Для строительства в Арктике и других холодных регионах нужны материалы, которые выдерживают низкие температуры. Обычные строительные цементные смеси плохо подходят для этой цели, поскольку при отрицательных температурах вода в них замерзает, а химические реакции замедляются, из-за чего материал плохо застывает и очень долго набирает нужную прочность. Это становится особенной проблемой, когда нужен срочный и быстрый ремонт зданий, мостов или взлетных полос.
Альтернативой обычному цементу может стать магний-фосфатный цемент. Этот материал затвердевает в разы быстрее и менее чувствителен к холоду. Однако при сильных морозах процессы твердения также замедляются, а прочность материала снижается. Кроме того, для его производства используют высококачественный и дорогой оксид магния, что ограничивает его массовое применение. Поэтому ученые ищут способ повысить эффективность его затвердевания при экстремально низких температурах и одновременно снизить стоимость.
Исследователи из Новосибирского государственного университета (Новосибирск) разработали устойчивый к экстремальным холодам магний-фосфатный цемент на основе низкосортного оксида магния и промышленных отходов от угольных электростанций.
Чтобы повысить реакционную способность исходного сырья, авторы совместно измельчили оксид магния и золу в мельнице, тем самым механически активировав их. Затем в полученную смесь внесли фосфатный компонент, технические добавки, песок и воду, после чего изготовили образцы цемента. Дополнительно авторы изготовили материал из неактивированного оксида магния (который не измельчали с золой). Затвердевание всех образцов исследовали как при комнатной температуре, так и непосредственно на открытом воздухе в зимних условиях при температуре до −34 °C.
Образец полученного материала. Источник: Сергей Волынкин / из личного архива
При комнатной температуре материал быстро набирал прочность: уже через сутки наибольшее значение (свыше 28 мегапаскалей) показал состав, компоненты которого прошли совместную механическую активацию. Таким образом, предложенный подход позволил обеспечить высокий темп набора ранней прочности даже при использовании более доступного низкосортного сырья.
При сильном морозе процессы твердения замедлились, однако материал продолжил набирать прочность даже при температуре до −34 °C. Совместная механическая активация оказалась особенно эффективной в этих условиях: через сутки прочность такого состава была на 74% выше, чем у материала без золы и совместной активации. Результаты показывают, что предложенный подход позволяет частично компенсировать негативное влияние экстремально низких температур на твердение магний-фосфатного цемента.
Анализ показал: новый материал затвердевает очень быстро благодаря тому, что механическая активация повышает реакционную способность частиц оксида магния. Они активнее вступают в реакцию с фосфатным компонентом смеси, в результате чего ускоряется образование кристаллов K-струвита — основного продукта твердения магний-фосфатного цемента. Эти кристаллы, в свою очередь, создают плотную переплетенную сеть, обеспечивающую прочность материала. Кроме того, частицы золы служат дополнительными центрами образования кристаллов и способствуют уплотнению структуры цемента.
«Мы предложили экологичный и экономически эффективный материал, который можно использовать в строительстве на территории Арктики и других холодных регионов. В его основе лежат промышленные отходы и побочные продукты производств, а не дорогое сырье, и это снижает стоимость материала, уменьшает нагрузку на окружающую среду и способствует развитию устойчивых строительных практик в зоне Крайнего Севера. На следующем этапе нашей работы мы планируем оценить долговечность разработанного материала и его возможности для практического применения в реальных условиях Арктики», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Георгий Лазоренко, кандидат физико-математических наук, директор Климатического центра Новосибирского государственного университета.
