Еще в 1958 году научно-исследовательской лабораторией грунтосиликатов при Киевском инженерно-строительном институте, возглавляемой профессором Глуховским Виктором Дмитриевичем, было разработано вяжущее под названием шлакощелочное. Это ШЩВ по некоторым параметрам превосходит ныне применяемые цементы.

Прочность на сжатие в зависимости от примененного щелочного компонента может быть получена до 150 Мпа (1500 кг/см2 сталь 3 имеет 2100 кг/см2). Морозостойкость - 1000 циклов замораживания - оттаивания (лучшие цементы имеют 300 циклов). Его можно укладывать в металлическую опалубку при температурах до -40 без потери прочности от замораживания. Все другие характеристики соответствуют ГОСТам на цементы.

Из чего это вяжущее (ШЩВ) делается? Основой для его производства являются отходы металлургической и химической промышленности. Это шлаки металлургических производств и соединения щелочных металлов (в том числе и сами щелочи). К ним относятся: кальцинированная сода, поташ, фтористый натрий, растворимые щелочные силикаты (жидкое стекло, дисиликат натрия, метасиликат натрия), жидкие отходы этих соединений, плавы щелочей и т. д.

 
На фото - металлургическая доменная печь - источник гранулированного шлака.

Суть технологии приготовления ШЩВ состоит в следующем: гранулированный металлургический шлак разматывается до тонкости помола цемента и закачивается в силосы для хранения и дальнейшего использования. Параллельно готовится раствор соединения щелочного металла определенной плотности. Это может быть раствор кальцинированной соды или любой другой из вышеперечисленных соединений. Само вяжущее - это смесь молотого шлака и раствора щелочного металла. Смешиваются они в бетономешалке при приготовлении необходимого бетона. Все остальное производство как и с обычным цементом. Из этого вяжущего готовятся все виды бетонов: тяжелые, легкие, ячеистые и пенобетоны. Сырьевая база такого производства весьма обширна. В качестве сырья пригодны даже продукты вулканической деятельности.

А из пенобетона на основе ШЩВ можно изготавливать даже панели "сэндвич" для наружных ограждающих конструкций. Они в противовес ныне выпускаемым на пенополиуретане несгораемы. Технология пенобетона разработана НИИЖБом (к. т. н. Е. Г. -Величко).

Вот некоторые преимущества "Шлакощелочного бетона" над бетоном приготовленом на обычном портландцементе:

• обеспечение класса прочности бетона от В60 до В120;

• пониженная на 25-30% водопотребность растворных и бетонных смесей при равной подвижности;

• высокая сульфатостойкость, коэффициент сульфатостойкости не ниже, чем у сульфатостойкого цемента;

• пониженное тепловыделение при твердении;

• повышенная в 2-3 раза морозостойкость по сравнению с бетонами на портландцементе вследствие мелкопористой структуры бетона;

• высокая интенсивность набора прочности "Бесцементного бетона" позволяет отказаться от тепловлажностной обработки и получить необходимую для распалубки прочность в течение 12-14 часов;

Первый в мире 20-этажный монолитный дом из шлакощелочного вяжущего в Липецке (на фото).

Экономический эффект

Цемента наша страна производит больше всех в мире. Рубеж 100 млн. тонн в год давно превзойден. Мы вправе этим гордиться, но не вправе успокаиваться: потребность в главном вяжущем растет, производство классического портландцемента энергоемко, резервы (и огромные) есть.

Можно было бы и дальше наращивать производство традиционных вяжущих путем строительства новых заводов. Но это экстенсивный путь, и эффективен ли он? Ответ на этот вопрос даст сравнение технологии и свойств, классического портландцемента и относительно новых вяжущих — шлакощелочных цементов, в создании которых авторы — сотрудники Киевского инженерно-строительного института — примяли посильное участие.

КЛАССИЧЕСКИЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Главный вяжущий материал нашего времени строители широко применяют уже более ста лет. Его достоинства общеизвестны, недостатки — в меньшей степени и главным образом специалистам. Сырье для производства портландцемента, в общем-то, очень доступна. Это карбонатные горные породы и глинистые вещества, которые измельчают, усредняют и перемешивают. Чтобы эти процессы шли легче, в исходную смесь добавляют воду (32—35 % по массе).

Образующуюся при этом смесь подают в весьма солидных размеров во вращающиеся печи для обжига. Вращение гигантских печей и нагрев смеси до температур около 1450 °С требует огромного расхода электроэнергии и топлива. Не случайно в суммарных затратах производство портландцемента до этой операции — 70—80 %.

