Введение. Принято считать, что для производства материалов строительного назначения в больших объемах наиболее целесообразно применение энергосберегающих технологий, например, использующих температуру окружающей среды или незначительно повышенную температуру, что обеспечивает получаемой продукции более высокую экономическую эффективность и рентабельность, а, следовательно, более высокую привлекательность для промышленной индустрии [1, 2]. С другой стороны, тенденции к реализации энергосберегающих технологий могут быть достигнуты не только в процессе получения композитов по технологиям так называемого атермального синтеза, но и за счет использования материалов, обеспечивающих энергоэффективную эксплуатацию зданий и сооружений, созданных с их применением. К таковым относятся материалы и композиты с высокопористой ячеистой структурой.
Научный интерес к ячеистым материалам обусловлен широким спектром потенциальных применений [3, 4]. Необходимыми свойствами для высокопористых материалов являются, например, низкая объемная плотность, высокая проницаемость [5], высокая удельная поверхность, низкие показатели теплопроводности [6] и/или эффективная комбинация этих параметров, с учетом требований в реалиях промышленного применения. Каждая из выше перечисленных характеристик тесно связана и напрямую воздействует на формирование микроструктуры затвердевшего порового каркаса, влияет на его химическую природу [7], а также характер пористости. Принято считать, что структура с точки зрения морфологии [8], объемной концентрации пор и источника происхождения газообразной субстанции, заполняющей поровое пространство, оказывают доминирующее влияние на эффективность получаемого ячеистого композита. Как следствие, ключевым фактором при формировании требуемых свойств ячеистого материала является эффективный подбор сырьевых компонентов и способа их обработки в процессе подготовки сырья и, непосредственно, синтеза самого материала.
Своей актуальностью в перечне ячеистых материалов отличаются легковесные композиты на основе геополимерного вяжущего: ячеистые геополимербетоны и, в частности, газо- и пенобетоны [1, 9–11], которые находятся в соответствии с современными мировыми тенденциями развития строительного рынка, и ориентированы не только на достижение энергоэффективности в строительной отрасли, но также на снижение негативного воздействия на окружающую среду, сокращению выбросов углекислого газа и уменьшению истощения природных ресурсов. Благодаря особенностям технологии и химии синтеза, геополимерные материалы и изделия обладают весьма хорошей перспективой для дальнейшего развития и практического применения различной целевой направленности.
В рамках этого исследования был проведен литературный обзор по различным технологиям получения геополимерных вяжущих и ячеистых геополимеров на основе широкого спектра алюмосиликатного сырья. В настоящее время большое количество зарубежных ученых и исследователей по всему миру [1, 12–15] работают над вопросом создания геополимеров и ячеистых бетонов на их основе (рис. 1).
Целью настоящего исследования является изучение и анализ отечественного и зарубежного опыта научных изысканий и применения на практике теоретических результатов по вопросу особенностей синтеза ячеистых геополимербетонов и их основных эксплуатационных характеристик.
|
|
|
Рис. 1. Научные центры, занимающиеся изучением и производством геополимеров и ячеистых бетонов на их основе (отмечены красными точками на карте) |
Методология. Объектом исследования являются ячеистые бетоны на основе геополимерных вяжущих систем различного компонентного состава и разных технологий производства. Методом обзорного анализа и оценки отечественных и зарубежных опубликованных научных исследований выявлены особенности подбора сырьевых материалов и технологических режимов, обеспечивающих эффективность формирования ячеистой структуры геополимерной матрицы. Произведена сравнительная оценка некоторых методов получения ячеистых геополимербетонов.
Основная часть. Как правило, условия твердения, используемые при синтезе геополимеров и материалов на их основе, включают консолидацию в условиях атмосферного давления и в температурном диапазоне от 25 °С до 150 °С [16]. Однако, этот диапазон параметров является весьма обобщенным, поскольку, в силу широкого разброса свойств потенциального сырья для геополимеров, условия процесса синтеза подбираются индивидуально.
