Для регулирования структуры и свойств известковых сухих строительных смесей, предназначенных для ремонта и реставрации зданий исторической застройки, разработана технология синтеза добавки, заключающаяся в добавлении микродисперсных порошков алюминия в  натриевое жидкое стекло при температуре 60^оС в течение 90 мин.

Синтезируемая добавка представляет собой легкий порошок светло-серого цвета (размер частиц 2–20 мкм), с насыпной плотностью  0.55 г/см³. Выход готового продукта составляет 90%.

Ренгенофазовый (РФА) анализ показали, что минералогический состав добавки представлен кристаллическими разновидностями гидроокислов алюминия – байеритом  – α-Al(OH)₃ и бёмитом  – γ-AlO(OH). Аморфная фаза представлена наноструктурированными алюмосиликатами.

Изучалось влияние синтезируемой добавки на структурообразование известковых составов. В работе применяли известь-пушонку, приготовленную на извести второго сорта с активностью 84%. Количество добавки варьировалось от 1 до 30% от массы извести.

Установлено, что введение  синтезируемой добавки в известковую систему приводит к  незначительному  снижению рН жидкой фазы. Спустя 1,5ч с момента затворения рН контрольных составов (без добавки) составляет рН= 13,43 , а с содержанием добавки 10 % – рН= 13,3 .

Введение синтезируемой добавки способствует повышению теплоты структурообразования (рис.1). Максимальная температура, составляющая 28 °С, достигается спустя 180 мин  при введении 30% от массы извести добавки. При содержании добавки 10% от массы извести максимальная температура составляет 24°С и достигается спустя   60 мин.

Ренгенофазовый анализ известкового композита показал, что минералогический состав представлен гидрокарбоалюминатами кальция, d,A (4,613;2,5289), гидроалюминатами кальция d,A (4,099;3,948;3,6187;;2,8432), гидроалюмосиликатами кальция d,A (5,016; 3,1816),  кальцитом d,A (3, 0079; 2,7542), гидроксидом кальция, d,A (3,1816; 2,6433), гидроалюмосиликаты натрия, d,A(3,6896; 2,9214; 2,6708).

При оценке кинетики твердения известковых композитов, содержащих синтезируемую добавку, установлено, что введение добавки приводит к резкому повышению прочности в начальный момент твердения.

В возрасте 3-х суток воздушно-сухого твердения прочность при сжатии известкового композита на основе состава с содержанием 30% добавки составляет  R_сж=1,79МПа, а на основе контрольного состава – R_сж=0,3МПа. Однако, спустя 14 суток твердения у композитов, приготовленных на основе составов с большим содержанием синтезируемой добавки (10-30% от массы извести) наблюдается сброс прочности. Очевидно, снижение прочности связано с переходом гексагонального гидроалюмината кальция 2СаАl₂O₃8H₂O  в кубический 3СаАl₂O₃6H₂O, что сопровождается появлением напряжений в твердеющей системе.

Введение в известковую систему одновременно синтезируемой добавки и дополнительно диатомита, содержащего аморфный кремнезем SiO₂ и обеспечивающего  дополнительно силикатное твердение, способствует дальнейшему росту прочности композита. При содержании добавки алюмосиликатов 5% от массы извести и диатомита в соотношении  известь : диатомит, равном И:Д=1:3, прочность при сжатии в возрасте 14 суток воздушно-сухого твердения составляет R_cж =3,87МПа.

Перспективным направлением в этом вопросе является производство строительных материалов с применением нетрадиционного сырья – отходов промышленности (золошлаковых смесей) и золы уноса (см. табл. 1).

Таблица 1. Виды продукции, произведенной с добавлением компонентов ЗШС

В последние годы использование вторичных ресурсов в производстве строительных материалов изучается многими отечественными и зарубежными исследователями.

Научная школа под руководством д.т.н. В.С. Лесовика и д.т.н. В.В. Строковой БГТУ имени В.Г. Шухова изучает и разрабатывает способы использования ЗШС тепловых электростанций в качестве наполнителя для цементных строительных материалов [2]. Коллектив ученых из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого под руководством д.т.н. Н.И. Ватина совместно с зарубежными учеными работает над проблемой эффективного использования отходов тепловой энергетики [3]. Китайские ученые достигли больших успехов в производстве бетона с высокими эксплуатационными свойствами за счет использования модифицированной золы-унос и нанокремнезема [4].

Ведущими учеными в области геоэкологии, также, разрабатываются способы решения проблемы загрязнения окружающей человека среды и природных экосистем тяжелыми металлами и процессы получения геополимерного бетона из обработанных щелочным раствором (силикатов натрия Na₂O(SiO₂)_n и (или) калия K₂O(SiO₂)_n) компонентов ЗШС путем формирования геополимерного материала [5, 6, 7].

