Тяжелые и легкие бетоны на вяжущих из топливных гранулированных шлаков

Побочные продукты металлургической и энергетической промышленности являются неисчерпаемым источником дешевого сырья для производства бесклинкерных цементов. Ряд электростанций Советского Союза использует прогрессивный метод сжигания топлива при 1500—1700° в топках с жидким шлакоудалением, причем расплав гранулируется с помощью воды. Получаемый таким способом гранулированный шлак состоит из стекловидных образований в виде зерен размером 0,15—30 мм, и характеризуется устойчивым химическим составом, а также минимальным содержанием несгоревших частиц угля (до 1°/о) Однако до сих пор гранулированные топливные шлаки, обладающие рядом ценных свойств, в том числе гидравлической активностью в присутствии активизаторов твердения не находили должного применения.

Цель настояшей статьи — осветить результаты проведенных в Московском инженерно-строительном институте имени В В. Куйбышева исследований по выбору основных технологических параметров производства тяжелых и легких бетонов на вяжущих из топливных гранулированных шлаков и изучения некоторых строительных свойств этих бетонов.


Вяжущие вещества готовились совместным помолом шлаков с активизаторами твердения (известью и гипсом) до остатка 6—8% на сите № 0085.

В работе была использована кальциевая (92% СаО+ + MgO) высокоэкзотермичная (90°) и быстро гасящаяся (6 мни.) известь. Введение двуводного гипса (25°/о от веса извести) замедляло скорость гашения смеси до 14 мин. при температуре гашения 65°. В исследованиях применялись вяжущие вещества оптимальных составов в зависимости от вида тепловлажностной обработки и химического состава шлака (табл. 2).

Из бесцементных вяжущих изготовлялись бетонные образцы размером 10x10x10 ext на плотных и пористых заполнителях. В качестве плотных заполнителей был использован гранитный щебень фракции 5—20 мм н кварцевый песок с модулем крупности 2,81; в качестве пористых — шлак Каширской ГРЭС, керамзит Лианозовского комбината марки 700 (для конструктивного бетона) и Щуровского завода марки 400 (для конструктивно-теплоизоляционного бетона).

Состав тяжелого бетона определялся по методу абсолютных объемов и после корректирования составил 1 : 1,15:3,53 (по весу) при расходе вяжущего 400 кг на 1 м3 бетонной смеси.


При установлении гранулометрического состава легких бетонов на пористых заполнит преследовалась цель получения бетонов «слитного» (плотного) строения, в которых все пустоты между крупными зернами заполнителей полностью заполнены раствором из мелких зерен и вяжущего. В шлакобетон входили фракции шлака: 5—20 мм—50°/о (по объему); 1,2—5 мм—25% и 0,15—1,2 мм—25%. Для керамзитобетона был использован керамзитовый заполнитель фракций: 5—20 «.и — 60%, 1.2—5 мм— 15% и 0,15—1,2 мм — 251-.

Как известно, для каждого соотношения вяжущего и заполнителя при принятом уплотнении существует свое оптимальное значение водной добавки, обеспечивающей максимальную прочность бетона. Наши опыты подтвердили так>ю закономерность и для исследуемой группы бетонов на основе гранулированных шлаков (рис. 1). Расход вяжущего вещества был принят в количестве 400 кг на 1 м бетона. Тепловлажностная обработка проводилась по режиму 3+13 час. на 95—100° бетонной смеси осуществлялось на лабораторной виброплощадке в течение 30 сек., с пригрузом в 25 г/см2.

Предел прочности при сжатии, определенный на образцах размером 20x20x20 см, для бетонов на гранитном щебне с В/В = 0,33 составляет 218 кг/см2 при объемном весе 2420 кг/м3, а для шлакобетона с В/В = 0,56—106 кг/см2 при 1430 кг/м3 (в высушенном состоянии).

Коэффициент перехода в показаниях прочности образцов размером 10х10х10 см к показаниям образцов размером 20x20x20 см лежит в интервале 0,78—0,85, т. е. мало отличается от значения, регламентированного для бетонов на портландцементе.


