Светопропускающие бетоны с использованием золошлаковых и стекольных отходов

Танг Ван Лам, Лe Суан Тхань, Булгаков Б.И., Александрова О.В., Баженова С.И. Светопропускающие бетоны с использованием золошлаковых и стекольных отходов. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(4):475–484. – EDN: ENHLKJ.

Tang Van Lam, Le Xuan Thanh, Bulgakov B.I., Aleksandrova O.V., Bazhenova S.I. Light-transmitting concrete using ash and slag, and glass waste. Nanotechnologies in construction. 2025;17(4):475–484. – EDN: ENHLKJ.

При нынешних высоких темпах индустриализации производства и модернизации различных сфер жизни потребление энергии для создания искусственного освещения многократно увеличивается, что оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Кроме того, постоянно совершенствуются критерии оценки и повышаются требования к отделке интерьеров помещений и эстетическому облику зданий [1]. Поэтому становятся все более актуальными технические решения, направленные на обеспечение естественного освещения в жилых домах и общественных зданиях, а также на создание уникальных архитектурных объектов, способных заин- тересовать потенциальных заказчиков и инвесторов [2]. Помимо архитектурных инноваций, актуальным направлением современных исследований является разработка строительных материалов, максимально использующих многотоннажные техногенные отходы и, в частности, вообще не использующих цемент, а также обладающих способностью пропускать солнечный свет. В настоящее время основными светопропускающими материалами являются различные изделия из стекла и светопрозрачные пластики [2]. Однако технология производства стекольных материалов требует использования большого количества энергии для плавки сырья при очень высоких температурах [3]. Кроме того, этот производственный процесс сопровождается выделением огромного

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ количества углекислого и других парниковых газов, что противоречит взятому Коммунистической партией и Правительством Социалистической Республики Вьетнам курсу экономического развития страны на достижение нулевого уровня их выбросов к 2050 году. Об этом заявил от имени своей страны премьер-министр СРВ Фам Минь Чинь, выступая на XXVI конференции ООН по вопросам изменения климата, проходившей с 31 октября по 12 ноября 2021 года в Глазго (Великобритания) с участием 25 тыс. делегатов из 200 стран, в том числе 120 глав государств. Тем самым Вьетнам внесет свой вклад в достижение установленного Парижского соглашения по климату, заменившего Киотский протокол 1997 года и принятого консенсусом в декабре 2015 года в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата по итогам проводившейся тогда XXI Международной климатической конференции с участием 195 стран, общемировой цели по ограничению потепления на Земле до конца XXI века не более чем на 1,5 оC по сравнению с доиндустри-альным уровнем развития человеческой цивилизации за счет разработки и применения эффективных мер, которые позволят достичь, начиная с 2020 года, устойчивой тенденции снижения содержания в земной атмосфере углекислого и других парниковых газов [4–6].

Кроме того, во Вьетнаме много тепловых угольных электростанций и металлургических заводов, в результате работы которых ежегодно образуются миллионы тонн промышленных отходов. По некоторым данным [7, 8], каждый год металлургическая промышленность производит около 45÷55 млн т шлаков, а золошлаковые отходы ТЭС ежегодно составляют около 50÷60 млн т. Поэтому проблема утилизации многотоннажных техногенных отходов и изучения возможности их использования в качестве местного вторичного сырья для производства строительных материалов имеет для Вьетнама важное экономическое, экологическое и социальное значение [6].

