Геополимерные вяжущие материалы

Однако техногенные отходы, являющиеся продуктом глубокой переработки природного минерального сырья, особенно с высокотермальными этапами их технологической истории, способны концентрировать низкокларковые, как правило, тяжелые элементы в химически несвязанной форме. Строительные материалы, изготовленные на основе такого техногенного сырья, могут оказывать различные виды негативного воздействия (канцерогенное, аллергенное и др.) на биологические индивиды. В связи с этим актуализируется требование к биологической позитивности техногенного минерального сырья и материалов на его основе.

В особой степени это относится к новым видам вяжущих — геополимерам, получаемым при щелочной активации алюмосиликатного сырья. Эти вяжущие представляют собой перспективный класс наноструктурирован-ных материалов, имеющих перспективы применения в композиционных материалах как альтернатива портландцементу. Одним из применяемых для получения геополимерных вяжущих техногенного алюмосиликатного сырья является низкокальциевая зола-уноса ТЭЦ, получаемая как отход при сжигании каменного угля [15].

Цель данного исследования — сравнительный анализ степени экологической безопасности геополимерного вяжущего на основе золы-уноса ТЭЦ и традиционного цементного вяжущего. Для проведения эксперимента применена методика фитотестирования вяжущих на основе техногенного сырья на семенах высших растений. Используемый, в настоящей работе фитотест является унифицированным методом, в соответствии с которым установление класса опасности и уровня безвредности отхода по фитотоксическому действию осуществляется по определенным параметрам фитотоксичности *[16].

Для проведения сравнительного анализа в качестве исследуемых материалов использовали цементное вяжущее, твердевшее в стандартных условиях (ЦВ), геополимерное вяжущее, подвергнутое в процессе твердения температурной обработке при 80°С (ГВ 80) и твердевшее при комнатной температуре (ГВ 25).

В качестве исходных материалов использовали портландцемент ЦЕМ1 42,5 и золу-уноса ТЭЦ. В качестве исходного экспериментального материала использовали образцы вяжущих в возрасте 28 сут[15].

Пробоподготовку исследуемых материалов проводили в соответствии с методическими рекомендациями [16]. Перед началом испытания образцы вяжущих были измельчены до грубодисперсного состояния. Для определения диапазона фитотоксического действия приготовлены рабочие растворы путем последовательного разбавления нативных экстрактов вяжущих дистиллированной водой в соотношениях 1:10, 1:100 и 1:1000.

В качестве контрольной среды для проращивания тест-культуры использовали дистиллированную воду.

Для полученных рабочих растворов были определены значения рН на различных стадиях их выдержки (см. таблицу).

Таблица 3.4

Воз- раст	ЦВ			ГВ 80			ГВ 25			Контроль
	11:10	1:100	1:1000	11:10	11:100	11:1000	11:10	11:100	11:1000
1 ч	10,69	99,58	88,72	10,73	99,52	88,63	10,9	99,74	88,78	66,7
77 сут	10	--	--	10,95	--	--	11,1	--	--	6  6,7

*Под контрольным замером  в данном случае понимается  измерение длины корней и проростков  зерна тест-культуры, причем измерение должно осуществляться для максимально длинных порослей.

Рабочие растворы выдерживали в течение 2 сут, затем помещали в чашки Петри (по 5 мл каждого раствора) с фильтровальной бумагой по всей поверхности дна, совместно с тест-культурой. В качестве последней были использованы неповрежденные семена овса (по 25 зерен для каждой пробы) с предварительно определенной всхожестью, составляющей не менее 95%. После приготовления образцы помещались в термостат на 7 сут.

В течение всего эксперимента было осуществлено два контрольных замера* в возрасте 3 и 7 сут.

Проявление степени фитоэффекта на тест-культуре в зависимости от используемого экстракта вяжущего представлено на рис. 1.

На основании визуального оценивания можно предположить, что наиболее благоприятной средой для прорастания зерен тест-культуры является водный раствор ГВ 80.

