CC BY
66
безопасность строительных систем. экологические проблемы в строительстве. геоэкология
УДК 691 Б01: 10.22227/1997-0935.2018.3.368-377
РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА, СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ПРИНЦИПАМ ЗЕЛЕНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
П.А. Кетов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29
Предмет исследования: разработка технологической схемы производства и переработки энергоэффективного ячеистого материала, отвечающего требованиям экологической безопасности на всех этапах жизненного цикла. Обоснована, разработана и внедрена ресурсо- и энергосберегающая технология получения экологически безопасного энергоэффективного пеностекла на основе несортового стеклобоя — компонента твердых коммунальных отходов. При решении частной задачи по получению пеностекла предложен и апробирован алгоритм разработки экологически безопасного строительного материала на основе или с добавлением отходов производства и потребления, соответствующий принципам зеленого строительства.
Цели: предложение алгоритма решения общей задачи разработки экологически безопасного строительного материала, соответствующего принципам зеленого строительства.
Материалы и методы: анализ существующих технических решений производства и переработки пеностекла с точки зрения принципов зеленого строительства и предложение альтернативных экологически безопасных решений. Результаты: в результате устранения недостатков, присущих существующему пеностеклу на всех этапах его жизненного цикла, были обоснованы технические решения, обеспечивающие экологическую безопасность материала. Выводы: результаты работы могут быть использованы при разработке строительных материалов, соответствующих принципам зеленого строительства.
КЛЮчЕВыЕ СЛОВА: устойчивое развитие, зеленое строительство, строительные материалы, пеностекло, отходы, вторичное использование
Благодарности. Автор выражает благодарность профессору Я.И. Вайсману за помощь в подготовке и написании работы и рецензенту за ценные замечания и рекомендации.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Кетов П.А. Разработка экологически безопасного энергоэффективного строительного ячеистого материала, соответствующего принципам зеленого строительства // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 3 (114). С. 368-377.
« DEVELOPMENT OF ENVIRONMENTALLY SAFE, ENERGY
£ EFFICIENT CELLULAR CONSTRUCTION MATERIAL
M CORRESPONDING TO THE PRINCIPLES OF GREEN
£ CONSTRUCTION
P.A. Ketov
Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation
A
ta
<o
0
Foamed glass is one of the most energy efficient construction materials. However, the existing technologies of foamed glass
^ manufacture do not correspond to the principles of green construction because a special sulphate glass is used, produced
q from natural raw materials, and it causes emission of pollutants at all stages of the life cycle of the material. The resource
^ and energy-saving technology for producing environmentally safe energy-efficient foam glass based on off-grade glass cullet,
2 which is a component of solid municipal waste, has been developed, substantiated and implemented. In solving a particular
^ problem of foam glass production, an algorithm of development of an environmentally safe building material based on or with
S addition of production and consumption wastes was proposed and approved. This algorithm is consistent with the principles
1 of green construction.
U Subject: development of the technological scheme of manufacture and recycling of energy efficient cellular material
<U corresponding to the requirements of ecological safety at all stages of its life cycle; proposition of an algorithm that solves
M the general problem of development of environmentally friendly construction materials and conforms to the principles of green construction.
368 © П.А. Кетов
Materials and methods: analysis of existing technical solutions for manufacture and recycling of foam glass from the viewpoint of green construction principles and proposition of alternative environmentally friendly solutions. Results: as a result of elimination of the drawbacks inherent in the existing foam glass at all stages of its life cycle, technical solutions that ensure environmental safety of the material were substantiated.
Conclusions: the results can be used for development of construction materials corresponding to the principles of green construction.
KEY WORDS: sustainable development, green construction, building materials, foam glass, waste, recycling
Acknowledgements: The author is grateful to Professor Ya.I. Vaisman for assistance in preparation of the paper and to the reviewer for valuable comments and recommendations.
FOR CITATION: Ketov P.A. Razrabotka ekologicheski bezopasnogo energoeffektivnogo stroitel'nogo yacheistogo materiala, sootvetstvuyuschego printsipam zelenogo stroitel'stva [Development of environmentally safe, energy efficient cellular construction material corresponding to the principles of green construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2018, vol. 13, issue 3 (114), pp. 368-377.
ВВЕДЕНИЕ
Концепция зеленого строительства, основанная на конкретизации в области строительства принципов устойчивого развития, стала складываться в обществе и на практике относительно недавно и способствует решению задач обеспечения экологической безопасности строительства и городского хозяйства, защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от реальных или потенциально негативных воздействий возводимых и уже эксплуатируемых строительных объектов [1, 2].
