Повышение эффективности геополимеров на техногенном сырье

Введение. Геополимерная технология, предполагающая синтез неорганических полимерных материалов на основе алюмосиликатного сырья и щелочных активаторов, рассматривается как наиболее перспективная альтернатива портландцементу.
Цель. Изучение закономерностей геополимеризации отходов производства базальтовой ваты и разработка технологических приемов повышения эффективности композитов на их основе.
Материалы и методы. Основой для геополимеров служили отходы производства базальтовой минеральной ваты. Армирование проводилось 3 видами фибры: металлокордовой, полипропиленовой и отходами базальтовой ваты. Разработанные материалы исследованы на осадку конуса, прочность на сжатие, изгиб и растяжение, а также на стойкость к проникновению хлоридов. Построена кривая «напряжение–деформации».
Результаты. Несмотря на существенное падение подвижности (за счет фибры), все разработанные фиброгеополимерные составы сохраняют класс средней удобоукладываемости, что допускает их эффективное формование методами виброуплотнения. Геополимерный неармированный образец к 28 суткам достигает превышение прочности по сравнению с традиционным цементобетоном класса В30. Введение фибры незначительно влияет на прочность при сжатии. Сравнение результатов прочности на изгиб и растяжение 28-суточных образцов при твердении в условиях окружающей среды показывает схожую тенденцию с образцами, испытанными на сжатие, демонстрируя при этом, что полипропиленовая и металлокордовая фибра эффективны как по отдельности, так и совместно. Анализ диаграмм деформирования доказывает, что гибридизация фибр различной природы и модулей упругости является наиболее эффективным инструментом трансформации хрупкого геополимерного камня на техногенном сырье в высокопластичный и энергопоглощающий конструкционный материал. Несмотря на то, что коэффициент диффузии D_Cl– для разработанных геополимерных образцов в некоторых случаях превосходит коэффициент для традиционных цементобетонов, полученные значения характеризуют высокие характеристики долговечности.
Выводы. Таким образом, разработанные фиброгеополимерные составы на техногенном сырье, сохраняя среднюю удобоукладываемость, достаточную для эффективного виброуплотнения, превосходят традиционный цементобетон класса В30 по прочности при сжатии к 28 суткам и демонстрируют значительный прирост прочности на изгиб и растяжение благодаря как моноармированию, так и синергетическому эффекту гибридного армирования разномодульными фибрами, что в совокупности с трансформацией хрупкого характера разрушения в пластичный и с высокими показателями долговечности подтверждает их перспективность в качестве высокоэффективного конструкционного материала.

1. 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.

2. 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.

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

4. 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, art. 136554. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136554.

5. 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, art. 100166. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100166.

6. 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, art. 130067. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.130067.

7. 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, art. 101196. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.101196.

8. 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, art. 132865. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132865.

9. 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, art. 136250. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136250.

10. 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, art. 132360. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132360.

11. 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), art. 134671. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134671.

12. 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, art. 125452. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125452.

13. 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, art. 107769. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107769.

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

15. Лисейцев Ю.Л. Дорожные покрытия из наномодифицированных фибробетонов: дис. … к.т.н. Владивосток, 2024. 180 с.

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

17. 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.

18. Перевощикова А.Н., Вальцифер И.В., Кондрашова Н.Б., Воронина Н.С. Исследование физико-механических свойств бетона с добавлением 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.

19. 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.

20. 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.

21. Патент № 2599742 C2 Российская Федерация, МПК C04B 28/08, C04B 28/26, C04B 111/20. Геополимерный композит для бетона ультравысокого качества: № 2013132983/03: заявл. 16.12.201: опубл. 10.10.2016 / В. Гонг, В. Лутз, Я. Пегг; заявитель Католический Университет Америки. EDN PMKJNW.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

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

26. 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.