Бесцементные вяжущие системы на основе отходов производства глинозема, твердеющие за счет принудительной карбонизации

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. 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. 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. 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.

1. Schneider 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.2017.06.001

5. 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. Vol. 263. P. 121457. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121457. EDN SNJISJ.

6. 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.2018.03.015

7. Bhagath 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.2019.118024

8. Imbabi 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.2013.05.001

9. Maddalena 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.2018.02.138

10. Turner 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.2013.01.023

11. 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. Vol. 186. P. 113688. DOI: 10.1016/j.rser.2023.113688. EDN ETCTRZ.

12. 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.

13. 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/es402767q

14. Ghouleh 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.2015.09.028

15. Humbert 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.2019.03.169

16. 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.2018.03.015

17. Humbert 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.2018.10.058

18. Ghouleh 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.2017.01.009

19. Lee 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.2016.09.003

20. Renforth P. The negative emission potential of alkaline materials // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.1038/s41467-019-09475-5. EDN JAWOKQ.

21. 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.

22. 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/ma13102304

23. 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. Vol. 974. Pp. 187–194. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.974.187. EDN YFFRYK.

24. 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.