§ 2. Факторы, влияющие на свойства шлакощелочных бетонов

В шлакощелочных бетонах в виде заполнителей применяют либо смеси крупных и мелких заполнителей, либо только мелкие заполнители. Крупными заполнителями можно использовать щебень, гравий и т. п., а мелкими — пески и супеси.

Понятие «крупный и мелкий заполнитель» в определенной мере относительно и зависит не только от абсолютных размеров частиц, но и от соотношения размеров мелких частиц и более крупных. Так, на­пример, если принять средний размер щебня — 20 мм, песка — 0,6, пылевидных частиц — 0,01, а глинистых — 0,001, то соотношение между размерами крупного и мелкого заполнителей будет составлять: щебень: песок = 34; пыль = 60, глина = 600. Это дало основание предположить, что песок в смесях, содержащих пылевидные и глинистые частицы, может выполнять ту же роль, что и щебень в цементном бетоне.

Шлакощелочные бетоны на дисперсных заполнителях по физико-механическим свойствам — прочности, водопроницаемости, морозостойкости и др. — не уступают конструктивным бетонам на портландцементе. Это достигается использованием в виде заполнителя грунтов такого гранулометрического состава, который обеспечивает создание песчаного каркаса и заполнение его пустот частицами алевритовых фракций. Создание жесткого каркаса из этих частиц, которые благодаря высокой степени дисперсности имеют мало дефектов структуры, путем применения методов приготовления и укладки бетонных смесей, соответствующих размерам таких частиц, гарантирует высокие физико-механические свойства бетона.

Это подтверждается данными, приведенными в табл. 1. Они дают основание сделать вывод, что самую высокую прочность имеют бетоны, заполнителями в которых являются смеси мелко- и крупнодисперсных грунтов, уложенные при оптимальной для данного гранулометрического состава шихты амплитуде колебаний вибрационной установки. Наряду с амплитудой необходимо подбирать и частоту колебаний, с увеличением которой прочность бетона на исследуемых заполнителях возрастает, например, при повышении частоты до 6000 кол/мин — на 10-15%.

Таблица 1. Зависимость прочности шлакощелочных бетонов от гранулометрического состава заполнителей

Состав бетонной смеси			15% процентный раствор Na2СО1	Амплитуда вибрирования, мм, при частоте 31,00 кол/мин	Объемная масса бетона, кг/м3	Предел прочности при сжатии кгс/см2
Шлак днепродзержинский молотый	Песок фракции 0,6-0,15мм	Песок фракции 0,15-0,05мм
25	75	-	9	0,25 0,35 0,57	2300 2310 2210	664 677 512
25	56.3	18,7	10,5	0,25 0,35 0.57	2300 2260 2200	712 790 550
25	37,5	37,5	13	0,25 0,35 0,57	2260 2200 2200	650 615 471
25		75	16	0,25 0,35 0,57	2240 2060 2060	537 450 381

Рис. 2. Прочность шлакощелочных бетонов на различных заполнителях: 1) щебень гранитный, песок М_КР =1,2; 2) супесь легкая; 3) песок Мкр=1,2

Рис. 3. Зависимость прочности шлакощелочных бетонов от расхода вяжущего (шлак запорожский + Nа₂СОз) и характера заполнителя:

1, 4— щебень гранитный, пе­сок Мкр=1,2; 2 — песокМкр=1,2; 3, 5 — супесь

легкая; 5— удельная по­верхность шлака 4400 см²/г; 2, 3, 4 — то же, 3200см²/г

Для сравнения бетонов на дисперсных заполнителях (супесь, лесс) и вяжущих (портландцемент марки 500, шлакощелочной цемент на растворимых стеклах с силикатным модулем 1 и 1,6, едком натре и соде) была проведена серия опытов. Полученные бетоны состава 1:3 после пропаривания по режиму 3 + 7 + 2 на портландцементе имели прочность при сжатии более низкую, чем прочность бетона на шла­кощелочном вяжущем (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительная характеристика прочностных показателей бетонов на дисперсных заполнителях

Заполнитель	Предел прочности при сжатии, кгс/см2
	Шлакощелочного бетона при содержании щелочного компонента, проц.				Портландцементного бетона
	6,0 N а2О •SiO2	7,5 N а2О •1,6SiO2	4,0 NaОН	5,2 Nа2СОз
Супесь Лесс	1075 970	960 890	625 560	575 505	500 450

Прочность шлакощелочного бетона в начальные сроки твердения в значительной мере зависит от способа введения в бетонную смесь щелочного компонента. С целью установления этой зависимости было исследовано три способа введения соды (табл. 3): 1) в составе совместно молотого вяжущего (шлак— 75; горелая порода— 15; сода — 10%); 2) в виде порошка; 3) в виде раствора.

Таблица 3. Зависимость прочности шлакощелочного бетона от способа введения щелочного компонента

Способ введения вяжущего	Состав бетонной смеси						Влажность	Метод укладки	Предел прочности при сжатии, кгс/см2 при введении соды по способу
	Компоненты вяжущего					Наполнитель
	Шлак	Горелая порода		Вода					1	2	3
	Процент
А	19		3,5		2,5	75	7.0	Трамбование	720	365	670
	19		3,5		2,5	75	8,0	Вибрирование	690	305	400
Б	19		3,5		2,5	75	7,0	Трамбование	800	496	650
	19		3,5		2,5	75	8,0	Вибрирование	780	412	405

Примечание: А - вяжущее, заполнитель и раствор загружали в бетономешалку одновременно, Б - вяжущее и раствор загружали в ло­пастной смеситель и после предварительного перемешивания полученный шлам перекачивали в бетономешалку, в которой смешивали с заполнителем.

Данные табл.3 показывают, что максимальную прочность после пропаривания имеют бетоны на основе совместно молотого вяжущего. Это явление можно объяснить более тесными контактами между реагирующими компонентами вяжущего в результате их совместного помола. Повышение прочности бетона имеет место и в случае предварительного перемешивания цемента с водой.

Как и на прочность цементных бетонов, количество воды затворения оказывает существенное влияние на прочность бетона на шлакощелочном вяжущем (табл. 4).

Таблица 4. Зависимость прочности Шлакощелочного бетона от влажности бетонной смеси

Вид обработки	Предел прочности при сжатии, кгс/см2, При влажности бетонной смеси, проц.
	8	9	10	12	14
Проп. 12 Запар. 12	520 750	650 800	680 750	407 437	350 312

Общим для бетонов на шлакощелочных вяжущих является то, что процессы их гидратации и формирования структуры происходят в присутствии едких щелочей. Последние, находясь в состоянии истинных растворов высокой концентрации с вязкостью, близкой к вязкости воды, легко смачивают и активизируют поверхность дисперсных заполнителей и химически гидратируют частицы глинистых фракций, вследствие чего возникают щелочные гидроалюмосиликатные образования, обладающие вяжущими свойствами. Поэтому наличие в заполнителе оптимальных количеств частиц глинистых фракций несколько улучшает физико-механические свойства бетона. Активизированные щелочью и частично связанные продуктами гидратации глинистых минералов, равномерно распределенными в их массе, частицы алевритовых фракций, заполняя пустоты в песчаном каркасе, уплотняют структуру бетона, что также улучшает его свойства.

Конкретно допустимые соотношения между частицами различных фракций в заполнителе, в конечном счете, определяются экспериментальным путем с учетом методов приготовления, укладки и обработки бетонных смесей.

При изготовлении конструктивных шлакощелочных бетонов по физико-механическим свойствам, со­ответствующих бетонам на портландцементах и обогащенных заполнителях, промышленными методами, широко применяемыми для производства цементных бетонов, в виде заполнителей можно рекомендовать пески и супеси с содержанием частиц песчаных не менее 75%, алевритовых и глинистых соответственно не более 20 и 5%.

Таблица 5. Зависимость прочности бетона при сжатии, кгс/см², от способа перемешивания бетонной смеси

Заполнитель	Влажность, проц	на бегунковом смесителе	на смеси теле принудительного действия	на вибросмесителе
Песок, Мкр =1,2	8	570	600	800
Песок, Мкр = 0,8	10	570	500	600
Супесь	11	590	520	650

Как видно из табл. 5, способ, а следовательно и степень гомогенизации шлакощелочной бетонной смеси, содержащей пылеватые и глинистые частицы ,сказывается на прочности бетона. Наиболее эффективным является перемешивание бетонной смеси в вибросмесителе. Это объясняется тем, что при вибрационном воздействии частицы смеси приходят в колебательное движение и силы внутреннего сцепления и трения, которые в мелкозернистых бетонных смесях из-за большого количества пылеватых и глинистых частиц значительны, уменьшаются. Вибрационное воздействие уже при перемешивании бетонных смесей позволяет реализовать тиксотропные свойства частиц глинистых и алевритовых фракций заполнителя. Это увеличивает подвижность смеси. В результате под воздействием силы тяжести алевритовые и покрывающие их глинистые частицы перемещаются и заполняют пустоты между частицами песчаных фракций, предварительно уплотняя бетонную смесь.

Таблица 6. Зависимость прочности шлакощелочного бетона от природы щелочного компонента

Шлак	Вид и плотность затворителя, г/см3	Влажность смеси	Предел прочности
Череповецкий	Nа2О3*1,5SiO2 р—1,3	8	1100
		9	1060
		10 11	1040
			990
Череповецкий	Nа2СОз р—1,15	8	260
		9	280
		10	360
		11	425
Криворожский	Nа2СО3 Р —1,15	10	500
		11	560

Влияние природы щелочного компонента на прочность бетона состава 1:3 на заполнителе песке с М_кр =0,9 иллюстрируют данные табл. 6.

Из этих данных, в частности, следует, что при использовании в виде щелочного компонента силиката натрия прочность бетона в меньшей степени зависит от влажности смеси, чем при использовании соды.

