к.т.н., с.н.с. Ерошкина Н.А., к.т.н., доцент Коровкин М.О.,
аспирант Аксенов С.В.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Безобжиговое вяжущее на основе базальта

Изучены свойства минерально-щелочных вяжущих на основе базальта в зависимости от вида щелочного активизатора и условий твердения. Показано, что для улучшения свойств вяжущего необходимо вводить добавку шлака, а в качестве активатора – метасиликат натрия.

Ключевые слова: минерально-щелочное вяжущее, базальт, щелочной активизатор, шлак

Разработка новых и совершенствование известных технологий безобжиговых вяжущих – одно из наиболее перспективных направлений реализации концепции жизнеподдерживающего развития в промышленности строительных материалов. Большая часть таких вяжущих получается на основе побочных отходов, поэтому производство таких вяжущих позволяет решить одновременно несколько проблем: утилизации промышленных отходов, снижения потребности в добыче сырья и сокращения потребления углеводородного топлива и выбросов в атмосферу углекислого газа.

Безобжиговые вяжущие в своем развитии прошли несколько этапов. Первый этап связан с использованием в качестве основного компонента вяжущего гранулированных доменных шлаков [1]. Результатом этого этапа стало получение шлакощелочных вяжущих прочностью 40…80 МПа. К существенным недостаткам которых относились высолообразование и низкая трещиностойкость, а также неравномерное распределение сырья на территории страны.

Второй этап связан с улучшением трещиностойкости шлакощелочных вяжущих. Это достигалось за счет использования в составах вяжущего различных добавок – андезита, мрамора, доломита, глины, горелой земли, боя керамического кирпича и других [2]. Использование минеральных наполнителей в количестве 10…30 % позволяет сократить количество несвязанной щелочи на поверхности материала, которая является причиной высолообразования, а также повысить трещиностойкость изделий. Параллельно на обоих этапах развития и совершенствования теории шлакощелочных вяжущих происходил поиск наиболее дешевых щелочных затворителей и изучение их свойств в составах вяжущих. Было выявлено, что количество вводимого щелочного затворителя в пересчете на активный Na₂O должно не превышать 5 % [1].

На третьем этапе были созданы вяжущие с различным содержанием шлака: минерально-шлаковые вяжущие (до 60 %), геошлаковые (с расходом шлака до 60-30 %) и геосинтетические (30-10 %) [3].

В качестве основного компонента безобжигового вяжущего могут быть использованы отходы добычи и переработки магматических горных пород. В раннее проведённых исследованиях были получены вяжущие на основе гранитов, перидотитов, габбро-диабаза, которые получили название минерально-щелочных вяжущих [4, 5]. В настоящей работе приводятся результаты исследования таких вяжущих на основе базальта.

Базальт относится к числу наиболее распространенных в земной коре горных пород, в связи с чем использование этой горной породы в технологии строительных материалов представляет большой интерес.

Для проведения исследований использовались измельченные до удельной поверхности 400 м²/кг отходы добычи базальта одного из месторождений Кемеровской области и шлак Новолипецкого металлургического комбината с дисперсностью 380 м²/кг. В качестве активизатора процесса твердения исследовалось действие гидроксида натрия (А1) и метасиликата натрия (А2). В исследуемых составах в пересчете на Na₂O содержание активизатора А1 составляло 2 % и А2 – 3 % по сухому веществу. Для улучшения свойств вяжущего вводилась добавка шлака в количестве 25 % от веса базальта.

В проведённой работе были изучены прочностные свойства вяжущего, его водопоглощение и водостойкость. С этой целью из формовочных смесей влажностью 12 % при давлением прессования 25 МПа были отформованы образцы цилиндрической формы с диаметром и высотой 20 мм.

Прочность при сжатии оценивалась после твердения образцов при температуре 95ºС и 150°С, а также через 28 суток твердения в нормальных условиях (НУ). Водостойкость и водопоглощение (W) определялись после насыщения образцов водой в течение 7 суток. Критерием оценки водостойкости служил коэффициент размягчения (К_р).