Влияние содержания бесцементного вяжущего на прочность бетонов, прошедших тепловлажностную обработку в пропарочных камерах, показано на рис. 2. Для определения этой и последующих зависимостей применялась бетонная смесь, характеризующаяся удобоукладываемостью 25—30 сек.

Увеличение содержания вяжущего в бетоне до 450— 500 кг на 1 м ведет к повышению прочности Однако дальнейшее увеличение расхода вяжущего вызывает меньший прирост прочности бетонов как на плотных, так и на пористых заполнителях

Для придания легкому бетону «плотной» структуры, что важно для армированного бетона, по данным отечественных и зарубежных исследователей, цемент должен вводиться в количестве около 400 кг на 1 м3 бетона.

Замена портландцемента бесклинкерным вяжущим является, таким образом, не только экономически выгодном, но и технологически обоснованной

При оптимальном водовяжущем отношении и принятом расходе вяжущего в 400 кг на 1 м3, прочность бетонов за висит от температуры и длительности тепловлажностной обработки Для бетонов на плотных заполнителях (гранитный щебень и кварцевый песок) увеличение температуры термообработки на 20° (с 75 до 95) приводит к увеличению прочности в 1,5—2 раза. Прочность же бетонов на пористых заполнителях (лианозовский керамзит и каширский шлак) при этом возрастает только на 25—30%.

После тепловлажностной обработки (режим 3+13 час) часть образцов была оставлена для хранения иа воздухе в течение 28 дней при относительной влажности 70—80%. Испытания показали, что бетоны на плотных заполнителях дают прирост прочности на 6—9% независимо от того, при какой температуре (75 или 95°) проводилась термообработка. Прочность легких бетонов увеличилась на 12—15%. Несколько больший прирост прочности в месячном возрасте у легких бетонов можно объяснить их повышенной влажностью после термообработки (10—14%), способствующей дальнейшему твердению вяжущих вешеств.

Увеличение продолжительности тепловлажнистной обработки приводит к значительному упрочнению бетона (рис. 3) Особенно резкий рост прочности наблюдается при удлинении прогрева с 10 до 15 час. при 95°. При этом прочность возрастает на 40—50%, дальнейший паропрогрев с 15 до 35 час. дает приращение прочности только на 15—25%- Поэтому рациональная продолжительность тепловлажностной обработки бетонов на бесцементных вяжущих из топливных гранулированных шлаков при 95—100° должна лежать в пределах 13—15 час.

Исследуемая группа бетонов отличается медленным твердением при обычных температурах. Прочность образцов стандартного хранения в возрасте 6 месяцев составляет 45—55% от прочности образцов, пропаренных по режиму 3+13 час. при 95 (рис. 4).

Основные прочностные данные, определенные на образцах размером 10х10х10 см, обобщены в табл 3. Расход бесцементного вяжущего для мелкозернистых бетонов равен 470, для остальных 400 кг на 1 и3 бетона. Режим пропаривания 3+13 час. при 95°. автоклавной обработки — 2+8 + 2 час при 8 атм


Приведенные в табл. 3 результаты испытаний показывают, что прочность пропаренных бетонов как при водном, так и при воздушном хранении с течением времени возрастает Прочность бетонов через 6 месяцев водного хранения увеличивается на 25—50%, воздушного — на 6—18%. Бетоны автоклавного твердения в месячном возрасте при хранении на воздухе показали снижение прочности на 5—15%, а в возрасте 6 месяцев наблюдается прирост прочности на 12% (по отношению к прочности после автоклавной обработки). Не замечено снижения прочности автоклавных бетонов водного хранения нн в месячном, ни в более отдаленные сроки


Коэффициент размягчения пропаренных бетонов зависит от содержания кремнезема в топливных гранулированных шлаках. Бетоны, приготовленные на вяжущих из шлаков Московской ТЭЦ-11 (содержащих около 50% кремнезема), имеют коэффициент размягчения менее единицы (0,89—0,92), при использовании ленинградских шлаков — в пределах 0,91—0,96.

Бетоны автоклавного твердения имеют коэффициент размягчения 0,65—0,83.

Испытания на морозостойкость проводились по ГОСТу 7025—54. Образцы размером 10х10х10 см замораживались при—17° в течение 4 час., температура в морозильной камере записывалась автоматически термографом типа М-16.