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Для зданий и сооружений выделяют несколько этапов жизненного цикла: предварительный этап, строительство, эксплуатация и ликвидация [3]. В то же время жизненный цикл строительных материалов как неотъемлемой составной части строительного объекта совпадает в пространстве и времени с жизненным циклом строительного объекта на этапах строительства и эксплуатации, но отличается при создании материалов и завершении их жизненного цикла [4]. Поэтому в рамках концепции устойчивого развития и зеленого строительства представляется целесообразным рассматривать строительные материалы как самостоятельный элемент с собственной системой оценки экологической безопасности на всех этапах их жизненного цикла.
Разработанные стандарты зеленого строительства и нормативно-правовая база позволяют оценить материалы и соответствующие им технологии на соответствие фундаментальным критериям устойчивого развития, таким как приемлемый уровень техногенно-экологической нагрузки на объекты окружающей среды, частичный или полный отказ от использования в производстве первичных природных материалов путем вовлечения в ресурсный цикл отходов и вторичных материалов. Для обеспечения устойчивого развития всех типов тер-
риторий, обеспечения экологической безопасности в строительстве, где материальной основой являются строительные материалы и изделия, необходимы материаловедческие исследования на всех этапах их жизненного цикла, подтверждающие их экологическую безопасность [5, 6]. При этом приоритетным требованием при производстве экологически безопасной строительной продукции должно быть использование возобновляемых природных ресурсов и компонентов природной среды с минимальными затратами природных и энергетических ресурсов, в процессе обращения с которыми не оказывается негативного воздействия на человека и окружающую среду [7, 8]. С учетом этих требований в данной статье была поставлена цель разработать технологию производства и применения экологически безопасного энергоэффективного строительного материала на примере пеностекла.
Для соответствия пеностекла как строительного материала требованиям зеленого строительства оно на всех этапах жизненного цикла должно быть экологически пожаро- и взрывобезопасным, не ока- до зывать неблагоприятного влияния на санитарные С условия жизни и здоровья населения, обеспечивать н устойчивое использование природных ресурсов, £ а также быть конкурентоспособным по техническим характеристикам и целевым показателям по Щ сравнению с аналогами, экономически доступным р и производиться в промышленных масштабах. Поэтому разрабатываемое пеностекло рассматрива- О лось на соответствие этим требованиям, а в случае отклонения реальных показателей от требований 1 зеленого строительства предлагались технические Я решения для оптимизации этих показателей. В ре- ы зультате решения этой частной задачи на примере □ получения пеностекла предложен и апробирован С алгоритм решения общей задачи разработки эко- Я логически безопасного строительного материала Я на основе или с добавлением отходов производства 1 и потребления, соответствующий принципам зеле- 4 ного строительства.
Существующие технологии производства пеностекла — одного из энергоэффективных строительных материалов — не соответствуют принципам зеленого строительства: в качестве исходного материала используется специальное сульфатное стекло, получаемое из первичного природного сырья, которое невозможно заменить вторичными ресурсами; формирование эмиссии загрязняющих токсичных веществ (сульфидов и сероводорода), образующихся на всех этапах жизненного цикла (при производстве — в результате окислительно-восстановительных реакций между сульфат-ионом и углеродом при обжиге исходного сульфатного стекла в ходе газообразования при вспенивании композиции; при использовании и ликвидации/утилизации — в результате выделения содержащихся в пеностекле загрязняющих веществ при нарушениях его сплошности); наличие экологических и технических ограничений, затрудняющих рециклинг пеностекла.
Требования экологической безопасности материала должны быть положены в основу совершенствования технологий производства и применения уже существующих материалов. В случае отклонения существующих материалов от требований экологической безопасности и зеленого строительства должны совершенствоваться технологии этих материалов, но при этом целевые показатели рассматриваемых материалов должны быть не хуже, чем у аналогов. При этом замена материала на соответствующий принципам зеленого строительства должна происходить при сохранении его конкурентоспособности. В рассматриваемом случае такими целевыми показателями пеностекла являются его низкий коэффициент теплопроводности, невысокая плотность, негорючесть, ячеистая структура и расчетный срок эксплуатации (долговечность), сопоставимый с периодом эксплуатации строительного
^ объекта в котором применяется материал. ^
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
РО
^ В основу принятия решения о соответствии
^ материала требованиям зеленого строительства 2 положен анализ свойств материала по отношению 10 к требованиям устойчивого развития на каждом РО этапе жизненного цикла материала. В случае несоответствия свойств материала предъявляемым тре-¡1 бованиям предлагается поиск технических решений I- возникающей проблемы. В результате последова-^ тельного рассмотрения свойств материала на всех этапах его жизненного цикла и устранения возни-2 кающих препятствий для обеспечения комплексной £ экологической безопасности определяется возмож-Ц ность получения материала и соответствующих ему биопозитивных технологий в максимальной Ф степени удовлетворяющих требованиям зеленого ®® строительства.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Проверим применяемое в настоящее время пеностекло на соответствие принципам зеленого строительства и экологической безопасности на всех этапах его жизненного цикла. Предлагаемый алгоритм решения задачи разработки строительного материала, удовлетворяющего требованиям зеленого строительства, представлен на рис. 1.
