УДК 691.335

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЯЖУЩИХ ЩЕЛОЧНОЙ АКТИВАЦИИ

Ерошкина Надежда Александровна1, Коровкин Марк Олимпиевич2, Тымчук Екатерина Ильинична3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., инженер-исследователь
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент

Аннотация
Приведены данные о развитии вяжущих щелочной активации. Установлено, что наиболее перспективным направлением развития этих строительных материалов является совершенствование геополимерных вяжущих. Отмечено, что широкое использование этих вяжущих будет возможно только после подтверждения долговечности строительных материалов, полученных на основе геополимерных вяжущих.

Ключевые слова: вяжущие щелочной активации, геополимер, долговечность, зола ТЭС, шлак


PERSPECTIVES ON THE DEVELOPMENT OF ALKALI ACTIVATED BINDERS

Eroshkina Nadezda Alexandrovna1, Korovkin Mark Olimpievich2, Tymchuk Ekaterina Ilyinichna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Engineer-researcher
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, Student

Abstract
Data of development of alkali activated binders are given. It was found that the improvement of geopolymer binders is the most promising direction of development of these building materials. It is noted that the widespread use of these binders will be possible only after the confirmation of durability of building materials based on geopolymer binder.

Keywords: alkali activated binders, durability, fly ash, geopolymer, slag


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Перспективы развития вяжущих щелочной активации // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. Ч. 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50882 (дата обращения: 29.09.2017).

Производство строительных материалов относится к числу наиболее консервативных областей техники. Внедрение новой или принципиальная модернизация существующей технологии в строительной индустрии происходит крайне редко. На протяжения всей истории развития строительной науки и техники было разработано значительное число новых материалов строительного назначения, однако лишь небольшая часть этих материалов производится промышленностью.

Вероятно, наиболее успешной технологией в строительной индустрии за всю историю ее развития является производство портландцемента – доминирующего вяжущего материала в современном строительстве. Без использования этого материала невозможно получение главного строительного материала современности – бетона и железобетона. Развитие технологии портландцемента, который был изобретен в начале XIX века, имело долгий эволюционный путь. Цемент, который производился на начальных этапах развития его технологии, по современными представлениям, не являлся портландцементом. Постепенное совершенствование технологии портландцемента привело к значительному росту его характеристик и объемов производства.

Очевидно, что сегодня не существует строительных вяжущих, способных в ближайшем будущем заменить портландцемент и бетон на его основе. Такое положение сложилось благодаря высоким характеристикам портландцемента, удовлетворяющих требованиям современных строительных технологий. Большое значение имеет монополизация цементной отрасли и колоссальные запасы сырья для производства цемента (карбонатные породы и глины), месторождения которых равномерно распределены на всех континентах Земли. Сегодня в мире производится около 4 млрд. тонн портландцемента в год и объемы производства его постоянно растут.

В качестве наиболее перспективной альтернативы портландцемента можно рассматривать вяжущие щелочной активации, твердение которых происходит в результате реакций различных измельченных алюмосиликатных материалов – шлаков, зол, некоторых горных пород и других природных или искусственных материалов с щелочным активатором. Такие вяжущие по свойствам сопоставимы с портландцементом, а по некоторым характеристикам могут его превосходить [1]. Важным преимуществом вяжущих щелочной активации является возможность использования широкого спектра промышленных отходов, а также отсутствие в технологии энергоемкой операции обжига.

На ранних этапах развитиях технологии вяжущих щелочной активации они рассматривались в качестве дешевых материалов, способных восполнить дефицит общестроительных вяжущих, существовавший в нашей стране до конца 80-х годов прошлого века. В последующий период большее значение приобрели экологические преимущества производства шлакощелочных вяжущих на основе промышленных отходов.

Впервые вяжущие щелочной активации на основе шлаков были исследованы А.О. Пурдоном в 1940 году. Однако в зарубежной научной литературе долгое время вяжущим щелочной активации уделялось мало внимания. Достаточно полная хронологическая последовательность открытий в области вяжущих щелочной активации была сделана D. Roy [1] и C. Li [2]. Эту хронологию можно дополнить исследованиями некоторых отечественных ученых [6-12, 14-16] (см. таблицу).

