелочного компонента имеет две емкости: в первой находится раствор повышенной концентрации, во второй рабочий - раствор. Они снабжены оборудованием для механического и пневматического перемешивания, а также паровыми регистрами для обеспечения температуры не ниже 60С (чтобы предотвратить кристаллизацию раствора).

1.6.6 Особенности технологии бетонных и ж/б изделий и конструкций из шлакощелочных бетонов

Очень важной особенностью технологии изделий из шлакощелочных бетонов является повышенное сцепление бетона с поверхностью формы или опалубки. Необходимо предварительно проверять применяемые смазки в лабораторных условиях.

Время от момента выгрузки бетонной смеси из смесителя до ее укладки не должно превышать 45 минут.

Толщина вибрируемого слоя не должна превышать 50 см, а время вибрирования смесей - 3 мин. Легкобетонные смеси необходимо уплотнять с пригрузом, создающим давление 0,003 ... 0,004MПа. Твердение шлакощелочных бетонов происходит в нормальных условиях при отрицательной и положительной температурах, а также в условиях тепловлажностной обработки при нормальном и повышенном давлении.

Режим тепловой обработки должен быть таким, чтобы обеспечить достижение бетоном не менее 70% прочности через сутки после окончания обработки, а для предварительно напряженных конструкций - не менее 80%.

Общая продолжительность режима тепловой обработки с момента окончания формования не должна превышать 15 часов.

Для тяжелых бетонов предварительная выдержка составляет 2…4ч., скорость подъема температуры 20 ... 25 /ч или время подъема температуры 3...4ч. Изотермическая выдержка при температуре 80 составляет 6...8ч. и остывания до 40 −1…2 ч.

Тепловлажностная обработка легких бетонов более короткая (1-2ч.; 4- 6ч).

Следует отметить, что технология изделий из шлакощелочных бетонов менее энергоемка по сравнению с обычными бетонами. Особенность твердения шлакощелочных бетонов - возрастание прочности в замороженном состоянии. Это объясняется более низкой температурой замерзания жидкой фазы бетонов, а также повышенной активностью шлакoщелочных цементов.

Имеется производственный опыт применения шлакощелочных бетонов при проведении работ в зимнее время. Так, при температуре минус 18 были заложены монолитные бетонные ленточные фундаменты и стены складских помещений. Прочность этих конструкций через 20 суток твердения при температуре от минус 18 до минус 22 составила 30% проектной. В дальнейшем прочность повысилась в два раза и составила 20-25 МПа (7 лет).

1.6.7 Свойства и области применения шлакощелочных бетонов

В зависимости от вида и качества заполнителей бетоны могут быть тяжелыми и легкими. Тяжелые бетоны обладают прочностью при естественном твердении от 30 до 100 МПа, при пропаривании вибрoуплотнительных бетонов от 40 до 120 МПа, а после автоклавной отработки – от 50 до 150 MПa. Предел прочности при растяжении составляет 1/10 ... 1/15 R_сж, а на изгиб - от 1/7…1/10 R_сж.

Шлакощелочные бетоны обладают высокой морозостойкостью (до 700 циклов и более) и водонепроницаемостью (до 2 МПа). Это объясняется тем, что их структура отличается наличием замкнутых пор округлой формы. Отмечается также повышенная антикоррозийная стойкость бетонов (в случае применения гранитного щебня и кварцевого песка).

Легкие шлакощелочные бетоны получают с применением керамзита, аглопорита, перлита, немолотого гранулированного шлака. Они при плотности от 300 до 1800 кг/ имеют прочность от 3 ... 4 до 50 ... 60 МПа.

Можно получить ячеистые и шлакощелочные бетоны с применением пенообразователей или газообразователей (0,02-0,03% от массы вяжущего).

Из шлакощелочных бетонов можно изготавливать:

-различные изделия и конструкции

-дорожные и тротуарные плиты

-фундаментные блоки

-пустотные и ребристые плиты с 1 до 12 м

-лестничные марши

-панели внутренних стен

-плиты сечением двойное

-объемные элементы

-облицовка оросительных каналов

-сваи

-тюбинги для метрополитена

-плиты покрытий

Шлакoщелочные бетоны применяют в Киеве, Симферополе, Липецке, Туле и других регионах.