Анализ данных приведённых на рис. 1 показывает, что активность минерально-щёлочного вяжущего зависит от условий твердения и вида щелочного активизатора. С увеличением температуры тепловой обработки прочность возрастает. Полученные в ходе термической обработки минерально-щелочные вяжущие обладают прочностью 20…25 МПа. При этом активизатор NaOH может использоваться только в условиях термообработки, так как в нормальных условиях в результате его присутствия твердение не происходит.

а)	б)

Рис. 1. Прочность при сжатии вяжущих без добавки (а) и добавкой шлака (б)
в зависимости от вида щелочного активизатора при различных условиях твердения

Использование добавки шлака позволяет значительно повысить прочность вяжущих. Рост прочности активизируется и с увеличение температуры твердения от 50… 80 до 80…108 МПа (рис.1б). Наибольшей прочностью обладают вяжущие, содержащие в составе метасиликат натрия. Твердение в нормальных условиях позволяет получить вяжущее, прочностью практически сопоставимой с прочностью полученной при 95°С.

Таблица

Водопоглощение и коэффициент размягчения вяжущего с добавкой и без добавки шлака в зависимости от вида активатора твердения

Вяжущее на основе базальта	NaOH				метасиликат натрия
	W			Кр	W			Кр
	1 час	3 сут	7 сут	7 сут	1 час	3 сут	7 сут	7 сут
Без добавки	9,2	10,1	10,2	0,55	3,2	5,3	5,4	1
С добавкой шлака	8	8,5	9	0,8	4,7	5,5	5,6	1,12

Представленные в таблице данные по оценке водопоглощения образцов в течение 1 часа до 7 суток свидетельствует о том, что наиболее интенсивно водопоглощение образцов происходит в течение 1 часа, затем поглощение воды происходит более медленно и стабилизируется на 3-7 сутки. Разработанные вяжущие через 7 суток водонасыщения характеризуются водопоглощением в 9 - 10,3 %. Добавка шлака позволяет снизить водопоглощение в 1,6-1,9 раза.

Увеличение водопоглащения образцов (таблица) приводит к снижению водостойкости. Бездобавочный состав вяжущего, с использованием метасиликата натрия менее водостоек. Использование добавки шлака обеспечивает высокую водостойкость вяжущего и способствует дальнейшему набору прочности при хранении в воде и воздушно-влажных условиях, что характеризует вяжущее с добавкой шлака как гидравлическое.

Выводы

Проведённые исследования показали, что измельченные отходы добычи и переработки базальта являются перспективным сырьем для получения вяжущих контактно-конденсационного твердения. Установлено, что использование в качестве активатора твердения раствора метасиликата натрия позволяет получить более высокую прочность, чем при использовании гидроксила натрия. Показано, что добавка шлака позволяет повысить водостойкость исследованного вяжущего.

Библиографический список

1. Глуховский, В. Д. Производство бетонов и конструкций на основе шлакощелочных вяжущих / В.Д. Глуховский, П.В. Кривенко, Г.В. Румына, В.Л. Герасимчук. – К.: Будiвельник, 1988. – С. 45-48.

2. Davidovits, J. Chemistry of Geopolymeric Systems Terminology / Geopolymer 1999. – Saint - Quentin, France, 1999. – Р. 9-40.

3. Калашников, В. И. К вопросу классификации шлаковых и минеральношлаковых вяжущих / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, В. Л. Хвастунов // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: материалы: VIII Академ. чтения РААСН. – Самара: СГАСУ, 2004. – С. 201–205.

4.

Ерошкина, Н.А. Вяжущие на основе магматических горных пород / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин, А.П. Соломатин // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики: материалы IV Междунар. конф. – Тула, 2008. – С. 276-286.

5. Ерошкина, Н.А. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавкой шлака, и бетон на его основе / Н.А. Ерошкина, В.И. Калашников, М.О. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. – 2011. – № 1. – С.59-61.