Бесцементные бетоны

1. Силикатные бетона

2. Гипсовые бетоны,

3. Бетоны на шлаковом и зольном вяжущем,

4. Шлако-щелочные бетоны,

5. Бетоны на магнезиальном вяжущем.

1. Силикатные бетоны – изготавливаются на основе силикатного (известково-кремнезёмистого) вяжущего автоклавного твердения. Идея синтеза гидросиликатов кальция (ГСК) при твердении известково-кремнезёмистого вяжущего высказана и реализована в 1880г Михаэлисом, который прессованную известково-кремнезёмистую смесь обработал при повышенной температуре и 100% влажности воздуха и впервые получил силикатный кирпич.

Для силикатного бетона используется известь не ниже 3 сорта, быстрогасящаяся без добавок или с добавками. Активность извести зависит от количества активных оксидов (СаО и MgO), размера кристаллов и содержания MgO. Кремнезёмистый компонент – кварцевый песов содержащий не менее 75% SiO₂, нежелательны примеси слюды, сульфатов, карбонатов, глины. При содержании слюды 2,5% по массе прочность при сжатии уменьшается на 30%, а при содержании 5% слюды – на 50%.

Известково-песчаное вяжущее (25-35% СаО и MgO) можно заменить известково-шлаковым или известково-зольным, при этом количество извести можно уменьшить в 2…3 раза без снижения прочности.

Твердение известково-кремнезёмистого вяжущего происходит в автоклавах при температуре 174,5-200 ^оС и избыточном давлении 0,9-1,6 МПа в среде насыщенного водяного пара, при этом растворяется известь и SiO₂, растворимость которого повышается с увеличением температуры и достигает максимального значения (0,1% по массе) при температуре 330 ^оС. В растворе СаО и SiO₂ взаимодействуют с образованием гидросиликатов:

(1,8-2,4)СаО.SiO₂(1-1,25)Н₂О – С₂SH(A) и (1,5-2,0)СаО.SiO₂(2-4)Н₂О – С₂SH₂.

С увеличением длительности тво концентрация извести в растворе уменьшается и формируются менее основные гидросиликаты: (0,8-1,0)СаО.SiO₂(0,5-2,0)Н₂О – СSH(В) и тоберморит 5СаО.6SiO₂5Н₂О – С₅S₆H₅. максимальная прочность при сжатии формируется фазой СSH(В), хотя есть данные, что СSH(В) и тоберморит С₅S₆H₅ ухудшают морозостойкость и повышают усадочные деформации.

Продолжительность тво способствует интенсивному образованию высокодисперсных ГСК клеящих прослоек на поверхности зёрен песка до определённого момента, дальнейшее увеличение продолжительности тво вызывает укрупнение ГСК, уменьшение площади контактов и снижение прочности.

Для силикатных бетонов используется две схемы производства: гидратная, когда известь кипелка гасится совместно с песком, а затем происходит формовка изделий, кипелочная – совместный помол извести и кремнезёмистого компонента, смешивание вяжущего с заполнителем и водой, гашение извести и нагрев смеси, формовка и ускоренное схватывание и твердение.

Прочность силикатного бетона изготовленного по кипелочной схеме определяется по формуле:

,

где S_мп – удельная поверхность молотого песка, м²/кг.

При изготовлении по гидратной схеме:

,

где Ц_н – расход силикатного вяжущего, кг на 1 м³ бетона.

Для лёгкого силикатного бетона прочность при сжатии 5–10 МПа, для тяжёлого до 80…100 МПа.

Факторы прочности силикатного бетона:

1. содержание силикатного вяжущего – максимальная прочность соответствует примерно 45…47% содержанию вяжущего от массы сухих компонентов, причём для крупного песка этот эффект более чётко вырожен,

2. способ производства – по кипелочному способу прочность силикатного бетона на 5…8 МПа выше, чем по гидратному,

3. максимальная прочность соответствует содержанию активной СаО 14…16% от силикатобетонной массы, при этом для крменезёмистого компонента из кварцевого песка она примерно в 2 раза выше, чем из полевого шпата; количество активного СаО регламентируется в зависимости от класса бетона по прочности при сжатии

4. содержание и дисперсность молотого песка в силикатном вяжущем; из-за участия песка в образовании гидросиликатов кальция расход извести в СБ примерно на 30% меньше, чем расход ПЦ для бетонов одной прочности. При Sуд песка 150м²/кг мах прочность СБ около 30 МПа достигается при его содержании около 15%, при Sуд песка 250м²/кг мах прочность СБ 55МПа при 25%, при Sуд песка 450м²/кг мах прочность СБ 65МПа при 27,5%.

