На сегодняшний день основным конструкционным композитом является бетон, который представляет собой смесь воды и цемента. Для получения последнего используется местное сырье, а также отходы производства.
В Арктической зоне около посёлка Поморье Приморского района Архангельской области расположено крупнейшее коренное месторождение алмазов в Европейской части Российской Федерации, получившее имя М.В. Ломоносова и уникальное тем, что породы трубок практически полностью замещены глинистыми минералами, на 60-70% состоящими из сапонита. Из-за низкой скорости осветления сапонит-содержащей оборотной суспензии использование технологической воды в системе оборотного водоснабжения затруднено, что приводит к быстрому заполнению хвостохранилища отходами: ежегодно на месторождении, разработкой которого занимается ПАО «Севералмаз», складируется несколько миллионов тонн выбросов. Это требует огромных пляжей — площадей для хранения — и создает реальные угрозы экологическому благополучию территории.
Ученых Северного (Арктического) федерального университета им. М. В. Ломоносова заинтересовали адсорбирующие, гидроизоляционные и другие свойства сапонита, которые можно использовать в строительстве. «Глина - это один из лучших строительных материалов. Она способна регулировать атмосферу в помещении, если её правильно использовать. У нас в Архангельской области нет месторождений бентонитовых глин, но есть техногенное месторождение сапонитовых глин, которые относятся к бентонитовым. Их нужно применять как можно больше», - уверен заведующий кафедрой композиционных материалов и строительной экологии Высшей инженерной школы САФУ, д.х.н. Аркадий Михайлович Айзенштадт. Под его руководством исследователи занимаются реализацией проекта «Разработка новых конструкционных композиционных материалов при решении стратегической задачи комплексного использования минеральных ресурсов и техногенных отходов предприятий Арктической зоны». Для этого в университете есть все необходимые условия: лаборатории, оборудование, а также Уникальная научная установка «Физикохимия поверхности нанодисперсных систем» (ФХПНС), которая входит в научную инфраструктуру Российской Федерации и позволяет всесторонне изучать свойства и характеристики строительных материалов.
В 2021 году в рамках реализации мероприятия НОЦ «Российская Арктика» ученые поставили перед собой цель: выделить из оборотной воды обогатительной фабрики ПАО «Севералмаз» сапонит-содержащую твердую фазу и отработать опытно-промышленную технологию производства активной минеральной порошковой добавки для мелкозернистых бетонов.
На первом этапе они определили основные факторы, влияющие на эффективность процесса осветления оборотной воды. В обычных условиях высокодисперсные отложения обладают низкой седиментационной активностью и слабой водоотдачей, что требует специальных мероприятий по их принудительному осаждению. Методом электролитной коагуляции, вводя в реакционную смесь в качестве электролита коагулянта водный раствор хлорида магния, ученые сумели значительно ускорить процесс разрушения суспензии.
Затем была выделена твёрдая фаза суспензии оборотной воды с сапонит-содержащим осадком. Полученный таким образом материал является сырьем для получения активной минеральной добавки в вяжущие композиции. Исследователи оценили влияние механоактивации на активность сапонит-содержащего материала и испытали активность полученного минерального порошка. На заключительном этапе исследователи разрабатывали состав мелкозернистого бетона, определяли его прочность и морозостойкость.
По итогам работы были разработаны принципиальные основы технологии осветления суспензии, при которой концентрация взвешенных веществ в оборотной воде с 400 г/ л уменьшается до 20 г/л, что даёт возможность использовать остатки оборотной воды повторно, рациональнее расходуя природные ресурсы.
Также ученые разработали принципиальные основы технологии выделения сапонит-содержащей и определили состав мелкозернистого бетона с суперпластифицирующей порошковой добавкой на основе сапонит- содержащего материала.
В конструкционных композитах такая добавка выполняет несколько важных функций. Прежде всего, сапонит справляется с проблемой лишней влаги: поглощая её, он доводит водоцементное отношение до оптимального значения. Кроме того, обычный бетон твердеет не сразу: в нормальных условиях его выдерживают 28 суток. При избытке воды образуется много гидросиликатов, которые не позволяют реагировать всему цементу одномоментно. Сапонит же сначала сорбирует воду, а затем – в процессе твердения — её отдаёт, позволяя прореагировать всему материалу. «И третья функция, - добавляет Аркадий Михайлович, -- ненужные продукты гидратации цемента химически реагируют с активным сапонитом, образуя при этом дополнительные гидросиликаты в виде игл – тоберморит. Эти иглы пронизывают всю структуру, армируют её, придавая ей дополнительную жесткость, прочность». Помимо этого, сапонит содержит до 12% магния, известного своими антисептическими свойствами. Наконец, разработанный мелкозернистый бетон с сапонит-содержащей добавкой имеет морозостойкость не ниже F 150. Все эти характеристики позволяют использовать полученный конструкционный композиционный материал при возведении зданий и сооружений в Арктическом регионе.
На сегодняшний день задача исследователей - определить новые области применения сапонита, связанные с его теплоизоляционными свойствами и возможностью его использования в качестве альтернативы легким бетонам. Это значит, что отходы алмазного производства превратятся в новые, экологически чистые материалы.