В настоящее время наиболее известным и применяемым в современном строительстве материалом на основе бетона, обладающим способностью пропускать сквозь себя солнечный свет, является светопрозрачный бетон, получивший название «Литра-кон» и аббревиатуру LiTroCon от английского словосочетания “ligh transparent concrete”. История появления «Литракона» следующая. Его изобретателем явился молодой, в то время венгерский, архитектор Арон Лозонци (Aron Losonczi), который после долгих экспериментов, проводившихся им в течение 15 лет вместе с учеными Будапештского технического университета для практической реализации разработанной им концепции «прозрачного бетона», в 2001 году заявил о создании «Литракона» и получил на него патент. В 2004 году «Литракон» появился на строительном рынке, и его главным мировым производителей сегодня является одноименная венгерская фирма, созданная его разработчиками. Концепция «прозрачного бетона» внешне очень проста: введенные в мелкозернистую цементную бетонную смесь тысячи оптических светопроводящих стекловолокон различного диаметра от 2 мкм до 2 мм располагаются послойно и параллельно друг другу между двумя основными внешними поверхностями бетонного блока. При этом доля стекловолокон в объеме мелкозернистой бетонной матрицы довольно мала и составляет 4–5%. Оптические волокна становятся своего рода структурным компонентом, выполняющим несколько функций, основной из которых является обеспечение светопрозрачности изделиям из «Литра-кона». Кроме того, фотооптические стекловолокна являются также армирующими элементами, повышающими сопротивляемость бетона к изгибающим и растягивающим усилиям. В результате был получен бетон, обладающий прозрачностью матового стекла при условии подсветки изготовленных из него пластин, панелей или блоков с противоположной стороны по отношению к смотрящему. Согласно утверждению создателей «Литракона», присущая разработанному бетону указанная светопрозрачность сохраняется вплоть до увеличения толщины изготовленных из него изделий до 20 м, поскольку стекловолокна способны обеспечивать светопередачу через толщу материала на такое расстояние почти без потерь. Светопрозрачность материала обеспечивается тем, что содержащиеся в нем параллельно расположенные стекловолокна передают свет от одной лицевой поверхности изделия к другой в виде небольших точек, в результате чего тени на более светлой подсвеченной стороне проявляются на более темной стороне изделия в виде теней с более контрастными очертаниями. Благодаря этому стены из «Литрако-на» становятся люминисцентными и оживляются тенями при сохранении цвета предмета, находящегося за стеной. При этом как на внешней, так и на внутренней поверхности стены могут быть созданы различные тени, узоры и даже рисунки. Получаемый визуальный эффект создает общее впечатление исчезновения толщины и массивности бетонной стены. Причем небольшой размер оптических волокон, входящих в состав светопроводящего бетона, делает однородной не только его внутреннюю структуру, но и внешнюю поверхность. На практике в основном используют изделия из «Литракона» небольшой толщины и для этого блоки и плиты из него разрезают на тонкие пластины поперек оптических волокон с помощью стандартного оборудования для резки каменных строительных материалов. При этом оп-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ тимальная светопроводимость пластин достигается при условии, что оптические волокна располагаются перпендикулярно к их рабочей поверхности, а также если лицевые поверхности отшлифованы и отполированы до зеркального блеска машинным способом или вручную [9, 10].

Основными областями применения «Литракона» в строительстве являются архитектурно-декоративные цели: его используют для изготовления светопрозрачных блоков, плит, панелей и пластин как для реализации дизайнерских проектов внутренних интерьеров помещений, так и для наружной отделки зданий, поскольку «Литракон» не восприимчив к термическим воздействиям, перепадам температуры и действию ультрафиолетовых лучей. Например, его используют для отделки фасадов, витрин магазинов, рекламных стоек и панно и др. Кроме того, из данного светопрозрачного бетона могут быть изготовлены блочные конструкции различного размера, способные работать под нагрузкой, благодаря тому, что стекловолокна в его составе не оказывают отрицательного влияния на его достаточно высокую прочность на сжатие. Также такие блоки могут выполнять и теплоизоляционные функции [9].

Светопрозрачный бетон имеет следующие технические характеристики:

– средняя плотность – 2100–2400 кг/м3;

• –    прочность на сжатие – 50 МПа и более;

• –    прочность на осевое растяжение – 7 МПа;

• –    коэффициент теплопроводности – 2,1 Вт/м•K.