Помимо указанных факторов на прочности влияют также величина В/В, расход воды, однородность смеси, степень её уплотнения, наличие добавок электролитов (Na₂SO₄, Na(OH), Na₂CO₃ 0,5…1,0%) и АМД способствует повышению прочности. Увеличивается прочность также при более тонком помоле вяжущего и с повышением параметров автоклавирования.

Модуль упругости силикатного бетона на 25…30% ниже, а ползучесть в 2,1 раза меньше, чем у равнопрочного цементного бетона. Прочность сцепления СБ с гладкой арматурой составляет 10…22% и с арматурой периодического профиля 20…35% от прочности при сжатии (у цементного бетона 23…28%). Цементный бетон имеет рН =12…13,5, а силикатный – 9,5…11, вследствие пониженной щёлочности силикатного бетона при его средней плотности менее 1800кг/м³ требуется нанесение защитного покрытия на арматурные изделия.

Водостойкость силикатного бетона характеризуется коэффициентом размягчения 0,8…0,9 и снижается с понижением его средней плотности. Морозостойкость силикатного бетона достигает марки F600, возрастает при использовании кипелочной схемы, введении АМД и воздухововлекающих добавок.

Силикальцит – разновидность СБ, предложена П.К.Хинтом (СССР), обеспечивается тонкий совместный помол И+П в дезинтеграторе (до 1500 об/мин), что позволяет сформировать минимальный по толщине слой извести на поверхности кварцевых частиц. Это обеспечивает высокую однородность, прочность до 100МПа и коррозионную стойкость материала.

По ГОСТ 25214-82:

· классы СБ по прочности при сжатии: В5, В7,5, В10, В12,5, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60.

· марки по морозостойкости F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600.

· марки по водонепроницаемости W2, W4, W6, W8, W10.

· марки по средней плотности D1000, D1100, D1200, D1300, D1400, D1500, D1600, D1700, 1800, D1900, D2000, D2100, D2200, D2300, D2400.

Применяется СБ для изготовления следующих изделий со 100% отпускной прочностью:

· Панелей многопустотных с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой,

· Сплошных панелей для жилых и общественных зданий,

· Панелей для внутренних несущих стен крупнопанельных зданий,

· Перемычек для кирпичных зданий,

· Вентиляционных панелей и блокой,

· Блоков стен подвалов,

· Колонн для зданий,

· Ригелей для зданий.

2.Гипсовые бетоны получают из смеси гипсового вяжущего, заполнителей и хим. добавок, затворённой водой. Используют пористые заполнители минеральные и органические, иногда вводят порообразующие добавки. Средняя плотность гипсобетона 1000…1600 кг/м³, для пено или газогипсовых изделий средняя плотность 700…80 кг/м³, по прочности при сжатии классы от В1,5 до В3,5, прочность зависит от активности вяжущего, водогипсового отношения и прочности заполнителей. Применяются для изготовления внутренних стен и перегородок, гипсоволокнистых и гипсокартонных листов из-за низкой водостойкости гипсового камня (К_р = 0,3…0,45). На ГЦПВ изготавливают наружные стеновые панели, сантехкабины, крупноразмерные блоки, безнапорные трубы.

Наиболее широко применяются бетоны на (строительный гипс). Достоинства гипсовых бетонов:

· Быстрое схватывание и твердение – распалубочная прочность обеспечивается за 20…40 минут, за 1…2 часа набирается до 40% конечной прочности, которая набирается за 5…7 суток воздушного комнатного твердения или за 6…10 часов сушки.

· Высокая пористость гипсового камня (55…65%) обеспечивает тепло и звукоизоляционные свойства изделий, а также высокую огнестойкость.

· Твердение гипсового вяжущего происходит с выделением тепла, что способствует высушиванию изделий.

· При переходе полуводного гипса в двуводный в процессе твердения вяжущего увеличивается примерно на 1% объём изделий, поэтому не образуются усадочные трещины.