Устойчивое использование природных ресурсов при производстве обеспечивается минимизацией использования первичных материалов в качестве основных и вспомогательных сырьевых компонентов с заменой их безопасными для окружающей среды вторичными ресурсами, отходами производства и потребления. Экологическая безопасность производства, охрана труда и здоровья, охрана окружающей среды в процессе производства обеспечивается приемлемым уровнем эмиссии загрязняющих веществ в окружающую среду и исключающим образование неутилизируемых вторичных отходов. Эти условия должны обеспечиваться при сохранении конкурентоспособности в сравнении с аналогами.
Пеностекло как строительный теплоизоляционный материал известно достаточно давно [9]. Процесс производства основан на варке специального сульфатсодержащего стекла, которое далее размалывается в шаровых мельницах, загружается в формы и обжигается при 750...850 °С, где происходит газообразование внутри массы вследствие окислительно-восстановительной реакции между сульфат-ионом стекла и углеродом, добавляемым к порошку стекла. Производство пеностекла основано на использовании специального стекла, содержащего в своем составе соединения серы сульфатного типа [10]. Сера (VI) сульфат-иона восстанавливается до сульфидной серы (II), в результате чего в готовом материале она содержится либо в виде сульфид-иона в составе стекла, либо в форме сероводорода в газовой фазе внутри ячеек материала.
Полученные заготовки отжигаются для снятия напряжений и распиливаются на изделия требуемых размеров [11]. Наличие сероводорода в готовом материале определяется органолептически в большинстве современных образцов пеностекла даже при незначительном повреждении поверхности материала. Незначительное нарушение сплошности материала приводит к взаимодействию паров воды воздуха с сульфидами, содержащимися в стекле с образованием сероводорода.
Необходимость применения специальных сульфатных стекол в качестве сырья для производства пеностекла не позволяют отнести материал, произведенный по традиционной технологии, к материалам, отвечающим критериям зеленого строительства на стадии производства. Во-первых, наличие соединений серы приводит к эмиссии вредных веществ в процессе производства, а во-вторых, делает
С. 368-377
Разработка материала
Производство материала
Строительство
Эксплуатация строительного объекта
Ликвидация строительного объекта после завершения его эксплуатации
Разработка строительного материала, отвечающего требованиям зеленого строительства: экологически безопасен, не оказывает неблагоприятного влияния на санитарные условия жизни и здоровья населения, пожаро- и взрывобезопасен, обеспечивает устойчивое использование природных ресурсов; конкурентоспособен по техническим характеристикам и целевым показателям по сравнению с аналогами; экономически доступен; может производиться в промышленных масштабах
Устойчивое использование природных ресурсов при производстве обеспечивается минимизацией использования первичных материалов в качестве основных и вспомогательных сырьевых компонентов с заменой их безопасными для окружающей среды вторичными ресурсами, отходами производства и потребления
Да
Разработать технологию использования взамен первичное сырья вторичных материалов, отходов производства и потребления
Экологическая безопасность производства, охрана труда н здоровья, охрана окружающей среды в процессе производства обеспечивается приемлемым уровнем эмиссии загрязняющих веществ в окружающую среду, исключением образования неугилизируемых вторичных отходов
_Да ,,_
Обеспечить соответствие материала требованиям зеленого строительства, техническим требованиям, конкурентоспособным с аналогами
Да
Разработать технологию
производства, обеспечивающую
экологическую и промышленную безопасность
Нет
Разработать технологию производства материала, обеспечивающую
соответствие техническим требованиям, требованиям зеленого строительства и иным целевым показателям
Обеспечение экологической безопасности строительства путем формирования приемлемого уровня техногенной экологической нагрузки, охраны труда и окружающей среды при использовании материала в ходе строительства, вовлечение в ресурсный цикл утилизируемых вторичных отходов и исключения образования неугилизируемых отходов
Да
Разработать технологию строительства с использованием материала, отвечающего требованиям
экологической и промышленной безопасности и устойчивому использованию природных ресурсов
Обеспечение экологической безопасности использования материала в процессе эксплуатации строительного объекта путем исключения формирования экологической техногенной нагрузки выше приемлемого уровня на протяжении всего периода эксплуатации объекта. Обеспечение комфортных условий жизни населения, обслуживающего персонала и специалистов, занятых в процессе эксплуатации строительного объекта.
