mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2026.4.560-576mgssuvest-969Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringБесцементные вяжущие системы на основе отходов производства глинозема, твердеющие за счет принудительной карбонизацииCement-free binder systems based on alumina production waste hardened by forced carbonationhttps://orcid.org/0000-0001-6255-8948БахтинА. С.BakhtinA. S.

Александр Сергеевич Бахтин — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 846523, Scopus: 57191596769, ResearcherID: N-9489-2016

Aleksandr S. Bakhtin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 846523, Scopus: 57191596769, ResearcherID: N-9489-2016

aleserba@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6298-5077ЛюбомирскийН. В.LyubomirskiyN. V.

Николай Владимирович Любомирский — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 779436, Scopus: 57202812296, ResearcherID: Y-4548-2019

Nikolay V. Lyubomirskiy — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 779436, Scopus: 57202812296, ResearcherID: Y-4548-2019

niklub.ua@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5241-0074БахтинаТ. А.BakhtinaT. А.

Тамара Алексеевна Бахтина — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 840822, Scopus: 57202813160, ResearcherID: N-8860-2016

Tamara А. Bakhtina — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 840822, Scopus: 57202813160, ResearcherID: N-8860-2016

t.bakhtina83@gmail.comБиленкоГ. Р.BilenkoG. R.

Герман Русланович Биленко — аспирант кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 1099392

German R. Bilenko — postgraduate student of the Department of Construction Engineering and Materials Science

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 1099392

ger-bilenko@yandex.ruТюнюковИ. А.TyunyukovI. A.

Иван Анатольевич Тюнюков — аспирант кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

Ivan A. Tyunyukov — postgraduate student of the Department of Construction Engineering and Materials Science

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

utyunyukovv@mail.ruИнститут «Академия строительства и архитектуры» (структурное подразделение) Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского (АСиА КФУ им. В.И. Вернадского)РоссияInstitute “Academy of Construction and Architecture” (a structural division) of the V.I. Vernadsky Crimean Federal UniversityRussian Federation202630042026214560576Copyright © Бахтин А.С., Любомирский Н.В., Бахтина Т.А., Биленко Г.Р., Тюнюков И.А., 20262026Бахтин А.С., Любомирский Н.В., Бахтина Т.А., Биленко Г.Р., Тюнюков И.А.Bakhtin A.S., Lyubomirskiy N.V., Bakhtina T.А., Bilenko G.R., Tyunyukov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/969Введение

Введение. Утилизация отходов производства с получением полезного продукта — один из базовых постулатов концепции устойчивого развития. В связи с этим актуальной задачей являются исследования получения вяжущих веществ и строительных изделий на их основе из отходов металлургических производств, твердеющих в среде углекислого газа за счет его поглощения, приобретая при этом необходимые физико-механические свойства.

Материалы и методы

Материалы и методы. Основным сырьевым компонентом стал нефелиновый шлам (НФШ) — вторичное сырье, образующееся из нефелиновых концентратов Кольского полуострова при производстве глинозема щелочным способом. Кристаллические фазы анализировали по измерению дифракции рентгеновских лучей (XRD) на дифракто-метре Europe 600 (GNR). Термический анализ проводили с помощью анализатора STA 8000 (Perkin Elmer). Дисперсный состав нефелинового шлама определяли методом лазерной дифракции на лазерном анализаторе размеров частиц Partica LA-960 (Horiba). Изменение пористости осуществлялось на Automated Standard Porosimeter 3.2 (MPM&P Research Inc). Механические характеристики опытных образцов определяли на автоматической сервогидравлической консоли управления МСС8 в комплекте с программным обеспечением.

Результаты

Результаты. НФШ состоит не менее чем на 85 % мас. из белита (β-С2S). Выявлено, что процесс активного поглощения СО2 нефелиновым шламом наблюдается в первые 120 мин карбонизации. Прочность при сжатии получаемого материала достигает 58 МПа, а после последующей гидратации прочность возрастает до 69 МПа. Рост прочности обусловлен образованием карбоната кальция в карбонизирующейся системе. При последующей гидратации образуются гелеобразные продукты гидратации белита, дополнительно упрочняющие карбонизированный материал. С помощью метода эталонной контактной порометрии установлено, что в результате принудительной карбонизации материал уплотняется, общая пористость опытных образцов существенно уменьшается. Определено, что эффективные радиусы пор карбонизированных образцов смещаются в сторону меньших значений, в сравнении с образцами, не подверженными карбонизации, при этом данный процесс протекает в области макропор (0,1–16 мкм).

