CC BY
78
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 691:502
КОВЛЕР КОНСТАНТИН (KOVLER KONSTANTIN), докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Строительные материалы и технологии, cvrkost@technion. ac.il
Технион - Израильский технологический институт, Хайфа, 3200003, Израиль,
ТРИ ДИЛЕММЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ*
В статье рассматриваются три взаимосвязанных вопроса о применении: а) природного и искусственного камня; б) вяжущих на основе гипса и портландцемента и в) малоза-грязняющих материалов, т. е. экологически чистых с точки зрения потребителя, производителя и общества. Эти три вопроса играют важную роль в дальнейшем развитии и внедрении экологически чистых строительных материалов и технологий. В последние годы общество сталкивается с этими дилеммами, и принятые решения помогают ученым и инженерам обеспечить разработку экологически безопасной и высокой технологии производства, а также гарантировать безопасность самих материалов для пользователей жилья в течение всего жизненного цикла здания. Следует отметить, что этими проблемами автор занимается уже более 30 лет.
Ключевые слова: экологическая устойчивость; устойчивое развитие; экологически чистые строительные материалы; безопасность строительных материалов; жизненный цикл здания.
Введение
Экологическая устойчивость базируется на простом принципе: все, в чем мы нуждаемся для выживания и благосостояния, зависит и прямо, и косвенно от окружающей нас среды. Экологическая устойчивость создает и поддерживает условия, в которых человек и природа могут гармонично существовать, что соответствует социальным, экономическим и иным требованиям настоящего и будущего поколений.
* Тезисы доклада были представлены на 2-й Международной конференции по устойчивым строительным материалам и технологиям (Proc. 2nd Int. Conf. "Sustainable Construction Materials and Technologies", Proc. of sessions in honor of Dr. E. E. Borgarello, Prof. T.W. Bremner, Prof. D.W. Fowler, Prof. K. Kovler, Prof. K. Sakai), 28-30 июня 2010 г., Антона, Италия. © Ковлер К. (Kovler Konstantin), 2014 © Перевод на русский язык, оформление. ТГАСУ, 2014 © Издание, распространение на территории РФ. ТГАСУ, 2014
Экологическая устойчивость дает гарантию того, что мы имеем и всегда будем иметь воду, материалы и ресурсы для защиты здоровья человека и окружающей среды. В то же время высокий уровень жизни в Западной Европе, Северной Америке и остальном мире зависит от современной индустриальной экономики, которая потребляет громадное количество невозобновляе-мых ресурсов. Это может привести к тому, что благополучие настоящего поколения, по крайней мере достаточно успешных его индивидуумов, живущих в развитых странах, перестанет быть устойчивым, а будет недальновидно или эгоистично куплено ценой будущих поколений [1].
Несмотря на то что устойчивое развитие является относительно новым дополнением к общему лексикону, проблема истощения природных запасов и угрозы благополучию будущих поколений восходит еще к временам Томаса Мальтуса и других экономистов-классиков, живших около двух столетий тому назад. Сегодня споры об этой угрозе не только продолжаются, но и кажутся более поляризованными, чем когда-либо.
Цифры, приведенные ниже, показывают ускоренное промышленное и экономическое развитие, произошедшее за последнее столетие. Мировое промышленное производство выросло более чем в 50 раз, однако 4/5 этого роста произошло во второй половине XX в. Увеличение объемов производства способствовало колоссальному потреблению природных ресурсов, которое удваивало производство сырья примерно каждые 15 лет. В то же время лишь незначительная часть природных ресурсов (около 5 %) нашли свой путь к конечному продукту. Остальное пошло в отходы, зачастую экологически вредные и небезопасные. Вот почему будущее диктует нам создание новых материалов, которые должны производиться посредством новых ресурсосберегающих технологий. Проблема сохранения природных ресурсов является одной из главных экологических проблем современного индустриального производства.
Другой, не менее важной проблемой, является загрязнение окружающей среды и ее разрушение. Вредоносная окружающая среда в какой-то мере влияет на жизнь каждого третьего жителя планеты. Строительная отрасль не только потребляет около 40 % материалов и около 1/3 энергии, производимых в мире, но и загрязняет окружающую среду. Добыча строительных материалов, включая песок, гравий, глину, известняк и природный камень, влечет за собой шумовые, вибрационные и атмосферные загрязнения в дополнение к многочисленным проблемам, связанным с добычей металлов. Трансформация земель в застроенные территории - это особая экологическая проблема, связанная с потреблением строительных материалов, которая ведет к существенным потерям основных функций земли.
Цель статьи - обсуждение трех спорных вопросов, занимающих важное место в применении экологически чистых строительных материалов, а именно: материалов из природного и искусственного камня, вяжущих на основе гипса и портландцемента и малозагрязняющих материалов с точки зрения оценки экономической эффективности. Следует отметить, что этими проблемами автор занимается последние 30 лет.
Дилемма 1: природный камень против искусственного
Первая дилемма заключается в поиске оптимального способа производства и применения в строительстве либо готовых изделий из природного камня (Dimension Stone), либо материалов и изделий из искусственного камня (заполнители и бетон).