Для расчетной оценки фитоэффекта исследуемых материалов использована методика, основанная на экспериментально установленной зависимости величины фитотоксического эффекта от степени разбавления водного экстракта. В качестве выходного параметра выступает величина Ет (эффект торможения), рассчитываемая по формуле:

 

Ет=(Lк+ Lоп)/ Lк •100%,

 

где Lк — средняя длина корней тест-культуры в рабочем растворе (мм), а Lоп — средняя длина корней тест-культуры в контрольном растворе (мм)

( рис. 3.4. Интенсивность прорастания тест-культуры в различных видах экстракта. Разбавление 1:100, 7 суток

рис. 3.5. Интенсивность прорастания зерен тест-культуры в зависимости от концентрации водного раствора ГВ 80)

На основании полученных результатов можно сделать вывод о снижении эффекта торможения развития семян тест-культуры с увеличением степени разбавления. Кроме этого, геополимерное вяжущее с температурной обработкой в процессе твердения, при прочих равных условиях с другими исследованными образцами вяжущих, имеет минимальную степень фитотоксичности. Немного хуже показатели для цементного вяжущего и далее - для геополимерного, твердевшего в естественных условиях.

Необходимо заметить, что значение фитотоксично-сти для образца геополимерного вяжущего ГВ 80 не превышает порогового показателя уже на втором разбавлении (1:100). При этом фитотоксическое действие всех исследованных образцов отсутствует на третьем разбавлении (1:1000). Последнее согласно [5] свидетельствует о минимальной степени токсикогенного воздействия на среду обитания биологических сообществ и человека.

Следует отметить, что расчетный способ оценки фитотоксичности дает усредненную характеристику влияния той или иной среды, учитывая лишь длину корня наиболее активного зерна тест-культуры. Поэтому независимо от расчетных данных целесообразно проводить визуальную оценку фитотоксичности исследуемых экстрактов.

Так, несмотря на различные значения фитоэффекта для ГВ 80, где наибольшая эффективность прорастания отмечается для экстракта 1:1000, активность зерен тест-культуры в большей степени проявляется с использованием экстракта 1:100  (рис. 2).

Таким образом, из полученных данных следует, что геополимерные вяжущие на основе техногенного сырья - низкокальциевой золы-уноса ТЭЦ не обладают повышенными показателями токсичности. Сравнительная оценка степени фитоэффекта показала, что эффект торможения для цементного вяжущего выше в сравнении с аналогичным показателем для геополимерного вяжущего. При этом следует отметить экологическую целесообразность использования термообработки геополимерного вяжущего в процессе его твердения.

Полученные результаты позволяют рассматривать низкокальциевые золы-уноса ТЭЦ как техногенное сырье* с высокой степенью биопозитивности для производства строительных материалов на основе геополимерных вяжущих[15].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Геополимеры хоть и являются новой разработкой, но возможно использовались и в прошлом для строительства пирамид, для изготовлении ваз, скульптур.

В настоящее время были разработаны технологии нескольких разновидностей геополимеров на основе различных термически обработанных алюмсиликатов природного и промышленного происхождения – полевошпатовых горных пород, шлака, золы и др. Эти вяжущие способны твердеть и набирать прочность как притепловлажностной обработке, так и в нормальных условиях.

В качестве сырья для получения геополимеров используются алюмо-силикатные материалы, которые подвергаются термической обработке при температуре 750…850 °С. Это позволило, в сравнении с портландцементом, снизить на 70…90 % расход энергии и выбросы углекислого газа при производстве вяжущего. Еще менее энергозатратны технологии геополимерных материалов на основе золы-уноса и доменного гранулированного шлака, так как эти промышленные отходы в процессе образования уже прошли термическую обработку.

Технология изготовления высокопрочных геошлаковых полимеров сводится к двухстадийной тепловой обработке: тепловая обработка в гидротермальных условиях для протекания гидратационного твердения, последующая сушка при 105—110°С или сухой прогрев при 150—250°С, что может быть реализовано в одном тепловом аппарате.

Высокие прочностные показатели достигаются не только на прессованных, но и на виброуплотненных композициях. Снижение прочности неизбежно, если в минерально-шлаковое вяжущее вводятся заполнители. В табл. 2 представлены результаты испытания песчаных бетонов на двух минерально-шлаковых вяжущих. Водовяжущее отношение во всех составах было 0,25, массовая доля щелочи 2%. Использовались молотые глауконитовый песчаник с Sуд = 1300 м2/кг, гравий с Sуд = 910 м2/кг, шлак с Sуд = 440 м2/кг. Мелким заполнителем служил сурский песок. Образцы формовались на виброплощадке.

