Увеличение объемов производства бетона и железобетона невозможно без  увеличения количества заполнителей. При среднегодовом объеме производства бетона и железобетона более 60 млн м³ (в том числе более 20 млн м³ сборного и более 40 млн м³ товарного) и строительных растворов 20–25 млн м³,  потребность в нерудном заполнителе составляет более 50 млн м³ (или более 65 млн т), в мелком заполнителе 50–55 млн м³ (или более 70 млн т).

 Однако расширение добычи основных типов заполнителей бетонов не всегда может быть реализовано. Месторождения нерудных материалов типа строительного камня, песчаногравийных смесей и строительных песков не всегда могут быть использованы, так как они застроены, находятся в пойменных террасах рек или на других охраняемых территориях [2]. При этом бытовой и промышленный стеклобой, не находящий на сегодняшний день сбыта, но обладающий высокими прочностными характеристиками и доступностью, практически не используется как заполнитель бетонов. В нашей стране ежегодно образуется около 35–40 млн т твердых бытовых отходов, при этом рециклингу  подвергается только 3–4% ТБО [3]. Количество стеклобоя для различных территорий составляет 6–17 мас. %. Ежегодный объем стеклобоя, попадающего на полигоны твердых бытовых отходов, составляет 2–6 млн т. В сравнении с годовой потребностью в заполнителях эта величина невелика, но необходимо учитывать экологический эффект не только от утилизации компонента ТБО, но и возможность снижения добычи природных ресурсов при замене на сырье антропогенного происхождения. Кроме того, использование отходов в 2–3 раза дешевле, чем природного сырья [4], расход топлива при использовании отдельных видов отходов снижается на 10–40%, а удельные капиталовложения на 30–50%.

Тем не менее, проблема взаимодействия натрийкальциевого силикатного стекла с цементным камнем создает серьезные проблемы при использовании стеклобоя как эффективного наполнителя в цементных композиционных материалах. То же самое можно сказать о многих  стеклосодержащих материалах – минеральные и стеклянные волокнистые материалы (ваты), стеклоткань, пеностекло, которые могли бы быть использованы как эффективные заполнители в цементных композициях.

В результате щелочно-силикатной реакции образуется гель, который разбухает в присутствии влаги, приводя к образованию трещин и разрушению бетона. Данная реакция может протекать и в обычном бетоне, если наполнитель природного происхождения содержит реакционоспособный (обычно аморфный) оксид кремния. С одной стороны стекольный наполнитель способствует протеканию в бетоне щелочно-силикатной реакции вследствие того, что стекло содержит на поверхности Na+, способный создавать определенную концентрацию NaOH в цементной композиции даже в случае отсутствия щелочи в исходном цементе, а с другой стороны именно стекло содержит на поверхности соединения оксида кремния в аморфном виде. Известны  исследования натрий-кальциевого стекла как наполнителя цементного теста. В этом случае стеклобой различного состава и дисперсности добавлялся в цементную композицию, и исследовались в основном расширение и прочность полученного бетона. Так исследования проводились в Колумбийском университете (США) профессором С. Мейером [5, 6]. Выявлено, что добавление стекла в композицию в большинстве случаев приводит к протеканию процесса щелочно-силикатного взаимодействия и снижению прочности. Также проведены исследования влияния на процесс температуры и состава стекла [7]. Было обнаружено, что порошки стекла высокой дисперсности приводят к отсутствию расширения образцов [8]. Авторы делают предположение о высокой скорости протекания процесса щелочно-силикатной реакции в этом случае, что приводит к завершению процесса 24–28 ч, вследствие чего в дальнейшем не может быть зафиксировано расширение и разрушение образцов. Можно предположить, что в качестве возможных  путей подавления процесса щелочно-силикатного взаимодействия в композициях стекло – цемент авторы предлагают  использование стекла определенного гранулометрического состава [9, 10], добавление высокодисперсного стекла [11] и модификацию композиции добавлением соединений лития или циркония [5].

Рис. 1. Зависимость прочности бетонных композиций от размера стеклянного заполнителя в различный период времени при наличии и отсутствии дополнительной щелочи в композиции: 1 – в возрасте 13 недель без щелочи; 2 – в возрасте 1 неделя без щелочи; 3 – в возрасте 13 недель

В данной работе были рассмотрены различные варианты подавления щелочно-силикатного взаимодействия при использовании в качестве наполнителей бетона стеклобоя и продукта его переработки – пеностекла.

