Геополимеры — материалы, которые в перспективе могут стать альтернативой бетону. Их преимущество — больший срок сохранения пластичности смеси с последующим быстрым затвердеванием. Такой контролируемый процесс схватывания уменьшает риск деформаций и трещин и позволяет создавать объекты сложной геометрической формы. По прочности они сопоставимы с традиционным бетоном. А их производство значительно более экологично (в то время как производство бетона, по некоторым оценкам, ответственно за выделение 5-8% от всех выбросов углекислого газа в атмосферу).
Тем не менее, в строительстве геополимеры до сих пор широко не используются, поскольку процесс их затвердевания недостаточно изучен. Например, не хватает знаний о том, как на структуру и качество конечного материала влияют свойства исходных компонентов.
Исследователи из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (ИХС, филиал НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) определили, что скорость затвердевания геополимера и прочность получаемого материала зависят в первую очередь от формы частиц сырья.
Авторы сформировали образцы геополимеров из трех вариантов частиц размерами от 0,1 до 17 микрометров: в виде пластин, трубок и сфер. Оказалось, что частицы в форме трубок обеспечивают самую быструю полимеризацию: в этом случае раствор становился более плотным — подобным гелю — всего за 40 минут. Для сравнения, у частиц в форме сфер этот процесс занял 110 минут, а у пластин — 120 минут.
Кроме того, геополимеры на основе трубчатых частиц также оказались и самыми прочными. Они выдержали давление 85 мегапаскалей, что в полтора раза выше, чем у самого распространенного строительного бетона. Образцы на основе пластинчатых частиц не разрушились при давлении 56 мегапаскалей, а сферических — выдержали только 47. Различия в прочности связаны со структурой геополимеров: трубчатые частицы «укладываются» упорядоченным образом, помогая материалу выдерживать большие нагрузки.
Таким образом, изменяя форму частиц сырья, можно точно управлять скоростью затвердевания раствора, а также прочностью и структурой конечного геополимера. Это важно для получения материалов с предсказуемым и настраиваемым «поведением».
В дальнейшем мы планируем расширить наши исследования: создать долговечные и прочные геополимерные матрицы для захоронения радиоактивных отходов и получения строительных материалов для арктической зоны. Кроме того, мы будем работать над технологией получения геополимерных изделий с высокой прочностью и химической устойчивостью с использованием 3D-печати. Все исследования мы планируем проводить исключительно с использованием алюмосиликатного сырья отечественных месторождений. Это позволит нам в дальнейшем сформулировать предложения по вовлечению российского природного минерального сырья в получение новых материалов с заданными свойствами, — комментирует Ольга Голубева, руководитель проекта, заведующая лабораторией химии силикатных сорбентов ИХС.