Светопроводящий бетон выпускается в трех цветовых вариантах: белом, сером и черном. При этом использование цветной подсветки позволяет разнообразно менять цвет подсвеченных блоков из «Ли-тракона».

Кирпичная кладка из блоков полупрозрачного бетона соответствует обычным требованиям к классам огнестойкости в зависимости от места их использования, а стены из них могут быть как несущими, так и самонесущими. «Литракон» достаточно морозостоек, экологически чист и безопасен, его звуко-и шумоизоляционные характеристики такие же, как и у обычного бетона. Как правило, настенные и напольные элементы дополнительно обрабатываются водоотталкивающим пропитывающим составом.

Настенный монтаж панелей и пластин из светопрозрачного бетона выполняется на фасадных анкерах, которые устанавливают на несущих стенах или на рамных подконструкциях, причем на таких же, которые используются для монтажа панелей из природного камня. Напольный монтаж осуществляется с выравниванием боковых линий на любой основе. Кладка ведется при помощи обычного портланд-цементного или известкового раствора и выглядит как кирпичная кладка. Бетонные блоки могут так- же склеиваться между собой тонкими швами, заполненными эпоксидной смолой с наполнителем из кварцевой муки. Кроме того, при совместном использовании светопрозрачного бетона с другими материалами могут быть получены как теплоизоляционные конструкции, так и конструкции другого назначения.

«Литракон» прочнее стекла и его главным недостатком является высокая стоимость из-за высокой стоимости используемого стекловолокна: 1 м2 стены из такого бетона при толщине 250 мм стоит порядка 750 евро. Этот факт сдерживает его более широкое использование в современном строительстве. Но, несмотря на это, светопрозрачный бетон нашел активное применение в США в ограждающих конструкциях правительственных зданий и банков, а также в Европе и Азии – для создания концептуальных и конкурсных проектов, в качестве примеров которых можно привести скульптуру «Ворота Европы» высотой 4 м, изготовленную из блоков LiTro-Con и установленную в 2004 году в честь вступления Венгрии в Европейский Союз, центральное здание автомобильного завода концерна BMW в Лейпциге, здания Аахинского университета и городской библиотеки Штутгарта, павильон Италии на выставке «Шанхай-Экспо 2010» в Китае, мечеть Аль-Азиз в Абу-Даби (ОАЭ), а также фонтаны, парковые скамейки и малые архитектурные формы и др. [10].

Таким образом, светопропускающий бетон «Ли-тракон», благодаря создаваемому им визуальному эффекту, способен преобразовывать восприятие зданий из бетона как легких и воздушных, а не как серых, тяжелых и мрачных.

В данном исследовании представлены технология изготовления и свойства «зеленых» декоративных бетонных изделий, пропускающих свет и не содержащих клинкерных вяжущих, а также светопроводящих оптических волокон. Это особая форма декоративного и светопроводящего «зеленого» бетона, обладающая достаточной прочностью, но при этом не требующая сушки изделий при высоких температурах. Таким образом, эта технология позволяет сэкономить 20–40% энергии во время производственного процесса, в результате чего получаемый продукт в виде тонких плиток и панелей имеет низкую цену, слитную структуру и гладкую поверхность, а также обладает длительным сроком эксплуатации. Использование разработанных декоративных плиток и панелей, пропускающих солнечный свет, помогает снизить потребление энергии в зданиях для их освещения, обеспечивая при этом креативные решения в части применения новых технологий архитектурного оформления. К сожалению, в настоящее время во Вьетнаме указанная технология изготовления светопропускающих бетонных изделий в промыш-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ленных масштабах не реализуется, но в то же время имеет хорошие перспективы развития.

