Перспективы развития вяжущих щелочной активации

Приведены данные о развитии вяжущих щелочной активации. Установлено, что наиболее перспективным направлением развития этих строительных материалов является совершенствование геополимерных вяжущих. Отмечено, что широкое использование этих вяжущих будет возможно только после подтверждения долговечности строительных материалов, полученных на основе геополимерных вяжущих.

Ключевые слова: вяжущие щелочной активации, геополимер, долговечность, зола ТЭС, шлак Производство строительных материалов относится к числу наиболее консервативных областей техники. Внедрение новой или принципиальная модернизация существующей технологии в строительной индустрии происходит крайне редко. На протяжения всей истории развития строительной науки и техники было разработано значительное число новых материалов строительного назначения, однако лишь небольшая часть этих материалов производится промышленностью.

Вероятно, наиболее успешной технологией в строительной индустрии за всю историю ее развития является производство портландцемента — доминирующего вяжущего материала в современном строительстве. Без использования этого материала невозможно получение главного строительного материала современности — бетона и железобетона. Развитие технологии портландцемента, который был изобретен в начале XIX века, имело долгий эволюционный путь. Цемент, который производился на начальных этапах развития его технологии, по современными представлениям, не являлся портландцементом. Постепенное совершенствование технологии портландцемента привело к значительному росту его характеристик и объемов производства.

Очевидно, что сегодня не существует строительных вяжущих, способных в ближайшем будущем заменить портландцемент и бетон на его основе. Такое положение сложилось благодаря высоким характеристикам портландцемента, удовлетворяющих требованиям современных строительных технологий. Большое значение имеет монополизация цементной отрасли и колоссальные запасы сырья для производства цемента (карбонатные породы и глины), месторождения которых равномерно распределены на всех континентах Земли. Сегодня в мире производится около 4 млрд. тонн портландцемента в год и объемы производства его постоянно растут.

В качестве наиболее перспективной альтернативы портландцемента можно рассматривать вяжущие щелочной активации, твердение которых происходит в результате реакций различных измельченных алюмосиликатных материалов — шлаков, зол, некоторых горных пород и других природных или искусственных материалов с щелочным активатором. Такие вяжущие по свойствам сопоставимы с портландцементом, а по некоторым характеристикам могут его превосходить [1]. Важным преимуществом вяжущих щелочной активации является возможность использования широкого спектра промышленных отходов, а также отсутствие в технологии энергоемкой операции обжига.

На ранних этапах развитиях технологии вяжущих щелочной активации они рассматривались в качестве дешевых материалов, способных восполнить дефицит общестроительных вяжущих, существовавший в нашей стране до конца 80-х годов прошлого века. В последующий период большее значение приобрели экологические преимущества производства шлакощелочных вяжущих на основе промышленных отходов.

Впервые вяжущие щелочной активации на основе шлаков были исследованы А. О. Пурдоном в 1940 году. Однако в зарубежной научной литературе долгое время вяжущим щелочной активации уделялось мало внимания. Достаточно полная хронологическая последовательность открытий в области вяжущих щелочной активации была сделана D. Roy [1] и C. Li [2]. Эту хронологию можно дополнить исследованиями некоторых отечественных ученых [6−12, 14−16] (см. таблицу).

Таблица Этапы развития вяжущих щелочной активации по данным [1−16].

В Советском Союзе наиболее значимые работы по развитию вяжущих щелочной активации были проведены В. Д. Глуховским и его сотрудниками. Ими были выполнены лабораторные исследования, а затем проведены промышленные испытания сначала грунтосиликатов [4], а затем шлакощелочных вяжущих [5]. Однако, несмотря на то, что в ходе этих работ были получены положительные результаты, широкого распространения эти материалы не получили.

Развивая технологию шлакощелочных вяжущих В. И. Калашников и его ученики [6, 8], разработали глиношлаковые, минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические вяжущие с различным содержанием шлака и осадочных горных пород с прочностью до 200 МПа. Исследованиями Н. А. Ерошкиной и др. 9] было установлено, что на основе магматических горных пород могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40−100 МПа.

Зарубежные исследователи в последние годы активизировали работу по вяжущим щелочной активации [1−3]. Это связано с возможностью решения некоторых экологических проблем благодаря вовлечению в производство вяжущих промышленных отходов. Важным преимуществом щелочных вяжущих, как уже отмечалось, является отсутствие в их технологии обжига и необходимости сжигать углеводородное топливо, сокращая выбросы в атмосферу углекислого газа.