Переработку отходов теплоэнергетики выполняют по двум направлениям: производство вторичных строительных материалов и производство товарной продукции. Благодаря этому получены эффективные композиционные цементы и бетоны с применением местного сырья и отходов предприятий промышленности (золошлаковых смесей) для комплексного формирования перечня инновационных строительных материалов и конструкций [8].

Геоэкологические аспекты утилизации золошлаковых отходов, образующихся при сжигании твердого топлива на энергоустановках тепловых электростанций (ТЭС) и накопленных на специализированных полигонах, необходимо решать путем производства геополимеров. Основой геополимерного бетона являются продукты, остающиеся после сжигания каменного угля, такие как зола-унос, шлак, ЗШО – то есть такой материал, который в основном состоит из алюмосиликата. Кроме того, компонентами геополимерных вяжущих могут быть:

• алюмосиликатные материалы природного и искусственного происхождения;
  
• термически обработанные каолины;
• полевошпатные и другие горные породы.

Научно-прикладные исследования по разработке комплексной экономически эффективной технологии переработки гидратированных золошлаковых отходов углесжигающих электростанций и отходов углеобогащения проводятся лабораторией технологий использования вторичных ресурсов Политехнического института ДВФУ под руководством к.х.н. А.В. Таскина, совместно с Дальневосточным представительством международного научно-образовательного центра «Геоника (геомиметика)» [9].

Согласно ГОСТ 31108-2016 и ГОСТ 25818-2017, зола подразделяется на основную (с высоким содержанием CaO) и кислую (с высоким содержанием SiO₂), где кислая демонстрирует пуццоланические свойства, а основная может проявлять гидравлические свойства. Высококальциевая (основная) зола обладает более чем 10% содержания CaO, а смешанное содержание оксидов Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O₃ варьируется от 50 до 70%. Низкокальциевая зола-уноса класса F, на основе антрацитового или каменного угля, содержит менее 10% CaO, в то время как остальные составляющие представлены оксидами алюминия, кремния и железа [10, 11].

Ценность подобных сырьевых ресурсов повышается, если попутно происходит утилизация различных отходов, например, гидроудаленных золошлаковых смесей. В сочетании с основным компонентом ЗШО, который активируется растворами гидроксида или силиката натрия или калия, используются модифицирующие добавки, такие как гидроокись алюминия, гранулированный шлак, каолин и метакаолин [12].

При создании геополимерного вяжущего на основе активации алюмосиликатов, полученных из золы, растворами щелочей происходит процесс, в результате которого, получается твердая алюмосиликатная структура похожая на камень. При изготовлении образцов геополимерного бетона в лаборатории «Использование технологии вторичных ресурсов» ДВФУ, смесь была уложена в формы размером 160x40x40 мм, подвергнута вибрационному уплотнению, а после высушена в сушильном шкафу при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 70 часов [13].

В результате получились образцы прямоугольного сечения (рис. 1). Которые затем прошли испытания на соответствующем оборудовании на изгиб при растяжении и предел прочности при сжатии.

Рисунок 1. Образцы геополимерного бетона

Для приготовления бетонной смеси на геополимерном вяжущем необходимо:

• провести очистку ЗШО от недожога и металлов;
  
• прокалить золошлаковую смесь в муфельной печи;
  
• приготовить раствор активатора (зола, обработанная щёлочью в процессе автоклавирования);
  
• смешать мелкие и крупные заполнители и золу в сухом виде и перемешать;
  
• ввести активатор в сухую смесь и перемешать;
  
• распределить раствор по формам;
• подвергнуть раствор вибрационному уплотнению и сушке.

Заключение

Разработка научно обоснованного технологического способа производства геополимерных строительных материалов позволит решать геоэкологические задачи крупнотоннажной утилизации золошлаковых отходов и перевода предприятий энергетики на малоотходный режим работы.

Геополимерный бетон, произведенный на основе золошлаковых отходов, может иметь значительные преимущества перед обычным портландцементным бетоном по эксплуатационным характеристикам. Использование золошлаковых отходов и активаторов гарантирует высокую прочность, коррозионную стойкость и долговечность бетона.

Проводя геоэкологические мероприятия использования золошлаковых отходов, включая их воздействие на окружающую среду, выявляются преимущества и использования этих отходов в различных отраслях промышленности, таких как строительство, добыча полезных ископаемых и производство энергии, расширяются возможности применения ЗШО.

Кроме того, становится возможным устойчивое управление процессом утилизации золошлаковых отходов, минимизируя их негативное воздействие на окружающую среду.