В современном строительстве повсеместно используется бетон — смесь цементного порошка с водой, песком и щебнем или гравием. При этом производство цемента приводит к выделению огромного количества углекислого газа в атмосферу – 5 - 8% от всех его мировых выбросов.
Экологичной альтернативой бетону могут стать геополимеры, которые получают путем химической активации природного или искусственного сырья, содержащего кремний и алюминий, например, глины и промышленных отходов. В отличие от традиционной смеси, геополимерная дольше сохраняет пластичность, а затем быстро затвердевает и становится прочной. Это снижает риск деформаций и позволяет создавать объекты сложной геометрической формы. Однако в строительстве эти материалы до сих пор широко не используются, поскольку процесс их затвердевания недостаточно изучен.
Восполнить этот пробел решили исследователи из Института химии силикатов им. Гребенщикова РАН (Санкт-Петербург). Они определили, что скорость затвердевания и прочность геополимера зависят в первую очередь от формы частиц сырья. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.
В ходе работы ученые сформировали образцы материалов из трех вариантов частиц в виде пластин, трубок и сфер, размер которых составлял от 0,1 до 17 мкм. Затем нагрели их до 750°С и смешали с щелочным раствором-активатором, который запустил сшивание разрозненных элементов в длинные прочные сети полимера.
Выяснилось, что частицы в форме трубок обеспечивают самую быструю полимеризацию: раствор становился более плотным, подобным гелю, всего за 40 минут. У сфер этот процесс занял 110 минут, а у пластин — 120 минут.
Геополимеры на основе трубчатых частиц оказались и самым прочными: выдержали давление 85 МПа, что в полтора раза выше, чем у распространенного строительного бетона. Ученые объясняют это тем, что трубчатые частицы «укладываются» упорядоченным образом, помогая материалу выдерживать большие нагрузки.
Таким образом, изменяя форму частиц сырья, можно точно управлять скоростью затвердевания раствора, а также прочностью и структурой конечного продукта. Это важно для получения материалов с предсказуемым и настраиваемым «поведением», востребованных в современном строительстве, особенно в условиях Арктики.
В дальнейшем мы планируем расширить наши исследования: создать долговечные и прочные геополимерные матрицы для захоронения радиоактивных отходов и получения строительных материалов для арктической зоны. Кроме того, мы будем работать над технологией получения геополимерных изделий с высокой прочностью и химической устойчивостью с использованием 3D-печати. Все исследования мы намерены проводить исключительно с использованием алюмосиликатного сырья российских месторождений. Это позволит нам в дальнейшем сформулировать предложения по вовлечению отечественного природного минерального сырья в высокотехнологичные направления получения новых материалов с заданными свойствами.
Ранее мы писали о том, в Ирландии впервые напечатали бесцементный геополимер на 3D-принтере.