ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ГЕОПОЛИМЕРБЕТОНОВ

Оригинальная статья / Original article УДК 666.943

DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-1 -94-99

Экономическая эффективность производства изделий из геополимербетонов © В.С. Руднов, Е.С. Герасимова

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Бориса Ельцина, г. Екатеринбург, Россия

Резюме: Геополимеры - эффективный аналог портландцемента для применения в производстве железобетонных изделий. В работе обосновывается экономическая эффективность применения геополимеров на основе металлургических шлаков в качестве основного вяжущего вещества при изготовлении элементов конструкций для строительства зданий и сооружений в районах с мягким и умеренным климатом. Описываются наиболее перспективные возможные области применения геополимерных вяжущих. Указываются недостатки и преимущества геополимеров. Приводится химический состав металлургических шлаков Уральского региона, в соответствии с которым можно оценить пригодность этого сырья для производства геополимеров. Предложена технологическая схема изготовления железобетонных изделий из геополимербетонов на шлаковом сырье, по которой на малых и средних предприятиях можно организовать производство геополимербетонов и изделий на их основе. На основе исследований определены составы геополимербетонов, основным компонентам которых является металлургический шлак. Показано, что получение геополимеров и производство изделий на их основе помогает решать проблему загрязнения окружающей среды промышленными отходами и не способствует образованию парниковых газов благодаря отсутствию высокотемпературных процессов.

Ключевые слова: геополимер, шлакощелочное вяжущее, железобетонное изделие, химический состав, модуль основности, технологическая схема

Информация о статье: Дата поступления 24 января 2020 г.; дата принятия к печати 27 февраля 2020 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2020 г.

Для цитирования: Руднов В.С., Герасимова Е.С. Экономическая эффективность производства изделий из геополимербетонов. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020;10(1):94-99. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-1-94-99

Economic efficiency in manufacture of geopolymer products

Vasiliy S. Rudnov, Ekaterina S. Gerasimova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia

Abstract. Geopolymers constitute an effective analogue of Portland cement for use in the production of reinforced concrete products. The paper substantiates the economic efficiency of using metallurgical slag-based geopolymers as the main binder for structural elements used in the construction of buildings and structures in regions having mild temperate climates. The most promising applications of geopolymer binders are described and their main disadvantages and advantages indicated. The paper also presents the chemical composition of metallurgical slag from the Ural region, helping determine the suitability of this raw material for the production of geopolymers. A scheme for manufacturing reinforced concrete products made from slag-based geopolymer concrete is proposed that allows geopolymer concrete and geopolymer-based products to be produced at small and medium enterprises. The study determines the compositions of geopolymer concrete, with metallurgical slag indicated as the main component. It is shown that the production of geopolymers and geopolymer-based products helps to solve the problem of environmental pollution by industrial waste and minimises the production of greenhouse gases due to the absence of high-temperature processes.

Keywords: geopolymer, slag-alkaline binder, reinforced concrete product, chemical composition, basicity modulus, technological scheme

Information about the article: Received January 24, 2020; accepted for publication February 27, 2020; avail-able online March 31, 2020.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 1 2020 94 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 94-99

94 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 1 2020 _(online)_pp. 94-99

For citation: Rudnov VS, Gerasimova ES. Economic efficiency in manufacture of geopolymer products. Iz-vestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(1):94-99. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-1-94-99

Введение

В современных условиях развития человечества ежегодно увеличиваются объемы строительства, в том числе на новых территориях, которые буквально 30-50 лет назад признавались непригодными для застройки. При этом, не смотря на развитие науки в области материаловедения и технологии возведения, основными элементами зданий и сооружений остаются железобетонные конструкции (монолитные или изготавливаемые на специализированных заводах или полигонах), в которых ключевым компонентом является вяжущее вещество - портландцемент. Постоянно растущая потребность в материалах для строительства стимулирует увеличение производства вяжущих и, как следствие, объемы добычи минерального сырья, что негативно сказывается на экологической обстановке [1].

По мнению довольно большого числа исследователей альтернативой общестроительного гидравлического вяжущего - портландцемента - в ближайшей перспективе могут стать энерго- и ресурсоэффективные вяжущие вещества щелочной активации, называемые в мировой научно-технической литературе геополимерами [2-4].

