Разработана технология использования промышленных отходов для создания альтернативы портландцементу
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.