CC BY
18
УДК 691:502
Н.И. КОЖУХОВА, инженер, И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-мин. наук, В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Оценка биопозитивности геополимерных вяжущих на основе низкокальциевой золы-уноса
Возрастающая утилизационная роль отрасли строительных материалов, вызванная интенсификацией использования техногенного минерального сырья, представляющего собой отходы металлургии (доменные и сталелитейные шлаки), энергетики (золы-уноса), горнодобывающей промышленности и других отраслей, способствует существенному снижению техногенного прессинга на экосферу среды обитания и жизнедеятельности в системе человек — материал — среда обитания [1].
Однако техногенные отходы, являющиеся продуктом глубокой переработки природного минерального сырья, особенно с высокотермальными этапами их технологической истории, способны концентрировать низкокларковые, как правило, тяжелые элементы в химически несвязанной форме. Строительные материалы, изготовленные на основе такого техногенного сырья, могут оказывать различные виды негативного воздействия (канцерогенное, аллергенное и др.) на биологические индивиды. В связи с этим актуализируется требование к биологической позитивности техногенного минерального сырья и материалов на его основе.
В особой степени это относится к новым видам вяжущих — геополимерам, получаемым при щелочной активации алюмосиликатного сырья. Эти вяжущие представляют собой перспективный класс наноструктурирован-ных материалов, имеющих перспективы применения в композиционных материалах как альтернатива портландцементу. Одним из применяемых для получения геополимерных вяжущих техногенного алюмосиликатного сырья является низкокальциевая зола-уноса ТЭЦ, получаемая как отход при сжигании каменного угля [2, 3].
Цель данного исследования — сравнительный анализ степени экологической безопасности геополимерного вяжущего на основе золы-уноса ТЭЦ и традиционного цементного вяжущего. Для проведения эксперимента применена методика фитотестирования вяжущих на основе техногенного сырья на семенах высших растений. Используемый, в настоящей работе фитотест является унифицированным методом, в соответствии с которым установление класса опасности и уровня безвредности отхода по фитотоксическому действию осуществляется по определенным параметрам фитотоксичности [4].
Для проведения сравнительного анализа в качестве исследуемых материалов использовали цементное вяжущее, твердевшее в стандартных условиях (ЦВ), гео-
полимерное вяжущее, подвергнутое в процессе твердения температурной обработке при 80оС (ГВ 80) и твердевшее при комнатной температуре (ГВ 25).
В качестве исходных материалов использовали портландцемент ЦЕМ1 42,5 и золу-уноса ТЭЦ. В качестве исходного экспериментального материала использовали образцы вяжущих в возрасте 28 сут.
Пробоподготовку исследуемых материалов проводили в соответствии с методическими рекомендациями [4]. Перед началом испытания образцы вяжущих были измельчены до грубодисперсного состояния. Для определения диапазона фитотоксического действия приготовлены рабочие растворы путем последовательного разбавления нативных экстрактов вяжущих дистиллированной водой в соотношениях 1:10, 1:100 и 1:1000.
В качестве контрольной среды для проращивания тест-культуры использовали дистиллированную воду.
Для полученных рабочих растворов были определены значения рН на различных стадиях их выдержки (см. таблицу).
Рабочие растворы выдерживали в течение 2 сут, затем помещали в чашки Петри (по 5 мл каждого раствора) с фильтровальной бумагой по всей поверхности дна, совместно с тест-культурой. В качестве последней были использованы неповрежденные семена овса (по 25 зерен для каждой пробы) с предварительно определенной всхожестью, составляющей не менее 95%. После приготовления образцы помещались в термостат на 7 сут.
В течение всего эксперимента было осуществлено два контрольных замера* в возрасте 3 и 7 сут.
Проявление степени фитоэффекта на тест-культуре в зависимости от используемого экстракта вяжущего представлено на рис. 1.
На основании визуального оценивания можно предположить, что наиболее благоприятной средой для прорастания зерен тест-культуры является водный раствор ГВ 80.
Для расчетной оценки фитоэффекта исследуемых материалов использована методика, основанная на экспериментально установленной зависимости величины фитотоксического эффекта от степени разбавления водного экстракта. В качестве выходного параметра выступает величина Ет (эффект торможения), рассчитываемая по формуле:
Возраст ЦВ ГВ 80 ГВ 25 Контроль
1:10 1:100 1:1000 1:10 1:100 1:1000 1:10 1:100 1:1000
1 ч 10,69 9,58 8,72 10,73 9,52 8,63 10,9 9,74 8,78 6,7
7 сут 10 - - 10,95 - 11,1 - - 6,7
Под контрольным замером в данном случае понимается измерение длины корней и проростков зерна тест-культуры, причем измерение должно осуществляться для максимально длинных порослей.
научно-технический и производственный журнал
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
ноу
ЦВ ГВ 80 ГВ 25 Контроль
Рис. 1. Интенсивность прорастания тест-культуры в различных видах экстракта. Разбавление 1:100, 7 сут
1:10 1:100 1:1000 Рис. 2. Интенсивность прорастания зерен тест-культуры в зависимости от концентрации водного раствора ГВ 80
Ет= 1к\1оп -100%, ьк
где Ьк — средняя длина корней тест-культуры в рабочем растворе (мм), а Хоп — средняя длина корней тест-культуры в контрольном растворе (мм).
На основании полученных результатов можно сделать вывод о снижении эффекта торможения развития семян тест-культуры с увеличением степени разбавления. Кроме этого, геополимерное вяжущее с температурной обработкой в процессе твердения, при прочих равных условиях с другими исследованными образцами вяжущих, имеет минимальную степень фитотоксично-сти. Немного хуже показатели для цементного вяжущего и далее — для геополимерного, твердевшего в естественных условиях.
Необходимо заметить, что значение фитотоксично-сти для образца геополимерного вяжущего ГВ 80 не превышает порогового показателя уже на втором разбавлении (1:100). При этом фитотоксическое действие всех исследованных образцов отсутствует на третьем разбавлении (1:1000). Последнее согласно [4] свидетельствует о минимальной степени токсикогенного воздействия на среду обитания биологических сообществ и человека.
Следует отметить, что расчетный способ оценки фи-тотоксичности дает усредненную характеристику влияния той или иной среды, учитывая лишь длину корня наиболее активного зерна тест-культуры. Поэтому независимо от расчетных данных целесообразно проводить визуальную оценку фитотоксичности исследуемых экстрактов.
Так, несмотря на различные значения фитоэффекта для ГВ 80, где наибольшая эффективность прорастания отмечается для экстракта 1:1000, активность зерен тест-
культуры в большей степени проявляется с использованием экстракта 1:100 (рис. 2).
Таким образом, из полученных данных следует, что геополимерные вяжущие на основе техногенного сырья — низкокальциевой золы-уноса ТЭЦ не обладают повышенными показателями токсичности. Сравнительная оценка степени фитоэффекта показала, что эффект торможения для цементного вяжущего выше в сравнении с аналогичным показателем для геополимерного вяжущего. При этом следует отметить экологическую целесообразность использования термообработки геополимерного вяжущего в процессе его твердения.
Полученные результаты позволяют рассматривать низкокальциевые золы-уноса ТЭЦ как техногенное сырье с высокой степенью биопозитивности для производства строительных материалов на основе геополимерных вяжущих.
Ключевые слова: техногенное сырье, зола-уноса ТЭЦ, геополимерное вяжущее, фитотоксичность.
Список литературы
1. Лесовик В.С. Геоника. Предмет и задачи. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. 213 с.
2. Bakharev T. Geopolymeric materials prepared using Class F fly ash and elevated temperature curing // Cement and Concrete Research. 2005. № 35 (6). Pp. 1224-1232.
3. Palomo A., Grutzeck M.W., Blanco M.T. Alkali activated fly ashes: a cement for the future // Cem. Concr. Res. 1999. № 29 (8). Pp. 323-1329.
4. Методические рекомендации. МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности.
научно-технический и производственный журнал
