Производство цемента — один из главных источников выбросов CO₂ в строительстве. Экологичной альтернативой ему может стать легкий и теплый гипсокерамзитобетон. Однако его ключевой недостаток — крайне низкая водостойкость: пропитавшись водой, материал теряет более 60% прочности, что ограничивает его применение. Существующие методы повышения коэффициента размягчения (полимерные добавки, гипсоцементные композиты, гидрофобизация) либо слишком дороги, либо сложны в применении. Решение предложили ученые Пермского Политеха и УрФУ. Они повысили водостойкость гипсокерамзитобетона на 50%, добавив в его состав тонкомолотые горелые породы, и тем самым предложили способ снизить их негативное влияние на экологию.
Статья опубликована в «Вестнике ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика», т. 1, 2025 г.
Современное строительство стоит перед сложной дилеммой: нужно возводить доступное жилье, минимизировать вредное воздействие на природу и при этом обеспечивать долговечность конструкций. Одним из главных препятствий на этом пути является ключевой строительный материал — цемент, так как его производство считается одним из крупнейших источников загрязнения углекислым газом (CO₂). Именно поэтому сегодня ищут менее углеродоемкие вяжущие материалы. Перспективной альтернативой считаются легкие бетоны на основе гипса (гипсокерамзитобетон). Они легче, лучше держат тепло и, что критически важно, их производство требует значительно меньших энергозатрат по сравнению с цементом.
Однако их слабое место — низкая водостойкость, которую инженеры оценивают по ключевому показателю — коэффициенту размягчения, который показывает, какую долю своей изначальной «сухой» прочности сохраняет материал, полностью пропитавшись водой. Для обычного керамзитобетона водостойкость составляет около 0,37, то есть во влажном состоянии он теряет более 60% прочности, фактически превращаясь в ненадежный материал. Именно из-за такой высокой чувствительности к воде без дополнительной защиты его нельзя применять в ванных комнатах, подвалах или в наружных стенах домов в регионах с влажным климатом — там, где долговечность конструкций критически важна.
Существующие на сегодня решения, например, введение специальных добавок или создание сложных гипсоцементных композитов, имеют серьезные недостатки. Первые значительно удорожают материал, а вторые частично лишают гипс его главного экологического преимущества, возвращая к проблеме высоких выбросов CO₂. Другие методы, такие как пропитка гидрофобными составами (создание водоотталкивающего свойства), часто сложны в промышленном применении. Поэтому поиск эффективного, недорогого и технологичного решения остается актуальной задачей.
Решение предложили ученые Пермского Политеха совместно с экспертами УрФУ. Они разработали новый состав гипсокерамзитобетона, в основе которого использовали тонкомолотые горелые породы. Это позволило повысить водостойкость материала на 50% по сравнению с обычным аналогом.
Ключевым компонентом стала перемолотая в пудру красноватая земля, которая десятилетиями лежит в виде холмов-терриконов рядом со старыми шахтами. В ее составе много оксидов кремния, алюминия и железа, что придает ей потенциальную способность взаимодействовать с другими компонентами смеси. На территории России насчитывается не менее 2000 таких техногенных образований, содержащих в сумме порядка 3,3 млрд м³ т минеральной массы.
Однако, находясь на поверхности, она наносит непоправимый вред окружающей среде. Атмосферные осадки вымывают из нее токсичные соли и тяжелые металлы, которые загрязняют почву и водоемы, создавая безжизненные «ржавые» реки, например, как это произошло в Кизеловском бассейне Пермского края и Кемеровской области. В сухую погоду ветер разносит техногенную пыль на многие километры, нанося вред здоровью людей и делая непригодными для использования тысячи гектаров земли вокруг отвалов.
Эта проблема остро стоит во всех старых угледобывающих регионах, где концентрация шахтных отвалов и закрытых предприятий наиболее высока, а их негативное воздействие на экосистемы и здоровье населения накоплено десятилетиями.
