Разработка составов геополимерных бетонов

Введение. Глобальное потепление и значительный вклад цементной промышленности в выбросы углекислого газа (7–8 % от общего объема) делают поиск экологически безопасных альтернатив портландцементу актуальной задачей. Одной из таких альтернатив являются геополимеры — безобжиговые вяжущие материалы, получаемые путем щелочной активации алюмосиликатного сырья. Геополимеры превосходят портландцемент по энергоэффективности, ресурсосбережению и экологичности, а их структура и химический состав принципиально отличаются от традиционных цементов. Использование геополимеров в строительной отрасли может позволить значительно снизить затраты на строительство и улучшить экологическую обстановку в регионах.

Материалы и методы. Рассмотрены зола-уноса, золошлаковая смесь, молотый гранулированный доменный шлак, калиевое и натриевое жидкое стекло, которые использовались для приготовления геополимерного вяжущего. Для определения прочности образцов вяжущего применялся пресс ИР 5081-5. Прочность геополимерного бетона испытывалась с помощью пресса ТП-1-350. Испытание на морозостойкость проводилось по ускоренному методу с использованием климатической камеры. Водонепроницаемость определялась с помощью прибора АГАМА-2РМ.

Результаты. Представлены результаты комплексных испытаний по подбору состава геополимерного вяжущего и бетонов на его основе в качестве альтернативы тяжелому бетону на портландцементном вяжущем. Подобраны составы геополимерного бетона, которые соответствуют классам бетона B15, B20, B22,5, B25, B30. Изучено влияние тепловлажностной обработки (ТВО) на прочность получаемого геополимерного вяжущего.

Выводы. Проведены химические и физико-механические испытания компонентов геополимерного вяжущего. Изучено влияние вида используемого жидкого стекла и ТВО на прочность геополимерного вяжущего. Подобраны рациональные составы геополимерного вяжущего и бетонов на его основе. Получены данные испытаний геополимерного бетона на водонепроницаемость, прочность при сжатии и изгибе, пористость, морозостойкость. У геополимерных смесей измерена осадка конуса. По результатам испытаний можно сделать вывод, что представленные составы геополимерного вяжущего классом до B30 можно использовать в строительной отрасли в качестве альтернативы портландцементым бетонам.

1. Vigneshkumar A., Christy C.F., Muthukannan M., Maheswaran M., Arunkumar K., Devi R.K. Experimental investigations on fresh and mechanical properties of fly ash and ground granulated blast furnace slag self-compacting geopolymer concrete // Materials Today: Proceedings. 2024. DOI: 10.1016/j.matpr.2024.01.051

2. Yu J., Ji F., Lv Q., Li W., Lin Z., Peng Y. Mechanical property and microstructure of fly ash-based geopolymer by calcium activators // Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 21. P. e03811. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03811

3. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Структурообразование геополимеров // Молодой ученый. 2015. № 7 (87). C. 123–126. EDN TPPJVP.

4. Davidovits J. Geopolymers // Journal of Thermal Analysis. 1991. Vol. 37. Issue 8. Pp. 1633–1656. DOI: 10.1007/bf01912193

5. Singh N.B. Fly ash-based geopolymer binder: A future construction material // Minerals. 2018. Vol. 8. Issue 7. P. 299. DOI: 10.3390/min8070299

6. John S.K., Nadir Y., Girija K. Effect of source materials, additives on the mechanical properties and durability of fly ash and fly ash-slag geopolymer mortar : a review // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 280. P. 122443. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122443

7. Kaya M., Koksal F., Gencel O., Munir M.J., Kazmi S.M.S. Influence of micro Fe2O3 and MgO on the physical and mechanical properties of the zeolite and kaolin based geopolymer mortar // Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 52. P. 104443. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104443

8. Ma B., Luo Y., Zhou L., Shao Z., Liang R., Fu J. et al. The influence of calcium hydroxide on the performance of MK-based geopolymer // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 329. P. 127224. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127224

9. Liew Y.M., Heah C.Y., Mustafa A.B.M., Kamarudin H. Structure and properties of clay-based geopolymer cements : a review // Progress in Materials Science. 2016. Vol. 83. Pp. 595–629. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2016.08.002

10. Lekshmi S., Sudhakumar J. An assessment on the durability performance of fly ash-clay based geopolymer mortar containing clay enhanced with lime and GGBS // Cleaner Materials. 2022. Vol. 5. P. 100129. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100129

11. Tekin I. Properties of NaOH activated geopolymer with marble, travertine and volcanic tuff wastes // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 127. Pp. 607–617. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.10.038

12. Liu M., Wang C., Wu H., Yang D., Ma Z. Reusing recycled powder as eco-friendly binder for sustainable GGBS-based geopolymer considering the effects of recycled powder type and replacement rate // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 364. P. 132656. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.132656

13. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Коровченко И.В. Технология получения геополимерного вяжущего на базе магматических горных пород // Молодой ученый. 2015. № 7 (87). C. 120–123. EDN TPPJVF.