Через каждые 5 циклов образцы осматривались и взвешивались в оттаявшем состоянии.

Приведенные в табл. 4 данные свидетельствуют о достаточной морозостойкости бетонов на вяжущих из топливных гранулированных шлаков против переменного замораживания и оттаивания. Пропаренные бетоны на плотных заполнителях выдержали 50, а на пористых —35 циклов; бетоны автоклавного твердения — соответственно 50—65 и 35— 50 циклов.

Материалы в наружных конструкциях подвергаются в процессе эксплуатации чередующимся воздействиям увлажнения и высыхания. Как известно, одна из основных причин «старения» бетона заключается в чередующихся явлениях усадки и набухания, приводящих к расшатывд ню его структуры и к падению прочности.

Стойкость бетонов против воздействия переменного увлажнения и высушивания определялась на образцах размером 10X10x10 см. Кубы после водонасышення высушивались при температуре 75—80е в течение 7—8 час., затем вновь насыщались водой в течение 16—17 час. После каждых 5 циклов образцы осматривались и взвешивались, а после 25, 50 и 75 циклов испытывались на сжатие. Результаты испытаний приведены в табл. 4.


Наблюдается некоторое увеличение прочности бетонов после 25 циклов переменного увлажнения и высушивания Спад прочности посте 75 циклов не превышает 10% для плотных бетонов и 15%—для легких

Уплотнение бетонном смесн осуществлялось вибрацией в течение 30 сек. с пригрузом 25 г/см2 Температура тепло- влажностной обработки была принята 80° (для бетона на портландцементе), 95 и 174° (для бетонов на бесцементном вяжущем). Расход портландцемента и вяжущего назначался таким образом, чтобы получить равнопрочные бетоны, а именно- портландцемента—280 кг на 1 м2, шлакового вяжущего 400 и 320 кг на 1 м3 бетона (термообработка соответственно при 95 и 174°). Спустя 4 часа после окончания тепловлажностной обработки образцы взвешивались и замерялись на оптическом приборе ИЗВ-1 с точностью 0,001 мм. Образцы хранились на воздухе при температуре 18—20° и относительной влажности 65—75%. Дальнейшие наблюдения информации усадки плотных Сетонов на бесцементном вяжущем не превышает усадку бетонов на портландцементе. Увеличение температуры термообработки с 95 до 174° приводит к снижению величины усадки примерно в 1,5 раза.

Таким образом, пропаренные бетоны на бесцементных вяжущих из топливных гранулированных шлаков при оптимальном водовяжущем отношении, принятом расходе вяжущего 400 кг на 1 л(3 бетона и режиме тепловлажнистной обработки 3+13 час при 95—100° обнаружили следующие строительные свойства.


Марочная прочность бетонов на гранитном щебне более 200 кг/см , а шлакобетонов (при объемном весе в высушенном состоянии 1430 кг/м2) —100 кг/см2.

Водопоглощение пропаренных бетонов на гранитном щебне составляет 6,2—6,6%, на каширском шлаке —11,2—13,1%. Бетоны на вяжущих из шлаков Московской ТЭЦ-11 характеризуются коэффициентом размягчения, равным 0,89— 0,92, а из гранулированных шлаков Ленинградской ТЭЦ-14— 0,91—0,96.

Бетоны на плотных заполнителях выдержали 50, а на пористых —35 циклов переменного замораживания и оттаивания.

После 75 циклов переменного увлажнения и высушивания спад прочности — менее 10% для тяжелых бетонов и 15%—для легких.

Через 40 дней после пропаривания деформации усадки тяжелых бетонов на бесцементном вяжущем не превышают усадку бетонов на портландцементе.

Проведенные исследования показывают, что группа плотных и легких бетонов на бесцементном вяжущем может применяться в конструкциях крупноблочных домов.

Полученные результаты были использованы при изготовлении в опытном порядке заводских партий крупных стеновых блоков на московском заводе № 21 Главмоспромстронйматериалы и пермском заводе железобетонных конструкций №3 Изготовленные изделия были оставлены на открытой площадке для хранения в природно-климатических условиях и при испытаниях показали хорошие результаты.