Таблица – Этапы развития вяжущих щелочной активации по данным [1-16]

Год Ученый Вклад
1930 Kuhl H. Исследования свойств вяжущих на основе шлака и гидроксида калия
1937 Chassevent L. Исследования реакционной активности шлака в присутствии гидроксида калия и натрия
1940 Purdon A.O. Исследования щелочной активации шлаков
1959 Глуховский В.Д. Теоретические основы и развитие щелочных вяжущих
1965 Глуховский В.Д. Первый применил термин “щелочные цементы”
1979 Davidovits J. Предложил термин “геополимер”
1983 Forss B. F-цемент (шлак–щелочь–суперпластификатор)
1985 Davidovits J. и Sawyer J. L. Патент на вяжущее”Pyrament”
1986 Кривенко П.В. Вяжущие щелочной активации системы R2O–RO–SiO2–H2O
1986 Malolepsy J. и Petri M. Активация синтетических мелилитов шлака
1989 Kaushal K.и др. Отверждение щелочами токсичных отходов при адиабатических условиях
1989 Majundar A. и др.. Использование для активации шлака C12A7
1989 Talling B. и Brandstetr J. Шлак, активированный щелочью
1990 Wu C. и др. Активация шлакового цемента
1980-1990 Цыремпилов А.Д. и др. Щелочные бесцементные алюмосиликатные вяжущие на основе эффузивных пород
1991 Roy D. и др. Быстротвердеющие вяжущие щелочной активации
1991 Петрова Т.М., Комохов П.Г. Шлакощелочные вяжущие на основе сталеплавильных шлаков
1992 Palomo A. и Glasser F.P. Кальций-силикатные вяжущие с метакаолином
1993 Roy D. и Malek R. Шлакоцемент
1994 Кривенко П.В. и др. Щелочные цементы
1995 Калашников В.И. и др. Разработали глиношлаковые вяжущие на основе механогидроактивированных шлаков
1995 Wang S.D. и Scivener K.L. Микроструктура шлака и шлакощелочного вяжущего
1996 Shi C. Исследование прочности, пористости и проницаемости шлакощелочных вяжущих
1997 Fernandez-Jimenez A. и Puertas F. Исследование кинетики шлакощелочных вяжущих
1998 Katz A. Микроструктура активированной щелочью золы-уноса
1998 Зосин А.П. и др. Геополимерные вяжущие на основе магнезиально-железистого шлака
1999 Davidovits J. Химия и технология геополимерных систем
1999 Roy D. Анализ преимуществ и недостатков вяжущих щелочной активации
1999 Palomo A. Вяжущее щелочной активации на основе золы
2000 Gong W. и Yang N. Щелочеактивированное вяжущее на основе красного шлама и шлака
2000 Puertas F. Щелочеактивированное вяжущее на основе золы-унос и шлака
2003 Palomo A. and Palacios M. Иммобилизация токсичных отходов в технологии геополимеров
2004 Grutzeck M.W. Структура цеолита
2004 Иванов К.С., Иванов Н.К. Неавтоклавные ячеистые бетоны на основе шлакощелочных вяжущих и диатомита
2005 Калашников В.И. и др. Минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические вяжущие
2005-2015 Рахимов Р.З. и Рахимова Н.Р. Композиционные шлакощелочные вяжущие с тонкодисперсными добавками: кварцевого песка, отработанной формовочной смеси литейного производства, боя керамического кирпича, боя бетона на портландцементе, синтетического цеолита, цеолитсодержащих горных пород
2006 Sun Технология алюмосиликатов
2007 Duxson P. Технология геополимеров: текущее состояние
2007 Ерошкина Н.А. и др. Геополимерные вяжущие на основе магматических горных пород
2008 Hajimohammadi A. и др. Однокомпонентный геополимер
2009 Provis J.L. и Deventer J.S.L. Геополимеры: структура, производство, свойства и области применения
2009 Алешунина Е. Ю., Брыков А.С., Данилов В.В. Изучение влияния алюмината калия на вяжущие свойства щелочных кремнеземсодержащих коллоидных растворов
2009 Ахвердиева Т.А. Щелочно-минеральные вяжущие материалы на основе вулканического пепла
2010 Wang M.R. и др. Влияние температуры обжига каолина на свойства геополимеров
2010 Kong D.L.Y., Sanjayan J.G. Влияние температуры твердения на свойства геополимеров
2010 Villa С. И др. Синтез геополимеров при щелочной активации природных цеолитов
2011 Somna K. и др. Геополимер на основе золы-унос, активированной NaOH
2011 Elimbi A. и др. Влияние температуры обжига на свойства вяжущих из каолинитовой глины

В Советском Союзе наиболее значимые работы по развитию вяжущих щелочной активации были проведены В.Д. Глуховским и его сотрудниками. Ими были выполнены лабораторные исследования, а затем проведены промышленные испытания сначала грунтосиликатов [4], а затем шлакощелочных вяжущих [5]. Однако, несмотря на то, что в ходе этих работ были получены положительные результаты, широкого распространения эти материалы не получили.