Геополимеры (шлакощелочные вяжущие вещества) - это один из видов гидравлического высокопрочного вяжущего, состоящего из минерального компонента (например, тон-коизмельчённого шлака) и щелочного активатора твердения (жидкого стекла, соды и других). История изучения и промышленного изготовления этого вида вяжущего началась в 1865 г. в Германии, где стали применять про-мышленно изготовленный шлаковый цемент. Дешевизна и универсальность применения позволила ему распространиться по всей Европе, а самым знаковым объектом стал Парижский метрополитен. В России в эпоху индустриализации в 1930-х гг. ощущался острый дефицит портландцемента при высоких темпах строительства, для ликвидации нехватки которого активно начали изучать и применять шлаковый цемент. В дальнейшем В.Д. Глуховский ввел термин для этого нового вида вяжущего -«грунтосиликат», а также систематизировал и развил исследования этого материала [5]. В XXI в. закрепившееся название указанного вида вяжущего - геополимер - сменило общепринятое и определило следующий этап повышенного внимания к шлаковому цементу.

Основные причины редкого применения бетонов на основе геополимеров - недостаточная изученность из-за разнородного со-

става техногенного минерального сырья и необходимость тепловлажностной обработки для термической активации твердения при получении высокопрочных композитов с прочностью на сжатие до 90 МПа.

Обсуждение проблемы

Сотрудники кафедры Материаловедения в строительстве Института новых материалов и технологий Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина проводят изучение геополимеров с целью повышения качества конечного вяжущего и активно способствуют внедрению технологии его производства в промышленных масштабах [6-8].

В промышленно-гражданском строительстве применяют бетонные и железобетонные конструкции двух типов: готовые конструкции, твердевшие в заводских условиях (в том числе при тепло-влажностной обработке) и монолитные конструкции, твердеющие в условиях строительной площадки. Последние занимают долю до 70% по условиям постройки в российских мегаполисах. Но в большей части РФ, в городах с населением менее 100 тыс. чел. (по данным 2018 г. - 946 городов из 1117), предприятия по изготовлению товарного бетона малоприбыльны или убыточны. На существующем этапе развития материаловедения использование геополимербетонов в монолитном домостроении практически невозможно ввиду отсутствия эффективного и технологически простого способа регулирования сохранения подвижности бетонной смеси, которая обуславливается процессами начального структурообразования и набора прочности.

Изготовление конструкций из геополи-мербетонов в заводских условиях не сталкивается с подобными сложностями и в настоящее время имеется ряд экспериментально обоснованных исследований геополимеров и бетонов на их основе, которые подтверждают возможность их применения в производстве железобетонных изделий для возведения зданий и сооружений в районах с мягким и умеренным климатом [5, 9, 10].

При этом возможные сроки эксплуатации конструкций определяла морозостойкость, зависящая от пористости и микротрещин в структуре материала, образующихся при начальном твердении вяжущего. Однако, доля в жилом многоквартирном доме бетонных конструкций, подвергающихся замораживанию, не превышает 30%, что существенно не может сдерживать объемы применения геополимеров в гражданском строительстве.

Том 10 № 1 2020 ISSN 2227-2917

с. 94-99 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 95 Vol. 10 No. 1 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 95 pp. 94-99_(online)_

Как и для любого материала, качество конечного продукта определяется в большей степени свойствами сырьевых компонентов: силикат-содержащего шлака и щелочного активатора твердения. Экспериментами многих исследователей научно обосновано, что оптимальным щелочным компонентом является натриевой жидкое стекло, состоящее из гидросиликатов натрия, а характеристикой, определяющей возможность и эффективность его применения в геополимербетонах, является силикатный модуль (отношение SiO2 к щелочным оксидам). Механизм щелочного твердения не зависит от состава и особенностей структуры алюмосиликатного компонента, однако присутствие в составе минерального компонента ряда примесей существенно снижает однородность затвердевшего монолита и приводит к образованию конгломератной структуры низкой прочности. Металлургические шлаки - это неоднородный и более сложный для исследования компонент, однако определяющий

возможность применения шлаков - модуль основности (М0), по устойчивости их к известковому распаду (при М0 > 1 шлаки устойчивы к воздействию щелочей):

СаО + MgO

Ы„ =

SiO2 + Al2O3 '

где СаО и МдО - содержание в шлаке соответствующих основных оксидов; SiO2 и А12О3 -содержание в шлаке соответствующих кислых оксидов.

По модулю основности можно оценить вероятность получения из техногенного сырья качественного высокопрочного вяжущего, например, по данным некоторых предприятий Уральского региона (таблица). Результаты прочностных испытаний демонстрируют возможность изготовления изделий из геополи-мербетонов с прочностью на сжатие от 20 до 50 МПа в зависимости от назначения.

