Как изготовить жаропрочный раствор из золы вместо цемента?

8 апреля, 202211 апреля, 2022 - admin

Новая технология позволяет убить двух зайцев одним выстрелом: утилизировать отходы тепловых электростанций и уменьшить экологический вред от производства цемента.

Химики разработали смесь на основе золы, которая способна заменить цемент в составе бетона. Новая технология позволяет убить двух зайцев одним выстрелом: утилизировать отходы тепловых электростанций и уменьшить экологический вред от производства цемента. Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Journal of the American Ceramic Society Суном Хуаном (Sung Hwang) и Роузбехом Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) из Университета Райса в США.

Ежегодно в мире производится более 20 миллиардов тонн бетона. При этом в качестве связующего вещества в нём, как правило, используется портландцемент. Между тем производство этого реактива отнюдь не безобидно с экологической точки зрения. В частности, оно обеспечивает 5–10% мировых выбросов углекислого газа. По этому печальному показателю цементная промышленность находится на третьем месте среди отраслей экономики после транспорта и энергетики. Всё дело в том, что изготовление цемента требует высокой температуры, а она достигается за счёт сжигания ископаемого топлива.

Поэтому химики во многих лабораториях мира бьются над созданием экологичной замены этому строительному материалу. Многие специалисты обратили в связи с этим своё внимание на летучую золу, которая образуется при сжигании угля на тепловых электростанциях и котельных. Её всё равно нужно утилизировать, так почему бы не пустить отходы в дело?

«Производители обычно подмешивают в цемент от 5 до 20 процентов летучей золы, чтобы сделать его «зелёным», но значительная часть смеси по-прежнему остаётся цементом», – рассказывает Шахсавари в пресс-релизе исследования.

Увеличить этот показатель и сделать при этом экономически рентабельный продукт до сих пор никому не удавалось. Дело в том, что при использовании в качестве связующего вещества зола требует большого количества химических активаторов на основе натрия. В итоге смесь оказывается неоправданно дорогой.

К тому же до сих пор использовалась зола только лучших сортов твёрдого топлива.

«В большинстве предыдущих работ основное внимание уделялось так называемой летучей золе типа F, которая получается при сжигании на электростанциях антрацита или битуминозных углей и содержит мало кальция, – объясняет Шахсавари. – Но во всём мире есть значительные источники угля более низкого качества, такого как лигнит или суббитуминозные угли. При сжигании они приводят к образованию золы типа C с высоким содержанием кальция, которую сложнее активировать».

Исследователи переломили обе тенденции, создав смесь, которая состоит из золы на 76,4–80,3%. Остальная доля состава приходится на оксид кальция, наночастицы кремнезёма и химические активаторы на основе натрия. Из последних новый материал состоит менее чем на 5%, что делает его недорогим.

Такого результата исследователи достигли, использовав изощрённый вычислительный инструментарий. В числе прочего они применили статистический аппарат, известный как методы Тагути (Taguchi methods). Это позволило значительно сократить число вариантов состава, которые было необходимо проверить как потенциально перспективные.

Полученная смесь уже прошла первые испытания. Изготовленный бетон после недельной выдержки приобрёл прочность на сжатие около 16 мегапаскалей. То есть по этому показателю новый материал сравним со старым добрым цементом, отличаясь от него своими экологическими преимуществами.

«Наша работа предоставляет жизнеспособный метод эффективной и рентабельной активации этого типа летучей золы с высоким содержанием кальция, прокладывая путь для экологически ответственного производства бетона», – резюмирует Шахсавари.

В будущих исследованиях планируется оценить поведение материала в течение длительного времени, в частности, его долговечность.

Напомним, что «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) не раз писали о перспективных материалах, созданных из отходов. Например, мы рассказывали о пластике из опилок и крабовых панцирей и электронике из опавших листьев. Не обошли мы вниманием и строительную сферу, рассказав о бетоне, который защищает здания от землетрясений и превращает стены в сады.

Цемент – наиболее распространенное вяжущее средство, которое позволяет получить бетонные конструкции высокой прочности и за относительно небольшую цену.

Но во многих случаях и его можно заменить более дешевым строительным материалом, который стоит в 2-3 раза меньше и обеспечивает лучшие физико-механические свойства готового изделия.

«Современные строительные материалы не всегда представляют собой прогресс технологий, они только упрощают производственный процесс и уменьшают затраты, но никак не повышают прочность. Так, например, бетон, использовавшийся в Египте или Греции, был в 15-18 раз прочнее современного материала (и простоял 2000-4000 лет!), из которых изготовляются капитальные сооружения, а время приготовления древнего вяжущего вещества сводилось к нескольким минутам» – утверждает специалист в сфере строительных исследований Патрик Фианкетто.

Блок: 1/3 | Кол-во символов: 863
Источник:

Информация по замене

Каждый мужчина в нашей стране сталкивался со строительными работами и использовал цемент для изготовления раствора. При этом каждый задавал себе вопросы: существует ли заменитель цемента? Как в старину обходились без столь необходимого материала? Существует ли вещество с лучшими строительными характеристиками?

Цементный раствор используется для укладки камня и кирпича, мощения дорог, строительства дамб и многого другого.

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 447
Источник:

Это интересно: Особенности и характеристики ячеистого бетона — разбираемся вместе

Самые удачные заменители цемента

Известно около 50 различных видов вяжущих веществ, которые могут выступать как альтернатива цементу. Однако не все они позволяют добиться желаемого результата в домашних условиях. Среди множества вариантов можно выделить несколько наиболее эффективных.

Раствор извести

Представляет собой эффективную замену цемента для штукатурных работ. Он относится к категории бюджетных. Будет идеальным вариантом для внутренних работ.

Алебастр

Если необходимо быстрое отвердевание изделий, алебастр будет удачным выбором. Его стоимость выше, чем у цемента, однако свойства практически не отличаются.

Гипсовые смеси

Это также бюджетный вариант, который отличается:

способностью быстро высыхать;
обеспечивать высокую прочность.

Прочностные характеристики усиливаются при добавлении фибры.

Полиуретановый клей

Отличается более высокой стоимостью, нежели цемент. Однако способствует качественной адгезии на неограниченный срок. Подходит для работы не со всеми материалами.

Минеральные заменители

Наиболее распространенными являются:

вулканический пепел;
зола;
кремнеземная пыль.

Применение этих аналогов позволяет добиться максимально качественных результатов, поэтому они являются лучшей альтернативной цементу.

Искусственные аналоги

Используется для определенных целей, например эко-дома. К этой группе относятся:

нефтехимические продукты;
клейкая целлюлоза;
смола.

Их стоимость значительно выше цемента, однако они обеспечивают высокие показатели прочности.

Выбирая аналог для цемента в домашних условиях нужно учитывать, что некоторые варианты окажутся дороже и будут отличаться по своим характеристикам. Не всегда более дорогой аналог будет качественней, поэтому следует тщательно изучать каждый вариант и только потом принимать окончательное решение.

На сегодняшний день производители в строительной сфере ведут активный выпуск аналогов, которые в полной мере могут заменить те или иные материалы. Совсем недавно инженерами американского Университета Райса создали и разработали достойную замену цемента, который используют во время приготовления бетона.

Постройку современного здания очень сложно представить без использования данного материала. Поэтому новые разработки предоставили возможность сделать бетон абсолютно экологически чистым продуктом. Все, что потребуется сделать, это просто заменить цемент на летучую золу.

Стандартная технология производства бетона базируется на том, что в его состав входит портландцемент. Его доля в общей смеси может достигаться порядка 60-80%. Но когда он заменяется на золу, то получается потрясающий результат, который не будет уступать по своим химическим характеристикам портландцементу. В тоже время, сводится к минимуму выделение углекислого газа, а это делает его безопасным.

Блок: 2/6 | Кол-во символов: 2754
Источник:

Раствор извести

Блок: 3/8 | Кол-во символов: 168
Источник:

Основные термины

Это смесь некоего вяжущего вещества, песка и воды, которая с течением времени должна переходить в камневидное состояние. С песком и водой все ясно, а вот по типу вяжущего вещества растворы делятся на:

Глиняный.
Гипсовый.
Известковый.
Цементный.

У каждого – свои характеристики и назначение, но ни один не заменит цементный. Глиняный раствор – самый недорогой, состоит из глины, предварительно замоченной в воде минимум на сутки, и песка. Используется для кладки стен при постройке одноэтажных жилых зданий, рекомендуется при кладке печей, каминов. Хороший теплоизолятор, пластичный. Часто используется для возведения сельскохозяйственных построек. Однако такие сооружения нуждаются в штукатурке более прочными растворами. В свою очередь глина хороша для штукатурки печей, стен из дерева. Благодаря теплоизоляционным свойствам применяется для утепления потолков.

Схема образцов глиняного раствора.

Гипсовый – смесь гипса и воды, может быть различной консистенции. Гипс – экологически чистый и дышащий материал, очень пластичный. Хороший теплоизолятор. Недостаток: плохая водостойкость (хотя современные смеси для штукатурки, содержащие гипс, почти не подвержены воздействию атмосферных осадков). Поэтому он чаще всего используется для штукатурки и отделки внутренних стен помещений, а также незаменим для создания лепных украшений.

Известковый раствор – изготавливается из гашеной извести (известкового теста) и песка с постепенным добавлением воды. Достаточно прочный материал, стойкий к перепадам температур и повышенной влажности. Используется для каменной и кирпичной кладок стен, а также для штукатурки. Благодаря влагостойкости и антисептическим свойствам извести рекомендуется для штукатурки ванных комнат. В частном строительстве и ремонте именно известь заменяет цемент. Не подходит она лишь для строительства фундамента.

Цементный – основа строительной промышленности. Самый прочный из всех вяжущих материалов. Состоит из цемента, песка и воды. Недостатки – жесткий и холодный.

Кроме названных, существуют комбинированные растворы. Например, в известковый добавляют цемент (1 кг на 10 л), повышая таким образом прочность, или гипс для сокращения времени схватывания; в цементный добавляют глину или известь для повышения пластичности, и т. д.

Как строили наши предки? Строители древней Руси переняли технологию производства строительных растворов у византийцев. Те добавляли в мелко размолотый известняк специально обожженную глину или керамическую крошку.

Схема изготовления известкового раствора.

Позже начали добавлять в небольших количествах глину необожженную. При возведении некоторых храмов использовали гипсовые растворы.

В западной Европе использовали композиции, в состав которых входила известь (гашеная) и речной песок. Это давало менее качественный продукт, который требовал значительного времени для схватывания. Существуют легенды о добавлении в раствор органических веществ, таких как молоко, яичные белки, рисовый отвар. На сегодняшний день учеными подтвержден только факт использования рисового отвара при строительстве Большой Китайской стены.

Блок: 3/4 | Кол-во символов: 3091
Источник:

Алебастр

Блок: 4/8 | Кол-во символов: 165
Источник:

Заменители цемента

На сегодняшний день строительная индустрия использует портландцемент. Его производство требует наличия развитой технологии и больших энергетических затрат.

Но пока не найдено вещество, которое бы абсолютно заменило цемент.

Существуют различные добавки, позволяющие изменить технические характеристики цементных растворов, такие как повышение водостойкости, жаростойкости, пластичности, прочности. Повышение прочности в свою очередь позволяет использовать меньшее количество цемента.

Наиболее часто используют пуццолановые добавки и пластификаторы (химические добавки). Изначально пуццоланом называли смесь пемзы, вулканического пепла и туфы. Сегодня их производят из природных и техногенных материалов. Пластификаторы – имеют вид вязких растворов или порошков, растворимых в воде. Могут состоять из органических или минеральных веществ, а также быть их смесью.