Эксперименты проводились в соответствии со стандартом ASTM C 1293–01 при повышенной температуре. Для этого стандартные образцы бетонов длиной 250 мм выдерживали при температуре 60°С в течение трех месяцев. Образцы периодически извлекали из термостата для контроля расширения. После охлаждения образца до комнатной температуры его длину замеряли с помощью оптического дилатометра. Контроль прочности образцов производили на машине для испытания на сжатие ИП 6010-100-1. Для изготовления образцов использовали стандартный цемент М400 производства Пашийского цементного завода. Стеклобой получали дроблением в молотковой дробилке с последующим помолом в виброцентробежной мельнице ВЦМ_5000.  Использовано гранулированное пеностекло производства ЗАО «Пеноситал» (Пермь) [12].

Для оценки интенсивности и глубины протекания  щелочно-силикатной реакции проведен ряд экспериментов по взаимодействию цементного материала со стеклом различных фракций как при отсутствии в цементе дополнительной свободной щелочи, так и при ее наличии. Основным параметром, характеризующим протекание реакции, является расширение образцов бетонных композитов. Косвенным подтверждением и следствием данной реакции было снижение прочностных характеристик полученных бетонов. В качестве реперных образцов, в которых реакция не должна протекать, взяты бетоны с кристаллическим наполнителем – кварцевым песком.

Выявлено, что существенное расширение образцов, характерное для щелочно-силикатного взаимодействия, наблюдается только у бетонов с крупными максимальными из исследованных фракциями, более 1,25 мм, причем эффект усиливается при дополнительном введении щелочи в состав бетонов. Зависимость прочности при сжатии от времени выдержки бетонов позволили выявить аномально высокое значение прочности для образцов бесщелочных бетонов при использовании наполнителей как минимальной, так и  максимальной исследованной фракции. Причем прочность получаемых бетонов значительно превосходит прочность бетонов без стеклянного заполнителя. Это особенность позволяет предположить существенное влияние размера фракции наполнителя на прочность получаемых бетонов. Соответствующие  зависимости прочности бетонов от фракции наполнителя в начальный и конечный период образования цементного камня представлены на рис. 1.

На всех кривых прослеживается явно выраженный минимум, соответствующий наполнителю фракции 0,1–0,3 мм. Характер зависимостей прочности от дисперсности наполнителя остается неизменным – с крутым ростом в области снижения размера наполнителя и плавным ростом в области повышения размера частиц наполнителя при использовании бесщелочных композиций и незначительному росту и стабилизации прочности в области повышения размера частиц наполнителя при использовании щелочных композиций. Со временем характер кривых не изменяется, но они смещаются вверх – к более высоким прочностным характеристикам по мере твердения цементного камня.

Поэтому использование стеклобоя крупных фракций – предпочтительно 1,2 мм и выше возможно в качестве наполнителя в бетонах, причем прочность этих композитов превосходит прочность обычных бетонов на песчаном заполнителе. Однако при использовании таких заполнителей существует как минимум две проблемы, связанные с возможностью протекания щелочно-силикатного взаимодействия. Во-первых, наличие в цементе или других компонентах бетона свободной щелочи неизбежно приводит к возникновению щелочно-силикатного взаимодействия и снижению прочностных характеристик бетонов. Во-вторых, в процессе крупно тоннажного производства сложно предотвратить самопроизвольное дробление и истирание крупной фракции, что также неизбежно приведет к снижению качества получаемого бетона. При размере частиц наполнителя менее 50 мкм происходит аномальный рост прочности, значительно превышающий прочность композиций на стандартном наполнителе из кварцевого песка. Такое увеличение прочности может быть объяснено способностью дисперсного стекла к вступлению в процессы образования новых фаз при образовании цементного камня за счет высокой удельной поверхности порошков стекла. Указанная особенность  высокодисперсного стекла может быть использована как для подавления процесса щелочно-силикатного взаимодействия в тех бетонных композициях, когда реакция имеет место, так и для создания вяжущих материалов на основе дисперсного стекла [13].

Проблема крупных фракций стеклобоя с повышенным содержанием щелочи, как заполнителя в бетонах, может быть частично решена при дополнительном подавлении реакции щелочно-силикатного взаимодействия. Для этого намечено два легко осуществляемых технологических пути.

Рис. 2. Бетоны с заполнителем из пеностеклянного гравия при различной степени заполнения: а) отношение (масс.) пеностекло/(цемент+песок) 0,265; б) отношение (мас.) гравий/цемент 1,6