Химический состав шлаков Slags chemical composition

Предприятие Содержание оксидов, мас % Мо

SiO2 CaO MgO AI2O3 Fe2Oa MnO SO3 СГ2О3

Челябинский металлургический комбинат 31,9-38,9 34,9-42,1 6,8-9,0 8,9-13,0 0,3-0,6 0,9-1,5 0,6-3,5 1 0,89

Магнитогорский металлургический комбинат со 40,2 ю 14,4 9, ,0 о_ 2, ц О 0,91

Актюбинский завод ферросплавов 21,6-23,4 27,3-31,1 14,6-15,2 6,9-7,5 0,6-3,0 1 - 8,7-9,9 1,36

Серовский завод ферросплавов 23,5-31,2 46,3-55,4 7,2-15,8 4,2-7,8 0,3-2,9 0,3-0,8 - 2,9-7,2 1,37

Производство геополимербетонов возможно организовать на малых и средних предприятиях при оснащении их простейшим набором оборудования: складское оборудование, мельница замкнутого цикла с сепаратором для измельчения шлака, бетоносмесительное и формовочное оборудование для производства железобетонных изделий (ЖБИ) (рисунок). В настоящее время сотрудники Института новых материалов и технологий по разработанной технологии подбирают аппаратурно-планировочные решения и составляют необходимую документацию по проектированию

цехов или участков по изготовлению изделий из геополимербетонов на нескольких предприятиях ЖБИ. Такие предприятия экономически привлекательно размещать в местах относительно удаленных от мегаполисов. Основными потребителями изделий на основе геополи-мербетонов могут быть частные домостроители, различные предприятия сферы ЖКХ с небольшими объемами потребления. К конкурентным преимуществам производства изделий из геополимербетонов относятся, прежде всего, низкая сырьевая себестоимость и неограниченное время хранения шлакового сырья

ISSN 2227-2917 Том 10 № 1 2020 96 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 94-99

96 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 1 2020 _(online)_pp. 94-99

в кусковом виде. Еще одна перспективная область применения изделий из геополимербетонов - изготовление канализационных конст-

рукций, таких как элементы коллекторов, колодезные кольца и гидротехнические сооружения (элементы насыпей, откосов).

Складирование щелочного активатора

Складирование заполнителей

Складирование шлака

v

Хранение молотого шлака

Измельчение

Приготовление бетонной смеси

\ /

Формовани

\ f

Тепловлажностная обработка

\ f

Складирование готовой продукции

Технологическая схема производства железобетонных изделий

из геополимербетонов на шлаковом сырье Technological scheme of production of reinforced concrete products from geopolymer concrete on slag raw materials

Выводы

В результате исследований, проведенных сотрудниками Института новых материалов и изделий, были получены рецептурные составы геополимербетонов, содержащих шлаки различных предприятий Уральского региона, определено их соответствие высокомарочным бетонам по техническим характеристикам, разработана технология производства геополимербетонов для внедрения на предприятиях малого и среднего бизнеса, а также предложена инвестиционно-привлекательная бизнес-идея по производству железобетонных изделий (без портландцемента) на территори-

ях, удаленных от крупных городов.

Также не стоит забывать о том, что производство геополимеров и изделий на их основе в промышленных объемах является экономически эффективным способом решения экологической проблемы, а именно за счет утилизации промышленных отходов: зол-уноса ТЭС и металлургических шлаков. Дополнительно их изготовление характеризуется отсутствием образования парниковых газов, характерных для цементной промышленности (5% общемирового выделения СО2 - третье место по объему после транспорта и энергетики) [1].

Том 10 № 1 2020 ISSN 2227-2917

с. 94-99 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 97 Vol. 10 No. 1 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 9 ' pp. 94-99_(online)_

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Леонтьев Л.И., Пономарев В.И., Шешуков О.Ю. Переработка и утилизация техногенных отходов металлургического производства // Экология и промышленность России. 2016. Т.20. № 3. С. 24-27.

https://doi.org/10.18412/1816-0395-2016-3-24-27

2. Артамонова А.В., Воронин К.М. Шлакоще-лочные вяжущие на основе доменных гранулированных шлаков центробежно-ударного измельчения // Цемент и его применение. 2001. № 7-8. С.108-113.

3. Ерошкина Н.А., Коровин М.О. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов. Пенза: ПГУАС, 2017. 128 с.

4. Davidivits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.

5. Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелоч-ные цементы и бетоны. Киев: Будивельник, 1978. 184 с.

6. Уфимцев В.М., Капустин Ф.Л., Коновалов А.В. Проблемы минерального заполнителя в отечественном строительстве // Технологии бетонов. 2015. № 1-2. С. 38-41.

