При оценке влияния способов формования на водостойкость минеральношлаковых вяжущих (МШВ) методом виброуплотнения и прессования нами установлено, что при одной и той же дозировке металлоорганического гидрофобизатора – стеарата цинка силовое прессование обеспечивает более высокую нормативную прочность при сжатии у гидрофобизированных составов [1]. Для карбонатношлакового вяжущего (КШВ) она выше в 1,4-2,2 раза, для глиношлакового вяжущего (ГШВ) – в 1,15-1,6 раза. При этом нижние значения относятся к контрольным образцам, а верхние – к гидрофобизированным.

Гидрофобный эффект стеаратов кальция и цинка в виброуплотненных МШВ значительно ниже, чем в прессованных. Действие гидрофобизатора стеарата цинка более эффективно, чем стеарата кальция [2]. Причина незначительной гидрофобизации заключается в высокой фильности глинистого компонента и особой поровой структуре глин. Открытая пористость виброуплотненных образцов из КШВ и ГШВ со стеаратом цинка составляет соответственно, 38,9 % и 34,6%, что выше таковых значений для прессованных минеральношлаковых композиций на 6,8% и 9,6%, соответственно. Эффективность гидрофобизации металлоорганическими соединениями на прессованном КШВ выше, чем на ГШВ. Водопоглощение контрольного виброуплотненного КШВ по массе составляет 10,0%, что выше прессованного – в 1,1 раза. Более подробная информация о влиянии способа формования представлена в нашей опубликованной работе [1].

В исследованиях минеральношлаковых композиционных материалов давление прессования выбиралось исходя из возможностей широкого использования существующего промышленного оборудования для прессования. Современное оборудование позволяет прессовать изделия не только при давлении 25 МПа, но и при более высоком давлении, т.е. гиперпрессованием. При создании высокого давления число контактов возрастает, и создаются условия обеспечения плотной упаковки при минимальном влагосодержании. При давлении более 40 МПа на формирование структуры влияют контактно-конденсационные процессы, которые приводят к образованию в дисперсной системе прочных контактов на уровне взаимодействия микро- и макрочастиц. Управление плотностью прессованных материалов может осуществляться и путем рационального использования потенциала поверхностных и капиллярных сил. Расклинивающее давление пленочной жидкости способствует разуплотнению, а капиллярное давление – сближению частиц.

Для исследования влияния величины давления прессования на физико-технические свойства КШВ и ГШВ с металлоорганическими гидрофобизаторами были изготовлены образцы-цилиндры диаметром 2,5 см: по одному составу – на бездобавочном КШВ и ГШВ при удельном давлении прессования 25 МПа; другие составы – с добавлением стеарата цинка в ранее оптимально подобранной дозировке 2,5% от массы вяжущего [2, 3]. Компоненты вяжущего и металлоорганического гидрофобизатора в сухом состоянии были однородно перемешаны в мешалке с металлическими шарами. Давление прессования для МШВ с металлоорганическим гидрофобизатором составило 25 МПа и 40 МПа, 60 МПа, 80 МПа. В качестве активизатора твердения использовали щелочь в количестве 3% от массы вяжущего. Влажность смеси образцов, прессованных при давлении 25 МПа, 40 МПа и 60 МПа составила 12%.  При увеличении давления прессования свыше 60 МПа наблюдалось отжатие воды из образца, поэтому количество воды затворения при гиперпрессовании при давлении 80 МПа снизили до 11%.

Физико-технические свойства гидрофобизированных МШВ, изготовленных при различных давлениях прессования, приведены в таблице.

