Ученые превратили отходы угледобычи в цемент, который на 21% прочнее традиционного

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Негативное влияние террикоников на окружающую среду снижают путем выравнивания искусственных холмов, озеленения и рекультивации земель, что требует больших финансовых затрат – рекультивация лишь одного террикона может стоить десятки миллионов рублей. Это зависит от целого ряда сложных технических, экологических и логистических факторов – от искусственного улучшения токсичной земли и борьбой с самовозгоранием, до доставки грунта, воды и техники на отдаленные шахтерские территории. Также реализовать такие методы возможно не на всех техногенных отвалах из-за плохой приживаемости растений.

Другим решением является применение отходов угледобычи в промышленности. Они представляют собой смесь глины с небольшим включением угля, алюминия, кремния и железа. Поэтому перспективно их вторичное использование с отделением полезных соединений и применением в сплавах, углеудобрениях, асфальте и различных строительных материалах.

Ученые Пермского Политеха предложили ранее неизученный подход по применению террикоников в качестве минеральной добавки для портландцементов и материалов на их основе, в частности, бетонов.

Такое решение эксперты проверяли на примере территории Кизеловского угольного бассейна, на которой объем техногенных отходов оценивается в 13 миллионов кубических метров.

Минеральные добавки в составе портландцемента и цементных бетонов придают материалам специальные свойства – повышают их прочность, водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие. А также позволяют сэкономить природное сырье и увеличить объем производства за счет разбавления основного состава.

Применение террикоников в качестве минеральных добавок решит сразу два вопроса: экологическую проблему на территории угольных бассейнов и проблему ресурсо- и энергосбережения при производстве цемента.

Политехники отобрали пробы породы горелых и не горелых террикоников, изучили их химический и минералогический состав, а затем провели эксперимент по замене в составе раствора портландцемента террикоником в количестве 10, 20 и 30%.

– Химический состав террикоников мы определяли флуоресцентным рентгеноспектральным методом, а минералогический состав – методом экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа. Результаты показали, что горелый терриконик состоит преимущественно из кварца, а не горелый из каолинита и кварца с включениями угля. Наличие в последнем каолинита говорит о возможности его использования в качестве активной минеральной добавки после предварительного обжига, так как при этом проявляется высокая пуццоланическая активность материала – способность реагировать с хорошо растворимыми щелочами, образующимися при твердении портландцемента, с последующим образованием плохо растворимых низкоосновных гидросиликатов кальция, – объясняет Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для получения минеральной добавки эксперты измельчали частицы до 0,08 миллиметров. Не горелый терриконик после этого обжигали в лабораторной муфельной печи при температуре 700°С в течение двух часов.

– Для оценки эффективности использования добавки терриконика мы приготовили цементный раствор, состоящий из одной части портландцемента типа ЦЕМ I 42,5Н и 3 частей монофракционного кварцевого песка. В итоге у нас получился один контрольный состав без терриконика и по три состава с горелым и не горелым террикоником, которых мы заменяли 10, 20 и 30% портландцемента. Из этих составов формовали образцы-балочки, которые затем твердели 28 суток в нормальных условиях, а также в условиях тепловлажностной обработки. После твердения образцы испытывали на изгиб и на сжатие, – рассказывает Степан Леонтьев.

Сравнивая прочность разных образцов политехники определили эффективность использования терриконика в качестве минеральной добавки, а также его оптимальную дозировку.

– Результаты показали, что замена до 30% цемента горелым террикоником совсем незначительно сказывается на его прочности. Тогда как замена 20% цемента не горелым террикоником на 21% повышает прочность раствора по сравнению с бездобавочным составом. Это говорит о принципиальной возможности использования отходов угледобычи в качестве минеральных добавок для цемента и материалов на его основе, – комментирует Степан Леонтьев.

Решение, предложенное учеными Пермского Политеха, позволит значительно уменьшить количество техногенных отвалов на территории угольных бассейнов, что снизит нагрузку на окружающую среду.

ПНИПУ

1372 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram