Неиссякаемым источником сырьевой базы безобжиговых вяжущих веществ и строительных материалов являются широко распространённые местные материалы (глины, известняки, песчаники, опоки и др) и отходы горнопромышленного комплекса, включающие отходы предприятий нерудных строительных материалов, предприятий по изготовлению облицовочного камня, высокодисперсные отходы горно-обогатительных комбинатов и др. Из всего добываемого в мире этого минерального сырья (100 млрд в год) в качестве общественного продукта используется только 2%, а остальные 98% - в химически малоизмененном состоянии - выбрасываются в виде отходов. На территории России ежегодно образуются 6~8 млрд т отходов, которых только в твердом виде накоплено в отвалах и хранилищах примерно 80 млрдт. Среди твердых отходов значительную часть составляют отходы горной промышленности, золы и шлаки энергетической промышленности, черной и цветной металлургии. В целом доля используемых отходов по стране составляет 8-10%.

     Проблема прямого безобжигового синтеза вяжущих веществ из тонкодисперсных горных пород неоднократно исследовалась в строительном материаловедении. Установлено, что связующим звеном в этом синтезе должен быть шлак. Он может быть охарактеризован как химически активная искусственная «порода», которая, в отличие от естественных горных пород близкого химического состава, взаимодействует с водой и гидратируется ею. Причиной является наличие извести, связанной в силикаты и алюминаты кальция. Наилучшими активизаторами твердения шлака являются щелочи или жидкое стекло, поэтому комбинация шлака с дисперсными минеральными породами является наиболее предпочтительной. Подобная комбинация порошков горных пород с портландцементом успешно используется в мире при создании высококачественных бетонов.

Ученые и производственники на протяжении многих десятилетий разрабатывали технологии наполнения цементного клинкера высокодисперсными порошками, особенно золами и шлаками. Современный зарубежный опыт свидетельствует о позитивном сочетании порошков горных пород с портландцементом (композиционные вяжущие) при изготовлении высококачественных экономичных порошковых бето¬нов. В последнее время дисперсные горные породы вводятся за рубежом, в основном, в цементы в качестве наполнителей для получения композиционных вяжущих. На создание таких вяжущих в России ориентирован новый ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия», гармонизированный с Евростандартом и предусматривающий 12 разновидностей композиционных цементов, в которых содержание клинкера изменяется от 35 до 95%, а остальное (наполнители) - золы и шлаки (см.таблицу). Руководствуясь этим ГОСТом, цементная промышленность не в состоянии полностью использовать металлургические шлаки (30 млн т в год), не говоря уже о золошлаках энергетической промышленности (столько же). Так как для портландцемента нет альтернативы при производстве высоконагруженных конструкционных бетонов, которые должны изготавливаться на клинкерных бездобавочных или малодобавочных цементах, то надеяться на широкое использование горных пород в составе цементного композиционного вяжущего не приходится. Поэтому нами формулируются новые направления, связанные с тем, что функцию цемента как основы композиционного вяжущего в совокупности с порошкообразными горными породами должен взять на себя шлак в составе минерально-шлаковых вяжущих.

Щелочная активация шлаков использовалась с целью получения на их основе высокопрочных материалов, что привело к созданию шлакощелочных цементов и бетонов. Такие высокощелочные, высоко-жидкостекольные, высокосодовые шлаковые вяжущие и бетоны были созданы В.Д.Глуховским и его учениками. Однако стремление к созданию высокопрочных шлакощелочных вяжущих, требующих существенного расхода щелочных активизаторов (щелочей, соды, поташа, силикатов щелочных металлов), достигающих 8~12% от массы шлака, отнюдь не способствовало улучшению некоторых свойств бетонов: трещиностойкости, малому высолообразованию, сцеплению бетонов с защитно-декоративными покрытиями и др. Если говорить об использовании таких высоко-шлакощелочных бетонов в настоящее время, то с уверенностью можно сказать, что они вряд ли будут широко применяться в России из-за значительной стоимости щелочных активизаторов по сравнению с портландцементом.

Как показали продолжительные исследования в Пензенском ГУАС, по теории твердения композиционных вяжущих [1~5], наиболее эффективными активизаторами отверждения горных пород в щелочной среде по своей природе являются нейтральные и основные гранулированные металлургические шлаки. Однако роль шлака как основного связующего матричного вещества, которую он играет в чистых шлакощелочных вяжущих, кардинально меняется в композиционных минерально-шлаковых вяжущих нового поколения, особенно в малошлаковых и малощелочных.

Широкий диапазон полиморфных модификаций горных пород, их химико-минералогический состав создают перспективу для научного поиска безобжиговых вяжущих веществ из тонкодисперсных пород путем их модифицирования шлаками и щелочными активизаторами, в основном содержащими элементы Ыа и К, массовая доля которых в земной коре - 5,6%. Стратегия создания композиционных вяжущих с использованием горных пород должна развиваться от минерально-шлаковых к геошлаковым, а далее - к безшлаковым геосинтетическим вяжущим [4].

Разработанные нами схемы классификации минеральных гидравлических вяжущих систем и минерально-шлаковых малощелочных композиционных вяжущих (рис. 1,2) систематизируют основные идеи создания новых видов композиционных шлаковых вяжущих при сочетании шлаков и наполнителей из горных пород, когда наряду с созданием новых эффективных строительных материалов реализуется несколько вариантов энергосберегающей, ресурсосберегающей и природоохранной технологий с использованием следующих принципов: «отход + отход + химическая активация = вяжущее»; «отход + отход + термохимическая активация = вяжущее»; «отход + отход + катализатор = вяжущее». В процессе исследований обоснован выбор активизаторов - щелочных соединений со сверхвысокой растворимостью в воде, обеспечивающих повышенную температуру кипения щелочного раствора в тонкопленочном состоянии для растворения целого ряда горных пород с образованием цементирующих веществ с продуктами гидратации шлака. Впервые установлено, что с такими активизаторами гидратационные процессы отвердевания минерально-шлаковых систем протекают не только при термовлажностной (водотепловой) обработке, но и в условиях сухого прогрева за счет кипения высокомолярного раствора и появления безводного расплава щелочи.