Таблица 1. Физико-технические и гигрометрические свойства минеральношлаковых вяжущих с гидрофобной добавкой стеарата цинка, изготовленных при различных давлениях прессования

Из таблицы видно, что при увеличении давления прессования с 25 МПа до 80 МПа прочность при сжатии в начальные сроки твердения увеличивается на КШВ со стеаратом цинка – в 2,2 раза, на ГШВ – в 1,44 раза. Разница по прочности при сжатии в начальные сроки твердения между ступенями давления прессования 25 МПа и 40 МПа для образцов со стеаратом цинка на обоих видах вяжущего незначительна. Прочность при сжатии гиперпрессованных карбонатношлаковых и глиношлаковых образцов со стеаратом цинка в возрасте 28 суток достаточно высокая. При давлении 80 МПа для ГШВ она составляет 61,64 МПа, для КШВ – 60,74 МПа. Плотность гидрофобизированных образцов из ГШВ при возрастании давления прессования с 25 до 80 МПа увеличивается на 240 кг/м³, из КШВ – на 270 кг/м³ (с 1900 до 2170 кг/м³).

Присутствие стеарата цинка в составах КШВ и ГШВ приводит к возрастанию прочности образцов после 28 суток твердения относительно контрольных на 12-23%. Прирост прочности на 23% вряд ли можно объяснить химическим взаимодействием компонентов вяжущего с гидрофобной добавкой, которая не растворяется в щелочной и нейтральной среде. Упрочнение, очевидно, происходит по структурно-топологическому механизму: частицы стеарата цинка, встраиваясь в структурный каркас вяжущего, играют роль демпферов на пути распространения трещин и приводят к снижению микронапряжений на границах раздела фаз и, как следствие, к повышению прочности. Эффект упрочнения вяжущих гидрофобной добавкой более отчетливо проявляется и при увеличении давления прессования.

Исследование влияния металлоорганического гидрофобизатора стеарата цинка на кинетику водопоглощения и на коэффициент водостойкости осуществлялось на тех же составах. При длительном насыщении водой МШВ наблюдается весьма интенсивный набор прочности при сжатии как у негидрофобизированных образцов, так и у образцов с гидрофобной добавкой. Это явление закономерно для вяжущих гидратационного твердения, содержащих минералы шлака.

Образцы на КШВ и ГШВ с добавкой гидрофобизатора, прессованных при различных давлениях прессования, перед определением кинетики водонасыщения были подвергнуты обезвоживанию над хлоридом кальция и затем насыщались водой в течение 200 суток.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что стеарат цинка значительно уменьшает водопоглощение образцов, прессованных при давлении 25 МПа, через 200 суток относительно контрольных – в 1,38-1,66 раза. Прессование также существенно повышает эффективность гидрофобизаторов за счет понижения пористости: водопоглощение образцов из КШВ, прессованных при давлении 80 МПа, в 1,2 раза ниже, чем образцов, полученных при давлении 25 МПа. У ГШВ это отношение составляет 1,18. При этом 50% открытых пор не заполняется водой, что может служить основанием для использования изделий в агрессивных средах. После 200-суточного водонасыщения определялся также коэффициент длительной водостойкости, для чего половина образцов была подвергнута сушке в сушильном шкафу при t = 105 ± 5°С. В результате испытаний образцов выявлено, что все высушенные гидрофобизированные образцы, даже гиперпрессованные, показали прочность ниже аналогичных контрольных, в отличие от водонасыщенных образцов. Так, если прочность насыщенных образцов, прессованных при 80 МПа, превышает прочность контрольных примерно в 1,7 раза, то прочность аналогичных, высушенных образцов из КШВ составляет 90% от контрольных, а из ГШВ – лишь 72%. Парадоксальное на первый взгляд явление объясняется, очевидно, разрушением структуры гидрофобизатора под воздействием температуры при сушке образцов. Однако в результате такого воздействия коэффициент длительной водостойкости у гидрофобизированных образцов оказывается выше единицы (1,15-1,18) и существенно превышает коэффициент длительной водостойкости у контрольных образцов  (0,51-0,6).

По результатам полученных данных можно сделать вывод, что увеличение давления прессования с 25 до 80 МПа положительно сказывается на изменении физико-технических свойств минеральношлаковых вяжущих с гидрофобной добавкой стеарата цинка. Но увеличение давления прессования гидрофобизированного минеральношлакового вяжущего рентабельно лишь для отделочных плиток и плиток для полов, имеющих малую высоту прессовки, а, следовательно, требующих меньших затрат энергии на прессование. Оптимальным для стеновых блоков является давление прессования 25 МПа, при котором материал имеет приемлемые физико-технические характеристики, в том числе высокую длительную водостойкость.