Так, например, исследования [17] геополимерной смеси на основе метакаолина, твердеющей в температурном в диапазоне 10–80 °C в течение 1–4 ч показали, что повышенная температура ускоряет набор прочности, однако, конечная прочность после 28 суток ниже, чем в аналогичных смесях, которые твердеют при комнатной температуре. Данное явление объясняется наличием у метакаолина замедленной реакционной способностью при повышенных температурах. Таким образом проявляется низкая степень полноты протекания реакции геополимеризации, демонстрирующая кинетику и характер изменения системы в процессе структурообразования [18].
С другой стороны, для геополимеров на основе золы-уноса из-за более низкой реакционной способности золы-уноса, твердение при повышенной температуре в данном случае более предпочтительно по сравнению с метакаолином [19]. Аналогичная тенденция характерна для геополимеров как с плотной, так и с ячеистой структурой.
Так, в некоторых исследованиях установлен положительный эффект высокотемпературного воздействия на эксплуатационные характеристики ячеистого геополимера [20]. Например, Fletcher R.A., MacKenzie K.J.D. [21] установили, что после обжига «спеченный» ячеистый геополимерный бетон имеет сравнительно однородную структуру, равномерное распределение пор и пустот, а также высокое соотношение прочности и плотности. В связи с этим, наиболее целесообразно рассматривать его, как пористую керамику, а не как бетон. Он подходит для использования в качестве строительного материала для замены существующих видов керамической плитки, глиняного кирпича и строительных блоков.
Говоря о керамике, ближайшим аналогом для геополилимера с идентичным механизмом структуррообразования (политмеризация) следует отметить наноструктурированное вяжущее. В работе авторов [22] были получен пенобетон на основе перлитового наноструктурированного вяжущего с следующими эксплуатационными параметрами: классом по прочности В1,5–В2,5, маркой по плотности D300–D500, соответственно и коэффициентом теплопроводности в диапазоне от 0,08 до 0,1 Вт/(м·оС).
Наибольший интерес в русле исследования ячеистых геополимербетонов представляют работы по применению золы-уноса [23–25].
Sanjayan J., Nazari A., и др. [26] (Австралия) предложили стандартный подход для синтеза газобетона на основе золы-уноса, используя алюминиевую пудру в качестве газообразователя. Показатели прочности на сжатие для полученных пористых образцов колеблются в пределах 0,9–4,35 МПа, что позволяет использовать этот газобетон для производства кирпича, огнестойкой панели, подземного трубопровода и т.д.
Имеется ряд работ, подтверждающих возможность использования метакаолина при создании ячеистого геополимерного бетона [27, 28].
Так, в 2012 году, в Китае были запатентованы изделия из ячеистого геополимера на основе метакаолина [29], которые обеспечивают пористость от 35 до 80 %, предел прочности при сжатии от 1,7 до 10,9 МПа при соответствующей плотности от 300 до 1240 кг/м3. Для газообразования в материале используется алюминиевая паста. Твердение происходит при температуре 40–100 °С в течении 4–8 часов. Данный ячеистый геополимер может быть использован в теплоизоляционных, звукоизоляционных, мембранных материалах, а также в материалах, поглощающих отходящие газы, энергию и т. д.
Однако, негативной особенностью ячеистых геополимеров на основе метакаолина является повышенная усадка при воздействии температуры в условиях сушки или при нагреве, вызывающих микро- и макроскопические растрескивания в структуре. С целью повышения эффективности их применения для возможности получения и огнеупорных композитов, ученые Zhang Z., Provis J. И др. в работе [1] разработали два типа ячеистых геополимеров, используя H2O2 и Al-пудру, в качестве газообразующих агентов. Твердение образцов осуществлялось при 200 °С, при постепенном повышении давления от 1,5–4 МПа до 12 МПа. Результаты показали, что использование H2O2 обеспечивает высокую прочность на сжатие (44–77 МПа). Однако, получаемый газобетон не устойчив к растрескиванию при высокотемпературном воздействии (1200 °С в течение 3 ч). В то же время, образцы с использованием Al-пудры, устойчивы к трещинообразованию при повышенных температурах.
