27.05.2008 23:21:51
Журнал «ВесьБетон» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.
Особенности журнала ВесьБетон:
Как сделать прочный (до марки «600»), водостойкий, долговечный, экономичный бетон, не требующий ни грамма портландцемента — этого хлеба строительства? Об этом и рассказывает Э. Арбузина в своей новой статье.
Считается, что первый из найденных образцов бетона был изготовлен за 5600 лет до нашей эры, и в качестве вяжущего он содержал известь. С тех пор было предложено много различных вяжущих веществ и, чаще всего, основой для них служили окислы щелочных или щёлочноземельных металлов — кальция, магния, натрия. Кроме того, предлагались как объединение магния с натрием (а.с. 285571 и 342843), так и своеобразная «экзотика» в виде нитрида алюминия (а.с. 565895). Но все же наиболее распространенными сегодня являются вяжущие на основе кальция.
Это, прежде всего, известный портландцемент и множество его разновидностей (шлакопортландцемент, пуццолановый и др.). Важное достоинство данных материалов в том, что это гидравлические вяжущие. Бетон на портландцементе способен твердеть и под водой, тогда как другие вяжущие, например, магнезиальное или растворимое стекло на основе натрия, — вяжущие воздушные, бетоны на их основе разрушаются от действия воды.
Всем это было известно, все с этим смирились. За исключением одного человека — киевского учёного В. Д. Глуховского. Он обратил внимание на то, что природные конгломераты — как бетоны — представляют собой композиции из отдельных зерен, объединенных в единый монолит связкой на основе окислов тех же металлов — кальция, магния, натрия.
Большинство прочных, долговечных и водостойких минералов, таких как гнейс, гранит и другие, в качестве вяжущего содержат окислы натрия — который, по нашему мнению, создаёт неводостойкое вяжущее.
Удивило другое: оказывается, большинство весьма прочных, долговечных и водостойких минералов, таких как гнейс, гранит и другие, в качестве вяжущего содержат окислы не кальция, а того самого натрия, который, по нашему мнению, создаёт неводостойкое вяжущее. Тут же закипела работа. Выяснилось, что, воздействуя на аморфный кремнезём раствором едкого натра, вполне возможно получить прочный, водостойкий камень — силикат натрия и бетон на его основе.
Стоп. Но силикат натрия давным-давно известен строителям. Мало того, он широко применяется! Это то самое растворимое стекло, которое использовалось ещё при царице Клеопатре. Так что же открыл В. Д. Глуховский? С одной стороны, получен новый, весьма эффективный бетон, которого ранее, безусловно, не было, но с другой — новое оказалось хорошо забытым старым?
Известен безводный силикат натрия. В технической литературе он называется силикат-глыбой. Растворяя его в воде, и получают растворимое (или, как его ещё называют, жидкое) стекло. Эта вязкая киселеобразная жидкость, содержащая до 70 % воды, известна многим, она продаётся в магазинах канцтоваров под именем канцелярского клея. Надо сказать, что силикат-глыба обладает достаточной водостойкостью, она удовлетворительно растворяется только в условиях высоких значений температуры и давления, а потому при получении из неё жидкого стекла применяют автоклав.
Если жидким стеклом затворять бетонную смесь, не содержащую другого вяжущего, то из-за высокой вязкости стекла, потребуется большое количество затворителя. Соответственно, бетон получится излишне пористым, малопрочным и недостаточно водостойким.
Известно, что жидкое стекло может быть разным по качеству, оно характеризуется так называемым модулем, численно равным соотношению окислов кремния и натрия: чем меньше модуль, тем легче растворяется силикат натрия. Следовательно, для получения водостойкого бетона на основе окислов натрия, а не кальция, необходимо выполнение двух условий: во-первых, нужно ограничить содержание воды в бетоне, а во-вторых, обеспечить достаточное наличие реакционно-способного кремнезёма.
Традиционным путём, т.е. с использованием жидкого стекла, эта задача невыполнима, поскольку реализация одного из условий делает невыполнимым второе условие: повышение модуля (т.е. увеличение содержания кремнезёма) приводит к повышению вязкости затворителя и, соответственно, к необходимости дополнительного введения воды, повышающей пористость, снижающей прочность и водостойкость бетона.
Вот это противоречие и удалось гениально разрешить В. Д. Глуховскому: бетонную смесь нужно затворять не вязким растворимым стеклом, а истинным водным раствором щелочи и, кроме того, ввести в бетонную смесь достаточное количество активного кремнезёма. В результате синтез высокомодульных водостойких силикатов натрия будет начинаться не ранее, а позднее затворения бетонной смеси, при этом затворитель — истинный раствор — не будет обладать повышенной вязкостью и не сможет сыграть свою отрицательную роль. Нужно сделать так, чтобы силикаты натрия (т.е. жидкое стекло) начали образовываться тогда, когда бетонная смесь уже перемешана и уложена в опалубку. Автоклав здесь не нужен, поскольку нет силикат-глыбы, которую нужно растворять.
Оказывается, бетонную смесь нужно затворять не вязким растворимым стеклом, а истинным водным раствором щелочи и добавлять достаточное количество активного кремнезема.
Роль активного окисла кремния прекрасно сыграл молотый доменный шлак, содержащий много аморфного кремнезёма, а роль щелочного компонента — водный раствор едкого натра (позднее стали применять не товарную едкую щелочь, а промышленный отход — содощелочной плав). Выяснилось, что с несколько меньшим эффектом едкая щелочь может быть заменена содой, что сделало бетон ещё более экономичным.
Бетон получился прочным (до марки «600»), водостойким (применялся для лотков оросительных систем, где обычный бетон не всегда выдерживал), он не требовал ни грамма портландцемента — этого хлеба строительства, был долговечным (применяется около полувека) и экономичным.
Надо было защищать приоритет и автора, и государства, т.е. обеспечить бетон патентной защитой. Но созданное техническое решение было настолько, с одной стороны, революционным, а с другой стороны, оно кое-кому представлялось не новым (ведь силикат натрия уже использовался), что появились проблемы. Закончилось всё тем, что автор «замаскировал» своё изобретение, назвав полученный бетон безобидным и ничего не защищающим словом грунтосиликат, где в качестве отличительной особенности было указано использование местных грунтов. Позднее за этим уникальным вяжущим закрепилось название шлакощелочное, что тоже представляется не вполне правильным, поскольку шлак является далеко не единственным носителем аморфного кремнезёма — необходимого компонента для этого вяжущего, имеется ещё и микрокремнезём, и диатомит, и туф, и вулканический пепел (пуццолана), и золы ТЭС, и др.
Таким образом, новое вяжущее было настолько законспирировано, что до сих пор находится на полулегальном положении.
Портландцементу около 200 лет, и он всё ещё изучается и совершенствуется. Рассматриваемое вяжущее в четыре раза моложе, не удивительно, что его тоже пытаются улучшить. Одним из недостатков вяжущего является необходимость применения едкой щелочи, которая может вызывать ожоги, а потому требует особых условий хранения, осторожности при дозировании, да и цена её не низкая.
Как уже говорилось, установлено, что едкую щёлочь (NaOH) в этом вяжущем можно заменить содой (NaCO3). Это делает производство более безопасным и экономичным, но приводит к снижению прочности. Было бы весьма заманчивым сделать так, чтобы едкой щелочи не было среди ингредиентов затворяемого бетона, а появлялась бы она самопроизвольно, внутри бетонной смеси уже после её затворения.
Едкую щёлочь (NaOH) можно заменить содой (NaCO3).
Оказывается, это вполне возможно, если к смеси добавить ещё один недорогой и недефицитный компонент — известь (СаО). Реакция идет по уравнению:
Na2CO3+CaO+H2O=CaCO3+2NaOH.
Новый продукт реакции — карбонат кальция — выпадает в осадок, а образовавшаяся едкая щелочь соединяется с аморфным кремнезёмом, создавая так необходимый высокомодульный силикат натрия — основу нового вяжущего. В общем случае, вместо конкретных соды и извести, могут быть взяты: любая углекислая соль щелочного металла и окисел щелочно-земельного металла (авт. свид. №313805).