CC BY
75УДК 691
В.А. ИЛЬИЧЕВ, д-р техн. наук, академик, первый вице-президент РААСН,
Н.И. КАРПЕНКО, д-р техн. наук, академик, академик-секретарь РААСН,
В.Н. ЯРМАКОВСКИЙ, канд. техн. наук, зав. лабораторией НИИСФ РААСН, советник РААСН
О развитии производства строительных материалов на основе вторичных продуктов промышленности
Под вторичными продуктами промышленности (ВПП) или вторичными минеральными ресурсами (ВМР) обычно понимают многотоннажные техногенные отходы. Этот давно устоявшийся общепринятый термин нельзя считать корректным. Так, выдающийся ученый-металлург академик АН СССР И.П. Бардин в своих трудах писал: «...металлургические шлаки — не отходы, а ценный строительный материал». В зарубежной практике термин «отходы» (англ. wastes) используют применительно только к бытовым отходам, а термин «вторичные продукты» (англ. by-products) — применительно к таким материалам, как металлургические шлаки, золы и шлаки ТЭС и т. п.
В 1996 г. Указом Президента РФ утверждена концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию и приняты федеральная целевая программа «Отходы», Федеральный закон «Об отходах производства и потребления», Федеральный закон «О государственной экологической экспертизе». Вместе с тем загрязнение окружающей среды продолжает оставаться одной из актуальнейших проблем нашей страны [1, 2]:
— на свалках, полигонах и в хранилищах скопились миллиарды: тонн отходов, из которых более 5% токсичные;
— ежегодно для складирования твердых вторичных продуктов промышленных предприятий выделяется более 2 тыс. га земельных площадей, пригодных для нужд сельского хозяйства и необходимых для развития жилищного строительства;
— из 1037 городов только 19% имеют благополучную или удовлетворительную экологическую обстановку;
— по разным источникам, утилизируется только от 5 до 10% общего объема промышленных отходов.
В январе 2008 г. при рассмотрении этой проблемы на заседании Совета безопасности Российской Федерации по вопросам экологии Президент РФ Д.А. Медведев предложил создать в стране новую отрасль индустрии — отходоперерабатывающую. Актуальность этого предложения очевидна не только с позиций решения экологической проблемы, но и также:
— с позиции обеспечения сырьевыми ресурсами строительной индустрии, которая потребляет до 50% общего объема добываемых природных ресурсов и на которую в структуре грузоперевозок приходится не менее 25%; следует учитывать, что износ активной части основных фондов горных предприятий страны составляет около 70%, а в производстве нерудных строительных материалов он еще выше; кроме того, во всем мире наблюдается прогрессирующий рост цен на природную минеральную продукцию, например, по данным Росстата, цены на щебень из плотных горных пород выросли за последние 5 лет почти на 100% [3]; наконец, известно,
что запасы природных ресурсов не беспредельны и многие из них находятся на грани истощения;
— с позиции необходимости сбережения энергетических ресурсов, что заставляет вести поиск аналогов традиционных строительных материалов (таких, например, как портландцемент), но существенно менее энергоемких, основой которых и являются, как будет показано ниже, низкоэнергоемкие продукты переработки ВПП [4];
— с позиции решения задачи освобождения огромных земельных площадей, занятых отвалами (особенно это относится к накопленным отвалам золошлаков ТЭС и ГРЭС), объем которых составляет почти 2 млрд т, из-за чего ситуация в энергетике приближается к критической, то есть если не начать интенсивную разработку отвалов одновременно с полной переработкой и утилизацией золошлаков текущего выхода, то, по оценкам специалистов-энергетиков, многие ТЭС и ГРЭС придется закрывать максимум через 5—10 лет.
Известно, что основными строительными материалами конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения являются в настоящее время и остаются на обозримую перспективу бетоны: тяжелые, легкие (марок по плотности от D600 до D2000), особо легкие (марок от D150 до D500) и ячеистые (марок D500 и выше).
В соответствии с проектом «Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г.» предполагается увеличить к 2020 г. производство для бетонов различных видов:
— цемента — с 52 до 98 млн т;
— продуктов переработки нерудных материалов (заполнителей бетонов) — с 0,13 до 0,37 млрд м3.
Если учесть, что кроме строительной индустрии будут развиваться и другие отрасли хозяйства страны, то возможные объемы изъятия природных сырьевых ресурсов могут вызвать губительные последствия для среды обитания человека при соответствующих объемах выбросов и накопления вторичных продуктов промышленности.
В то же время специалистами РААСН подсчитано, что рациональное использование многотоннажных ВПП только текущего выхода, прежде всего металлургии и топливной энергетики, причем по разработанным уже технологиям, позволяет удовлетворить потребности предприятий стройиндустрии в вяжущих и заполнителях для бетонов в настоящее время более чем на 50% [5].
