Закрепление грунтов бесцементными вяжущими (шлакощелочные цементы)

Так, в начальный период твердения шлакощёлочной бетон из монолитной облицовки магистрального канала Бортнической оросительной системы не пропускал воду при избыточном давлении 0,6 МПа, а после 12 лет эксплуатации - при 1,8 МПа. Бетон из лотков Татарбунарской оросительной системы в течение 9 лет повысил водонепроницаемость до 2 МПа. Такой же водонепроницаемостью характеризуется бетон из Моделей волноломных массивов.

Полученные данные свидетельствуют об увеличивающейся со временем способности шлакощелочных бетонов не пропускать воду даже при очень высоком избыточном давлении.

Разбросанность и большая протяженность объектов водохозяйственного строительства, специфические условия эксплуатации тонкостенных гидромелиоративных сооружений предопределяют изыскание специальных высокоактивных и коррозионностойких вяжущих, которые позволили бы получать долговечные конструкции. Поэтому исследование и теоретическое обоснование водонепроницаемости мелкозернистых шлакощелочных бетонов гидротехнического назначения представляет практический интерес.

Объектом изучения явились шлакощелочные бетоны на основе вяжущих из молотых гранулированных шлаков череповецкого, новотульского и металлургических заводов Украины, содо-поташной смеси, технической кальцинированной соды, щелочи, содощелочного плава, низкомодульного жидкого втекла или метасиликата натрия и заполнителей - различной крупности песков и супесей. Активные добавки вводились в виде глин различного минералогического состава - каолина просяновского, бентонита черкасского, спондиловой глины, горелой породы, суглинка и лёсса.

При изучении взаимосвязи технологических факторов с плотностью состав шлакощелочного бетона принимался постоянным, равным 1:2; 1:3, 1:4 (вяжущее: песок).

Изготовление образцов и оценка свойств изучаемого бетона проводились с учетом требований действующих стандартов.

Предпосылкой к разработке методики определения водонепроницаемости для тонкостенных конструкций мелиоративного строительства послужили работы В.В. Стольникова о скорости передвижения воды в бетоне. На основе экспериментальных исследований выведены математические зависимости скорости перемещения фронта воды в образцах различной толщины (2, 3, 5, 10, 15 см) от давления и установлены переводные коэффициенты, при помощи которых полученные результаты приводятся в соответствие с показателями ГОСТ.

Изучение седиментационных процессов в шлакощелочных бетонных смесях методами отстойного и фильтрационного центрифугирования показало, что такие смеси обладают высокой водоудерживающей способностью, которая определяется дисперсностью заполнителей и вяжущего. С увеличением удельной поверхности последнего от 300-700 она возрастает в 6 раз и в 1,5-3 раза — от введения в его состав до глин различного минералогического состава.

Расслоение бетонных смесей тесно связано с их водосодержанием однако повышенная по сравнению с цементными его первоначальная величина (от 7 до 20%) у мелкозернистых шлакощелочных смесей не приводит к развитию процесса в связи с тем, что при этом возрастает и конечное влагосодержание, которое в 2 раза превышает аналогична, показатели для портландцемента. Следовательно, высокая водоудерживающая способность и отсутствие расслоения шлакощелочных бетонных смесей обусловливают возможность получения материалов пи вышенной водонепроницаемости.

При взаимодействии шлаков со щелочами формируется структура искусственного камня, плотность и характер пористости которого зависит от условий твердения.
Величина и характер пористости не определяют однозначно водопроиницаемость бетона, поэтому снижение ее достигается, в основном, выполнением определенного комплекса технологических мероприятий.

В результате исследований установлено, что для получения шлакощёлочных бетонов с повышенной водонепроницаемостью тонкость помола вяжущего необходимо доводить до 350-500 м2/кг, при этом прочность его увеличивается в среднем на 40%, а коэффициент фильтрации уменьшается в  6-9 раз по сравнению со шлаками грубого помола (230 м2/кг).

В этой связи в дальнейших исследованиях использовался шлак с удельной поверхностью 350-400 м2/кг и активностью при затворении 18% раствором содо-поташной смеси в пределах 54,0-65,0 МПа. При этом рациональным для получения бетонов повышенной водонепроницаемости (В-6-В-32) следует считать расход шлака в количестве 400-600 кг/м3.

Установлено, что такие бетоны могут быть получены при оптимальной величине водосодержания, отклонение же последней, особенно, в сторону уменьшения, приводит к резкому снижению их плотности. Для обеспечения высокой водонепроницаемости бетонов составов 1:3, 1:4 на песчаном и супесчаном заполнителях оптимальные значения В/В равны соответственно 0,35; 0,46 - в первом и 0,44; 0,55 - во втором случае.

Плотность шлакощелочных бетонов регулируется также подбором зернового и минералогического состава компонентов. При этом установлен, что минимальная водонепроницаемость (Кф= 0,9х10-12см/сек) бетонов соответствует пустотности заполнителей, равной 32,3%.

