Конгломератные материалы на основе смешанных вяжущих веществ

 

Для получения на основе смешанных вяжущих веществ (см. 9.1.5) конгломератных материалов требуются дополнительные компоненты, которые в отмеренных количествах способны образо­вать смесь, а после отвердевания — и монолит, в котором заполня­ющая часть сцементирована непрерывной пространственной сеткой цементного камня при минимальной толщине его пленочного рас­пределения. Такой выбор структурных параметров обеспечивает сформировавшемуся конгломерату оптимальную структуру с комп­лексом экстремальных показателей свойств. Эта закономерная взаи­мосвязь оптимальной структуры с наиболее благоприятными пока­зателями (экстремальными) качества отражает, как известно, закон створа.

Кроме смешанного вяжущего вещества в качестве компонентов выступают, во-первых, жидкая среда и, по аналогии с большинст­вом других неорганических вяжущих веществ, обычно к ней отно­сится вода; во-вторых, крупно- и мелкозернистые фракции искусст­венного или природного заполнителей. В состав могут быть введены и некоторые специальные добавки, повышающие качест­венные показатели смеси или готового продукта. Выбор заполните­лей и других компонентов обусловлен разновидностью ИСК и кон­струкции в целом, технологическими параметрами и режимами, принятыми или принимаемыми для заводской практики. Проектирование оптимального состава при рациональной структуре конг­ломерата осуществляется общим методом, принятым в теории ИСК, или иным научно обоснованным методом.

Наиболее распространенной продукцией, изготовляемой на основе смешанных вяжущих веществ, по-прежнему остаются бето­ны. Для этих конгломератов используются те же компоненты, что и для цементных бетонов. Поэтому следует остановиться на специфике взаимодействия соответствующих смешанных вяжущих ве­ществ с водой. Особый интерес представляют гипсоцементно-пуццолановые вяжущие вещества (ГЦПВ), поскольку, как отмечалось выше, в них содержится до 75% (по массе) строительного полуво­дного гипса, а смешанное вяжущее, тем не менее, становится гидрав­лическим. В состоянии теста оно способно отвердевать во влажной и даже в водной среде, причем быстро схватывается и набирает на­чальную прочность в ранние сроки подобно гипсу. Однако в отли­чие от гипса имеет повышенную прочность, улучшенные деформа-тивные характеристики, увеличенную водо- и морозостойкость. В сравнении с портландцементом ГЦПВ более сульфатостойкое и менее чувствительное к воздействию некоторых органических кис­лот, особенно ГЦП-камень на основе α-полугидрата — приобретает большую плотность, прочность и улучшенные показатели водо-, морозо- и атмосферостойкости.

При формировании ГЦП-камня и конгломератов существенную роль играет разновидность портландцемента как компонента ГЦПВ, его химико-минералогический состав. При взаимодействии с водой портландцемент выделяет, как известно, свободный гидрат оксида кальция. Он вступает в химический контакт с кислой актив­ной минеральной добавкой типа природного пуццоланизирующего вещества. Образуются гидросиликаты кальция, а с алюминатной ча­стью вяжущего — гидросульфоалюминаты кальция. Поэтому для ГЦПВ из цементных вяжущих предпочтительнее использовать неко­торые пуццолановые и шлаковые портландцементы, а также низко-алюминатные цементы. Из активных минеральных добавок пред­почтение отдают веществам осадочного происхождения, например высокоактивным трепелам и некоторым видам опок, а также кис­лым шлакам, керамзитовой пыли.

Активные минеральные добавки снижают концентрацию гидро-рксида кальция в водном растворе до пределов, при которых гидро-сульфоалюминат кальция возникает преимущественно в водной сре­де, а не на поверхности цементных частиц, что способствует упрочнению структуры цементного камня. Они, во-первых, химиче­ски связывают сульфаты, алюминаты и ферриты кальция в комплек­сные соединения, менее растворимые в воде по сравнению с исход­ными веществами, что способствует гидравлическому твердению гипсоцементных композиций и повышению прочности и водостой­кости ГЦП-камня и бетона.

