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.


Не получили широкого применения и пробужденные бетоны, разработанные Г. Н. Сиверцевым [58], в которых гранулированные шлаки активизировались смесью извести с едкими щелочами или растворимым стеклом. По его мнению, шлаки активизируются только известью или портландцементом, ее отщепляющим. Однако для уменьшения их расхода допустимо введение в шихту наряду с ними небольших количеств едких щелочей или щелочных силикатов.

Как подтвердила практика, активность этих вяжущих оказалась невысокой.


Обобщая изложенное, можно заключить, что композиционное построение таких вяжущих систем основывалось на традиционных принципах, которые не позволяли рассматривать едкие щелочи как самостоятельный компонент гидравлических вяжущих в силу их очень высокой, по сравнению с окисью кальция, растворимостью. Поэтому попытки, направленные на получение шлаковых композиций, включающих соединения щелочных металлов, сводились к активизации шлаков слабыми растворами соединений щелочных металлов в сочетании с известью или цементом; при этом использовались те же заполнители, что и для бетонов на кальциевых цементах.

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.