Ученые из Санкт-Петербурга определили, что прочность геополимера — более экологичного аналога строительного бетона — зависит от того, из частиц какой формы состоит этот материал. Если использовать частицы в виде трубок, можно получить материал в полтора раза более прочный, чем традиционный бетон.

В отличие от бетона, производство геополимера не связано со значительными выбросами углекислого газа, поэтому оно позволит снизить ущерб окружающей среде, который наносит строительная промышленность.

В современном строительстве повсеместно используется бетон — смесь цементного порошка с водой, песком и щебнем или гравием. При этом производство цемента наносит значительный ущерб окружающей среде, поскольку оно приводит к выделению огромного количества углекислого газа в атмосферу (5-8% от всех его мировых выбросов).

Альтернативой бетонным смесям могут служить геополимеры. Это материалы, которые получают более экологичным путем — химически активируя природное или искусственно созданное сырье, содержащее кремний и алюминий (например, глины и промышленные отходы). Кроме того, в отличие от традиционного бетона, геополимерная смесь дольше сохраняет пластичность, а затем быстро затвердевает и становится прочной. Такой контролируемый процесс схватывания уменьшает риск деформаций и трещин и позволяет создавать объекты сложной геометрической формы. Однако в строительстве геополимеры до сих пор широко не используются, поскольку процесс их затвердевания недостаточно изучен. Например, практически не было знаний о том, как свойства исходных компонентов влияют на структуру и качество конечного материала.

Исследователи из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова — филиала НИЦ «Курчатовский институт» (Санкт-Петербург) определили, что скорость затвердевания геополимера и прочность получаемого материала зависят в первую очередь от формы частиц сырья, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Влияние морфологии частиц на кинетику затвердевания геополимеров. Фото: Ольга Голубева / из личного архива

Авторы сформировали образцы геополимеров из трех вариантов частиц размерами от 0,1 до 17 микрометров: в виде пластин, трубок и сфер. Исходные материалы нагрели до 750 °C и смешали с щелочным раствором-активатором, который запустил сшивание частиц в длинные прочные сети полимера.

Оказалось, что частицы в форме трубок обеспечивают самую быструю полимеризацию: в этом случае раствор становился более плотным — подобным гелю — всего за 40 минут. Для сравнения, у частиц в форме сфер этот процесс занял 110 минут, а у пластин — 120 минут.

Самыми прочными также оказались геополимеры на основе трубчатых частиц — они выдержали давление 85 мегапаскалей, что в полтора раза выше, чем у самого распространенного строительного бетона. Образцы на основе пластинчатых частиц не разрушились при давлении 56 мегапаскалей, а сферических — только при 47 мегапаскалей. Различия в прочности связаны со структурой геополимеров: 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 геополимера. 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 планируем проводить исключительно с использованием алюмосиликатного сырья отечественных месторождений. Это позволит нам в дальнейшем сформулировать предложения по вовлечению природного минерального сырья Российской Федерации в высокотехнологичные направления получения новых материалов с заданными свойствами», — рассказала руководитель проекта Ольга Голубева, доктор химических наук, заведующая лабораторией химии силикатных сорбентов Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Ceramics International.