Если в качестве минеральных добавок приняты гидравлические доменные шлаки, то целесообразно изготовлять и применять в бето­нах гипсошлакоцементное вяжущее вещество (ГШЦВ) с содержани­ем примерно 65—40% полуводного гипса или ангидрита, 30—50% кислого доменного шлака и 5—8% портландцемента. Последний иг­рает в этой смеси роль щелочного активизатора шлаков. При повышенной активности доменных шлаков рекомендуется также добавлять 10—15% пуццолановых добавок для снижения концентрации гидрооксида кальция до безопасных пределов с получением ГШЦПВ.

Формирование ГШЦ-камня и ГПЩП-камня начинается и про­текает сразу же после затворения вяжущего вещества водой. Проис­ходит гидратация полуводного гипса с образованием кристаллов двуводного гипса. Одновременно протекают реакции взаимодейст­вия портландцементного клинкера с водой. Возникающие новооб­разования вступают в контакт с гипсом, образуя кристаллы эттрингита. Игольчатые кристаллы эттрингита как бы армируют структуру камня, способствуют дополнительному уплотнению и упрочнению формирующегося каркаса из двуводного гипса в виде кристаллического сростка. Следует, однако, отметить, что щелоч­ность среды в этот период понижена за счет взаимодействий свобод­ного гидрооксида кальция с активным минеральным веществом в виде пуццолановых (в ГЦПВ) или шлаковых (в ГШЦПВ) добавок. Поэтому снижается устойчивость кристаллической фазы высокоос­новного гидроалюмината кальция, частично разлагается эттрингит с переходом в более стабильную фазу 3СаО∙Аl₂O₃∙CaSCU∙12H₂О, возникает гелеобразная (субмикрокристаллическая) масса продук­тов гидратации силиката кальция, содержащих низкоосновные си­ликаты кальция типа CSH(B). Субмикроскопическая масса образует пространственную сетку экранирующих пленок вокруг кристаллов двуводного гипса и кристаллических новообразований, исходных частиц портландцемента и других дисперсных компонентов, цемен­тируя их в общий микродисперсный конгломерат ГЦП-камень или ГШЦП-камень.

В композициях, содержащих портландцемент, активные минера­льные добавки, сульфат кальция и воду, наряду с гидросульфоалю-минатом кальция и низкоосновными силикатами могут образовать­ся также гидрогранаты состава 3СаО∙Аl₂O₃∙SiO₂∙(6—2x)Н₂О, как это было установлено Н.А. Тороповым и др.; гидросйликоалюминаты кальция состава 3СаО∙Аl₂O₃∙СаSiО₃∙(12—13)H₂О или 3СаО∙AlО₃∙3СаSiO3∙31H₂О, как это было отмечено в исследова­ниях Ляфюма, Флинта, Уэльса и др.; гидроалюмосиликат кальция (гидрогеленит) состава 2СаО∙Аl₂O₃∙SiO₂∙ n H₂О. Подобного рода соединения при их возникновении в гипсоцементных системах мо­гут обусловливать упрочнение структуры затвердевшего камня, по­вышение расчетной активности и, следовательно, прочности бето­нов на его основе.

ГЦПВ обладает коротким сроком схватывания (4—7 мин), что связано с необходимостью введения замедлителей процессов структурообразования. Выбор вида и количества ингибитора оказывает влияние на свойства камня. Сильнодействующими замедлителями схватывания являются коллоидные растворы органических веществ (казеина, кератина и др.), которые, адсорбируясь на кристаллах гип­са, препятствуют их контакту с водой. Добавление, например, клее-известкового или каратинового замедлителя в малых количествах (0,2—0,4%) отдаляет начало схватывания гипсового теста на 30—35% без снижения прочности камня. Замедлители оказывают также пластифицирующее действие, что позволяет снижать водопотребность ГЦП—вяжущего вещества. Эти малые добавки, адсор­бируясь на гранях растущих кристаллов, способствуют формирова­нию мелкокристаллической структуры, что также обусловливает увеличение прочности камня, хотя при введении их сверх оптимума вызывает образование прослоек, препятствующих срастанию крис­таллов, и понижение прочности.

В целях повышения адгезионной способности и долговечности иногда в ГЦПВ добавляют в количестве 5—15% (по массе) поливинилацетат в форме водной дисперсии или дивинилстирол — латекс СКС-65 ГП и другие полимеры.

Бетоны на основе ГЦПВ изготовляют тяжелые (обычные), мел­козернистые, легкие, поризованные и др. Для тех же целей на основе гипса предложены и другие разновидности смешанных вяжущих ве­ществ, которые также имеют повышенные показатели водостойкости, прочности, морозостойкости по сравнению с чистым гипсом, например комплексное вяжущее из гипса, негашеной извести и тон­комолотого песка или комплексное вяжущее из гипса и нефелиново­го шлама и др.

Ниже приводится пример производства поризованного керамзи-тобетона на основе ГЦПВ[50] с получением из него крупных стеновых блоков для жилого дома. Все исходные материалы были в основном местные (Узбекистан) — строительный гипс марки Г-5; портландце­мент марки 400 (с добавлением при помоле клинкера необожженно­го гипса в количестве 3%); кислая гидравлическая добавка-опока с активностью по поглощению оксида кальция 264 мг/л; замедлитель сроков схватывания — клееизвестковый и кератиновый; поризующее вещество — смолосапониновый пенообразователь. Установлен оптимальный состав ГЦПВ: 67% гипса, 22% портландцемента и 11% опоки (по массе). Количество замедлителя: клееизвесткового — 0,2%, каратинового — 0,4% от массы вяжущего вещества. Свойства полученного ГЦП-вяжущего вещества: активность 12,5—18,0 МПа, начало схватывания 4 мин, конец схватывания — 7 мин. После до­бавления замедлителя срок схватывания удлиняется до 25—35 мин. Повышенная прочность ГЦПВ позволила поризовать камень. За­полнитель — керамзитовый марки 500. Из его фракций была подо­брана плотная смесь с частицами размером от 2,5 до 15 мм. Прочность керамзитовой смеси составила 8,2 МПа по испытанию в цилиндре, средняя плотность 515 кг/м³, морозостойкость — до 20 циклов при потере по массе 6,8%, что удовлетворяет требованиям стандарта. Общим методом ИСК были запроектированы оптималь­ные составы бетона марок М-35 и М-75 (табл. 12.1) на основе ГЦПВ.Принятая последовательность технологических операций на заводе: дозирование сухих компонентов и перемешивание их в ме­шалке в течение 30 с; добавление воды, в количество которой входи­ла и та ее часть, которая поглощалась керамзитовой смесью (15% массы сухого керамзита); добавление замедлителя и пенообразова­теля; дополнительное перемешивание смеси в течение 30 с; расклад­ка смеси по формам, виброуплотнение в течение 2 мин при частот­ности 3000 кол/мин, амплитуде 0,5 мм и с пригрузом массой 50 г/см². Режим твердения — естественный, воздушный, распалубка — через 1 ч с момента заполнения формы смесью. Исследования получаемо­го керамзитопенобетона подтвердили возможность использования его в качестве стенового материала с маркой на морозостойкость 25 (для резкоконтинентального климата) и с усадочными деформация­ми 0,40—0,65 мм/м у непропаренного бетона марки М-75.

 

Таблица 12.1. Оптимальные составы бетона марок М-35 и М-75

Состав смеси	Марки бетона
М-35	М-75
ГЦПВ, %
Керамзит, %
Водо-вяжущее отношение В/Вгпи	0,3	0,3
Поризатор ССП (в % от сух.см.)	0,5	0,3

 

