Разработка новых и совершенствование существующих разновидностей безклинкерных вяжущих щелочной активации, к числу которых относятся шлакощелочные, минерально-шлаковые, минерально-щелочные и геополимерные вяжущие – наиболее перспективное направление создания энерго- и ресурсосберегающей альтернативы портландцемента.

Минерально-щелочные вяжущие или по зарубежной терминологии – геополимерные вяжущие на основе магматических горных пород [1] получают за счет активации щелочами или метасиликатами щелочных металлов измельченных гранитов, базальтов, габбро, диабазов и других эффузивных и интрузивных пород [2].

Исследованиями установлено [2, 3], что магматические горные породы, измельченные до удельной поверхности 300 м²/кг и более, при затворении растворами щелочей способны твердеть только при низких водовяжущих отношениях и сухом прогреве при температуре 80 ºС и выше. Эти вяжущие имеют достаточно высокую прочность – 30…50 МПа, однако они имеют низкую водостойкость, которая характеризуется коэффициентом размягчения в интервале от 0,15 до 0,6. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что эти материалы относятся к воздушному типу вяжущих. При замене щелочного активатора твердения на метасиликатный (растворимое стекло) свойства вяжущих изменяются незначительно.

Введение доменного гранулированного шлака в состав вяжущего позволяет повысить его прочность и водостойкость. Вяжущее с этой добавкой твердеет как при тепловлажностной обработке, так и в нормальных условиях [2, 3].

С учетом выявленных в ходе исследований закономерностей твердения вяжущих на основе магматических горных пород была предложена технология производства этого вяжущего [2, 3]. Основные этапы предлагаемой технологии включают: раздельное или совместное измельчение отхода добычи и переработки магматической горной породы и гранулированного шлака, приготовление комплексного активатора твердения состоящего из метасиликата натрия или калия и гидроксида этих металлов в соотношении, обеспечивающем силикатный модуль не выше 1,6 (рис. 1).

После приготовления смеси измельченной горной породы и шлака, она перемешивается с заполнителем и затворяется водой, в которой растворен комплексный активатор. Бетон на основе минерально-щелочного вяжущего характеризуется свойствами сходными с портландцементным бетоном и может производиться на существующих технологических линиях без их значительных изменений.

Рис.1. Схема получения геополимерного минерально-щелочного вяжущего и бетона на его основе

В технологии минерально-щелочных вяжущих заложен высокий энерго- и ресурсосберегающий потенциал: во-первых, для производства вяжущих используются дисперсные многотоннажные отходы добычи и переработки каменных горных пород, не требующих значительных затрат энергии на доизмельчение; во-вторых в технологии минерально-щелочных вяжущих отсутствует операция обжига. Последнее обстоятельство выгодно отличает разрабатываемые вяжущие от классических геополимерных материалов на основе обожженных при температуре 750 °С каолина или полевошпатных пород. Еще более эффективна замена на минерально-щелочные вяжущие доминирующего в современном строительстве портландцемента, производство которого сопряжено со значительными расходами тепловой энергии на высокотемпературный обжиг и электроэнергии на помол сырья и клинкера.

Сопоставление энергетических затрат показывает, что для получения геополимерных вяжущих требуется затратить в два раза меньше энергии. Наибольшая доля энергетических затрат при производстве геополимеров приходится на получение активатора твердения в состав которого входит метасиликат натрия или калия. Этот компонент вяжущего получают на специализированных предприятиях в процессе высокотемпературной варки. Получение метасиликата непосредственно не входит в технологию производства геополимерного вяжущего, но в связи с тем, что этот процесс является энергоемким, в расчетах энергозатраты на получение метасиликатов щелочных металлов нами были учтены.

Замещение портландцемента геополимерными вяжущими позволяет получить ресурсосберегающий эффект за счет двух факторов:

- замещения природного сырья на промышленные отходы;

- повышения соотношения готовой продукции и затраченного сырья, что достигается благодаря исключению из сырьевых материалов карбонатного сырья, которое при обжиге теряет почти половину своей массы за счет выделения углекислого газа.

а)
б)
в)

Рис. 2. Затраты энергии (а) и сырья (б) и эмиссия углекислого газа (в) при получении различных видов строительных материалов. Обозначения: 1 – портландцемент мокрым способом; 2 – портландцемент сухим способом; 3 – кирпич; 4 – шлакощелочное вяжущее; 5 – геополимерное вяжущее на основе метакаолина; 6 – минерально-щелочное геополимерное вяжущее

При производстве портландцемента потери при прокаливании сырьевой шихты составляют около 35 %. С учетом топлива, которое расходуется на обжиг сырья для производства 1 тонны цемента затраты сырья составляют приблизительно 1,8 тонны. При производстве разработанного геополимерного вяжущего используются крупнотоннажные отходы горной промышленности. Даже если считать, что шлак являются товарным продуктом, расходы сырья для производства разрабатываемых нами вяжущих материалов будут составлять 0,35…0,45 тонны на 1 тонну готовой продукции. Материальные затраты в производстве традиционного геополимерного вяжущего выше за счет использования природного сырья и топлива для его обжига.

Негативным фактором производства портландцемента является выделение углекислого газа. В соответствии с данными приведенными Дж. Давидовичем [1] и рассчитанными нами при производстве геополимеров в атмосферу выделяется в 3-4,5 раза меньше углекислого газа [2, 3], чем при производстве портландцемента (рис. 2б).

При выработке 1 кВт×ч электроэнергии в окружающую среду выбрасывается примерно 0,61 кг углекислого газа. Значит, при производстве 1 тонны минерально-щелочного вяжущего в атмосферу выделяется 405,5×0,61=247,4 кг, или 0,247 т СO₂, что сопоставимо с количеством углекислого газа, образующегося при производстве геополимерного цемента, и приблизительно в 3-4 раза меньше, чем при получении портландцемента.

В центральной части России основным поставщиком щебня для строительства является ОАО «Павловскгранит» (Воронежская область), которое ежегодно производит порядка 15 млн т горных пород. При добыче и переработке щебня примерно четвертая часть идет в отходы. Результаты наших исследований убедительно доказали, что магматические горные породы, а также отходы их добычи могут использоваться для получения минерально-щелочных вяжущих.

Сравнение затрат энергии для производства 1 тонны портландцемента и геополимерного вяжущего по данным [1] показывает, что эти затраты для производства геополимера примерно в 2 раза ниже. Это связано с отсутствием операции обжига в технологии геополимера (рис.2в).

Выводы

Разработаны составы для получения геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород с добавкой доменного гранулированного шлака, активированных силикатом щелочного металла. Эти вяжущие и бетоны на их основе могут производиться по энерго- и ресурсосберегающей технологии, включающей четыре этапа: доизмельчение магматических пород и доменного шлака, приготовление активатора, приготовление бетонной или растворной смеси и формование изделий и конструкций. Подсчитаны затраты энергии и ресурсов на получение 1 тонны геополимерного вяжущего, а также выбросы углекислого газа.

1. Davidovits, J. Geopolymer chemistry and applications. Geopolymer Institute, 3rd edition, France. 2011.
2. Ерошкина Н.А. Исследование вяжущих, полученных при щелочной активизации магматических горных пород // Строительство и реконструкция. 2011. № 1. С. 61-65.
3. Ерошкина Н.А. Минерально-щелочные  вяжущие: монография / Н.А. Ерошкина, В.И. Калашников, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2012. – 152 с.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»