· Лёгкость обработки.

Недостатки:

· Низкая водостойкость, которая повышается применением ГЦПВ или ГЦШВ,

· Ползучесть и пластичность гипсового камня при увлажнении, этим пользуются для изгиба ГВЛ и ГКЛ,

· Быстрые сроки схватывания из-за образования двуводных микрокристалликов – центров кристаллизации, можно замедлить грубым помолом, введением ЛСТ и др., нагревом до 70…90 ^оС, при этом повышается растворимость двугидрата и кристаллизация не происходит, при снижении температуры бетон твердеет без снижения прочности.

· Наличие примеси растворимого ангидрита в вяжущем приводит к увеличению температуры и объёма в начальный период твердения, что ухудшает сцепление гипсового камня с заполнителем (особенно с гладкой поверхностью)и может вызвать отслоение или образование трещин в контактной зоне.

Заполнители чаще всего – пористые побочные продукты промыш-ленности неорганические и органические. Шлаки, содержавшие несгоревший уголь ускоряют схватывание, способствуют высолообразованию, снижают адгезионную прочность, отсев угля повышает прочность бетона на 15…25%. Наибольшую прочность сцепления дают заполнители кристаллографически близкие к гипсу (известняк, ангидрит), а также с шероховатой поверхностью (дроблёный песок).

Прочность гипсобетона при сжатии можно определить по формуле: ,

где R_в – активность вяжущего, МПа,

к - коэффициент, зависящий от вида заполнителей,

Г/В – отношение проектируемого бетона,

– характеристика тонкости помола вяжущего,

Г¹/В¹ – нормальная густота гипсового вяжущего.

Кривая R=f(В/Г) имеет нисходящую ветвь с понижением В/Г с повышенной пористостью из-за недоуплотнения и восходящую с понижением В/Г из-за меньшего количества воды затворения (меньший избыток воды сверх химически связанной, равной 0,186 г на 1г гипса) и понижающейся пористостью при качественном уплотнении бетонной смеси.

Величина R_сж образцов ГБ на ГЦПВ и ГШЦПВ подчиняется закону Боломея. Низкая прочность бетона на объясняется высокой водопотребностью вяжущего (50…70%) и степенью гидратации 30…40%, с увеличением В/Г растёт расход тепла на сушку изделий. Для литых ГБ смесей В/Г=0,55…0,75, расход гипса составляет 800…1000кг, жёсткие вибри-рованные смеси приготавливаются при В/Г 0,4…0,5 и расходе гипса 400…450кг. Снижения водопотребности смеси можно добиться введением ЛСТ (водоредуцирование составляет 10…15%), СП-1 (15...25%), гидрофобно-пластифицирующие добавки снижают водопотребность на 27…38%

Рост R_сж наиболее интенсивно происходит при 20^оС первые 1,5…2 часа – до 40%, за последующие 24 часа прочность возрастает до 60%. При сушке из раствора двугидрата кристаллизуется гипс, сращивающий ранее образовавшиеся кристаллы. Это продолжается до полного высушивания изделий.

На основе получаются изделия с прочностью 5…10МПа, на высокопрочном гипсе , ангидритовом цементе и эстрих-гипсе достигается прочность до 20 МПа, на ГЦПВ и ГЦШПВ со строительным гипсом прочность при сжатии составляет 7,5…20МПа, а с высокопрочным гипсом – 15…40МПа.

На прочность ГБ влияет:

· с увеличением крупности песка – рост прочности достигает 20…30%,

· замена гравия и песка на шероховатый заполнитель повышает прочность до 50%,

· при использовании пористых заполнителей получается быстротвердеющий бетон с =1200…1700 кг/м³, на вспученном перлите =400…650кг/м³, на органических заполнителях – 400…500кг/м³ при прочности 2,5…7,5 МПа.

Изделия из бетона на ангидритовом цементе и эстрих-гипсе характеризуются коэффициентом размягчения не более 0,5, на ГЦПВ и ГШЦПВ не менее 0,65, марки по морозостойкости бетона изделий на строительном гипсе F10…F15, на ГЦПВ и ГШЦПВ – F30…F45. Долговечность и стойкость изделий из ГБ повышается при снижении пористости и введении гидрофобизирующих добавок.

