Задать вопрос
+7-932-129-43-76
+7-932-129-48-92
Задать вопрос
Быстро и надежно

Шлакощелочной бетон

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 основные свойства, виды и особенности этого материала. А в заключительной части статьи мы поговорим о том, в каких работах применяется ШЩБ и как он был изобретен.

Дом в Липецке, который был построен в 1987 году полностью из шлакощелочных бетонов

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.
  • Мелкие заполнители
    Их размер не превышает 5 мм в диаметре. К этой группе относятся природные пески и отсев различных пород и материалов. Они заполняют пустоты между крупными зернами, за счет чего бетон становится более плотным, устойчивым и водостойким.

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:

  • Песок с модулем крупности 1,0-2,0 (мелкий и очень мелкий)
  • Супеси
  • Лессы
  • 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.

Собственное производство бетона и своя лаборатория, а также большой парк техники гарантируют высокое качество продукции и точные сроки поставки
Бетон — производство и доставка
Автобетононасосы — аренда
7 904 179–31–56
Валентин Юрьевич Швец
Директор «БетонСтрой»

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:

  1. Сначала шлаки отправляют на испытания в лабораторию и определяют их химический состав – от этого будет зависеть дозировка щелочи
  2. Все компоненты смеси отмеряют в соответствии с заранее подготовленной рецептурой
  3. Далее готовят раствор затворителя. Бывает так, что для изготовления вяжущего используют несколько разных щелочей; в таком случае их растворяют в отдельных емкостях
  4. Затем сухие компоненты (щебень, песок, перемолотый шлак) перемешивают до однородности
  5. 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:

  1. Формы для изготовления изделий смазывают стеарином или парафином
  2. Готовую смесь заливают в формы и уплотняют путем вибрации или обычной трамбовки
  3. Формы помещают в отдельную камеру и некоторое время выдерживают при нормальной температуре. Этот этап может занимать от 2-3 до 10 часов
  4. Затем камеру начинают заполнять паром, температуру которого постепенно поднимают. Резкий переход здесь не допустим, потому что он может повредить изделия
  5. Температуру доводят до максимального значения и выдерживают изделия в таком режиме еще несколько часов
  6. 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.

В следующем разделе статьи мы подробнее поговорим о том, какие виды этого материала существуют.

Виды шлакощелочного бетона

Для этого материала используются такие же классификации, как и для цементобетона. С их полным (и очень обширным) перечнем вы можете ознакомиться в статье Виды бетона.

Чаще всего шлакощелочные бетоны делятся на группы по:

  • Средней плотности
  • Структуре
  • Назначению

Давайте остановимся на каждой классификации подробнее.

По средней плотности

Эта характеристика показывает, сколько весит 1 м3 материала.

В зависимости от нее ШЩБ могут быть:

  • Очень легкими (от 500 до 800 кг/м3)
  • Легкими (от 800 до 2000 кг/м3)
  • Тяжелыми (от 2000 до 2500 кг/м3)

Этот показатель используется для расчета нагрузки на несущие конструкции при строительстве. Кроме того, он косвенно связан с другими характеристиками бетона: прочностью и изоляционными свойствами.

По структуре

В зависимости от используемых компонентов и их соотношения шлакощелочные бетоны могут иметь разную структуру.

Они бывают:

  • Плотными
    В таком материале нет пустот между зернами крупного наполнителя: они заполнены песком (отсевом) и вяжущим веществом. Такую структуру имеют тяжелые бетоны.
  • Поризованными
    Эта разновидность производится с добавлением воздухововлекающих добавок в бетонную смесь. За счет нее в толще камня образуются закрытые поры, заполненные воздухом. Таким образом снижается плотность материала – бетон получается более легким.
  • Крупнопористыми
    Этот особый вид бетона производится без использования мелких заполнителей. В нем остается множество сквозных пор-каналов, через которые может свободно проходить вода. Поэтому такой бетон еще называют дренажным.
  • Ячеистыми
    Смесь для такого бетона, наоборот, содержит в себе только мелкие заполнители. За счет внесения специальных добавок она вспучивается и насыщается воздухом, а при затвердевании превращается в очень легкий и пористый камень.

Основная разновидность ячеистых шлакощелочных бетонов – это пенобетон. Чтобы его изготовить, в готовую бетонную смесь вмешивают очень плотную пену. Полученный материал используется для возведения ненесущих и теплоизоляционных конструкций.

По назначению

Эта классификация тесно связана со всеми перечисленными выше. Ведь у каждой разновидности бетона есть свои специфические характеристики. От них зависит, для каких работ лучше подходит материал.

Производят шлакощелочной бетон:

  • Конструкционный
    Это бетон и изделия из него, которые используются для возведения несущих и ограждающих конструкций: фундаментов, стен, плит перекрытия, столбов, лестниц и так далее. Наиболее важное свойство для этих материалов – прочность. Самые высокие показатели тут демонстрируют тяжелые и плотные бетоны.
  • Конструкционно-теплоизоляционный
    Такой бетон применяется, например, для обустройства стен, потолков и крыш. Для него одновременно важны и способность выдерживать нагрузки, и низкая теплопроводность. Для этого в составе смеси используют пористые заполнители (керамзит, аглопорит и другие) и воздухововлекающие добавки.
  • Теплоизоляционный
    Этот материал применяется для обустройства тепло- и звукоизоляции. Он должен быть легким и пористым, а вот прочность его уже не играет большой роли. Для этого отлично подходят ячеистые бетоны – например, шлакощелочной пенобетон.

Теперь вы имеете представление о том, что из себя представляет такой материал как шлакощелочной бетон. В продолжении статьи мы подробнее рассмотрим его основные технические характеристики.

Свойства шлакощелочного бетона

При выборе любого бетона следует в первую очередь обращать внимание на его показатели. Именно от них зависит, подойдет ли материал для конкретной задачи или нет.

Самые важные для бетона свойства – это:

  • Плотность
    Этот показатель позволяет рассчитать нагрузку на фундамент и несущие стены конструкции. Если взять слишком тяжелый бетон для внутренних работ, то постройка может просто-напросто обвалиться под собственным весом.
  • Прочность
    Она характеризует, какую максимальную нагрузку материал может выдержать, не разрушаясь. Раньше показателем прочности выступала марка бетона: от M50 до M1000. Сейчас ее заменил класс, который обозначается буквой B и числом, указывающим на максимальную нагрузку в МПа. Подробнее о разнице между этими характеристиками вы можете узнать в статье Классы и марки бетона.
  • Теплопроводность
    Этот параметр важен для теплоизоляционных материалов. Для сравнения: теплопроводность цементобетона составляет примерно от 0,1 (газобетон) до 1,5 Вт/(м·°С) (тяжелый бетон). Чем эта цифра ниже, тем лучше материал удерживает тепло в помещении.
  • Морозостойкость
    Этот показатель обозначается буквой F и числом – например, F50. Число указывает на количество циклов заморозки и оттаивания, которые бетон переносит без потери прочности. Так, бетон марки F50 можно 50 раз положить в морозилку и отогреть обратно – и только после этого он начнет медленно разрушаться. Материал с показателем F300 и выше считается особо морозостойким и применяется для возведения конструкций в тяжелых климатических условиях.
  • Водонепроницаемость
    Она характеризует способность материала пропускать воду вглубь себя и обозначается буквой W. Нормальной водонепроницаемостью считается показатель W4. Бетоны марок свыше W10 относятся к особо водостойким и применяются в строительстве гидротехнических сооружений.

Основные показатели шлакощелочных бетонов приведены в таблице ниже:

Характеристика / Вид бетона Тяжелый ШЩБ Легкий конструкционный ШЩБ Конструкционно-теплоизоляционный ШЩБ Теплоизоляционный ШЩБ
Средняя плотность Свыше 1800 кг/м3 1500-1800 кг/м3 500-1400 кг/м3 170-450 кг/м3
Класс и марка по прочности B10-B110

(M200-M1400)

B15-B50

(M200-M600)

B3,5-B40

(М50-М500)

B0,25-B2

(марка отсутствует)

Теплопроводность Не измеряется 0,17-0,4 Вт/(м·°С) 0,059-0,13 Вт/(м·°С)
Морозостойкость От F200 до F1000
Водонепроницаемость От W4 до W30

Для вашего удобства ниже мы разместили эту таблицу в виде картинки:

Основные показатели шлакощелочных бетонов

Как видите, этот вид материала имеет отличные показатели и по некоторым из них даже превосходит традиционный цементобетон.

В следующем разделе мы поговорим о том, в каких работах ШЩБ нашел применение с момента своего создания.

Сфера применения шлакощелочного бетона

Мы уже отмечали, что широкого применения этот материал пока не получил. Проектировщики и строители отдают предпочтение привычному цементу, а при необходимости – шлакоцементу. А вот чисто шлакощелочное вяжущее реже пользуется спросом.

Тем не менее, сфера потенциального использования этого материала обширна.

