Угольный шлак — это побочный продукт, образующийся при сжигании угля на тепловых электростанциях и в других промышленных установках. В большинстве случаев этот материал не используется повторно, а складируется в отвалах и на специальных полигонах. При длительном хранении шлак оказывает негативное воздействие на окружающую среду, способствуя загрязнению почвы, воздуха и водных ресурсов.

Проблема утилизации отходов тепловых электростанций является одной из наиболее актуальных экологических задач современной энергетики. Ежегодно на территории Российской Федерации образуется более 30 млн т материалов угольного шлака, при этом уровень их утилизации не превышает 10–15 % [1]. Накопление данных отходов в отвалах приводит к отчуждению значительных земельных площадей и создает серьезную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является использование угольного шлака в качестве компонента при производстве цемента. Применение шлака в цементной промышленности позволяет не только решить вопросы утилизации отходов, но и снизить потребление природного сырья, уменьшить энергозатраты на производство и сократить выбросы углекислого газа в атмосферу [2].

Целью настоящего исследования является разработка оптимального состава цемента на основе угольного шлака ТЭС с содержанием шлакового компонента в диапазоне 15–35 % и оценка его экологической эффективности.

Проведение опытов

В рамках осуществления научной работы, студенты Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) выполняли опыты с помощью оборудования Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН), с целью определения физико-химических свойств угольного шлака.

Материалы и методы исследования

В качестве исходных материалов использовался угольный шлак Рефтинского предприятия, характеризующийся следующим химическим составом: SiO₂ — 48–52 %, Al₂O₃ — 22–26 %, Fe₂O₃ — 8–12 %, CaO — 3–5 %, MgO — 2–3 %. Согласно классификации отходов, угольный шлак относится к IV классу опасности и является малоопасным материалом [3].

Для активации вяжущих свойств угольного шлака применялась механохимическая активация совместно с щелочными активаторами. Помол шлака осуществлялся в шаровой мельнице до удельной поверхности 3500–4000 см²/г. В качестве активаторов использовались растворы гидроксида натрия и жидкого стекла с модулем 2,8–3,0.

Экспериментальные составы цемента готовились с различным содержанием угольного шлака: 15 %, 20 %, 25 %, 30 % и 35 % от массы вяжущего [4]. Остальная часть состояла из портландцементного клинкера и гипса (3–5 %) в таблице 1.

Таблица 1

Экспериментальные составы и их целесообразность

Использование шлака как активной минеральной добавки (пуццолановая реакция) заменяет часть клинкера, снижая зависимость от дорогостоящего природного сырья и энергозатрат [5].

Проведенные исследования показали, что введение угольного шлака в состав цемента в количестве 15–35 % оказывает существенное влияние на его технологические и экологические характеристики. При содержании шлака до 25 % наблюдается незначительное снижение ранней прочности цемента (на 10–15 % в возрасте 3 суток), которое компенсируется в поздние сроки твердения за счет пуццолановой активности шлакового компонента.

Выводы

Оптимальное содержание шлакового компонента составляет 20–25 %, что обеспечивает получение цемента марки М400 при существенном снижении экологической нагрузки на окружающую среду.

Внедрение разработанной технологии позволит решить комплекс экологических проблем: утилизировать накопленные отходы угольной промышленности, сократить потребление природных ресурсов, снизить выбросы парниковых газов и уменьшить энергозатраты на производство цемента. При масштабном внедрении данной технологии возможно ежегодно утилизировать до 5–7 млн т угольного шлака, что существенно улучшит экологическую обстановку в регионах расположения крупных ТЭС. Дальнейшее исследование продолжается, в будущем предполагается внедрение новых компонентов смеси для улучшения состава.

Литература:

1. Чурашев В. Н., Маркова В. М. Остаться нельзя уйти: к вопросу о развитии угольной генерации в России // ЭКО. 2019. № 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ostatsya-nelzya-uyti-k-voprosu-o-razvitii-ugolnoy-generatsii-v-rossii (дата обращения: 25.09.2025).
2. Мирошникова Ю. В., Мирошникова О. В., Классен В. К. Влияние введенных в сырьевой шлам углеотходов на качество цементного клинкера // Вестник БГТУ имени В. Г. Шухова. 2016. № 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vvedennyh-v-syrievoy-shlam-ugleothodov-na-kachestvo-tsementnogo-klinkera (дата обращения: 25.09.2025).
3. Пономарева А. А., Самуйлова Е. О., Лесных А. В., Топливно-энергетические ресурсы — СПб: Университет ИТМО. — 2021. — 107 с.
4. Данилович И. Ю., Сканави Н. А. Использование топливных шлаков и зол для производства строительных материалов: Учеб. пособие для СПТУ. — М.: Высш. шк. — 1988. — 72 с.
5. Черкасова Т. Г., Черкасова Е. В., Тихомирова А. В., Пилин М. О., Баранцев Д. А. Анализ отходов угледобычи, углепереработки и углеобогащения месторождений Кузнецкого угольного бассейна // Вестник КузГТУ. 2022. № 6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-othodov-ugledobychi-uglepererabotki-i-ugleobogascheniya-mestorozhdeniy-kuznetskogo-ugolnogo-basseyna (дата обращения: 25.09.2025).