Декоративный светопропускающий «зеленый» бетон — это новый декоративный продукт, разработанный на основе «зеленого» бетона с использованием бесцементных вяжущих композиций на основе многотоннажных техногенных отходов. Данный бетон исследуется нашим научным коллективом, начиная с 2021 года [1, 6, 11]. Учитывая полученные первоначальные результаты, мы ожидаем, что внедрение во Вьетнаме технологии получения «зеленого» декоративного светопропускающего бетона с использованием при этом многотоннажных отходов будет способствовать интересам общества и повышению уровня жизни.

Целью исследования является разработка составов и технологии изготовления обладающих достаточной прочностью светопропускающих бес-цементных бетонных изделий с использованием многотоннажных отходов в виде зол, шлаков, а также измельченных отходов производства стекла и сантехнических керамических изделий в сочетании с активирующим щелочным раствором и водоредуцирующим поликарбоксилатным суперпластификатором.

Для достижения указанной цели необходимо изучить возможность использования имеющихся во Вьетнаме многотоннажных отходов, пригодных для получения светопропускающих бетонов с целью выбора оптимальных сырьевых материалов и оценить потенциальные объемы подходящих для этого вторичных ресурсов.

В статье приведены результаты проведенной экспериментальной работы для решения поставленной задачи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалы

Для получения светопропускающего бетона использовались следующие сырьевые компоненты: – В качестве светопропускающего заполнителя применялись измельченные стекольные отходы (CO) с размером гранул 5÷10 мм и истинной плотностью 2,5 г/см3, соответствующие требованиям стандарта TCVN 7570:20061;

– В качестве тонкодисперсных активных минеральных добавок были использованы низкокальци-евая зола-унос ТЭС «Фа Лай» (ЗУ) с истинной плотностью 2,34 г/см3 и тонкомолотый доменный гранулированный шлак металлургического завода «Хоа Фат» (ДШ) с истинной плотностью

• 2,29 г/см³, соответствующие требованиям стандарта TCVN 10302:2014²;

  – В качестве тонкодисперсной инертной минеральной добавки был использован керамический порошок (КП) с размером частиц 0,1÷0,5 мм, получаемый дроблением брака сантехнических изделий, изготавливаемых во Вьетнаме на заводе фирмы «TOTO»;

  – Щелочной раствор, активирующий бесцементное вяжущее разработанного состава, состоял из водных растворов гидроксида и метасиликата натрия с плотностью, соответственно, 1,45±0,01 г/см³ и 1,55±0,01 г/см³ в соотношении Na₂SiO₃/NaOH = 2,5 [12, 13]. Его процентный состав по массе: NaOH = 12%; Na₂SiO₃ = 30% и вода = 58%.

  – Для снижения водопотребности бетонной смеси использовали поликарбоксилатный суперпластификатор SR 5000F производства фирмы «Silk Road» в виде водного раствора с плотностью 1,1 г/см³ при температуре 20±5 °С. Это суперпластификатор типа G, который соответствует требования стандарта TCVN 8826:2011³;

  – Вода затворения соответствовала нормативным требованиям стандарта TCVN 4506:2012⁴.

Внешний вид сырьевых материалов, использованных в данном исследовании, представлен на рис. 1.

Методы

Методология работы включала:

– Определение состава бетонных смесей расчетным методом абсолютных объемов;

– Среднюю плотность бетонов определяли на образцах – кубах размером 100×100×100 мм – согласно стандарту ТCVN 3115:20225;

– Естественную влажность бетонных образцов определяли по методике стандарта ТCVN 4196:20126;

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 1. Использованные сырьевые материалы

– Водопоглощение бетонных образцов определяли по методике стандарта ТCVN 3113:20227;

– Прочность на сжатие определяли испытанием бетонных образцов-кубов размером 100x100x100 мм в соответствии с требованиями ТCVN 3118:20228, а на растяжение при изгибе – на образцах-призмах размером 100х100х400 мм в соответствии с требованиями ТCVN 3119:20229;

– Светопропускающую способность бетонных изделий (Св) в процентах оценивали отношением площади их поверхности, занятой частицами стекла, к общей площади поверхности изделия по формуле:

Св = П/П0•100%, где П – площадь поверхности изделия, занятая частицами стекла, мм2; П0 – общая площадь поверхности изделия, мм2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предварительные составы бетонных смесей для получения светопропускающих бесцементных бетонов представлены в табл. 1.

