Подбор состава плотного силикатного бетона
Состав плотного силикатного бетона подбирают по общей схеме, принятой для цементных бетонов. Предварительно определяют по имеющимся графикам и таблицам расход материалов для пробных замесов, а затем уточняют состав бетона для них по результатам испытания контрольных образцов.
Расчет расхода материалов для пробных замесов производят в следующей последовательности:
1) определяют по таблицам и графикам расход смешанного вяжущего и содержание в нем извести в пересчете на СаО, обеспечивающее получение силикатного бетона заданной прочности, учитывая при этом фактическую тонкость помола кварцевого песка;
2) определяют оптимальный расход воды на 1 м3 смеси с учетом принятого метода формования и режима уплотнения. При изготовлении изделий с вибрационным уплотнением количество воды может быть принято из расчета 10 – 15% от веса сухих компонентов;
3) определяют расход немолотого песка, исходя из предполагаемого объемного веса уплотненной бетонной смеси.
Состав силикатного бетона уточняют на серии пробных замесов следующим образом:
1. Определяют оптимальный состав смешанного вяжущего по наибольшей прочности, полученной при испытании образцов из бетона с различным соотношением молотого песка и извести. Для этого изготовляют три состава на принятых материалах, один из которых принимают по табличным данным, а два других должны отличаться от него на ±10 – 15%.
2. Определяют необходимый расход смешанного вяжущего и воды. Для этого на ранее выбранном оптимальном составе смешанного вяжущего изготовляют три пробных замеса с различными расходами его, один из которых берут по таблице, а два других, отличающихся от него на ±10%. Затем для каждого состава определяют оптимальное по условиям уплотнения содержание воды, которое устанавливают по трем пробным замесам с различным расходом воды.
По результатам испытания контрольных образцов, изготовленных в условиях, близких к производственным, строят кривые зависимости прочности силикатного бетона от расхода вяжущего, содержания тонкомолотого песка и водосодержания бетонной смеси, Анализируя эти кривые, устанавливают оптимальный состав силикатобетонной смеси
Для получения шлакощелочного бетона используется шлакощелочной цемент – гидравлическое вяжущее вещество, в котором алюмосиликатный компонент представлен гранулированными шлаками (ГОСТ 3476), а щелочной – соединениями щелочных металлов, получаемого путем совместного помола гранулированного шлака с соединениями щелочных металлов или затворения молотого гранулированного шлака растворами этих соединений. Шлакощелочные цементы подразделяются на щелочные – на основе бес кальциевых алюмосиликатных стекол (гранулированные шлаки теплоэлектростанций, никелевого производства и т.п.) и щелочно – щелочеземельные на основе кальциевых стекол (доменные гранулированные шлаки, электротермофосфорные шлаки и другие). В качестве щелочного компонента используются: едкие щелочи (ГОСТ 2263); кальцинированная сода (ГОСТ 10689); плав соды кальцинированной (ТУ 6-03-294-71); поташ (ГОСТ 10690); растворимые стекла с силикатным модулем до 2; соединения 4 группы - щелочные алюминаты; пыль электрофильтров клинкерообжигательных печей, содержащая до10% щелочных соединений.
Свойства шлакощелочных цементов
Нормальная густота 25…30%. Сроки схватывания – начало через 30…60 минут, конец - через 2…5 часов. Активность цемента с удельной поверхностью 3…3,5 тыс. см2/г в зависимости содержания щелочного компонента, его природы, вида шлака и условий твердения при испытании в тесте нормальной густоты изменяется от 50,0 до 160 МПа (табл.1).
Таблица 1 - Зависимость активности цементного теста от длительности изотермического прогрева и вида щелочного компонента.
| Состав цемента, % | Предел прочности при сжатии, МПа, при изотермическом прогреве в течении, ч., и щелочном компоненте. | ||||||
| Шлаккоммуна- рский | Горелая порода | Na2CO3 | NaOH | Na2CO3 | NaOH | Na2CO3 | NaOH |
| - | 67.0 92.5 120.0 70.0 | 3.0 94.0 102.0 6.0 | 77.5 98.0 124.0 | 125.6 |
Таблица 2 - Зависимость активности цемента от расхода щелочного компонента при твердении в естественных условиях.
| ШЛАК | Модуль основно- сти шлака,Мо | Вид щелочногокомпонента и его плотность | Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут. | |||
| днепропетровский | 1,1 | Na2O*SiO2 r=1,3 Na2O*SiO2 r=1,3 |   |   |   |   |
| череповецкий | 1,0 | Na2O*SiO2 r=1,2 r=1,3 Na2O*1,6SiO2 r=1,3 |    |    |    |    |
| нижнетагильский | 0,8 | Na2O*SiO2 r=1,2 r=1,3 |   |   |   |   |
Примечание: над чертой предел прочности образцов из теста нормальной густоты, под чертой – из раствора 1:3 по массе.
Таблица 3 - Зависимость активности шлакощелочных вяжущих от химического состава гранулированных шлаков
| Вид алюмосиликатной составляющей | Содержание оксидов, % | Предел прочности на сжатие, МПа, при использовании щелочного компонента | ||||||
| Na2CO3 | NaOH | Na2SiO3 | ||||||
| Шлаки: | CaO | Аl2O3 | Нормальное твердение | Пропаривание | Нормальное твердение | Пропаривание | Нормальное твердение | Пропаривание |
| Днепропетровский | 53,4 | 45,5 | 49,6 | 118,5 | 121,6 | |||
| Нижнетагильский | 9,2 | 57,4 | 59,6 | 69,2 | 114,5 |
Таблица 4 - Зависимость активности шлакощелочных вяжущих от основности гранулированных шлаков
| Группа шлаков | Силикатный модуль стекла | Предел прочности при сжатии, МПа, образцов из теста нормальной частоты | |
| Нормального твердения | Пропаренных | ||
| Основные | 1,0 | 100…140 | 119…151 |
| 1,6 | 110…130 | 126…160 | |
| Кислые | 1,0 | 70…90 | 115…132 |
| 1,6 | 80…97 | 130…136 |
Гидратация шлакощелочных вяжущих
Отличие жидких щелочей, щелочных силикатов и алюминатов от кальциевых соединений является их большая растворимость. Поэтому состав веществ, которые участвуют в процессах конденсации в водостойкий камень вяжущих дисперсии отличается от состава веществ, обеспечивающих синтез водостойкого камня на основе кальциев вяжущих.
В частности, гидрозоли кремневой кислоты имеют отрицательный заряд, а гидрозоли многовалентных металлов (железа, алюминия и хрома) – положительный. Поэтому они могут коагулировать кремнекислоты. Водостойкие продукты, возникающие в результате агрегирования гидрозолей, представляют их с коагулированные смеси-гели. Гелевидные частицы адсорбируют щелочные ионы, присутствие которых приводит к синтезу щелочных соединений, в том числе и кристаллической структуры. Особенно сильное коагулирующее действие на щелочной гидрозоль кремневой кислоты оказывают катионы алюминия. При смешении щелочных кремне и алюмозолей, коагулируют водостойкие щелочные гидраты. В результате легко синтезируются практически не растворимые новообразования в виде четырех компонентных систем R 2O *Al2O3*SiO2*H2O.
Гидроокиси щелочноземельных металлов (кальция, стронция, бария) так же коагулируют кремне – и алюмозоли, образуя гели, которые содержат в своем составе окислы щелочноземельных и щелочных металлов, что приводит к синтезу, пятикомпонентных систем R 2O*RO*Al2O3*SiO2*H2O.
Обе системы проявляют гидравлические вяжущие свойства.
Детальные исследования процессов гидратации кремневой кислоты и гидроокисей амфотерных металлов щелочными гидроокисями или их смесями с щелочноземельными, позволил восстановить, что при этом возникает целая гамма вяжущих систем, продукты, гидратации которых возникают в виде хорошо растворимых в воде 2O*Al2O3*H2O, R2O*SiO2*H2O, плохо растворимых R2O *RO *Al2O3*H2O, R2O*RO*SiO2*H2O, малорастворимых R 2O*RO*Al2O3*SiO2*H2O и практически не растворимых R2O*Al2O3* SiO2*H2O щелочных гидратов, а так же в виде малорастворимых щелочноземельных низко основных гидросиликатов RO*SiO2*H2O, а иногда и практически нерастворимых гидроалюмосиликатов RO*Al2O3* SiO2*H2O,
- где R2O – это Zi2O, Na2O, KaO, Rb2O, Cs2O;
RO - это CaO, SrO, BaO.
Гидратация обязательное, но не достаточное условие проявления смесями, содержащими соединения щелочных металлов, гидравлических вяжущих свойств. Вторым условием, определяющим эти свойства, является присутствие в составе продуктов гидратации катионов амфотерных металлов, способных связывать щелочной гидрозоль кремневой кислоты, возникающий в процессе гидратации.
Когда в результате гидратации возникает избыточный щелочной гидрозоль амфотерного металла, что для формирования водостойких новообразований необходимы коагулянты, обладающие кислотными свойствами типа гидрозоля кремневой кислоты. Вяжущие на основе соединений щелочных металлов должны содержать на ряду с щелочными окислами и окисы, обладающие амфотерными и кислыми свойствами. В щелочно-щелочноземельных вяжущих наряду с перечисленными окислами содержатся щелочноземельные окислы, силикаты или алюминаты, которых образуют с щелочными алюмосиликатами твердые кристаллические растворы. К щелочноземельным гидравлическим вяжущим, таких требований не представляется. Достаточная для практических целей водостойкость искусственного камня на их основе обеспечивается уже в случае синтеза трехкомпонентных гидратных систем, типа гидросиликатов или гидроалюминатов.
