Рассмотрены преимущества технологии геополимерных материалов. Приведен анализ проблем, не позволяющих наладить промышленное производство и широкое использование этих материалов в строительстве. Предложены пути решения этих проблем.
Ключевые слова: геополимерные вяжущие, энергосберегающие технологии, отходы горнодобывающей промышленности.
Развитие экономики, повышение качества жизни невозможно без строительства новых и реконструкции существующих промышленных, транспортных, жилых и общественных зданий и сооружений. Необходимое увеличение объемов производства строительной индустрии может быть достигнуто за счет значительного роста добычи минерально-сырьевых ресурсов. Однако повышение интенсивности добычи полезных ископаемых на разрабатываемых месторождениях и ввод в эксплуатацию новых месторождений сопряжены с определенными экологическими проблемами, что в значительной степени снижает достигнутое в результате строительства повышение качества жизни.
Решение проблемы снижения ресурсоемкости строительной индустрии возможно за счет вовлечения в производство строительных материалов многотоннажных отходов в качестве исходного сырья. Несмотря на то, что эта задача стоит перед строительным материаловедением уже достаточно давно, доля отходов в сырье для производства строительных материалов на сегодняшний день все еще не велика.
Незначительные объемы производства строительных материалов, изготовленных на основе отходов и побочных продуктов промышленности, можно объяснить следующими факторами: нестабильностью состава отходов; низкой платой за хранение отходов на свалках и полигонах; дешевизной и доступностью природного сырья. Можно считать, что в настоящее время развитие технологий, основанных на использовании отходов, находится в нашей стране на начальном этапе. Сегодня лишь некоторые из подобных технологий позволяют получать строительные материалы на основе отходов с более высокими, чем у традиционных материалов, технологическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками.
Более благополучная ситуация складывается в промышленно развитых странах, в которых бóльшая часть промышленных отходов находит применение. Создание комплекса технологий, в которых применяются отходы, стала возможной в результате проведения больших объемов научно-исследовательских работ, направленных на решение проблемы утилизации побочных отходов промышленности.
Разработка технологий геополимерных материалов на основе природных и техногенных алюмосиликатных материалов относится к числу наиболее перспективных направлений создания новых энерго- и ресурсосберегающих технологий [1–4]. Расчеты показывают, что суммарные затраты тепловой и электрической энергии для производства геополимерных материалов в 2–3 раза ниже, чем энергетические затраты для производства традиционных строительных материалов (см. рис.1).
Рис. 1. Затраты энергии на производство различных видов строительных материалов в кДж/кг готовой продукции
Кроме экономической составляющей снижения энергопотребления строительной индустрии в последнее время большее значение получает его экологическая составляющая. Соотношение выбросов углекислого газа и портландцемента на современных предприятиях находится в интервале 0,7…1. Замена портландцемента на геополимерное вяжущее позволяет снизить выбросы в атмосферу этого парникового газа (рис. 2). С учетом того, что производство портландцемента дает около 5 % промышленных выбросов углекислого газа роль этого фактора в будущем может иметь решающее значение при определении направлений развитиях промышленности строительных материалов.
Рис. 2. Эмиссия углекислого газа при производстве различных видов строительных материалов
Следует отметить, что интенсивность разработки геополимерных материалов и их исследования в странах с быстрорастущей экономикой — Китае, Индии, Бразилии, странах Юго-Восточной Азии — сопоставима с интенсивностью исследований по этой тематике в промышленно развитых странах. Это связано с большими объемами неиспользуемых промышленных отходов, потенциально пригодных для производства геополимеров.
Особое внимание развитию технологии геополимеров уделяется в Китае, что связано с потребностью в вяжущих для реализации колоссальных объемов промышленного, транспортного и жилищного строительства в этой стране. Несмотря на то, что в Китае сосредоточено больше половины мирового производства портландцемента и цементная промышленность продолжает демонстрировать высокую динамику роста, китайские исследователи активно занимаются созданием технологий геополимеров. Это связано с возможностью производить такие вяжущие на основе золошлаковых отходов тепловых электростанций и других промышленных отходов.
В промышленно развитых странах со строгим экологическим законодательством золошлаковые отходы ТЭС, шлаки, отходы горной промышленности в большинстве своем находят применение в строительстве и других отраслях. В развивающихся странах, таких как Китай, Индия, страны Латинской Америки, промышленные отходы могут рассматриваться как сырьевой ресурс для создания подотраслей производства новых видов строительных материалов, в том числе на основе технологии геополимеров. В связи с этим значительных темпов развития крупномасштабных производств следует ожидать в развивающихся странах с быстрорастущей экономикой.