7. Носков А.С., Руднов В.С., Девятых И.А. Энергоэффективная технология производства шлакощелочного вяжущего как альтернатива портландцементу // Тр. Междунар. конф «Экономические и технические аспекты безопасности строительных критичных инфраструктур» (10-11 июня 2015 г.). Екатеринбург, 2015. С.140-143.

8. Rudnov V.S., Belyakov V.A. New Binder Materials from Industrial Waste of The Ural Region // Fundamental research and applied development of processes of processing and utilization of tech-nogenic formations. 2017. P. 1-7. https://doi.org/10.18502/kms.v2i2.938

9. Ponomarenko Z.G., Rechneva A.L., Kapustin F.L., Kashcheev I.D., Perepelitsyn V.A., Ponomarenko A.A. Use of spent molding sand in the production of refractories, Refractories and Industrial Ceramics. 2016. Vol. 57. № 2. P. 132-134.

10. Рябоконь Л.И., Беднягин С.В., Доманская И.К. Гипсоизвестково-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе: экспериментальная оценка долговечности // Строительные материалы. 2016. № 7. С. 21-24.

REFERENCES

1. Leont'ev L, Ponomarev V, Sheshukov O. Recycling and Disposal of Industrial Waste from Metallurgical Production. Ecology and Industry of Russia. 2016;20(3):24-27. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2016-3-24-27

2. Artamonova AV, Voronin KM. Slag-alkaline binders based on blast-furnace granulated slags of centrifugal impact grinding. Cement I ego primineniye = Cement and its application. 2001;7-8:108-113.

3. Eroshkina NA, Korovin MO. Geopolymer construction materials based on industrial waste. Penza: PGUAS; 2017. 128 p.

4. Davidivits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin: Geopolymer Institute; 2015. 644 p.

5. Glukhovsky VD, Pakhomov VA. Slag-alkali cements and concretes. Kiev: Budivelnik; 1978. 184 p.

6. Ufimtsev VM, Kapustin FL, Konovalov AV. Problems of mineral aggregate in domestic construction. Technologii betonov = Concrete technologies. 2015;1-2:38-41.

7. Noskov AS, Rudnov VS, Devyatyh IA. Energy-efficient technology for the production of slag-alkaline binder as an alternative to Portland cement. Economic and Technical Aspects of Safety of Civil Engineering Critical Infrastructures. Ekaterinburg; 2015. p.140-143.

8. Rudnov VS, Belyakov VA. New Binder Materials from Industrial Waste of The Ural Region. Fundamental research and applied development of processes of processing and utilization of tech-nogenic formations. 2017:1-7. https://doi.org/ 10.18502/kms.v2i2.938

9. Ponomarenko ZG, Rechneva AL, Kapustin FL, Kashcheev ID, Perepelitsyn VA, Ponomarenko AA. Use of spent molding sand in the production of refractories. Refractories and Industrial Ceramics. 2016;57(2):132-134.

10. Ryabokon LI, Bednyagin SV, Domanskaya IK. Gypsum-lime-slag binders and concretes based on them: experimental evaluation of durability. Stroitel'niye materialy = Construction materials. 2016;7:21-24.

Критерии авторства

Руднов В.С., Герасимова Е.С. имеют равные авторские права. Руднов В.С. несет ответственность за плагиат.

Contribution

Rudnov V.S., Gerasimova E.S., have equal author's rights. Rudnov V.S. bears the responsibility for plagiarism.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 1 2020 90 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 94-99

98 ISSN 2600-164X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 1 2020 _(online)_pp. 94-99

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи

Сведения об авторах

Руднов Василий Сергеевич,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры материаловедения в строительстве,

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Бориса Ельцина, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28, Россия,

e-mail: rudnovv@yandex.ru

ORCID: http://orcid.org/0000-0003-0474-4333

Герасимова Екатерина Сергеевна,

старший преподаватель кафедры материаловедения в строительстве, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Бориса Ельцина, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28, Россия,

Se-mail: e.s.gerasimova@urfu.ru

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9963-6388

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

Information about the authors

Vasilliy S. Rudnov,

Cand. Sci (Geol.), Associate Professor of the Department of Material sciences in construction,

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 28 Mira St., Ekaterinburg 620002, Russia, e-mail: rudnovv@yandex.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0003-0474-4333

Ekaterina S. Gerasimova,

Senior lecturer of the Department

of Material sciences in construction,

Ural Federal University named after

the first President of Russia B.N. Yeltsin,

28 Mira St., Ekaterinburg 620002, Russia,

He-mail: e.s.gerasimova@urfu.ru

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9963-6388

Том 10 № 1 2020 ISSN 2227-2917

с. 94-99 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 99 Vol. 10 No. 1 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 99 pp. 94-99_(online)_