В качестве заполнителей в шлакощелочных бетонах могут применяться как обычные традиционные заполнители (см. гл. ), так и дисперсные – мелкие пески, супеси, легкие суглинки. При этом такие бетоны на дисперсных заполнителях не уступают бетонам на портландцементе по прочности, водопроницаемости, морозостойкости, и другим показателям.
Таблица5 - Прочность шлакощелочных бетонов в зависимости от гранулометрического состава заполнителей.
| Состав бетонной смеси, % | Амплитуда колебаний,мм, при частоте вибрирования 3000 мин-1 | Средняя плотностьбетона, кг/м3 | Прочность на сжатие,МПа. | |||
| Молотый Днепро- дзержинский шлак | Песок фракции | Лесс фракции 0,15…0,005 мм. | 15% растворa 2CO3 | |||
| - | 0,25 0,35 0,57 | 66,4 67,7 51,2 | ||||
| 56,3 | 18,7 | 10,5 | 0,25 0,35 0,57 | 71,2 | ||
| 37,5 | 37,5 | 0,25 0,35 0,57 | 61,5 47,1 | |||
| - | 0,25 0,35 0,57 | 53,7 45,0 38,1 |
На прочность бетона влияют природа щелочного компонента, расход и основности шлака, содержание шлака, содержание глины, воды.
Таблица 6 - Зависимость прочности шлакощелочного бетона от влажности бетонной смеси.
| Условия твердения бетона | Прочность при сжатии, МПа, при влажности бетонной смеси,% | |||
| Пропаривание при атмосферном давлении | 40,7 | |||
| Запаривание в автоклаве | 43,7 | 31,2 |
Таблица 7 - Зависимость прочности шлакощелочного бетона от природы щелочного компонента. Раствор состава 1:3 по массе с Мкр=0,9.
| Шлак | Вид и прочность затворителя, г/см3 | Влажность смеси, % | Прочность при сжатии, МПа |
| Череповецкий | Na2O * 1,5SiO2  | ||
| Череповецкий | Na2CO3  | 42,5 | |
| Криворожский | Na2CO3 |
Таблица 8 - Зависимость прочности бетона от расхода шлака и содержания глины в вяжущем.
| Состав бетонной смеси, %. | Влажность смеси при затворении Na2SO3  2/см3,% | Прочность при сжатии после пропаривания, МПа. | |||
| Шлак | Шлак+5% глины | Шлак+15% глины | Песок, Мкр=0,9 | ||
| - - - - - - | - - - - | - - - - | 10,5 11,5 | 69,5 62,5 77,5 87,6 |
Таблица 9 - Зависимость прочности шлакощелочного бетона на гранитном щебне от вида шлака и природы щелочного компонента. Состав смеси: 1:1,7:3,3=Ц: П.: Щ (по массе).
| Шлакощелочной цемент | В/Ц | Прочность при сжатии, МПа, после пропаривания | Морозостойкость циклов | |
| Шлак | Вид щелочного компонента | |||
| Нижнетагильский | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca(OH) 2 | 0,39 0,38 | ||
| Нижнетагильский титанистый | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca (OH) 2 | 0,37 0,38 0,38 0,38 | 36,5 | |
| Коммунарский | Na2SiO3*9H2O Na2CO3 Na2CO3+NaOH Na2CO3+Ca (OH) 2 | 0,37 0,38 0,38 0,38 | 30,5 |
Таблица 10 - Расход материалов на один замес бетонной смеси.
| Расход материалов на один замес | Расходы растворов щелочей, л. | ||||
| Шлак молотый, кг. | Крупный сухой заполнитель, кг. | Мелкий сухой заполнитель, кг. | Вода, л. | Сода, 2/см3 | Поташ,  2/см3 |
| 5,9 3,6 2,7 2,3 2,0 | 7,0 8,3 8,5 9,0 8,5 | 4,7 5,9 6,7 7,3 7,4 | 1,77 1,44 1,35 1,38 1,37 | 1,81 1,46 1,38 1,41 1,4 | 1,84 1,5 1,4 1,44 1,43 |
Свойства шлакощелочного бетона.
Прочность на сжатие 20…100 МПа, на растяжении –2…6 МПа, марки по водонепроницаемости W4…W20. шлакощелочной бетон имеет хорошее сцепление с арматурой и защищает ее от коррозии. Он обладает повышенной водо и коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью, а поэтому его следует использовать в дорожном и ирригационном строительстве, при изготовлении труб, лотков и других конструкций.