Развивая технологию шлакощелочных вяжущих В.И. Калашников и его ученики [6, 8], разработали глиношлаковые, минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические вяжущие с различным содержанием шлака и осадочных горных пород с прочностью до 200 МПа. Исследованиями Н.А. Ерошкиной и др.[9] было установлено, что на основе магматических горных пород могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40-100 МПа.

Зарубежные исследователи в последние годы активизировали работу по вяжущим щелочной активации [1-3]. Это связано с возможностью решения некоторых экологических проблем благодаря вовлечению в производство вяжущих промышленных отходов. Важным преимуществом щелочных вяжущих, как уже отмечалось, является отсутствие в их технологии обжига и необходимости сжигать углеводородное топливо, сокращая выбросы в атмосферу углекислого газа.

Научной основой развития щелочных вяжущих в настоящее время служит концепция геополимеров, разработанная французским ученым J. Davidovits в конце семидесятых годов [3].

На ранних этапах развитиях технологии геополимеров – алюмосиликатных неорганических полимеров, получаемых в результате щелочной обработки природного и техногенного минерального сырья, – они разрабатывались в качестве замены органических полимеров для повышения их огнестойкости, а также для производства низкотемпературной керамики различного назначения. На основе геополимеров были получены специальные ремонтно-строительные материалы, способные быстро набирать высокую прочность. Такие материалы имели высокую коррозионную и температурную стойкость. Однако эти материалы не получили широкого распространения из-за высокой стоимости.

Новый этап развития технологии геополимерных материалов начался тогда, когда в качестве сырья для их получения стали использовать золы ТЭС, доменные гранулированные шлаки, алюмосиликатные горные породы. Применение такого сырья позволило значительно снизить стоимость геополимерных вяжущих и получить на их основе недорогие строительные материалы, а также решить проблему утилизации многотоннажных промышленных отходов. Последнее особенно важно для определения направлений развития промышленности строительных материалов в странах, не имеющих развитой индустрии утилизации промышленных отходов.

Сегодня геополимерные вяжущие рассматриваются в качестве альтернативы портландцементу [3], однако о полной замене цемента новым материалом на современном этапе развития технологии и науки о геополимерах пока говорить нельзя. Это связано, в частности, с невозможностью достоверно прогнозировать свойства новых строительных материалов, эксплуатирующихся в различных условиях.

В отличие от строительных материалов, производящихся на основе традиционного минерального сырья, имеющего стабильные состав и свойства, продукция, изготавливаемая на основе отходов, часто характеризуется непостоянными свойствами, что вызвано колебаниями состава промышленных отходов. Для получения строительного материала со стабильными характеристиками и хорошо прогнозируемыми сроками эксплуатации необходимо проведение системных исследований закономерностей влияния состава исходных компонентов и технологических режимов производства геополимерных строительных материалов на базе промышленных отходов на широкую номенклатуру показателей их качества. Для разработки технологии геополимерных материалов необходимо комплексное исследование конструктивных и деструктивных явлений, протекающих в материале в процессе производства и эксплуатации.

В настоящее время знаний о геополимерных материалах еще недостаточно для широкого внедрения их в строительную практику. Непредсказуемый риск снижения работоспособности материалов и конструкций в процессе эксплуатации, а также отсутствие нормативной базы останавливают проектировщиков и строителей от использования геополимерных материалов, произведенных по ресурсосберегающим технологиям на основе промышленных отходов. Ресурсосберегающая эффективность производства и применения строительных материалов на основе промышленных отходов будет оправданна только в случаях достаточно высокой долговечности получаемых материалов. В связи с этим ключевой проблемой при широком внедрении в строительную практику новых строительных материалов, полученных по геополимерной технологии, является решение вопросов, связанных с их долговечностью.

