Цемент вот уже почти 200 лет считается одним из самых востребованных материалов на любой стройке. И слово «бетон» у большинства людей прочно ассоциируется именно с камнем на основе цемента. Но перечень сырья для изготовления бетона на самом деле очень обширный. В том числе материал можно делать из металлургических отходов – шлаков.
Нужно отметить, что в строительной среде употребляются два очень похожих термина: шлакобетон и шлакощелочной бетон.
Они обозначают разные материалы:
- Шлакобетон – это материал, в котором роль вяжущего вещества выполняет цемент, а заполнителя – шлак
- Шлакощелочной бетон (ШЩБ) – это бетон, в котором цемент заменен смесью шлака и щелочных растворов, а в качестве заполнителей используются обычные щебень и песок
В этой статье мы рассмотрим именно вторую разновидность. Мы расскажем о том, что входит в состав ШЩБ и как он производится. Также мы рассмотрим особенности этого материала.
Состав шлакощелочного бетона
Любой бетон – это затвердевшая смесь некоторых компонентов. И в зависимости от того, какое сырье используют для ее приготовления, материалы можно делить на разные виды.
Так, в состав шлакощелочной бетонной смеси входят:
- Шлакощелочное вяжущее – ШЩВ (15-30%)
- Заполнители (70-85%)
- Добавки
Давайте остановимся на каждом компоненте подробнее.
Шлакощелочное вяжущее (ШЩВ)
В научной литературе оно еще часто обозначается термином «геополимер».
В отличие от традиционного цемента, это вещество относится к классу бесклинкерных вяжущих. Что это значит?
Чтобы получить цемент, нужно обжечь смесь известняка и глины при очень высокой температуре – около 1450°С. В результате сырье оплавляется и образует гранулы – клинкер. Их перемалывают в муку и таким образом получают знакомый всем цементный порошок.
А вот шлакощелочное вяжущее не требует такой экстремальной тепловой обработки. Для его получения достаточно смешать между собой два компонента. Реагируя друг с другом, они превращаются в прочный монолитный камень.
Для изготовления ШЩВ нужны:
- Шлаки
- Щелочной активатор твердения
Давайте разберемся, что же это за материалы.
Шлаки
Это отходы производства, которые образуются при сжигании твердого топлива или в результате выплавки стали и чугуна.
Соответственно, они могут быть:
- Топливными
- Металлургическими
Изначально они имеют вид мелких гранул – размером около 2-8 мм. Внешне такой материал похож на крупный песок или песчано-гравийную смесь (ПГС). Для изготовления вяжущего вещества шлаки перемалывают в тонкий порошок, размеры частиц в котором не превышают 0,08 мм.
Иногда к перемолотым шлакам добавляют летучую золу (золу-унос), которая образуется в ходе сжигания угля и оседает на воздушных фильтрах. Ее частицы настолько мелкие, что никакая дополнительная обработка им уже не нужна.
Требования к качеству шлаков приведены ГОСТ 3476-2019. Большое внимание там уделяется их химическому составу. Ведь такие отходы часто содержат потенциально вредные примеси.
В частности, к ним относятся:
- Оксид магния
- Оксид марганца
- Оксид титана
- Ионы хлора
Их количество не должно превышать допустимые пределы.
Кстати говоря, иногда шлаки используют в качестве добавки к традиционному цементу. Такое вяжущее называется шлакопортландцементом. Оно стоит несколько дешевле обычного, а по качеству почти ему не уступает.
Активаторы твердения
Их еще называют затворителями – это те вещества, которые запускают процесс твердения вяжущего вещества. В цементобетоне, например, эту роль играет обычная вода, а в шлакощелочном бетоне – различные щелочи.
Из них чаще всего используются:
- Кальцинированная сода (Na2CO3)
- Гидроксид натрия (NaOH)
При необходимости их могут заменять карбонаты и гидроксиды других щелочных металлов (например, калия).
В состав бетонной смеси они вводятся в виде водных растворов с концентрацией от 18% до 30%.
Иногда для производства ШЩВ используют так называемое жидкое стекло. В продаже его еще можно встретить под названием «силикатный клей». Это водный раствор силикатов натрия (Na2SiO3) и калия (K2SiO3). Вяжущее на основе такого активатора получается настолько прочным, что даже обгоняет по этому показателю цемент.
Заполнители
На долю вяжущего вещества в бетоне обычно приходится около 10-15%. А вот основной его объем составляют заполнители – материалы, которые формируют жесткий каркас готовой конструкции.
В состав шлакощелочных бетонов входят:
- Крупные заполнители
Это сыпучие материалы с размером зерен от 5 до 40 мм: гравий и щебень плотных горных пород (гранита , диорита, серпентинита и прочих), а также пористые материалы: керамзит, шлаковая пемза, известняк-ракушечник, аглопорит, вспученный перлит и прочие. Именно они «отвечают» за прочность бетонного камня и его способность сопротивляться деформациям.
Одна из особенностей шлакощелочных бетонов – это пониженные требования к чистоте заполнителей.
В них допускается содержание:
- Глинистых частиц – до 5%
- Пылевидных частиц – до 20%
Сравните сами: в заполнителях для цементобетона эти показатели не должны превышать 10%. И то речь уже идет о материале довольно низкого качества.
Таким образом, в качестве заполнителей ШЩБ можно использовать:
- Лёссы
- Шлаки
За счет этого снижается себестоимость бетонов и изделий из них.
Добавки
Различные химические присадки используют для того, чтобы улучшить качество готовой конструкции или облегчить работу с бетонной смесью.
В рекомендациях по производству ШЩБ выделяются две добавки:
- Фторид натрия (NaF)
Его использование придает готовому бетону дополнительную плотность и прочность. Кроме того, фторид натрия ускоряет твердение смеси. За счет этого можно сократить время проведения работ. - Метилсиликонат натрия (добавка ГКЖ-11К)
В цементе это вещество выполняет роль гидрофобизатора – то есть делает его более водостойким. А в составе шлакощелочной бетонной смеси он еще и замедляет ее твердение. Это очень важно при перевозке материала на большие расстояния. Ведь если бетон начнет схватываться до того, как его доставят на стройку, то работать с ним будет невозможно.
Теперь вы знаете, какое сырье используют для изготовления ШЩБ. В следующем разделе мы подробнее поговорим о том, как выглядит этот процесс.
Производство шлакощелочного бетона и изделий из него
В производстве этого вида бетона есть своя специфика. Во многом она связана с тем, что в качестве сырья для смеси используются металлургические отходы.
Технология производства включает в себя такие шаги:
- Сначала шлаки отправляют на испытания в лабораторию и определяют их химический состав – от этого будет зависеть дозировка щелочи
- Все компоненты смеси отмеряют в соответствии с заранее подготовленной рецептурой
- Далее готовят раствор затворителя. Бывает так, что для изготовления вяжущего используют несколько разных щелочей; в таком случае их растворяют в отдельных емкостях
- Затем сухие компоненты (щебень, песок, перемолотый шлак) перемешивают до однородности
- После в бетономешалку заливают раствор щелочи и еще раз перемешивают все до однородного состояния
При работе с шлакощелочным материалом нужно соблюдать особые меры безопасности. Ведь щелочи – это едкие вещества, которые могут причинить серьезный вред здоровью при попадании на кожу, слизистые или в дыхательные пути. Поэтому рабочие в цехах обязательно носят плотные перчатки, респираторы и защитные очки.
Готовую бетонную смесь можно везти на стройку и заливать в опалубку прямо на месте проведения работ. Но на практике ее чаще используют для производства заводских изделий.
Из ШЩБ делают:
- Стеновые панели
- Конструкции гидротехнических сооружений
- Стеновые блоки
- Фундаментные блоки
- Панели перекрытий
- Бортовой камень
- Дорожные плиты
Такие изделия часто подвергают тепловлажностной обработке – пропариванию. Так они быстрее твердеют и получаются более прочными.
