Введение. Среди наиболее масштабных индустриальных источников, производящих твердофазные крупнотоннажные побочные продукты производства, являются энергетические и топливные электростанции, работающие на угольном сырье. При этом, львиная доля образующихся отходов преимущественно алюмосиликатного состава не имеет практического применения, находя свое последнее пристанище в открытых отвалах, зачастую, плохо оборудованных, инициируя негативное экологическое воздействие на прилегающие земельные территории, водные и воздушный бассейны. Наиболее остро стоит проблема утилизации отходов, содержащих в своем составе малое количество оксидов щелочноземельных металлов (CaO, MgO) и, поэтому, не проявляющих вяжущие свойства в водной среде по сравнению с традиционными гидравлическими вяжущими системами [1–5]. В то же время на основании существующего отечественного и зарубежного опыта [6–8] этот тип побочного продукта в виде зол-уноса эффективно работает в геополимерах. Однако, с учетом особенностей использования техногенного сырья, а также слабой изученности этих вяжущих, которые являются относительно новыми, существует ряд задач исследовательского характера, ориентированных на получение высококачественных строительных композитов. К одной из стратегических задач для геополимерных вяжущих систем на основе кислого алюмосиликатного сырья техногенного происхождения следует отнести разработку методики оценки пригодности сырьевых компонентов с точки зрения их реакционной активности под действием щелочной активации. Актуальность решения отмеченной задачи обоснованa комплексностью контроля качества зол-уноса, вызванной варьированием их свойств в широком диапазоне благодаря различию характеристик исходного угольного сырья, а также нестабильности технологических параметров процесса его сжигания. Как следствие, отсутствие четкого контроля качества исходного сырья объясняет невозможность получения геополимерных систем с необходимыми и заранее установленными эксплуатационными показателями.Формирование структуры геополимеров зол-уноса кислого состава является сложным и малоизученным процессом, в котором кинетика и особенности новоообразований зависят от ряда факторов, таких как фазово-минеральный и химический составы алюмосиликатного компонента,  гранулометрия и морфология частиц зол-уноса, вида щелочного активирующего агента и его концентрации в вяжущей системе. Среди технологических факторов следует выделить порядок введения и смешения сырьевых компонентов, а также вид и режим термической обработки свежеприготовленной сырьевой смеси. На основании имеющегося зарубежного опыта, выделены основные критерии эффективности зол-уноса для производства геополимеров, среди которых: содержание оксидов щелочноземельных металлов (СаО, MgO) – до 20 %; концентрация железистого компонента (FexOy) – до 10 %; содержание силикатного компонента в форме стеклофазы – не менее 50 %; доля тонкодисперной фракции (d ≤ 45 мкм) – от 80 до 90 %; содержание несгоревшего углеродного остатка – до 5 % [7–10]. Учитывая многолетний интерес к геополимерным системам, зарубежными и отечественными учеными проведен довольно большой объем исследований, ориентированных на изучение минерально-химических, а также фазовых и структурных характеристик зол-уноса кислого состава [10–12]. Однако вопросы оценки реакционной активности зол-уноса под действием высокощелочного воздействия в системе геополимерных вяжущих с использованием расчетных методик освоены весьма слабо.Ранее было установлено, что одним из ключевых параметров, определяющих степень активности взаимодействия кислого алюмосиликата с щелочным компонентом и последующего формирования прочного каркаса, является степень SiO2-связности элементарных единиц – кремнекислородных тетраэдров – в составе стеклофазы зол-уноса [13]. В рамках данного исследования предложена расчетная методика оценки реакционной активности зол-уноса кислого состава в геополимерной системе с учетом расширенного спектра их генетических характеристик. Методы и материалы. Для определения химического и фазово-минерального составов образцов зол-уноса был осуществлен рентгено-фазовый и рентгено-флуоресцентный анализ зол-уноса на спектрометре ARL9400XP c использованием излучения Cu-анода (Ni-фильтр для ослабления b-компоненты излучения). Шаг сканирования 0,05º, время измерения интенсивности в точках сканирования – 1 с.