Производство цемента является одним из основных источников выбросов углекислого газа в сфере строительства. В качестве экологически более безопасной замены может выступать легкий и теплый гипсокерамзитобетон. Но у него есть существенный недостаток – очень плохая водостойкость: при насыщении водой материал теряет свыше 60% своей прочности, что сужает область его использования. Сейчас применяемые способы улучшения водостойкости (полимерные добавки, гипсоцементные композиты, гидрофобизация) оказываются либо слишком затратными, либо сложными в реализации. Выход был найден специалистами Пермского Политеха и УрФУ. Они увеличили водостойкость гипсокерамзитобетона на 50%, включив в его состав тонкомолотые обожженные горные породы, и таким образом предложили способ уменьшить их воздействие на окружающую среду.
Статья опубликована в «Вестнике ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика», т. 1, 2025 г.
Строительная отрасль сталкивается с серьезной задачей: необходимо создавать недорогое жилье, снижать негативное влияние на окружающую среду и гарантировать надежность зданий. Значительным вызовом является производство цемента – основного строительного материала, который является одним из основных источников выбросов углекислого газа (CO₂). В связи с этим активно разрабатываются альтернативные вяжущие материалы с пониженным углеродным следом. Многообещающим вариантом являются легкие бетоны, использующие гипс (например, гипсокерамзитобетон). Они обладают меньшим весом, демонстрируют лучшие теплоизоляционные свойства и, что особенно важно, требуют значительно меньше энергии для производства, чем цемент.
Недостатком этих материалов является недостаточная водостойкость, которая, по мнению инженеров, определяется ключевым показателем – коэффициентом размягчения. Этот коэффициент демонстрирует, какой процент от первоначальной прочности сохраняет материал после полного насыщения водой. Для стандартного керамзитобетона водостойкость составляет приблизительно 0,37, что означает, что во влажном состоянии он теряет более 60% своей прочности, становясь, таким образом, ненадёжным материалом. В связи с высокой восприимчивостью к воде, без дополнительной защиты его не рекомендуется использовать в ванных комнатах, подвалах или в наружных стенах зданий, расположенных в регионах с повышенной влажностью – там, где долговечность конструкций играет решающую роль.
На данный момент доступные решения, включая добавление специальных компонентов или разработку сложных гипсоцементных смесей, обладают существенными недостатками. Использование добавок существенно увеличивает стоимость материала, а создание композитов частично нивелирует экологические преимущества гипса, вновь поднимая вопрос о высоких выбросах углекислого газа. Альтернативные подходы, например, обработка гидрофобными веществами для придания водоотталкивающих свойств, зачастую затруднены в промышленном масштабе. В связи с этим, задача нахождения действенного, экономичного и технологически продвинутого решения остается весьма актуальной.
Ученые из Пермского Политеха, работая в сотрудничестве с экспертами УрФУ, предложили инновационное решение. Они создали новую марку гипсокерамзитобетона, в основу которой легли тонкомолотые обожженные горные породы. Благодаря этому водостойкость материала увеличилась на 50%, если сравнивать с его стандартным аналогом.
Основой материала послужила красноватая земля, измельченная до состояния пудры и представляющая собой холмы-терриконы, образовавшиеся рядом со старыми шахтами на протяжении многих лет. Она богата оксидами кремния, алюминия и железа, благодаря чему обладает возможностью оказывать воздействие на другие элементы смеси. На территории Российской Федерации насчитывается не менее 2000 подобных техногенных образований, в которых содержится около 3,3 млрд м³ минерального материала.
Находясь на поверхности, она наносит значительный и необратимый ущерб окружающей среде. Дождевые осадки вымывают из нее токсичные соли и тяжелые металлы, которые загрязняют почву и водные ресурсы, приводя к образованию «ржавых» рек, как, например, в Кизеловском бассейне Пермского края и Кемеровской области. В периоды засухи ветер переносит техногенную пыль на большие расстояния, что негативно сказывается на здоровье людей и делает непригодными для использования обширные земельные участки вокруг отвалов.
Во всех старых угольных районах эта проблема стоит особенно актуально, поскольку там наблюдается наибольшая концентрация отвалов и недействующих предприятий, а негативное влияние на окружающую среду и здоровье людей формировалось на протяжении многих лет.
