Влияние состава геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород на свойства бетона

Одним из активно развивающихся направлений ресурсои энергосберегающих технологий в производстве строительных материалов стало создание шлакощелочных, минерально-шлаковых и геополимерных вяжущих [1, 2, 3]. Особый интерес представляют геополимерные вяжущие, созданные на основе алюмосиликатов природного и техногенного происхождения (шлаки, золы, каолины, полевошпатовые породы) и щелочных активизаторов. Исследования последних 20 лет показывают, что геополимерные вяжущие успешно применяются для изготовления бетонов различного функционального назначения [3].

Как показывают исследования на основе отсевов дробления щебня из магматических алюмосиликатных горных пород (гранит, перидотит, базальт и др.) могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40−80 МПа [4]. Целью настоящей работы является оптимизация расхода геополимерного вяжущего при использовании для производства бетона мелкого песка.

В исследовании применялось геополимерное вяжущее на основе смеси измельченных до дисперсности 350 м²/кг доменного гранулированного шлака Новолипецкого металлургического комбината и гранита Павловского месторождения (Воронежская область). Соотношение этих компонентов в вяжущем составляло 1:3,2. Для активации твердения применялся раствор низкоосновного жидкого стекала. В качестве крупного заполнителя использовался гранитный щебень фракций 5−10 мм, а в качестве мелкого — песок Сурского месторождения с М_кр = 1,52. В некоторых составах часть мелкого кварцевого песка была заменена на отсев дробления гранитного щебня фракции 5−0,63 мм. шлак бетон геополимерный Были изготовлены образцы с размерами 40Ч40Ч160 мм, которые твердели при тепловой обработке с температурой изотермии 85±5°С. Продолжительность подъема температуры — 3 часа, изотермической выдержки — 7 часов, остывания — 8 часов.

В табл. 1 и 2 представлены составы и свойства исследованных геополимерных бетонов. Данные табл. 1, показывают, что увеличение расхода вяжущего и пропорциональное повышение расхода активатора дает небольшой прирост прочности при сжатии и снижение прочности при изгибе. Разнонаправленное изменение прочностных характеристик при изменении расхода геополимерного вяжущего можно объяснить негативным влиянием увеличения усадочных деформаций на трещинообразование в матрице геополимерного камня. При этом в геополимерном камне увеличивается количество микротрещин, которые снижают прочность при растяжении, но не сказываются негативно на прочности при сжатии. С другой стороны, увеличение объема цементной матрицы бетона повышает плотность бетона и снижает количество макродефектов, что позитивно сказывается на пределе прочности бетона при сжатии. Анализ данных в табл. 1 и 2 показывает, что прочность бетона зависит от дозировки активатора твердения, а не расхода вяжущего.

Таблица 1 — Составы и свойства бетона при замене части кварцевого песка на отсев дробления щебня.

Таблица 2 — Составы бетона при использовании тонкого песка.

Использование отсева дробления для замещения части мелкого песка обеспечивает более оптимальный зерновой состав с точки зрения межзерновой пустотности заполнителя, что, как известно из технологии цементного бетона, позволяет получить более высокую прочность при заданной удобоукладываемости [5]. Составы геополимерного бетона без отсева дробления (табл. 1) и с отсевом дробления (табл. 2) отличаются расходом вяжущего и активатора твердения. В связи с этим их сложно сравнивать, однако сопоставление графика зависимость прочности от расхода вяжущего для бетонов с различным заполнителем (см. рис.) показывает, что замещение части мелкого песка на более крупный отсев дробления практически не дает никакого эффекта. В вязи с этим для приготовления геополимерного бетона можно использовать широко распространенные мелкие пески, малопригодные для производства портландцементных бетонов.

Влияние расхода вяжущего на прочность геополимерного бетона, приготовленного с применением в качестве мелкого заполнителя песка (1) и смеси песка и отсева дробления щебня (2).

Отличительной особенностью геополимерного бетона является повышенная усадка, которая может достигать значений 0,9 мм/м (табл. 2). Усадка зависит от двух факторов — расхода вяжущего и активатора (табл. 1 и 2). С учетом того, что долговечность геополимерных материалов в значительной степени зависит от усадки [6], необходимо уделять повышенное внимание этой особенности материала при подборе состава бетона.

Выводы

Проведенные исследования позволили установить влияние состава на свойства бетона, изготовленного с применением геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита с добавкой доменного гранулированного шлака. Выявлено, что прочность такого бетона в незначительной степени зависит от расхода вяжущего в широком диапазоне дозировки этого компонента. Наибольшее влияние на свойства бетона оказывает дозировка активатора твердения на основе низкомодульного жидкого стекла.

Важной особенностью исследованного геополимерного бетона является повышенная усадка, которая зависит как от расхода вяжущего, так и от дозировки активатора твердения.

В результате исследований были разработаны и исследованы составы геополимерных бетонов классов от B20 до В40 с низким расходом вяжущего на основе промышленных отходов и доступными и недорогими заполнителями. После исследования деформативных характеристик могут быть даны рекомендации по использованию этих бетонов взамен портландцементных бетонов для производства железобетонных конструкций.

Библиографический список

• 1. Глуховский В. Д., Пахомов В. А. Шлакощелочные цементы и бетоны. — Киев: Будiвельник, 1978 — 184 с.
• 2. Калашников В. И. Перспективы развития геополимерных вяжущих / Матер. 8 Акад. чтений «Современные состояние и перспективы развития строительных материаловедения», Самара, 2004. C. 193−197.
• 3. Davidovits J. Chemistry of Geopolymeric Systems Terminology // Geopolymer 1999. SaintQuentin, France. P. 9−40.
• 4. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Соломатин А. П. Вяжущие на основе магматических горных пород // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики: материалы 4-ой Международной конференции. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.276−286.
• 5. Баженов Ю. М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ, 2011. — 528 с.
• 6. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Теплова М. Ф. Усадка и трещинообразование геополимерных бетонов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50 928 (дата обращения: 06.04.2015).