Основные характеристики компонентов шлакощелочных бетонов

Шлакощелочной бетон — искусственный камень, образующийся при твердении смеси шлакощелочного цемента, заполнителей и воды.

В качестве заполнителей в таких бетонах могут использоваться как обычные традиционные — щебень и песок, так и дисперсные — мелкие пески, супеси, легкие суглинки.

Производство изделий из шлакощелочных бетонов на крупном заполнителе практически ничем не отличается от производства портландцементных бетонов на аналогичных заполнителях, в связи с чем этим бетонам в данной работе будет уделено меньше внимания.

Особый же интерес представляют бетоны на дисперсных заполнителях [10, 13, 15]. Это связано с тем, что конструктивные бетоны на основе дисперсных грунтов и портландцемента или других вяжущих на основе кальция получить не удается.

Для изготовления конструктивных бетонов на портландцементе необходимы заполнители с небольшой удельной поверхностью — щебень, гравий и крупные пески, а для песчаных бетонов — крупный песок.

Удельная поверхность заполнителей в бетоне на крупном заполнителе равняется 3—4, на песчаном — 20—40, а цемента — 3000—4000 см²/г. Таким образом, в бетоне на крупном заполнителе соотношение между удельной поверхностью вяжущего и заполнителя составляет приблизительно 1:1000, а в цементно-песчаном 1:100. Удельная поверхность песков изменяется от 20 до 120, пылеватых лессовидных частиц — от 4000 до 5000, а глинистых — от 15 000 000 до 1 500 000 000 см²/г.

Следовательно, удельная поверхность большинства грунтов значительно превышает удельную поверхность вяжущего — портландцемента. Новообразования же, возникающие в результате гидратации цементных минералов, в том числе и гидроокись кальция, практически не вступают в химическое взаимодействие с наиболее дисперсными глинистыми частицами грунтов. Кальциевыми вяжущими такие грунты можно только стабилизировать. Это подтверждается многочисленными исследованиями. Так, по данным В. М. Безрука [1], цементогрунты или грунтобетоны как на основе гумусовых, глинистых и пылеватых грунтов, так и их смесей с песками различной крупности даже при значительном расходе цемента (до 25%) имеют невысокие показатели механической прочности (35—180 кгс/см²), которая снижается на 30—60% при замачивании образцов водой.

Данные, полученные М. Г. Мазо и др., также показали, что предел прочности при сжатии грунто-материалов на основе супесей, суглинков и глин, стабилизированных смесью извести со шлаком, не превышает 100 кгс/см² и значительно уменьшается в водонасыщенном состоянии. Таким образом, материалы на основе дисперсных грунтов, цемента, извести и шлака нельзя отнести к классу конструктивных бетонов.

На шлакощелочных вяжущих можно получить конструктивные бетоны гидратационного твердения на основе дисперсных грунтов, в том числе и содержащих минералы глин. Это объясняется тем, что, как показано выше, гидроокиси щелочных металлов, возникающие в процессе гидратации шлакощелочных цементов, способны вступать в химическое взаимодействие с минералами глин с образованием нерастворимых щелочных гидроалюмосиликатов — аналогов цеолитов и слюд, обладающих вяжущими свойствами. Поэтому продукты взаимодействия глинистых частиц с едкими щелочами являются как бы дополнительным вяжущим. Они, наряду с продуктами гидратации шлакощелочного вяжущего, частично цементируют песчаные и полностью пылеватые частицы заполнителя, поверхность которых покрывают, повышая тем самым марку шлакощелочного бетона (рис. 14) и уплотняя его структуру. Едкая щелочь, кроме взаимодействия с глинистыми частицами, химически активизирует поверхность песчаных и пылеватых частиц, что позволяет использовать в виде заполнителей более мелкодисперсные, чем в бетонах на клинкерных вяжущих, заполнители. В результате шлакощелочной бетон на дисперсных заполнителях представляет собой искусственный камень, каркас которого состоит из частиц песчаных фракций, подобно щебню в обычном бетоне, а мелким заполнителем служат пылеватые и наиболее мелкодисперсные песчаные частицы [13, 15].

Содержащиеся в вяжущем шлаковые стекла и минералы глин начинают взаимодействовать с едкими щелочами одновременно. Однако стекловидные силикаты интенсивней гидратируются щелочами, вследствие чего из продуктов их гидратации в щелочной среде формируются щелочные гелевидные и кристаллические новообразования. Глинистые же частицы менее интенсивно взаимодействуют со щелочами, поэтому процесс их гидратации протекает в более длительные сроки. Это приводит к тому, что оставшаяся в свободном состоянии избыточная щелочь входит в состав новообразований, возникающих на основе глинистых минералов. Кроме того, она реагирует с алевритовыми и песчаными частицами заполнителя по поверхности, активизируя ее.