Был получен «зеленый» бетонный продукт, обладающий достаточной прочностью и хорошей светопроницаемостью, способный создавать различные световые эффекты при внутренней и внешней отделке зданий светопрозрачными панелями, а также декоративными плитками. К тому же полученный светопропускающий бетон имеет гораздо более низкую цену, чем присутствующие на строительном рынке Вьетнама продукты с такой же функцией.

Традиционные бетонные технологии, большей частью используемые в настоящее время во Вьетнаме, не позволяют производить бетонные изделия, способные пропускать солнечный свет. Нашим научным коллективом разработана технология изготовления светопропускающих «зеленых» бетонных изделий, не содержащих цемента и светопроводящих оптических волокон, применение которых позволит

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 1. Составы бетонных смесей

№ состава Содержание сырьевых компонентов, кг/м3 ЗУ ДШ КП CO NaOH Na2SiO3 SR 5000F Вода Mix № 1 595 170 85 1105 85 213 8,5 198 Mix № 2 432 345 86 1122 86 216 8,6 199 Mix № 3 263 526 88 1140 88 219 8,8 201 Mix № 4 89 711 89 1156 89 223 8,9 202 создавать уникальные архитектурные декоративные и световые эффекты на различных строительных объектах (рис. 2).

Результаты испытаний образцов из разработанных декоративных светопропускающих «зеленых» бетонов, проведенных в строительной лаборатории Ханойского горно-геологического университета, показали, что:

– их естественная влажность колеблется от 4 до 6%, а водопоглощение изменяется от 6,5 до10% масс.;

– средняя плотность в сухом состоянии составляет 2200÷2400 кг/м3;

– прочность на сжатие достигает 40÷50 МПа, а на растяжение при изгибе – 11,5÷13 МПа.

Что касается светопропускающей способности разработанных бетонных изделий, то было установлено, что она определяющим образом зависит от площади, занимаемой частицами стекла на их поверхности, что, в свою очередь, определяется содержанием частиц стекла, а также их размерами. При этом, если использовать стекло разного цвета, то свет, проходящий сквозь изделие, дает более разнообразную цветовую гамму, что повышает декоративные свойства изделий. Светопропускающая способность полученных бетонных изделий, рассчитанная по приведенной выше формуле, находилась в пределах от 20 до 30%.

Технология производства светопропускающих «зеленых» бетонных изделий не требует наличия специальной инфраструктуры, машин и оборудования, и ее вполне можно реализовать на действующих бетонных заводах [14, 15]. При расширении до промышленных масштабов производства «зеленых» бетонных изделий, она будет способствовать утилизации большого количества твердых многотоннажных отходов, что будет вносить существенный вклад в охрану окружающей среды во Вьетнаме. В ближайшее время наш научный коллектив планирует продолжить работу для внедрения разработанной технологии на вьетнамских предприятиях, производящих изделия из бетонов, а также с целью привлечения внимания строительных фирм к использованию разработанных декоративных светопропускающих «зеленых» материалов благодаря их хорошему качеству и невысокой стоимости.

Рис. 2. Декоративные светопропускающие «зеленые» бетонные изделия

Разработанный «зеленый» полупрозрачный бетонный материал является новым продуктом для строительной индустрии Вьетнама, при этом не требующим сложной технологии изготовления, и представляет собой декоративный бетон, полученный без использования цемента и с добавлением светопроводящего заполнителя в виде измельченных стекольных отходов. «Зеленый» полупрозрачный бетон обладает способностью пропускать сквозь себя свет, что позволяет моделировать разнообразные декоративные цветовые акценты во внешней и внутренней отделке зданий различного назначения, а также создавать световые дорожки в парках, частично заменяя тем самым источники света, потребляющие электричество [16, 17].

