Молотые металлургические шлаки в комбинации с глинами оптимального минералогического состава в присутствии щелочного активизатора способны формировать твердеющую структуру, являющейся основой получения глиношлаковых композитов  [1…4].

Чрезвычайно важная роль в формировании прочности, усадки и трещиностойкости отводится полиструктурности композиций. Влияние полиструктуры на кинетику процесса твердения с качественной оценкой формирования прочности необходимо рассматривать, исходя из масштабных уровней размеров частиц компонентов, кластерообразования и структурной топологии взаимного расположения частиц [5].

Топология размещения компонентов в структуре смешанного вяжущего при равном массовом содержании глины и шлака близкой дисперсности сравнительно проста. В идеальном случае частицы шлака и глины размещаются практически в шахматном порядке.

Более сложные варианты размещения частиц возникают при разной дисперсности, то есть при различной счетной концентрации их, обусловленной более тонким помолом менее активного компонента вяжущего (глины) или более высокой его массовой дозировкой по сравнению со шлаком.

Рассмотрим топологию смешанного вяжущего при условии расположения более грубых шлаковых частиц в простейшей кубической укладке или близкой к ней.

В качестве компонентов вяжущего использовались глина Иссинского месторождения Пензенской области и молотый металлургический шлак (Липецкий), обладающих оптимальными свойствами и составом [6...10].

При соотношении шлак:глина=60:40 и удельной поверхности шлака: 320 м²/кг, 580 м²/кг, а глины – 320 м²/кг, 596 м²/кг или 840 м²/кг, средний размер частиц, принимая их шарообразными, соответственно будет равен: для шлака – 6,46×10^-6м, 3,57×10^-6м, для глины – 7,41×10^-6м, 3,97×10^-6м и 2,82×10^-6м.

Соотношение С – количества глинистых частиц к шлаковым можно рассчитать, если известны счетные количества частиц каждого компонента. Они могут быть рассчитаны по формулам:

где n_ш, n_г – количество частиц шлака и глины;

m_ш, m_г – массы шлака и глины в смешанном вяжущем в долях единицы;

ρ_ш, ρ_г – плотность шлака и глины;

Тогда, соотношение между количеством глинистых и шлаковых частиц примет вид:

или через удельную поверхность

где S_г, S_ш  - удельные поверхности глины и шлака:

Подставляя полученные значения m и S в последнюю формулу с учетом соотношения компонентов вяжущего Г:Ш=0,4:0,6, получим:

• · для S_ш=320 м²/кг и S_г=840 м²/кг с С=0,048, то есть на одну частицу шлака приходится 20,83 частиц глины;
• · для S_ш=320 м²/кг и S_г=320 м²/кг с С=0,88, то есть на одну частицу шлака приходится 1,14 частиц глины;
• · для S_ш=320 м²/кг и S_г=596 м²/кг с С=0,136, то есть на одну частицу шлака приходится 7,35 частиц глины;
• · для S_ш=580 м²/кг и S_г=320 м²/кг с С=5,22, то есть на одну частицу глины приходится 5,22 частиц шлака;
• · для S_ш=580 м²/кг и S_г=840 м²/кг с С=0,25, то есть на одну частицу шлака приходится 3,57 частиц глины;
• · для S_ш=580 м²/кг и S_г=596 м²/кг с С=0,8, то есть на одну частицу шлака приходится 1,25 частиц глины;

В первом случае вокруг каждой частицы шлака располагается сфера из более мелких частиц глины. Таким образом, между частицами шлака имеется тонкая прослойка глинистых частиц.

Во втором случае (как и в шестом) на одну частицу шлака приходится приблизительно 1 частица глины. Каракас материала будет состоять из соприкасающихся частиц шлака и глины, частицы компонентов вяжущего будут практически располагаться в шахматном порядке. Причем, если в первом случае возможность соприкосновения частиц шлака между собой практически исключается, то здесь за счет недостатка частиц глины создание каркаса с взаимно упорядоченным расположением частиц невозможно. Стоит также заметить, что частицами назвать глину можно лишь условно, так как в данном случае частицы на самом деле являются прочными агрегатами: до заданной крупности глина размалывалась в сухом виде и ее удельная наружняя поверхность значительно ниже, чем истинная удельная поверхность глин, достигающая 40-80 м²/г.

Особый интерес для гидратационной прочности и прочности в сухом состоянии представляют третий случай, где глина имеет максимальную, более высокую поверхность, нежели шлак (табл. 1).

Прочность на сжатие, как в начальные, так и в нормативные сроки твердения, как следует из полученных результатов, повышается с увеличением дисперсности самостоятельно твердеющего компонента вяжущего – шлака.

Вместе с тем при превышении удельной поверхности глины над поверхностью шлакопрочностные характеристики повышаются, что, вероятно объясняется наилучшими условиями для связывания тонких частиц глины шлаковыми гидросиликатными и гидроалюминатными кальциевыми новообразованиями или продуктами взаимодействия глины и шлака в щелочной среде NaOH.

Таблица 1. Физико-механические свойства глиношлаковых композитов с различной степенью дисперсности компонентов вяжущего

 Из двух прессованных составов – третьего и шестого, близких по показателям прочности через 3, 28 суток нормального твердения и прочности в сухом состоянии предпочтение следует отдать третьему составу. Для него дисперсность шлака, равная 320 м²/кг, существенно снижает энергозатраты на помол по сравнению со шлаком с S_уд=580 м²/кг. Кроме того, потеря прочности после прокаливания также ниже, чем у шестого состава и мало зависит от дисперсности компонентов в исследуемом интервале. Если принимать во внимание термостойкость ненаполненной матрицы, то она для всех составов не превышает 6-8 циклов и повышение ее связано с оптимизацией наполнения матрицы жаростойким материалом и созданием трещиностойкой структуры композиционного материала по Комохову П.Г. [11].