Учитывая, что цементирующая матрица вулканических горных пород, которых в земной коре содержится 64,7% по оценкам Бери Л., Мейсона Б. и Дитриха Р. [1], содержит альбит, алибито-анортит и анортит, преимущество следует отдать катиону натрия. Химический состав горной массы в отвалах примерно соответствует верхней мантии Земной коры и представлен преимущественно SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, SO₃, P₂O₅, CO₂ и др_. В вещественном составе преобладают минеральные образования полиморфных модификаций кремнезема SiO₂, кварца, кварцитов, песчаников, гравелитов, полевошпатовых пород, сульфатов, карбонатов, фосфатов, фторидов, пироксенов, аморфиболов, слоистых силикатов и др. Часто эти горные породы по своему качеству превосходят то нерудное сырье, которое добывают предприятия промышленности строительных материалов.

Замкнутый процесс образования щелочи в теле композита является экологически безопасным и может быть положен в основу новых материалов и улучшения экологии. Других вариантов масштабного безобжигового, малоэнергоемкого использования отходов горных пород пока наука не предложила и вряд ли сможет предложить в ближайшем будущем, если исходить из современных представлений о происхождении прочных горных пород без продолжительного времени (многих миллионов лет) кристаллизации в нормальных условиях без воздействия высоких температур и давлений.

Предпосылкой к получению геошлаковых (ГШ) и геосинтетических (ГС) вяжущих послужили работы, проводимые кафедрой «Технологии строительных материалов и деревообработки» (ТСМиД) ФГБОУ ВПО Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, в области создания минеральношлаковых вяжущих и строительных материалов на их основе, начатые в 1993 г. За этот период был разработан целый ряд минеральношлаковых вяжущих: глиношлаковых, карбонатношлаковых (кальцито и доломитошлаковых), гравелитошлаковых, дацитошлаковых и силицитошлаковых вяжущих [2-6]. При этом показано, что значительное количество горных пород вулканического и осадочного происхождения – базальт, диабаз, диорит, гранит, дацит, глауконитовый песчаник и др. – способные отвердевать в смеси со шлаком и 2-3% щелочи или извести и соды в прессованном состоянии с формированием в нормальных условиях достаточной прочности (60-80 МПа). Преимущество таких материалов состоит в том, что они являются малощелочными, в отличие от шлакощелочных вяжущих и бетонов, разработанных Глуховским В.Д. и его школой [7]. Нами показательно [5], что высокопрочные материалы с прочностью 150-200 МПа могут быть получены при паротепловой обработке при t=80-90°C с обязательным последующим сухим прогревом при t=150-330°C. В этом случаи использованы специфические коллигативные свойства щелочи NaOH, высокомолярный раствор, который способен кипеть при t > 150°C. Такая особенность NaOH позволяет получить при сушке высокомолярный водный раствор (80 моль/л и более) в микропленках, кипящий при температуре 150-200°C и растворяющий в микропленках и микрокапельках многие горные породы, хотя дозировка щелочи не превышает 2-3%.

Разработанные нами низкощелочные (2-3% щелочи), смешанные глиношлаковые, карбонатношлаковые и опочношлаковые вяжущие существенно расширяют сырьевую базу для их производства и позволяют сократить расходы шлака в 1,5-2,0 раза и щелочных активизаторов NaOH, KOH, Na₂CO₃ в 2-3 раза по сравнению со шлакощелочными вяжущими. При этом прочностные показатели этих вяжущих и прессованных материалов на их основе практически не ухудшились по сравнению с чисто шлаковыми дозировками NaOH, Na₂CO_3. При этом глиношлаковые вяжущие являются высокотрещиностойкими, обладают “безопасной” усадкой, выдерживают без образования трещин 25-30 циклов попеременного увлажнения и высушивания при t= 105°С с повышением прочности и модуля упругости [2]. Шлакощелочной цементный камень разрушаются через 2-5 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Доказано, что структурная топология таких смесей наиболее оптимальна и “прорастание” и цементация частиц целого ряда природных глин, молотых горных пород и кальциевых известняков продуктами гидратации шлака и взаимодействия их с растворенными веществами породы обеспечивают физико-технические показатели.

