RENTGENOGRAPHIC ANALYSES OF BINDINGS AND FILLERS OF FOAM ASH CONCRETE

УДК 666.973.6

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследования минералогического и фазового состава основных сырьевых компонентов, используемых для производства пенозолобетона: портландцемента, золы-уноса ТЭС и кварцевого песка. Исследования проводились методом рентгенодифракционного анализа (XRD) на дифрактометре Rigaku MiniFlex. Для повышения достоверности результатов все образцы были предварительно высушены, измельчены и просеяны через сито с размером ячеек 0,08 мм.

Установлено, что кварцевый песок характеризуется высоким содержанием кристаллической фазы кварца (SiO₂), что подтверждает его инертный характер и эффективность в качестве мелкого заполнителя. Результаты анализа золы-уноса показали наличие кварца, муллита и незначительного количества гематита, а также значительной доли аморфной алюмосиликатной составляющей. Выявленная аморфная фаза определяет высокую пуццолановую активность золы и её способность вступать в реакцию с гидроксидом кальция, образующимся в процессе гидратации цемента. В результате формируются дополнительные гидросиликаты кальция (C-S-H), способствующие уплотнению структуры материала и повышению его физико-механических характеристик.

Рентгенографический анализ портландцемента подтвердил наличие основных клинкерных минералов — алита (C₃S), белита (C₂S), трёхкальциевого алюмината (C₃A) и четырёхкальциевого алюмоферрита (C₄AF), которые обеспечивают гидравлическую активность вяжущего и формирование прочного цементного камня. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой перспективности применения золы-уноса ТЭС в качестве активной минеральной добавки при производстве пенозолобетона. Установленные особенности фазового состава исследованных материалов могут быть использованы при оптимизации состава пенозолобетонных смесей, повышении их прочности, долговечности и эксплуатационной надежности, а также при разработке новых ресурсосберегающих технологий производства строительных материалов.

Abstract

This study presents the results of an investigation into the mineralogical and phase composition of the main raw materials used in the production of foam ash concrete, namely Portland cement, thermal power plant (TPP) fly ash, and quartz sand. The studies were carried out using X-ray diffraction (XRD) analysis on a Rigaku MiniFlex diffractometer. To improve the reliability of the results, all samples were preliminarily dried, ground, and sieved through a sieve with a mesh size of 0.08 mm. The results showed that quartz sand is characterized by a high content of crystalline quartz (SiO₂), confirming its inert nature and effectiveness as a fine aggregate. The analysis of fly ash revealed the presence of quartz, mullite, and a small amount of hematite, as well as a significant proportion of amorphous aluminosilicate phases. The identified amorphous component determines the high pozzolanic activity of the ash and its ability to react with calcium hydroxide formed during cement hydration. As a result, additional calcium silicate hydrate (C-S-H) phases are generated, contributing to the densification of the material structure and improving its physical and mechanical properties. The X-ray diffraction analysis of Portland cement confirmed the presence of the main clinker minerals, including alite (C₃S), belite (C₂S), tricalcium aluminate (C₃A), and tetracalcium aluminoferrite (C₄AF), which provide the hydraulic activity of the binder and contribute to the formation of a durable cement matrix. The obtained results indicate the high potential of using TPP fly ash as an active mineral additive in the production of foam ash concrete. The identified features of the phase composition of the studied materials can be applied to optimize foam ash concrete mixtures, enhance their strength, durability, and operational reliability, and support the development of new resource-saving technologies for the production of construction materials.

Ключевые слова: пенозолобетон; зола-унос ТЭС; рентгенофазовый анализ; XRD; минералогический состав; фазовый состав; кристаллические фазы; аморфная фаза; портландцемент; кварцевый песок.

Keywords: foam-sulfur concrete; TPP ash removal; X-ray phase analysis; XRD; mineralogical composition; phase composition; crystalline phases; amorphous phase; Portland cement; quartz sand.

Введение

В настоящее время пенозолобетон занимает важное место среди современных строительных материалов. Данный материал характеризуется высокой огнестойкостью, эффективными тепло и звукоизоляционными свойствами, паропроницаемостью, а также относительно низкой плотностью [1]. Благодаря этим преимуществам пенозолобетон широко применяется в монолитном строительстве, а также при производстве стеновых блоков, теплоизоляционных изделий и других видов строительной продукции. Анализ существующих технологий показывает, что производство пенозолобетона неавтоклавным способом является наиболее целесообразным с технологической и экономической точек зрения [2, 3]. Одной из актуальных задач современного строительного материаловедения является разработка высококачественных, прочных, энергоэффективных и экономически доступных строительных материалов с использованием вторичных сырьевых ресурсов [4].