Содержание кристаллической и аморфной фаз, а также качественный анализ их компонент в составе зол-уноса (табл. 3) были определены с использованием количественного полнопрофильного РФА с внутренним эталонированием (10% вес. металлического Si), а также с использованием расчётной программы DDM v.1.95e [14]. Гранулометрический анализ осуществлялся с использованием лазерного анализатора частиц Mastersizer 2000, Malvern Instruments. Измерение удельного веса зол-уноса осуществлялось с использованием пикнометра AccuPyc II 1340 Pycnometer (Micrometrics).Удельная поверхность по методу Блейна зол-уноса была измерена на приборе ПСХ-12.Для проведения исследований в рамках данной работы были использованы золы-уноса кислого состава с 8 предприятий углесжигания ЮАР, работающих на каменном угле (табл. 1). Таблица 1Физические характеристики зол-уноса Параметр12345678Удельный вес, г/см32,222,262,352,302,312,312,272,14Удельная поверхность по Блейну (м2/кг)232,2316,2452,4368,0303,6292,7247,1171,6Удельная поверхность по РРЧ* (м2/кг)183,6304,5445,8303,4192,9178,1158,979,3Фактор формы ( )1,261,041,011,211,571,641,562,16<45 мкм, %51,9683,0297,9886,3986,0273,4351,1938,22d10, мкм2,61,30,81,93,23,23,58,6d50, мкм421151414214262d90, мкм1686221515176168226*РРЧ – распределение размеров частиц согласно данным лазерной гранулометрии  Более подробное описание такого параметра как фактор формы и пример его расчета отражены в работе С. Хопкинса и др. [15]. В рамках данного исследования под реакционной активностью зол-уноса принято понимать способность, а также интенсивность растворения в условиях высокощелочного воздействия. Логично предположить, что наиболее важными параметрами, определяющими реакционную активность зол-уноса, как любого минерального компонента, являются его генетические, т.е. химические, морфологические и физико-механические характеристики, к которым следует отнести, содержание основных оксидов их соотношение; содержание стеклофазы и ее структурный характер, наличие кристаллических минеральных образований и их концентрацию; дисперсность, характер гранулометрического распределения, а также форму твердофазных частиц компонента.Так, концентрация стеклофазы и ее структурные особенности (степень полимеризации или SiO2-связности) определяет степень растворимости золы-уноса под действием щелочного активатора [16]. Морфология (фактор формы) и дисперсность твердофазных частиц оказывает значительное влияние на водопотребность геополимерной вяжущей системы [15]. Опираясь на выше отмеченное предположение в рамках этого исследования были подобраны и применены необходимые измерительно аналитические методики, позволяющие получить и проанализировать характер влияния исходных характеристик зол-уноса на их реакционную активность, представленную в виде компрессионной прочности геополимерных вяжущих.Химический состав образцов зол-уноса представлен в таблице 2.  Таблица 2Химический состав зол-уноса (вес.%) 12345678SiO257,3054,9053,4050,8051,9047,1051,5057,80TiO21,571,621,691,741,601,721,721,24Al2O329,6031,5031,8031,1029,2032,8030,5027,30Fe2O33,893,533,693,503,053,224,706,13MnO0,040,040,030,040,060,040,050,08MgO0,891,001,121,491,411,901,490,68CaO4,794,554,595,787,557,676,493,45Na2O0,200,400,260,110,31<0,01<0,01<0,01K2O0,860,830,921,061,190,590,910,98P2O50,280,370,670,800,540,610,610,36Cr2O30,030,040,060,040,030,020,030,02V2O50,030,020,020,030,010,040,000,04ZrO20,040,040,030,050,040,050,050,05SrO0,120,130,150,320,270,220,200,08WO30,080,04<0,01<0,010,050,060,030,06BaO0,14<0,010,160,220,160,140,14<0,01п.п.