Вяжущие на основе шлаков и соединений щелочных металлов

Из щелочных соединений в строительстве наиболее широко используются силикатные соли или растворимые стекла, которые относят к воздушным вяжущим. Бетоны на их основе твердеют в воздушно-сухих условиях и обладают малой водо- и воздухостойкостью. В связи с этим на основе растворимых стекол изготавливаются только специальные бетоны, например, кислотоупорные, которые г процессе эксплуатации не имеют контакта с водой. А. И. Жилин [50] впервые обратил внимание на то, что смеси растворимого стекла с граншлаком после сушки или твердения в воздушно-сухих условиях приобретают водостойкость. Однако воздушные вяжущие такого плана и бетоны на их основе не нашли применения в строительстве вследствие их низкой прочности и того, что в современном производстве предпочтение отдается гидравлическим вяжущим.

В КИСИ в 1957 г. получены щелочные гидравлические вяжущие [4, 5], открывшие пути создания гидравлических шлакощелочных цементов, отличающихся от известных композиций на основе шлаков тем, что они изготавливаются только на низкомодульных (высокоосновных) растворимых стеклах [6, 12]. Такие вяжущие не только приобретают водостойкость при хранении в воздушно-сухих, но и во влажных условиях, а также твердеют в воде при пропаривании и автоклавировании. Кроме того, наряду с гидравличностью, они способны вступать в химическое взаимодействие с минералами глин и другими алюмосиликатами, присутствующими в заполнителях, что значительно расширяет сырьевую базу бетонов на основе таких цементов.

Установлено, что активность и гидравличность полученных в КИСИ вяжущих увеличивается по мере уменьшения силикатного модуля стекла и наиболее выраженно проявляется при затворении их едкими щелочами. Это послужило предпосылкой к разработке, кроме вяжущих на растворимом стекле, также и шлакощелочных цементов на высококонцентрированных растворах едких щелочей или несиликатных солей щелочных металлов, в частности карбонатов натрия и калия, фтористого натрия и других щелочных солей, дающих щелочную реакцию [6, 9, 10, 13].

Попытки получения бетонов на гранулированных шлаках, активизированных слабыми растворами гидроокиси натрия или смесью извести с натриевыми солями, впервые были предприняты Г. Кюлем [61] и повторены А О. Пурдоном [62]. Затворяя смеси щебня, песка и шлака:

• 1) 5,5—7,5%-ным раствором NaOH или вводя комбинированные активизаторы составов;
• 2) Ca(OH)₂ + Na₂CO₃;
• 3) Са(ОН)₂ + Na₂SO₄;
• 4) Са(ОН)₂ + 2NaCl;
• 5) Са(ОН)₂ + 2NaNO₃;
• 6) Ca(OH)₂ + Na₂SO₃.

А. О. Пурдон получил бетон, характеризующийся приведенной в табл. 3 прочностью. При этом он установил, что вся введенная в шлак щелочь оставалась в свободном состоянии. На этом основании А. О. Пурдон заключил, что она выполняет главным образом роль катализатора и рекомендовал активизировать шлаки щелочными растворами низкой концентрации или смесью извести с солями натрия. Показатели прочности вяжущих на шлаках, активизированных слабыми растворами щелочей, были близки к показателям прочности портландцемента. При этом в виде заполнителей применяли щебень и песок. В силу указанного, бетоны на таких вяжущих не имели экономических преимуществ и не получили распространения.

Принципиальным отличием разработанных и исследованных в пнилг киси шлакощелочных вяжущих от выше рассмотренных и, в частности, описанных А. О. Пурдоном, является то, что в них используются концентрированные (20—50%) растворы едких щелочей или несиликатных и низкомодульных силикатных солей щелочных металлов. При этом известь и цемент в их состав не вводят. Это позволяет получать шлакощелочные вяжущие марок 400—1000 и бетоны на крупных и дисперсных заполнителях по обычной технологии марок 600—1800 [6, 8, 46, 47], что превышает не только прочность бетонов, полученных А. О. Пурдоном, но и бетонов на кальциевых цементах.

Шлакощелочные вяжущие на основе солей щелочных металлов, кроме высоких концентраций используемых растворов, отличаются от вяжущих, исследованных А. О. Пурдоном и Г. Н. Сиверцевым, тем, что, в результате отсутствия в них свободной извести, со шлаком взаимодействует сама соль. В последнем случае степень гидратации шлака значительно возрастает вследствие катионного обмена между растворенной солью и окисью кальция, содержащиеся в шлаке, что приводит к повышению активности вяжущего (рис. 2). Повышенное содержание в шлакощелочном вяжущем щелочей обусловливает то, что они из катализатора превращаются в компонент вяжущего, в результате чего в составе гидратных новообразований наряду с гидросиликатами кальция в значительных количествах кристаллизуются щелочные гидроалюмосиликаты, участвующие в синтезе прочности бетона.