Ползучесть ГБ на гипсовых вяжущих увеличивается доже при незначительном росте влажности (0,5…1%), на ГЦПВ и ГШЦПВ ползучесть приближается к деформациям под действием длительного нагружения цементных бетонов.

Стальная арматура при изготовлении изделий из ГБ не применяется из-за различия КЛТР, высокой пористости и недлостаточной пассивирующей способности ГБ (рН =7…8). Армируют минеральными, полимерными, целлюлозными волокнами или деревянными рейками.

3.Шлаковые и зольные бетоны. Шлаки и золы наиболее распространённые отходы, образующиеся при повышенных температурах (1300…1700 ^оС). Применяются металлургические шлаки – доменные, сталеплавильные, ферросплавные и ваграночные. Наибольший выход доменных шлаков –0,6…0,7т на 1т чугуна, мартеновские – 0,2…0,3т, бессемеровские и томасовские 0,1…0,2т, шлектрошлаки – 0,04…0,1т на 1 т стали. В цветной металлургии выход шлаков может достигать 3…5т на 1т металла.

Химический состав доменных шлаков характеризуется 4 основными оксидами: СаО (29…30%, МgО (0…18%), А1₂О₃ (5...23%), SiO2(30…40%), могут быть также оксиды железо до 0,6%, М п О до 1%, серы до 3%, сталеплавильные шлаки содержат до 20% Fe₂O₃ и до 10% MnO.

Для шлаков цветной металлургии содержание СаО+МgО=(7…13)%, FеО = (21…61)%, могут быть также оксиды меди, цинка, свинца, никеля и др. Основной характеристикой хим. состава шлаков является их модуль основности:

,

при М_о >1 – основные шлаки, при М_о <1 – кислые шлаки.

При медленном охлаждении шлака образуются минералы и могут быть их полиморфные превращения с самопроизвольн6ым измельчением (силикатный, железистый и сульфидный распады). При быстром охлаждении (грануляция- быстрое охлаждение расплава шлака водой или воздухом) формируются стекловидные зёрна диаметром до 10мм аморфной структуры и и после их помола основные шлаки приобретают гидравлическую активность. Химическую и гидравлическую активность шлаков характеризует коэффициент качества (K), определяемый по формулам:

При MgO<10% ,

При MgO>10% ,

с увеличением коэффициента качества повышается активность шлака.

При сжигании угля в топках ТЭС образуется золошлаковая смесь: зола – зёрна менее 0,315 мм, шлаковый песок 0,315…5 мм и шлаковый щебень– частицы крупнее 5 мм. При пылевидном сжигании топлива образуется мало шлака (до 25%) и много золы (до 90%), при кусковом сжигании – мало золы (до 10%).

Топливные золы и шлаки имеют переменный химический состав от сверхкислых до основных, содержат закиси железа FеО до 20%, стекловидной фазы в кислых шлаках до 85-98%, у основных меньше. В кристаллической фазе могут быть: муллит Al₂O₃2SiO₂, геленит 2CaOAl₂O₃SiO₂, волластонит CaOSiO₂, белит 2CaOSiO₂ и др. При жидком шлакоудалении могут получаться гранулированные шлаки ТЭС с повышенным содержанием стеклофазы. Золы могут быть высококальциевые (>20%СаО) и низкокальциевые (<20%СаО), низкосульфатные (SO₃<5%) и высокосульфатные (SO₃>5%). Модуль основности Мо для основных зол > 0,9, кислых - 0,6…0,9, сверхкислых < 0,6. В основных золах содержание СаО+MgО до 30% по массе, в сверхкислых – не более 12%, последние более распространены. В основных золах СаО и MgО пережженные, что может вызвать неравномерность изменения объёма и возникновение трещин в цементном камне.

Разновидности зол:

· по дисперсности: тонкодисперсные S_уд не менее 400м²/кг, среднедисперсные S_уд 200… 400м²/кг, грубодисперсные S_уд менее 200м²/кг,

· по насыпной плотности: легкие с менее 800 кг/м³, средние с 800…1000 кг/м³, тяжёлые с более 1000 кг/м³,

· по количеству несгоревшего угля 6 категорий – первая до 5%, вторая 6-10%, третья 11-15%, четвёртая 16-20%, пятая 21-25%, шестая более 25%.