п0,160,961,382,832,673,731,511,63Σ100,0299,9899,9899,92100,0499,9299,9499,92  Методика определения содержания окислов в составе стеклофазы зол-уноса более подробно представлена в [17]. В данном исследовании использован аналогичный алгоритм, суть которого заключается в вычитании из значений молекулярных количеств химических компонентов зол-уноса соответствующих компонентов, входящих в состав кристаллических фаз (табл. 3). Таблица 3Фазово-минеральный состав исследуемых зол-уносаЗола-уноса Минерал/фаза12345678Кварц10,09,48,57,210,65,59,99,0Муллит16,022,218,316,423,927,624,019,5Магнетит0,91,31,11,20,91,32,12,1Гематит---1,01,20,81,21,6Известь-0,50,50,61,00,70,4-Периклаз---0,80,80,90,7-Стеклофаза73,166,671,672,861,663,261,767,8  Используя информацию о содержании оксидов в составе стеклофазы зол-уноса был произведен расчет значений степени полимеризации или степень SiO2-связности кремнекислородного тетраэдра стеклофазы по формуле (1), ранее предложенной А. Аппеном [18, 19]: ,(1) где  – молярные доли оксидов SiO2 и МеxОy в составе стеклофазы. Полученные результаты расчета представлены в таблице 4.Таблица 4Степень SiO2-связности кремнезема в стеклофазе зол-уноса 12345678fSiO20,3270,3320,3260,3110,3320,3200,3230,356 Для реализации возможности учета влияния комплекса генетических характеристик золы-уноса на ее реакционную активность в геополимерной вяжущей системе на данном этапе исследования был введен некий параметр К, который связывает между собой ранее упомянутые ключевые характеристики золы-уноса как минерального компонента и может быть выражен формулами (2) и (3): ,(2)или (3) где  – фактор формы частиц золы-уноса, представляющий собой соотношение экспериментальной и расчетной значений удельной поверхности;  – экспериментальное значение удельной поверхности золы-уноса, определяемое по методу воздухопроницаемости (метод Блейна); – теоретическое значение удельной поверхности золы-уноса, рассчитываемое на основании данных лазерного анализатора частиц (гранулометрический анализ);  – содержание стеклофазы в составе золы-уноса (%);  – коэффициент степени полимеризации/связности, рассчитываемый с использованием формулы (1).Расчетные значения параметра К для исследуемых зол-уноса представлены в таблице 5. Таблица 5Расчетные значения параметра К для исследуемых зол-уносаЗола-уноса12345678Значение параметра К185,7286,5427,5296,1174,0158,0136,680,8 Для оценки реакционной активности используемой подборки зол-уноса были заформованы образцы-балочки геополимерных вяжущих из смесей равной подвижности – расплыв конуса находится в диапазоне 170–180 мм. После формовки образцы были подвержены термической обработке при температуре 60 оС в сушильном шкафу в течение 24 часов.Полученные результаты прочностных характеристик затвердевших образцов геополимерных вяжущих представлены в таблице 6. Таблица 6Прочностные характеристики геополимерных вяжущихПредел прочности при сжатии, МПа123456781 сутки28,835,960,342,322,218,48,63,591 сутки 67,171,388,967,836,127,131,716,5  С использованием данных таблиц 5 и 6 были построены графические зависимости между расчетным значением параметра К и прочностными значениями геополимерных вяжущих в различном возрасте. Для возможности оценки степени корреляции между выбранными параметрами подобрана оптимальная в данном случае аппроксимирующая функция – линейная, а также представлены значения коэффициентов степени корреляции (рисунок 1). Кроме того, представлены обозначения относительных размерных параметров зол-уноса.Согласно данным рисунка 1, при увеличении параметра К наблюдается увеличение предела прочности при сжатии геополимерных образцов вяжущих. Кроме того, анализируя полученные графические зависимости, для геополимерных вяжущих систем на ранних сроках твердения (1 сутки) характерна преимущественно линейная зависимость от параметра К, что подтверждается высоким значением коэффициента корреляции (R2=0.9602). При увеличении срока твердения экспериментальных вяжущих систем коэффициент корреляции смещается в сторону меньших значений (в возрасте 91 суток R2=0.8336), зависимость отклоняется от линейной. Предположительно, это может быть ассоциировано с непрерывными процессами структуро- и фазообразования при дальнейшем твердении геополимерной системы.Таким образом, предложенная усовершенствованная экспресс-методика продемонстрировала свою эффективность и может применяться при синтезе геополимерных систем для осуществления расчетной оценки реакционной активности зол-уноса кислого состава и прогнозирования прочностных характеристик геополимерных вяжущих систем на ранних сроках твердения. а б Рис. 1 Зависимость предела прочности при сжатии геополимерных вяжущихна основе зол-уноса от величины параметра K