Строительные материалы и изделия из камня обычно добываются в специальных карьерах, богатых песком, гравием, щебнем и природным камнем, которые используются в качестве заполнителей. Большинство из этих карьеров высоко механизированы и позволяют получать ценные строительные материалы:
- природный камень, главным образом в виде фракционированных строительных материалов, таких как плотные и пористые заполнители бетона; минеральные наполнители - кислотостойкие, жаропрочные, фильтрующие/адсорбирующие наполнители, включая микронаполнители; геополимеры; минеральные пигменты; термоизоляционные и абразивные материалы; бутовый камень; сырье для производства цемента; гипс, известь и др.;
- природно-искусственные материалы, такие как минеральное литье -органосиликаты; базальтовое волокно; пено- и жидкое стекло; базальтопла-стик; пористые заполнители (например, перлит); адсорбенты; минеральные вяжущие; обычный бетон; легкий бетон (включая изделия из автоклавного бетона, пенобетон, газосиликаты); изделия из прессованного порошка, керамики, огнеупоров и др.
Ниже дается краткое описание технологий, которые применяются в современном производстве каменных материалов. Технологическая цепочка в строительстве начинается, как правило, с добычи скальной породы. Традиционные методы добычи скальной породы можно разделить на разрушающие и частично разрушающие.
Разрушающие методы заключаются в разрушении определенного объема породы, когда повреждается (раскалывается) как извлекаемый материал, так и окружающий скальный массив. Частично разрушающие методы основаны на разрушении скальной породы, которую следует извлечь при одновременном сохранении окружающего скального массива (как оболочки, так и горной массы). Примером разрушающих методов могут служить как бурильный, так и взрывной способы. Пример частично разрушающих - использование тоннелепроходческих машин, оборудованных фрезерными дисками.
Другие способы добычи каменной породы осуществляют, используя технологию резания/раскалывания скальной породы, которая действительно обеспечивает аккуратное извлечение породы. При этом остается неповрежденной как извлекаемая, так и окружающая порода. Эти способы называются неразрушающими и широко применяются в карьерах и заводах по производству готовых изделий из природного камня.
Известно несколько способов разработки скальной породы при строительстве зданий и инфраструктур в скальном массиве со сложной топографией и скальном массиве со сложной литологией, существенной глубиной и площадью залегания.
1. Механический способ, основанный, главным образом, на ударной или статической нагрузке на породу. Механический способ (обычно составляет 85-90 % от всех видов земляных работ) осуществляется землеройными машинами, такими как погрузчик, самосвал, грейдер, бульдозер, обратная лопата, канатно-скребковый экскаватор и т. п. Для перемещения вырытого грунта со строительной площадки к месту хранения применяется транспортный метод. В этом случае разработка земли выполняется землеройной машиной (экскаватором), затем грунт транспортируется конвейерным способом или рельсовыми/безрельсовыми тележками.
2. Взрывной способ основан на применении взрывной силы для перемещения грунта в нужном направлении.
Как механический, так и взрывной способы являются разрушающими и сопровождаются разрушением изначальной породы в слабых местах, т. е. в трещинах, отверстиях и порах. Эти способы считаются основными при проведении работ в скальной породе. Но разрушающие способы также сопровождаются серьезным повреждением окружающей среды: шумы и вибрации, искусственные землетрясения, пыль, атмосферное и водное загрязнение, зрительное воздействие, воздействие на биологическое разнообразие из-за освоения земель и т. д.
Периодический шум производится особыми действиями: в основном взрывами, но также и ежедневно запускаемыми двигателями, погрузкой грунта в самосвалы, разгрузкой в стальные скаты основных дробилок и т. п. Когда периодический шум не следует за периодическим циклом или когда период длительный, он может квалифицироваться даже как спорадический шум.
Основные источники пылевых выбросов - это дробление-шлифование, сверление и взрывание, которые являются типичными для разрушающих способов.
Токсичные и нетоксичные газы являются обычными побочными продуктами взрывной деятельности, несмотря на использование взрывных материалов. Как правило, при этом выделяются N0^ СО, и N0.
Режим поверхностных вод может сменяться при взрывных операциях из-за переключения потоков, забора воды и изменений схемы гидрографической сети. Однако наиболее тяжелые и необратимые повреждения, вызванные взрывными работами, - это растрескивание геологических слоев осадочных пород, находящихся над водоносным слоем, который больше не сможет служить фильтром грунтовых вод. Через эти трещины загрязненная вода может легко проникать в водоносный слой в местах высокого атмосферного загрязнения (например, вблизи химических заводов).
Напротив, неразрушающие методы, которые применяются сейчас при добыче готовых изделий из природного камня, не оказывают вредоносного влияния на окружающую среду. При их производстве теперь широко применяются бесшумные и антирезонансные дисковые лезвия для резки неровных блоков и выделения мелких фракций [2]. Потребление воды при резке камня (для охлаждения инструмента) может быть существенно снижено путем использования внутренней влажности породы и рециркуляции воды на заводах по производству готовых изделий из природного камня.
Неразрушающие методы редко применяются в строительных проектах. Например, известны механические методы прокладки тоннелей в твердой породе, которые основаны на проходке выработки полным и полусечением (Full-Face Excavation or Part-Face Excavation) [3]. В частности, описаны работы по извлечению твердой породы при проходке посредством подачи воды под высоким давлением и пилы для профильной резки на направляющей раме. Несмотря на то, что такие способы применяются редко, они приобретают большое значение в особых геологических условиях.
В том же источнике описано использование частично разрушающих способов, осуществляемых с помощью тоннелепроходческих машин, снабженных фрезерными дисками, которые работают по следующему принципу. Как известно, естественные скальные породы имеют трещины и дефекты разной величины. Когда фрезерный диск внедряется в породу, компрессионная сила, действующая на породу, возникает вблизи более сильных изъянов. Под давлением трещины распространяются вглубь породы. По мере вращения дисков трещины раскрываются, раскалывая породу еще дальше. Местная раскалывающая нагрузка, производимая фрезерными дисками в плоскости механизированного горнопроходческого щита, приводит к эффективному разрушению скального массива, но не разрушает окружающую породу.
Следует отметить, что естественная скальная горная порода обладает обычно высокой прочностью (например, практически неограниченной прочностью на сжатие) и другими механическими свойствами, необходимыми для строительных целей. Основная цель земляных работ в строительстве - удалить верхний слой естественных пород и возвести здания и сооружения на основании этих пород. Около 75 % всей площади земли покрыто осадочными породами. Другими словами, в них выполнено большинство зданий и сооружений.
В то же время твердые осадочные и другие породы широко используются при производстве строительного камня и изделий, ~95 % из которых производится другой промышленной отраслью в многочисленных карьерах и шахтах с ограниченным пространством. Целью добычи и обработки строительного камня является использование его уникальных физико-механических свойств, а также свойств, приобретенных при его обработке, которые востребованы заказчиком.
В одних карьерах применяются разрушающие методы извлечения и обработки породы, в других - частично разрушающие или неразрушающие.
Таким образом, основная проблема заключается в противоречии двух отраслей, которые потребляют ресурсы природного камня: строительство искусственных сооружений и строительство производства материалов. Эта проблема ведет к парадоксальной ситуации, когда 95-99 % разработанной породы (главным образом осадочного происхождения) идет в отходы или просто истощается. В результате низкая эффективность добычи камня ведет к необратимым экономическим потерям, а также нагрузкам на окружающую среду и ее разрушению.
Сравним технологические платформы, необходимые для производства бетона и готовых изделий из природного камня, и их влияние на окружаю-
щую среду (включая выделение С02) и потребность в сырье, трудовые, энергетические и водные затраты, продуктивность и возможность применения эффективных индустриальных технологий. К сожалению, следует признать, что основные технологии, применяемые для производства камня во многих странах, устарели и являются расточительными и экологически небезопасными (таблица) [4]. Вопрос в том, как улучшить сложившуюся ситуацию.
При присвоении статуса и защите ресурсов природного камня как национального приоритета необходимо провести ряд серьезных изменений в экономической и законодательной сферах, тем более что все, кто вовлечен в их использование, собираются извлечь из этого выгоду: государство получает существенный доход за лицензию по использованию природных ресурсов; у производителей есть стимул применять передовые (экономические и экологические) методы добычи породы в сочетании с большей ценностью продукта (например, обеспечение подземного пространства для различных целей); при этом заказчики получают ценную строительную продукцию по ценам ниже импортных.
Применение технологии резания/раскалывания скальной породы представляется наиболее эффективным при строительстве подземных сооружений. В данном случае может быть получено два продукта одновременно: подземное пространство, отвечающее всем конструкторским требованиям (геометрии, климату, акустике, пожарной безопасности и др.), и извлеченный строительный продукт (готовые изделия из природного камня). Нехватка доступного открытого грунта во многих странах диктует разработку новых альтернатив, основанных на строительстве подземных сооружений.
Многие подземные установки, как для гражданских, так и для военных нужд, состоят из тоннелей, вырытых в твердой породе, которые относительно надежны и не подвержены затоплению во время строительства. Часто горная порода настолько крепка, что стены тоннеля не нуждаются в усилении и могут быть не облицованы. Такие подземные сооружения можно использовать в качестве складов, аэродромов, фабрик, парковок, театров и т. п.
Две группы технологий производства строительного камня
Область Параметры Технологии
Ресурсозатратные и устаревшие технологии Ресурсосберегающие и высокие технологии
Общая Основной продукт Заполнители для иск. материалов (раствор и бетон) Готовые изделия из природного камня
Побочный продукт Готовый продукт (природный камень) Заполнители для иск. материалов (раствор и бетон)
Затраты на сырье (породу) Низкие Высокие
Затраты на производство природно-каменных изделий Высокие Низкие
Окончание таблицы
Область Параметры Технологии
Ресурсозатратные и устаревшие технологии Ресурсосберегающие и высокие технологии
Затраты на иск. материалы Низкие Низкие
Технологическая Отношение основного и побочного продуктов Низкое Высокое (> 60 %)
Повторное использование и переработка побочного продукта; контроль свойств продукта Ограниченное Широкое
Потребление мощности Высокое (сотни л. с./м3) Низкое (десятки л. с./м3)
Экологическая Расход кварцевого песка в производстве бетона Очень высокий (сотни кг/м3) Очень низкий или нулевой (песок карбонатной породы)
Возможное загрязнение окружающей среды Необратимое и порой катастрофическое Экологическая чистота
Технико-экономико-экологическая Расход воды, энергии и ресурсов Высокий Низкий
Долговечность основного продукта Низкая (десятки лет) Высокая (сотни лет)
Комфортность окружающей среды в жилом пространстве Удовлетворительная Нормальная(природный камень «дышит» и сам приспосабливается к окружающей среде)
Социальная Трудовые затраты Высокие Низкие
Мотивация к работе Высокая Низкая
Предположим, что в областях, богатых ценными минеральными ресурсами, работы по производству готовых изделий из природного камня можно эффективно сочетать с организацией и дальнейшим использованием полученного подземного пространства для гражданских и военных нужд. Например, известняк широко распространен на востоке и севере центрального Канзаса. Шесть подземных шахт имеется на северо-востоке Канзаса, в которых производят известняковый щебень для местного строительства и дорожной отрасли. Однако производство дробленого известняка обычно требует взрывных работ, что приводит: а) к повреждению породы, которая потом не может быть использована в качестве ценного природного камня, и б) растрескиванию породы вблизи подземного пространства, которое не может потом использоваться для размещения гражданского и военного оборудования без дополнительных денежных вложений. Возникает вопрос, почему нельзя заменить взрывные разрушающие технологии на неразрушающие или частично неразрушающие, чтобы сохранить полученное подземное пространство для его дальнейшего полезного использования.
Передовые технологические системы включают различные виды экологически чистых методов, которые основываются не на взрывных технологиях. Такие технологические системы могут быть основаны как на механическом, так и на не механическом (например, химическом) принципах. Механические системы включают сочетание: а) тоннелепроходческих машин (главным образом для формирования зоны прохода будущего подземного пространства), б) ускоренного дробления и станков для резки алмазной проволокой (в основном для обеспечения вторичных маршрутов в карьер и различных типов природного камня: больших блоков, балок, плит, брусчатки и т. д.). Такие станки имеются в Италии, Германии, США и других странах; они очень эффективны и не повреждают ни поверхность ландшафта, ни наземные или подземные каменоломни, которые в дальнейшем могут служить гражданским и военным целям. В тех случаях, когда из-за близости к жилью или промышленным предприятиям, а также по иным причинам взрывные работы запрещены, экологически безвредные способы могут стать единственным решением подземного строительства.
Алгоритм конструирования подземного пространства и разработки оптимальной строительной технологии с одновременным производством изделий из природного камня должен включать анализ: а) свойств и будущего рынка продукции из природного камня и б) наличия технологий, их технических характеристик и возможного воздействия на окружающую среду. Для разработки концепции проекта автором предложен простой принцип: «Продажа готовых изделий из природного камня должна покрывать предписанный процент (предпочтительно 100 %) расходов на строительство подземных сооружений».
Дилемма 2: гипс против портландцемента
Гипс и портландцемент - это жизнеспособные минеральные вяжущие, которые широко применяются для производства компонентов. Гипс имеет преимущество быстрого твердения и позволяет получить отличную внешнюю поверхность изделий (финиш), но его применение ограничено внутренними конструкциями из-за чувствительности гипса к водной среде и влиянию влаги. Портландцемент в твердом состоянии сохраняет прочность и долговечность во влажных условиях, но в отличие от гипса не обладает ранним твердением или финишем, необходимыми для железобетонных конструкций.
Вторая дилемма относится к возможной замене портландцемента на гипс в тех случаях, когда это целесообразно.
Для точного понимания общей экологической чистоты зданий важно определить воздействие их компонентов или систем на окружающую среду. Энергоемкость (общее количество энергии, потребленной на производство данного материала и на транспортировку его до места использования) - это критическая мера экологичности продукции. С учетом этой меры изделия из гипса считаются одними из лучших. Они имеют преимущество перед подобными материалами и изделиями, сделанными из портландцемента. Однако из-за низкой долговечности и высокой ползучести во влажных условиях гипсовые материалы и изделия в настоящее время применяются только внутри по-
мещений, где относительная влажность воздуха не превышает 60 %. Исследования, опубликованные автором с 1986 г., способствуют успешному замещению энергозатратного портландцемента водостойким гипсом в многочисленных строительных изделиях и конструкциях, увеличению их эффективности за счет быстрого твердения, экономии металла и энергии на их производство, снижения нагрузок на окружающую среду, вызванных выделением С02, экономии транспортных расходов, а также увеличения скорости строительства.
Идея устранения недостатков гипса за счет добавления портландцемента и активных минеральных добавок принадлежит профессору Волженскому, который исследовал эти смеси совместно с его сотрудниками из России [5-7]. Вначале эта идея казалась абсурдной, потому что смешивание гипса с портландцементом может привести к образованию гидросульфоалюмината кальция, который вызывает расширение и ведет к разрушению. Эти и другие исследования показали, что проблема смешивания гипса с портландцементом могла бы быть решена путем снижения образования эттрингита в смеси. Дальнейшие исследования пролили свет на причины разрушения гипсоце-ментной смеси в воде [8]. Например, было показано, что смесь из 50 % портландцемента и 50 % гипса во влажных условиях будет сохранять прочность и долговечность при отсутствии образования таумасита, вызываемого карбонизацией. В этом случае эттрингит образуется в результате взаимодействия цемента и гипса, что способствует упрочнению, вместе с гидратом силиката кальция (С-8-И). Однако карбонизация гипсоцементного материала во влажных условиях приводит к полному разрушению системы из-за образования таумасита, в то время как эттрингит является его предшественником. Наконец, образование монокарбоната (кальцит и монокарбонат сопровождают образование таумасита на поздних стадиях карбонизации) ведет к разрушению эттрингита, когда портландит полностью израсходован.
В работе [9] приведены результаты исследования по созданию смеси гипса и портландцемента, которая призвана иметь достоинства гипса и портландцемента, но без вредоносного влияния эттрингита и таумасита, образующихся при взаимодействии этих веществ. Вяжущее состоит из 75 % гипса и 25 % смеси портландцемента и микрокремнезёма - высокоэффективной пуццолановой добавки. Улучшенные механические свойства такого гипсоце-ментно-пуццоланового вяжущего (ГЦПВ) объясняются снижением содержания эттрингита и образованием микроструктуры, в которой кристаллы гипса обволакиваются гелем С-8-И. В данной работе подтверждены заключения, сделанные ранее в Советском Союзе в отношении возможности «сосуществования» гипса и портландцемента в смесях даже с менее реактивными пуццо-лановыми добавками, такими как природные пуццоланы.
Как показано в работе [10], в смесях с большим содержанием портландцемента (60-70 %) ранняя прочность вяжущего значительно снижалась, несмотря на то что свойства быстрого твердения сохранялись, как и в случае с гипсовым вяжущим. В смесях с высоким содержанием цемента (более 75 % по массе) свойства раннего твердения исчезали. Оптимальные смеси ГЦПВ с различным соотношением гипса, цемента и микрокремнезёма описаны в ра-
боте [11], в то время как высокое водопоглощение некоторых составов наряду с низкой прочностью во влажных условиях объяснялись излишним содержанием микрокремнезёма, который не востребован в пуццолановой реакции и может быть легко удален из структуры путем вымывания/выщелачивания. Водостойкость оптимальных составов ГЦПВ сравнима с водостойкостью це-ментно-кремнезёмной системы [12], а свойства свежеприготовленных композиций ГЦПВ (превосходная пластичность и быстрое схватывание) были не хуже, чем у чистого гипса [13, 14].
Водостойкость рассматривается как самое важное свойство строительных материалов, которые контактируют с водой. Соотношение между прочностью при кратковременном сжатии во влажном (водонасыщенном) и прочностью в сухом состоянии (так называемый коэффициент размягчения) обычно и характеризует водостойкость. Он может варьироваться от 0 для набухающих глин до 1 для металлов. Как правило, природный и искусственный камень не применяется в строительных конструкциях, контактирующих с водой, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.
Коэффициент размягчения, к сожалению, имеет свои недостатки. Любой параметр, установленный путем кратковременного испытания, в том числе и коэффициент размягчения, не может дать адекватную оценку долговечности, включая водостойкость при длительном (или циклическом) контакте с водной средой. Это ограничение типично для всех известных способов технического прогноза долговечности материала. Следует отметить, что коэффициент размягчения может существенно изменяться во времени и под нагрузкой, приводя как к благоприятным, так и неблагоприятным результатам. Это может происходить за счет процессов структурообразования или изменений в структуре материала (например, вызванных гидратацией цемента) с одной стороны, и за счет разрушения структуры, вызванного растворением твердой фазы или вторичными реакциями, ведущими к расширению объема, - с другой. Значит, одни и те же материалы могут иметь различные значения коэффициента размягчения, зависящие от времени. Другими словами, кинетика коэффициента размягчения во времени имеет большое значение. Например, материал с низким начальным коэффициентом размягчения меньше 0,8, но возрастающим во времени, не может быть исключен из группы водостойких материалов. Такой эффект наблюдается, например, в гипсоцементных смесях с 5%-м содержанием микрокремнезёма, которые со временем демонстрируют ярко выраженное повышение коэффициента размягчения во времени.
Дилемма 3: оценка экономической эффективности малозагрязняющих материалов
Третьей дилеммой является вопрос, насколько чистыми должны быть строительные материалы, чтобы соответствовать требованиям экологической устойчивости. В последние годы международное сообщество озабочено проблемой роста производства промышленных отходов. Преимущества утилизации золы-уноса, шлака, фосфогипса, красного шлама и других отходов промышленности в строительной области хорошо известны, как и многочисленные технологические и экологические проблемы, вызванные растущим
содержанием химических и радиоактивных веществ и необходимостью очистки от них материалов или продукции до начала использования в строительстве.
Рассмотрим в качестве примера ситуацию с производством и использованием строительных материалов с повышенным содержанием радиоактивных веществ. За последние годы в Европе и других странах наблюдается тенденция роста применения новых переработанных материалов с повышенным уровнем содержания радиоактивных материалов природного происхождения (NORM - Naturally Occuring Radioactive Materials ) [15, 16]. На рис. 1 представлены данные из RP-112 (1999), которые показывают типичную концентрацию удельной эффективной активности природных радионуклидов (226Ra, 232Th и 40K) в обычных строительных материалах и отходах промышленности, применяющихся в странах ЕС при строительстве. Истощение энергетических ресурсов и сырья требует введения экологической устойчивости в строительной отрасли. С развитием новых синтетических строительных материалов повторное использование промышленных отходов становится необходимостью. Особый класс отходов, использование которых может быть перспективно в строительном секторе, берет свое начало в перерабатывающих отраслях промышленности. В наше время с целью применения в строительных материалах исследуются такие NORM-содержащие отходы, как зола-унос, производимая в большом количестве на электростанциях, работающих на угле, шлаки от работы сталелитейных заводов и отраслей, задействованных в переработке металлов, фосфогипс - побочный продукт фосфатной отрасли и красный шлам, получаемый в результате обработки алюминия.
w
Л
H О
о
CÛ
S
hit
о
S 150
й 50
о
K-40 Th-232 & Ra-226
Бетон Ячеистый Сырец Силикат- Природный Природ-и легкий (красный) ный строитель- ный бетон кирпич кирпич ный гипс
камень
Строительные материалы (могут содержать отходы промышленности)
Фосфо-гипс
Зола-унос
Шлак доменной печи Промышленные отходы, используемые в строительных материалах
Рис. 1. Типичная концентрация удельной эффективной активности природных радионуклидов (226Яа, 232ТИ и 40К) в обычных строительных материалах и промышленных побочных продуктах, применяющихся при строительстве в ЕС
100
Использование остатков NORM в производстве новых видов синтетических строительных материалов для строительства зданий вызывает беспокойство государственных органов, общественности и ученых в отношении возможного гамма-излучения, исходящего от строительных материалов и оказывающего отрицательное воздействие на пользователей жилья и качество воздуха в помещениях. В основном это относится к повышенной концентрации радона в жилых помещениях зданий. В настоящее время большинство NORM-содержащих промышленных отходов захоранивается на специальных полигонах, т. к. до сих пор не найден приемлемый компромисс между экономически выгодным их повторным использованием (рециклингом) и законодательством об охране здоровья. Радиационное воздействие строительных материалов может быть как внешним, так и внутренним. Внешнее воздействие вызвано прямым гамма-излучением. Внутреннее воздействие вызвано, главным образом, выделением радона (222Rn) и его дочерними продуктами с малым периодом полураспада. Радон - это часть радиоактивного семейства урана, присутствующего в строительных материалах. Поскольку радон - инертный газ, он не взаимодействует химически с другими веществами и может довольно свободно перемещаться в пористой среде, такой как строительные материалы, хотя обычно лишь часть его достигает поверхности материала и выходит в воздух помещений. Эта часть определяется так называемым коэффициентом эманации строительной продукции. Количество выделяемого строительными материалами радона определяется скоростью радоновыделения, которая выражается в Бк/кг-1-с-1 или Бк/м-2-с-1. Знание скорости радоновыделения необходимо для точной оценки радиационного воздействия зданий.
Зола-унос является одним из наиболее известных примеров отходов промышленности с повышенным уровнем радиоактивности [16, 17, 18]. Зола-унос, используемая в производстве бетона, является широко признанным источником гамма-излучения благодаря наличию объемной активности 226Ra,
232^ ~ 40т^
In и, в меньшей степени, K, в то время как ее влияние через выделение радона является спорным из-за низкого коэффициента эманации золы [18]. Большое количество золы-уноса, выделяемое каменноугольными тепловыми электростанциями, может содержать повышенный уровень радионуклидов наряду с токсичными элементами. Ежегодно производится свыше 280 мегатонн золы-уноса (в сочетании с золошлаковыми отходами). Около 40 Мт этих веществ используется в производстве кирпича и цемента [19]. Поскольку большинство отходов, подвергающихся дальнейшей переработке в строительные материалы, не соответствует техническим требованиям, их, как правило, смешивают с чистым сырьем. Суммарным эффектом является разбавленное содержание NORM по отношению к исходному побочному продукту.
Проведем анализ радиологических аспектов и вопросов законодательства относительно использования строительных материалов с содержанием золы-уноса и других промышленных отходов с повышенным уровнем радиоактивности. Поскольку нет пороговой величины для описания стохастических эффектов, целью радиологической защиты материалов является не только сохранение предельной дозы, но и гарантия оптимальной защиты и излучения
по принципу ALARA (as low as reasonably achievable) - так мало, насколько разумно достижимо, с учетом экономических и социальных факторов.
В последние годы наблюдается тенденция разработки более строгих правил по охране окружающей среды как на национальном, так и на международном уровнях. Однако без проведения должной оценки экономической эффективности попытки ввести такие строгие ограничения закончатся провалом. Автор лично поддерживает принцип ALARA, который является основополагающим принципом радиологической защиты населения. Этот принцип предполагает, что никакой уровень радиации не может быть приемлем без должного обоснования. Вопрос в том, как это обоснование получить. Ограничение в использовании определенных строительных материалов может иметь серьезные экономические, экологические или социальные последствия, которые следует учитывать и рассматривать при разработке строительных норм и правил [15]. Понятно, что чем строже требования, тем дороже будет их осуществление.
К сожалению, оценка экономической эффективности не предполагает рассмотрение вопроса о том, кто страдает в результате экологических проблем и, следовательно, укрепляет существующую картину экономического и социального неравенства [20]. Ниже приведено краткое обсуждение того, как эта проблема может повлиять на решения, выносимые органами по охране окружающей среды.
Защита окружающей среды в целом и радиологическая защита населения от ионизирующего излучения в частности находятся под финансовой и юридической ответственностью государственных органов. В большинстве случаев расходы делятся между государством, частным сектором (местной строительной отраслью) и органами государственной власти. Однако бюджетные средства во многих странах очень ограниченны, и местные власти вряд ли введут строгие ограничения. Валовой внутренний продукт (ВВП) на душу населения, который является мерой национального дохода на человека, должен оказывать влияние на решение того, насколько дорогими (т. е. жесткими) должны быть правила.
С этой точки зрения оценка экономической эффективности, основанная на стоимости 1 мЗв/год в зависимости от ВВП на душу населения, должна стать обоснованным инструментом для национальных законодательных органов по радиологической защите жильцов зданий. Различные подходы к проведению оценки экономической эффективности описаны в работе [16]. Согласно одному из подходов, в странах с $3000 ВВП на душу населения только стоимостной эквивалент снижения риска смертности на 5,6-10-5 - 7,3-10-5 благодаря предотвращению радиационного излучения на 1 мЗв/год составил бы примерно $30, или около 1 % от ВВП на душу населения. В странах с более высоким ВВП на душу населения в $16 000 стоимостной эквивалент 1 мЗв/год составил бы $700, или 4 % от ВВП на душу населения. Такой подход ясно показывает, что в странах с более высоким ВВП расходы на уменьшение радиации выше.
