CC BY
42
ДК 691.544: 666.943 Н.А. Фалалеева
ФАЛАЛЕЕВА Надежда Алексеевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель руководителя Центра инженерно-экологических исследований ДальНИИС РААСН (ДВ НИИ по строительству Российской академии архитектуры и строительных наук, Владивосток). E-mail: [email protected] © Фалалеева Н.А., 2012
Новый взгляд на проблему
утилизации минеральных отходов в строительстве
Рассматриваются преимущества использования доменных гранулированных шлаков при производстве цементов и обосновывается возможность оптимизации свойств других видов минерального сырья или промышленных отходов с помощью их витрификации.
Ключевые слова: витрификация отходов, программа утилизации, шлакопортландцементы.
A new look at the problem of recycling of mineral waste in construction. Nadejda A. Falaleeva - DalNIIS RAASN (Far East Institute for the Construction of the Academy of Architecture and Building Sciences, Vladivostok). This article discusses the advantages of using the domain granulated slags for cement and is able to optimize the properties of other types of mineral raw materials and industrial waste through vitrification. The purpose of this communication is to draw attention to opportunities to address environmental issues by using the technology of construction materials.
Key words: vitrification of waste, recycling program, slag cement.
Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов входят в Перечень критических технологий, утвержденный распоряжением Правительства РФ № 1243-р от 25.08.2008. Анализ существующей информации по этому вопросу показывает, что, несмотря на значительные достижения последних лет в области строительного материаловедения («архитектурный» белый бетон с R до 200 МПа; самоуплотняющиеся бетоны «High Performance concrete» и др.), «прорывных» технологических решений в области утилизации отходов сегодня нет.
Строительная отрасль всегда нуждалась в больших объемах сырья. Но создавать новые материалы и технологии на природном минеральном сырье - значит снова громоздить горы отходов, отравляющих все вокруг. Из востребованных современным строительством отходов промышленного производства остаются только микрокремнезем (МК) в составе модификаторов твердения бетонов и шлакопортландцементы (ШПЦ). Те и другие - отходы металлургических производств, сопровождающие плавление исходного минерального сырья.
Поэтому в качестве нового «прорывного технологического решения» (или хотя бы одного из них) автором рекомендованы высокотемпературные технологии витрификации (остекловывания) минеральных отходов с корректировкой химического состава шлакового расплава и его использованием в производстве ШПЦ или других строительных материалов.
Другие технологические решения, связанные с утилизацией минеральных отходов в строительстве, не обеспечивают главного - комплексного решения проблем экологии (утилизация отходов, сокращение выбросов СО2 в атмосферу и пр.) и проблемы создания на их основе экологически чистых строительных материалов (вяжущих и бетонов) с улучшенными (по сравнению с цементными) строительно-техническими характеристиками (более высокая сульфатостойкость, низкое тепловыделение, более плотная структура, предопределяющая коррозионную стойкость и водонепроницаемость и т.п.). И это при высоком спросе на специальные цементы и рентабельности производства.
Приведем доводы в обоснование заявленных позиций.
1. Во второй половине XX столетия разработаны и освоены (или опробованы на уровне опытно-промышленных партий) многочисленные технологии использования отходов при изготовлении самых разнообразных строительных материалов: кирпича, пористых и плотных заполнителей, ячеистых бетонов, керамических изделий и т.д. Накоплено огромное количество информации об опыте и способах такой утилизации.
Однако достигнутый уровень внедрения невелик (причем это относится и к мировому рециклингу), что связано с низким качеством отходов и с нерентабельностью применяемых к ним технологий.
Технологический процесс на перерабатывающих предприятиях всегда организуется только с учетом условий получения основного продукта (металла или электроэнергии). Характеристики же попутного продукта никого не интересуют и он (попутный продукт) попадает в отвалы. В результате качество вторичного сырья всегда нестабильно, отходы характеризуются резкими колебаниями физических и химических свойств, нет фиксации мест складирования отходов в зависимости от времени их вывоза и технологических особенностей производства и т.д. Поэтому, хотя строительная отрасль и могла бы переработать большие массивы отходов, она является высокозатратной отраслью и заменять отходами натуральное сырье при производстве строительных материалов по существующим технологиям станет только тогда, когда материалы переработки будут высококачественными, а их производство доходным. Сейчас этого нет.
2. Производство шлаковых вяжущих рентабельно еще и потому, что шлаки способны заменить собой значительную долю дорогостоящего портландцементного клинкера. Например, шлакопортландцементы (ШПЦ) могут содержать 20...80% шлака, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, вяжущие автоклавного твердения и шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) относятся к числу полностью бесклинкерных вяжущих. Принято считать, что при содержании в составе вяжущего менее 40% ПЦ клинкера ШПЦ относится к малоклинкерным. Шлаковые вяжущие, не содержащие клинкерной составляющей, считаются бесклинкерными.
Выпуск ШПЦ на основе доменного гранулированного шлака освоен цементными заводами всего мира. При изготовлении ШПЦ, как и бесклинкерных шлаковых вяжущих, шлак, заменяя портландцементный клинкер в составе цемента, не только снижает долю клинкера, но и способствует сокращению выбросов СО2 в атмосферу, поскольку при производстве тонны клинкера в воздух выбрасывается от 0,6 до 0,9 т СО2.
Как известно, состав и строение различных активных минеральных добавок (АМД) для цемента предопределяют два механизма твердения, которые делят их на гидравлические (шлаки) и пуццолановые. Для пуццолановых добавок участие в процессах гидратации ограничивается взаимодействием активного БЮ2 с гидролизной известью клинкера. Гранулированные основные шлаки сами, перестраиваясь, создают необходимые продукты твердения. Названные различия предопределяют и максимальные дозировки АМД в составе цементов.
