Геополимерные вяжущие и бетоны на их основе начали разрабатываться в конце семидесятых годов прошлого века [1]. Повышенный интерес эти материалы вызывают благодаря энерго- и ресурсосберегающему потенциалу их технологии, которая использует в качестве основного сырья промышленные отходы: шлаки, золы и др. Разработаны способы получения геополимеров по безобжиговой или низкообжиговой технологиям [2]. К числу наиболее перспективных, но недостаточно исследованных видов вяжущих относятся геополимеры на основе дисперсных отходов горнодобывающей промышленности [2, 3].

Сегодня эти материалы находятся на стадии опытно-промышленного применения. Были подтверждены высокие технико-строительные характеристики геополимерных бетонов [4, 5]. Полученные данные позволили реализовать опытно-промышленное применение геополимерного бетона [6].

Авторы [5] исследовали 12 балок и 12 колонн из геополимерного железобетона на основе вяжущего из низкокальциевой золы-уноса, которые твердели при тепловой обработке. Прочность бетона составляла 40 и 60 МПа. Толщина исследованных колонн 175 мм, процент армирования – 1,47 и 2,95 %. Для армирования была использована арматура с временным сопротивлением разрыву 519 MПa. Диаметр рабочей арматуры составлял 6 мм.

В настоящее время использование строительных геополимерных конструкций не выходит за пределы лабораторных исследований и опытно-экспериментального применения. В научно-технической литературе очень мало данных о практическом использовании геополимерных бетонов. На сайте института геополимеров (Франция) сообщается об использовании геополимерного бетона в строительстве многоэтажного общественного здания [7] и аэропорта [8] в Австралии, где наиболее активно осуществляется опытно-экспериментальное применение нового материала. В докладе [6], сделанном на Международной конференции в 2012 году, сообщалось о том, что в Австралии геополимерный бетон был использован в ряде проектов для возведения тротуаров и подпорных стен, резервуаров для воды, а также производства сборных мостовых конструкций, балок и плит перекрытия общественных зданий (см. рис. 1). Общий объем использования этого материала составил 3000 м³.

а	б
в	г
д

Рисунок 1 – Примеры использования геополимерного бетона [6]: строительство тротуара (а), подпорные стенки на участке частного дома (б), пешеходный мост (в), монтаж плиты перекрытия (г), резервуары для воды диаметром 10 и высотой 2,4 м (д)

Gourley и Johnson [9] сделали доклад о коммерческом производстве сборных геополимербетонных изделиях. В частности освоен выпуск коллекторных труб, шпал, и панелей стен. В настоящее время из геополимерного бетона выпускаются коллекторные трубы диаметров от 375 мм до 1800 мм. Как показали испытания по воздействию агрессивных окружающих сред, коллекторные трубы из геополимерного бетона более долговечны, чем из бетона на основе портландцемента. В соответствии с данными [9] панели из геополимерных смесей обладают высокой огнестойкостью.

Siddiqui [10] испытал водонапорные трубы из геополимерного бетона, изготовленные для практического применения. Испытания показали, что трубы соответствуют требованиям на такие изделия.

Исследования геополимерного бетона на основе дисперсных отходов дробления гранитного щебня показали, что значения модуля упругости и другие деформативные характеристики этого материала близки к характеристикам портландцементного бетона [11]. Для изучения поведения под нагрузкой железобетонной конструкции из геополимерного бетона была изготовлена железобетонная балка длиной 1000 мм, высотой 120 мм, шириной 60 мм. Армирование производилось плоским каркасом (рис. 2.), в качестве рабочей арматуры использовался один стержень класса А400 диаметром 10 мм.

Рисунок 2 – Схема армирования балки

Для изготовления балки использовался геополимерный бетон с кубиковой прочностью 35,5 МПа и модулем упругости 31,4 ГПа. До испытания балка твердела в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях.