Чтобы решить эту проблему и улучшить качество гипсокерамзитобетона, ученые собрали образцы этих отходов, высушили их и размололи в шаровой мельнице до состояния пудры с высокой удельной поверхностью. Для достижения наилучшего эффекта исследователи создали специальный органоминеральный модификатор, который повышает пластичность и удобоукладываемость смеси, снижает потребность в воде и повышает плотность структуры за счет стабилизации химических процессов в процессе твердения композита. Помимо модификатора и тонкомолотых горных пород, в состав легкого бетона добавили высокопрочный гипс, который существенно усиливает каркас материала.
Для поиска оптимального баланса между компонентами был проведен многофакторный эксперимент. Ученые создали 16 различных рецептур, в которых целенаправленно меняли пять ключевых переменных: соотношение обычного и высокопрочного гипса (от 2:1 до 3:1), долю горелой породы (15 или 25% от массы вяжущего), количество пластификатора (0,3% или 0,5%) и другие параметры. Из каждого состава изготовили образцы-кубы, которые после полного застывания испытывали на прочность, плотность и водопоглощение. Дальше полученные данные загружали в специальную компьютерную программу, которая рассчитала оптимальную формулу состава гипсокерамзитобетона повышенной водостойкости.
— После анализа массива данных со всех экспериментов вычислительная модель определила, что пик водостойкости достигается при соотношении компонентов: 400 кг обычного гипса, 200 — высокопрочного, 125 — горелой породы и 2,4 кг пластификатора на кубометр. Именно при этих пропорциях формируется наиболее водостойкая и плотная микроструктура материала, — объяснил Виталий Шаманов, декан строительного факультета ПНИПУ, кандидат технических наук.
Оптимальный состав, подобранный с помощью математического моделирования, позволил увеличить коэффициент размягчения в 1,5 раза по сравнению с обычным бездобавочным гипсокерамзитобетоном.
В сравнении с существующими методами новая разработка демонстрирует комплексное преимущество. Использование техногенных отходов повышает водостойкость и снижает негативное влияние на экологическую обстановку в районе их массового размещения. В отличие от гипсоцементных композитов, она полностью сохраняет низкий углеродный след за счет использования только гипсовых вяжущих. А по удобству применения предложенный подход значительно проще, чем другие методы повышения водостойкости, поскольку предлагаемый учеными модификатор просто добавляется в смесь на этапе замеса, что не требует дополнительных сложных манипуляций на готовых изделиях.
Чтобы понять, какие именно процессы привели к такому улучшению, ученые изучили внутреннее строение нового материала с помощью электронного микроскопа.
— Оказалось, что горелые породы, несмотря на свой состав, не вступили в ожидаемую химическую реакцию с гипсом. Вместо этого их мельчайшие частицы равномерно заполнили все пространство в структуре гипсобетона, выполняя роль наполнителя. Это физическое уплотнение и стало основной причиной того, что материал стал более водостойким, — рассказал Федор Капустин, доктор технических наук, профессор, директор департамента строительного материаловедения, заведующий кафедрой «Материаловедение в строительстве» УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Говоря проще, горелые породы — это смесь оксидов кремния и алюминия. В строительном материаловедении такие вещества классифицируются как потенциально пуццолановые. То есть в определенных условиях они могут вступать в химическую реакцию с вяжущим, образуя новые, прочные и водостойкие соединения. Именно этот дополнительный химический эффект и рассматривался как возможный путь повышения прочности. Однако в условиях данного состава этого не произошло, но частицы породы проявили себя с другой стороны — как высокоэффективный микронаполнитель.
Таким образом, ученые предложили конкретный способ переработки породных отвалов, создав основу для нового строительного материала, который обладает достаточными характеристиками для использования в производстве внутренних перегородок, декоративных элементов и теплоизоляционных плит в условиях нормальной влажности. В будущем это позволит постепенно замещать на рынке более дорогие аналоги, улучшая при этом экологию.
Источник: ПНИПУ
