Низкощелочные минеральношлаковые композиционные строительные материалы и, в частности, геошлаковые композиты должны получить в будущем значительное развитие. Это обусловлено следующими факторами:

– минимальным расходом щелочных активизаторов, не превышающим 2-3% от массы композиционного минеральношлакового вяжущего, что существенно повышает его экономическую эффективность;

– значительным потреблением дисперсных горных пород – глины, известняка, базальта, гранита, диорита, сиенита, габбро, кремнистых пород, многие из которых активизируются щелочными активизаторами шлака;

– улучшением отдельных физико-технических и функциональных свойств в сравнении с традиционными «чистыми» шлакощелочными вяжущими и бетонами с высокими дозировками щелочных активизаторов;

– возможностью снижения содержания шлака до 10-20% при получении геошлаковых композитов при оптимальном сочетании химико-минералогического состава шлака, горных пород и корректирующей добавки;

– возможностью проведения в объеме композиционных шлаковых материалов реакций каустификации соды [1], которая в будущем, по нашему мнению, должна получить статус вяжущего (при утилизации углекислотных выбросов) для отверждения геополимеров.

Изучены минерально-шлаковые вяжущие, такие как глиношлаковые, карбонатношлаковые, доломитошлаковые, гравелитошлаковые, глауконитошлаковые, в которых доля наполнителей варьировалась от 40 до 80% при содержании активизаторов щелочи или соды, не превышающем 2-3% от массы композиционного шлакового вяжущего [2, 3, 4].

Разработанные нами низкощелочные композиционные минеральношлаковые и геошлаковые вяжущие существенно расширили сырьевую базу для их производства и позволили сократить расходы шлака в 1,5-2,0 раза и щелочных активизаторов NaOH, KOH, Na₂CO₃, K₂CO₃ в 2-4 раза по сравнению с шлакощелочными вяжущими.

При этом прочностные показатели этих вяжущих, прессованных и виброуплотненных материалов на их основе практически не ухудшились по сравнению со шлакощелочными с высокими расходами активизаторов. Например, глиношлаковые вяжущие являются высокотрещиностойкими, обладают «безопасной» усадкой, выдерживают без образования трещин 25-30 циклов попеременного увлажнения-высушивания при температуре 105ºС с повышением прочности и модуля упругости [5] . Шлакощелочные вяжущие и цементы разрушаются через 2-5 циклов попеременного высушивания-увлажнения.

Рассматривался фактор наполнения не только с позиции экономии шлака как вяжущего с высокой реакционной активностью в смеси со многими породами, но и как вариант существенного повышения доли щелочных активизаторов, приходящихся на шлаковое вяжущее в минеральношлаковой системе при общем низком их количестве в последней. Так, при 70%-ном содержании наполнителя и 30%-ном содержании шлака и дозировке активизатора от массы смеси 3% на долю шлака придется 10%. Если наполнитель не реакционно активен по отношению к активизатору и не реагирует с ним с образованием новой фазы, то весь он будет связываться со шлаком с образованием продуктов гидратации шлака, которые цементируют частицы наполнителя вследствие экспериментально подтвержденного ионно-диффузионного механизма твердения. При соотношении «шлак/наполнитель» 1/4 и 2%-ном содержании активизатора на долю шлака приходится 10% активизатора. В этом случае частицы шлака расположены локально в дисперсной матрице из частиц минеральной породы. Шлак в этом случае справедливо назвать реакционно-активным наполнителем в нетвердеющей основной минеральной матрице.

Диапазон горных пород для создания минерально-шлаковых вяжущих и материалов на их основе чрезвычайно широк и разнообразен по химико-минералогической природе. В этот диапазон входят породы осадочного происхождения: карбонаты, глины, суглинки, силициты, гравелиты и др.; вулканического происхождения: граниты, сиениты, диориты, базальты, габбро и др.

Учитывая широкое разнообразие щелочных шлаковых вяжущих, как чистых, так и композиционных, Калашниковым В.И. предложена классификация [6], в основу которой положены критерии количества шлака, минеральной добавки и щелочного активизатора в составе композиционных вяжущих.

Предлагаемая классификация является наиболее компактной и емкой, учитывающая все известные на данный момент виды шлаковых вяжущих, активируемых щелочами и щелочными солями. При этом «родное» название шлакощелочного вяжущего по В.Д. Глуховскому сохраняется.

