В’яжуче

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения вяжущих, растворов и бетонов на их основе. Известно вяжущее, включающее гранулированный доменный шлак и жидкое стекло [1]. Недостатком известного вяжущего является низкая прочность на изгиб, образование высолов и короткие сроки схватывания. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является вяжущее [2], включающее, мас.%: Гранулированный доменный шлак 70 Жидкое стекло 10 Силикат-глыба 20 Рассматриваемое вяжущее хотя и в меньшей мере, но все же обладает такими же недостатками, что и предыдущее [1]. Для устранения отмеченных недостатков предлагается вяжущее, включающее гранулированный доменный шлак и добавку, отличающееся тем, что для увеличения сроков схватывания, предотвращения образования высолов и увеличения прочности на изгиб в качестве добавки оно содержит кварценатриевое стекло (бой бутылочного, оконного и технического стекла) при следующем соотношении компонентов, мас.%: Гранулированный доменный шлак 90 - 95 Кварценатриевое стекло (бой бутылочного, оконного и технического стекла) 10 - 5 Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. Жидкое стекло, как пересыщенный жидкий раствор, при гидратации и твердении граншлака только частично химически связывается минеральными вяжущими веществами, образуя с ними термодинамически устойчивые соединения, остальная часть находится в ионном состоянии в жидкой фазе или образует термодинамически неустойчивые соединения, которые при изменении условий эксплуатации конструкции и изделий, растворяясь, переходят в жидкую фазу, образуют аморфные соли в порах бетона или в виде высолов на поверхности изделий. Так, при снижении pH жидкой фазы кремневые кислоты мало диссоциируют на ионы (15), усиливается полимеризация кремнезема, а при pH 9 в растворе остается лишь небольшое количество монокремневой кислоты, не обеспечивающей образования устойчивых соединений при гидратации гранулированного доменного шлака. Назначая состав жидкого стекла (так называемый модуль) мы ориентируемся на получение промежуточных результатов (повышение прочности и плотности, кислотостойкости и пр.) после определенных нормативных сроков твердения образцов, но не учитываем характер протекания физикохимических процессов между жидким стеклом и продуктами твердения шлака в процессе эксплуатации изделий, так как мы по существу не знаем, какие конечные продукты образуются в различных условиях. При изучении кинетики твердения активизированного граншлака с жидким стеклом установлено, что протекание физико-химических процессов минералообразования зависит от концентрации активизатора в жидкой фазе. Более того, при изменении концентрации жидкого стекла в жидкой фазе, а это, безусловно, происходит при эксплуатации конструкций (выщелачивание, увлажнение, высыхание, замораживание, оттаивание), создаются условия, при которых стабильное существование новообразовавшихся продуктов становится невозможным из-за снижения pH жидкой фазы, они разрушаются. И в результате на изделиях появляются высолы. Следовательно, наличие в жидкой фазе затвердевшего шлакового камня подвижных свободных ионов растворившегося и неусвоившегося граншлаком жидкого стекла является причиной образования в порах шлакового камня увеличивающихся в объеме термодинамически неустойчивых солей, создающих напряжения, разрушающие затвердевшую структуру шлакового камня, или, растворяясь, образуют высолы. Известен способ предотвращения высолообразования при изготовлении бетонов и растворов на шлакощелочных вяжущих. При этом рекомендуется вяжущее, включающее, мас.%: Основной доменный гранулированный шлак 68 - 80 Карбонатный наполнитель 10 - 25 Содощелочный плав 7-9 Жидкое стекло 3-6 Содощелочный плав вводят в состав вяжущего в виде водного раствора 10 - 30% концентрации. Жидкое стекло используют в виде раствора плотностью 1,15 - 1,3г/см3. Вяжущее твердеет в естественных условиях при пропаривании и при автоклавной обработке. Недостатком этого вяжущего является высокая стоимость из-за применения большого количества щелочей. Нами проведены исследования влияния силикат-глыбы на гидратацию и твердение гранулированного доменного шлака. В результате установлено что нерастворившаяся часть силикат-глыбы, как аморфное (рыхлое) вещество в затвердевшем шлаковом камне, являясь по существу "инородным телом", при набухании увеличивается в объеме, вызывая деструктивные явления,расшатывающие структуру и понижающие прочность шлакового камня. Кроме того, в отличие от жидкого стекла, силикат-глыба слабо растворяется и активизирует граншлак при нормальных условиях твердения, и требует термообработки (табл.1). Силикат-глыба, добавленная в виде порошка в граншлак, при температуре 80 - 90°C во время пропарки в щелочной среде более интенсивно растворяется и частично химически связывается (усваивается) продуктами гидратации, образуя термодинамически устойчивые соединения. Другая часть растворившейся силикат-глыбы не усваивается граншлаком. Кроме того, некоторое количество силикат-глыбы не растворяется, не переходит в жидкую фазу, оставаясь в твердой фазе в виде набухших рыхлых солей. Это особенно наблюдается при твердении вяжущего в нормальных условиях. Эти гидролизованные соли, увеличиваясь в объеме, вызывают в затвердевшем шлаковом камне напряжение, превышающее предел прочности материала на растяжение; ослабляют и разрушают бетон (табл.1, 60 суток). К 90 суткам прочность образцов несколько возрастает. При повышении температуры (пропарка, автоклав) резко увеличивается растворимость силикат-глыбы и прочность шлакового камня. Особенно это заметно при автоклавном твердении образцов. Поэтому оптимальный процент добавки, при котором повышается прочность образцов в ранние сроки (7 - 28 суток), не превышает 1%. Добавка силикат-глыбы более 1% резко понижает прочность образцов при нормальном твердении (табл.1). Добавка к шлаку силикат-глыбы свыше 2% резко сокращает сроки схватывания шлакового теста. Оптимальный процент добавки силикатглыбы при пропарке составляет 6%, а при автоклавной - 5%. В табл.1 приведены результаты испытания шлакового теста нормальной консистенции, активизированного силикат-глыбой. Тонкость помола граншлака характеризовалась остатком на сите 0,08 - 9,6%. Активность граншлака составила 5,4МПа. Как показали опыты, добавка 6% силикат-глыбы к шлаку, активность которого при пропарке составляла всего 5,0МПа, дала возможность повысить активность шлака свыше 20,0МПа. Так, образцы состава 1 : 3 (шлак, песок), приготовленные согласно стандартам, после пропарки показали прочность на изгиб 7,5МПа, на сжатие - 23,0МПа. Активность шлака без добавки в 28 суток нормального твердения составляет 10,0МПа. Таким образом, при добавке 5 - 6% силикатглыбы к шлаку активностью 7 - 10МПа, можно получить марку активизированного шлака более 10МПа. Однако, несмотря на сравнительную высокую прочность, вопрос о применении силикат-глыбы требует детальных исследований. Другим существенным недостатком известных шлакощелочных вяжущих [1, 2] является сравнительно низкая прочность на изгиб. По данным [4] недостаточная прочность на изгиб резко снимает срок службы дорожных изделий. Комплексная проверка показала [4], что дорожные изделия из мелкозернистого бетона, имеющего более высокую прочность на изгиб, после 12 лет эксплуатации не имеют следов разрушения, тогда как срок службы аналогичных изделий из тяжелого крупнозернистого бетона не превышала 3 лет. К техническим недостаткам всех шлакощелочных вяжущих [5, 8, 11], в том числе и рассматриваемых [1, 2], следует отнести и короткие сроки схватывания, что снижает качество изделий, повышает процент брака, не позволяет применять современные технологии, а, следовательно, ограничивает область эффективного применения вяжущих (табл.2). Для увеличения сроков схватывания, как правило, в шлакощелочное вяжущее вводят добавкизаменители [6, 7, 9, 12], которые в большинстве случаев снижают их активность, усложняют технологию[10] и повышают стоимость изделий. В связи с тем, что для увеличения сроков схватывания в состав вяжущих рекомендуется вводить большое количество чистых дорогостоящих химических соединений и металлов [6] производство подобных вяжущих не нашло широкого распространения. В связи с изложенным в основу изобретения поставлена задача получить шлакощелочное вяжущее, лишенное вышеотмеченных недостатков, а именно: продлить сроки схватывания, повысить прочность на изгиб, предотвратить образование высолов, что дает возможность расширить область эффективного его применения, продлить срок службы изделий, снизить их стоимость и затраты на ремонт. Для решения поставленной задачи выполнены следующие исследования. В опытах применялось кремненатриевое стекло (бой оконного, бутылочного и технического стекла). Предлагаемое вяжущее, состоящее из доменного гранулированного шлака (табл.3) и кремненатриевого стекла, эффективнее предыдущего (табл.1) автоклавного твердения. Шлакощелочное вяжущее на кремненатриевом стекле не содержит в своем составе веществ, способных взаимодействовать с компонентами граншлака или парами воды, содержащимися в воздухе, в нормальных (воздушных) условиях, поэтому его можно хранить длительное время. После затворения водой и при постепенном повышении температуры давления водяного пара в автоклаве размолотое стекло частично растворяется и усваивается продуктами гидратации граншлака. Нерастворившаяся часть стекла при твердении граншлака образует центры кристаллизации шлакового стекла (стеклофазы), достраивая его дефектную структуру. Следовательно, в отличие от жидкого стекла и силикат-глыбы, кремненатриевое стекло растворяется столько сколько химически усваивается продуктами гидратации граншлака, образуя с ним термодинамически устойчивые соединения. Поскольку кремненатриевое стекло по технологии получения аналогично стекловидной фазе граншлака (то и другое получено закалкой огненно-жидкого силикатного расплава) и наличии в стекле кроме Na и других оксидов-модефикаторов (Al, Mn, Fe и др.), которые имеют и стекловидная фаза граншлака, говорит о их родстве по физико-химическим свойствам. Обнаруженный эффект активизации гранулированного доменного шлака кремненатриевым стеклом объясняется следующими физико-химическими процессами. Известно [4], что кремненатриевое стекло, как аморфное вещество, образуется в результате охлаждения жидкости (расплава) со скоростью выше критической, обладающее механическими свойствами твердого тела, характеризующееся термодинамической нестабильностью, т.