Материалы и методы

В этом исследовании методом рентгенодифракционного анализа (XRD) были изучены минералогический и фазовый составы основных сырьевых материалов, используемых при производстве пенозолобетона: портландцемента, золы теплоэлектростанции (ТЭС) и кварцевого песка в качестве мелкого заполнителя.

Перед проведением анализа образцы портландцемента, золы ТЭС и песка были высушены в лабораторных условиях. Для обеспечения однородности гранулометрического состава и повышения точности рентгенографических исследований все материалы были просеяны через сито №008 с размером ячеек 0,08 мм. Полученные порошкообразные образцы тщательно перемешивались и подготавливались для последующего рентгенодифракционного анализа.

Рентгенографические исследования проводились на дифрактометре Rigaku MiniFlex в научно-исследовательской лаборатории Ташкентского архитектурно-строительного университета. Идентификация фаз осуществлялась путем сопоставления экспериментальных данных с международными минералогическими базами данных.

Результаты

Анализ рентгенограммы образца кварцевого песка показал, что его минералогический состав представлен преимущественно кварцем (SiO₂). Наиболее интенсивные пики наблюдались при значениях 2θ ≈ 26,6°, 29,5° и в диапазоне 31-34°. Преобладание кварцевой фазы свидетельствует о высокой степени кристалличности материала. Кроме того, были выявлены отдельные пики, соответствующие полевым шпатам и алюмосиликатным минералам (Рис. 1).

Рисунок 1. Рентгенограмма образца кварцевого песка

Практическое отсутствие аморфной составляющей подтверждает инертный характер песка как заполнителя и его роль в обеспечении объемной стабильности пенозолобетона.

Результаты XRD-анализа золы ТЭС показали наличие интенсивного пика при 2θ ≈ 26,6°, соответствующего кварцевой фазе (Рис. 2). В интервале 20-35° были идентифицированы пики муллита (3Al₂O₃·2SiO₂). Кроме того, в диапазоне 33-36° отмечены слабые рефлексы, характерные для гематита (Fe₂O₃).

Рисунок 2. Рентгенограмма золы-уноса ТЭС

На дифрактограмме наблюдается широкий диффузный фон (гало), свидетельствующий о значительном содержании аморфных алюмосиликатных фаз. Высокая доля аморфной составляющей определяет пуццолановую активность золы и способствует образованию вторичных гидросиликатов кальция (C-S-H) в процессе гидратации цемента.

Рентгенодифракционный анализ портландцемента показал присутствие основных клинкерных минералов: алита (C₃S), белита (C₂S), трёхкальциевого алюмината (C₃A), четырёхкальциевого алюмоферрита (C₄AF), а также гидроксида кальция Ca(OH)₂ (Рис. 3).

Рисунок 3. Рентгенограмма портландцемента

Наиболее интенсивные пики в области 28-33° подтверждают преобладание алитовой и белитовой фаз, являющихся основными гидравлически активными компонентами цемента.

Обсуждение

Полученные результаты свидетельствуют о существенных различиях в фазовом составе исследуемых материалов и их функциональной роли в структуре пенозолобетона. Высоко кристаллический кварцевый песок выполняет функцию инертного заполнителя и обеспечивает геометрическую стабильность материала [5]. Портландцемент является основным гидравлическим вяжущим, формирующим цементный камень в результате процессов гидратации.

Особый интерес представляет зола ТЭС, содержащая значительное количество аморфных алюмосиликатов [6]. Наличие аморфной фазы обусловливает её высокую пуццолановую активность и способность вступать в реакцию с гидроксидом кальция с образованием дополнительного количества гидросиликатов кальция (C-S-H). Это способствует уплотнению структуры пенозолобетона, повышению его прочностных характеристик и долговечности.

Заключение

По результатам рентгенодифракционных исследований установлены минералогический состав и фазовое состояние основных сырьевых компонентов, используемых при производстве пенозолобетона. Показано, что песок характеризуется преобладанием кварцевой фазы и высокой степенью кристалличности, что подтверждает его инертные свойства как заполнителя.

Рентгенографический анализ золы ТЭС выявил наличие кварца, муллита и значительного количества аморфных алюмосиликатных фаз, определяющих её пуццолановую активность. Полученные результаты подтверждают перспективность использования золы ТЭС в качестве активной минеральной добавки при производстве пенозолобетона и служат научной основой для оптимизации состава материала.