Испытание балки проводилось на испытательной машине УММ-50 в соответствии со схемой (рис. 3). Нагрузка на балку подавалась ступенями по 2 кН с выдержкой на каждой ступени 5 минут.

Рисунок 3 – Схема испытания балки

В процессе испытания фиксировались: значения прогибов, момент образования трещин и ширина их раскрытия.

Результаты определения прогиба и образования трещин в балке под нагрузкой приведены в таблице.

Таблица – Прогибы и образование трещин при нагружении балки

Анализ результатов испытания балки показал, что до уровня нагружения 12 кН зависимость прогиба имеет линейный характер. Видимые волосяные трещины появились на балке при достижении нагрузки 14 кН. При нагрузке свыше 16 кН начинается более интенсивный рост деформаций в момент подачи нагрузки, так же, как и при выдерживании конструкции под нагрузкой в течение 5 мин. Разрушение балки произошло в результате проскальзывания стержня рабочей арматуры при нагрузке 20 кН, что превосходит расчетную разрушающую нагрузку – 1,6 кН. Незначительное разрушение бетона отмечено в верхней зоне.

Нехарактерное для традиционных портландцементных бетонов разрушение балки в результате проскальзывания стержня можно объяснить более низким, в сравнении с цементным бетоном, сцеплением арматуры с геополимерным бетоном. При проектировании железобетонных конструкций из разработанных бетонов вопрос сцепления необходимо более детально исследовать.

Проведенный эксперимент показал, что геополимерные бетоны могут быть использованы в железобетонных конструкциях, работающих на изгиб.

Наиболее массовое опытно-промышленное применение геополимерных конструкций ведется в Австралии, стране, в которой сухой теплый климат. В России, Западной Европе, Северной Америке, для которых характерен холодный и влажный климат, опыт эксплуатации геополимеров в Австралии, несмотря на его ценность, необходимо дополнить результатами оценки влияния климатических факторов на эксплуатационное поведение геополимерных строительных материалов.

1. Davidovits J. 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs / J. Davidovits // Geopolymer 2002 Conference, October 28-29. – Melbourne, Australia, 2002.
2. Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications. 3^rd eddition. – France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. – 614 p.
3. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе // Цемент и его применение. 2014. № 4. С. 107-113.
4. Sumajouw D. M. J., Hardjito D., Wallah S. E., Rangan B. V. Fly ash-based geopolymer concrete: study of slender reinforced columns // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42, № 9. Р. 3124–3130.
5. Sumajouw M.D.J., Rangan B.V. Low-calcium fly ash-based geopolymer concrete: reinforced beams and columns // Research Report GC 3 / Faculty of Engineering Curtin University of Technology Perth, Australia, 2006.
6. Aldred J., Day J. Is geopolymer сoncrete a suitable alternative to traditional concrete? // 37^th Conference on our world in concrete & structures, CI-PREMIER PTE LTD, (29-31 August 2012), Singapore. URL: http://www.wagnerscft.com.au/files/9713/4870/0921/ geopolymer_concrete_singapore_2012.pdf (дата обращения 6.5.2015).
7. World’s first public building with structural geopolymer concrete / URL: http:// http://www.geopolymer.org/news/worlds-first-public-building-with-structural-geopolymer-concrete (дата обращения 6.5.2015).
8. 70,000 tonnes geopolymer concrete for airport / URL: http://www.geopolymer.org/news/70000-tonnes-geopolymer-concrete-airport (дата обращения 6.5.2015).
9. Gourley J.T., Johnson G.B. Developments in geopolymer precast concrete // Proceedings of the International Workshop on Geopolymers and Geopolymer Concrete, Perth, Australia. 2005. P.139-143.
10. Siddiqui K.S. Strength and durability of low-calcium fly-ash based geopolymer Concrete: Final year Honours dissertation. – The University of Western Australia, Perth, 2007.
11. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Исследование деформационно-прочностных свойств бетона на основе минерально-щелочного вяжущего // Вестник МГСУ.– 2011. –Т 2, № 2. – С. 314-319.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»