е. обладает потенциальной энергией. В стекле, в отличие от кристаллов, согласно гипотезе Захариасена, атомы (или ионы) образуют пространственную сетку. Эти стекла структурно характеризуются только ближним порядком. Введение дополнительно (кроме Na) оксидов-модификаторов (Al, Mn, Fe и др.), повышает его амортизацию. Это связано с тем, что уже не все атомы кислорода, окружающие один из атомов, будут связаны с другим атомом кремния. В этом случае, число атомов кислорода, приходящееся на один атом кремния, станет больше, чем в кремневом. В кремнекислородной сетке образуются как бы разрывы, которые приводят к тому, что сетка стекла становится более рыхлой, в большей степени подверженной всяким внешним воздействиям - в том числе химическим, в нашем случае обладает способностью в щелочной среде при повышенной температуре и давлении вступать в химическое взаимодействие с компонентами шлака и образовывать термодинамически устойчивые соединения. Для активизации гранулированного основного доменного шлака КМЗ с удельной поверхностью 3200см2/г (табл.3) применялись кремненатриевые стекла: бой оконного, бутылочного и технического стекла. Испытания проводились на образцахбалочках, размерами 4 ´ 4 ´ 16см, приготовленных из пластичной растворной смеси состава 1 : 3 (вяжущее : песок), подвергнутых автоклавной обработке при давлении 8 - 10атм по режиму 4 : 8 : 4. Полученные при испытании результаты приводятся в табл.4. Экономическая эффективность предлагаемого изобретения. По данным [15] средние нормативы образования боя стеклотары установлены в следующих размерах, мас.%: пустых банок - 1,5 5,5; заполненных банок - 0,8 - 1,85; бутылок - 2,1 5,0. В строительных организациях при различных операциях нормативы образования стеклобоя составляют 1 - 15%. Объем образовавшегося в сфере бытового потребления стеклобоя определены в размере 10 - 15% общего объема образования стеклобоя в разных источниках. Коэффициенты образования ресурсов стеклобоя у населения к объему потребляемой продукции в стеклянной таре составляет: по бутылкам - 0,2 - 0,3%, банкам - 8,0 - 8,5% [15]. Стекольная промышленность бывшего СССР потребляла свыше 1млн.т в год кальцинированной соды, дефицит которой задерживал развитие стекольной промышленности. Использование 1т стеклобоя экономит 200 - 270кг соды [15]. Опыт бывшего СССР и других стран показывает, что использование стеклобоя в строительстве дает возможность увеличить выпуск продукции на 30% без дополнительных капиталловложений и получить доход от 13 до 25% годовых [15]. По данным США и Канады в состав дорожного покрытия входит до 60% стеклобоя [15]. По нашим подсчетам по методике, изложенной в [16], изготовление тротуарных плиток на основе шлакового вяжущего, активизированного стеклобоем, дает возможность получить экономию свыше 20%. Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР №631488, кл. C04B19/07, 1978. 2. Авторское свидетельство СССР №27717223/29 - 33, кл. C04B7/14, 1979. 3. Авторское свидетельство СССР №1625841 A1, 1991. 4. Мелкозернистые бетоны и их применение в строительстве // Бетон и железобетон. - 1993. №10. - С.2 - 4. 5. Авторское свидетельство СССР №7183396, кл. C04B7/14, 1980. 6. Авторское свидетельство СССР №812782, кл. C04B7/14, 1979. 7. Авторское свидетельство СССР №9373385, кл. C04B7/14, 1982. 8. Авторское свидетельство СССР №419489, кл. C04B7/14, 1972. 9. Авторское свидетельство СССР №1008182 A, кл. C04B7/14, 1983. 10. Авторское свидетельство СССР №485984, кл. C04B7/14, C04B7/52, 1976. 11. Авторское свидетельство СССР №5831106, кл. C04B7/20, 1977. 12. Авторское свидетельство СССР №583106, кл. C04B7/20, 1972. 13. Мазурин С.В., Порай-Кошиц Е.А., Шульц М.М. Стекло: природа и строение. - Л.: Знание, 1985. - 32с. 14. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., МчедловПетросян О.П. Термодинамика силикатов / Под ред. О.П. Мчедлова-Петросяна. - 4 - е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 408с. 15. Вторичные материальные ресурсы номенклатуры Госснаба СССР: образование и использование: Справ. / Под ред. Т.С. Азарова и др. - М.: Экономика, 1987. - 244с. 16. Временные методические положения по определению вторичных материальных ресурсов, образующихся и потребляемых в отрасли. - М., 1986.