Шлаки в тонкомолотом виде при затворении водой могут твердеть при щелочной, известковой, сульфатной или смешанной активации. Интенсивность твердения шлаков и зол зависит от химического и минералогического состава, дисперсности, вида и концентрации активатора. Наилучшие условия для твердения создаются автоклавной обработкой при избыточном давлении не менее 0,8МПа, при этом активный оксид кремния взаимодействует с гидроксидом кальция с образованием гидросиликатов.

Наиболее распространёнными минералами доменного гранулированного шлака являются геленит 2СаОА1₂О₃SiO₂ и окерманит 2CaOMgOSiO₂. под влиянием СаО активизируются вяжущие свойства геленита даже при нормальном твердении с образованием гелеобразных гидроалюмосиликатов (гидрогранатов). При автоклавной обработке смеси геленита с 20% СаО позводяют получать прочность при сжатии до 30 МПа. Совместное воздействие гипса и СаО при нормальном твердении разрушает кристаллическую решётку геленита с образованием ГСАК-3 и ГСК. При автоклавном твердении ГСАК-3 не образуется, а кристаллизуются гидрогранаты.

Максимальная прочность при сжатии достигается при нормальном твердении, тво или автоклавной обработке для бетонов на вяжущем из доменных гранулированных шлаков. В условиях тво и автоклавном твердении допускается применение медленно охлаждённых шлаков. В качестве активаторов используют: СаО, Са(ОН)₂, двуводный и полуводный гипс, портландцемент. СаО лучше, чем Са(ОН)₂, добавка 15…20% ПЦ способствует повышению морозостойкости бетона.

Состава вяжущего подбирается экспериментально, в известково-шлаковые и известково-зольные вяжущие вводят до 5% гипса для регулирования сроков схватывания. На шлаковых и зольных вяжущих изготавливают ячеистые, мелкозернистые, лёгкие и тяжёлые бетоны.

Для ячеистых автоклавных бетонов применяют известково-шлаковое вяжущее на доменных гранулированных шлаках. Отвальные шлаки допускаются при Мо > 0,6 и К > 0,4.Гранулированные и отвальные шлаки с удельной поверхностью 150…350 м²/кг являются не только компонентами вяжущего, но используются и как активный наполнитель. Прочность при сжатии зависит от средней плотности – при = 400…500 кг/м³ Rсж = 0,6…2 МПа, при = 600…1200 кг/м³ R_сж = 3,0…12,5 МПа. Соотношение между шлаковым вяжущим и кремнезёмистым компонентов для этих бетонов находится в пределах 1:0,5…1:1,2. На R_сж влияет также дисперсность шлака, повышение удельной поверхности с 350 до 650 м²/кг повышает прочность на 50…60%, при снижении В/Т отношения до 0,25…0,35 (вибрационная технология) повышаются прочность стойкость и снижается усадка ячеистого бетона. Для бетонов с пониженными В/Т смеси должны быть гомогенизированы более длительным перемешиванием и применением пластифицирующих ПАВ.

Условия твердения: пропарка при 70…100 ^оС, автоклавная обработка при 175…200 ^оС и электропрогрев, наивысшая прочность достигается при автоклавной обработке с максимальными параметрами – давлении е до 1,6 МПа. Трещиностойкость яч бет зависит от величины усадки, которая составляет для автоклавных бетонов 0,45…0,7мм/м, для безавтоклавных – не менее 2 мм/м, для снижения усадочных деформаций рекомендуется введение крупного пористого заполнителя (наиболее эффективен стеклогранулят). Замена на крупный заполнитель 20…25% по объёму кремнезёмистого компонента снижает усадку на 50…70%.

Конструкции из ячеистого бетона обладают высокими технико-экономическими показателями:

· стены из газобетона до 2 раз легче стен из керамзитобетона при более высокой стоимости и теплопроводности последних,

· удельные затраты на производство конструкций из ячеистого шлакобетона на 30…40% ниже, чем на производство аналогичных конструкций из других видов бетона.

Лёгкие бетоны на шлаковых вяжущих и заполнителях со средней плотностью 1200…1600 кг/м₃ и прочностью 5…25 МПа обладают следую-щими свойствами:

- максимальная прочность при сжатии достигается при расходе воды, обеспечивающем минимальный выход бетонной смеси,

- использование фракционированного заполнителя оптимальной грану-лометрии повышает прочность бетона,

- при увеличении расхода цемента до определённого предела прочность повышается,

- большая деформативность и меньшая прочность сцепления с арматурой по сравнению с лёгкими бетонами на портландцементе.