Результаты испытаний (табл. 2) свидетельствуют, что с увеличением содержания шлака в смеси с 10—20 до 60% образцы из смешанного вяжущего имеют высокие показатели прочности через 28 сут нормального твердения, хотя пористость их ниже, чем прессованных. Поэтому отношение к шлаку как активирующему началу для создания геополимеров из горных пород должно быть пересмотрено. И чем быстрее произойдет такая позитивная переоценка, тем значительнее будет вклад в экономику строительной индустрии.

При сравнении способа активации силикат-глыбы (рис. 1) очевидна эффективность электромагнитной активации: 95—98% растворимость твердых силикатов натрия наблюдается при измельчении в присутствии воды при 8уд = 350—400 м2/кг, при температуре тепловой обработки 150°С. Повышение растворимости силикат-глыбы, а следовательно, физико-химической активности ШСВ за счет электромагнитной активации происходит в результате повышения физико-химической активности среды, приводящей к увеличению активной поверхности твердых компонентов вяжущих.

При оценке экологичности, геополимерное вяжущее с температурной обработкой в процессе твердения, при прочих равных условиях с другими исследованными образцами вяжущих, имеет минимальную степень фитотоксичности. Немного хуже показатели для цементного вяжущего и далее - для геополимерного, твердевшего в естественных условиях.

Таким образом, геополимеры представляют собой перспективный класс наноструктурированных материалов, имеющих перспективы применения в композиционных материалах как альтернатива портландцементу  [1-16].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

Для книг с одним автором:

1.        [9] Калашников В.И. Использование дисперсных гравелитовых пород в качестве основного структурообразующего компонента минерально-шлаковых вяжущих // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб. научных трудов Международной научно-технической конференции. Пенза: 18-19 мая, 2004. С. 121-126.

2.       [14] Лесовик В. С. Геоника. Предмет и задачи. Белгород: Изд-во БГТУ,2012.213с.

 

Более трех авторов:

3.       [3] Калашников  В. И. Силицитовые геополимеры - первые шаги к созданию материалов будущего / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, Ю. С. Кузнецов, Ю. В. Гаврилова, Ерошкина Н. А. // Материалы МНТК «Актуальные вопросы строительства», МГУ, Саранск, 2004, с. 160-165.

4.       [6] Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Комохов П.Г., Соломатов В.И., Марусенцев В.Я., Тростянский В.М. Глиношлаковые строительные материалы. Пенза: ПГАСА. 2000. 206 с.

5.      [10]  Сравнительная оценка прочностных и деформационных характеристик мелкозернистых бетонов на основе композиционных минерально-шлаковых вяжущих/ Калашников В.И., Хвастунов В.Л., КарташовА.А., Москвин Р.Н., Тростянский В.А. // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб. научных трудов Международной научно-технической конференции. Пенза. 18-19 мая, 2004. С. 114-117.

 

Для журнальных статей:

6.      [11] Новые геополимерные материалы из горных порд, активированные малыми добавками шлака и щелочей/ В. И. Калашников [и др.] //Строительные материалы.-2006.-N6-.-С.93-95

7.     [12] Теоретические и технологические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня/ В. И. Калашников и др.// Строительные материалы.-2006.-N5-.- С.60-63

8.     [13] Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков/ Л. А. Урханова и др.//Строительные материалы.-2006.-N7-.-С.22-24.

9.      [15] Оценка биопозитивности геополимерных вяжущих на основе низкокальциевой золы-уноса/ Н. И. Кожухова и др.// Строительные материалы, 2012-N9, С. 84-85

 

 

 

Для патентов и изобретений:

10.    [2] Геополимерное вяжущее на золах-уноса ТЭЦ и мелкозернистый бетон на его основе/ Кожухова Н. И. /автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ,Белгород 2013

11.       [7]  Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А. Сравнительная оценка виброуплотненного и вибропрессованного глиношлакового и карбонатно-шлакового безобжигового кирпича различного назначения // Монография. Депонировано в ФГУП ВНИИНТП. 2003. 114 с.