Шлакощелочной бетон

Шлакощелочной бетон (ШЩБ) – строительный материал, при изготовлении которого в качестве вяжущего вещества используется смесь молотых шлаков (металлургических или топливных отходов) с щелочными растворами. В качестве заполнителей, так же как и в традиционных бетонах, применяют щебень и песок. Этот стройматериал начал использоваться во второй половине прошлого века. Его отличительные особенности – повышенные прочность, надежность и долговечность.

Состав шлакощелочных бетонов

В состав ШЩБ входят шлакощелочное вяжущее (15-30%), состоящее из шлака и щелочного активатора твердения, заполнители (до 85%) и добавки. ШЩВ, в отличие от обычного портландцемента, относятся к бесклинкерным вяжущим. Клинкером называют продукт, получаемый высокотемпературным обжигом с последующим измельчением. При производстве ШЩВ высокотемпературная обработка не применяется – два компонента (шлак и щелочь) просто смешиваются друг с другом и вступают в химреакцию с образованием прочного искусственного камня.

Шлаки

Шлаки – отходы производства, образующиеся в результате выплавки металлов и сплавов (металлургические), а также при сжигании твердого топлива (топливные). Шлаки сначала измельчаются до гранул диаметром 2-8 мм. Затем они перемалываются в мелкий порошок с размером частиц до 0,08 мм. В молотые шлаки добавляют летучую золу, образующуюся в результате сгорания угля.

Требования к химическому составу шлаков, используемых при производстве шлакощелочных бетонов, регламентирует ГОСТ 3476-2019. Стандарт ограничивает содержание вредных примесей, к которым относятся оксиды марганца, титана, магния, хлор. Шлаки могут использоваться как добавки к обычному цементу. В таком случае вяжущее называют шлакопортландцементом.

При производстве растворов на базе гранулированных шлаков востребованы отходы теплоэнергетической, металлургической и горнодобывающей индустрии, применение которых обеспечивает следующие преимущества:

• замена дорогостоящего цемента на более дешевые компоненты;
• польза для окружающей среды – шлак не пополняет мусорные полигоны, а используется повторно.

Активаторы твердения

Эти составы выполняют функции затворителя. В обычном бетоне эту роль играет вода. Активаторы твердения – это водные растворы с концентрацией 18-30% следующих веществ:

• кальцинированной соды Na₂CO₃;
• гидроксида натрия NaOH;
• карбонатов и гидроксидов прочих щелочных металлов.

Для этой цели также востребовано жидкое стекло – водный раствор силикатов калия и натрия. Активаторы твердения обеспечивают вязкость, достаточную для получения нормативных прочностных характеристик бетона после твердения смеси.

Заполнители

При производстве шлакощелочных бетонов используются заполнители:

• Крупные. В тяжелых бетонах их функции выполняет щебень, полученный дроблением плотных горных пород. В бетонных смесях с небольшой плотностью востребованы: керамзитовые гранулы, шлаковая пемза, вспученный перлит, аглопорит. Фракции – 5-40 мм. Крупный заполнитель влияет на прочностные характеристики материала.
• Мелкие. Мелким заполнителем может служить строительный песок, отвечающий требованиям ГОСТа 8736-2014, с модулем крупности 1,0-2,0 мм: карьерный сеяный или мытый, речной, промытый от илистых и глинистых включений. Эту функцию может выполнять отсев различных пород и других материалов. Мелкие заполнители располагаются между крупными зернами и, тем самым, повышают плотность, водонепроницаемость и морозостойкость искусственного камня.

Химические добавки

Дополнительные присадки используются для улучшения качеств пластичной смеси или затвердевшего бетонного элемента:

• Фторид натрия NaF. Ускоряет процесс твердения бетонной смеси и, тем самым, сокращает время строительного процесса. Повышает плотность и прочность затвердевшего бетона.
• Метилсиликонат натрия (ГКЖ-11К). Выполняет функции гидрофобизатора и замедлителя твердения, что позволяет перевозить пластичный продукт на дальние дистанции с сохранением рабочих характеристик.

Разновидность шлакощелочных бетонов – фибробазальтовый

ШЩБ, содержащий базальтовую фибру, относится к самоуплотняющимся материалам. Каменная фибра обеспечивает объемное армирование. Фибробазальтовый бетон был разработан военными инженерами. Чаще всего он используется при строительстве дорог.

Для этого материала характерны:

• высокая прочность, дорожное полотно может выдерживать нагрузку на ось – до 10 т;
• марка морозостойкости – от F300;
• высокая коррозионная стойкость, благодаря щелочным добавкам;
• меньшая стоимость, по сравнению с асфальтом и асфальтобетоном.

Свойства шлакощелочного бетона

При выборе подходящего материала учитывают его основные характеристики, такие как:

• Плотность, с которой связаны прочность и теплоизоляционные свойства шлакощелочного бетона. Тяжелые и плотные ШЩБ используются в качестве конструкционных материалов. Легкие пористые смеси востребованы в качестве теплоизоляционных составов, прочность которых не играет существенной роли.
• Прочность. Ее характеризует класс, обозначаемый буквой В и числом, указывающим максимально допустимую нагрузку в МПа.
• Теплопроводность. Чем этот показатель ниже, тем лучше материал удерживает тепло.
• Водонепроницаемость. Эта характеристика обозначается буквой W и числом. Нормальной считается марка W ШЩБ с водонепроницаемостью W10 и выше относятся к особо водостойким и могут использоваться при строительстве гидротехнических сооружений.