Список литературы:

1. Сатторов З.М., Мадраймов Н.А. Пенобетон – инновационное строительное решение для будущего // «Наука. – 2024.
2. Сатторов З.М., Мадраймов Н.А. Улучшение характеристик и состава пенобетона с угольной золой ТЭС для снижения энергозатрат [Электронный ресурс]. // Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности: материалы XII Всероссийской (с международным участием) научно-технической конференции молодых исследователей, Волгоград, 21 – 26 апреля 2025 г. URL: http://www.vgasu.ru/publishing/on-line/. (дата обращения 08.06.2026)
3. Сатторов З.М., Мухидов Ш.А. Энергоэффективность теплоизоляционного пенобетона // Новые технологии в системы инженерных коммуникации. Сборник научных статьи республиканской научно-технической конференции. //. – 2018.
4. Петрик И. Ю., Зайченко Н. М., Сердюк А. И. / Высокофункциональные бетоны с обогащенной электрической сепарацией золой-уносом ТЭС / Вестник. Современные строительные материалы. Выпуск 2016. – 32-39 с.
5. Омиртаев, Бакдаулет Отрарулы. Аналитический обзор применения золы ТЭЦ в производстве бетона / Бакдаулет Отрарулы Омиртаев. – Текст : непосредственный // Молодой ученый. – 2020. – № 13 (303). – С. 25-28.
6. Зелинская Е.В. К вопросу рециклинга золы-уноса теплоэлектростанций. Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6. С. 45–52.
7. Артемьева Н.А. Пенобетон на основе золокремнеземистых композиций и жидких отходов металлургической промышленности. Дисс. канд. техн. наук. - Красноярск, 2005. - 19 с.
8. Гладких К.В. Изделия из ячеистых бетонов на основе шлаков и зол. - М.: Стройиздат, 1976. - 255 с.
9. Оямаа Э.Г. Строительные детали из сланцезольных автоклавных бетонов. - Л.: Стройиздат, 1965. - 138 с.
10. Базарбаева, С. М. (2008). Использование промышленных отходов при производстве серного бетона. Вестник Башкирского университета, 13 (3), 504-505.
11. Изотов В. С. Химические добавки для модификации бетона: монография // В. С. Изотов, Ю. А. Соколова. - М.: Казанский Государственный архитектурно-строительный университет: Изд-во «Палеотип», 2006. - 244 с.

References:

1. Sattorov Z.M., Madrajmov N.A. [Foam Concrete – An Innovative Construction Solution for the Future] // «Nauka. – 2024 (In Russian).
2. Sattorov Z.M., Madrajmov N.A. [Improvement of Foam Concrete Characteristics and Composition with Coal Fly Ash from Thermal Power Plants for Energy Consumption Reduction] [Elektronnyj resurs]. // Aktual'nye problemy stroitel'stva, ZhKKh i tekhnosfernoj bezopasnosti: materialy XII Vserossijskoj (s mezhdunarodnym uchastiem) nauchno-tekhnicheskoj konferentsii molodykh issledovatelej, Volgograd, 21 – 26 aprelya 2025 g. URL: http://www.vgasu.ru/publishing/on-line/. (data obrashcheniya 08.06.2026) (In Russian).
3. Sattorov Z.M., Mukhidov Sh.A. [Energy Efficiency of Thermal Insulation Foam Concrete] // Novye tekhnologii v sistemy inzhenernykh kommunikatsii. Sbornik nauchnykh stat'i respublikanskoj nauchno-tekhnicheskoj konferentsii. //. – 2018 (In Russian).
4. Petrik I. Yu., Zaychenko N. M., Serdyuk A. I. / Highly functional concretes with enriched electrical separation of fly ash from thermal power plants / Bulletin. Modern building materials. 2016 issue. - 32-39 p.
5. Omirtayev, Bakdaulet Otraruly. Analytical review of the use of thermal power plant ash in concrete production / Bakdaulet Otraruly Omirtayev. - Text: direct // Young scientist. - 2020. - No. 13 (303). - P. 25-28.
6. Zelinskaya E. V. On the issue of recycling fly ash from thermal power plants. Modern problems of science and education. 2011. No. 6. P. 45-52.
7. Artemyeva N. A. Foam concrete based on ash-siliceous compositions and liquid waste from the metallurgical industry. Diss. Cand. of Technical Sciences. - Krasnoyarsk, 2005. - 19 p.
8. Gladkikh K.V. Products from cellular concrete based on slag and ash. - Moscow: Stroyizdat, 1976. - 255 p.
9. Oyamaa E.G. Construction components from shale-ash autoclaved concrete. - Leningrad: Stroyizdat, 1965. - 138 p.
10. Bazarbaeva, S.M. (2008). Use of industrial waste in the production of sulfur concrete. Bulletin of Bashkir University, 13 (3), 504-505.
11. Izotov V.S. Chemical additives for concrete modification: monograph // V.S. Izotov, Yu.A. Sokolova. - Moscow: Kazan State University of Architecture and Civil Engineering: Paleotype Publishing House, 2006. - 244 p.