Разработана технология использования промышленных отходов для создания альтернативы портландцементу

Ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (КНЦ РАН) разработали альтернативу портландцементу. Технология предусматривает использование для производства аналога самого популярного вида цемента отходов промышленных предприятий, что позволит снизить себестоимость продукта и снизить экологическую нагрузку.

По оценкам ученых, производство портландцемента — одного из самых массовых строительных материалов — дает около 7−8 % всех антропогенных выбросов CO₂. При выпуске одной тонны цемента в атмосферу попадает до 0,9 тонны углекислого газа, и большая часть этих выбросов связана с химией процесса — разложением известняка при обжиге. Авторы предложили использовать при создании аналога портландцемента золу-унос — мелкодисперсный минеральный остаток от сжигания угля на тепловых электростанциях, и медно-никелевые шлаки — техногенные отходы металлургического производства.

За основу авторы взяли технологию создания щелочно-активированных вяжущих — класса неорганических полимеров, формирующихся при взаимодействии алюмосиликатного сырья с щелочным агентом (раствор гидроксида натрия или жидкое стекло). Такие материалы не требуют обжига при высоких температурах и могут быть получены из промышленных отходов. Предыдущие работы уже показали, что смешение различных отходов, например шлаков цветной металлургии и золы, может давать эффект усиления свойств. Однако применительно к системе «медно-никелевые шлаки — зола-унос» такие исследования не проводились.

Для эксперимента ученые КНЦ РАН использовали отходы базирующихся в Мурманской области предприятий: гранулированный медно-никелевый шлак Кольской горнометаллургической компании и золу Апатитской ТЭЦ. В качестве щелочного агента применяли жидкое стекло.

Наиболее впечатляющий результат продемонстрировал состав AACNS-80 из 80 % шлака и 20 % золы. Его прочность на сжатие — до 99,9 МПа — почти вдвое выше, чем у чисто зольного (56,9 МПа) и значительно выше, чем у чисто шлакового (67,4 МПа) аналогов. По мнению ученых, это явное проявление синергетического эффекта.

Анализы (термогравиметрия, ИК-спектроскопия, рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия) показали, что в AACNS-80 формируется более плотная, однородная и менее пористая микроструктура, а в состав связующего геля эффективно включаются магний и железо из шлака, что предположительно придает ему дополнительную прочность.

По оценкам исследователей, применение нового материала способно обеспечить прочность конструкций, сравнимую с лучшими марками бетона. При этом при его производстве утилизируются два вида промышленных отходов, а отсутствие стадии высокотемпературного обжига приводит к резкому снижению CO₂-следа. Авторы рекомендуют этот материал для применения в строительстве, а также для закладки выработанных пространств в рудниках.