Горные породы, щелочные и щелочноземельные цементы как их аналоги

Теоретическим обоснованием возможности получения и использования в строительстве бетонов на основе соединений щелочных металлов послужили сведения из геологии об условиях возникновения осадочных и метаморфических силикатных горных пород и вещественном составе основных породообразующих минералов.

На основании геологических данных можно констатировать, что в земной коре широко представлены водные и безводные силикаты кальция, натрия и калия, а также натриево-кальциевые, калиево-кальциевые и натриево-калиево-кальциевые минеральные образования, стойкие к воздействию атмосферных агентов, в которых содержание щелочных окислов изменяется в широких пределах [15].

Некоторые из процессов образования осадочных камневидных пород проходят при температурах и давлениях, близких к тем, которые имеют место при изготовлении строительных материалов гидратационного твердения, и, следовательно, могут моделироваться в строительной промышленности. Например, цеолиты осадочного происхождения, такие, как анальцим, филлипсит, морденит, гейландит, шабазит, гармотом, эпидесмин, натролит, сколецит и др., возникают в коре выветривания в результате низкотемпературных гидротермальных реакций. Возможность возникновения тех или иных цеолитов зависит от химического состава гидротермальных растворов.

Анализ сведений об осадкообразовании свидетельствует о том, что химическое выветривание щелочных и щелочно-щелочноземельных алюмосили-катных горных пород под действием щелочных растворов приводит к изменению их химического и вещественного состава [13]. При этом наиболее характерным процессом распада плагиоклазов — щелочно-щелочноземельных образований, является серицитизация — замещение плагиоклазов мусковитом [2, 3], т. е. превращение безводных алюмосиликатов, содержащих аноргит, в водные щелочные алюмосиликаты. Продукты распада натриево-калиевых полевых шпатов — щелочные образования по своему составу также приближаются к соотношению SiO₂ : Al₂O₃ : К₂О : Н₂O, близкому к серицит-мусковиту [13].

По существу этот процесс не отличается от процесса гидратации минералов портландцементного клинкера и можно предположить, что он будет иметь место и при твердении щелочных и щелочноземельных вяжущих систем, разновидностью которых являются шлакощелочные цементы.

По данным В. В. Полынова, в зоне выветривания наибольшую подвижность из щелочных элементов имеют кальций, затем натрий, магний и, наконец, калий. В такой последовательности изменяется стойкость безводных минералов на основе этих элементов в зоне выветривания. Повышенной, по сравнению с кальциевыми, стойкостью к выветриванию отличаются и щелочные гидраты — слюды (мусковит и парагонит) и цеолиты [49].

В общем случае рассмотренные процессы имеют такие основные стадии, связанные с изменением щелочности среды: гидратация щелочных и щелочНОземельных минералов, частичное замещение щелочей и щелочных земель водородными ионами или гидроксониями, переход алюминия из четверной координации в шестерную, возникновение менее щелочных практически нерастворимых гидроалюмосиликатов типа RO(1—3)Al₂O₃·(2—6)SiO₂·nH₂O, слабо растворимых щелочноземельных гидросиликатов типа R₂O·SiO₂·nH₂O, а также растворимых гидратов типа R(OH)₂; ROH; R₂O·SiO₂·nH₂O или R₂O·Al₂O₃·nH₂O и т. п. в аморфном или субмикрокристаллическом состоянии.

Процессы метаморфизма также приводят к глубоким изменениям минеральных образований вследствие привноса или выноса щелочных веществ циркулирующими перегретыми водными растворами. Они выражаются в отщеплении или связывании щелочей, кристаллизации цеолитов, слюд, которые в условиях термального метаморфизма затем перекристаллизовываются в альбит, ортоклаз, фельдшпатиты и т. п. [49].

Обобщая изложенное, можно констатировать, что в земной коре и на ее поверхности происходят непрерывные стадийные процессы конденсации и диспергации силикатных веществ, сопровождающиеся взаимными превращениями водных и безводных минеральных систем, которые протекают в большинстве своем при участии щелочных и щелочноземельных окислов и приводят, как и процессы гидратации и твердения строительных вяжущих, к синтезу камневидных образований.

Эти данные служат предпосылкой к синтезу аналогов природных водных натриево-калиево-кальциевых минералов путем гидратации щелочно-щелочно-земельных систем, каковыми являются шлакощелочные бетоны, содержащие в своем составе, в самом общем случае, шлаки, интрузивные и эффузивные горные породы, минералы глин, кремнезем н т. п. При взаимодействии таких веществ с едкими щелочами моделируются процессы формования минералов земной коры и камнеподобных горных пород. Возможность такого моделирования в условиях производства бетонов доказана работами ПНИЛГ [6, 10, 15].