Байгаль орчныг хамгаалах, тогтвортой хөгжлийг хангах шаардлага улам бүр нэмэгдэж буй өнөөгийн нөхцөлд барилгын салбарын өмнө шинэ төрлийн барилгын эко материал гарган авах, мөн одоо хэрэглэгдэж буй материалуудын ашиглалтын болон техникийн үзүүлэлтийг сайжруулах нь өргөн цар хүрээтэй боловч зайлшгүй шийдвэрлэх шаардлагатай сорилт болж байна.
Ердийн портландцемент нь хот суурин газрын бүтээн байгуулалт, дэд бүтцийн хөгжилд өргөнөөр хэрэглэгдэж, улмаар хүн амын амьдралын чанарыг дээшлүүлэхэд чухал хувь нэмэр оруулсаар ирсэн боловч түүний үйлдвэрлэлийн процесс нь дэлхийн хэмжээнд ялгарч буй нийт нүүрстөрөгчийн ялгарлын ойролцоогоор 8%-ийг бүрдүүлдэг учраас уур амьсгалын өөрчлөлтөд нөлөөлөх томоохон эх үүсвэрүүдийн нэг болсон гэдгийг бид бүхэн мэднэ. Үүний үндсэн шалтгаан нь шохойн чулууг задлахад их хэмжээний эрчим хүч зарцуулдаг бөгөөд шатаах процесс өндөр температурт явагддагтай холбоотой билээ.
Зураг 1. Дэлхийн нийт хүлэмжийн хийн ялгаруулалтанд цементийн үйлдвэрлэлийн оруулж буй хувь нэмэр
Дэлхийн хэмжээнд жилд дунджаар 4.0 - 4.2 тэрбум тонн цемент (үүний дийлэнх хувийг портландцемент болон түүний дээр суурилсан холимог цемент эзэлдэг) үйлдвэрлэгдэн хэрэглэгдэж байгаа бөгөөд энэхүү хэрэглээ улам бүр өсөн нэмэгдэх хандлагатай байна.
Илүү тогтвортой, байгаль орчинд ээлтэй барилгын материал гарган авах судалгааны ажлын хүрээнд цахилгаан станцын үнс, шаарга болон каолинит зэрэг үйлдвэрийн хаягдал, алюмосиликат түүхий эдэд суурилсан геополимер нь уламжлалт цементийн ирээдүйтэй хувилбар гэгдэж байна. Сүүлийн үеийн олон улсад хийгдэж буй судалгааны бүтээлүүдээс үзэхэд метакаолин суурьтай геополимер нь бат бөх чанар болон экологийн ач холбогдлын хувьд зарим хэрэглээнд портландцементийг орлох өндөр боломжтойг харуулж байна. Үүний үндсэн шалтгаан, давуу талуудыг 1-р зурагт нэгтгэн үзүүлэв.
Зураг 2.Геополимер материалын үндсэн давуу талууд
Геополимерууд нь геополимержилт гэж нэрлэгдэх процессын явцад силикат болон алюминатын мономерууд тасалгааны температурт эсвэл өндөр температурын нөхцөлд поликонденсацийн урвалд орсноор үүсэх органик бус полимер материал юм. Тэдгээрийг нийлэгжүүлэх технологи нь харьцангуй энгийн бөгөөд нарийн төвөгтэй, өндөр түвшний тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаггүй байна. Үндсэндээ алюмосиликат эх үүсвэр бүхий түүхий эдийг шүлтлэг идэвхжүүлэгч уусмалтай холих, улмаар үүссэн бүтээгдэхүүнийг тохиромжтой нөхцөлд бэхжүүлэн боловсруулж геополимер материал гарган авдаг байна.
Метaкаолин нь эрдэс нэмэлттэй эрдсэн барьцалдуулах материалын дотроос онцгой шинж чанартай материалд тооцогддог. Үйлдвэрийн ердийн дайвар бүтээгдэхүүн болон байгалийн гаралтай бусад эрдэс нэмэлтээс ялгаатай нь метакаолин нь шаварлаг эрдэс болох каолинитын усгүйжсэн хэлбэр юм.