Переработка шлаков и шламов текущего (годового) выхода:
А. Черной металлургии (доменного*, ферросплавного, конвертерного и электросталеплавильного произ-
* Имеются в виду объемы, остающиеся после удовлетворения потребностей цементной индустрии в использовании активных минеральных добавок из доменных граншлаков (до 20% по ГОСТ 10178—85 и до 35% по ГОСТ 31108—2003).
водства) в объеме около 55 млн т в год — в альтернативные традиционным строительные материалы позволит произвести:
— шлакопортландцемента и малоклинкерных (содержание цементного клинкера ЦК<40%) композиционных вяжущих — более 30 млн т ежегодно;
— плотных заполнителей для тяжелых, в том числе мелкозернистых бетонов, — около 8 млн м3 ежегодно;
— пористых заполнителей для легких, в том числе мелкозернистых бетонов, — около 12 млн м3 ежегодно.
Б. Цветной металлургии (никелевого, медно-нике-левого производства и производства глинозема для выплавки алюминия):
— композиционных малоклинкерных вяжущих (содержания ЦК<50%) — около 3 млн т ежегодно;
— плотных заполнителей для тяжелых, в том числе мелкозернистых бетонов, — около 15 млн м3 ежегодно;
— пористых заполнителей для легких мелкозернистых бетонов — около 2 млн м3 ежегодно.
В. Топливной энергетики (золы-уноса и гранулированных шлаков ТЭС и ГРЭС):
— в композиционные малоклинкерные вяжущие (содержание ЦК<40% при использовании основных зол и ЦК<50% при использовании кислых зол) — в объеме около 12 млн т ежегодно;
— в пористые заполнители для легких бетонов — в объеме более 14 млн м3 в год;
— в плотные заполнители для тяжелых бетонов — в объеме около 6 млн м3 в год.
Таблица 1
Структура производства цементов в странах Евросоюза (по EN197-1:2000)
Тип цемента Содержание мин. добавок, % Доля в % по годам
1990 2000 2003 2009
СЕМ I 0-5 45 35,3 31,9 25
СЕМ II 6-35 43 49,6 52,1 57
СЕМ III,IV,V 36-95 12 15,1 16 20
Таблица 2
Структура производства цементов в странах Евразии
Страна Общий объем производства цемента, млн т/год Доля шлакопортландцемента в общем объеме, %
2004 2009
Китай 1,05 25,5 36
Индия 0,16 35 41
Япония 0,072 21,6 32
Южная Корея 0,056 18,8 27
Таблица 3
Структура производства цементов в России (по ГОСТ 10178)
Как будет показано ниже, использование таких альтернативных традиционным исходных материалов для бетонов позволит сократить энергетические и материальные затраты на производство бетонов и изделий из них более чем на 30%. Это становится особенно актуальным с постоянным ростом цен на энергоносители, что неминуемо влечет за собой рост цен на строительные материалы. Если учесть возможность разработки по соответствующим технологиям отвалов ВПП и переработки последних в альтернативные традиционным и более эффективные строительные материалы, то потребность предприятий стройиндустриив сырье будет обеспечена в потенциальных объемах 2020 г.
Цементы. В первую очередь это касается цементной индустрии, развитие структуры которой в России идет в обратном направлении по сравнению с общемировыми тенденциями. Например, в странах Европы с целью сокращения объема изъятия природных ресурсов, в частности известняка, для производства цементного клинкера с целью снижения энергозатрат на обжиг и соответствующего сокращения объемов выброса СО2 в атмосферу значительную часть клинкера (35—95%, в зависимости от типа и марки вяжущего) заменяют гидравлически активными минеральными добавками из ВПП, главным образом переработанными по соответствующим технологиям металлургическими шлаками, золами и шлаками ТЭС и др. Относительные объемы производства таких композиционных вяжущих, выпускаемых в соответствии с Евростандартом EN 197-1:2000 «Цементы. Часть I. Состав, технические требования», заметно растут, и, наоборот, доля чисто клинкерных (бездобавочных) цементов существенно сокращается [6].
По данным Cembureau of Eurape and Portland Cement Association, производство цементов с минеральными добавками из ВПП от 36 до 95% СЕМ III, СЕМ IV, СЕМ V (шлакопортландцемента, пуццоланового и композиционного цементов) с 1990 г. по 2009 г. увеличилось с 12 до 20%, то есть более чем в 1,5 раза (табл. 1).
Аналогичная картина наблюдается и в цементной промышленности Северной Америки и Канады. Здесь в целях стимулирования производства так называемых смешанных цементов (Blended Cements) с содержанием АМД более 50% действует стандарт ASTM C595M-97 Blended Hydraulic Cement [7]. В США, например, отказались от производства собственного цементного клинкера исходя из интересов охраны окружающей среды и практически прекратили разработку карьеров известняка. Завозят цементный клинкер из Мексики и производят Blended Cements, смешивая клинкер с собственными техногенными отходами или продуктами их переработки.