Да
Обеспечение соответствия материала требованиям зеленого строительства, технологическим требованиям и иным целевым показателям на протяжении всего периода эксплуатации строительного объекта
Разработать технологию использования материала в ходе эксплуатации строительного объекта, отвечающего требованиям зеленого строительства
Да
Анализ ресурсного потенциала отходов материала образующихся после ликвидации строительного объекта для оценки возможности их утилизации
Да
Выбор технологии для утилизации отходов материала, первичного или вторичного повторного использования, переработки для получения иных вторичных материалов
Да
Разработка технологии первичного или вторичного повторного использования отходов материала, переработки для получения иных вторичных материалов
Получение из отходов, образующихся после ликвидации строительного объекта, материалов, пригодных для первичного или вторичного повторного использования, получения иных вторичных материалов
Да
Оценка соответствия полученных материалов требованиям зеленого строительства
Да
Пет
Анализ ресурсного потенциала неутилизируемых отходов
материала, образующихся после ликвидации строительного объекта для оценки возможности и целесообразности их использования или безопасною размещения в окружающей среде
Да
Выбор технологии экологически безопасного использования или размещения в окружающей среде неутилизируемых отходов
Да
Экологически использование и окружающей не\тилизиоуемы> безопасное ли размещение в среде остатков отходов
Задача решена
Рис. 1. Алгоритм решения задачи разработки экологически безопасного строительного материала на основе или с добавлением отходов производства и потребления
00
Ф О
4 X
5
*
О ч
4
о
(л)
СП г
5
<
о *
3
невозможным применение в качестве сырья бытовых и промышленных отходов стекла и требует потребления первичных ресурсов.
В связи с изложенным ключевыми недостатками традиционного пеностекла и соответствующей ему технологии с точки зрения зеленого строительства следует признать применение в качестве сырья сульфатного стекла, что приводит к эмиссии токсичного сероводорода на всех этапах жизненного цикла материала, применение первичных ресурсов в качестве сырья и невозможность вторичного использования как образующихся отходов, так и материала по завершению его жизненного цикла.
Возможным решением для снижения или исключения использования первичных ресурсов из сырья для производства пеностекла могло бы стать применение для этих целей бытовых и промышленных отходов стекла, или стеклобоя, являющегося компонентом твердых коммунальных отходов, ресурсный потенциал которого до настоящего времени используется не в полной мере. Такая невостребованность стеклобоя объясняется, с одной стороны, отсутствием надежных технологий его переработки, а с другой — невысокой прибавочной стоимостью продуктов, получаемых на его основе. К тому же, именно невысокая стоимость отходов стекла приводит к экономической целесообразности замены стеклом части более дорогостоящих материалов в процессе их производства [12, 13]. Кроме того, складирование стеклобоя на полигонах и вывод из оборота земель при засорении отходами стекла не считается приоритетным, а стекло в естественных условиях практически не подвержено разложению [14]. Однако именно вовлечение в ресурсный цикл невостребованных отходов является одной из приоритетных задач зеленого строительства. В пользу переработки отходов стекла в ячеистые материалы говорит высокая прибавочная стоимость ^ последних вследствие их высокой энергоэффектив-т- ности и востребованности.
Выходом из создавшегося положения может РО быть разработка технологии производства пено-¡^ стекла, включающая реакцию газообразования без ^ применения экологически опасных соединений 2 серы и с использованием отходов бытового стекла Ю в качестве сырья.
РО Такие технические решения для задачи переработки отходов стекла в пеностекло при исполь-¡1 зовании безопасной реакции газообразования были Н найдены и научно обоснованы при участии автора ^ данной статьи [15, 16]. Предложенный подход, основанный на формировании гидросиликатов между 2 частицами дисперсного стекла, позволяет приме-£ нять в качестве заполнителя несортовой стеклобой Ц по технологии, независимой от состава утилизируемого стекла, и избежать использования первичных Ф ресурсов. В этом случае газообразователем являют®® ся пары воды и углекислый газ [17], которые выде-
ляются из композиции до температур термопластичности стекла, вспенивая композицию и не создавая эмиссии загрязняющих веществ.
Таким образом, проблему соответствия пеностекла как материала на этапе его производства требованиям устойчивого развития можно решить заменой механизма газообразования с сульфатного на гидратный. Предложенное решение удовлетворяет также требованию замены в сырье первичных ресурсов на вторичные.
На этапе строительства обеспечение экологической безопасности материала осуществляется путем формирования приемлемого уровня техногенной экологической нагрузки, охраной труда и окружающей среды при использовании материала в ходе строительства, вовлечением в ресурсный цикл утилизируемых вторичных отходов и исключением образования неутилизируемых отходов.