Несколько иные подходы при создании данных ячеистых геополимерных материалов были предложены учеными с использованием различных отходов промышленности, таких как доменный шлак, рисовая шелуха, металлургические и стекольные отходы [30–33].
В Национальном университете Чуннам (Южная Корея) [34] для получения ячеистого геополимерного бетона в качестве экологичного материала при возведении морских ферм используют побочные продукты сталелитейной промышленности. Экспериментальные результаты показали довольно высокую прочность образцов – до 11,9 МПа при пористости 25 %. Порообразование происходит в результате вспенивания гранулированных удобрений и шлака при особом режиме перемешивания.
Для создания пористых геополимеров учеными из университета Лиможа (Франция) [33] использовалась композиция из метакаолина, затворяемого раствором силиката и гидроксида калия. Добавление микрокремнезема как порообразующего агента способствует образованию неорганической пены. Свободные атомы кремния, содержащиеся в микрокремнеземе, реагируют с щелочным раствором с образованием молекул водорода в рабочей среде повышенной основности.
Zhao Y., Ye J., Lu X. и др. [35] из Даляньского технологического университета (Китай) синтезировали геополимерный пенобетон с использованием золы-уноса и порошка листового стекла, в качестве твердофазных компонентов. В качестве пенообразователя использовалось соединение додецилбензолсульфоната натрия и растительный белок – глютен. Основные этапы синтеза этого пенобетона включают такие этапы как подготовка пеномассы, формование и сушку при температуре 105 °С в течение 12 ч, затем спекание при 1050 °С в течение 2 ч. Внешний вид и структура пор полученного геополимерного композита показаны на рисунке 2. Пористая структура кажется однородной в миллиметровом диапазоне. В дополнение к фазам кварца и муллита, анортит (CaAl2Si2O8) образуется после спекания. Считается, что данный минерал является главной причиной обеспечения высокой прочности. Данный образец был синтезирован с содержанием 13 % порообразователя по массе сухого материала, и показал прочность на сжатие до 6,76 МПа и плотность – 0,414 г/см3.
|
|
|
|
Рис. 2. Макро- (а) и микроструктура (б) «спеченного» геополимербетона [35] |
|
На основании литературных данных [36, 37], ячеистые геополимербетоны также могут быть синтезированы с использованием пенополистирола и талька.
Шлаки и золы-уноса, могут быть использованы для производства пеностекла, которое, с учетом используемых сырьевых компонентов, можно считать разновидностью ячеистого геополимера.
Еще один вариант ячеистого геополимера – пеностекло на основе зол-уноса. Пеностекло представляет собой материал, который привлекает большой интерес и применяется во многих областях, таких как строительство, химическая и оборонная промышленность, что обусловлено комплексными свойствами данного материала, такими как, негорючесть, низкие показатели теплопроводности, плотности и др.
Ul Haq E. и Licciulli A. [25] изучали использование золы-уноса для синтеза пеностекла с использованием различных пенообразователей. Данный метод имеет недостаток в виде образования токсичных газов при удалении порообразователя термообработкой.
Профессор Kamseu E. из итальянского университета [38] также, разработал метод получения пеноматериалов на основе геополимеров с использованием метакаолина и Al-пудры с соотношением жидкой фазы и метакаолина в соотношении 1:1,6 (рис. 3).
|
|
|
Рис. 3. Геополимеры, вспененные с различным содержанием Al-пудры: образцы C1, C2, C3 и C4 содержат 5, 10, 15 и 20 мг Al-пудры, соответственно [38] |
Пористость такого материала составляет от 30 до 70 %. Для достижения гомогенной пористой структуры, необходимо высокое соотношение –SiO2/Al2O3 > 1,79. Пеноматериалы в этом случае обладают гораздо меньшей теплопроводностью (0,15–0,4 Вт/м·К), чем плотные геополимеры (0,6 Вт/м·К) при равных условиях твердения (комнатная температура).