Для оценки кинетики формирования прочности глиношлакового вяжущего были проведены следующие эксперименты. В качестве основных сырьевых материалов использовались молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического завода с удельной поверхностью S_уд = 370 м²/кг в комплексе с Южно-Башмаковской глиной с S_уд = 550 м²/кг при различном соотношении “шлак:глина” – «60:40», «70:30» и «80:20» по массе.

Водо-твердое отношение составляло 0,14. В качестве активизатора твердения использовали щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего. Для предварительного анализа были отформованы образцы методом прессования при Р = 25 МПа. Образцы подвергались тепло-влажностной обработке по режиму: 3 часа – подъем температуры, 5 часов – изотермическая выдержка при температуре 80ºС, и естественное остывание. Часть образцов хранилась в нормально-влажностных условиях при относительной влажности воздуха более 90% в течение 28 суток, затем подвергалась испытанию на прочность при сжатии. Далее образцы подвергались водонасыщению в течение 10 суток. Периодически производился контроль водопоглощения по массе. Результаты исследований представлены в таблице.

Таблица.  Физико-технические свойства глиношлакового вяжущего на основе Южно-Башмаковской глины

Как видно из таблицы, при соотношении компонентов глиношлакового вяжущего «шлак:глина» – «60:40», была получена самая высокая прочность на осевое сжатие (состав 2 таблица): после тепловлажностной обработки она составила 33,4 МПа, через 28 суток нормально-влажностного твердения – 30,3 МПа. При соотношении «шлак:глина» «80:20» и «70:30» прочность на осевое сжатие после тепловлажностной обработки составила 17,2 и 13,3 МПа, соответственно. Последующее высушивание образцов после ТВО способствует повышению прочности на сжатие для состава 2 в 1,12 раза – 37,4 МПа. Водопоглощение по массе образцов глиношлакового вяжущего при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «60:40» через 10 суток составила 7,32 %.

Кроме того, следует отметить, что глиношлаковые материалы имеют достаточно высокие прочностные показатели, при этом предел прочности на сжатие, средняя плотность образцов, а также формовочная влажность возрастают с уменьшением формовочной влажности смеси до оптимального значения.

Введение извести в качестве активизатора твердения при снижении количества щелочи приводит к замедлению набора прочности в нормальных условиях, но в условиях тепловлажностной обработки кинетика роста прочности аналогична образцам, активируемым при повышенном содержании щелочи (состав 4 таблица).

Добавка к глиношлаковому вяжущему наполнителя – тонкомолотого известняка – вызывает увеличение прочности в нормативные сроки на 20% и прочности после ТВО – на 11%.

Коэффициент размягчения, находящийся в пределах от 0,5 до 0,76, ниже, чем у бетонов на портландцементном вяжущем. Однако процесс твердения образцов в воде практически идентичен твердению в нормально-влажностных условиях; при этом не наблюдается размучивание образцов в воде после суточной воздушно-влажной выдержки, не происходит снижение прочности, а в составах с Са(ОН)₂ она даже выше на 15% по сравнению с прочностью образцов нормального твердения.

Все это позволяет отнести глиношлаковое вяжущее при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «1,5:1» к классу гидравлических вяжущих веществ с учетом медленного, но стабильного длительного гидратационного твердения во времени.

В процессе попеременного увлажнения-высушивания поведение глиношлаковых образцов в течение 20-25 циклов отличается от классического – плавного падения динамического модуля упругости, вызываемого расшатыванием структуры, характерного для цементных бетонов. Образующиеся от усадки трещины не только залечиваются с полным восстановлением исходной стабильной структуры по значениям модуля упругости, но эта структура постоянно упрочняется за счет гидратации клинкерного фонда в процессе «отдыха» при водонасыщении образцов или других, пока не изученных, процессов в полиструктуре.

В процессе испытаний наблюдалась постоянная гидратация глиношлакового вяжущего. Микроскопическая оценка с помощью отсчётного микроскопа МПБ-2 с ценой деления 50 мкм, не позволило обнаружить наличие волосяных трещин на поверхности глиношлаковых образцов, что характеризует их как высокотрещиностойкие композиционные материалы.

Таким образом, установлена хорошая совместимость минералов глины с компонентами шлака в щелочной среде с формированием нормативной прочности до 33 МПа. Получены водостойкие, морозостойкие, малоусадочные и трещиностойкие глиношлаковые материалы, которые можно использовать для производства эффективной декоративной фасадной плитки, стеновых материалов и черепицы.