В этом смысле пеностекло само по себе допускает монтаж материала без отходов, но размещение материала на неровных поверхностях всегда предполагает его обрезку непосредственно в условиях монтажа. Образующаяся обрезь не используется вторично в настоящее время и переходит в категорию неутилизируемых отходов. Это обстоятельство требует разработки технологии вторичного использования отходов пеностекла, которые в виде обрези или колотых кусков возникают на этапах изготовления материала, его монтажа и утилизации конструкций.
На этапе эксплуатации строительного объекта основным требованием к материалу с точки зрения зеленого строительства является приемлемый уровень эмиссии загрязняющих веществ из материала и обеспечение комфортных условий жизни обслуживающего персонала и специалистов, занятых в процессе эксплуатации строительного объекта. Обеспечение этих требований должно быть на протяжении всего периода эксплуатации строительного объекта. Возможным решением этой задачи может быть применение пеностекла, полученного по ги-дратной технологии, описанной выше.
На этапе ликвидации строительного объекта после завершения его эксплуатации необходимо обеспечить возможность и целесообразность использования или безопасного размещения использованного материала в окружающей среде. Для решения этой задачи необходимо обеспечить получение из кусковых отходов, образующихся после ликвидации строительного объекта, материалов, пригодных для первичного или вторичного повторного использования, получения иных вторичных материалов. Аналогичная задача для легких бетонов по завершении их жизненного цикла решается путем их использования в качестве заполнителя при производстве новых легких бетонов [18].
Пеностекло как материал не может быть использовано вторично в виде штучных изделий. Пла-
С.368-377
новая ликвидация строительного объекта позволяет извлечь и разделить материалы, но полученное таким путем пеностекло представляет собой кусковые отходы, непригодные для дальнейшего использования в качестве штучных теплоизоляционных изделий. Попытки получить композиционные блоки на основе пеностеклянного щебня со связкой из портландцемента приводят не только к материалу с невысокими эксплуатационными свойствами в связи в высокой плотностью готовых изделий, но и осложнены возможностью протекания в изделии щелочно-силикатной реакции [19].
Следует отметить, что аналогичные отходы пеностекла образуются на этапе производства при кромлении блоков и на этапе монтажа. Это обстоятельство нарушает базовый принцип зеленого строительства — возможность вторичного использования ресурсного потенциала отходов для возвращения в жизненный цикл.
Актуальность этого положения очевидна не только с позиции защиты окружающей среды, но и также с точки зрения обеспечения сырьевыми ресурсами строительной индустрии, прогрессирующего роста цен на природную минеральную продукцию, вследствие необходимости сбережения материально-энергетических ресурсов и для решения задачи освобождения земельных площадей, занятых отходами [20]. Поэтому вопросы вторичного использования строительных материалов приобретают особую актуальность.
Наиболее логичным решением при вторичном использовании боя строительных материалов является применение вторичных отходов строительного материала в качестве заполнителя в матрице из материала аналогичной природы. Например, такое решение применяется при получении для щебня из бетонного боя. Использование в железобетонных конструкциях щебня из бетонного лома вполне допустимо и не требует серьезных корректировок в расчетах [21].
Поэтому представляется логичным применять бой пеностекла в качестве заполнителя при производстве пеностеклянных изделий. Весьма обнадеживающими выглядят перспективы вторичного использования пеностекла после завершения жизненного цикла зданий и сооружений. Найденные при участии автора статьи технические решения позволяют перерабатывать пеностеклянные плиты после дробления в щебень в изделия неотличимые по виду и эксплуатационным показателям от исходных [22]. В результате применения полисиликатной связки для пеностеклянного щебня и дальнейшей обработки получаемых композиционных блоков, открывается возможность производства пе-ностеклянных изделий по структуре неотличимых от первичных. В этом случае связка в готовом изделии представляет собой такое же пеностекло, как и материал заполнителя, что делает пеностекло однородным по структуре. Пример структуры такого изделия представлен на рис. 2, где для наглядности приводится фотография среза изделия, содержащего окисленное, белое, пеностекло на связке из черного, восстановленного, пеностекла.
В результате проведенного анализа свойств пеностекла как строительного материала и технологий его производства, эксплуатации и утилизации были выявлены ключевые недостатки на каждом этапе жизненного цикла, не соответствующие фундаментальным требованиям зеленых стандартов, а технические решения по устранению недостатков позволили построить технологию пеностекла как экологически безопасного строительного материала на всех этапах жизненно цикла материала.
В основу предложенной технологии пеностекла положены принципы соответствия безопасности и зеленым технологиям на всех этапах жизненного цикла материала: непревышение допустимой эмиссии, применение преимущественно вторичного сырья и возможность возврата твердых отходов в жизненный цикл материала. При этом разработанный
Рис. 2. Фотография структуры пеносте-клянного блока, полученного из белого окисленного заполнителя на связке из восстановленного черного пеностекла
00
Ф О т X
5
*
О У
Т
0
1
(л)
В
г
3
у
о *
3
материал по техническим характеристикам соответствует требованиям, предъявляемым к аналогичным материалам, и способен заменить их в объектах строительства.