Выводы

Выводы. На основе НФШ возможно получение строительных изделий, твердеющих в среде углекислого газа за счет его связывания и последующего процесса гидратации оставшегося белита, с получением материала, обладающего высокими физико-механическими свойствами.

Introduction

Introduction. The disposal of industrial waste to produce a useful product is one of the basic tenets of the concept of sustainable development. In this regard, an urgent task is to study the production of binders and building products based on them from waste from metallurgical industries, which harden in the environment of carbon dioxide due to its absorption, while acquiring the necessary physical and mechanical properties.

Materials and methods

Materials and methods. The main raw material component was nepheline sludge, a secondary raw material formed from nepheline concentrates of the Kola Peninsula during the production of alumina by the alkaline method. The crystalline phases were analyzed by measuring X-ray diffraction (XRD) on a Europe 600 (GNR) diffractometer. Thermal analysis to determine the mineralogical composition of nepheline sludge and artificial stone based on it was performed using a STA 8000 analyzer (Perkin Elmer). The dispersed composition of the nepheline sludge was determined by laser diffraction on a laser particle size analyzer Partica LA-960 (Horiba). Porosity was changed using the Automated Standard Porosimeter 3.2 (MPM&P Research Inc.). The mechanical characteristics of the prototypes were determined on an automatic servo-hydraulic MCS8 control console complete with software.

Results

Results. Nepheline sludge consists of at least 85 % by weight from belite (β-C2S). It was revealed that the process of active CO2 absorption by nepheline sludge is observed in the first 120 minutes of carbonation. The compressive strength of the resulting material reaches 58 MPa, and after subsequent hydration, the strength increases to 70 MPa. The increase in strength is due to the formation of calcium carbonate in the carbonizing system. During subsequent hydration, gel-like hydration products of belite are formed, which additionally strengthen the carbonized material. Using the method of reference contact porosimetry, it was found that as a result of forced carbonation, the material is compacted, and the total porosity of the prototypes is significantly reduced. It is determined that the effective pore radii of carbonized specimens are shifted towards lower values in comparison with specimens not subject to carbonation, while this process takes place in the macropore region (0.1–16 µm).

Conclusions

Conclusions. Based on nepheline sludge, it is possible to obtain construction products that harden in a carbon dioxide environment due to its binding and subsequent hydration process, to obtain a material with high physical and mechanical properties.