Зураг 3. Метакаолин суурьтай геополимер материал
Метaкаолиныг үндсэндээ каолинит агуулсан шаврыг 600–900°C температурт 7-8 цагийн хугацаанд дулааны боловсруулалтанд оруулах замаар гарган авдаг. Энэхүү дулааны боловсруулалт нь материалын өнгийг жигдрүүлж, идэвхгүй хольцыг зайлуулахаас гадна ширхэглэлийн шинж чанарыг оновчтой болгоход нөлөөлдөг байна.
Каолинитын метакаолин болж хувирах процессыг дараах урвалаар илэрхийлж болно. Үүнд:
Метaкаолин үүсэх энэхүү хувирал нь харьцангуй нам температурт явагддаг бөгөөд нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO2) бус, усны уур ялгаруулдгаараа уламжлалт цементийн үйлдвэрлэлийн процессоос зарчмын хувьд ялгаатай юм.
Зураг 4. Метаколин суурьтай барьцалдуулах материалыг бетонд ашиглах боломжтой
Зарим судлаачдын үзэж байгаагаар метакаолинд суурилсан цементийг тодорхой хувь хэмжээгээр ашиглах үед портландцементийн үйлдвэрлэлтэй харьцуулахад үйлдвэрлэлийн өртөг болон эрчим хүчний зарцуулалт нь 45%-70%-иар буурах аж. Энэ нь метакаолинд суурилсан эрдсэн барьцалдуулах материал нь барилгын салбарын байгаль орчны ачааллыг бууруулах, тогтвортой хөгжлийг дэмжих өндөр боломжтой материал болохыг харуулж байна.
Геополимер зуурмагийн найрлагыг метакаолин, натрийн силикат болон натрийн гидроксидыг тодорхой харьцаагаар авч бэлтгэдэг байна. Шингэн/хатуу фазын харьцааг тооцохдоо шингэн фазад натрийн гидроксид болон натрийн силикатын уусмалд агуулагдах нийт усны хэмжээг, харин хатуу фазад хэрэглэсэн метакаолины хэмжээнээс гадна натрийн гидроксид болон натрийн силикатын уусмал дахь хатуу бодисын хэмжээг тус тус тооцож гаргадаг аж.
Натрийн силикатыг цахиурын модуль өндөртэй (SiO2/Na2O=4), мөн мономер хэлбэрийн силикат төрлүүдийн эзлэх хувь өндөртэй байхаар сонгох нь үр дүнтэй байдаг байна. Түүнчлэн натрийн силикатыг иэхвчилэн уусмал хэлбэрээр ашигладаг. Учир нь хатуу төлөвтэй натрийн силикат нь өрөөний температурт усанд уусах чадвар багатай бөгөөд силикат төрлүүдийн деполимержилтыг явуулахад натрийн гидроксид нэмэлтээр зарцуулагдахаас зайлсхийх шаардлагатай байдаг ажээ.
Геополимержилтийн процесст холих дараалал нь эцсийн бүтээгдэхүүний бүтэц, боловсруулагдах чанар болон механик шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг чухал хүчин зүйл юм. Холих хугацаа болон дарааллын талаар хийгдсэн өмнөх судалгаанууд хэд хэдэн чухал үр дүнг харуулж байжээ. Тухайлбал, холих хугацааг 1 минутаас 10 минут хүртэл нэмэгдүүлэхэд гарган авсан геополимерийн боловсруулагдах чанар болон механик шинж чанар хоёулаа сайжирдаг болохыг судлаачид тогтоосон байна. Мөн зарим судлаачид түүхий эд болон шүлтлэг идэвхжүүлэгч уусмалын хооронд хангалттай харилцан үйлчлэл үүсэхийг хангахуйцаар холих дарааллыг оновчтой сонгох нь геополимерийн механик шинж чанарыг дээшлүүлэхэд чухал үүрэгтэй болохыг онцолсон байна. Холих дарааллын нэг жишээг дараах зургаар үзүүллээ.
Зураг 5. Метакаолин суурьт геополимер зуурмаг бэлтгэх холих дараалал
Эхний шатанд натрийн гидроксидын уусмалыг бэлтгээд дараа нь натрийн силикатын уусмалыг нэмээд тодорхой хугацаанд хутгаж шүлтлэг идэвхжүүлэгч уусмал бэлтгэдэг. Ингэж бэлтгэсэн уусмалыг битүүмжилж, хэрэглэхийн өмнө тасалгааны температур хүртэл хөргөнө. Үүний дараа бэлтгэсэн шүлтлэг идэвхжүүлэгч уусмал дээр гарган авсан метакаолиныг нэмж, геополимер зуурмагийг гарган авдаг байна. Энэ дараалал нь үндсэн түүхий эд болох метакаолин ба шүлтлэг идэвхжүүлэгчийн хоорондын харилцан үйлчлэлийг жигд хангаж, геополимержилтийн урвал тогтвортой явагдах нөхцөлийг бүрдүүлэх ач холбогдолтой ажээ.
Хэрэв метакаолиныг (жишээлбэл, METAPOR зэрэг үйлдвэрийн бүтээгдэхүүн) уламжлалт бетон болон зуурмагт пуццолан эрдэс нэмэлт болгон хэрэглэж, цементийн агууламжийн тодорхой хэсгийг ихэвчлэн 10–15%-иар орлуулахад, бетоны бат бэхийн үзүүлэлт дараах байдлаар өөрчлөгддөг байна.
Цементийн гидратацийн явцад үүссэн портландит [Ca(OH)₂]-тай метакаолин пуццоланы урвалд орсноор нэмэлт кальцийн силикат гидрат (C–S–H) фазууд үүсдэг. Үүний үр дүнд цементэн матрицын бичил бүтэц нягтарч, материалын бат бэх болон нягт бүтэц мэдэгдэхүйц сайжирдаг байна.
Ашигласан цементийн төрөл болон бетон хольцын найрлагаас хамааран C30/37 ангиллаас эхлээд өндөр бат бэхтэй бетон (> C55/67) хүртэлх шахалтын бат бэхийн ангилалд хүрэх боломжтой аж. Цайвар өнгөтэй, өндөр бат бэхтэй бетоны лабораторийн туршилтуудад метакаолины нэмэлт нь цементэн матрицын бүтцийг маш нягт, өндөр даацын чадвартай болгон бэхжүүлж, шахалтын бат бэхийг хэдэн арван МПа-аас 100 МПа-аас давсан түвшин хүртэл нэмэгдүүлэх боломжтойг харуулсан байна.
Харин портланд цементийг бүрэн хэрэглэхгүйгээр, метакаолиныг шүлтлэг уусмалаар (жишээлбэл, шингэн шил буюу натрийн силикат, эсвэл натрийн гидроксидын уусмал) идэвхжүүлэн барьцалдуулах систем үүсгэвэл ийм материалыг геополимер гэж нэрлэнэ.
Харин цемент огт хэрэглэхгүй цэвэр метакаолин суурьтай, их хэмжээний хольцгүй, сайжруулан гаргаж авсан геополимерууд нь 28 хоногийн дараа 40-60 МПа бат бэхийг төвөггүй үзүүлж чаддаг бол 75%-ийн метакаолин болон 25%-ийн дахин боловсруулсан материалаас бүрдсэн хольц нь барилгын талбайн нөхцөлд ойролцоогоор 30 МПа шахалтын бат бэхэд хүрдэг байна. Энэ нь өнөөгийн орон сууцны барилгад ашиглагддаг ердийн бетоны (C25/30) бат бэхтэй дүйцдэг ажээ.
Иймээс метаколин суурьтай материалууд нь байгаль орчинд ээлтэй, ногоон барилгын материал болон хөгжиж байна.
Г.Саран, ШУТИС-ийн Материал судлалын төвийн захирал, дэд профессор, доктор (Ph.D),
Р.Долгоржав, ШУТИС, Хэрэглээний шинжлэх ухааны сургуулийн ХИТ-ийн ахлах багш, доктор (Ph.D), МУ-ын мэргэшсэн инженер
Сэтгэгдэл