Общая схема предложенной технологии представлена на рис. 3. Стеклобой поступает со склада сырья 1 через дробилку 2 в бункер дробленого стекла 3, откуда подается через шаровую мельницу 4 и хранится в бункере порошка стекла 5. Порошок диатомита, необходимый для создания полисиликатной связки, хранится в бункере 6.
Порошки поступают в тарельчатый грануля-тор 7, где формируют гранулы совместно с рабочим раствором, подаваемым из емкости 8. В свою очередь рабочий раствор получается путем смеше-
ния жидкого стекла из емкости 9 и водного раствора газообразователя, поступающего из емкости 10. Сырые окатанные гранулы из гранулятора 7 самотеком поступают в сушилку 11, представляющую собой барабанную печь, работающую при температуре 120.. .150 °С. Высушенные сырцовые гранулы хранят в бункере 12, откуда по мере необходимости гранулы поступают на термообработку в барабанную печь обжига 13, где происходит их вспенивание и готовые пеностеклянные гранулы подаются в бункер 14.
Пеностеклянные гранулы в шнековом смесителе 15 смешивают с рабочим раствором и порошками диатомита и стекла, выступающими в качестве связки и основы для образования пеностекла в про-
2 О
н *
О
X 5 X Н
О ф
Рис. 3. Предложенная технологическая схема производства пеностекла, экологически безопасного на всех этапах жизненного цикла
странстве между гранулами пеностекла при высоких температурах. В шнековый смеситель также поступают вторичные отходы пеностекла, хранящиеся в бункере 16 и прошедшие измельчение в дробилке 17. Следует отметить, что отходы пеностекла в бункер 16 могут поступать как в виде обрези от кромления блоков, так и от внешних поставщиков отходов, образующихся в результате утилизации зданий и сооружений, содержащих пеностекло в своих конструкциях.
Смесь, полученную в шнековом смесителе 15, прессуют в композиционные блоки в прессе 18, откуда они поступают на обжиг в туннельную печь 19. В процессе термообработки материал приобретает однородную ячеистую структуру и сохраняет геометрическую форму, близкую к исходной. После охлаждения полученные пеностеклянные блоки калибруют на распиловочном станке 20 и готовые пеностеклянные плиты поступают на склад готовой продукции 21.
Продукты опиловки хранятся в бункере 22, откуда по мере накопления они поступают на дробление и замес в шнековый смеситель 15. Бункер 22, как и бункер 16, содержит вторичное пеностекло, которое в предлагаемой схеме возвращается в жизненный цикл материала. В результате предложенная технологическая схема не только позволяет производить экологически безопасный материал на основе несортового стеклобоя, но и допускает вовлечение в новый жизненный цикл как отходов собственного
производства, так и вторичных отходов этапа строительства. При этом полученный материал обладает техническими характеристиками, позволяющими использовать его в качестве альтернативы традиционному, не удовлетворяющему требованиям экологической безопасности.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в результате устранения недостатков, присущих существующему пеностеклу на всех этапах его жизненного цикла, были обоснованы технические решения, включающие применение вторичных ресурсов в качестве сырья, разработаны экологически безопасные реакции газообразования и вторичное использование отходов пеностекла в производстве, что позволило предложить материал, отвечающий требованиям зеленого строительства на всех этапах его жизненного цикла. Полученный продукт имеет технические характеристики на уровне аналога и выполняет его востребованные функции, но не формирует эмиссию токсичных компонентов, отличается долговечностью, на завершающем этапе не создает неутилизируемых вторичных отходов и может быть возвращен в ресурсный цикл. В результате применения предложенного алгоритма решения задачи разработки экологически безопасного строительного материала была достигнута цель разработки технологии пеностекла, отвечающей принципам зеленого строительства.
литература
1. Теличенко В.И. От принципов устойчивого развития к «зеленым» технологиям // Вестник МГСУ. 2016. № 11. С. 5-6.
2. Теличенко В.И. От экологического и «зеленого» строительства к экологической безопасности строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 2. С. 47-51.
3. Теличенко В.И., Большеротов А.Л. Комплексная система экологической безопасности строительства // Жилищное строительство. 2010. № 12. С. 2-5.
4. Vieira D.R., Calmon J.L., Coelho F.Z. Life cycle assessment (LCA) applied to the manufacturing of common and ecological concrete: a review // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 124. Pp. 656-666.
5. Теличенко В.И., Орешкин Д.В. Материаловед-ческие аспекты геоэкологической и экологической безопасности в строительстве // Экология урбанизированных территорий. 2015. № 2. С. 31-33.