В докладе китайского исследователя Zhang Z., Wang H. И др., представленном на 21-й Австралоазиатской конференции, отображен метод механического предварительного вспенивания для получения пенобетона на основе кислой золы-уноса (содержание CaO – 2,6 масс. %) [39]. На рисунке 4 показан образец этого пенобетона и его микроструктура. Размер пустот в основном 50–400 мкм со средним коэффициентом округленности 0,6. Материал имеет плотность 850–950 кг/м3 при прочности на сжатие 4–9 МПа в зависимости от типа щелочного активатора.
Профессор Al Bakri Abdullah M.M. из университета Перлис (Малайзия) получил геополимерный пенобетон с использованием высококальциевой золы-уноса (содержание CaO – 21,6 %), путем смешивания пены с геополимерной смесью в объемном соотношении 2:1. При этом твердение осуществлялось в двух различных условиях: комнатная температура и тепловая сушка при 60 °С в течении 24 ч с последующим твердением в нормальных условиях. При тепловой сушке изделия продемонстрировали более высокие пористости, но, при этом, довольно высокие значения плотности по сравнению с аналогами без термообработки [11].
|
|
|
Рис. 4. Геополимерный пенобетон с использованием основной золы-уноса [11] |
Рассматривая различия между плотными и ячеистыми геополимерами, необходимо отметить, что такие химико-технологические параметры как особенности порообразующих агентов, способы их введения в геополимерную систему, а также влияние на поро- и фазообразование в вяжущей системе, в том числе, под действием высоких температур, слабо изучены [40, 41]. В настоящее время алюминиевая пудра широко используется для образования пор в газобетоне на основе цемента, в то время как использование ее для газобетона в геополимерных системах носит экспериментальный характер. Установлено, что дозировка, реакционная способность (в том числе степень дисперсности) и диссоциация Al-пудры оказывает влияние на формирование поровой структуры геополимерных систем на атомном и наноструктурном уровнях [38, 42].
Турецкими исследователями [43] было выявлено, что количество пены с использованием органического пенообразователя при смешивании с геополимерным вяжущим, требуется в большом объеме, а поры, из-за высокой вязкости пасты, как правило, разрушаются в процессе смешивания.
С точки зрения микроструктуры, разница между плотными и ячеистыми геополимерами также существенна. В целом, разработка геополимерного пенобетона является относительно новой областью строительного материаловедения, поскольку объем данных о взаимосвязи между составом, структурой и свойствами этих материалов незначителен [1].
Теоретический анализ литературы показывает, что проблема получения пористых геополимерных материалов рассматривается достаточно широко (табл. 1).