На рис. 3 представлен пример практического применения разработанных бетонов в виде декоративной плитки для стен квадратной формы с длиной сторон 400, 300 и 200 мм и толщиной от 10 до 15 мм.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 3. Декоративная плитка для стен квадратной формы

Разработанная технология изготовления декоративных светопропускающих бетонных изделий в лабораторных условиях состояла из следующих операций [18–22]:

• 1.    Подготовки сырьевых материалов.

• 2.    Изготовления деревянных форм требуемых размеров.

• 3.    Приготовления высокоподвижной бетонной смеси, которое выполняли в следующем порядке: – смешивали золу-унос, тонкомолотый доменный гранулированный шлак и тонкоизмельченный керамический порошок в лабораторном смесителе для перемешивания порошковых компонентов с числом оборотов 100 об/мин. в течение 5 мин. для получения сырьевой композиции, обладающей вяжущими свойствами;

  – смешивали полученное вяжущее с измельченными стеклянными отходами, водным раствором суперпластификатора SR 5000F, активирующим щелочным раствором и остальной водой в двухвальном бетоносмесителе (мощность – 0,37 кВт; число оборотов – 150 об/мин.) до получения однородной бетонной смеси; продолжительность перемешивания составляла 5÷10 мин.

• 4.    Заполнения подготовленных форм бетонной смесью.

• 5.    Твердения бетонной смеси в формах в течение 5 суток в естественных условиях при температуре 25±5 °С и относительной влажности не менее 90% без тепловой обработки с периодическим увлажнением открытой поверхности изделий распыленной водой.

• 6.    Распалубки полученных изделий с последующей шлифовкой и полировкой их светопропускающих поверхностей.

В дальнейшем требуется продолжить исследования с целью адаптирования разработанной лабораторной технологии получения светопропускающих бетонных изделий к условиям промышленного производства во Вьетнаме.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного анализа современного состояния и дальнейших перспектив использования для строительства во Вьетнаме декоративных светопропускающих «зеленых» бетонов, изучения имеющейся потенциальной сырьевой базы для их получения в виде многотоннажных техногенных отходов и проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Разработаны составы декоративных бесцемент-ных и несодержащих светопроводящих оптических волокон бетонов, полученных с использованием многотоннажных золошлаковых отходов, керамического порошка «ТОТО» и измельченных стекольных отходов, обладающих достаточной прочностью, незначительным водопоглощением и хорошей светопропускающей способностью. Предложена технология получения из разработанных «зеленых» бетонов декоративных тонких панелей и плиток для стен, обладающих способностью пропускать солнечный свет и придающих архитектурную выразительность наружным стенам и внутренним интерьерам в жилых и общественных зданиях.

• 2.    Реализация во Вьетнаме разработанной технологии производства декоративных светопропускающих «зеленых» бетонных изделий с использованием зол, шлаков, керамического порошка и измельченных стекольных отходов не только позволит получать инновационный продукт, обладающий архитектурной выразительностью и эстетической ценностью, но и будет способствовать решению экологической проблемы защиты окружающей среды от загрязнения за счет утилизации многотоннажных отходов,

• 3.    Однако в настоящее время существует значительное количество препятствий на пути внедрения декоративных светопропускающих «зеленых» бетонных изделий в практику строительства во Вьетнаме. Поэтому существует актуальная потребность проведения дополнительных исследований и практических испытаний в этой области для их преодоления.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ принося тем самым огромную пользу всему обществу. Кроме того, использование декоративных светопропускающих «зеленых» материалов для частичной замены источников освещения, потребляющих электрическую энергию, послужит новым шагом вперед на пути более эффективного использования ограниченных ресурсов ископаемых источников энергии во Вьетнаме.