14. Wu X., Shen Y., Hu L. Performance of geopolymer concrete activated by sodium silicate and silica fume activator // Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 17. P. e01513. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01513

15. Petrus H.T.B.M., Fairuz F.I., Sa’dan N., Olvianas M., Astuti W., Jenie S.N.A. et al. Green geopolymer cement with dry activator from geothermal sludge and sodium hydroxide // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 293. P. 126143. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126143

16. Qin Z., Yuan Y., Chen Z., Li Y., Xia Y. Combined preparation and application of geopolymer pavement materials from coal slurry-slag powder-fly ash mining solid waste: A case study // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 441. P. 137510. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137510

17. Pu S., Zhu Z., Wang W., Duan W., Wu Z., Li N. et al. Water resistance of fly ash phosphoric acid-based geopolymer // Developments in the Built Environment. 2022. Vol. 12. P. 100093. DOI: 10.1016/j.dibe.2022.100093

18. Adewuyi Y.G. Recent Advances in Fly-Ash-Based Geopolymers: Potential on the Utilization for Sustainable Environmental Remediation // ACS Omega. 2021. Vol. 6. Issue 24. Pp. 15532–15542. DOI: 10.1021/acsomega.1c00662

19. Ефремов А.Н., Хаустова В.В., Букина Д.Ю. Композиционные шлакощелочные вяжущие на основе гидроксида натрия, доменного граншлака и золо-шлаковых отходов тепловых электростанций // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2018. № 4–2 (132). С. 177–182. EDN YVCCPM.

20. San Nicolas R.V.R., Walkley B., van Deventer J.S.J. Fly ash-based geopolymer chemistry and behavior // Coal Combustion Products (CCP’s). 2017. Pp. 185–214. DOI: 10.1016/b978-0-08-100945-1.00007-1

21. Ullah A., Kassim A., Ahmad S.A.R., Huang Y., Yunus N.Z.M., Zhu C. et al. Strength development of bottom ash based geopolymer and their application in columns to improve soft soil underneath embankment: Achieving sustainability in ground improvement // Transportation Geotechnics. 2025. Vol. 50. P. 101463. DOI: 10.1016/j.trgeo.2024.101463

22. Wongpa J., Kiattikomol K., Jaturapitakkul C., Chindaprasirt P. Compressive strength, modulus of elasticity, and water permeability of inorganic polymer concrete // Materials & Design. 2010. Vol. 31. Issue 10. Pp. 4748–4754. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.05.012

23. Diaz E.I., Allouche E.N., Eklund S. Factors affecting the suitability of fly ash as source material for geopolymers // Fuel. 2010. Vol. 89. Issue 5. Pp. 992–996. DOI: 10.1016/j.fuel.2009.09.012

24. Luo Z., Zhang B., Zou J., Luo B. Sulfate erosion resistance of slag-fly ash based geopolymer stabilized soft soil under semi-immersion condition // Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 17. P. e01506. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01506

25. Du W., Ni L., Lv Y., Zheng D., Tang W., Cui H. Role of silica fume in the hydration evolution of fly ash-slag-based geopolymers // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 451. P. 138879. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138879

26. Xiaoshuang S., Yanpeng S., Jinqian L., Yuhao Z., Ruihan H. Preparation and performance optimization of fly ash- slag- red mud based geopolymer mortar: Simplex-centroid experimental design method // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 450. P. 138573. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138573

27. Qingke N., Haiqing Z., Haipeng Y., Xiang-xin J., Rihua Z. Development and field test of Red mud-Fly Ash Geopolymer pile (RFP) // Cleaner Waste Systems. 2024. Vol. 9. P. 100184. DOI: 10.1016/j.clwas.2024.100184

28. Shi Y., Zhao Q., Xue C., Jia Y., Guo W., Zhang Y. et al. Preparation and curing method of red mud-calcium carbide slag synergistically activated fly ash-ground granulated blast furnace slag based eco-friendly geopolymer // Cement and Concrete Composites. 2023. Vol. 139. P. 104999. DOI: 10.1016/j.cemcon-comp.2023.104999

29. Zhang J., Li B., Zhang M., Shan Z., Jin Q. Mechanical behavior and microstructure evolution of slag-fly ash based geopolymer stabilized sand // Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 20. P. e03279. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03279

30. Doan T., Arulrajah A., Lin Y., Horpibulsuk S., Chu J., Darmawan S. Chemical stabilization of demolition wastes in pavement bases using one–part fly ash and slag based geopolymers // Transportation Geotechnics. 2024. Vol. 45. P. 101192. DOI: 10.1016/j.trgeo.2024.101192