Таблица 7. Зависимость прочности бетона от расхода шлака и содержания глины в вяжущем

Состав бетонной смеси, проц				Влажность смеси при затворении Na2S03,р= 1,3 г/см2	Предел прочности при сжатии после пропаривания, кг*с/см2
шлак	Шлак + 5% глины	Шлак + 15% глины	песок Мкр=0,9
25			75	10	860
	15		85	9	695
	20		80	9	880
	25		75	10,5	890
		15	85	9	625
		20	80	10	775
		25	75	11,5	876

Кроме того, как видно из табл. 7, при использовании метасиликата натрия даже при невысоких расходах шлака порядка 300 кг/м³ достигается высокая прочность мелкозернистого бетона.

Кроме песков и супесей, для получения конструктивных бетонов марок 200—400, с морозостойкостью 100 и более циклов, обладающих допустимой деформативностью, можно использовать в виде заполнителей легкие суглинки с содержанием песчаных фракций и менее 60% при условии изготовления из них гранул на шлакощелочных вяжущих.

Гранулы размером 10—30 мм можно изготавливать из бетонной смеси на основе суглинка и шлакощелочного вяжущего. Пропаренные или затвердевшие в естественных условиях гранулы служат круп­ным заполнителем в бетоне, а песок или супесь — мелким.

Размеры гранул позволяют изготавливать их из более жестких бетонных смесей, чем обычные. Обла­дая развитой поверхностью, они легко отдают избыточную влагу в процессе твердения. В это же время происходит основная часть усадочных деформаций, что приводит к уплотнению бетона гранул.

Остаточные усадочные напряжения в нем ниже его прочности при растяжении, так как бетон гранул, не будучи связан в монолит, свободно деформируется в результате усадки. Поэтому на поверхности гранул трещины не возникают.

При формировании структуры бетона гранул происходят уже описанные явления, характерные для бетонов на шлакощелочном вяжущем. Щелочь, обладая повышенной активностью в момент образования в процессе гидратации вяжущего, вступает во взаимодействие с глинистыми минералами заполнителя, образуя глинощелочной цемент, который, наряду с продуктами гидратации шлакощелочного цемента, скрепляет пылевидные частицы суглинка.

Высокая активность и особые свойства шлакощелочного цемента обусловливают возможность по­лучения на его основе бетонов с высокими показателями морозостойкости даже при использовании низкокачественных крупных заполнителей. Так, например, исходная прочность шлакощелочного бетона на карбонатном щебне (R_сж⁼400кгс/см², Мрз — 50 циклов) при расходе шлака 500 кг/м³ и использовании в виде щелочного компонента метасиликата натрия составляет 900 кгс/см². После 1115 циклов попеременного замораживания и оттаивания она увеличилась до 1015кгс/см².

Бетон такого же состава, но на 15%-ном растворе соды, имел исходную прочность при сжатии 430 кгс/см², а после 1000 циклов попеременного замораживания и оттаивания — увеличил ее до 450 кгс/см²,

Таблица 8. Зависимость прочности бетона на гранитном щебне от основности шлака и природы щелочного компонента

Шлакощелочной цемент		В/Ц	Предел прочности образцов при сжатии, кгс/см2			Морозостойкость
Шлак	Вид щелочного компонента
Нижнетагильский	Na2SiO3*9H2O	0,36	710	770	905	1000
	Na2CO3	0,39	360	380	500	945
	Na2CO3+NaOH	0,39	460	580	690	945
	Na2CO3+Ca (OH) 2	0,38	300	350	460	750
Нижнетагильский титанистый	Na2SiO3*9H2O	0,37	690	705	880	1000
	Na2CO3	0,38	300	360	420	945
	Na2CO3+NaOH	0,38	365	440	590	945
	Na2CO3+Ca (OH) 2	0,38	290	265	390	750
Коммунарский	Na2SiO3*9H2O	0,37	970	1060	1130	1000
	Na2CO3	0,38	500	610	700	945
	Na2CO3+NaOH	0,38	560	620	700	945
	Na2CO3+Ca (OH) 2	0,38	305	290	410	750
Примечание. Состав бетонной смеси - ц н щ=1 1,7• 3,3

Прочность шлакощелочного бетона при попеременном замораживании и оттаивании возрастает и в случае использования в виде крупного заполнителя гранитного щебня (табл. 8).

Характерно, что при одинаковом расходе щелочного компонента—3—3,5% в пересчете на Na₂О наиболее высокой прочностью отличаются бетоны на растворимом стекле. Значительную прочность показывают и бетоны на исследуемых шлаках и комплексном щелочном компоненте: смесь Na₂C0³ — 80 и Na0Н—20% по массе. Такая же прочность характерна и для бетона на основном коммунарском шлаке и Na₂C0³. Бетоны на кислых нижнетагильских шлаках на этом щелочном компо­ненте обладают более низкой прочностью, чем на комплексном компоненте. Это подтверждает целесообразность сочетать в шлакощелочных цемен­тах на нейтральных и кислых шлаках соединения щелочных металлов второй (несиликатные соли — Nа₂СОз) и первой (едкие щелочи —NаОН) групп. Сочетание же этих соединений с гидроокисью кальция в упомянутом выше соотношении приводит к некоторому снижению прочности бетона.

Таким образом, виды шлаков, щелочных компонентов и заполнителей влияют на прочность и другие свойства шлакощелочных бетонов.