К чистым геополимерам можно отнести каолинощелочные вяжущие. По данным В.Д. Глуховского, глинистые минералы при сильно щелочной активации, когда содержание щелочи составляет 20-27%, от их массы, композиция затвердевает. В этом случае образуются цеолитоподобные гидроалюмосиликатные новообразования с общей формулой Na₂(K₂)O·Al₂O₃·(2-4)SiO₂·nH₂O типа анальцима, натролита, гидронефелина, мусковита и др. Естественно, что такое содержание щелочей делает технологию каолинощелочных вяжущих крайне неэкономичной и опасной из-за работы с высоко концентрированными растворами едкой щелочи. В наших опытах каолин с 5% NaOH при пропаривании в течение 5 часов при температуре 70 °C приобретал прочность и водостойкость, в то время как при нормально-влажностных условиях не образовывал твердеющей структуры в течение 10 лет.

Сведения о низкощелочной активации горных пород (2-3% щелочи) для получения высокопрочного вяжущего в литературе отсутствуют. Нами выявлен целый ряд горных пород осадочного происхождения которые отверждаются в нормально-влажностных условиях при 15-20%-ном содержании шлака. Доказано, что шлак выступает в таких системах, не столько как цементирующее вещество, а как сильный инициатор конденсации матричных частиц горной породы. Инициирующая способность шлака в щелочной среде существенно выше, чем клинкерного цемента.

Исследованные молотые горные породы - кремнеземистые и глауконитовые песчаники, чистые кварцевые пески, халцедоны, опалы, гравелиты, не твердеющие в нормальных условиях со щелочами NaOH и КOH, отвердевали в нормальных условиях при соотношении по массе «шлак :порода» 1:4 (2% NaOH) до прочности при сжатии 25-50 МПа. При прогреве при температуре 200-250°С прочность возрастала до 90-160 МПа. Таким образом, в свете полученных новых данных, шлаки следует рассматривать как ценнейший компонент при создании геополимеров. На чрезвычайно простых опытах доказан диффузионно-сквозьрастворный механизм цементации частиц горной породы растворенными продуктами шлака при нормальных условиях твердения. Выявлен механизм дополнительного отвердевания систем в процессе сухого прогрева при температуре 100-330 °C и микроповерхностного синтеза цементирующих веществ в контактах частиц горных пород.

При сухом прогреве силицитощелочных композиций, спрессованных при давлении 25 МПа, основным цементирующим веществом является кремнекислота, обеспечивающая прочность при сжатии 150-200 МПа. Изделиями на основе таких песчанико-щелочных вяжущих с жаростойкими зернистыми наполнителями могут использоваться для футеровки песчаных агрегатов.

Модификация силицито-щелочных вяжущих гидроксидом алюминия и малыми добавками шлака повышает длительную водостойкость и расширяет сферы применения силицитовых материалов в строительстве.

На настоящем этапе основной технологией формования высокопрочных геосинтетических вяжущих и материалов на их основе является силовое прессование и вибропрессование. Наиболее перспективным направлением необходимо считать литьевую технологию, которая успешно развивается для получения цементных бетонов нового поколения – реакционно порошковых бетонов с эффективными суперпластификаторами [7, 8]. Такие бетоны изготавливаются из цемента с молотой каменной мукой, мелкого песка, дисперсной стальной фиброй и суперпластификатора (СП) литьевым при содержании воды 9-11%. Прочность их при сжатии достигает 150-200 МПа и более, на растяжение при изгибе – 15-25 МПа. Самоуплотняющиеся бетоны с такими же прочностными характеристиками изготавливают с использованием мелкозернистого щебня фракции 3-10 мм. Благодаря эффективным гиперпластификаторам (ГП) бетонные смеси саморастекаются и самоуплотняются под действием собственного веса.