Научной основой развития щелочных вяжущих в настоящее время служит концепция геополимеров, разработанная французским ученым J. Davidovits в конце семидесятых годов [3].

На ранних этапах развитиях технологии геополимеров — алюмосиликатных неорганических полимеров, получаемых в результате щелочной обработки природного и техногенного минерального сырья, — они разрабатывались в качестве замены органических полимеров для повышения их огнестойкости, а также для производства низкотемпературной керамики различного назначения. На основе геополимеров были получены специальные ремонтно-строительные материалы, способные быстро набирать высокую прочность. Такие материалы имели высокую коррозионную и температурную стойкость. Однако эти материалы не получили широкого распространения из-за высокой стоимости.

Новый этап развития технологии геополимерных материалов начался тогда, когда в качестве сырья для их получения стали использовать золы ТЭС, доменные гранулированные шлаки, алюмосиликатные горные породы. Применение такого сырья позволило значительно снизить стоимость геополимерных вяжущих и получить на их основе недорогие строительные материалы, а также решить проблему утилизации многотоннажных промышленных отходов. Последнее особенно важно для определения направлений развития промышленности строительных материалов в странах, не имеющих развитой индустрии утилизации промышленных отходов.

Сегодня геополимерные вяжущие рассматриваются в качестве альтернативы портландцементу [3], однако о полной замене цемента новым материалом на современном этапе развития технологии и науки о геополимерах пока говорить нельзя. Это связано, в частности, с невозможностью достоверно прогнозировать свойства новых строительных материалов, эксплуатирующихся в различных условиях.

В отличие от строительных материалов, производящихся на основе традиционного минерального сырья, имеющего стабильные состав и свойства, продукция, изготавливаемая на основе отходов, часто характеризуется непостоянными свойствами, что вызвано колебаниями состава промышленных отходов. Для получения строительного материала со стабильными характеристиками и хорошо прогнозируемыми сроками эксплуатации необходимо проведение системных исследований закономерностей влияния состава исходных компонентов и технологических режимов производства геополимерных строительных материалов на базе промышленных отходов на широкую номенклатуру показателей их качества. Для разработки технологии геополимерных материалов необходимо комплексное исследование конструктивных и деструктивных явлений, протекающих в материале в процессе производства и эксплуатации.

В настоящее время знаний о геополимерных материалах еще недостаточно для широкого внедрения их в строительную практику. Непредсказуемый риск снижения работоспособности материалов и конструкций в процессе эксплуатации, а также отсутствие нормативной базы останавливают проектировщиков и строителей от использования геополимерных материалов, произведенных по ресурсосберегающим технологиям на основе промышленных отходов. Ресурсосберегающая эффективность производства и применения строительных материалов на основе промышленных отходов будет оправданна только в случаях достаточно высокой долговечности получаемых материалов. В связи с этим ключевой проблемой при широком внедрении в строительную практику новых строительных материалов, полученных по геополимерной технологии, является решение вопросов, связанных с их долговечностью.

Для решения этих вопросов необходимо разработать новые и усовершенствовать существующие методы оценки свойств геополимерных материалов, учитывающие особенности их эксплуатационного поведения при различных неблагоприятных условиях. При прогнозировании долговечности геополимерных материалов с успехом могут быть использованы методики, применяющиеся для оценки долговечности бетона и других традиционных строительных материалов. К таким методикам должны быть отнесены прежде всего определение морозостойкости, коррозионной стойкости, трещиностойкости. Применение традиционных прогнозных методов оценки долговечности, а также опыт, накопленный исследовательскими лабораториями, по стойкости геополимерных материалов в различных условиях силового воздействия и коррозионно-активных средах позволит в ближайшем будущем ученым получить сведения, необходимые для надежной эксплуатации геополимерных строительных материалов. геополимер вяжущий щелочный портландцемент Анализ результатов исследования геополимерных вяжущих и имеющийся опыт их промышленного использования показывает, это направление развития вяжущих щелочной активации во многих странах является основным. Достигнутые успехи в развитии геополимерных вяжущих могут быть широко реализованы в строительной практике только после подтверждения эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов, полученных на основе этих вяжущих.