Развитие структуры производства цемента в России происходит, к сожалению, в обратном направлении в сравнении не только со странами Европы, но и со странами Евразии. Например, производство шлакопорт-ландцемента в России сократилось с 1990 г. с 25 до 5% (табл. 2—3).
В то же время ведущими институтами России (НИИЖБ, НИИЦемент, МГСУ, НИИСФ и др.) с участием специалистов РААСН разработаны и успешно апробированы на практике технологии производства малоклинкерных (экономия клинкера до 70%) композиционных вяжущих активностью 40—50 МПа на основе вторичных продуктов промышленности [4, 8, 9]. Такие вяжущие, названные Ю.М. Баженовым [9] многокомпонентными композиционными цементами, включают вяжущие низкой водопотребности ВНВ, получаемые совместным помолом цементного клинкера, дисперсных минеральных добавок из ВПП и добавки порошкообразного суперпластификатора типа С-3. Они включают также и тонкомолотые цементы (ТМЦ) [8] (того же типа, но без добавки С-3).
Тип цемента Доля от общего объема выпуска ,%
1988 (СССР) 2009 (РФ)
Общий объем выпуска, млн т 137,7 52,5
ПЦ-Д0 8 32,5
ПЦ-Д5-Д20 61,5 59,4
ШПЦ 26 5
Прочие 4,5 3,1
Таблица 4
Ориентировочные суммарные затраты технологического топлива на производство композиционных малоклинкерных вяжущих (КМВ) в сравнении с портландцементом той же активности
Вид цемента как вяжущего Количество минеральной добавки, кг/т Количество сухого С-3, кг/т Расход на 1 т. вяжущего Суммарный расход, кг у. т./%
Условного топлива,кг Электроэнергии, кВт/ч
на обжиг клинкера на сушку добавки всего на различные техн. переделы на помол на С-3 всего
ПЦ500-Д0 0 0 220 - 220 75 40 - 115 257/100
КМВ-50 500 10 110 10 120 38 60 35 133 162/63
КМВ-30 700 6 66 14 80 23 60 21 21 115/46
Таблица 5
Затраты технологического топлива на производство композиционных малоклинкерных вяжущих типов ВНВ и ТМЦ,
приведенные к 1 м3 бетона
Вид цемента Общий расход энергии в кг у. т./м3 бетона классов
В15 (М400) В22,5 (М300) В30 (М400) В37,5 (М500) В45 (М600) В55 (М700)
ПЦ500-Д0 64,3 77,1 93,8 115,6 147,3 -
КМВ-50 - 48,6 56,7 76,1 84,5 -
КМВ-30 29,9 39,1 48,3 - - -
Энергозатраты на производство таких вяжущих от 1,5 до 2,5 раз, в зависимости от относительного содержания клинкера, от типа активных минеральных добавок и их содержания, ниже в сравнении с традиционными бездобавочными цементами тех же марок (табл. 4).
Энергозатраты на производство композиционных вяжущих в сравнении с традиционным бездобавочным портландцементом, приведенные к 1 м3 бетона разных классов по прочности, также в среднем в 1,5—2 раза ниже (табл. 5).
Имеются убедительные примеры эффективного использования и применения композиционных малоклинкерных вяжущих различных видов как в легких (конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных), так и в тяжелых бетонах.
Особое внимание здесь следует уделить классу низкотеплопроводных и низкосорбционно-активных композиционных малоклинкерных (содержание цементного клинкера от 10 до 40%) вяжущих на основе металлургических шлаков, шламов и золы-уноса. Разработка этого класса вяжущих впервые была начата НИИЖБ совместно с НИИСФ около 20 лет назад [4, 10] для конструкционно-теплоизоляционных бетонов (керам-зитобетон, шлакопемзобетон и др.), применяемых ранее преимущественно в однослойных ограждающих конструкциях. При этом исходили из того, что цементный камень, составляющий до 40% от общего объема умеренно поризованного (объем воздухововлечения 10—12%) конструкционно-теплоизоляционного бетона, является его наиболее теплопроводным компонентом: по обобщенным данным различных исследователей, коэффициент теплопроводности (X) портландце-ментного камня составляет от 0,54 до 0,72 Вт/(м-°С), в то время как величина X зерна пористых заполнителей различных видов и разной плотности существенно меньше — от 0,15 до 0,3 Вт/(м-оС).