Для решения этих вопросов необходимо разработать новые и усовершенствовать существующие методы оценки свойств геополимерных материалов, учитывающие особенности их эксплуатационного поведения при различных неблагоприятных условиях. При прогнозировании долговечности геополимерных материалов с успехом могут быть использованы методики, применяющиеся для оценки долговечности бетона и других традиционных строительных материалов. К таким методикам должны быть отнесены прежде всего определение морозостойкости, коррозионной стойкости, трещиностойкости. Применение традиционных прогнозных методов оценки долговечности, а также опыт, накопленный исследовательскими лабораториями, по стойкости геополимерных материалов в различных условиях силового воздействия и коррозионно-активных средах позволит в ближайшем будущем ученым получить сведения, необходимые для надежной эксплуатации геополимерных строительных материалов.

Анализ результатов исследования геополимерных вяжущих и имеющийся опыт их промышленного использования показывает, это направление развития вяжущих щелочной активации во многих странах является основным. Достигнутые успехи в развитии геополимерных вяжущих могут быть широко реализованы в строительной практике только после подтверждения эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов, полученных на основе этих вяжущих.


Библиографический список
  1. Li C., Sun H., Li L. A review: The comparison between alkali-activated slag (Si+Ca) and metakaolin (Si+Al) cements // Cement and Concrete Research. 2010. № 40(9). P. 1341-1349.
  2. Roy D.M. Alkali-activated cements Opportunities and challenges // Cement and Concrete Research. 1999. № 29(2). P. 249-254.
  3. Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications. 3rd eddition. – France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. – 614 p.
  4. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты / В.Д. Глуховский. – Киев: Госстройиздат, 1959. – 127 с.
  5. Глуховский В.Д. Шлакощелочные цементы и бетоны / В.Д. Глуховский, В.А. Пахомов. – Киев: Будiвельник, 1978. – 184 с.
  6. Калашников В.И. Прессованные глиношлаковые композиции на основе механогидрохимической активизированных шлаков / В.И. Калашников, В.Ю.Нестеров, Т.В. Малофеева, М.В.Остроухова // Материалы ХХУШ научно-технической конференции Пензенского ГАСИ. Пенза, 1995. С.52.
  7. Zosin A.P. Geopolymer materials based on magnesia-iron s lags for normalization and storage of radioactive wastes / A. P. Zosin, T. I. Priimak, Kh.B. Avsaragov // Atomic Energy. 1998. Vol. 85, N 1. Р. 510–514.
  8. Калашников В.И. Роль и значение сильных щелочей и температурных условий в синтезе прочности минерально-шлаковых и геошлаковых вяжущих / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, А.А. Карташов [и др.] // Материалы МНТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». 2005. С. 71-79.
  9. Ерошкина Н.А. Перспективность горных пород в качестве сырья для производства геополимеров в зависимости от их генезиса / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин, А.А. Мишанов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2007. – С. 92–95.
  10. Рахимов М.М., Хабибуллина Н.Р., Рахимов Р.З. Композиционные шлакощелочные вяжущие с цеолитсодержащими добавками // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2005. № 6. С. 33-36.
  11. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Стоянов О.В. Геополимеры // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 23. С. 189-196.
  12. Петрова Т.М., Комохов П.Г. Влияние особенностей сталеплавильных шлаков на свойства шлакощелочных вяжущих // Цемент и его применение. 1991. № 9. С. 6-12.
  13. Ахвердиева Т.А. Химическая стойкость щелочно-минеральных вяжущих материалов, полученных на основе вулканического пепла Джабраильского месторождения//Башкирский химический журнал. 2009. Т. 16. № 3. С. 88-91.
  14. Иванов К.С., Иванов Н.К. Неавтоклавные ячеистые бетоны на основе шлакощелочных вяжущих и диатомита // Строительные материалы. 2004. № 8. С. 42-44.
  15. Алешунина Е.Ю., Брыков А.С., Данилов В.В. Влияние алюминат-иона на вяжущие свойства щелочных кремнеземсодержащих коллоидных растворов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2009. Т. 52. № 7. С. 102-105.
  16. Щелочные бетоны на основе эффузивных пород / В.Д. Глуховский, А.Д. Цыремпилов, Р.Ф. Рунова  [и др.]. – Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1990. 172 с.


Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: