В настоящее время объем выбросов СО₂ составляет 7 % общемирового объема выбросов в атмосферу парниковых газов. Кроме того, разрушение бетона в сооружениях (особенно при воздействии агрессивных сред) часто начинается через 20-30 лет их эксплуатации даже в тех случаях, когда проектируемая долговечность сооружений должна была превысить 50 лет.

Одним из основных путей улучшения экологических свойств бетона представляется частичная замена портландцемента различными промышленными отходами, и, в том числе, золой-уноса. К настоящему времени разработан состав бетона с высоким содержанием золы-уноса, в котором на долю портландцемента приходится всего 40 % и который характеризуется высокими прочностными показателями и повышенной долговечностью.

Другой вариант представляет разработка неорганического алюмосиликатного полимера, получившего название геополимер и синтезируемого из материалов геологического происхождения или промышленных отходов, таких как зола-уноса, содержащая значительные количества алюминия и кремния. Геополимер пригоден в качестве вяжущего в бетоне взамен цемента.

Зола-унос является распространенным промышленным отходом. С 1998 г. во всем мире ежегодно получается более 390 млн. т этого отхода, при этом объем ее утилизации составляет менее 15 %. В ближайшем будущем количество золы-уноса увеличится, особенно в Китае и Индии. По предварительным подсчетам, к 2010 г. количество золы-уноса в этих двух странах будет ежегодно достигать 780 млн.т. Таким образом, ее применение в бетоне может существенно способствовать повышению его экологических свойств.

Специалистами Австралии изучены свойства геополимербетона, для приготовления которого использовалась низкокальциевая зола-уноса (класса F) следующего химического состава, % по массе: SiO₂ - 53,36; AI₂O₃ - 26,49; Fe₂O₃ -10,86; СаО - 1,34; Na₂O - 0,37; К₂О - 0,8; ТiO₂ -1,47; МgО - 0,77; Р₂О₅ - 1,43; SO₃ - 1,7; п.п.п. -1,39.

В качестве активаторов использовались растворы гидроксида натрия (98 %-ной чистоты) и силиката натрия (Na₂O=14,7 %, SiO2=29,4 %, вода=55,9 % по массе).

Для приготовления геополимербетона использовались крупные заполнители с размером зерен 20, 14 и 7 мм, а также мелкий песок, которые перемешивались вместе, после чего модуль крупности смеси составил 5. Затем смесь заполнителей перемешивалась в смесителе с золой-уноса в течение 3 мин. Активаторы перемешивались с суперпластификатором. Эта смесь поступала в смеситель с заполнителями и золой-уноса, и перемешивание продолжалось еще 3-5 мин.

Из полученной жесткой геополимербетонной смеси были изготовлены образцы-цилиндры диаметром 100 мм и высотой 200 мм. Формы с образцами покрывались пленкой во избежание избыточного испарения влаги из бетона и в течение 0,5-1 ч выдерживались при комнатной температуре, а затем твердели в печи при повышенной температуре. По окончании твердения образцы извлекались из форм и на 6 ч помещались в пластмассовые пакеты, чтобы избежать резкого воздействия окружающей среды. Затем образцы находились на воздухе при комнатной температуре до начала испытаний.

В качестве параметров, определяющих прочностные показатели геополимербетона, рассматривались следующие:

• соотношение SiO₂/AI₂O₃ (по массе) в золе-унос, предпочтительное значение которого для получения качественного геополимербетона равно 2-3,5;
• соотношение жидкий активатор/зола-уноса (по массе); при проведении экспериментов оно оставалось постоянным, и было равно примерно 0,35;
• концентрация гидроксида натрия в интервале 8-16 М;
• соотношение силикат натрия/гидроксид натрия (по массе);
• температура твердения образцов в интервале 30-90°С;
• время твердения образцов в интервале 6- 96 ч;
• расход воды для приготовления геополимербетона.

Результаты определения прочности на сжатие геополимербетона различных составов приведены в таблице.

Как следует из приведенных в таблице данных, наибольшей прочностью на сжатие отличались образцы из геополимербетона состава А-4; в этом случае концентрация раствора гидроксида натрия составляла 14 М, а соотношение силикат натрия/гидроксид натрия - 2,5 (по массе). Прочность образцов возрастала с увеличением концентрации раствора гидроксида натрия и с увеличением соотношения силикат натрия/гидроксид натрия.

Установлено также, что с ростом температуры твердения образцов от 30 до 90°С увеличивалась их прочность на сжатие, причем это влияние наиболее заметно проявлялось при температуре твердения до 60°С; при более высокой температуре оно было менее существенным.

Увеличение продолжительности твердения образцов также способствовало росту их прочности. В частности, при температуре твердения образцов, равной 60°С, их прочность заметно возрастала в течение первых двух сут.ок твердения. В дальнейшем рост прочности замедлялся.

Исследование влияние суперпластификатора на удобоукладываемость геополимербетона выявило, что введение в его состав этой добавки в количестве до 2 % по массе золы-уноса улучшало удобоукладываемость приготовленных смесей, но незначительно влияло на развитие прочности геополимербетона. С увеличением количества суперпластификатора прочность геополимербетона снижалась. В частности, прочность на сжатие образцов из геополимербетона состава А-2 при добавлении в него суперпластификатора в количестве 2 % равнялась 56,5 МПа, а при количестве этой добавки 3,5 % -46 МПа (возраст образцов - 7 сут., время твердения -1 сут. при температуре 60°С).

Удобоукладываемость геополимербетонных смесей не снижалась в течение 2 ч после окончания их перемешивания. При этом не отмечено признаков схватывания смесей, а также снижения прочности на сжатие затвердевшего геополимербетона.

Влияние расхода воды на прочность геополимербетона было изучено на примере бетона состава А-4, содержавшего 1,5 % суперпластификатора (по массе золы-уноса). В/Т смесей (соотношение вода/твердый геополимер) составляло 0,15-0,23. Выявлено, что с увеличением расхода воды возрастала удобоукладываемость свежеприготовленных смесей, но снижалась прочность на сжатие затвердевшего бетона. При этом прочность на сжатие образцов возрастала с увеличением температуры их твердения, однако влияние температуры в интервале 75-90°С оказалось несущественным.

Прочность на сжатие образцов из геополимербетона без добавки суперпластификатора, твердевших 1 сут.. при температуре 60°С, достигала определенного значения (в случае состава А-2 - примерно 65 МПа) и в дальнейшем практически не изменялась, что обусловлено быстрым процессом полимеризации вяжущего в бетоне.

Плотность геополимербетона равнялась 2330-2430 кг/м³.

Деформации усадки и ползучести геополимербетона, а также его сульфатостойкость определялись на образцах из бетона состава А-2, содержавшего добавку суперпластифиатора в количестве 1,5 % по массе золы-уноса. Образцы твердели 1 сут. при температуре 60°С. Их прочность на сжатие в возрасте 7 сут. составила 53,7 МПа. При исследовании деформаций ползучести образцы подвергались воздействию постоянной нагрузки 22 МПа.

Установлено, что усадочные деформации образцов характеризовались низкими значениями: примерно 10-6 через 12 нед. Деформации ползучести также имели низкие значения. Соотношение деформации ползучести/эластические деформации через 6 нед. равнялось 0,3, после чего увеличивалось очень незначительно.

При определении сульфатостойкости образцы геополимербетона выдерживалсь в 5 %-ном растворе сульфата натрия. После 12 нед. испытаний не отмечено существенных изменений прочности образцов на сжатие, а также их массы и длины.

При приготовлении геополимербетона применялись традиционные методы перемешивания и укладки смесей, аналогичные методам приготовления портландцементного бетона. Необходимая удобоукладываемость и заданная прочность геополимербетона могут быть достигнуты регулированием расхода воды и содержания гидроксида натрия в приготовляемых смесях, что дает возможность получать смеси с осадкой конуса от 100 до 250 мм и геополимербетон с прочностью на сжатие от 30 до 80 МПа.

Были также проведены испытания армированного геополимербетона, для чего были изготовлены образцы размерами 175x175x1500 мм. Осадка конуса приготовленных смесей равнялась примерно 240 мм. Прочность на сжатие образцов составила 42-66 МПа.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Геополимербетон пригоден для производства сборных элементов (армированных и предварительно напряженных).
2. Стоимость 1 м³ геополимербетона приблизительно равна стоимости 1 м³ портландцементного бетона.
3. Применение геополимербетона дает ряд экономических преимуществ за счет утилизации золы-уноса.
4. Дальнейшие исследования геополимербетона должны быть направлены на изучение механизма реакций, протекающих в нем в процессе твердения.

Источник: БИНТИ №5(23), 2005 (по материалам ACI Materials Journal. - 2004. -Vol. 101.- № 6 (англ.)