В результате обжига получается так называемый клинкер. Чтобы преврати клинкер в портландцемент, его (вместе с гипсом и добавками) мелют в шаровых мельницах - Тоже достаточно энергоемкий процесс. И вот что еще вали чем меньше размеры зерен, тем лучше прочнее получающийся цемент. Одна уменьшение их размера требует больших энергозатрат, которые не компенсируются достигаемым при этом увеличением прочности. Иными словами, ) цество растет непропорционально вложенням. Оттого современное производство цемента дает главным образом продукт низких марок (200, 300, 400). Марка определяется пределами прочности на изгиб и сжатие стандартных образцов.

Делают их так, готовят смесь цемент — песок (1:3), добавляют в (0,4 массы цемента) и после тщательного перемешивания заполняют цементным тестом формы 4X4X16 см и оставляют на твердение в постоянных, определенных ГОСТом условиях. Через 28 суток вынимают готовые 1б-сантиметровые палочки и испытывают из прочность при изгибе, а полученные половинки — на сжатие.

Было много попыток повысить максимально достижимую, марку изменением минералогического состава клинкера или тонкостью помола. Однако существенного увеличения прочности при разумных затратах такими путями достичь не удалось. Очевидно, система портландцемент — вода» по существу, себя исчерпала, В то же время очевидно: современное строительство, и прежде всего сооружение многоэтажных зданий из бетона и железобетона, ну ж лаете я в цементах повышенной прочности. Отсюда необходимость создания принципиально новых вяжущих и более эффективных, ресурсе- и энергосберегающих технологий. Этим требованиям во многом отвечают шлакощелочные цементы разработка которых началась в нашем институте в конце 50-х годов.

ШЛАКИ ПЛЮС ЩЕЛОЧИ

Шлакощелочные цементы получают из тонкоизмельченных гранулированных металлургических шлаков, к которым добавляются малогигроскопичный щелочной компонент и вода (или заранее приготовленный раствор одного из доступных соединений щелочных металлов). Важно только, чтобы создавалась щелочная среда.

Для производства таких цементов пригодны шлаки доменных, мартеновских, электротермофосфорных печей, а также шлаки цветной металлургии — лишь бы по составу это были силикатные и алюмосиликатные расплавы. Важно, что все это — не природное не-возобновляемое сырье, а крупнотоннажные отходы существующих производств. Технология получения шлакощелочных вяжущих не только ресурсосберегающая, но и энергосберегающая. Целесообразно гранулировать огненно-жидкие шлаки при резком охлаждении их водой, а тепло, которое вода отбирает, утилизировать несложно.

Единственная энергоемкая операция при получении шлакощелочных вяжущих — помол гранулированных шлаков (при этом удельная поверхность частиц должна составить 3000—3500 см22/г, как у классического портландцемента марки 400).

В качестве щелочного компонента могут применяться такие массовые технические продукты, как NаОН, КОН, N₂СО₃, Nа₂SO₃, Na₂SiO₃. Их доля — 2—5 % от массы шлака в пересчете на Na₂O и 3—10 % в пересчете на К₂О. Если используются щелочные растворы, их концентрация должна быть 15—18 %. Смешение таких растворов с молотым шлаком дает вязкую массу, которая в технологически приемлемое время превращается в камневидное тело.

Наша страна, как известно, ежегодно производит около 3,0 млн. тонн едкого натра и 5,0 млн. тонн кальцинированной соды, однако вряд ли целесообразно ориентировать на них производство шлакощелочных цементов.

Более перспективно, по нашему мнению, использование различных отходов, содержащих щелочи, В этом случае производство шлакощелочных вяжущих становится элементом настойчиво пропагандируемых нашей печатью (и «Химией и жизнью» в первую очередь) безотходных технологий. Важно лишь наладить — в полном соответствии с рекомендациями июньского совещания в ЦК КПСС по вопросам ускорения научно-технического прогресса — разумную кооперацию предприятий различных

Сырьевая база для массового производства таких вяжущих' неограниченна. По самым скромным подсчетам, в нашей стране пока еще не нашли рационального применения около 25 млн. тонн доменных, 20 млн. тонн сталеплавильных, 4,5 млн. т электротермофосфорных и более 10 млн. тонн шлаков цветной металлургии.