ШЩБ может эффективно применяться в:

  • Жилищном строительстве
    За счет своей высокой прочности материал подойдет для заливки фундаментов высотных зданий, возведения стен, лестниц, столбов, плит перекрытия и других несущих конструкций. А легкие его разновидности могут использоваться для строительства перегородок, заливки полов и обустройства теплоизоляции.
  • Дорожном строительстве
    Тяжелый ШЩБ имеет подходящие характеристики для обустройства дорожных покрытий, в том числе на самых сложных участках – автомагистралях и аэродромах.
  • Строительстве объектов особого назначения
    Высокая водонепроницаемость шлакощелочных бетонов делает их идеальными для строительства гидротехнических объектов. А за счет высокой химической и жаростойкости их можно эксплуатировать в самых экстремальных условиях: в химических лабораториях, ТЭЦ, АЭС и даже на космодромах.
  • Производстве готовых изделий
    Эта область сейчас развивается наиболее активно. ШЩБ уже применяют для изготовления стеновых блоков, панелей, плит, конструкций и ЖБИ. В последнем случае использование этого бетона даже выгоднее, чем традиционного. Ведь коррозия арматуры в материале на шлакощелочном вяжущем протекает медленнее.

Надо сказать, что высокие показатели шлакощелочного бетона тоже могут накладывать ограничения на сферу его применения. Согласитесь, нет никакого смысла пускать высокопрочный материал на какие-нибудь декоративно-отделочные работы. Для этих задач лучше подойдут другие разновидности бетона – например, гипсобетон.

В заключительном разделе статьи мы подробнее поговорим о том, где и как появился ШЩБ.

История применения шлакощелочного бетона

Использование щелочных компонентов для производства вяжущих уходит корнями в глубокую древность. Например, при строительстве древнеримских зданий, которые дошли до нас в отличном состоянии, использовалась гашеная известь. В сочетании с вулканическим пеплом, пемзой или туфом она давала вещество, по составу и свойствам похожее на современные геополимеры.

Полноценные исследования в этой области начались не так давно – только в XX веке. Начало им положили ученые Пёрдон и Ферет, которые в конце 30-х и начале 40-х годов изучали проблему использования шлаков в цементе, а также их взаимодействие с щелочами.

Но настоящим «отцом» этого нового материала стал советский ученый Виктор Дмитриевич Глуховский. В своих работах он вдохновлялся именно знаменитым римским бетоном. Изучая особенности его состава, в 1959 году он предложил способ создания нового вяжущего, который назвал грунтосиликатом. Суть его как раз заключалась в обработке горных пород или отходов производства щелочными растворами.

Эта идея в СССР была встречена на ура. Ведь цемент был продуктом дефицитным и достаточно дорогим. А для производства нового вида бетона достаточно было использовать шлаки, которых на любом сталелитейном заводе было в избытке. Причем готовый материал по характеристикам не уступал традиционному цементобетону.

Так в 70-80-е годы началось массовое производство шлакощелочного бетона. Центром научных изысканий в этой области стал Киев – родина Глуховского. Здесь на базе Киевского инженерно-строительного института появилась своя научная школа (ПНИЛГ КИСИ), которая и в наши дни занимается совершенствованием шлакощелочных вяжущих. Заводы, где изготавливался новый материал, появились на Урале, в Сибири и Центральной России.

Из ШЩБ делали изделия, подвергающиеся большим нагрузкам: фундаментные блоки, аэродромные плиты, сваи. Его использовали на гидротехнических сооружениях, в химических лабораториях и для внутренней облицовки печей.

А что же в области жилищного строительства? В 1988-1989 годах в Липецке был возведен многоэтажный (20 этажей) жилой дом, построенный полностью из шлакощелочного бетона. Более чем 20 лет спустя, в 2012 году экспертиза показала, что конструкции дома сохранились в превосходном состоянии.

После развала СССР про ШЩБ в какой-то степени забыли и его масштабное применение в строительстве сошло на нет. Но есть все предпосылки для его возвращения. Ведь в современном мире очень остро стоит проблема экологии и защиты окружающей среды от вредных выбросов. И в этой области шлакощелочные вяжущие – перспективная альтернатива портландцементу.

Подведем итог.

Шлакощелочной бетон (ШЩБ) – это материал, который производится на основе щебня, песка и вяжущего из металлургических шлаков и щелочных растворов. Он представляет собой достойную альтернативу традиционному цементобетону. ШЩБ имеет превосходные показатели прочности и водостойкости, не боится морозов и высоких температур, не разрушается под действием кислот и солей. А заводы по его производству гораздо более экологичны, чем цементные. Материал пока не пользуется большим спросом в строительстве, но активно изучается в институтах на территории бывшего СССР и за его пределами.