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.
- Шлакощелочной бетон
- Состав шлакощелочного бетона
- Шлакощелочное вяжущее (ШЩВ)
- Заполнители
- Добавки
- Производство шлакощелочного бетона и изделий из него
- Плюсы и минусы шлакощелочного бетона
- Виды шлакощелочного бетона
- По средней плотности
- По структуре
- По назначению
- Свойства шлакощелочного бетона
- Сфера применения шлакощелочного бетона
- История применения шлакощелочного бетона
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.
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:
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.
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:
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.