Пористые заполнители: шлаковая пемза с =500…800 кг/м³, гранулированный доменный шлак =700…1000 кг/м³, доменные поризованные отвальные шлаки =800…1000 кг/м³ обеспечивают среднюю плотность лёгкого шлакового бетона =900…1900 кг/м³ – минимум на шлаковой пемзе, при прочности на сжатие 1,5…10МПа, увеличивающейся с ростом средней плотности бетона. Благодаря преобладанию в шлаке стеклофазы снижается коэффициент теплопроводности по сравнению с равноплотным бетоном на керамзите или аглопорите.

Лёгкие бетоны на шлаковой пемзе характеризуются относительно высокой прочностью при сжатии и осевом растяжении, модулем упругости подобно бетонам на природных пористых заполнителях вулканического происхождения. Для шлакопемзобетона отмечается максимальная предельная растяжимость, что повышает трещиностойкость жбк, высокая морозостойкость до F600 вследствие понижения В/Ц из-за отсоса воды пористым заполнителем, повышенной деформативности заполнителя и повышение прочности сцепления в контактной зоне заполнителя и цементного камня.

Прочность мелкозернистого бетона достигает 40 МПа, зависит от активности вяжущего, вида шлакового заполнителя, зернового состава песка, условий уплотнения и твердения бетонной смеси. Прочность вяжущего повышается с повышением дисперсности при вибропрессовании. Дроблёные шлаковые пески характеризуются повышенной прочностью сцепления что способствует росту прочности бетона на 40…60% по сравнению с кварцевым песком. Максимальная прочность при автоклавировании и максимальном давлении водяного пара до 1,6МПа, при давлении 0,9 МПа запаривание продолжается 6…8 часов.

Для мелкозернистого бетона Rр =(0,09…0,12)Rсж, Rизг = (0,15…0,3)Rсж, большая деформативность, Rсц =2…5 МПа. Коэффициент размягчения мелкозернистого бетона на шлаковых и зольных вяжущих 0,5…0,9, минимальные значения на вяжущем с повышенным содержанием Са(ОН)₂ > 20%. Морозостойкость до F50, повышенная у автоклавных бетонов и возрастает с увеличением расхода вяжущего.

В тяжелых бетонах замена крупного заполнителя из плотных горных пород на шлаковый щебень их плотных металлургических шлаков не снижает прочность при сжатии с одновременным повышением прочности при осевом растяжении и при изгибе.

4. Шлакощелочные бетоны (ШЩБ) изготавливают на шлакощелочном вяжущем. Бетоны состоят из 15…30% по массе молотого гранулированного шлака, неорганических заполнителей 70…85%, щелочного компонента 0,5…1,5%. Исследованием и разработкой теории и технологии ШЩБ занимались В.Д.Глуховский, П.В.Кривенко, Е.К.Пушкарёва, Р.Ф.Рунова и др.

Заполнители могут быть традиционные, а также грунты и рыхлые горные породы. Содержание глинистых частиц допускается до 5%, пылеватых до 20%, не допускаются примеси гипса и ангидрита. Из отходов промышленности применяют золы, шлаки и золо-шлаковые смеси, горелые породы, отходы камнедробления, а также дисперсные органические отходы.

С увеличением глинистых примесей повышается водопотребность бетонной смеси, прочность растет до 5% содержания глины, а затем снижается: например, при содержании глинистых примесей 1,2% по массе водопотребность составила 49 % от массы вяжущего, прочность 63 МПа, при содержании глины 5,2% – соответственно 58% и 76 МПа, примеси 6,4 % –61% и 70 МПа, примеси 8,8 % –63% и 54 МПа. Глинистые частицы химически взаимодействуют со щёлочью с образованием дополнительного количества цементирующих новообразований – щелочных гидроалюмосиликатов: R₂OA1₂О₃4SiО₂nH₂О, R₂O3A1₂О₃6SiО₂nH₂О (мусковит) и др., появление которых ускоряется при тво. При обжиге глинистые частицы переходят в метакаолинит с увеличением реакционной способности. Положительное влияние глины отмечается при R₂О/А1₂О₃<0,5.