Шлакощелочные бетоны и конструкции изготовляют на основе щелочных (натриево-калиевых) и щелочно-щелочноземельных (натриево-калиево-кальциевых) гидравлических вяжущих веществ[51]. В первых — соединения кальция отсутствуют, во вторые — вводят­ся в составе низкоосновных кальциевых соединений, а высокооснов­ные кальциевые минералы типа С₃S, С₃А, C₄AF или вовсе отсутству­ют, или их вводят в составе портландцемента. Прочность шлакощелочных вяжущих веществ (по раствору состава 1:3) нахо­дится в пределах 40—120 МПа, а у высокопрочных достигает 150 МПа, при нормальной густоте цементного теста — до 180 МПа. Максимальная прочность портландцемента (по раствору 1:3) со­ставляет, как известно, до 60 МПа. Конгломераты типа бетонов на основе шлакощелочного цемента пока еще мало изучены, но им, по-видимому, в будущем предстоит занять достойное место среди неорганических и органических (типа арболитов) ИСК.

Марки тяжелых шлакощелочных бетонов с применением круп­ных заполнителей изменяются от 20 до 140 МПа, при мелкозерни­стых (грунтосиликатных) заполнителях — от 20 до 160 МПа, марки легких бетонов — 8—70, ячеистых 5—10 МПа. Предел прочности при растяжении составляет 1/10—1/15 R_сж, на изгиб — 1/7—1/10 R_сж. Бе­тоны обладают высокой морозостойкостью (до 700 циклов) и водо­непроницаемостью (до 2 МПа), так как в структуре — замкнутые поры. Конструкции из шлакощелочного бетона имеют длительный период упрочнения в гидротехнических сооружениях и животновод­ческих фермах, отличаются водонепроницаемостью, морозостойко­стью, коррозиестойкостью. Исследования В.Д. Глуховского и его научной школы показали, что продуктами структурообразования в этих бетонах являются аналоги природных щелочных цеолитов (во­дных алюмосиликатов натрия, реже — калия) и анальдима, кото­рые, как оказалось, весьма характерны и для новообразований в продуктах гидратации древних бетонов в пирамидах Египта (Хеоп­са и Хефрена).

Производство шлакощелочных бетонов практически адекватно производству обычных цементных бетонов. Повышенного внима­ния заслуживают шлакощелочные мелкозернистые бетоны, особен­но с применением тонкодисперсных заполнителей с возможным присутствием в них глинистых частиц. Последние в природном и обожженном состояниях, а также смеси аморфного кремнезема и глинозема взаимодействуют с едкими щелочами и щелочными сили­катами с образованием водостойких гидроалюмосиликатов, прояв-. ляющих вяжущие свойства. Поэтому в шлакощелочных цементах и заполнителях допускается наличие обоснованного количества гли­нистых частиц с пользой для качества бетонов, а также с расшире­нием возможности применения «некондиционных» заполнителей и среди них — гранитного отсева дробленого песчаника, известняка, горелых пород шахтных терриконов, отвального шлака, стекловид­ных алюмосиликатов в виде шлаков и др. Однако следует учиты­вать, что характер и ширина контактной зоны шлакоцементного камня и заполнителей зависят от состояния поверхности заполните­ля. Так, микротвердость (в МПа) на границе с гранитом выше, чем с песчаником, далее по нисходящей следуют железистые алевролиты и аргиллиты, отвальный шлак, известняк, керамзит и т. д. Наиболь­шая ширина контактной зоны (60—80 мкм) имеется при применении граншлака и аглопорита, наименьшая (10—15 мкм) — при исполь­зовании известняка. Но во всех случаях, вследствие специфических свойств шлакощелочных цементов и структурообразования в при­сутствии щелочи, эта зона составляет прочную оболочку низкоос­новных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов вокруг зерен заполнителя, повышает сопротивляемость бетона внешним механи­ческим и химическим воздействиям, а также поддерживает однород­ность напряжений и деформаций в структурных элементах конгло мерата, предохраняет недостаточно стойкие заполнители от влагообменных процессов. В связи с этим улучшаются физико-меха­нические свойства и долговечность шлакощелочных цементного камня и бетона.