Таблица 1
Зарубежный опыт получения ячеистого геополимерного бетона
|
Сырье |
Порообразователь |
Активатор |
Условия твердения |
Источник |
|
Зола |
Na2SiO3 |
NaOH |
СВЧ-нагрев при |
[25] |
|
Перлит |
Перекись водорода (H2O2) |
NaOH |
2ч при 35 oC (пластик. форма) + 24ч при 65 oC |
[44] |
|
Зола + метакаолин |
Алюминиевая пудра |
Na2SiO3 |
24 ч при 25 и |
[28] |
|
Доменный шлак |
Al-пудра (0,06%) + лаурилсульфат натрия (0,04%) |
Na2SiO3 |
2ч при 25 oC, нагрев до 87 oC за 3ч, выдержка 6ч, охлаждение 3ч |
[32] |
|
Зола |
Алюминиевая пудра (5%) |
NaOH+ Na2SiO3 |
24ч при н.у. (пластик. форма) + 24ч при 60 oC |
[23] |
|
Зола |
Алюминиевая пудра + Перекись водорода (H2O2) |
NaOH + Na2SiO3 |
24ч при 60 oC, нагрев в 3ч до 1000 oC |
[24] |
|
Метакаолин |
Алюминиевая пудра (0,20%) |
Фосфорная кислота |
5ч при 80 oC |
[27] |
|
ПЦ - 516 кг/м3, от-ходы стекла – 129 кг/м3, микрокремнезем – 64 кг/м3 |
Синтетический ПАВ |
Вода - В/Ц=0,4 ПАВ, пластиф. Sika ViscoCrete D 132-2 |
24ч при н.у. (полиэтилен. форма) + в воде при 20±2 oC и влажности 95% |
[30] |
|
Гранулы калия + Метакаолин |
Na2SiO3 + микрокремнезем |
KOH + K2SiO3 |
0,3ч при 70 oC + 1,5ч при 50 oC + 12ч при 25 oC |
[33] |
|
Металлургические отходы (шлак) |
Гранулированные удобрения |
Вода |
24ч при н.у. + при 20±2 oC |
[34] |
|
Каолин (10%) + Тальк (90%) |
Отходы технической резины |
Вода |
48ч (25oC), нагрев (300oC), спекание 900, 1220 oC - 2K/мин, |
[36] |
|
Рисовая шелуха и метакаолин (2,5:1) |
Алюминиевая пудра |
NaOH + Na2SiO3 |
24ч 20±2 oC + 48ч 30 oC (φ =54%) |
[31] |
Следует отметить, что большое количество исследований также посвящены вопросу порообразования и формированию пористости в геополимерном бетоне [23, 33, 36], а также условиям твердения пористой вяжущей системы [25, 32, 44].
Пористость ячеистого геополимербетона.
В исследовании Sanjayan, J., Nazari, A. и др. [23] изучены особенности формирования поровой структуры и ее влияния на свойства образцов ячеистого геополимербетона на основе золы-уноса и смеси щелочных компонентов «Nа2SiO3–NaOH». В качестве порообразубщего агента использовалась алюминиевая пудра. Благодаря активной химической реакции между алюминиевым порообразователем и щелочным активатором в геополимерной системе формируется преимущественно высокопористая структура. Анализ экспериментальных данных показал, что введение до 5 % алюминиевой пудры как порообразующего компонента при следующем соотношении сырьевых компонентов: щелочной активатор / зола-уноса – 0,3; Nа2SiO3 / NaOH – 2,5, обеспечивает формирование наибольшей пористости и, как следствие, наименьшей плотности наилучшего вспененного образца. При этом, показатели прочности на сжатие для всей линейки экспериментальных образцов ячеистого геополимера находилась в пределах 0,9–4,35 МПа.
Однако, авторами было отмечено, что высокая концентрация этого порообразователя инициирует чрезмерно интенсивное протекание реакции, что, в свою очередь препятствует полной щелочной активации алюмосиликатной составляющей в геополимерной матрице и, следовательно, геополимеризация протекает частично.
В работе Henon J., Alzina A. и Rossignol S. [33] доказана возможность регулирования температурным воздействием такие параметры поровой геополимерной структуры как размер и морфология пор, а также степень их гомогенного распределения в объеме ячеистой матрицы. Исследования проводились на образцах геополимерных пен, полученных путем смешения метакаолина и микрокремнезема, активированных смесью из щелочных компонентов «силикат калия – гидроксид калия». Микрокремнезем был использован в геополимерной системе в качестве порообразующей добавки до 50 % от общей массы алюмосиликатной твердой фазы. Порообразующий эффект микрокремнеземной добавки заключается в том, что имеющиеся свободные атомы кремния в составе микрокремнезема окисляются под действием щелочного раствора, высвобождая молекулярный водород, который инициирует процесс порообразования и формирует поровую структуру. На основании проведенных исследований было установлено, что даже низкотемпературная обработка (в диапазоне 25–70 °C) способна инициировать эффективное порообразование. При этом, отмечено, что за счет циклического температурного воздействия возможно регулировать гранулометрию пор. В результате, синтезируемые таким образом геополимерные пены, характеризуются следующими теплофизическими характеристиками: размер пор – от 0,5 до 1,6 мм; коэффициент теплопроводности – от 0,12 Вт·/м·K при пористости структуры 65–85% и плотности 0,4–0,85 г/см3.
