Производство геополимерного бетона с использованием необработанного ила-отстойника в качестве мелкого заполнителя и измельчённого ила в качестве вяжущего

Преобразование отходов ТЭЦ в строительный ресурс

Угольные электростанции оставляют после себя горы золы, которые часто сбрасывают в большие пруды и оставляют там на годы. Эти отстойники занимают землю, выщелачивают загрязнители и представляют собой огромный, мало используемый ресурс. В исследовании изучается, можно ли преобразовать этот ил-отстойника в ключевой компонент более экологичного бетона, что потенциально сокращает выбросы углерода и одновременно помогает убирать упорный промышленный мусор.

От иловых прудов к новому бетону

Угольная зола, хранящаяся в прудах, представляет собой смесь мелких и крупных частиц, которые длительное время пропитывались водой. Авторы называют материал, выгребаемый напрямую из этих прудов, «необработанным илом-отстойника», и рассматривают два способа его использования в геополимерном бетоне — типе бетона, который опирается на промышленные побочные продукты вместо традиционного цемента. Во-первых, они заменяют природный песок, обычно используемый в бетоне, необработанным илом-отстойника по ступенчатой схеме от небольшой доли до 100 процентов. Во-вторых, часть ила механически измельчают в более тонкий порошок — «измельчённый ил-отстойника» — и используют его для частичной или полной замены летучей золы, обычного вяжущего в геополимерных смесях.

Разработка более экологичной смеси

Во всех смесях связующее формируется активацией алюмосиликатных порошков раствором гидроксида натрия и натриевого силиката, при этом фиксированная доля доменного шлака обеспечивает дополнительный кальций для ускорения твердения. Исследователи изготовили множество партий бетона, варьируя доли замены природного песка необработанным илом-отстойника и замены вяжущей летучей золы её измельчённым вариантом. Затем образцы отвердевали при обычной комнатной температуре, избегая энергозатратного прогрева, часто применяемого для геополимеров, и оценивали удобоукладываемость свежего бетона, прочность по мере созревания и устойчивость к агрессивным химическим воздействиям.

Прочность при меньшем количестве природного песка

Замена природного песка необработанным илом делала свежий бетон более жёстким и трудным в обработке, в основном потому, что частицы ила очень пористые и гораздо мельче обычного песка, поглощая больше жидкости. Тем не менее влияние на прочность оказалось неожиданно умеренным: даже при полной замене природного песка 28‑суточная прочность при сжатии снизилась лишь примерно на 7 процентов и достигла примерно 40 МПа после более длительного созревания — достаточно для многих конструктивных применений. Микроскопический и инфракрасный анализы показали, что ил-отстойника не является полностью инертным; его реакционноспособные компоненты со временем включаются в геополимерную структуру, заполняют поры и способствуют продолжению роста прочности между 28 и 56 днями.

Измельчение ила и испытания в тяжёлых условиях

Измельчение ила до более тонкого порошка увеличивало содержание реакционноспособного кремнезёма, но он всё равно уступал традиционной летучей золе как вяжущему. При поэтапной замене летучей золы измельчённым илом ранняя прочность оставалась схожей, поскольку компонент шлака доминировал в ранней реакции. На поздних сроках же смеси с большим содержанием измельчённого ила показывали немного меньшую прочность и несколько более грубую внутреннюю структуру. Испытания на долговечность дали сложную картину: все геополимерные бетоны продемонстрировали более высокую устойчивость к серной кислоте по сравнению с обычным цементным бетоном, который испытывал сильные потери массы и прочности из‑за образования гипса и других объемообразующих продуктов. Однако в испытании проницаемости для ионов хлора лучшим оказался цементный бетон, тогда как геополимерные смеси — особенно богатые измельчённым илом — показали умеренную проницаемость.

Что это значит для будущего строительства

Для неспециалистов главный вывод в том, что большая часть золы, залежавшейся в прудах электростанций, может быть превращена в полезный компонент для более экологичного бетона. Используя необработанный ил-отстойника как весь объём мелкого заполнителя и измельчённый ил как часть вяжущего, исследователи получили геополимерный бетон, отверждающийся при комнатной температуре, со средней конструктивной прочностью, до примерно 37 процентов твёрдых компонентов которого поступало из этого отхода. Он менее удобен в укладке и несколько более проницаем для солей, чем стандартный бетон, но гораздо лучше сопротивляется кислой среде, что делает его перспективным для промышленных полов или канализационных труб. С дальнейшей доработкой — например, добавлением более реакционноспособных добавок и безопасных, удобных в обращении сухих активаторов — этот подход может помочь превратить крупную проблему загрязнения в ценный строительный ресурс.

Цитирование: Vidyadhara, V., Gowda, T.S. & Ranganath, R.V. Geopolymer concrete production by utilizing unprocessed pond ash as fine aggregate and ground pond ash as binder. Sci Rep 16, 9041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38814-y

Ключевые слова: геополимерный бетон, ил-отстойника, повторное использование угольной золы, устойчивое строительство, кислотно-стойкий бетон