Для бетонной смеси ШЩБ характерно более высокое тиксотропное разжижение под влиянием вибрации. Особенность ШЩБ – плотная и прочная контактная зона заполнителя с искусственным камнем из щелочных гидроалюмосиликатов.

На прочность ШЩБ влияют:

· плотность затворителя и расход молотого граншлака: при расходе шлака 250 кг на затворителе с плотностью 1,15г/см³ прочность 29 МПа, а с плотностью 1,25г/см³ – 42 МПа, а при расходе шлака 550 кг на затворителе с плотностью 1,15г/см³ прочность 44 МПа, а с плотностью 1,25г/см³ – 62 МПа,

· вид заполнителей: при расходе вяжущего 200 кг с гранитным заполнителем и природным пескоь с Мк=1,2 Rсж=60 МПа, с лёгкой супесью – Rсж=38 МПа, с песком Мк=1,2 Rсж=30 МПа. При расходе вяжущего 400 кг с гранитным заполнителем и природным песком с Мк=1,2 Rсж=90 МПа, с лёгкой супесью – Rсж=85 МПа, с песком Мк=1,2 Rсж=72 МПа. При расходе вяжущего 600 кг с гранитным заполнителем и природным песком с Мк=1,2 Rсж=100 МПа, с лёгкой супесью – Rсж=91 МПа, с песком Мк=1,2 Rсж=88 МПа.

· Наиболее высокая прочность обеспечивается при затворении ШЩБ растворами жидкого стекла. Повышение силикатного модуля n=SiO₂/N₂O и снижение плотности раствора стекла снижает прочность бетона.

· Максимальная прочность достигается на вяжущем из основных или нейтральных шлаков в условиях тво, на кислых шлаках при нормальном твердении прочность резко снижается. Увеличение расхода шлака с 300 до 600 кг повышает прочность особенно при нормальных условиях твердения.

· Увеличение растворо-шлакового отношения (Р/Ш) снижает прочность ШЩБ, но менее заметно, чем увеличение В/Ц в ПЦ бетонах. Степень снижения прочности зависит от вида затворителя: при использовании раствора метасиликата Na₂0SiO₂ влияние Р/Ш минимально, для дисиликата Na₂0.2SiO₂ увеличивается, больше для содо-щелочного плава (Na₂CO₃+NaOH) и ещё больше для затворителя ­– раствора соды Na₂СО₃. Прочность в марочном возрасте ШЩБ можно вычислить по формулам:

для нормального твердения – ,

после тво – ,

где R_в – активность вяжущего.

· Для ШЩБ характерен значительный рост прочности при тво: если для ПЦ бетонов после пропарки прочность составляет 0,7 Rм, то для ШЩБ она достигает 1,3 Rм. Зато после тво рост прочности ШЩБ резко замедляется.

· Добавка ПЦ до 5% по массе способствует образованию низкоосновных ГСК и стабилизирует прочность ШЩБ в ранние сроки твердения. В поздние сроки эффективны добавки цеолитов, способствующих синтезу гидросиликатов. Для удлинения сроков схватывания и повышения сохраняемости смеси рекомендуются добавки, связывающие ионы кальция (например, оксалат натрия до 1,5% от массы шлака) или добавки антикоагулянты (щелочные ортофосфаты), которые вводят в состав щелочного затворителя.

· При нормальном твердении и длительном водонасыщении ШЩБ более интенсивно набирает прочность при изгибе, в воздушно-сухих условиях твердения возможны спады прочности – на изгиб в возрасте 360 суток спад до 40%, на сжатие – до 12%.

ШЩБ пассивирует арматуру, поэтому жбк характеризуются высокой долговечностью. Деформации усадки сопоставимыми с усадкой цементного бетона, на величину усадки влияет вид щелочного компонента – при использовании Na₂0SiO₂5Н₂О усадка выше, чем при использовании раствора соды Na₂CO₃, но её затухание происходит быстрее, введение добавки ПЦ уменьшает усадку. Из-за повышенного содержания гелевидной гидратной фазы ползучесть у ШЩБ выше, чем у ПЦ бетона, модуль упругости ШЩБ интенсивно растет до 28 суток, затем стабилизируется.

