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
- 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.
- Roy D.M. Alkali-activated cements Opportunities and challenges // Cement and Concrete Research. 1999. № 29(2). P. 249-254.
- Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications. 3rd eddition. – France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. – 614 p.
- Глуховский В.Д. Грунтосиликаты / В.Д. Глуховский. – Киев: Госстройиздат, 1959. – 127 с.
- Глуховский В.Д. Шлакощелочные цементы и бетоны / В.Д. Глуховский, В.А. Пахомов. – Киев: Будiвельник, 1978. – 184 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Стоянов О.В. Геополимеры // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 23. С. 189-196.
- Петрова Т.М., Комохов П.Г. Влияние особенностей сталеплавильных шлаков на свойства шлакощелочных вяжущих // Цемент и его применение. 1991. № 9. С. 6-12.
- 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.
- Иванов К.С., Иванов Н.К. Неавтоклавные ячеистые бетоны на основе шлакощелочных вяжущих и диатомита // Строительные материалы. 2004. № 8. С. 42-44.
- 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.
- 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.
Количество просмотров публикации: Please wait