6. Жук П.М. Система оценки экологической безопасности по жизненному циклу неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов // Вестник МГСУ. 2013. № 12. С. 118-122.
7. Величко Е.Г., Цховребов Э.С. Экологическая безопасность строительных материалов: основные исторические этапы // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12.
Вып. 1 (100). С. 26-35. п
8 Жук П.М. Декларации о воздействиях на С
окружающую среду строительных материалов: н
проблемы и перспективы применения в Российской s Федерации // Архитектура и строительство России.
2013. № 11. С. 22-31. §
9. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пено- р стекло. М. : Промстройиздат, 1953. 80 с.
10. Демидович Б.К. Производство и применение О пеностекла. Минск : Наука и техника, 1972. 301 с.
11. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск : Наука 1 и техника, 1975. 248 с. Я
12. Maier P.L., Durham S.A. Beneficial use of re- ы cycled materials in concrete mixtures // Construction □ and Building Materials. 2012. Vol. 29. Pp. 428-437.
13. Shi C., Zheng K. a review on the use of waste Я glasses in the production of cement and concrete // Re- w sources, Conservation and Recycling. 2007. Vol. 52. 1 Issue 2. Pp. 234-247. 4
14. Jani Y., Hogland W. Waste glass in the production of cement and concrete — a review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014. Vol. 2. Issue 3. Pp. 1767-1775.
15. Описание изобретения к пат. РФ 2453510 МПК С03В19/08 C03C 11/00 (2006.01). Способ получения пеностеклянных изделий / Н.Н. Капустинский, П.А. Кетов, Ю.А. Кетов; патетообл. ООО «Центр инновационных исследований». Заяв. 2010141923/03, 14.10.2010; опубл. 20.06.2012. Бюл. № 17.
16. Вайсман Я.И., Кетов П.А., Потапов А.Д. Стеклокристаллический материал на основе дисперсного стекла // Вестник МГСУ. 2014. № 7. С. 85-92.
17. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов П.А. Научные и технологические аспекты производства пеностекла // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 2. С. 214-221.
18. Napolano L., Menna C., Graziano S.F. et al. Environmental life cycle assessment of lightweight concrete to support recycled materials selection for sus-
tainable design // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 119. Pp. 370-384.
19. Bumanis G., Bajare D., Locs J., Korjakins A. Alkali-silica reactivity of foam glass granules in structure of lightweight concrete // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 47. Pp. 274-281.
20. Ильичев В.А., Карпенко Н.И., Ярмаков-ский В.Н. О развитии производства строительных материалов на основе вторичных продуктов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 36-42.
21. Безгодов И.М., Пахратдинов А.А., Ткач Е.В. Физико-механические характеристики бетона на щебне из дробленого бетона // Вестник МГСУ. 2016. № 10. С. 24-34.
22. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов П.А. Вторичное использование пеностекла при производстве пеностеклокристаллических плит // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 56-59.
Поступила в редакцию 1 июля 2017 г. Принята в доработанном виде 29 ноября 2017 г. Одобрена для публикации 27 февраля 2018 г.
Об авторе: кетов Петр Александрович — аспирант кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, 347911@mail.ru.
references
1. Telichenko V.I. Ot printsipov ustoychivogo razvitiya k «zelenym» tekhnologiyam [From the principles of sustainable development to "green" technologies]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State ^ University of Civil Engineering]. 2016, no. 11, pp. 5-6. t- (In Russian)
w 2. Telichenko V.I. Ot ekologicheskogo i «zele-W nogo» stroitel'stva k ekologicheskoy bezopasnosti ¡^ stroitel'stva [From ecological and green construction ^ to ecological safety of construction]. Promyshlennoe i — grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engi-00 neering]. 2011, no. 2, pp. 47-51. (In Russian) PO 3. Telichenko V.I., Bol'sherotov A.L. Komplek-snaya sistema ekologicheskoy bezopasnosti stroitel'stva q [Complex system of ecological safety of construction]. I— Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010, ^ no. 12, pp. 2-5. (In Russian)
if 4. Vieira D.R., Calmon J.L., Coelho F.Z. Life cycle
2 assessment (LCA) applied to the manufacturing of com-
£ mon and ecological concrete: a review. Construction
j and Building Materials. 2016, vol. 124, pp. 656-666.
