В процессе добычи угля извлекается много пустой породы, которая со временем накапливается в виде крупных насыпей, достигающих десятки метров в высоту. Такие отвалы, хранящиеся на территории угольных бассейнов, называются терриконами. Из-за остатков угля они могут самовозгораться и гореть годами, выбрасывая в атмосферу большие концентрации угарного газа, сероводорода и других токсичных веществ. Только из одного горящего отвала за сутки в среднем в воздух выделяется 4-5 тонн оксидов углерода и от 600 до 1100 килограмм сернистого ангидрида. Такие выбросы усиливают парниковый эффект, загрязняют воздушную и водную среду региона, а также вредят здоровью людей. Использование отходов угледобычи в качестве сырья для производства строительных материалов может стать эффективным решением проблемы их утилизации. Ученые Пермского Политеха изучили возможность применения террикоников как минеральных добавок для цемента и материалов на его основе. Предлагаемый подход способен на 21% повысить прочность строительного раствора по сравнению с составом без добавок.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 1, 2025. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Негативное влияние террикоников на окружающую среду снижают путем выравнивания искусственных холмов, озеленения и рекультивации земель, что требует больших финансовых затрат – рекультивация лишь одного террикона может стоить десятки миллионов рублей. Это зависит от целого ряда сложных технических, экологических и логистических факторов – от искусственного улучшения токсичной земли и борьбой с самовозгоранием, до доставки грунта, воды и техники на отдаленные шахтерские территории. Также реализовать такие методы возможно не на всех техногенных отвалах из-за плохой приживаемости растений.

Другим решением является применение отходов угледобычи в промышленности. Они представляют собой смесь глины с небольшим включением угля, алюминия, кремния и железа. Поэтому перспективно их вторичное использование с отделением полезных соединений и применением в сплавах, углеудобрениях, асфальте и различных строительных материалах.

Ученые Пермского Политеха предложили ранее неизученный подход по применению террикоников в качестве минеральной добавки для портландцементов и материалов на их основе, в частности, бетонов.

Такое решение эксперты проверяли на примере территории Кизеловского угольного бассейна, на которой объем техногенных отходов оценивается в 13 миллионов кубических метров.

Минеральные добавки в составе портландцемента и цементных бетонов придают материалам специальные свойства – повышают их прочность, водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие. А также позволяют сэкономить природное сырье и увеличить объем производства за счет разбавления основного состава. Применение террикоников в качестве минеральных добавок решит сразу два вопроса: экологическую проблему на территории угольных бассейнов и проблему ресурсо- и энергосбережения при производстве цемента.

Политехники отобрали пробы породы горелых и не горелых террикоников, изучили их химический и минералогический состав, а затем провели эксперимент по замене в составе раствора портландцемента террикоником в количестве 10, 20 и 30%.

– Химический состав террикоников мы определяли флуоресцентным рентгеноспектральным методом, а минералогический состав – методом экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа. Результаты показали, что горелый терриконик состоит преимущественно из кварца, а не горелый из каолинита и кварца с включениями угля. Наличие в последнем каолинита говорит о возможности его использования в качестве активной минеральной добавки после предварительного обжига, так как при этом проявляется высокая пуццоланическая активность материала – способность реагировать с хорошо растворимыми щелочами, образующимися при твердении портландцемента, с последующим образованием плохо растворимых низкоосновных гидросиликатов кальция, – объясняет Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для получения минеральной добавки эксперты измельчали частицы до 0,08 мм. Не горелый терриконик после этого обжигали в лабораторной муфельной печи при температуре 700°С в течение 2 часов.

– Для оценки эффективности использования добавки терриконика мы приготовили цементный раствор, состоящий из одной части портландцемента типа ЦЕМ I 42,5Н и 3 частей монофракционного кварцевого песка. В итоге у нас получился 1 контрольный состав без терриконика и по 3 состава с горелым и не горелым террикоником, которых мы заменяли 10, 20 и 30% портландцемента. Из этих составов формовали образцы-балочки, которые затем твердели 28 суток в нормальных условиях, а также в условиях тепловлажностной обработки. После твердения образцы испытывали на изгиб и на сжатие, – рассказывает Степан Леонтьев.

Сравнивая прочность разных образцов политехники определили эффективность использования терриконика в качестве минеральной добавки, а также его оптимальную дозировку.

– Результаты показали, что замена до 30% цемента горелым террикоником совсем незначительно сказывается на его прочности. Тогда как замена 20% цемента не горелым террикоником на 21% повышает прочность раствора по сравнению с бездобавочным составом. Это говорит о принципиальной возможности использования отходов угледобычи в качестве минеральных добавок для цемента и материалов на его основе, – комментирует Степан Леонтьев.

Решение, предложенное учеными Пермского Политеха, позволит значительно уменьшить количество техногенных отвалов на территории угольных бассейнов, что снизит нагрузку на окружающую среду.