Шлакощелочной бетон
Шлакощелочной бетон
Для получения шлакощелочного бетона используется шлакощелочной цемент – гидравлическое вяжущее вещество, в котором алюмосиликатный компонент представлен гранулированными шлаками (ГОСТ 3476), а щелочной – соединениями щелочных металлов, получаемого путем совместного помола гранулированного шлака с соединениями щелочных металлов или затворения молотого гранулированного шлака растворами этих соединений. Шлакощелочные цементы подразделяются на щелочные – на основе бес кальциевых алюмосиликатных стекол (гранулированные шлаки теплоэлектростанций, никелевого производства и т.п.) и щелочно – щелочеземельные на основе кальциевых стекол (доменные гранулированные шлаки, электротермофосфорные шлаки и другие). В качестве щелочного компонента используются: едкие щелочи (ГОСТ 2263); кальцинированная сода (ГОСТ 10689); плав соды кальцинированной (ТУ 6-03-294-71); поташ (ГОСТ 10690); растворимые стекла с силикатным модулем до 2; соединения 4 группы - щелочные алюминаты; пыль электрофильтров клинкерообжигательных печей, содержащая до10% щелочных соединений.
Свойства шлакощелочных цементов
Нормальная густота 25…30%. Сроки схватывания – начало через 30…60 минут, конец - через 2…5 часов. Активность цемента с удельной поверхностью 3…3,5 тыс. см2/г в зависимости содержания щелочного компонента, его природы, вида шлака и условий твердения при испытании в тесте нормальной густоты изменяется от 50,0 до 160 МПа (табл. ).
Таблица:
Зависимость активности цементного теста
от длительности изотермического прогрева
и вида щелочного компонента.
Рекомендуемые материалы
| Состав цемента, %
| Предел прочности при сжатии, МПа, при изотермическом прогреве в течении, ч., и щелочном компоненте.
| ||||||
| 6 | 12 | 18 | |||||
| Шлак коммуна- рский | Горелая порода | Na2CO3 | NaOH | Na2CO3 | NaOH | Na2CO3 | NaOH |
| 100 85 80 75 |
- 15 20 25 |
67.0 92.5 120.0 70.0 |
63.0 94.0 102.0 66.0 |
77.5 98.0 124.0 78 |
76 108 120 68 |
125.6 138 148 110 | 110 124 150 101 |
Таблица:
Зависимость активности цемента
от расхода щелочного компонента
при твердении в естественных условиях.
| ШЛАК | Модуль основно- сти шлака, Мо | Вид щелочного компонента и его плотность | Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут. | |||
| 28 | 90 | 180 | 360 | |||
| днепропетровский | 1,1 | Na2O*SiO2 r=1,3 Na2O*SiO2 r=1,3 |
|
|
|
|
| череповецкий | 1,0 | Na2O*SiO2 r=1,2 r=1,3 Na2O*1,6SiO2 r=1,3 |
|
|
|
|
| нижнетагильский | 0,8 | Na2O*SiO2 r=1,2 r=1,3 |
|
|
|
|
Примечание: над чертой предел прочности образцов из теста нормальной густоты, под чертой – из раствора 1:3 по массе.
Таблица
Зависимость активности шлакощелочных
вяжущих от химического состава гранулированных шлаков
| Вид алюмосиликатной составляющей | Содержание оксидов, % | Предел прочности на сжатие, МПа, при использовании щелочного компонента | ||||||
| Na2CO3 | NaOH | Na2SiO3 | ||||||
| Шлаки: | CaO | Al2O3 | Нормальное твердение | Пропаривание | Нормальное твердение | Пропаривание | Нормальное твердение | Пропаривание |
| Днепропетровский | 46 | 7 | 53,4 | 58 | 45,5 | 49,6 | 118,5 | 121,6 |
| Нижнетагильский | 35 | 16 | 9,2 | 57,4 | 59,6 | 61 | 69,2 | 114,5 |
Таблица
Зависимость активности шлакощелочных
вяжущих от основности гранулированных шлаков
| Группа шлаков | Силикатный модуль стекла | Предел прочности при сжатии, МПа, образцов из теста нормальной частоты | |
| Нормального твердения | Пропаренных | ||
| Основные | 1,0 | 100…140 | 119…151 |
| 1,6 | 110…130 | 126…160 | |
| Кислые | 1,0 | 70…90 | 115…132 |
| 1,6 | 80…97 | 130…136 |
Гидратация шлакощелочных вяжущих
Отличие жидких щелочей, щелочных силикатов и алюминатов от кальциевых соединений является их большая растворимость. Поэтому состав веществ, которые участвуют в процессах конденсации в водостойкий камень вяжущих дисперсии отличается от состава веществ, обеспечивающих синтез водостойкого камня на основе кальциев вяжущих.
