Геополимерные бетоны из гидроудаленных золошлаковых отходов

Введение. Золоотвалы подвергают риску здоровье населения, а предприятия, вынужденные хранить золошлаковые отходы, несут значительные финансовые потери из-за негативного воздействия на окружающую среду, в свою очередь, золошлаковые отходы, после определенной подготовки, могут служить основой для производства конкурентоспособной бесцементной продукции строительного назначения, что является научной задачей.

Цель. Разработка научно обоснованного технологического решения получения геополимерных строительных материалов на основе гидроудаленных золошлаковых отходов теплоэлектростанций.

Материалы и методы. Основой для геополимеров были ЗШО Владивостокской ТЭЦ-2, Приморской ГРЭС и Артёмовской ТЭЦ Приморского края. Для комплексного исследования сырьевых компонентов и разработанных материалов были применены современные методы: рентгенофазовый анализ, энергодисперсионый микроанализ, сканирующая электронная микроскопия, дифференциально-термический анализ, инфракрасная спектроскопия.

Результаты. Усовершенствовано технологическое решение предварительной подготовки золошлаковых отходов, на основе которых разработано инновационное геополимерное вяжущее. Разработана широкая номенклатура составов геополимерных бетонов путём различной комбинации продуктов утилизации золошлаковых отходов. В отличие от продуктов гидратации традиционных портландцементных бетонов, представленных основными структурообразующими новообразованиями гидросиликатов кальция, в разработанных геополимерах микроструктура составлена гидроалюмосиликатами кальция и натрия. В этом случае, атомы алюминия, встроенные в кристаллическую решетку гидратных новообразований, значительно упрочняют ее.

Выводы. Научно обоснована и экспериментально доказана эффективность применения золошлаковых отходов ТЭС в качестве источника для получения новых экологически безопасных геополимерных бетонов классов до В60 на сжатие и Вtb10,0 на растяжение при изгибе. Прочность при сжатии и изгибе разработанных материалов позволяет говорить об их конкурентоспособности по сравнению с традиционными портландцементными бетонами. Прочность при сжатии разработанных геополимеров в 2 раза превышает аналогичную характеристику для материалов на основе распространенного портландцемента ЦЕМ I 32,5H и в 1,5 раза выше чем для высокопрочного ЦЕМ I 42,5H.

1. Астафьева О.Е. Применение золошлаковых отходов в промышленности строительных материалов // Уголь. 2024. № 2(1177). С. 85–88. DOI 10.18796/0041-5790-2024-2-85-88. EDN JNPGHR.

2. Перевощикова А.Н., Вальцифер И.В., Кондрашова Н.Б., Воронина Н.С. Исследование физико-механических свойств бетона с до-бавлением многофункциональной добавки // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2024. Т. 16. № 2. С. 170–179. DOI 10.15828/2075-8545-2024-16-2-170-179. EDN BFTEZA.

3. Шарифов А., Муминов А., Акрамов А.А. и др. Модифицирование цемента золой угля Фан-Ягнобского месторождения для повышения прочности бетона // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2022. № 1(57). С. 157–163. EDN NSGMXT.

4. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Горностаева Е.Ю. и др. Моделирование состава мелкозернистого бетона с золошлаковой смесью и суперпластификатором // Вестник ВСГУТУ. 2022. № 2(85). С. 71–77. DOI 10.53980/24131997_2022_2_71. EDN QXOFBE.

5. Патент № 2599742 C2 Российская Федерация, МПК C04B 28/08, C04B 28/26, C04B 111/20. Геополимерный композит для бетона ультравысокого качества: № 2013132983/03 : заявл. 16.12.2011: опубл. 10.10.2016 / В. Гонг, В. Лутз, Я. Пегг; заявитель Католический Университет Америки. EDN PMKJNW.

6. Патент № 2804940 C1 Российская Федерация, МПК C04B 18/12, C04B 28/24. Геополимерный композит: заявл. 16.05.2023: опубл. 09.10.2023 / Т.А. Петрова, И.П. Сверчков, Ю.Д. Смирнов, А.А. Турковский; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет». EDN VWLWSH.

7. Танг В.Л., Нго С.Х., Ву К.З. и др. Геополимерный бетон с использованием многотоннажных техногенных отходов // Строительство: наука и образование. 2021. Т. 11. № 2. С. 17–37. DOI 10.22227/2305-5502.2021.2.2. EDN IJHAPP.

8. Явинский А.В., Лунев А.А., Довыденко А.В. Оценка потенциала щелочных отходов производств для получения геополимерных вяжущих // Промышленное и гражданское строительство. 2025. № 11. С. 60–65. DOI 10.33622/0869-7019.2025.11.60-65. EDN SWWWLA.