Снижение водопроницаемости таких бетонов достигается введением в состав заполнителей глин, которые, участвуя в процессах структурообразования, повышают их плотность. При этом определяющим является минералогический состав глин. Наиболее плотный бетон получен на основе песка,в составе которого содержится до 10% горелой породы. Спондиловая глина по своему влиянию на водопроницаемость сходна с каолином и введение таких добавок допустимо до 5%. Применение бентонитовых глин не эффективно вследствие их коагуляции при затворении щелочными растворами.

Исследованиями установлено, что улучшить свойства таких бетонов можно путем применения специальных методов перемешивания. Наиболее эффективным способом для шлакощелочных бетонных смесей является виброперемешивание, при этом коэффициент фильтрации бетона в 25-30 раз ниже, чем при смешивании компонентов в бегунковых смесителях и растворомешалках.

Исследования показали, что прочность и плотность изучаемых бетонов увеличиваются во времени независимо от условий хранения и наиболее интенсивно - в воде и во влажных условиях.

Коэффициент фильтрации бетонов, в составе заполнителей которых содержится до 15% глины, в начальные сроки испытаний, вследствие их медленного взаимодействия со щелочным компонентом, остается достаточно высоким (Кф=3х10-11 см/сек) и через год уменьшается в 5-7 раз, тогда как через 5 лет - в 20 раз.

Интенсивность роста плотности бетона во времени зависит от расхода вяжущего. При содержании его до 20% наблюдается снижение его водопроницаемости в 20 раз в течение года твердения во влажных условиях и еще в 10 раз через 5 лет. Бетон с расходом вяжущего от 25 до 40% к этому времени не фильтрует воду даже при давлении 4,0-5,0 МПа.

При изучении водопроницаемости шлакощелочных блоков при малом давлении 10-70 Па установлено, что они в 10 раз меньше фильтруют воду, чем аналогичные цементные, а введение в их состав 10% горелой породы делают материал практически непроницаемым.

Приведенные результаты исследований подтверждают высокую противофильтрационную способность шлакощелочных бетонов.

Шлакощелочные бетоны, в процессе твердения которых образуется большое количество гелевидной составляющей, обладают наиболее высокими показателями водонепроницаемости. Прочность их достигает до 120 МПа, морозостойкость - 1000 циклов.

Такие бетоны рекомендуется применять для тонкостенных высоконапорных труб и сооружений, противофильтрационных экранов и штукатурок, кровель-бассейнов и др.
Промежуточное положение занимают бетоны на едких щелочах. По абсолютной величине водонепроницаемости они могут достигать таких же величин, как и бетоны второй группы. Образцы толщиной 3 см, изготовленные из этих бетонов состава 1:3, после тепловой обработки ставили под давление моды 4,0 МПа, при этом признаков промокания не наблюдалось в течение месяца.

Отличительной особенностью шлакощелочных бетонов являются низкое (2 - 5%) водопоглощение и капиллярный подсос.

Высокая водонепроницаемость, прочность, повышенная стойкость в агрессивных средах шлакощелочных бетонов послужили предпосылкой VII проверки их в эксплуатации.
Долговечность шлакощелочных бетонов определяется их эксплуатационными свойствами. Длительным исследованиям подвергались лотки Татарбунарской оросительной системы, а также трубы, эксплуатирующиеся в течение 6-9 лет в специфических условиях работы водохозяйственных сооружений.

Изучение физико-механических свойств бетона по выпиленным из конструкций образцам показало, что с течением времени прочность и водонепроницаемость его возросли в 1,5-2 раза, морозостойкость составляет 380 циклов. При этом бетон низконапорных труб уже после трех лет выдерживания на открытом воздухе не фильтрует воду при давлении 5,0 МПа, значительное снижснш (НИ два порядка) коэффициента фильтрации наблюдается также в бетоне лотков и труб, изготовленных радиальным прессованием или центрифугированием.

Комплексным изучением новообразований, возникающих в бетоны эксплуатировавшихся в конструкциях мелиоративного назначения в течение 6-9 лет, установлено наличие низкоосновных гидросиликатов кальция, смешанных щелочно-щелочноземельных и щелочных гидроалюмосиликатов, по структуре аналогичных природным цеолитам.
В мелкозернистых шлакощелочных бетонах с течением времени проиисходит уплотнение структуры цементирующего вещества и по контакту с заполнителем. При этом наблюдается уменьшение количества крупных (20-75 мкм) округлых условно замкнутых пор и увеличение микропор (менее 1 -0,1 мкм).

Повышенная водонепроницаемость таких бетонов обусловлена цеолитным характером возникающих новообразований, а также тем, что последние, отличаясь развитой удельной поверхностью, со временем заполняют поры уменьшая тем самым их «эффективный диаметр».

Таким образом, высокие эксплуатационные свойства шлакощелочных бетонов и экономическая эффективность свидетельствуют о целесообразности и перспективности их использования, особенно в тех районах, где oтсутвуют качественные заполнители для мелиоративного строительства.