В частности, гидрозоли кремневой кислоты имеют отрицательный заряд, а гидрозоли многовалентных металлов (железа, алюминия и хрома) – положительный. Поэтому они могут коагулировать кремнекислоты. Водостойкие продукты, возникающие в результате агрегирования гидрозолей, представляют их с коагулированные смеси-гели. Гелевидные частицы адсорбируют щелочные ионы, присутствие которых приводит к синтезу щелочных соединений, в том числе и кристаллической структуры. Особенно сильное коагулирующее действие на щелочной гидрозоль кремневой кислоты оказывают катионы алюминия. При смешении щелочных кремне и алюмозолей, коагулируют водостойкие щелочные гидраты. В результате легко синтезируются практически не растворимые новообразования в виде четырех компонентных систем R 2O *Al2O3*SiO2*H2O.
Гидроокиси щелочноземельных металлов (кальция, стронция, бария) так же коагулируют кремне – и алюмозоли, образуя гели, которые содержат в своем составе окислы щелочноземельных и щелочных металлов, что приводит к синтезу, пятикомпонентных систем R 2O*RO*Al2O3*SiO2*H2O.
Обе системы проявляют гидравлические вяжущие свойства.
Детальные исследования процессов гидратации кремневой кислоты и гидроокисей амфотерных металлов щелочными гидроокисями или их смесями с щелочноземельными, позволил восстановить, что при этом возникает целая гамма вяжущих систем, продукты, гидратации которых возникают в виде хорошо растворимых в воде 2O*Al2O3*H2O, R2O*SiO2*H2O, плохо растворимых R2O *RO *Al2O3*H2O, R2O*RO*SiO2*H2O, малорастворимых R 2O*RO*Al2O3*SiO2*H2O и практически не растворимых R2O*Al2O3* SiO2*H2O щелочных гидратов, а так же в виде малорастворимых щелочноземельных низко основных гидросиликатов RO*SiO2*H2O, а иногда и практически нерастворимых гидроалюмосиликатов RO*Al2O3* SiO2*H2O,
- где R2O – это Zi2O, Na2O, KaO, Rb2O, Cs2O;
RO - это CaO, SrO, BaO.
Гидратация обязательное, но не достаточное условие проявления смесями, содержащими соединения щелочных металлов, гидравлических вяжущих свойств. Вторым условием, определяющим эти свойства, является присутствие в составе продуктов гидратации катионов амфотерных металлов, способных связывать щелочной гидрозоль кремневой кислоты, возникающий в процессе гидратации.
Когда в результате гидратации возникает избыточный щелочной гидрозоль амфотерного металла, что для формирования водостойких новообразований необходимы коагулянты, обладающие кислотными свойствами типа гидрозоля кремневой кислоты. Вяжущие на основе соединений щелочных металлов должны содержать на ряду с щелочными окислами и окисы, обладающие амфотерными и кислыми свойствами. В щелочно-щелочноземельных вяжущих наряду с перечисленными окислами содержатся щелочноземельные окислы, силикаты или алюминаты, которых образуют с щелочными алюмосиликатами твердые кристаллические растворы. К щелочноземельным гидравлическим вяжущим, таких требований не представляется. Достаточная для практических целей водостойкость искусственного камня на их основе обеспечивается уже в случае синтеза трехкомпонентных гидратных систем, типа гидросиликатов или гидроалюминатов.
В качестве заполнителей в шлакощелочных бетонах могут применяться как обычные традиционные заполнители (см. гл. ), так и дисперсные – мелкие пески, супеси, легкие суглинки. При этом такие бетоны на дисперсных заполнителях не уступают бетонам на портландцементе по прочности, водопроницаемости, морозостойкости, и другим показателям (табл. ).
Таблица:
Прочность шлакощелочных бетонов в зависимости от гранулометрического состава заполнителей.
| Состав бетонной смеси, % | Амплитуда колебаний, мм, при частоте вибрирования 3000 мин-1 | Средняя плотность бетона, кг/м3 | Прочность на сжатие, МПа. | |||
| Молотый Днепро- дзержин- ский шлак | Песок фракупи | Лесс Фракупи 0,15…0,005 мм. | 15% раствор Na2CO3 | |||
| 25 | 75 | - | 9 | 0,25 0,35 0,57 | 2300 2310 2210 | 66,4 67,7 51,2 |
| 25 | 56,3 | 18,7 | 10,5 | 0,25 0,35 0,57 | 2300 2260 2200 | 71,2 79 55 |
| 25 | 37,5 | 37,5 | 13 | 0,25 0,35 0,57 | 2260 2200 2200 | 65 61,5 47,1 |
| 25 | - | 75 | 16 | 0,25 0,35 0,57 | 2240 2060 2060 | 53,7 45,0 38,1 |
На прочность бетона влияют природа щелочного компонента, расход и основности шлака, содержание шлака, содержание глины, воды (табл. ).
