Проект политехников «Эффективные температуроотверждаемые экогеополимеры для дорожного строительства в условиях Арктической зоны РФ на основе отходов сжигания твёрдых топлив на местных ТЭЦ» в 2021 году был поддержан грантом Российского научного фонда.

Для России Арктика – это стратегически важный регион, потенциальный локомотив экономики. В настоящее время в Арктической зоне РФ (АЗРФ) расположены восемь ТЭЦ суммарной мощностью 862,5 МВт, которые в качестве основного топлива используют уголь. Наиболее крупные ТЭЦ Арктической зоны – Апатитская (Мурманская обл.) и Северодвинская (Архангельская обл.). На них и остановили своё внимание новочеркасские политехники.

Огромное количество накопленных и продолжающих накапливаться здесь золошлаковых отходов при практически исчерпанной ёмкости золоотвалов – эта проблема становится всё более очевидной.

Не менее очевидны и проблемы транспортной инфраструктуры АЗРФ, связанные с особенностями местных грунтов. Вечномёрзлые многолетние грунты содержат замерзшую воду и подвержены морозному пучению, то есть при переходе из талого состояния в мёрзлое они увеличиваются в объёме вследствие образования льда.

Итак, накопление золошлаковых отходов и дороги как стиральная доска. Как помочь решению двух этих проблем?

Группа учёных под руководством профессора Е.А. Яценко задумалась над этим вопросом и задалась целью разработать перспективную технологию синтеза пористых экогеополимерных температуроотверждаемых материалов на основе отходов сжигания ТЭЦ Арктической зоны России для дорожных строительных материалов, эксплуатируемых в условиях низких отрицательных температур.

Для этого было проведено исследование золошлаковых отходов ТЭЦ Арктической зоны, которое показало, что их отличие от уже хорошо знакомых нашим учёным отходов Новочеркасской ГРЭС незначительно.

- Мы всё время работаем в области силикатных материалов, но впервые взялись за тему, связанную с Арктической зоной, - рассказала о проведённой работе руководитель проекта Елена Яценко. - Здесь как нигде важна возможность с пользой утилизировать отходы непосредственно в том месте, где они «произведены». В результате проведённой нами работы мы смогли предложить ряд материалов: гранулированные – для дорожного строительства, а также представленные в виде геополимерных изделий – различного размера плит. Почему геополимеры? Здесь мы коснулись ещё одной проблемы, которая в тренде. Население Земного шара растёт. И если каждый человек оставляет свой углеродный след, то что можно говорить об углеродном следе целого производства?

Известно, что силикатные материалы хороши своей долговечностью, они не горючи, морозостойки, однако для их изготовления требуются высокие температуры. Поэтому нужно было разработать технологию производства силикатных материалов без высокотемпературных обжигов (т.е. без большого углеродного следа).

- Мы предложили вариант производства материалов без углеродного следа, когда материал не обжигается, а затвердевает и приобретает прочность при гидратном вспенивании, - поясняет Е.А. Яценко.

В зависимости от конструкционных требований и условий, предъявляемых потребителями к пористым геополимерам, возможно производить различные виды строительных материалов, отличающихся формой и техническими характеристиками (плотностью, предельной прочностью на сжатие, коэффициентом теплопроводности): теплоизоляционные плиты; конструкционно-теплоизоляционные блоки; заполнитель пористый для легких бетонов и теплоизоляционных засыпок (гранулы, щебень).

Сравнительная характеристика современных теплоизоляционных материалов (пористые геополимеры, плиты из минеральной ваты, экструдированный пенополистирол, пенополиуретан) показывает, что пористые геополимеры вполне конкурентноспособны.

Новочеркасские учёные предложили своё видение того, как можно усилить типовую конструкцию дорожной одежды с устройством теплоизоляционного слоя (в классическом и грузовом вариантах), а также представили схему усиления площадки земляного полотна железнодорожной насыпи, где в качестве теплоизоляционного слоя могут выступить те же пористые геополимеры.

Разнообразны варианты применения пористых геополимеров в строительстве, уверены новочеркасские политехники. Эти композитные материалы послужат теплоизоляции фундаментов, подвальных помещений, подземных трубопроводов и инженерных сетей, ледовых арен. Эффективной будет тепло- и шумоизоляция перекрытий, а также утепление заглубленных ёмкостей и подземных резервуаров.

Разработанная нашими химиками технология нашла отражение в научных статьях и монографии. Важно, что эта работа не закончена – она продолжается теперь в рамках лаборатории «Рециклинг отходов топливной энергетики». Базируясь на проведённых поисковых исследованиях, выполненных в рамках гранта Российского научного фонда, команда проекта нашла коллег за рубежом, среди них - профессор Индорского технологического университета Сандип Чаудхари, который согласился стать научным руководителем лаборатории. Была подана заявка на так называемый мегагрант по Постановлению Правительства РФ №220, наши химики выиграли его в 2022 году.

- Таким образом наше начальное исследование перетекло в более масштабные изыскания, - говорит Елена Альфредовна. - Мы теперь рассматриваем не только отходы частных ТЭЦ, ведь нужна технология, которая будет маштабируема и применима к любой станции. Нам уже известно, что в принципе все отходы теплоэлектростанций подходят для строительства – дорожного и малоэтажного - с точки зрения их экологической безопасности. К тому же мы стали рассматривать не только отходы сжигания угля, но и отходы добычи угля. Об объёмах таких отходов могут судить все, кто видел огромные терриконы вблизи шахт. Эти отвалы не только не улучшают ландшафт, но и выводят из севооборота плодородные земли.

Планов у команды разработчиков экогеополимеров много. В скором времени планируются к защите две кандидатские диссертации, «выросшие» на базе проведённых исследований.