Применение низкотеплопроводных КМВ (табл. 6) наиболее эффективно в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах, применяемых для неармиро-ванных изделий, в частности для стеновых блоков, и особенно в теплоизоляционных бетонах, применяемых как для сборного варианта изделий, например в теплоизоляционных плитах, так и для монолитной теплоизоляции ограждающих конструкций. Для таких бетонов
не регламентируется содержание портландцементного клинкера с позиций обеспечения пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре, а именно не регламентируется условие необходимости поддержания щелочной среды в порах бетона [рН> 11,8]. Очевидно, что применение в таких бетонах портландцемента нерационально ни с экономических позиций, ни с позиций обеспечения требуемых показателей теплотехнического свойств, учитывая отмеченную выше относительно высокую теплопроводность цементного клинкера. Здесь особенно эффективны малоклинкерные или даже бесклинкерные композиционные вяжущие (табл. 6).
Эффективность применения относительно низкотеплопроводных КМВ в особо легких бетонах конструкционно-теплоизоляционного (марок по плотности от D300 до D500) и теплоизоляционного (марок D150—D250) назначения иллюстрируется на примере полистиролбетона (ПБ) на рисунке. Видно, что величина X ПБ для условия эксплуатации Б ниже на 25—35%, в зависимости от марки по плотности бетона, при изготовлении его на КМВ (с ЦК = 30%) и на 18-26% - при изготовлении на пластифицированном и активированном шлакопортландцементе (ПА ШПЦ).
Зависимость коэффициента теплопроводности (ХБ) полистиролбетона (условие «Б» по СНиП 23-02-2003) от плотности его в сухом состоянии (Уо) при использовании вяжущих различных видов: 1 - портландцемент; 2 - шлакопортландцемент; 3 - пластифицированный и активированный шлакопортландцемент; 4 - композиционное малоклинкерное вяжущее (ВНВ-25) на основе доменного граншлака
Таблица 6
Вид и марка вяжущего Коэффициент теплопроводности цементного камня (Хц.к ) в сухом состоянии, Вт/(м.оС) .
Портландцемент (ПЦ) Вольский М500Д0 0,655-0,72
Портландцемент белгородский М400Д20 0,54-0,62
Шлакопортландцемент (ШПЦ) липецкий М400 0,49-0,525
Шлакопортландцемент староскольский пластифицированный активированный (ПА ШПЦ), Ва = 50 МПа 0,45-0,47
Композиционное малоклинкерное вяжущее (МКВ): - на доменном граншлаке Уц.к. = 30% + С-3 (ВНВ-30), Ва = 40 МПа; - на доменном граншлаке Уц.к. = 50% + С-3 (ВНВ-50), Ва = 50 МПа; - на бокситовом шламе Уц.к. = 50% (ТМЦ-50), Ва = 40 МПа 0,39-0,41 0,42-0,44 0,44-0,46
Примеры применения КМВ указанного класса на практике:
— на заводе ЖБИиК «Череповецметаллургхимстроя» — композиционного малоклинкерного вяжущего (содержание клинкера всего 30—40%) типа вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) на основе металлургического шлака ЧерМК (сейчас «Северсталь») [4].
— на заводе ЖБИ КМА «Проектжилстрое» успешно внедрена технология изготовления активированного и пластифицированного шлакопортландцемента [10].
Однако эти примеры, к сожалению, пока единичны. С начала приватизации цементной промышленности развитие ее идет только в одном направлении, действует только один принцип — подороже продать цемент. В результате производство низкоэнергоемкого, экономичного и в то же время самого эффективного в монолитном строительстве шлакопортландцемента (ввиду его относительно низкой экзотермии, что важно при бетонировании больших объемов) постоянно сокращается.
Далее следует отметить разработанную в последние годы технологию производства композиционного малоклинкерного вяжущего типа ВНВ нового поколения, а именно в отличие от вышеописанных видов высокомарочного (активностью от 65 до 84 МПа по ГОСТ 31108 и 30744) при содержании цементного клинкера соответственно от 30 до 70% [11].
Основа разработки высокомарочного малоклинкерного смешанного вяжущего — существенное повышение энергии связей (химических, физико-химических, ковалентных или квантово-механических) между пред-гидратами и гидратами на частицах цементного клинкера с поверхностью минеральных компонентов из техногенных отходов в составе цементного вяжущего и бетона соответственно [12].
Высокоактивное смешанное вяжущее со сформированной таким образом внутриструктурной плотной контактной зоной цементного камня характеризуется механохимически привитым металлоорганическим комплексом, т. е. в готовом продукте не содержится свободный модификатор Мсвоб, в данном случае свободный полинафталинсульфонат.
Такое вяжущее представляет собой, по существу, второе поколение известных вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) и названо авторами ЦНВ. Отличается оно от первого поколения ВНВ [4, 8, 9] кроме отсутствия Мсвоб и высокой активности при незначительном содержании ЦК тем, что может производиться на основе современных портландцементных клинкеров, характеризующихся массовым недожогом, обусловленным жесткой экономией цемзаводами резко подорожавшего технологического топлива. Обеспечивается эта возможность использованием специальной добавки, нейтрализующей образующиеся в ЦК с недожогом маргинальные фазы (алюминатные и ферритные) — противоположно заряженные примеси, которые могут вызывать
образование блуждающих токов и соответственно электрохимическую коррозию стальной арматуры.
Высокоактивное ЦНВ производится путем высокоинтенсивного помола клинкера или домола цемента на его основе совместно с минеральными компонентами (добавками) из вторичных продуктов промышленности комплексной химической добавкой, включающей: нейтрализатор заряженных примесей в момент их выхода в жидкую фазу бетонной смеси, связывающий их в нормальные гидратные фазы и предотвращающий таким образом их последующее вредное влияние на прочность и долговечность армированного сталью бетона; водопо-нижающий компонент; ускоритель твердения.
Основные строительно-технические характеристики высокомарочных ЦНВ опытно-промышленных партий, с 2010 г. выпускаемых ЗАО «Геостром» в г. Сергиев Посад Московской области и успешно проверенных с участием НИИЖБ в высокопрочных бетонах, приведены в табл. 7.
Отмеченный выше опыт заводов ЖБИиК «Череповецметаллургхимстроя», ЖБИ КМА «Проектжилстроя» и ЗАО «Геостром» показывает, что наиболее эффективна организация целевого производства малоклинкерных композиционных вяжущих на предприятиях стройин-дустрии, непосредственно использующих эти вяжущие в производстве изделий и конструкций. Данные предприятия стройиндустрии действуют в регионах (районах) дислокации крупных индустриальных предприятий металлургии или объектов тепловой энергетики (крупных ТЭС или ГРЭС), производящих отходы, продукты переработки которых можно эффективно использовать в качестве компонентов композиционных вяжущих, впрочем, как и компонентов сырьевой шихты для производства пористых заполнителей.
Заполнители. Ведущими институтами страны, в первую очередь НИИЖБ, МГСУ, УралНИИЧМ, НИИкерамзит и др., с участием специалистов РААСН разработан ряд низкоэнергоемких и экологически чистых технологий производства заполнителей как для тяжелых, так и для легких конструкционных, в том числе высокопрочных, бетонов на основе крупнотоннажных вторичных продуктов промышленности [13]. При этом используются ВПП как текущего выхода, что наиболее эффективно, так и из отвалов промышленных предприятий, имеющих технологические карты этих отвалов и осуществляющих соответствующий контроль.
Наиболее эффективны в бетонах безобжиговые пористые заполнители из шлаков текущего выхода (шлаковых расплавов): доменных, ферросплавных и элек-тротермофосфорных. Энергозатраты на их производство от 5 до 10 раз ниже в сравнении с заполнителями из природного сырья (плотными — из горных пород и пористыми — из глинистого сырья); себестоимость производства ниже в 3—5 раз. Эффективны и заполнители из золы сухого отбора (золы-уноса) и шлаков топ-
Таблица 7
Основные строительно - технические характеристики высокомарочных ЦНВ (по данным ЗАО «Геостром»)
№ состава Вид (вещественный состав) цемента Доля клинкера, % Удельная поверхность, м2/кг по ПСХ Прочность при сжатии по ТУ1) с пониженнным В/Ц, совпадающим по расплыву конуса (140-150 мм) с нормальным В/Ц / по ГОСТ 31108 и ГОСТ 30744 с постоянным В/Ц, через сутки НВТ и после ТВО
1 3 28 c НВТ после ТВО
1 ЦНВ-100 100 450 51,7/39,8 70,1/ - 92,5/78,2 80,5/59,6
2 ЦНВ-80: 10% ДГШ, 10% ПС 80 485 30,9/22,9 52,1/ - 92,5/84 54,1/50,9
3 ЦНВ-50: 25% ДГШ, 25% ПС 50 425 26,7/22,6 - 85,0/74,1 48,9/44,2
4 То же 50 505 30,7/26,7 - 92,1/77,2 58,3/47,6
5 ЦНВ-30: 35% ДГШ, 35% ПС 30 5702) 12/8,9 - 81,7/65,6 49,3/28,1
6 ЦНВ-70: 30% зола-уноса ТЭС 70 3853) 25,8/21,3 49,8/42,2 82,2/72,5 -
Примечания: НТВ - нормально-влажностное твердение; ТВО - тепловлажностная обработка (пропаривание) по ГОСТ 10178 и ГОСТ 30744; ПС - песок строительный (кварцевый) с модулем крупности 2,5. 1) ТУ 21-26-20-92 «Вяжущие низкой водопотребности». НИИЦемент, ВНИИЖелезобетон, НИИЖБ, 1992. 2) В ЦНВ составов 1-5 использовался алитовый клинкер традиционного для цемзаводов РФ состава (мас.%): С^ - 62-65; С^ - 12-15; С3А - 5-6; C4AF - 14-15, остальное - примеси; в составе 6 использовался алитовый клинкер минералогического состава по Хэгерману (мас. %): С^ - 60; С^ - 17; С3А - 10; С^ - 10. 3) При изготовлении ЦНВ состава 6, включающего золу-уноса без содержания углерода средней основности, использовалась мельница с сепаратором 5-го поколения, обеспечивающим регулирование фракционного состава сухой смеси в направлении увеличения содержания средней фракции (5-30 мкм) до 75 мас.%.
ливной энергетики, в частности безобжиговый зольный гравий.
Эти технологии, успешно апробированные в некоторых индустриальных регионах (безобжиговый зольный гравий — в ЗАО «Иркутскзолопродукт»; гравий из шлаков ТЭС (шлакозит) — в Тольятти; пористые заполнители из металлургических шлаков — в Липецке и Череповце), могут быть эффективно адаптированы к другим регионам.
Основные трудности здесь — в отсутствии политики стимулирования со стороны государства производителей ВПП и их потребителей — предприятий стройинду-стрии. Необходимы соответствующие законодательные акты. Это отражено по предложению РААСН в вышеуказанной «Стратегии». В настоящее время затруднительно внедрить в других регионах даже такую получившую мировое признание технологию, как успешно действующая с 1998 г. на Новолипецком меткомбинате (НЛМК) низкоэнергоемкая технология переработки шлаков текущего выхода в остеклованный пористый гравий для легких бетонов различного назначения, в том числе высокопрочных (класс до В50 включительно).
Целесообразно отметить, что практически по аналогии с развитием структуры цементной промышленности в нашей стране развитие структуры отрасли производства заполнителей для бетонов также идет в противоположном направлении в сравнении с общемировыми тенденциями.
Так, в промышленном комплексе стран Европы интенсивно сокращается высокоэнергозатратная разработка карьеров для переработки в заполнители нерудных материалов, которые заменяют заполнителями как плотными, так и пористыми на основе продуктов переработки ВПП. По данным Международной федерации по бетону и железобетону (fib), доля последних в общем объеме производства и применения заполнителей для бетонов увеличилась с 1990 г. с 25% до 38%. Наблюдаются явные тенденции к ее прогрессирующему увеличению (прогноз на 2020 г. — более 50%).
В строительном комплексе нашей страны доля заполнителей из ВПП, наоборот, постоянно сокращается — с 10% в 1990 г. до 4% в 2000 г. Причина та же — рыночная политика монополий, не учитывающих государственные интересы.
Бетоны. Практически теми же причинами, которые отмечены для цементной индустрии и производства заполнителей, можно объяснить прогрессирующую разницу в сравнении с общемировыми тенденциями в развитии структуры отрасли бетона и железобетона. Так, в развитых странах Европы, США, Канаде, Японии наблюдается явная тенденция преимущественного применения конструкционных, в том числе высокопрочных, легких бетонов на пористых заполнителях, главным образом из вторичных продуктов промышленности.
За последние 20 лет доля конструкционных легких бетонов увеличилась в строительном комплексе зарубежных стран с 23% до 37% (доля перекрытий зданий из легких бетонов — с 40% до 70%, а в высотных зданиях — до 90%). В Великобритании и Австрии, например, где предъявляются особенно жесткие требования к сбережению природных ресурсов и охране окружающей среды, более 1/3 всего объема несущих конструкций зданий выполняется из легких бетонов классов по прочности до В50 (М650) включительно на основе таких распространенных в Европе видов заполнителей, как зольный гравий (LYTAG), а в Австрии — пористый гравий из доменных шлаков.
В строительном комплексе нашей страны все наоборот: в 1960—1970-е гг. в период подъема жилищного строительства с применением сборного железобетона возводились в различных регионах страны жилые здания с практически всеми строительными конструкциями, в том числе несущими, из легких бетонов. Работало более 450 предприятий по производству пористых заполнителей, доля конструкционного легкого бетона доходила до 20—25%; к 2000 г. эта доля снизилась до 5%.
И это несмотря на то что легкие бетоны различного назначения (и конструкционные, и конструкционно-теплоизоляционные, и теплоизоляционные) являются, по существу, универсальным строительным материалом, в котором наиболее эффективно утилизируются вторичные продукты промышленности.
Есть основание полагать, что положение начнет меняться в лучшую сторону после создания Международной федерацией по бетону и железобетону (fib) с участием специалистов РААСН нормативных документов по новым технологиям легких бетонов с модифицирован-
ной структурой, в том числе высокопрочных (классов до В80 включительно или марки М1000 при марке по плотности D1800), изготовляемых на низкоэнергоемких пористых заполнителях, преимущественно продуктах переработки металлургических шлаков текущего выхода, зол и шлаков топливной энергетики, и по проектированию конструкций из таких бетонов [14, 15].
Эти нормативные документы созданы в развитие международного стандарта по бетону и железобетону (CEB-FIP Model Code 90, Design Code, Comite EuroInternational Du Beton, Stuttgart, 1990) и вошли как обязательное приложение к последней его редакции — Model Code 2010, утвержденной на Конгрессе fib в Вашингтоне в октябре 2010 г.
Начавшемуся новому подъему легкобетонного строительства, причем уже на более высоком техническом уровне, безусловно, способствуют разработанные за последние 10—15 лет инновационные технологии производства низкоэнергоемких высокопрочных пористых заполнителей на основе металлургических шлаков, зол и шлаков тепловой энергетики и производства на их основе модифицированных легких бетонов с высокими показателями прочности (классов В30—В60) при относительно низкой плотности (марок D1500—D1800) и при высокой долговечности (морозостойкости до F1500 и водонепроницаемости до W20) [16].
Способствует этому также успешный опыт работы на крупнейших домостроительных комбинатах страны, таких как Томский и Новочебоксарский, современных технологических линий по производству сборных железобетонных конструкций, в частности так называемых длинных стендов с безопалубочным формованием наиболее эффективных легкобетонных конструкций [17].
Выявленные значительные преимущества в основных строительно-технических свойствах модифицированных конструкционных легких бетонов, особенно на пористых шлаковых заполнителях, в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами на природных плотных заполнителях определяют безусловную необходимость значительного расширения области их применения.
Резюме
Крупнотоннажные вторичные продукты промышленности (ВПП), прежде всего вторичные продукты металлургии и теплоэнергетики, должны рассматриваться как долговременный источник вторичного минерального сырья (ВМС) при производстве по экологически чистым технологиям альтернативных традиционным и существенно более эффективных (значительно — в разы менее энергоемких и более экономичных) композиционных малоклинкерных вяжущих, пористых и плотных заполнителей, бетонов новых модификаций на их основе. Комплексное применение ВМС и продуктов его переработки, преимущественно химически взаимосочетае-мых, кроме значительной экономии материалов и энергетических ресурсов способствует сохранению природного минерального сырья при одновременном освобождении окружающей среды от техногенных отходов, выполняя природоохранные функции.
Для успешного решения соответствующих задач по технологической модернизации стройиндустрии, отраженных в проекте Минрегиона РФ «Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г.»*, необходимо следующее:
1. Разработать порегиональный кадастр крупнотоннажных вторичных продуктов промышленности (или ВМС), перспективных для производства на их основе альтернативных традиционным и более эффективных вяжущих, заполнителей, активных минеральных добавок — наполнителей для бетонов. В качестве приложе-
ний кадастр должен содержать основные характеристики вторичных продуктов промышленности, на основании анализа которых должна быть выполнена экспертная оценка ВПП для определения эффективности переработки их в те или иные альтернативные строительные материалы или их компоненты.
2. Составить каталог разработанных и успешно апробированных в отдельных регионах низкоэнергоемких и экологически чистых технологий переработки крупнотоннажных ВПП в альтернативные традиционным строительные материалы или их компоненты и изделия.
3. В целях расширения номенклатуры ВПП, потенциально эффективных для переработки в альтернативные строительные материалы и разработки новых экологически чистых, наименее энергоемких технологий, составить соответствующую программу с технико-экономическим обоснованием и рассмотреть ее в Минрегионразвития РФ с целью утверждения и соответствующего инвестирования. При составлении этой программы обязательно следует учитывать, что приоритетным направлением является переработка ВПП на месте их образования и создания таким образом безотходных технологий на промышленных предприятиях России.
4. Ввести обязательную сертификацию продуктов переработки отходов и строительных материалов на их основе с учетом требований экологической безопасности.
5. Разработать законодательные акты, запрещающие разработку новых карьеров природных строительных материалов в регионах действия предприятий, образующих крупнотоннажные вторичные продукты промышленности.
6. Разработать соответствующую налоговую политику, обеспечивающую заинтересованность инвесторов, производителей вторичного минерального сырья и его потребителей — предприятий стройиндустрии в переработке ВПП в эффективные, конкурентоспособные строительные материалы и изделия.
7. Создать межотраслевой центр на базе РААСН с привлечением ведущих специалистов других организаций по координации исследовательских, проектных и производственных работ в области создания и внедрения новых (или внедрения наиболее эффективных уже разработанных исходя из условий регионов) низкоэнергоемких и экологически чистых технологий переработки крупнотоннажных ВПП различных производств и использования продуктов их переработки в строительные материалы и изделия.
8. В целях инвестирования разработки и внедрения с адаптацией к условиям регионов технологий переработки вторичных продуктов промышленности необходимо создать экологический фонд из средств, получаемых за счет платы за землю, занимаемую отвалами этих отходов, а также за транспортирование отходов в отвалы и содержание последних.
Ключевые слова: вторичные продукты промышленности, вторичные минеральные ресурсы, шлакопортландце-мент, малоклинкерные вяжущие, композиционные вяжущие, безобжиговые пористые заполнители, легкие бетоны.
Список литературы
1. Ильичев В.А. Строительный комплекс в век информационных технологий и один день без них //
Архитектура и строительство Москвы. 2002. № 2—3.
С. 46-50.
2. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х., Ярмаковский В.Н.
Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с
* Проект разрабатывался с участием специалистов Российской академии архитектуры и строительных наук.
применением техногенного сырья // Строит. материалы. 2009. № 12. С. 8-11.
3. Буткевич Г.Р. Резервы промышленности нерудных строительных материалов // Строит. материалы. 2008. № 5. С. 11-13.
4. Малинина Л.А., Щеблыкина Т.П., Ярмаковский В.Н. Об использовании крупнотоннажных отходов энергетики и металлургии в производстве малоэнергоемких бетонов // Строит. материалы. 1994. № 6. С. 21-23.
5. Карпенко Н.И., Малинина Л.А., Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. О рациональных путях ресурсного обеспечения Национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» с учетом возможностей регионов // Труды общего собрания РААСН. Т. 1. М.-СПб, 2006. С. 64-72.
6. Кертон Ф. Перспективы рынка шлаковых цементов в Европе // Цемент и его применение. 2006. № 5. С. 12-16.
7. Хайдер Й. Заменители клинкера в цементной промышленности // Цемент. Известь. Гипс. ZKG International. 2006. № 2. С. 26-31.
8. Ярмаковский В.Н., Малинина Л.А. Новые принципы утилизации техногенных отходов // Российская архитектурно-строительная энциклопедия «Наука, материалы и технологии в строительстве России XXI века». Т. V. М.: Госстрой РФ, ВНИИНТПИ, 1998. С. 166-211.
9. Баженов Ю.М. Многокомпонентные композиционные цементы и бетоны // Труды Международной конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее». Т. V. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2003. С. 713 (секция бетонов и композиционных материалов).
10. Ярмаковский В.Н. Композиционные вяжущие для легких бетонов с высокими показателями теплотех-
нического качества // Труды Международной конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее». Т. IV. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2003. С. 85-96.
11. Юдович Б.Э., Зубехин С.А. и др. Цемент низкой водо-потребности: Новые результаты и перспективы // Сб. Научные труды II Всероссийской (международной) конференции «Бетон и железобетон - пути развития». Т. 3. «Вяжущие для бетонов и растворов». М., 2005. С. 613-623.
12. Юдович Б.Э., Зубехин С.А., Раховский В.И., Климов С.Б. Новое о модели цементного камня и материалов на его основе // Труды XXIII Международного совещания начальников лабораторий цементных заводов. М., Стройиздат, 2010.
13. Петров В.П., Макридин Н.И., Ярмаковский В.Н. Пористые заполнители и легкие бетоны. Материаловедение. Технология производства. Самара: Самарский ГАСУ, 2009. 436 с.
14. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-report prepared by Task Group 8.1. CEB-FIP (fib), Stuttgart, 1999, pp. 156.
15. Lightweight Aggregate Concrete. Recommended extension to Model Code 90, Guide. Identification of research needs, technical report. Case Studies, State-of-report, CEB-FIP (fib), Stuttgart, 2000, pp. 430.
16. Ярмаковский В.Н., Семченков А.С. Конструкционные легкие бетоны новых модификаций - в ресурсоэнер-госберегающих строительных системах зданий // ACADEMIA. Архитектура и строительство. № 3. 2010. С. 31-39.
17. Юдин И.В., Ярмаковский В.Н. О совершенствовании технологии заводского домостроения (из опыта Новочебоксарского ДСК) // Строит. материалы. 2010. № 1. С. 9-12.
Реклама
«Холдинговая компания «Регионтрансстрой»
организует поставку высококачественных нерудных строительных материалов
• щебень габбро-диабаз • гранитная крошка
• известняк • песок мытый
• гранит и сеяный
для изготовления высококачественных бетонных и асфальтобетонных смесей.
Гарантированные своевременные поставки из базовых карьеров в любых объемах железнодорожным, речным и автомобильным транспортом
по выгодным ценам.
Дополнительный входной контроль каждой партии в независимой аккредитованной лаборатории на кафедре дорожно-строительных материалов МАДИ
за счет «ХК «Регионтрансстрой».
Москва, Левобережная ул., д. 12. E-mail: [email protected], т.: (495) 4581632
