Инновационный подход к утилизации отходов угледобычи: минеральные добавки для строительных материалов

Проблема утилизации пустой породы, образующейся при добыче угля, актуальна для многих регионов России. Терриконы — искусственные насыпи из отходов угледобычи — не только занимают обширные территории, но и становятся источниками токсичных выбросов. Из-за остатков угля они могут самовозгораться и гореть годами, выделяя в атмосферу оксиды углерода, сероводород и другие вредные вещества. Только один горящий террикон ежедневно выбрасывает до 5 тонн CO₂ и более тонны сернистого ангидрида, усугубляя парниковый эффект и загрязняя окружающую среду.

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) предложили инновационное решение — использовать отвалы угледобычи в качестве минеральной добавки для портландцемента и бетона, что не только снизит экологическую нагрузку, но и повысит прочность строительных материалов.

Ученые обнаружили, что отвалы угледобычи можно не просто утилизировать, а превратить в ценный строительный материал. В ходе масштабного исследования, проведенного на территории Кизеловского угольного бассейна, где объем техногенных отходов достигает впечатляющих 13 миллионов кубометров, специалисты тщательно изучили состав терриконов. Особый интерес для ученых представляли не горелые терриконы, которые, как выяснилось, содержат каолинит и кварц с небольшими угольными включениями. После серии экспериментов исследователи установили, что если измельчить эту породу до состояния мелкого порошка (фракция менее 0,08 мм) и подвергнуть термической обработке при температуре 700 градусов в течение двух часов, материал приобретает удивительные свойства. Он начинает проявлять так называемую пуццоланическую активность - способность значительно усиливать прочность цементных смесей.

От отходов к ресурсам: как терриконы становятся частью цемента

Сейчас традиционные методы рекультивации терриконов, такие как выравнивание и озеленение, требуют колоссальных затрат - на восстановление всего одного отвала могут уйти десятки миллионов рублей. При этом они далеко не всегда эффективны, так как на токсичной почве плохо приживаются растения. Новый метод пермских ученых предлагает гораздо более рациональный подход, превращая проблемные отходы в ценный ресурс.

Альтернативой стало вторичное использование отходов. Терриконы содержат алюминий, кремний, железо и другие элементы, которые могут улучшать свойства строительных смесей. Исследователи ПНИПУ изучили химический и минералогический состав горелых и не горелых отвалов Кизеловского угольного бассейна. Практические испытания показали впечатляющие результаты. Когда ученые заменили 20% обычного портландцемента подготовленным таким образом материалом из терриконов, прочность строительного раствора увеличилась на целых 21% по сравнению с традиционными составами. При этом горелые терриконы, состоящие преимущественно из кварца, тоже могут найти применение, хотя их эффективность оказалась несколько ниже.

Как поясняет Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, не горелые терриконы состоят из каолинита и кварца с включениями угля, а горелые — преимущественно из кварца. После обжига не горелые отвалы приобретают пуццоланическую активность, то есть способность усиливать прочность цемента за счет реакции со щелочами.

Эксперимент: насколько прочнее становится цемент?

Для испытаний ученые заменили часть портландцемента (10%, 20% и 30%) измельченным террикоником. Частицы предварительно размалывали до 0,08 мм, а не горелые отвалы дополнительно обжигали при 700°C в течение 2 часов.

Результаты показали:

• Замена до 30% цемента горелым террикоником почти не влияет на прочность.
• Добавление 20% не горелого отвала повышает прочность раствора на 21% по сравнению с обычным составом.

Это открытие имеет огромное значение сразу в нескольких аспектах. Во-первых, оно предлагает реальный способ решения давней экологической проблемы, позволяя сократить объемы опасных отвалов. Во-вторых, технология позволяет создавать более прочные и долговечные строительные материалы. И в-третьих, что особенно важно для промышленности, она дает возможность существенно экономить дорогостоящее цементное сырье.

Работа, выполненная в рамках программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030" и опубликованная в научном сборнике "Химия. Экология. Урбанистика", открывает новые перспективы для угледобывающих регионов. Ученые продолжают исследования, изучая возможность применения переработанных терриконов в других видах строительных материалов и в различных климатических условиях. Это яркий пример того, как современная наука может находить неожиданные и эффективные решения давних промышленных и экологических проблем.