Исследованиями [25] рассмотрена гипотеза и доказана возможность обеспечения поровой структуры геополимера, а также регулирования степени ее пористости без введения дополнительных порообразующих агентов, с использованием только алюмосиликатной матрицы и щелочного активатора. Для формирования поровой структуры изготовляются шарообразные агрегаты, состоящие из силиката натрия и золы-уноса, которые под действием микроволнового излучения при температуре 220 °C в микроволновой печи претерпевают одновременное вспучивание и процесс геополимеризации с последующим спеканием агрегатов в ячеистый монолит.
Российскими исследователями Богомазовой Е.В., Калиниченко В.В., Костюковым Н.С. и др. [36] предложен метод синтеза пористой керамики, как ближайшего аналога геополимерных систем, на основе каолина, талька и кварц-полевошпатового сырья, где в качестве порообразующей добавки авторами были рассмотрены отходы резиномеханического производства, зерновых культур и деревообработки. Метод поризации в данном случае заключается в формовании образцов путем прессования сырьевой смеси под давлением 3 МПа, с последующей сушкой при комнатной температуре и влажности в течение 48 часов и дальнейшим обжигом в муфельной печи в температурном диапазоне от 330 до 1220 оС. Обожжённые образцы охлаждались в печи до комнатной температуры. Таким образом, формирование поровой структуры данным методом осуществляется за счет выгорания органического наполнителя в процессе обжига геополимерных образцов.
Недостатком данного метода является наличие усадки получаемых ячеистых композитов, которая составляет 20 % – в образцах с зерновыми отходами, 14 % – с резиновой крошкой и 5 % – с отходами деревообработки.
Авторами Kioupis, D., Skaropoulou A. и др. в работе [45] поровая структура ячеистых геополимеров обеспечивалась за счет введения в вяжущую матрицу заранее пористого заполнителя в виде вспененного полистирола и вспученного перлита. Однако, результаты исследований показали, что введение в состав геополимерной матрицы выбранных легких заполнителей приводит к снижению прочности на сжатие и изгиб для геополимерных образцов на 77 и 35 %, соответственно. Тем не менее,
подобный состав и способ поризации структуры позволил авторам синтезировать легковесные геополимерные композиты с плотностью в диапазоне 1,0–1,6 г/см3, прочностью на сжатие 10–33 МПа, на изгиб 1,8–6,3 МПа, коэффициентом теплопроводностью 0,29–0,42 Вт/мК, а также сорбционной способностью 0,031–0,056 мм/ч.
Ouda S. A., Rashad L. A. [46] использовали легкий керамзитовый щебень в качестве пористого заполнителя в ячеистый геополимербетон, где в качестве связующей матрицы использовался металлургический шлак, активированный раствором силиката натрия.
Легкий керамзитобетон представляет собой искусственный заполнитель, полученный в результате вспучивания глины и ее увеличения таким образом в объеме до 6 раз в процессе ее обжига при температуре около 1150 °C во вращающейся печи. Однако, в результате исследований авторами было выявлено, что использование керамзитобетона в геополимерной системе в качестве заполнителя оказывает негативное влияние на показатели компрессионной прочности и водопоглощения. Но, при этом был отмечен положительный эффект данного заполнителя на теплопроводность, удобоукладываемость и относительную прочность после повышенного температурного воздействия.