нефелиновый шлампринудительная карбонизациягидратацияпоглощение СО2механические свойстваnepheline sludgehydrationforced carbonationCO2 absorptionmechanical propertiesРабота выполнена в рамках реализации в КФУ им. В.И. Вернадского федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030». Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания и дополнения при работе над статьей.The work was carried out as part of the implementation of the federal university support program “Prio-rity 2030” at the V.I. Vernadsky Crimean Federal University. The authors would like to thank the reviewers for their valuable comments and additions while working on the article.ReferencesSchneider T., Kaul C.M., Pressel K.G. Possible climate transitions from breakup of stratocumulus decks under greenhouse warming // Nature Geoscience. 2019. Vol. 12. Issue 3. Pp. 163–167. DOI: 10.1038/s41561-019-0310-1. EDN TMSLDZ.Schneider T., Kaul C.M., Pressel K.G. Possible climate transitions from breakup of stratocumulus decks under greenhouse warming. Nature Geoscience. 2019; 12(3):163-167. DOI: 10.1038/s41561-019-0310-1. EDN TMSLDZ.Moumin G., Ryssel M., Zhao L., Markewitz P., Sattler C., Robinius M. et al. CO2 emission reduction in the cement industry by using a solar calciner // Renewable Energy. 2020. Vol. 145. Pp. 1578–1596. DOI: 10.1016/j.renene.2019.07.045. EDN CHILYY.Moumin G., Ryssel M., Zhao L., Markewitz P., Sattler C., Robinius M. et al. CO2 emission reduction in the cement industry by using a solar calciner. Renewable Energy. 2020; 145:1578-1596. DOI: 10.1016/j.renene.2019.07.045. EDN CHILYY.Lippiatt N., Ling T., Pan S. Towards carbon-neutral construction materials: Carbonation of cement-based materials and the future perspective // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 28. P. 101062. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.101062. EDN UQYBLS.Lippiatt N., Ling T., Pan S. Towards carbon-neutral construction materials: Carbonation of cement-based materials and the future perspective. Journal of Building Engineering. 2020; 28:101062. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.101062. EDN UQYBLS.Huang L., Krigsvoll G., Johansen F., Liu Y., Zhang X. Carbon emission of global construction sector // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 81. Pp. 1906–1916. DOI: 10.1016/j.rser.2017.06.001Huang L., Krigsvoll G., Johansen F., Liu Y., Zhang X. Carbon emission of global construction sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018; 81:1906-1916. DOI: 10.1016/j.rser.2017.06.001Proaño L., Sarmiento A.T., Figueredo M., Cobo M. Techno-economic evaluation of indirect carbonation for CO2 emissions capture in cement industry: A system dynamics approach // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 263. P. 121457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121457. EDN SNJISJ.Proaño L., Sarmiento A.T., Figueredo M., Cobo M. Techno-economic evaluation of indirect carbonation for CO2 emissions capture in cement industry: A system dynamics approach. Journal of Cleaner Production. 2020; 263:121457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121457. EDN SNJISJ.Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 114. Pp. 2–26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and Concrete Research. 2018; 114:2-26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015Bhagath Singh G.V.P., Subramaniam K.V.L. Production and characterization of low-energy Portland composite cement from post-industrial waste // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 239. P. 118024. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118024Bhagath Singh G.V.P., Subramaniam K.V.L. Production and characterization of low-energy Portland composite cement from post-industrial waste. Journal of Cleaner Production. 2019; 239:118024. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118024Imbabi M.S., Carrigan C., McKenna S. Trends and developments in green cement and concrete technology // International Journal of Sustainable Built Environment. 2012. Vol. 1. Issue 2. Pp. 194–216. DOI: 10.1016/j.ijsbe.2013.05.001Imbabi M.S., Carrigan C., McKenna S. Trends and developments in green cement and concrete technology. International Journal of Sustainable Built Environment. 2012; 1(2):194-216. DOI: 10.1016/j.ijsbe.2013.05.001Maddalena R., Roberts J.J., Hamilton A. Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative cements // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 186. Pp. 933–942. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.02.138Maddalena R., Roberts J.J., Hamilton A. Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative cements. Journal of Cleaner Production. 2018; 186:933-942. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.02.138Turner L.K., Collins F.G. Carbon dioxide equivalent (CO2-e) emissions: a comparison between geopolymer and OPC cement concrete // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 43. Pp. 125–130. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.01.023Turner L.K., Collins F.G. Carbon dioxide equivalent (CO2-e) emissions: a comparison between geopolymer and OPC cement concrete. Construction and Building Materials. 2013; 43:125-130. DOI: 10.1016/j.conbuil-dmat.2013.01.023Li C., Li Y., Zhu W., Zeng G., Ouyang Z., Cheng M. et al. Carbon dioxide cured building materials as an approach to decarbonizing the calcium carbide related industry // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. Vol. 186. P. 113688. DOI: 10.1016/j.rser.2023.113688. EDN ETCTRZ.Li C., Li Y., Zhu W., Zeng G., Ouyang Z., Cheng M. et al. Carbon dioxide cured building materials as an approach to decarbonizing the calcium carbide related industry. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023; 186:113688. DOI: 10.1016/j.rser.2023.113688. EDN ETCTRZ.Izumi Y., Iizuka A., Ho H.