Для решения данной проблемы и повышения качества гипсокерамзитобетона, исследователи собрали образцы отходов, подвергли их сушке и измельчению в шаровой мельнице до состояния порошка с высокой удельной поверхностью. С целью достижения оптимального результата, ученые разработали специальный органоминеральный модификатор, улучшающий пластичность и удобство укладки смеси, сокращающий водопотребность и увеличивающий плотность структуры благодаря стабилизации химических реакций в процессе затвердевания композита. Помимо модификатора и мелкоизмельченных горных пород, в состав легкого бетона также включили высокопрочный гипс, значительно укрепляющий структуру материала.
С целью определения наилучшего сочетания ингредиентов был выполнен комплексный эксперимент. Специалисты разработали 16 различных составов, в которых намеренно варьировали пять основных параметров: пропорцию обычного и высокопрочного гипса (в диапазоне от 2:1 до 3:1), содержание золы-уноса (15 или 25% по массе вяжущего), количество пластификатора (0,3% или 0,5%) и другие характеристики. Из каждой рецептуры изготавливали образцы в виде кубов, которые после полного затвердевания подвергали испытаниям на прочность, плотность и водопоглощение. Затем собранные данные передавали в специализированную компьютерную программу, которая вычислила оптимальную рецептуру гипсокерамзитобетона с улучшенными водостойкими свойствами.
— На основании обработки информации, полученной в ходе всех экспериментов, вычислительная модель показала, что наивысшая водостойкость достигается при использовании следующих пропорций: 400 кг обычного гипса, 200 кг высокопрочного, 125 кг горелой породы и 2,4 кг пластификатора на кубометр. По словам Виталия Шаманова, декана строительного факультета ПНИПУ и кандидата технических наук, именно такое сочетание компонентов обеспечивает образование наиболее водостойкой и плотной структуры материала.
Благодаря математическому моделированию удалось подобрать оптимальную смесь, что привело к увеличению коэффициента размягчения на 50% по сравнению с традиционным гипсокерамзитобетоном без добавок.
По сравнению с существующими технологиями, новая разработка обладает целым рядом преимуществ. Применение техногенных отходов улучшает водостойкость и уменьшает воздействие на экологическую ситуацию в местах их скопления. В отличие от гипсоцементных композитов, она поддерживает минимальный углеродный след благодаря использованию исключительно гипса в качестве вяжущего вещества. Кроме того, предложенный подход значительно удобнее в применении, чем другие способы повышения водостойкости, поскольку разработанный учеными модификатор добавляется непосредственно в смесь при замесе, что исключает необходимость в дополнительных, сложных операциях с готовыми изделиями.
Для выяснения факторов, обусловивших столь заметное улучшение, исследователи проанализировали структуру материала с использованием электронной микроскопии.
— По результатам проведенного анализа выяснилось, что обожженные породы, несмотря на свой химический состав, не взаимодействовали с гипсом так, как предполагалось. Вместо этого их микроскопические частицы равномерно распределились во всем объеме гипсобетона, выступая в качестве заполнителя. Именно такое физическое уплотнение обеспечило повышение водостойкости материала, — сообщил Федор Капустин, доктор технических наук, профессор и директор департамента строительного материаловедения, а также заведующий кафедрой «Материаловедение в строительстве» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Если говорить простым языком, обожженные породы представляют собой сочетание оксидов кремния и алюминия. В области технологии строительных материалов они отнесены к веществам, способным проявлять пуццолановые свойства. Это означает, что при определенных условиях они могут взаимодействовать с вяжущим веществом, формируя новые соединения, отличающиеся прочностью и водонепроницаемостью. Ранее предполагалось, что именно этот дополнительный химический процесс может способствовать увеличению прочности, однако в рассматриваемом составе он не был реализован. Вместо этого частицы породы продемонстрировали свои качества в роли высокоэффективного микронаполнителя.
Предложенный учеными метод переработки отходов горного производства позволяет создать строительный материал, пригодный для изготовления внутренних перегородок, декоративных деталей и теплоизоляционных панелей при обычной влажности. В перспективе это может привести к постепенному вытеснению более дорогих материалов с рынка и положительно повлиять на экологическую обстановку.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