С другой стороны, в оценке экономической эффективности вопрос о справедливости и социальном равенстве не учитывается. В лучшем случае,
допускается, что эти вопросы носят побочный характер. Таким образом, отрицается широко распространенная точка зрения о том, что общественные интересы должны учитывать справедливость и социальное равенство. На деле бедные страны, сообщества и отдельные лица, вероятно, выражают меньшее «желание платить» за устранение экологических проблем только потому, что имеют меньше ресурсов, и это несмотря на то, что они будут тратить меньший процент ВВП на душу населения, как показано в предыдущих примерах. Следовательно, оценка экономической эффективности от внедрения норм экологической (в т. ч. радиационной) защиты населения в бедных (развивающихся) странах оправдывает навязанные им экологические расходы, большие, чем в более состоятельных (развитых) странах [20]. Поэтому результаты оценки экономической эффективности могут оказаться правдивыми, если получены в одинаковых условиях, т. е. в странах с одинаковым ВВП на душу населения.
Другой проблемой оценки экономической эффективности является то, что она не может обеспечить большую объективность и прозрачность, обещанные ее защитниками. Оценка экономической эффективности основана на предположении, что она не может быть объективной. Более того, довольно сложная, ресурсоемкая природа данного метода, используемого экспертами, делает ее чрезвычайно трудной для общественного понимания и участия в процессе оценки [Там же]. Особенно это относится к уровню радиоактивности, допустимому в строительных материалах, что является для общества больным вопросом.
Теоретически возможно, что оценка экономической эффективности может применяться для выбора абсолютного предела допустимости максимального уровня радиоактивности строительных материалов. Однако лучшие решения в интересах государства могут быть приняты и без проведения оценки экономической эффективности, путем сочетания удачных традиционных и лучших инновационных и гибких подходов, разработанных за последние годы [Там же].
Одним из подходов является информационный контроль, предоставляющий публичные и/или сведения для заказчика о рисках радиоактивного излучения в жилых помещениях. Это «право знать» (или «право на информацию») позволяет жителям и заказчикам не только знать о рисках, с которыми они столкнутся, но и дает полномочия что-то предпринять в отношении этих рисков. Например, один из видов радиоактивного облучения - это внутреннее излучение от радона, выделяющегося из строительных материалов с повы-
226^ ~ 222т»
шенным содержанием радия ка, который является предшественником кп в цепочке радиоактивного распада 238и. Существуют различные способы снижения радоновыделения из строительных материалов, которые успешно применяются производителями и потребителями, осведомленными об этой проблеме. Эти способы включают введение специальных добавок в бетонные смеси с целью снижения радоновыделения [21] или использование специальных герметиков или покрытий, предотвращающих выделение радона с поверхности строительных элементов внутрь помещения.
Предупредительные надписи или этикетки с информацией о содержании загрязняющих веществ в строительных материалах и изделиях могут
стать дополнительным полезным шагом к успешному информационному контролю. Примером другого вида этикеток может служить изображение лебедя, являющееся официальным скандинавским клеймом, свидетельствующим о соответствии товара экологическим требованиям, введенным Скандинавским советом министров. Это клеймо означает, что изделие прошло должный экологический отбор и содержание вредных веществ сведено к минимуму.
Для внедрения в строительную отрасль данного подхода, который не обязательно требует тщательной оценки экономической эффективности, необходимо разработать стандарты, методы испытаний и процедуру сертификации строительных материалов и изделий на экологическую чистоту. Все это будет особенно эффективно в сочетании с вышеописанным информационным контролем. Чтобы гарантировать независимую проверку, лаборатории должны соответствовать стандартам качества, предложенным для процедуры сертификации. Несмотря на то что это законодательство не охватывает все экологические аспекты, оно является важной составляющей оценки качества экологически чистых строительных материалов и участвует в организации отходов производства.
Заключение
В статье рассмотрено три противоречивых вопроса, занимающих важное место в применении экологически чистых материалов, а именно: 1) природного и искусственного камня, 2) гипса и портландцемента и 3) малозагряз-няющих материалов с точки зрения оценки экономической эффективности их применения и экологического регулирования. Этими тремя дилеммами автор занимается в течение 30 лет его профессиональной карьеры в качестве ученого и инженера-строителя, показывая сложность и серьезность проблем, с которыми сталкивается общество, которое старается содействовать развитию экологической устойчивости. Для решения этих и других проблем, связанных с экологической устойчивостью, необходимо найти общий язык с тремя сторонами, вовлеченными в процесс производства (включая строительство), принимая во внимание интересы каждой из них: государством, потребителем и производителем (рис. 2).
Государство
Рис. 2. Три основные стороны, вовлеченные в устойчивое развитие
Концепция устойчивого развития помогает нам понять себя и наш мир. Проблемы, стоящие перед лицом общества, сложны и серьезны, и мы не можем решать их тем же путем, каким создаем. Но мы можем и должны решать их. В этом заключается источник оптимизма, который помогает ученым вводить новшества во имя здоровья и благополучия будущих поколений планеты.
Библиографический список
1. Tilton, J. (1996). Exhaustible resources and sustainable development [Невозбновляемые ресурсы и устойчивое экологическое развитие]. Resources Policy, 22 (1/2), 91-97.
2. Euro-Roc (1998). Good environmental practices in the German industry of dimensional stone [Лучшие практики немецкого производства природного камня].
