Уральские учёные создали стройматериал из угольных отходов

Производство цемента — один из главных источников выбросов CO₂ в строительстве. Экологичной альтернативой ему мог бы стать лёгкий и тёплый гипсокерамзитобетон, но у него ключевой недостаток — крайне низкая водостойкость. Существующие методы повышения коэффициента размягчения (полимерные добавки, гипсоцементные композиты, гидрофобизация) — либо слишком дорогие, либо сложные в применении. Неожиданное решение нашли учёные Пермского политеха и УрФУ, пишет газета «Уральский федеральный».

Исследователи повысили водостойкость гипсокерамзитобетона на 50%, добавив в его состав тонкомолотые горелые породы, и тем самым предложили способ снизить их негативное влияние на экологию.

Ключевым компонентом стала перемолотая в пудру красноватая земля, которая десятилетиями лежит в виде холмов-терриконов рядом со старыми шахтами. В её составе много оксидов кремния, алюминия и железа — это и придаёт ей способность взаимодействовать с другими компонентами смеси.

Находясь на поверхности, она наносит вред окружающей среде. Атмосферные осадки вымывают из неё токсичные соли и тяжёлые металлы, которые загрязняют почву и водоёмы, создавая «ржавые» реки. В сухую погоду ветер разносит техногенную пыль на километры — это вредит здоровью людей и делает непригодными для использования тысячи гектаров земли вокруг отвалов.

Чтобы решить эту проблему и заодно улучшить качество гипсокерамзитобетона, учёные собрали образцы отходов, высушили их и размололи в шаровой мельнице до состояния пудры с высокой удельной поверхностью. Исследователи создали специальный органоминеральный модификатор, который повышает пластичность и удобоукладываемость смеси, снижает потребность в воде и повышает плотность структуры за счёт стабилизации химических процессов при твердении композита. Помимо модификатора и тонкомолотых горных пород, в состав лёгкого бетона добавили высокопрочный гипс, который усилил каркас материала.

Для поиска баланса между компонентами исследователи провели многофакторный эксперимент: создали 16 различных рецептур, в которых целенаправленно меняли пять ключевых переменных. Из каждого состава изготовили образцы-кубы, которые после полного застывания испытывали на прочность, плотность и водопоглощение. Дальше полученные данные загружали в компьютерную программу, которая рассчитала оптимальную формулу состава гипсокерамзитобетона повышенной водостойкости.

«После анализа всего массива экспериментальных данных вычислительная модель определила, что пик водостойкости достигается при соотношении компонентов: 400 кг обычного гипса, 200 кг — высокопрочного, 125 кг — горелой породы и 2,4 кг пластификатора на кубометр. Именно при этих пропорциях формируется наиболее водостойкая и плотная микроструктура материала», — объяснил декан строительного факультета ПНИПУ Виталий Шаманов.

Оптимальный состав, подобранный с помощью матмоделирования, позволил увеличить коэффициент размягчения в 1,5 раза по сравнению с обычным бездобавочным гипсокерамзитобетоном.

В сравнении с существующими методами новая разработка выигрывает комплексно: использование техногенных отходов повышает водостойкость и снижает негативное влияние на экологическую обстановку в районе их массового размещения — в отличие от гипсоцементных композитов, здесь сохраняется низкий углеродный след за счёт использования только гипсовых вяжущих. Кроме того, предложенный подход гораздо удобнее в применении, чем другие методы повышения водостойкости, потому что модификатор просто добавляется в смесь на этапе замеса — никаких дополнительных сложных манипуляций с готовыми изделиями.

Чтобы понять, какие процессы привели к улучшению, учёные изучили внутреннее строение нового материала с помощью электронного микроскопа.

«Оказалось, что горелые породы, несмотря на свой состав, не вступили в ожидаемую химическую реакцию с гипсом. Вместо этого их мельчайшие частицы равномерно заполнили все пространство в структуре гипсобетона, играя роль наполнителя. Это физическое уплотнение и стало основной причиной того, что материал стал более водостойким», — рассказал директор департамента строительного материаловедения УрФУ Фёдор Капустин.

Горелые породы — это смесь оксидов кремния и алюминия. В строительном материаловедении такие вещества классифицируются как потенциально пуццолановые. То есть в определённых условиях они могут вступать в химическую реакцию с вяжущим, образуя новые, прочные и водостойкие соединения. Этот дополнительный химический эффект и рассматривался как возможный путь повышения прочности. Однако в условиях данного состава этого не произошло: частицы породы проявили себя иначе — как высокоэффективный микронаполнитель.

Таким образом, учёные предложили конкретный способ переработки породных отвалов, создав основу для нового строительного материала, который обладает достаточными характеристиками для использования в производстве внутренних перегородок, декоративных элементов и теплоизоляционных плит в условиях нормальной влажности. В будущем это позволит замещать на рынке более дорогие аналоги, улучшая экологическую обстановку.