-Ju. Calculation of greenhouse gas emissions for a carbon recycling system using mineral carbon capture and utilization technology in the cement industry // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 312. P. 127618. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127618. EDN FEWJUD.Izumi Y., Iizuka A., Ho H.-Ju. Calculation of greenhouse gas emissions for a carbon recycling system using mineral carbon capture and utilization technology in the cement industry. Journal of Cleaner Production. 2021; 312:127618. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127618. EDN FEWJUD.Boone M.A., Nielsen P., Kock T.D., Boone M.N., Quaghebeur M., Cnudde V. Monitoring of stainless-steel slag carbonation using X-ray computed microtomography // Environmental Science & Technology. 2014. Vol. 48. Issue 1. Pp. 674–680. DOI: 10.1021/es402767qBoone M.A., Nielsen P., Kock T.D., Boone M.N., Quaghebeur M., Cnudde V. Monitoring of stainless-steel slag carbonation using X-ray computed microtomography. Environmental Science & Technology. 2014; 48(1):674-680. DOI: 10.1021/es402767qGhouleh Z., Guthrie R.I.L., Shao Y. High-strength KOBM steel slag binder activated by carbonation // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 99. Pp. 175–183. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.09.028Ghouleh Z., Guthrie R.I.L., Shao Y. High-strength KOBM steel slag binder activated by carbonation. Construction and Building Materials. 2015; 99:175-183. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.09.028Humbert P.S., Castro-Gomes J.P., Savastano H. Clinker-free CO2 cured steel slag based binder: Optimal conditions and potential applications // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 210. Pp. 413–421. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.169Humbert P.S., Castro-Gomes J.P., Savastano H. Clinker-free CO2 cured steel slag based binder: Optimal conditions and potential applications. Construction and Building Materials. 2019; 210:413-421. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.169Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 114. Pp. 2–26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and Concrete Research. 2018; 114:2-26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015Humbert P.S., Castro-Gomes J. CO2 activated steel slag-based materials : а review // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 208. Pp. 448–457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.10.058Humbert P.S., Castro-Gomes J. CO2 activated steel slag-based materials : а review. Journal of Cleaner Production. 2019; 208:448-457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.10.058Ghouleh Z., Guthrie R.I.L., Shao Y. Production of carbonate aggregates using steel slag and carbon dioxide for carbon-negative concrete // Journal of CO2 Utilization. 2017. Vol. 18. Pp. 125–138. DOI: 10.1016/j.jcou.2017.01.009Ghouleh Z., Guthrie R.I.L., Shao Y. Production of carbonate aggregates using steel slag and carbon dioxide for carbon-negative concrete. Journal of CO2 Utilization. 2017; 18:125-138. DOI: 10.1016/j.jcou.2017.01.009Lee S., Kim J.W., Chae S., Bang J.H., Lee S.W. CO2 sequestration technology through mineral carbonation: An extraction and carbonation of blast slag // Journal of CO2 Utilization. 2016. Vol. 16. Pp. 336–345. DOI: 10.1016/j.jcou.2016.09.003Lee S., Kim J.W., Chae S., Bang J.H., Lee S.W. CO2 sequestration technology through mineral carbonation: An extraction and carbonation of blast slag. Journal of CO2 Utilization. 2016; 16:336-345. DOI: 10.1016/j.jcou.2016.09.003Renforth P. The negative emission potential of alkaline materials // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.1038/s41467-019-09475-5. EDN JAWOKQ.Renforth P. The negative emission potential of alkaline materials. Nature Communications. 2019; 10(1). DOI: 10.1038/s41467-019-09475-5. EDN JAWOKQ.Сидняев Н.И., Вилисова Н.Т. Введение в теорию планирования эксперимента : учебное пособие. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 463 с. EDN QNDDDL.Sidnyaev N.I., Vilisova N.T. Introduction to the theory of experiment planning: textbook. Moscow, Publishing House of the Bauman Moscow State Technical University, 2011; 463. EDN QNDDDL. (rus.).Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Fic S., Szafraniec M., Bakhtinа T. Intensive ways of producing carbonate curing building materials based on lime secondary raw materials // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 10. P. 2304. DOI: 10.3390/ma13102304Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Fic S., Szafraniec M., Bakhtinа T. Intensive ways of producing carbonate curing building materials based on lime secondary raw materials. Materials. 2020; 13(10):2304. DOI: 10.3390/ma13102304Lyubomirskiy N.V., Bakhtina T.A., Bakhtin A.S., Fedorkin S.I. The carbonate-hardening lime construction material properties formation during their long-term storage and use under normal conditions // Materials Science Forum. 2019. Vol. 974. Pp. 187–194. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.974.187. EDN YFFRYK.Lyubomirskiy N.V., Bakhtina T.A., Bakhtin A.S., Fedorkin S.I. The carbonate-hardening lime construction material properties formation during their long-term storage and use under normal conditions. Materials Science Forum. 2019; 974:187-194. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.974.187. EDN YFFRYK.Сизяков В.М., Бричкин В.Н., Куртенков Р.В. Повышение комплексности переработки нефелинового сырья на основе содовой конверсии белитового шлама // Обогащение руд. 2016. № 1. С. 54–59. DOI: 10.17580/or.2016.01.09. EDN VLFZDT.Sizyakov V.M., Brichkin V.N., Kurtenkov R.V. Increasing all-round utilization of nepheline raw materials through belite sludge soda conversion. Obogashchenie Rud. 2016; 1:54-59. DOI: 10.17580/or.2016.01.09. EDN VLFZDT. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.