Марки по морозостойкости ШЩБ от F300 до F1300 и увеличиваются с повышением плотности щелочного затворителя, применении жёстких смесей, твердении в нормальных условиях и оптимизации грансостава заполнителей. Наименьшую морозостойкость показывает ШЩБ на кислых шлаках. Для повышения морозостойкости необходимо снижение открытой пористости.

Содержание мелких замкнутых пор, высокая плотность и прочность контактной зоны повышенная водоудерживающая способность и седиментационная устойчивость смесей ШЩБ обеспечивает высокую водонепроницаемость ШЩБ, особенно при использовании жёстких бетонных смесей. При изменении расхода шлакового вяжущего от 15 до 30% и снижении В/В отношения от 0,6 до 0,33 давление фильтрации воды увеличивается с 0,4 до 3,4 МПа, коэффициент фильтрации снижается от 1,3.10^-6 до 0,4.10^-11 см/с. При твердении ШЩБ с 205 вяжущего водонепроницаемость за 1 год увеличивается в 20 раз, за 5 лет – в 200 раз.

ШЩБ характеризуется высокой стойкостью в водных растворах Na₂SO₄, MgCl₂, Mg(NO₃)₂, более агрессивны растворы MgSO₄, Al₂(SO₄)₃, ZnSO₄; наибольшая стойкость к сульфатам у ШЩБ, затворённого растворами Na₂0SiO₂, с повышенным силикатным модулем SiO₂/Na₂0.

При нагреве ШЩБ дегидратация протекает плавно без нарушения структуры камня. Гидроалюмосиликаты переходят в более стойкие минералы полевошпатового типа. При температуре 800…900 ^оС образуется 5…10% по массе эвтектических расплавов, из которых кристаллизуются волокнистые новообразования, обеспечивающие самоармирование структуры. На основе шлако-щелочного вяжущего, модифицированного тонкодисперсным шамотом, с испольлзованием заполнителя из шлаковой пемзы и шамотаполучаются ШЩБ с прочностью при сжатии 15…40 МПа и температурой применения 1000…1100^оС.

5. Бетоны на магнезиальных вяжущих (БМВ) – с 1867 года, когда Сорель открыл вяжущие свойства оксихлорида магния, магнезиальные вяжущие, представляющие собой тонкомолотый периклаз (MgO) и затворитель – водный раствор бишофита (MgCl₂.6H₂O) плотностью 1,2…1,22 г/см³, стали применять для изготовления бетонов. Многие свойства БМВ лучше, чем у традиционного бетона на ПЦ:

· он не требует влажного выдерживания при твердении,

· обладает высокой огнестойкостью и низкой теплопроводностью, хорошей износостойкостью, высокой прочностью при изгибк,

· высокой ранней прочностью (в 1 сут возрасте Rсж составляет до 50% от прочности через 28 суток),

· стоек к биологической коррозии,

· характеризуется высокой стойкостью к действию масел, лаков и красок, органических растворителей, щелочей и солей, включая сульфаты,

· можно использовать различные заполнители: неорганические – известняк и мрамор, асбест, песок, дроблёный камень и гравий, каолин, гранулированные шлаки, сульфат магния и пигменты; органические – опилки, стружки, дроблёная резина, отходы пластмасс, льняная костра, битумы и др.

Несмотря на многочисленные достоинства БМВ не нашёл широкого применения по следующим причинам:

1. не научились обжигать природное сырьё (магнезит MgCO₃, брусит Mg(OH)₂) c учётом сопутствующих примесей для получения качественного вяжущего, не растрескивающегося при последующем твердении, в том числе при повышенной влажности воздуха,

2. БМВ неустойчив к действию воды, что проявляется в потере прочности при длительном водном твердении,

3. не защищает стальную арматуру от коррозии,

4. использование бишофита вызывает повышенную гигроскопичность этого бетона.

Проведённые на каф. «Строительные материалы» ЮУрГУ исследования позволили разработать технологию обжига магнезитовых, бруситовых, доломитовых пород для получения качественного магнезиального вяжущего, а также выявить модификаторы структурообразования искусственного камня повышенной водостойкости, прочности, морозостойкости и пониженной гигроскопичностью, что важно для ячеистых БМВ.

В настоящее время БМВ применяется для полов с интенсивной истирающей нагрузкой, а также для художественных изделий, для специальных штукатурок и легкобетонных стен.