Вяжущие на основе соединения щелочных металлов

В ПНИЛГ КИСИ на основе соединений щелочных металлов получены щелочные и щелочно-щелочно-земельные, моно- и полиминеральные, чистые и смешанные гидравлические цементы.

Щелочные цементы представлены системой окислов R₂O — R₂O₃ — SiO₂, а щелочно-щелочноземельные — R₂O — RO — R₂O₃ — SiO₂, где R₂O — щелочные окислы — Li₂O, Na₂O, K₂O, Cs₂O, Rb₂O; RO — щелочноземельные — MgO, CaO, SrO, BaO; R₂O₃ — амфотерные — Al₂O₃, Fe₂O₃ и т. п.

Чистые цементы — дисперсные вещества, получаемые путем тонкого помола стекол, спеков или продуктов обжига не до спекания, упомянутых окислов, взятых в соотношениях R₂O : R₂O₃ : SiO₂ = (1—1,5) : 1 : (2—4), a R₂O : RO : R₂O₃ : SiO₂ = 1 : (2—4) : 1 : (2—4).

Смешанные цементы — смеси соединений щелочных металлов, дающих щелочную реакцию с дисперсными веществами, получаемыми помолом стекол, спеков, продуктов обжига не до спекания или веществ природного происхождения, в которых соотношение между амфотерными окислами и кремнеземом находится в пределах R₂O₃ : SiO₂ = 1 : (2—4), а между щелочноземельными, амфотерными и кислыми (кремнеземом) — RО : R₂O₃ : SiO₂ = (2—8) : 1 : (2—6) [6—9, 13].

Процессы, сопровождающие их твердение, сложны и многогранны. Однако по своей сути они во многом подобны реакциям, происходящим при формовании структуры известных кальциевых вяжущих, что позволяет провести между ними определенную аналогию. Так, смесь гидроокиси натрия и калия с кремнеземом подобна известково-кремнеземистым вяжущим, так как процессы их твердения сходны. Так же, как и твердение извести, взаимодействие щелочных гидроокисей с кремнеземом идет в трех направлениях, гидроокись натрия вследствие удаления влаги кристаллизуется и связывает заполнитель кристаллогидратами, взаимодействуя с углекислотой воздуха по реакции: 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + Н₂O, связывает его щелочными карбонатами, гидратируя кремнезем по реакции: 2NaOH + nSiO₂ = Na₂O·nSiO₂·H₂O, образует связку в виде щелочных гидросиликатов.

Аналогами известково-пуццоланового, а также известково-шлакового цементов являются механические смеси едких щелочей с активными метастабильными алюмосиликатными системами. В первых исследованиях [6, 13] их вяжущие свойства изучались на шлакощелочных вяжущих — смесях едких щелочей с гранулированными шлаками, а также на смесях едких щелочей с различными аморфизованными веществами: цемянками, дегидратированными глинистыми минералами, топливными шлаками и пр. Полученные на основе таких смесей щелочные и щелочно-щелочноземельные гидравлические вяжущие обладали высокой активностью. Их прочность при сжатии находилась в пределах 500—1000 [8, 31, 40], а иногда превышала 1000 кгс/см.

В результате обжига при температуре 800—1200° С (не до спекания) смесей карбонаюв кальция и натрия с минералами глин получены гидравлические вяжущие состава R₂O·Al₂O₃·2SiO₂ и R₂O·2RO·Al₂O₃(2—4)SiO₂, аналогичные гидравлической извести и романцементу. Механическая прочность этих вяжущих, затворенных водой, в естественных условиях твердения сравнительно невысока — 200—350 кгс/см². Однако пропаривание и автоклавная обработка дают возможность повысить их прочности при сжатии до 500 кгс/см² и выше [13, 15].

В качестве аналога силикатной составляющей портландцемента C₂S и C₃S, содержание которой в нем превышает 70%, может быть принят (с определенной степенью приближения) силикат натрия — растворимое стекло.

Можно считать, что в этом случае едкая щелочь силиката натрия или калия действует на гранулированный шлак подобно извести, которая отщепляется в процессе гидратации минералов портландцементного клинкера. На растворимом стекле и гранулированных доменных шлаках получены шлакощелочные вяжущие марок 500—1200 и выше [6, 8, 46, 47], аналогичные шлакопортландцементу.

Щелочными аналогами портланд- и глиноземною цементов являются продукты спекания или плавления щелочных типа R₂O·Al₂O₃·(2—4)SiO₂ и щелочно-щелочноземельных типа R₂O·(2—4)RO·Al₂O₃·(2—4)SiO₂ [13] смесей алюмосиликатного состава, порошки которых так же, как и упомянутые цементы, твердеют при затворении водой в естественных условиях, в воде и в результате тепловлажностной обработки.

Таким образом, на основе соединений щелочных металлов можно получить аналоги известных кальциевых цементов. Определяющим условием проявления ими гидратационных вяжущих свойств является присутствие щелочных или щелочных и щелочноземельных окислов в составе веществ, которые способны создавать в водных растворах щелочную среду с достаточно высоким pH, обеспечивающим гидратацию силикатной, алюминатной и алюмосиликатной составляющих вяжущего вещества.