jj 5. Telichenko V.I., Oreshkin D.V. Materialo-
0 vedcheskie aspekty geoekologicheskoy i ekologicheskoy 10
bezopasnosti v stroitel'stve [Material science aspects of geo-ecological and environmental safety in construction]. Ekologiya urbanizirovannykh territoriy [Ecology of Urban Areas]. 2015, no. 2, pp. 31-33. (In Russian)
6. Zhuk P.M. Sistema otsenki ekologicheskoy bezopasnosti po zhiznennomu tsiklu neorganicheskikh voloknistykh teploizolyatsionnykh materialov [Evaluation system of ecological safety on life cycle of inorganic fibrous heat-insulting materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 12, pp. 118-122. (In Russian)
7. Velichko E.G., Tskhovrebov E.S. Ekologiches-kaya bezopasnost' stroitel'nykh materialov: osnovnye istoricheskie etapy [Ecological safety of construction materials : basic historical stages]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2017, vol. 12, issue 1 (100), pp. 26-35. (In Russian)
8 Zhuk P.M. Deklaratsii o vozdeystviyakh na ok-ruzhayushchuyu sredu stroitel'nykh materialov: prob-lemy i perspektivy primeneniya v Rossiyskoy Federatsii [Declaration on the environmental impacts of building materials: problems and perspectives of application in
Russian Federation]. Arkhitektura i stroitel'stvo Rossii [Architecture and Construction of Russia]. 2013, no. 11, pp. 22-31. (In Russian)
9. Kitaygorodskiy I.I., Keshishyan T.N. Penosteklo [Foamed glass]. Moscow, Promstroyizdat Publ., 1953. 80 p. (In Russian)
10. Demidovich B.K. Proizvodstvo i primenenie penostekla [Manufacture and application of the foamed glass]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1972. 301 p. (In Russian)
11. Demidovich B.K. Penosteklo [Foamed glass]. Minsk, Nauka i tekhnikaPubl., 1975. 248 p. (In Russian)
12. Maier P.L., Durham S.A. Beneficial use of recycled materials in concrete mixtures. Construction and Building Materials. 2012, vol. 29, pp. 428-437.
13. Shi C., Zheng K. a review on the use of waste glasses in the production of cement and concrete. Resources, Conservation and Recycling. 2007, vol. 52, issue 2, pp. 234-247.
14. Jani Y., Hogland W. Waste glass in the production of cement and concrete — a review. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014, vol. 2, issue 3, pp. 1767-1775.
15. Kapustinskiy N.N., Ketov P.A., Ketov Yu.A. Disclosure of an invention RU 2453510 IPC C03V19/08 C03C 11/00 (2006.01). Sposob polucheniya penostek-lyannykh izdeliy [Method of producing foamed glass products] ; patentholder OOO "Tsentr innovatsionnykh issledovaniy"; claim 2010141923/03, 14.10.2010; publ. 20.06.2012; bul, no. 17. (In Russian)
16. Vaysman Ya.I., Ketov P.A., Potapov A.D. Steklokristallicheskiy material na osnove dispersnogo stekla [Glassceramic cellular material based on dispersed glass]. VestnikMGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 7, pp. 85-92. (In Russian)
17. Vaysman Ya.I., Ketov A.A., Ketov P.A. Nauchnye i tekhnologicheskie aspekty proizvodstva penostekla [Scientific and technological aspects of foam glass production]. Fizika i khimiya stekla [Glass Physics and Chemistry]. 2015, vol. 41, no. 2, pp. 214-221. (In Russian)
18. Napolano L., Menna C., Graziano S.F. et al. Environmental life cycle assessment of lightweight concrete to support recycled materials selection for sustainable design. Construction and Building Materials. 2016, vol. 119, pp. 370-384.
19. Bumanis G., Bajare D., Locs J., Korjakins A. Alkali-silica reactivity of foam glass granules in structure of lightweight concrete. Construction and Building Materials. 2013, vol. 47, pp. 274-281.
20. Il'ichev V.A., Karpenko N.I., Yarmakovs-kiy V.N. O razvitii proizvodstva stroitel'nykh mate-rialov na osnove vtorichnykh produktov promyshlen-nosti [On the development of building materials production on the basis of secondary industrial products]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2011, no. 4, pp. 36-42. (In Russian)
21. Bezgodov I.M., Pakhratdinov A.A., Tkach E.V. Fiziko-mekhanicheskie kharakteristiki be-tona na shchebne iz droblenogo betona [Stress-strain properties of concrete made of the chip of crushed concrete]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 10, pp. 24-34. (In Russian)
22. Vaysman Ya.I., Ketov A.A., Ketov P.A. Vtorichnoe ispol'zovanie penostekla pri proizvodstve penosteklokristallicheskikh plit [Secondary application of foam glass when producing foam-glass-crystal slabs]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2017, no. 5, pp. 56-59. (In Russian)
Received July 1, 2017.
Adopted in final form on November 29, 2017. C
Approved for publication on February 27, 2018. H
S
About the author: Ketov Petr Aleksandrovich — Postgraduate Student, Department of Environmental
Protection, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomol'skiy prospect, Perm, 614990, r
Russian Federation; 347911@mail.ru. c
y
T
1
B
3
y w