3. Maidl, B., Herrenknecht, M., & Anheuser, L. (1995). Mechanised Shield Tunneling [Механизированная щитовая проходка туннеля]. Berlin : Ernst & Sohn.
4. Kovler, K., Rozenfeld, Y., Zingerman, S. (1999). Potential of natural stone in Israel for construction [Возможности природного камня в строительной отрасли Израиля]. Proc. of the 1st National Congress on Construction and Infrastructure, (pp. 217-220). Tel-Aviv, Israel.
5. Volzhensky, A.V. (1944). Gypsum Mortars of Enhanced Water Resistance [Гипсовые растворы повышенной водостойкости]. Moscow : Institute of Building Technology, Academy of Sciences, USSR (rus).
6. Volzhensky, A.V., Stambulko, V.I., Ferronskaya, A.V. (1971). Gypsum-Cement-Pozzolan Binders, Concretes and Products [Гипсо-цементо-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия]. Moscow : Stroyizdat (rus).
7. Volzhensky, A.V., Ferronskaya, A.V. (1974). Gypsum Binders and Products [Вяжущие и изделия из гипса]. Moscow : Stroyizdat (rus).
8. Kovler, K. (2006). Role of ettringite, thaumasite and monocarbonate in hardening and destruction of Portland cement - gypsum system [Роль эттрингита, томазита и монокарбоната в твердении и разрушении системы портландцемент - гипс]. RILEMProc. PRO 46 «Concrete Durability and Service Life Planning (ConcreteLife'06)» (pp. 70-80). Bagneaux, France: RILEM.
9. Bentur, A., Kovler, K., Goldman, A. (1994). Gypsum of improved performance using blends with Portland cement and silica fume [Гипс с улучшенными свойствами, полученный из смеси портландцемента и кварцевой пыли]. Advances in Cement Research, 6 (23), 109-116.
10. Alksnis, F. (1988). Hardening and Destruction of Gypsum-Cement Materials [Твердение и разрушение гипсо-цементных материалов]. Leningrad : Stroyizdat (in Russian).
11. Kovler, K. (1998c). Strength and water absorption for gypsum-cement-silica fume blends of improved performance [Прочность и водопоглощение ГЦКП смесей с улучшенными свойствами]. Advances in Cement Research, 10 (2), 81-92.
12. Kovler, K. (2001). Enhancing water resistance of cement and gypsum-cement materials [Повышение водостойкости цемента и гипсо-цементных материалов]. ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 13 (5), 349-355.
13. Kovler, K. (1998a). Setting and hardening of gypsum - Portland cement - silica fume blends. Part 1: Temperature and setting expansion [Схватывание и твердение смеси из гипса, портландцемента и кварцевой пыли. Часть 1: температура и схватывание]. Cement and Concrete Research, 28 (3), 423-437.
14. Kovler, K. (1998b). Setting and hardening of gypsum - Portland cement - silica fume blends. Part 2: Early strength, DTA, XRD and SEM observations [Схватывание и твердение смеси из гипса, портландцемента и кварцевой пыли. Часть 2: раннее твердение, рентгено-структурные исследования, растровая электронная микроскопия и динамический временной анализ]. Cement and Concrete Research, 28 (4), 523-531.
15. RP-112. (1999). Radiological Protection Principles Concerning the Natural Radioactivity of Building Materials [Принципы радиологической защиты от радиоактивных материалов природного происхождения]. Luxembourg : European Commission.
16. Kovler, K. (2009). Radiological constraints of using building materials and industrial by-products in construction [Радиологические ограничения применения стройматериалов и побочных продуктов в строительстве]. Construction and Building Materials, 23, 246-253.
17. Dinelli, G., Belz, G., Majorana, C.E., Schrefler, B.A. (1996). Experimental investigation on the use of fly ash for lightweight precast structural elements [Экспериментальные исследования применения золы уноса для легких железобетонных элементов]. Materials and Structures, 29, 632-638.
18. Smith, K.R., Crockett, G.M., Oatway, W.B., Harvey, M.P., Penfold, J.S.S., Mobbs, S.F. (2001). Radiological Impact on the UK Population of Industries which Use or Produce Materials Containing Enhanced Levels of Naturally Occuring Radionuclides, Part I: Coal-Fired Electricity Generation [Радиологическое воздействие на население Соединенного Королевства Великобритании отраслей, производящих изделия с повышенным содержанием природных радионуклидов]. Chilton, UK: National Radiological Protection Board.
19. Kovler, K., Perevalov, A., Steiner, V., Metzger, L.A. (2005). Radon exhalation of cementitious materials made with coal fly ash: Part 1 - Scientific background and testing of the cement and fly ash emanation [Излучения радона из минеральных вяжущих, состоящих из золы уноса]. Journal of Environmental Radioactivity, 82 (3), 321-334.
20. IAEA. (2003). Extent of Environmental Contamination by Naturally Occurring Radioactive Material (NORM) and Technological Options for Mitigation [Загрязнение окружающей среды радиоактивными материалами природного происхождения и технологические методы его смягчения]. Vienna, Austria : International Atomic Energy Agency.
21. Heinzerling, L., Ackerman, F. (2002). Pricing the priceless: Cost-benefit analysis of environmental protection [Оценка экономической эффективности защиты окружающей среды] . Georgetown University.
22. Lau, B.M.F., Balendran, R.V., Yu, K.N. (2003). Metakaolin as a radon retardant from concrete [Метакаолин как радоновый ингибитор в бетоне]. Radiation Protection Dosimetry, 103 (3), 273-276.