9. Камилова Р.С. Сравнительный анализ применения геополимерного бетона и портландцемента в строительстве: преимущества и недостатки // Экономика строительства. 2025. № 10. С. 615–617. EDN BOBJLT.

10. Петропавловская В.Б., Филиппова О.П., Цховребов Э.С., Новиченкова Т.Б. Экономическая оценка экологически безопасного использования техногенных отходов в производстве геополимеров для нужд строительства // Экономика строительства. 2024. № 5. С. 406–409. EDN MWBUXD.

11. Provis J.L., Bernal S.A. Geopolymers and related alkali-activated materials. Annual Review of Materials Research, 2014, vol. 44, pp. 299–327. DOI 10.1146/annurev-matsci-070813-113515. EDN YEMHBB.

12. Капустин Ф.Л., Уфимцев В.М. Российские стандарты по использованию золошлаков теплоэнергетики в производстве строительных материалов // Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование. Материалы II Международного научно-практического семинара. 2009. С. 57–64.

13. Davidovits J. Geopolymers: Inorganic polymeric new materials. Journal of Materials Education, 1994, vol. 16 (2, 3), pp. 91–138

14. Ren L., Ding L., Guo Q., Gong Y., Yu G., Wang F. Characterization, carbon-ash separation and resource utilization of coal gasification fine slag: A comprehensive review. Journal of Cleaner Production, 2023, vol. 398, article 136554. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136554.

15. Sinkhonde D. Quantitative study on surface porosity and roughness parameters of mineral and organic admixtures based on multi-scale characterisation techniques. Cleaner Materials, 2023, vol. 7, article 100166. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100166.

16. Thonemann N., Zacharopoulos L., Fromme F., Nühlen J. Environmental impacts of carbon capture and utilization by mineral carbonation: A systematic literature review and meta life cycle assessment. Journal of Cleaner Production, 2022, vol. 332, article 130067. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.130067.

17. Yi Z, Wang T., Guo R. Sustainable building material from CO2 mineralization slag: Aggregate for concretes and effect of CO2 curing. Journal of CO2 Utilization, 2020, vol. 40, 101196. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.101196.

18. Yuan H., Yu W., Wen J., Yang F., Nyarko-Appiah J.E., Bai C. A new strategy for CO2 storage and Al2O3 recovery from blast furnace slag and coal fly ash by employing vacuum reduction and alkali dissolution methods. Energy, 2024, vol. 308, article 132865. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132865.

19. Zhang D., Zhu T., Ai Q., Mao M., Li J., Yang Q. Performance of coal gangue concrete with fly ash and ground-granulated blast slag: Rheology, mechanical properties and microstructure. Construction and Building Materials, 2024, vol. 427, article 136250. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136250.

20. Zhao T., Zhang S., Yang H., Ni W., Li J., Zhang G., Teng G., Li X., Guo S., Zhou Y., Wu Z. Leaching and hydrating mechanisms, economic benefits of backfill materials by using coal fly ash–slag-based binder for environmentally sustainable production. Construction and Building Materials, 2023, vol. 397, article 132360. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132360.

21. Zhou X., Chen Y., Dong S., Li H. Geopolymerization kinetics of steel slag activated gasification coal fly ash: A case study for amorphous-rich slags. Journal of Cleaner Production, 2022, vol. 379(1), article134671. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134671.

22. Zhu Y., Wu J., Zhang Y., Miao Z., Niu Y., Guo F., Xi Y. Preparation of hierarchically porous carbon ash composite material from fine slag of coal gasification and ash slag of biomass combustion for CO2 capture. Separation and Purification Technology, 2024, vol. 330, part B, article 125452. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125452.

23. Zuo Y., Chen Y., Chen L., Gang Y., Göbel L., Ye G., Provis J. Modeling and simulation of alkali-activated materials (AAMs): A critical review. Cement and Concrete Research, 2024, vol. 189, article107769. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107769.

24. Таскин А.В. Химико-технологические решения комплексной переработки золошлаковых отходов промышленности: дисс. …к.х.н. – Владивосток, 2018. 173 с.

25. Лисейцев Ю.Л. Дорожные покрытия из наномодифицированных фибробетонов: дисс. к.т.н. / Ю.Л. Лисейцев. Владивосток, 2024. 180 с.

26. Панарин И.И. Композиционные цементы, активированные обогащенными золошлаковыми смесями, и торкрет-бетоны на их основе: дисс. к.т.н. / И.И. Панарин. Владивосток, 2024. 162 с.