Новый стройматериал с контролируемым затвердеванием, представляющий собой более экологичную и долговечную альтернативу обычному цементу, разработали исследователи из Белгородского национального исследовательского университета (НИУ «БелГУ») совместно с коллегами из Белгородского государственного технического университета им. В.Г. Шухова. Управлять застыванием строительной смеси на основе доменного шлака позволяет необычная добавка из отходов производства лимонной кислоты.
Недостаток классического цемента заключается в том, что его производство загрязняет окружающую среду выбросами углекислого газа. Более экологичная и долговечная альтернатива — вяжущие из молотого доменного шлака. Но у них есть своя слабая сторона — плохо контролируемое затвердевание. Чтобы запустить процесс застывания этих материалов, нужно добавить щелочь. Но если перемалывать шлак с щелочью мокрым способом, полученная смесь затвердевает настолько стремительно, что с ней практически невозможно работать. А если выбрать сухой помол и только затем добавлять воду, материал, наоборот, застывает крайне медленно.
«Приручить» капризный стройматериал ученым удалось благодаря необычной добавке — цитрогипсу. Это мелкий порошок, представляющий собой побочный продукт биохимического производства лимонной кислоты. Добавление этого компонента в сырье позволило контролировать процесс затвердевания материала, не снижая его прочности. Кроме того, новый подход решает проблему накопления огромного количества отходов производства лимонной кислоты.
О разработке корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель проекта, директор Инжинирингового центра НИУ «БелГУ», кандидат физико-математических наук Иван Сергеевич Никулин.
Директор Инжинирингового центра НИУ «БелГУ», кандидат физико-математических наук Иван Сергеевич Никулин.
Фото предоставлено пресс-службой НИУ «БелГУ»
«Идея для исследования возникла из потребности решить ключевую проблему шлакощелочных вяжущих — их непредсказуемость во времени застывания. Мы искали доступный регулятор, который мог бы тонко настраивать этот процесс, и обратили внимание на цитрогипс, — пояснил И.С. Никулин. — Мы предлагаем принципиально новый подход к применению цитрогипса. Сейчас он перерабатывается в сульфат аммония для удобрений, мел для медицины, а также используется в производстве зубных паст и бумаги, но во всех этих случаях его подвергают дополнительной химической обработке. Мы первыми предлагаем использовать его “как есть”, без переработки, непосредственно в строительной химии для управления схватыванием бетонных смесей».
Согласно новой технологии, в сильно измельченный доменный шлак добавляется цитрогипс в количестве 1,5–2,5 масс. % (процентов от общей массы получаемой смеси), после чего они перемешиваются в течение одной–двух минут. Далее в полученную твердофазную смесь в течение трех минут добавляется свежеприготовленный щелочной раствор, полученный путем смешивания щелочного активатора с водой. Параллельно с введением щелочного раствора все компоненты перемешиваются до однородного состояния.
Лабораторная проверка нового подхода показала, что добавление цитрогипса примерно вдвое сокращает время до начала затвердевания строительной смеси. Длительность самого процесса застывания при этом можно контролировать: изменяя дозировку цитрогипса, можно ускорить затвердевание материала для срочной работы или замедлить его — например, если смесь нужно предварительно куда-то перевезти.
«Испытания проводились путем сравнения составов: контрольного (без добавки) и опытных образцов с добавлением цитрогипса. В ходе экспериментов мы фиксировали временные промежутки начала и конца схватывания, — пояснил И.С. Никулин. — Мы можем привести достигнутые результаты по сравнению с эталоном (составом без цитрогипса): начало схватывания сокращается (ускоряется) на 39,7–51%, конец схватывания — на 12,5–27%. Таким образом, мы добиваемся прогнозируемого диапазона, при котором смесь не застывает мгновенно и не остается жидкой часами, а твердеет в предсказуемые сроки, пригодные для строительных работ. Кроме того, мы измеряли прочность готовых образцов на сжатие, чтобы подтвердить соответствие строительным стандартам».
Ученые уже получили патент на разработку.
Изображение предоставлено пресс-службой НИУ «БелГУ»
Испытания показали, что добавка не влияет на надежность полученного стройматериала: его прочность на сжатие достигала 32,8 МПа — на уровне одной из самых широко используемых марок цемента. Ранее подобного баланса характеристик достичь не удавалось.
Исследование проводилось при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках госзадания №FZWG-2024-00-01. Инновационное решение уже было запатентовано (патентом РФ № 2861432).
«На данный момент разработка готова к внедрению в промышленность и защищена патентом на территории России. Мы предлагаем использовать ее для производства штукатурки, тротуарной плитки, стеновых блоков и лестничных маршей, — поделился И.С. Никулин. — Что касается дальнейших научных изысканий, мы рассматриваем возможность расширения линейки добавок для тонкой настройки других свойств стройматериалов (например, морозостойкости или водонепроницаемости), однако текущий приоритет — это передача технологии реальному сектору экономики. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, что подтверждает ее высокий статус, и мы открыты к сотрудничеству с производственными партнерами».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: из личного архива авторов разработки / предоставлено пресс-службой НИУ «БелГУ».
Источник изображений на странице: из личного архива авторов разработки / предоставлено пресс-службой НИУ «БелГУ»; предоставлены пресс-службой НИУ «БелГУ».