Ранее автором статьи [47][U1] было изучено влияние порообразователей различной природы на эффективность формирования поровой структуры в геополимерной высокощелочной среде. Экспериментальные результаты показали, что синтетический пенообразователь в высокощелочной среде, не способен формировать высокопористую структуру, в то время как применение порообразователя белкового происхождения работает более эффективно (с обеспечением кратности пены до 10).
Условия твердения
В работе коллектива авторов [24] предложена методика отверждения геополимерного вяжущего следующего компонентного состава: зола-уноса – в качестве основного алюмосиликатного компонента, активированная смесью из гидроксида натрия и силиката натрия, используемых как щелочные компоненты. В качестве порообразующего агента в данной работе применялась смесь из алюминиевой пудры и перекиси водорода. Предложенная методика предусматривает синтез ячеистого геополимера в следующей последовательности: в полученную после равномерного смешения компонентов, геополимерную суспензию вводилась смесь из порообразующих агентов. Далее, полученная суспензия была заформована в металлические формы. Дальнейшее твердение образцов осуществлялось по следующему температурному режиму: выдержка в естественных лабораторных условиях в течение нескольких часов → выдержка в сушильном шкафу при температуре 60 °C в течение 24 часов → расформовка и охлаждение образцов до естественной температуры → прокаливание в муфельной печи в течение 3 часов до температур в диапазоне от 600 °C до 1000 °C со скоростью нагрева 5 °С/мин → охлаждение образцов в муфельной печи до естественной температуры со скоростью охлаждения 5 °С/мин. Результаты испытаний образцов показали, что высокотемпературное воздействие способствует увеличению прочности пористых геополимеров примерно, в два раза (до 42 МПа).
В работе итальянских исследователей Ul Haq, E. and Licciulli, A. [25] из университета Саленто применяется микроволновый синтез для вспенивания геополимерной массы с использованием золы-уноса и компонентов силиката натрия и гидроксида натрия – в качестве щелочных активирующих агентов. Изменяя содержание соотношения золы-уноса и щелочного активатора (преимущественно, силиката натрия) можно моделировать физические и механические свойства теплоизоляционных кирпичей. Этот метод позволяет получать пенобетон с низкой плотностью (до 610 кг/м3) и теплопроводностью (≈ 0,075 Вт/(м∙K), а также высокой пористостью и прочностью на сжатие – 72 % и 3,55 МПа, соответственно.
Как показывают данные литературных источников, опыт применения ячеистых геополимербетонов на сегодняшний день не ограничивается только научными исследованиями, но и имеет примеры эффективного применения в строительной практике.
Так, в Австралии в 2013 году при университете Квинсленда был построен Научно-исследовательский Институт Глобальных Изменений (GCI), который является первым зданием в мире, где успешно были применены материалы и конструкции из ячеистого геополимербетона (рис. 5) [48]. Институт Глобальных Изменений Квинсленда представляет собой четырехэтажное здание, полы которого изготовлены из конструкционного геополимерного бетона. Плиты состоят из геополимерной матрицы на основе шлака и золы-уноса.
|
|
|
Рис. 5. Первое здание из геополимербетона на основе золы-уноса, Университет Квинсленда, Австралия |
Для этого здания Австралийская строительная компания HySSIL разработала сборные ячеистые геополимерные панели также на основе золы-уноса и доменного шлака, которые вполовину легче обычных бетонных панелей, с аналогичной прочностью и долговечностью (рис. 6).
|
|
|
Рис. 6. Сборная панель строительной компании HySSIL из геополимерного ячеистого бетона на основе золы-уноса и шлака [49] |
Технические характеристики панелей HySSIL подходят для широкого спектра областей применения, включая, использование в модульных конструкциях малоэтажного жилья [49].