Выглядит это следующим образом:
- Формы для изготовления изделий смазывают стеарином или парафином
- Готовую смесь заливают в формы и уплотняют путем вибрации или обычной трамбовки
- Формы помещают в отдельную камеру и некоторое время выдерживают при нормальной температуре. Этот этап может занимать от 2-3 до 10 часов
- Затем камеру начинают заполнять паром, температуру которого постепенно поднимают. Резкий переход здесь не допустим, потому что он может повредить изделия
- Температуру доводят до максимального значения и выдерживают изделия в таком режиме еще несколько часов
- Наконец, температуру постепенно снижают до комнатной. Затем изделия достают из камеры, извлекают из форм и отправляют на склад или заказчику
В следующем разделе мы подробнее поговорим о достоинствах и недостатках описываемого материала.
Плюсы и минусы шлакощелочного бетона
Производство шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе сейчас считается перспективной областью разработок. Это обусловлено многими преимуществами материала перед традиционным цементом.
ШЩБ обладает такими плюсами:
- Высокой прочностью
Некоторые разновидности ШЩБ имеют класс прочности B120 – самый высокий из предусмотренных ГОСТом. И даже это еще не предел. Их можно использовать для возведения конструкций, подвергающихся очень высоким нагрузкам. - Жаростойкостью
Обычные шлакощелочные бетоны выдерживают температуры до +1000-1500°С. При этом цементобетон без специальных добавок начинает разрушаться уже при +250-300°C. - Пониженными энергозатратами
В отличие от цемента, для получения шлакощелочных вяжущих не нужно сжигать так много газа и других видов топлива. - Улучшенными звукопоглощением и теплоизоляционными свойствами
Особо этими характеристиками отличаются ячеистые ШЩБ. - Химической стойкостью
В отличие от цементобетона, ШЩБ не боится воздействия сульфатных и магнезиальных растворов, кислот, противогололедных реагентов и морской воды. - Твердением при отрицательных температурах
Шлакощелочное вяжущее набирает твердость даже при -15°С. - Высокой водонепроницаемостью
Плотный ШЩБ имеет самые высокие показатели по этому параметру. Из него можно спокойно делать конструкции гидротехнических сооружений и не бояться, что они разрушатся под действием воды. - Высокой морозостойкостью
Этот вид бетонов может выдерживать от 300 до 1300 циклов заморозки-оттаивания без потери прочности. Такой материал можно использовать в самых экстремальных условиях – например, на Крайнем Севере. - Низкой истираемостью
Она находится в пределах 0,21-0,47 г/см2. - Экологичностью
Цементные заводы выбрасывают в атмосферу огромное количество выхлопных газов. Производство ШЩБ в этом плане намного «чище». Кроме того, переработка шлаков позволяет решить проблему их утилизации.
Впрочем, тут у вас должен возникнуть закономерный вопрос. Если это такой замечательный материал, то почему же он не используется повсеместно? Дело в том, что у него есть и свои недостатки.
Среди минусов ШЩБ можно перечислить такие:
- Нестабильный состав вяжущего
Шлаки – это просто отходы производства. Никто не производит их по четкой и отработанной рецептуре – в отличие от того же цемента. - Возможная токсичность
Это также связано со спецификой получения шлаков. Не все они по умолчанию содержат вредные примеси, но такая опасность есть. А значит – каждую партию сырья приходится подвергать тщательной проверке. Кроме того, шлаки могут иметь повышенный радиационный фон. - Невозможность приготовления на стройке и в домашних условиях
Это важный пункт, ведь очень часто строители (в том числе непрофессиональные) замешивают бетонную смесь прямо на месте проведения работ.
Тем не менее, исследования в области шлакощелочных вяжущих не прекращаются. На территории бывшего СССР даже сложилась своя научная школа, последователи которой сфокусированы на этой проблеме. Можно предположить, что однажды ШЩБ все-таки потеснит традиционный цементобетон.
Полную версию данной статьи вы найдете на этой странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#бетон #шлакощелочной бетон #полезные советы #строительные советы #бетоны #виды бетона #строительные материалы #стройматериалы #ЩЩБ #классификация бетонов
