Учёные Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского разработали прочные и долговечные строительные изделия на основе шлаков металлургических предприятий и техногенного углекислого газа.

Подробнее о научно-исследовательской работе рассказывает проректор по научной деятельности, профессор кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Академии строительства и архитектуры КФУ им. В.И. Вернадского Николай Любомирский.

Расскажите, как возникла идея проекта?

— Очень часто учёные ищут заказчиков для своих разработок, а у нас получилось немного по-другому: заказчик заинтересовался нашими научными работами и разработками и предложил реализовать такой проект. Дело в том, что у заказчика есть углекислый газ, который нужно куда-то девать. Сейчас у нас «зелёная повестка», и мы знаем, что Правительство Российской Федерации приняло ряд законодательных актов, согласно которым к 2050 году мы должны сократить вдвое выбросы углекислого газа, а к 2060 году экономика должна вообще достичь углеродной нейтральности. И наш заказчик, побуждённый такими целями, нашёл наши разработки и предложил заняться переработкой шлаков металлургических предприятий с использованием опять же техногенного углекислого газа. Шлаков на самом деле очень много. В Российской Федерации их порядка полумиллиарда тонн. Это – и шлаки доменного производства, и шлаки сталеплавильных производств, и ферросплавные шлаки, и шлаки цветных металлов и т.д. Все они требуют переработки, поскольку засоряют большие территории земельных участков. Нам поступила задача их переработки, мы нашли пути решения этой задачи и взялись за работу.

Какова цель Вашей работы?

— Цель нашего проекта – это разработка технологий получения строительных материалов из отходов металлургических производств, главным компонентом которых являлся бы углекислый газ антропогенного происхождения, то есть тот газ, который мы выбрасываем в атмосферу, тем самым её засоряя.

В задачи проекта входили исследование шлаков различных металлургических предприятий, разработка составов строительных материалов и, конечно, технологических параметров их карбонизационного твердения в среде углекислого газа. Второй частью задач были разработка технологической документации в соответствии с Единой системой технологической документации (ЕСТД) и конструкторской документации (ЕСКД) на карбонизационную камеру. В рамках этого проекта мы не только разработали технологию, но и при участии профессиональных конструкторов разработали карбонизационную камеру и конструкторскую документацию на неё. Таких камер на сегодняшний день ещё никто не выпускает и не использует.

Какие этапы включал проект?

— На первом этапе мы исследовали сами шлаки. Для этого мы вели работу с пятью предприятиями, расположенными в Центральном и Северо-Западном федеральных округах Российской Федерации. Всего мы исследовали 12 проб различных шлаков – доменных отвальных, доменных гранулированных, сталеплавильных, ферросплавных производств, конвертерных шламов, а также нефелинового шлама, образующегося при переработке глинозёмистого сырья на глинозём. В результате работы определили наиболее оптимальное сырьё, затем разработали оптимальные технологические параметры переработки этого сырья и, конечно, имея огромный опыт в карбонизации и получении материалов карбонатного твердения, мы разработали технологические параметры производства строительных материалов. Это – тротуарная плитка, в которой нет ни грамма специально произведённого сырья, то есть нет цемента, нет каких-либо других вяжущих материалов. Она на 100% состоит из отходов: шлаков и углекислого газа. Прочность плитки достигает тысячи килограммов на квадратный сантиметр. Для цементобетонов это – практически запредельное значение. Ещё мы разработали кирпич, который по своим свойствам схож с наиболее прочным из известных кирпичей – клинкерным.

Что такое искусственная карбонизация?

— Это – химический процесс. Дело в том, что ряд веществ реагирует с углекислым газом. Наверное, самое известное такое вещество – это известь. Она твердеет за счёт того, что поглощает углекислый газ из атмосферы, но в атмосфере углекислого газа всего 0,4%, поэтому известь твердеет очень долго. Твердение извести происходит на протяжении десятилетий, веков, а если мы увеличиваем концентрацию углекислого газа, то процесс ускоряется в несколько десятков раз. Так же и со шлаками. За счёт того, что они образуются при очень высоких температурах, они содержат в своём составе ряд веществ и соединений, которые способны реагировать с углекислым газом. Наша задача состояла в том, чтобы разработать оптимальные технологические условия для повышения реакционной способности этих минералов и сделать их доступными для реакции карбонизации. В связи с тем, что в материале образуется, главным образом, кальцит, который в процессе его образования проявляет вяжущие свойства, то есть связывает между собой частички материала в единый прочный конгломерат, мы его называем «кальцитным цементом». Получаемые таким образом изделия мы относим к классу высокопрочных.

Кроме прочности, они обладают высокой долговечностью, морозостойкостью (более двухсот циклов), они устойчивы к кислотам, температурным перепадам и, как я уже сказал, намного превосходят те изделия, которые производятся на основе цемента. Но есть разница в том, что цемент стоит больших денег, а шлак – в десятки раз меньше. Некоторые заводы готовы отдавать определённые виды шлаков, особенно отвальных, даром, лишь бы его вывозили с территории предприятия.

Как происходит процесс изготовления изделий?

— Изделия сначала изготавливаются на формующих установках. Мы изготавливаем их методом полусухого прессования: готовим специальную смесь, затем на прессах формируем изделия определённой формы (либо кирпич, либо плитка), а после направляем изделия в карбонизационную камеру, где создаются оптимальные условия для их твердения. Процесс твердения происходит достаточно быстро. Мы за четыре часа получаем абсолютно готовые к применению изделия.

Кстати, плитку мы выпустили на крымском заводе по производству тротуарной плитки. Мы сделали там карбонизационную камеру, таким образом, смоделировали процесс производства в большом масштабе. Теперь нужно переходить к следующей стадии – изготовлению заводской камеры для отработки процесса производства этих изделий уже не в лабораторных, а в производственных условиях.

Какие перспективы у таких изделий?

— Конечно, на сегодняшний день и ещё лет 30, наверное, на рынке будут преобладать изделия на основе цемента. Тем не менее, наши материалы – это серьёзная конкуренция для цементобетонных изделий, а самое главное – это «зелёная» технология, что сейчас очень актуально во всём мире. Я думаю, что эта технология будет востребована, в первую очередь, именно теми, кто хочет «озеленить» технологические процессы. Кроме того, наши изделия характеризуются повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью, и они, само собой, будут конкурентны на рынке.