Промышленность выпускает различные марки добавок, которые придают растворам следующие свойства:

повышают морозостойкость (как раствора, так и бетона);
увеличивают водонепроницаемость (позволяют строить практически в воде);
повышают пластичность (для удобства проведения работ);
уменьшают вероятность появления трещин под воздействием вибраций;
повышают марку цемента;
позволяют экономить цемент до 20 %.

Вывод: данные вещества не применяются вместо цемента, а изменяют его свойства, замена цемента в полном объеме нецелесообразна. Ведь для строителя-практика главной проблемой является не полный отказ от его использования, а снижение стоимости строительства без ухудшения качества. Поэтому сначала нужно определить:

При каких видах работ замена цемента другим материалом не ухудшит качества.
Возможность частичного использования других материалов.

Именно второму способствуют как новые разработки в области стройматериалов, так и старые наработки использования комбинированных растворов.

Блок: 4/4 | Кол-во символов: 1871
Источник:

Основные проблемы цемента и преимущества его заменителей

Добавление большого количества воды. Прочность бетонной смеси значительно ухудшается после разведения водой. Многие заменители требуют на 40-70% меньше воды для разбавления, следовательно, имеют больше прочность.
Несоответствие нормам IS 3812. Заменители имеют от 65% и более частиц, диаметр которых не превышает 45 микрон, чего не скажешь о цементе. Его структура имеет заведомо меньшую адгезию к материалам.
Асимметрическая форма частиц взаимодействует с другими материалами хуже, чем овальная у заменителей бетона. Проникновение в структуру других тканей происходит намного лучше.
Отсутствие гидроксида кальция в цементе является основной проблемой материала. Во многих случаях именно этот компонент связывает все элементы и повышает прочность готового изделия более чем в 2 раза.
Высокая концентрация воды, которая приводит к трещинам и разрушению после отвердевания. Чем меньше жидкости, тем монолитнее будет изделие.
Цемент имеет типичные частицы, размеры которых одинаковые. Использование разных материалов позволяет увеличить связывающие свойства и заменители будут намного полезнее традиционного цементного раствора или удачно дополнят его.

Использование минеральных, органических и синтетических заменителей цемента позволяет сделать новый шаг в современном строительстве и предоставляет новые возможности архитекторам. Единственная проблема на этом пути – модернизация отечественного производства цемента под новые требования рынка.

Блок: 3/3 | Кол-во символов: 1500
Источник:

Гипсовые смеси

Это также бюджетный вариант, который отличается:

способностью быстро высыхать;
обеспечивать высокую прочность.

Прочностные характеристики усиливаются при добавлении фибры.

Блок: 5/8 | Кол-во символов: 187
Источник:

Полиуретановый клей

Блок: 6/8 | Кол-во символов: 183
Источник:

Минеральные заменители

Наиболее распространенными являются:

вулканический пепел;
зола;
кремнеземная пыль.

Применение этих аналогов позволяет добиться максимально качественных результатов, поэтому они являются лучшей альтернативной цементу.

Блок: 7/8 | Кол-во символов: 240
Источник:

Искусственные аналоги

Используется для определенных целей, например эко-дома. К этой группе относятся:

нефтехимические продукты;
клейкая целлюлоза;
смола.

Их стоимость значительно выше цемента, однако они обеспечивают высокие показатели прочности.

1 952

Блок: 8/8 | Кол-во символов: 672
Источник:

Кол-во блоков: 14 | Общее кол-во символов: 14873

Количество использованных доноров: 4

Информация по каждому донору:

https://vmeste-masterim.ru/vmesto-cementa-chto-mozhno-ispolzovat.html: использовано 3 блоков из 6, кол-во символов 5486 (37%)
https://rabotai-sam.ru/6_zamenitelei_zementa/: использовано 2 блоков из 3, кол-во символов 2363 (16%)
https://Chem-zamenit.ru/dom-i-byt/cement.html: использовано 6 блоков из 8, кол-во символов 1615 (11%)
http://o-cemente.info/vidi-betonnih-smesej/zamena-tsementa.html: использовано 3 блоков из 4, кол-во символов 5409 (36%)