Предельное содержание АМД пуццоланового типа по российским и международным стандартам не превышает 35% в цементах с пуццолановой добавкой и 55% - в пуццолановых цементах. Гранулированные шлаки доменного производства, в отличие от других АМД, позволяют доводить содержание шлака в цементе до 65, 80 и даже 95% (в композиционном цементе - 60 и 80%). Выход цемента в этом случае на 1 т клинкера может составить 3,0, 5,3 и даже 21,0 т/т (при 95% шлака) [2]. Оптимальная дозировка - 40.60%. Шлаковые добавки способны создавать полностью бесклинкерные высокоэффективные вяжущие и бетоны, пуццолановые — нет. Поэтому можно принять, что химико-минералогический состав основных гранулированных шлаков и условия их охлаждения оптимальны (или близки к оптимальным) для использования их в качестве АМД в составе цементов.
3. Многочисленными теоретическими и экспериментальными данными подтверждено, что по сравнению с рядовыми цементами ШПЦ обладают рядом ценных свойств, таких как низкое тепловыделение, предохраняющее от объемных деформаций; высокий набор прочности в условиях длительного твердения, особенно во влажной среде; сульфатостойкость; плотная структура; повышенная термостойкость; хорошее сцепление с арматурой. ШПЦ характеризуются водо- и атмосферостойкостью, стойкостью в агрессивных растворах органических и минеральных соединений, в морской воде (стойкость к воздействию содержащихся в морской воде хлоридов) и пр.
Соответственно, ШПЦ используется в гидротехническом строительстве в зонах постоянного погружения, например при возведении массивных надводных и подводных гидротехнических сооружений, эксплуатирующихся в условиях сульфатной агрессии и не допускающих разогрева бетонных массивов. ШПЦ используется также в шахтном строительстве, в возведении портовых сооружений. При строительстве высотных зданий, где применяются высокомарочные бетоны с высоким расходом цемента, значимо увеличение тепловыделения в цементном камне. Для борьбы с этим явлением в мировой практике используются цементы с АМД, в первую очередь с гранулированным доменным шлаком.
Отметим, что существует ряд эффективных, научно обоснованных и вполне доступных «рядовому» строительству способов и технологических приемов повышения гидравлической активности и скорости набора прочности за счет интенсификации твердения не столько клинкерной, сколько шлаковой составляющей ШПЦ.
4. В программе «Стратегия социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона на период до 2025 года» на Дальнем Востоке намечено создание и развитие крупных горнодобывающих комплексов в Республике Саха (Якутия), Хабаровском и Камчатском краях, в Амурской, Магаданской, Сахалинской и Еврейской автономной областях, в Чукотском автономном округе. В области черной металлургии это: разработка Таежного месторождения железных руд мощностью 14,5 млн т сырой руды в год, или 6,2 млн т концентрата, в Якутии; в Хабаровском крае — модернизация металлургического производства ОАО «Амурметалл» мощностью 1,5 млн т стали в год; в Еврейской АО — разработка Кимканского и Сутарс-кого месторождений (16,5 млн т руды, или 5,6 млн т концентрата в год); в Амурской области — строительство металлургического завода по производству стали электрометаллургическим способом и т.д.
Не менее значительны масштабы развития цветной металлургии, угледобычи, нефтедобычи и нефтепереработки: экспортный газопровод Республика Саха-Сахалин: 3 700 млн т нефти, 1,3 млрд м3 газа; нефтегазохимический комплекс на Комсомольском НПЗ мощностью 500 тыс. т полиэтилена, 200 тыс. т полипропилена, 140 тыс. т бензола, 180 тыс. т высокооктановых бензинов (в Хабаровском крае) [1] и др.
В программе планируется также масштабное развитие энергетики, переработки древесины, развитие машиностроения, добыча золота, добыча биологических ресурсов. Предусмотрено и развитие транспортной инфраструктуры: железобетонные мосты - 52 шт., порты, тоннели и т.д. Итого по Сибири и Дальнему Востоку для реализации Программы (при участии зарубежных компаний) будут привлечены 239 регионов с объемом инвестиций 10 235 791,31 млн руб. Таких масштабов освоения недр в РФ еще не было. Естественно, что при таком освоении программы количество отходов возрастет неоднократно. Однако мероприятий по утилизации отходов и производству из отходов строительных материалов в программе нет.
С экологической точки зрения важно, что утилизация минеральных промышленных отходов в составе вяжущих и бетонов способствует сохранению огромных территорий, занятых под отвалами. Она позволяет снимать требующие решения инженерные задачи по организации мер защиты земли, воды и воздуха от токсикации; одновременно обеспечивает строительство недорогим цементом без капитальных затрат на его производство и пр. Поэтому производство ШПЦ можно рассматривать как наиболее эффективный способ утилизации отходов промышленного производства, сопровождающийся одновременным решением комплекса сопутствующих инженерных, строительных и экологических задач (подробнее материалы на эту тему и с соответствующая библиография изложены в [3]).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исполнительная стратегия социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона на период до 2025 года. URL: http://www.eao.ru/ (дата обращения: 10.04.2012).
2. Кройчук Л.А. Цементы с пониженным содержанием клинкера в мировой цементной промышленности // Строит. материалы. 2006. № 9. С 45-49.
3. Фалалеева Н.А., Фалалеев Ф.Г. Экология шлаковых цементов и бетонов. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2010. 175 с.
X