Пористая геополимерная панель имеет ряд преимуществ по сравнению с панелью HySSIL на основе цемента, таких как:
- предел прочности на сжатие и изгиб на 15 % выше, чем у панелей на основе цемента, при плотностях от 1000 кг/м3 и 1500 кг/м3;
- более быстрое время твердения, позволяющее повторно использовать опалубку и сократить производственные затраты;
- более высокая химическая резистивность и огнестойкость;
- энергетические затраты на производство ниже примерно на 60 %.
Нельзя не отметить интерес с ячеистому геополимерному бетону и в других развитых странах. Так в 2014 году в США получен патент US20140264140А1 [51] на высокопрочный композиционный геополимерный пористый бетон. Бетон проектировался на основе низкокальциевой золы-уноса или золы-уноса класса F (содержание оксида СаО менее 20 %, согласно ASTM C618-19 [50]) и имел прочность на сжатие от 3 до 17 МПа при соответствующей плотности от 400 до 1200 кг/м3 (рис. 7). Необходимо отметить комплексный состав этого ячеистого бетона, включающий различные добавки, суперпластификаторы, модификаторы, а также легкие наполнители. Для порообразования использовалось сочетание алюминиевой пудры и перекиси водорода. Данный материал может быть применен как конструкционный, так и теплоизоляционный.
|
|
|
|
Рис. 7. Композиционный геополимерный пористый бетон а – показатели прочности на сжатие и плотности материала, б – внешний вид образцов ячеистого геополимербетона [51] |
|
Кроме того, ячеистые геополимерные материалы нашли широкое практическое применение для фильтрации, очистки, создания акустических материалов и конструкций линий электропередач. Как правило, такие геополимеры изготавливаются спеканием при 1000 °C [52, 53].
В последнее время ячеистый геополимер также нашел широкое применение благодаря своей низкой стоимости, простоты технологии производства, кислотостойкости, высоким теплофизическим свойствам и экологичности [27].
Вывод. Таким образом, обзорный анализ показал, что ячеистый геополимербетон является строительным материалом, имеющим большой рынок сбыта. Фактором, определяющим область его применения и востребованность, является низкая плотность и, как следствие, высокие теплотехнические характеристики при достаточной прочности и высокой эксплуатационной экологичности (в отличие от материалов на полимерной основе, таких как пенополистирол). Замена цемента на геополимерное вяжущее при обеспечении достаточной экономичности и повышении экологичности производства путем использования вяжущего атермального синтеза, позволит расширить спектр применяемого сырья и укрепить позиции ячеистого бетона как современного эффективного строительного материала.
Однако, несмотря на проведенный широкий спектр исследований по разным аспектам, касающимся производства ячеистых геополимеров, применение этих материалов в настоящий момент не является широко распространенным по техническим и другим причинам.
Анализируя проблемы, связанные с производством ячеистого геополимерного бетона, нельзя не подчеркнуть, что отсутствие глубокого понимания представлений о фазовых и микроструктурных особенностях в ячеистой геополимерной структуре является ключевым фактором, определяющим такие технологические факторы производственного процесса как, выбор и подготовка сырья с учетом его химической природы и микроструктуры системы; последовательность введения компонентов; условия и режим твердения; а также контроль технологических свойств, которые способствуют усовершенствованию и эффективному применению геополимерных материалов. Поскольку в настоящее время в литературе отсутствует достаточное количество информации, обеспечивающей глубокое понимание формирования и особенностей поровой структуры в геополимерных системах, проведение исследований в данном направлении является весьма актуальным и требует более глубокого изучения.
[U1]Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Кожухова М.И., Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Кожухова М.И., Алфимова Н.И., Чепурных А.А. рН-показатель среды как фактор формирования поровой структуры пен // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №8. С. 101– 108. DOI: 10.12737/article_5b6d586ca043d4.17885788
Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Kozhukhova M.I., Alfimova N.I., Chepurnykh A.A. рН-value of reaction medium as a factor of foam structure formation. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2018, no. 8, pp. 101–108. DOI: 10.12737/article_5b6d586ca043d4.17885788