В качестве щелочного компонента могут быть использованы крупнотоннажные отходы производства сульфида натрия, капролактама, глинозема, кислорода. Щелочные растворы, используемые для очистки металлических отливок от шлака, пригара и окалины* тоже практически не используются, вывозятся на свалки, сливаются в шламо накопители... Из всех этих отходов можно ежегодно изготовить по меньшей мере 30 млн. тонн высокопрочных шлакощелочных бетонов.

По расчетам, удельные капиталовложения на тонну шлакощелочного вяжущего (с учетом стоимости щелочного компонента) составляют 17 рублей, в то время как для портландцемента (в зависимости от марки) — от 43 до 59 рублей. При использовании щелочесодержащих отходов разница будет еще больше.

КОРОТКО О СВОЙСТВАХ

Химизм действия шлакощелочных вяжущих и портландцемента неодинаков.

В цементе главное действующее начало — оксид кальция, в шлакощелочных вяжущих — соединения щелочных металлов. Именно высокая активность соединений щелочных металлов по сравнению со щелочноземельными (кальций!) обусловила возможность получения высокопрочных шлакощелочных цементов марок 1000—1500..

Чтобы получить прочный и высококачественный бетон на основе портландцемента, нужен песок, не содержащий глинистых и пылевидных частиц. Применение шлакощелочных цементов снимает это ограничение: в отличие от гидроксида кальция, соединения щелочных металлов взаимодействуют с этими частицами. Образуются щелочные гидроалюмосиликаты, обладающие вяжущими свойствами. Оттого обычно вредные глинистые фракции в песке в этом случае не ухудшают, а улучшают физико-механические свойства бетона. Кроме того, высокая активность шлакощелочных вяжущих позволяет снизить общий расход цемента в бетонах традиционных марок.

Приготовление шлакощелочных бетонов идет так же как и обычного бетона на портландцементе, с той лишь разницей, что затворение бетонной смеси производится не водой, а растворами щелочных компонентов.

Проведенными исследованиями установлено, что шлакощелочные цементы придают бетонам не только прочность, но и большую паро- и водонепроницаемость, морозостойкость и жаростойкость, лучшую устойчивость к действию агрессивных сред. Все это позволяет считать их прогрессивными, высокоэффективными строительными материалами настоящего и будущего.
 
ПУТЬ НА СТРОЙПЛОЩАДКИ

Уже сейчас изделия из шлакощелочных цементов и бетонов с успехом используются в различных конструкциях и сооружениях промышленного, сельскохозяйственного и других видов строительства. Обследование этих конструкций и испытания после длительной (до 20 лет) эксплуатации показали: прочность их за это время не уменьшилась, а напротив» выросла в полтора-два раза.

Начиная с 1962 года промышленностью выпущено более 1,5 млн. м3 шлакощелочного бетона. Это, безусловно, очень мало, можно было произвести гораздо больше.

В чем же причина? В основном, нам кажется, в недостаточной информированности. Прежде всего неинформированности производителей сульфида натрия и других отходов, содержащих щелочи. О шлакощелочных цементах и бетонах на их основе специалисты этих отраслей попросту не знают.

Можно ли упрекнуть их за это? Нет, конечно. Они регулярно читают журналы по своей основной специальности, Публикации же по шлакощелочным вяжущим пока были лишь в журналах и книгах строительного профиля. Попытки рассказать о нашей работе в журналах других профилей оказались неудачными.

Вот почему мы решили обратиться в «Химию и жизнь», которую читают и химики, и не химики.

К сожалению, плохую услугу шлакощелочным вяжущим оказали рекомендации многих учебников и монографий по охране окружающей среды. Их авторы утверждают, что для нейтрализации щелочных отходов необходимо применять добавки кислоты, обычно серной, строить станции нейтрализации и т. д. И очень немногим известно, что щелочные отходы многих производств с минимальными затратами, с минимальной переработкой или вообще без нее можно эффективно использовать в производстве строительных материалов.

Другое важное условие широкого внедрения шлакощелочных вяжущих — повышение заинтересованности предприятий, имеющих щелочесодержащие или алюмосиликатные отходы; устранение ведомственного подхода к проблеме использования отходов.

То, о чем здесь рассказано, для специалистов не новость. Многолетний опыт производства шлакощелочных цементов и эксплуатации бетонных сооружений, в которых эти цементы использовали, обсуждался на двух всесоюзных научно-практических конференциях. Опыт есть, опыт положительный. Он позволяет ставить вопрос о всемерном расширений промышленного производства таких цементов, чтобы решить важные вопросы промышленного и гражданского строительства и одновременно многие проблемы охраны окружающей среды и утилизации крупнотоннажных отходов.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».

www.newchemistry.ru