Таблица:
Зависимость прочности шлакощелочного бетона от влажности бетонной смеси.
| Условия твердения бетона | Прочность при сжатии, МПа, при влажности бетонной смеси,% | |||
| 8 | 10 | 12 | 14 | |
| Пропаривание при атмосферном давлении | 52 | 68 | 40,7 | 35 |
| Запаривание в автоклаве | 75 | 75 | 43,7 | 31,2 |
Таблица:
Зависимость прочности шлакощелочного бетона от природы щелочного компонента.
Раствор состава 1:3 по массе с Мкр=0,9.
| Шлак | Вид и прочность затворителя, г/см3 | Влажность смеси, % | Прочность при сжатии, МПа |
| Череповецкий | Na2O * 1,5SiO2
| 8 9 10 11 | 110 106 104 99 |
| Череповецкий | Na2CO3
| 8 9 10 11 | 26 28 36 42,5 |
| Криворожский | Na2CO3
| 10 11 | 50 56 |
Таблица:
Зависимость прочности бетона от расхода шлака и содержания глины в вяжущем.
| Состав бетонной смеси, %. | Влажность смеси при затворении Na2SO3
% | Прочность при сжатии после пропаривания, МПа. | |||
| Шлак | Шлак+5% глины | Шлак+15% глины | Песок, Мкр=0,9 | ||
| 25 - - - - - - | - 15 20 25 - - - | - - - - 15 20 25 | 75 85 80 75 85 80 75 | 10 9 9 10,5 9 10 11,5 | 86 69,5 88 89 62,5 77,5 87,6 |
2/см3,Таблица:
Зависимость прочности шлакощелочного бетона на гранитном щебне от вида шлака и природы щелочного компонента. Состав смеси: 1:1,7:3,3=Ц: П.: Щ (по массе).
| Шлакощелочной цемент | В/Ц | Прочность при сжатии, МПа, после пропаривания | Морозостой- кость циклов | |
| Шлак | Вид щелочного компонента | |||
| Нижнетагильский | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca (OH) 2 | 036 039 0,39 0,38 | 71 36 46 30 | 1000 945 945 750 |
| Нижнетагильский титанистый | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca (OH) 2 | 0,37 0,38 0,38 0,38 | 69 30 36,5 29 | 1000 945 945 750 |
| Коммунарский | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca (OH) 2 | 0,37 0,38 0,38 0,38 | 97 50 56 30,5 | 1000 945 945 750 |
Подбор состава шлакощелочных бетонов.
Сначала подбирается состав шлакощелочного цемента с требуемыми характеристиками с использованием приведенных в пособии материалов и в соответствии с [ ].
Шлакощелочной цемент должен иметь удельную поверхность 3…3,5 тыс.2/г. Для ускорения помола в массу можно вводить активные добавки - эффузивные горные породы, известняки, горелые породы (не более 25% от массы шлака). Марки цемента от 300 до 1000.
Далее подбирается состав бетона с учетом данных настоящего пособия (табл. ) и в соответствии с [ ]. Прежде всего, устанавливается зависимость бетона от соотношения “шлак: затворитель определенной концентрации – 10,15,20%”.
Для этого рекомендуется использовать составы бетонных смесей, приведенные в таблице.
Таблица:
Расход материалов на один замес бетонной смеси.
| Расход материалов на один замес | Расходы растворов щелочей, л. | ||||
| Шлак молотый, кг. | Крупный сухой заполнитель, кг. | Мелкий сухой заполнитель, кг. | Вода, л. | Сода,
| Поташ,
|
| 5,9 3,6 2,7 2,3 2,0 | 7,0 8,3 8,5 9,0 8,5 | 4,7 5,9 6,7 7,3 7,4 | 1,77 1,44 1,35 1,38 1,37 | 1,81 1,46 1,38 1,41 1,4 | 1,84 1,5 Рекомендуем посмотреть лекцию "15.1 Февральская революция". 1,4 1,44 1,43 |
2/см3Общий порядок подбора состава смеси изложен в ГОСТ 27006 (см. гл. ).
Свойства шлакощелочного бетона.
Прочность на сжатие 20…100 МПа, на растяжении –2…6 МПа, марки по водонепроницаемости W4…W20. шлакощелочной бетон имеет хорошее сцепление с арматурой и защищает ее от коррозии. Он обладает повышенной водо и коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью, а поэтому его следует использовать в дорожном и ирригационном строительстве, при изготовлении труб, лотков и других конструкций.