Несмотря на значительные преимущества геополимерных материалов их производство ни в одной из стран не вышло на промышленный уровень. К числу основных причин, не позволяющих развернуть массовое производство геополимеров, можно отнести недостаточную исследованность закономерностей, определяющих технологические и эксплуатационные свойства этих материалов, непостоянство характеристик промышленных отходов, используемых в качестве сырья и отсутствие стандартов на геополимерные материалы.
В России имеются большие запасы отходов производства, которые могли бы использоваться при производстве геополимерных строительных материалов по энерго- и ресурсосберегающим технологиям. К числу таких отходов относятся золы ТЭС и доменные шлаки. Однако наибольшее количество потенциального сырья для производства геополимерных материалов образуется в горнодобывающей промышленности [5]. Объемы производства таких отходов составляют десятки миллионов тонн [6].
Для обозначения геополимерного вяжущего на основе отходов добычи и переработки магматических горных пород в нашей стране иногда используют термин «минерально-щелочное вяжущее» [5]. По технологическим и эксплуатационным свойствам это вяжущее не является полным аналогом портландцемента. По ряду свойств геополимерные вяжущие на основе горных пород уступают цементу. Однако, уже сегодня данные, полученные при исследовании минерально-щелочного вяжущего, дают возможность разработать его промышленную технологию и заменить цемент при производстве некоторой части номенклатуры сборных железобетонных изделий. Промышленное применение геополимерного вяжущего позволит не только снизить дефицит цемента, но и решить некоторые экологические проблемы горнодобывающей отрасли.
На предприятиях, занимающихся добычей щебня, ежегодно образуется несколько миллионов тонн отходов в виде отсевов дробления, использование которых в строительстве весьма ограничено. На ведущем предприятии по добыче и переработке щебня России ОАО «Павловск-Гранит» получает развитие направление глубокой переработки отсева дробления щебня, заключающейся в его сепарации на фракции за счет промывки отсева в спиральном классификаторе и удалении пылевидной части — пульпы [6]. Частично востребованными в дорожном строительстве и при изготовлении мелкозернистых бетонов являются фракции 0,2...5 мм, количество которых при сепарации составляет около 80 % [7]. Невостребованные дисперсные фракции 5...200 мкм и менее, по нашему мнению, могут найти рациональное применение при изготовлении геополимерного вяжущего.
В настоящее время использование геополимерных вяжущих на основе различного сырья не выходит за рамки опытно-промышленного применения [1–5]. Это вполне оправданно с учетом недостаточной изученности этого материала. Увеличение объемов использования геополимерных вяжущих, применение их для производства ответственных конструкций возможно после получения исчерпывающих знаний о процессах структурообразования, происходящих в них, а также о процессах, протекающих в этих материалах в различных условиях эксплуатации в результате проведения системных исследований всех стадий жизненного цикла геополимеров — от условий образования и свойств сырья до эксплуатационного поведения этих материалов и возможностей их утилизации. После решения этих задач возможно создание предприятий по производству строительных материалов на основе геополимерных вяжущих.
Литература:
1. Sumajouw, D. M. J. Fly ash-based geopolymer concrete: study of slender reinforced columns / D. M. J. Sumajouw, D. Hardjito, S. E. Wallah, B. V. Rangan // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42, № 9. Р. 3124–3130.
2. Sumajouw, M.D. J. Low-calcium fly ash-based geopolymer concrete: reinforced beams and columns: Research Report GC3 / M.D. J. Sumajouw, B. V. Rangan.– Faculty of Engineering Curtin University of Technology Perth, Australia, 2006.
3. Aldred, J. Is geopolymer concrete a suitable alternative to traditional concrete? / J. Aldred, J. Day // 37th Conference on our world in concrete & structures, CI-PREMIER PTE LTD, (29–31 August 2012), Singapore. URL: http://www.wagnerscft.com.au/files/9713/4870/0921/ geopolymer_concrete_singapore_2012.pdf (дата обращения 6.5.2015).
4. World’s first public building with structural Geopolymer Concrete / URL: http:// http://www.geopolymer.org/news/worlds-first-public-building-with-structural-geopolymer-concrete (дата обращения 6.5.2015).
5. Ерошкина, Н. А. Минерально-щелочные вяжущие: моногр. / Н. А. Ерошкина, В. И. Калашников, М. О. Коровкин. — Пенза: ПГУАС, 2012. -152 с.
6. Макеев, А. И. Глубокая переработка отсевов дробления гранитного щебня для их комплексного использования в производстве строительных материалов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — Вып. № 1 (17). — С. 92–97.
7. Макеев, А. И. Научно-техническое обоснование технологии глубокой переработки отсевов дробления гранитного щебня // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. — Вып. № 3 (23). — С. 56–67.