В связи с этим основная задача в области совершенствования технологии высокоэкономичных минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических особовысокопрочных бетонов состоит в разработке супер- и гиперпластификаторов, высокие водоредуцирующие эффективны в присутствии щелочей NaOH, КOH, соды и других солей, каустифицируемых известью.

Выполненные работы на кафедре ТСМиД Пензенского ГУАС свидетельствует о невозможности получения литых смесей при использовании более чем 20 видов зарубежных СП и ГП. В присутствии щелочей происходит значительное изменение электрокинетического потенциала минеральных частиц и шлака и все известные пластификаторы не «работают». Исходя из теоретических представлений о механизме действия СП и ГП, можно выдвинуть гипотезу о том, что суперпластификаторы для сильнощелочных систем должны быть не ноногенными и, вероятнее всего, не олигомерными, а полимерными.

На основании выполненных работ могут быть сформулированы основные принципы получения минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих:

1. В минерально-шлаковых вяжущих, согласно нашей классификации, минеральными компонентами, содержащимися в смешанном вяжущем в количестве 20-80% и в геошлаковых вяжущих – в количестве 5-20%, могут быть не только большая гамма горных пород, но и неактивные и малоактивные шлаки, кальцевые основные и кислые золы, пыли газоотчисток, цементные и известковые пыли, молотый бой любых керамических материалов (керамзита, аглопорита, плитки, кирпича, шамота) и стекла и многие минеральные отходы производства, не содержит гипса.
2. Важным критерием интенсивного твердения прессованных и вибропрессованных изделий является дисперсность шлака и минерального компонента. Помол может быть раздельным и совместным до удельной поверхности 300-350 м²/кг. Более высокие результаты достигаются при более тонком измельчении горной породы, в связи с необходимостью растворения в сильнощелочной среде супертонких частиц минерального компонента из горных пород и техногенных отходов и получения композиционной цементирующей связки.
3. При использовании в качестве активизатора смеси извести и соды (натриевых солей неорганических и органических кислот таблица), их целесообразно подвергать совместному помолу.
4. Отходы мокрой магнитной сепарации и флотации руд цветных металлов можно использовать в виде суспензий, обезвоживания их сухими молотыми горными породами, техногенными отходами и шлаком до формовочной  влажности.
5. Твердые модифицирующие добавки (гидроксид алюминия, алюминат натрия, боксид, каолин, шамот и др.) целесообразно размалывать совместно со шлаком.
6. Для повышения прочности минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих и бетонов необходим их сухой прогрев при температурах изотермии от 100 до 250 °C в течении 5-10 час (в зависимости  от массивности изделий) после паротепловой обработки при t=60-90°C.
7. Минеральные мелкозернистые наполнители для бетонов должны иметь наибольший размер зерен не выше 5-8 мм. Для них целесообразно применять ту же горную породу, которая используется в тонкодисперсном виде и близкую к ней для реализации протекания твердофазных реакции на границе «вяжущее – заполнитель» и повышения технико-экономических показателей при использовании отсевов камнедробления.
8. Во всех составах минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих целесообразно использовать добавку глины в количестве 5-7% для улучшения прессования, повышения трещиностойкости и реализации позитивной “безопасной” усадки [2].
9. С целью изготовления гидрофобных и высококоррозистойких строительных материалов на МШВ, ГШ и ГС в качестве гидрофобной добавки в щелочные системы необходимо использовать щелочестойкие стеараты цинка и кальция и вводить их в вяжущее при совместном помоле [10, 11].
10. При силовом прессовании влажность смеси должна составлять 12-14%, давление прессования 25 МПа.
11. При производстве мелкозернистых бетонов методом вибропрессования целесообразно использовать пластификаторы, наилучшим из которых для щелочных систем является ЛСТ.