Современный экологичный цемент из строительного мусора. Сказка или реальность?

Приветствую всех любителей цемента и бетона. Я Иван Корчунов (@CemExpert), научный сотрудник и преподаватель кафедры вяжущих материалов Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева. В этой статье я расскажу об одном нашем исследовании, благодаря которому открывается возможность использования мелкой фракции бетонного лома в качестве активной минеральной добавки в цемент.

Думаю, многим известно, что бетонный лом, это то, что остается после сноса зданий и сооружений из бетона. Т.е. это по сути строительный мусор или отход. Ежегодно в России образуется более 90 млн т. строительных отходов или мусора, который проходит лишь частичную сортировку и согласно данным Росприроднадзора более 6 % от этой общей массы составляет бетонный лом. Основная часть бетонолома относится к отходам V класса опасности (практически неопасным) и представляют собой остатки конструкций после сноса зданий. Эта бетонная составляющая многокомпонентная и содержит в своем составе:

· крупный заполнитель (щебень, гравий и т.д.) или его остатки

· цементно-песчаную растворную составляющую (вторичный песок).

Вторичное использование заполнителей на основе бетонолома распространено при создании дорожных оснований, или в проектах с низкими эксплуатационными требованиями. Расширение области использования вторичных материалов на основе бетонолома ограничено. В основном это связано с их более низкой твердостью и стойкостью в различных средах и увеличенной водопотребностью (нужно больше воды, чтобы смочить поверхность такого заполнителя) и вытекающими из-за этого просадками по прочности и долговечности у изделий, где применялись такие заполнители.

При фракционировании отсевов дробления вторичного заполнителя на основе бетонолома самая мелкая фракция состоит практически полностью из цементно-песчаной составляющей (отсев дробления). Эта фракция обладает ценным химико-минералогическим составом с повышенным содержанием гидросиликатов и алюминатов, но воспринимается как отход и является объектом настоящего исследования (см. рис. ниже).

На нашей кафедре традиционно уделяется большое внимание изучению свойств и особенностям гидратации добавочных цементов, причем эта тема хорошо согласуется с принципами устойчивого развития современного общества. В этом случае подразумевается эффективное использование природных ресурсов, создание наукоемких технологий, вторичное использование переработанных материалов, защита и забота об окружающей среде. Все эти действия направлены на обеспечение высокого уровня жизни людей в настоящем и будущем.

Использовать в чистом виде данный отход малоэффективно, поэтому необходимо было подобрать оптимальный способ предварительной обработки и такой способ был найден. Речь про ускоренную карбонизацию материала в специальном автоклаве. Карбонизация в данном случае – это взаимодействие нашего материала с концентрированным потоком углекислого газа. Лабораторная установка-автоклав была соединена с термостатирующей камерой и обычным газовым баллоном с СО2.

Лабораторный автоклав-карбонизатор (кафедра ХТКиВМ): 1 – термостат с водой; 2 – термометр; 3 – автоклав (герметичный корпус, с подводом газа в крышке); 4 – редуктор; 5 – баллон с углекислотой; 6 – чашки с бетоноломом

Но почему же карбонизация? Дело в том, что СО2 хорошо диссоциирует в воде с образованием карбонат-иона, который связывается с ионами кальция (ионы Са2+ переходят в раствор при гидратации цемента) и эти же карбонатные ионы хорошо вытесняет другие анионы соединений цементного камня (мелкая фракция бетонного лома состоит как раз из пылевидной смеси цементного камня или гидратированного цемента и песка). В результате чего, при карбонизации цементного камня образуется карбонат кальция. Помимо этого, при карбонизации фаз бетонного лома образуются и аморфные активные оксиды кремния и алюминия, способные к химическому взаимодействию (пуццолановой реакции) при добавлению такого материала в состав цемента и его последующей гидратации.

Продукты карбонизации в любом случае, это в основном карбонаты кальция. Который имеет несколько полиморфных модификаций, основная из которых кальцит, реже ватерит и стабильный, как правило, только при высоких давлениях – арагонит. Строение и свойств всех модификаций разная. При карбонизации цементного камня или бетона в основном образуется кальцит. Образование ватерита также возможно, но он не стабилен во влажных условиях и стремится перейти в модификацию того же кальцита. Но активность карбонизированного бетонного лома будет обусловлена именно аморфной составляющей, т.е. содержанием вторичных продуктов карбонизации (оксидов и гидроксидов алюминия и оксидов кремния).

Это все хорошо звучит в теории, а что на практике? Бетонолом мы, допустим, найдем, а откуда взять столько СО2? Уже существуют примеры успешного внедрения технологий улавливания и повторного использования углекислого газа для получения изделий карбонатного твердения. Например, в Японии отходящие газы цементных печей используются для отверждения бетонных блоков, а в других технологиях получаются практически безуглеродные бетоны на основе низкообжиговых силикатов кальния, магния или морской воды.