Повышению прочности бетона благоприятствует: применение более крупного заполнителя (фракции 5—10 мм) при меньшем рас­ходе шлака и щелочного компонента, т. е. цементного камня, как непрерывной пространственной сетки матричного вещества; мини­мальной пустотности смеси заполнителей в уплотненном состоянии; оптимальной плотности раствора щелочного компонента (напри­мер, метасиликата натрия, кальцинированной соды и др.). Увеличе­нию сроков схватывания шлакощелочного цемента, а следователь­но, продолжительности выдержки бетонной смеси на его основе до формования способствует совместный помол шлака с кремнийорга-ническими и другими ПАВ.

Скорость нарастания прочности шлакощелочных бетонов после их формования зависит от плотности раствора и вида щелочного компонента. Так, например, мелкозернистые бетоны с применением раствора метасиликата натрия плотностью 1300 кг/м³ относятся к быстротвердеющим, если использовать менее плотные растворы, скорость роста прочности значительно замедляется. Она становится совсем малой у бетонов, в которых шлакощелочное вяжущее веще­ство формируется на основе кислого молотого шлака и раствора соды Na₂CO₃, что отражает важную роль состава вяжущего вещест­ва. Но на скорость роста прочности и, следовательно, структурообразования влияют также и заполнители. Так, например, при приме­нении заполнителей из гранита и песчаника продолжительность периода, в который наблюдается незначительный прирост прочнос­ти бетона, весьма мала (менее 3 ч), тогда как скорость нарастания прочности бетона наибольшая. При использовании заполнителей из глинистых сланцев и аргиллитов наблюдается существенное (12 ч и более) увеличение продолжительности периода незначительного прироста прочности, тогда как темп нарастания прочности ниже, чем у бетонов с заполнителем из глинистых сланцев. В этих явлени­ях вновь проявляется роль поверхности заполнителя и новообразо­ваний контактной зоны. Естественно, что свое влияние на эти про­цессы оказывают тепловые режимы, принимаемые при обработке твердеющих бетонов. Однако следует отметить, что мелкозернистые шлакощелочные бетоны твердеют в воде, при пропаривании и в ес­тественных условиях (воздушно-сухих и влажных). При автоклав­ной обработке достигается более высокий эффект повышения их прочности.

Эта разновидность бетонов обладает комплексом и других по­лезных свойств: малым тепловыделением при твердении, высокой биостойкостью, абразивной устойчивостью и износостойкостью, повышенной жаростойкостью и др. В исследованиях контактной зоны отмечается максимум микротвердости, повышенное содержа­ние водонерастворимых новообразований, а структура контактного слоя приближена к оптимальной.

Шлакощелочные бетоны имеют реальную перспективу широко­го применения в строительстве вследствие не только своего высоко­го качества и пониженной стоимости, но и благодаря обширной сырьевой базе шлаков и щелочного компонента. Шлаки гранулиро­ванные могут быть доменными, электротермофосфорными и других металлургических производств. Для получения щелочного компо­нента — соединений щелочных металлов — могут использоваться технические продукты: сода кальцинированная синтетическая, по­таш, фтористый натрий; растворимые щелочные силикаты (жидкие стекла с силикатным модулем от 1 до 2,5); природная сода; побоч­ные продукты производства; капррлактам с получением побочного продукта в виде поплава соды кальцинированной; клинкерообжигательных печей с выдачей пыли электрофильтров, в которой обычно содержится свыше 10% карбонатов натрия и калия; содового с выдачей побочного продукта в виде плавленой смеси щелочей (NaOH + КОН); двуокиси титана и глинозема с выдачей побочного продукта метасиликата натрия и др. Расчеты технико-экономиче­ской эффективности шлакощелочных цементов и конгломератов на их основе, проводившиеся различными учеными и специалиста­ми-практиками, показали безусловную перспективность интенсив­ного применения их в строительстве, в первую очередь сельскохо­зяйственном, дорожном, гидромелиоративном и др. Вместе с тем при решении проблемы массового применения этой разновидности минеральных вяжущих веществ смешанного типа предстоит даль­нейшее совершенствование их свойств, в частности, полное предот­вращение высолообразований на поверхности бетонов, улучшение деформативных характеристик бетона и др.