При заказе пластичной смеси также указывают такую характеристику как подвижность. По подвижности материалы разделяют на: подвижные, полужесткие, жесткие. Время схватывания при необходимости регулируется с помощью введения специальных добавок.

Преимущества применения шлакощелочных бетонов

ШЩБ, изготовленный на базе гранулированного шлака, отличается прекрасными характеристиками:

• Высокая прочность на сжатие. Некоторые виды этого материала имеют самый высокий класс прочности, предусмотренный в нормативах, – В120, что позволяет применять такой бетон при сооружении зданий с запланированными высокими нагрузками.
• Жаростойкость. Если традиционный цементный бетон, при производстве которого не использовались специальные добавки, сохраняет рабочие характеристики примерно до +300 ̊C, то обычные шлакощелочные бетоны могут выдерживать температуры до +1000…+1500 ̊C.
• Невысокие энергозатраты при производстве стройматериала. Это связано с тем, что сырьевые компоненты не подвергаются высокотемпературной обработке.
• Высокая водонепроницаемость. Плотный шлакощелочной бетон часто используется при строительстве гидротехнических сооружений.
• Морозостойкость. Этот показатель может достигать уникальной величины – F1300, что позволяет использовать материал при строительстве объектов в регионах с частыми знакопеременными температурами.
• Высокие тепло- и звукоизоляционные характеристики, особенно при применении пористых заполнителей.
• Химическая стойкость. Шлакощелочные бетоны устойчивы к воздействию сульфатных и магнезиальных растворов, кислых сред, противогололедных реагентов, соленой воды.
• Возможность вести бетонирование при минусовых температурах – до -15 ̊C.
• Экологичность. Производство ШЩБ гораздо чище в плане выброса в атмосферу вредных веществ, по сравнению с изготовление классического цемента. К тому же использование шлаков решает проблему их утилизации.
• Долговечность изделий и конструкций, изготовленных из шлакощелочных бетонов.

Одно из преимуществ шлакощелочного бетона – сниженные требования к чистоте заполнителей, содержание примесей может составлять:

• глинистых включений – до 5%;
• пылевидных частиц – до 20%.

В цементных бетонах предъявляются более жесткие требования к количеству примесей.

Несмотря на прекрасные рабочие характеристики, шлакощелочной бетон имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают его повсеместное распространение:

• Невысокая предсказуемость состава. Этот минус связан с применением шлаков, которые не производятся по четко разработанной рецептуре.
• Возможная токсичность компонентов шлака, требующая тщательной проверки каждой партии сырья. В некоторых случаях существует вероятность повышенного радиационного фона.
• Невозможность приготовления пластичной смеси непосредственно на строительной площадке. Такой материал необходимо заказывать на профильном заводе.

Производственная технология шлакощелочного бетона

Производство шлакощелочных бетонов осуществляется следующими этапами:

1. Определение химического состава шлаков, от которого зависит дозировка щелочных компонентов и необходимых добавок.
2. Приготовление раствора щелочного активатора. Могут использоваться один или несколько затворителей. В последнем случае растворы готовятся в разных емкостях.
3. Дозировка в определенных пропорциях, а затем перемешивание сухих компонентов шлакощелочных бетонов: перемолотого шлака, щебня, песка.
4. В бетоносмеситель заливают растворы активаторов и перемешивают пластичный материал до однородного состояния.

Рабочие предприятий, специализирующихся на производстве шлакощелочных бетонов, работают в спецодежде, носят перчатки, респираторы и защитные очки. В цехах обустроена эффективная система приточно-вытяжной вентиляции.

Изготовленная в заводских условиях бетонная смесь может доставляться на строительную площадку или объект дорожного строительства специализированным транспортом. Удобный вариант – подача раствора на место монолитного бетонирования с помощью бетононасоса. Но чаще ШЩБ используют для изготовления штучных ЖБИ. Это могут быть:

• стеновые панели или блоки;
• блоки для обустройства фундамента;
• плиты перекрытий;
• бордюры;
• ЖБ-плиты для автодорожного строительства.

Процесс производства ЖБИ из шлакощелочных бетонов

При производстве ЖБИ изделия могут подвергаться пропариванию. Тепловлажностная обработка ускоряет схватывание и упрочнение смеси, повышает прочность готовой продукции. Этапы производственного процесса:

1. Формы для изделий покрывают смазкой.
2. Заливают подготовленную смесь в форму, уплотняют вибрационным воздействием.
3. ЖБИ устанавливают в камеру с комнатной температурой, в которой выдерживают в течение времени, установленного в проекте. Обычно – до 10 часов.
4. Камеру заполняют паром, температуру пространства постепенно повышают. Резкие температурные скачки отрицательно влияют на качество ЖБИ.
5. При максимально установленной температуре продукцию выдерживают в течение нескольких часов.
6. Температуру постепенно снижают до нормальной. Изделия, извлеченные из форм, отправляются на склад или сразу отправляются к покупателю.

Ученые и инженеры-строители постоянно работают над совершенствованием производственной технологии и повышением прогнозируемости состава и свойств шлакощелочных бетонов, что позволит значительно расширить области их применения.