Автоклавы, использующие отходящий газ СО2 от цементной печи для отверждения бетонных блоков

Давайте немного разберемся в способах очистки отходящих газов. Ведь когда мы говорим об отходящих газах, допустим, цементного производства, в частности, вращающихся цементных печей, то это не только диоксид углерода (СО2), это и оксиды азота, серы, пылевидные частицы и другое. Наибольшее распространение среди методов очистки получила абсорбционная очистка отходящих газов аминами с образованием карбаматов. Выхлопной газ тут пропускается через водный раствор аминов, где с ними связываются молекулы. В другой перегонной колонне обогащённый амин очищается от газов. Газы отводятся на дальнейшую транспортировку и хранение, а амин возвращается в первую колонну.

Можно разделять газовый поток мембранами. Компоненты, которые могут легко проникнуть через мембрану, проходят через нее, а остальные - выводятся через специальные полимерные мембраны.

Сравнение технологий очистки и улавливания углекислого газа говорит нам о том, что с экономической точки зрения абсорбционные методы очистки на данный момент являются наиболее доступными с экономической точки зрения и КПД самого процесса очистки. Но в нем все равно есть существенные недостатки, которые двигают мысль современной науки в сторону альтернативных направлений газоочистки. Подробнее о методах очистки и их сравнительных характеристиках можно прочесть здесь.

Самые современные способы очистки потока отходящих производственных газов пришли к использованию Металлоорганических каркасных материалов (MOF), которые достигли производительности, сопоставимой с жидкими аминами. Здесь же используются твердые пористые материалы и это является жизнеспособной технологической альтернативой.

Существует и принципиально иной подход. Чтобы не заморачиваться с очисткой многокомпонентного газового потока компания Leilac переосмыслила процесс обжига, отделив источник тепла от химической обработки сырья, без использования дополнительных химических веществ или процессов. Этот метод позволяет сохранить CO₂, выделяющийся из сырья, в чистом виде, вместо того чтобы пытаться отделить газы от газов, что является причиной высокой стоимости улавливания углерода.

Но вернемся к нашей работе. Тут источником СО2 служил обычный газовый баллон. Карбонизацию отсева бетонного лома проводили в течении суток при температуре 75 градусов и давлении 5 атм. При активации добавки карбонизацией происходило образование вторичных фаз большего объема (карбонатов). За счет этого, структура карбонизированного материала уплотняется, что видно при 100-кратном увеличении. Компоненты системы до карбонизации выглядят обособленными, структура в целом мелкокристаллическая, тут встречаются и игольчатые криталлы эттрингита, и гидросиликаты и портландит. После обработки углекислым газом образуется гелеобразный слой низкоосновных гидросиликатов и аморфных соединений вторичного происхождения, обволакивающий частицы бетонолома. Зафиксировано присутствие карбонатов в форме кальцита и, ватерита.

Фото структуры бетонного лома до и после карбонизации

Итак, бетонный лом был карбонизирован и после этого замешан в состав цемента в количестве 15%. И что мы увидели? А увидели мы то, что прочность цемента выросла на 10 % (и это при условии, что часть цемента заменено на отход, пусть и переработанный) !!! Почему это произошло? Дело в том, что химическая активность бетонного лома при карбонизации раскрывается и становится больше. За счет этого при взаимодействии добавки с цементном образует больше гелеобразной гидросиликатной составляющей и прочность увеличивается. Чтобы было понятно: есть стандартная методика определения активности минеральных добавок для бетона: по количеству поглощенного СаО из насыщенного раствора гидроксида кальция (ГОСТ Р 56593—2015 п.14). В результате обработки углекислым газом удалось повысить активность бетонолома в 5 раз, что позволило отнести полученную добавку к АМД со средними пуццоланическими свойствами (от 30 до 70 по ГОСТ Р 56592—2015). Для сравнения речной песок обладает активностью в 16 раз меньшей, чем карбонизированный бетонный лом.

Ввиду чего можно с уверенностью говорить об эффективности ускоренной карбонизации. Она повышает активность бетонолома, но это не единственный материал доступный для подобной обработки. Отходы сталелитейной промышленности, золы ТЭЦ, клинкерная пыль и многое другое – все это можно эффективно использовать в качестве полноценного строительного материала и получения либо готовых изделий, либо порошкообразных добавок к цементам, бетонам или строительных смесей на их основе.

Итог: ускоренная карбонизация бетонного лома делает из строительного мусора – супер добавку для цемента и бетона!

ЕСЛИ ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ - ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА МОЙ ТГ КАНАЛ И СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ. У НАС ЕЩЕ МНОГО ИНТЕРЕСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, КОТОРЫМИ Я ТОЖЕ ПЛАНИРУЮ ПОДЕЛИТЬСЯ!