Современный уровень развития цивилизации основан на промышленном производстве, которое использует колоссальные объемы минерально-сырьевых и энергетических ресурсов нашей планеты. Масштабы воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду сопоставимы с геологическими процессами. Из всего добываемого объема сырья лишь небольшая его часть используется в качестве полезного продукта, а остальное накапливается в виде отходов на свалках, хранилищах, захоронениях, полигонах. Изменения в природной среде, которые особенно заметны в городах, местах добычи полезных ископаемых и около крупных предприятий, а также вдоль транспортных путей, значительно ухудшили качество среды обитания человека.
Рациональное использование природных ресурсов в настоящее время приобретает особое значение. Решение этой актуальной народнохозяйственной проблемы предполагает разработку эффективных безотходных технологий за счет комплексного использования сырья, что одновременно приводит к решению экологической проблемы, связанной со складированием отходов.
Использование промышленных отходов в создании новых строительных материалов
Ограниченность сырьевых ресурсов и необратимые изменения в природной среде в результате техногенного воздействия — две основные причины, определяющие необходимость разработки и внедрения в промышленность ресурсосберегающих технологий. Эти технологии активно развиваются в странах, имеющих высокий научно-технический и промышленный потенциал.
В настоящее время на химических, металлургических, химических, горнодобывающих, деревообрабатывающих, энергетических и прочих предприятиях в Российской Федерации ежегодно образуется около 7 млрд. т отходов. Используется на данном этапе около 2 млрд. т, или 28 % от общего объема. В отвалах и шламохранилищах страны накоплено около 80 млрд. тонн только твердых отходов. Под полигоны для их хранения ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель.
Годовой экономический ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления оценивается на уровне 10 % валового внутреннего продукта. Наиболее рациональным направлением утилизации промышленных отходов является их использование как техногенного сырья, в частности при получении продукции строительного назначения.
Создание предприятий, производящих строительные материалы, изделия и конструкции по энерго- и ресурсосберегающим технологиям, является ключевой задачей модернизации строительной отрасли. С учетом того, что строительная индустрия является одной из наиболее ресурсоемких отраслей, разработка технологий, позволяющих использовать отходы производств в качестве сырья для производства строительных материалов — одна из наиболее важных задач развития инновационной экономики.
Создание новых ресурсосберегающих технологий требует значительных интеллектуальных и финансовых затрат. Наибольших успехов на этом пути добились промышленно развитые страны. Это связано со значительным научно-техническим потенциалом, имеющимся в этих государствах, истощением природных сырьевых ресурсов, колоссальными объемами различных отходов производств, а также тщательно продуманной государственной политикой в этой области. Для многих государств Западной Европы развитие ресурсосберегающих технологий является одной из приоритетных задач.
Как в строительстве можно использовать промышленные отходы
Наша страна пока отстает в области разработки и использования энерго- и ресурсосберегающих технологий. Это обусловлено рядом причин, и в первую очередь наличием достаточных запасов природных минерально-сырьевых ресурсов, что делает переработку отходов и производство на их основе строительных материалов не всегда рентабельным, а также общим снижением научно-технического потенциала российской экономики. Не многие предприятия могут вкладывать средства в проведение дорогостоящих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание ресурсосберегающих технологий, особенно с учетом того, что эти работы не всегда заканчиваются успешно.
Решение проблемы ресурсосбережения в строительстве возможно при комплексном использовании технических, организационных, экономических факторов и ускорении научно-технического прогресса. Важнейший резерв ресурсосбережения в строительстве — это широкое использование вторичных материальных ресурсов, которыми являются отходы производства и потребления. Объем промышленных отходов увеличивается более высокими темпами, чем общественное производство, и имеет тенденцию к опережающему росту.
Использование промышленных отходов в строительстве имеет ряд положительных аспектов, в том числе:
- обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного сырья;
- приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий, добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности;
- высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды.
Ресурсосбережение в строительстве и промышленности строительных материалов развивается в настоящее время по следующим направлениям:
- замена природного сырья на промышленные отходы, в результате чего снижается потребление природных минерально-сырьевых ресурсов, при этом реализуется дополнительный экологический эффект — ликвидируются промышленные свалки;
- повышение технико-строительных характеристик продукции, например прочности строительных материалов или несущей способности конструкций, что позволяет снизить их материалоемкость;
- увеличение долговечности материалов, что обеспечивает повышение срока эксплуатации и затрат на ремонтно-восстановительные работы;
- проектирование зданий, сооружений и отдельных строительных конструкций с новыми возможностями для их модернизации, реконструкции и ремонта.
Одно из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов — их использование в производстве строительных материалов, что позволяет удовлетворить потребности в сырье почти на 40% от требуемого объёма. Применение отходов производств позволяет на 10-30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений при этом составляет 35-50%.
Строительство и промышленность строительных материалов используют два вида сырья: природное и техногенное (вторичное). Природное сырье — это песчано-гравийная смесь, гравий, песок, щебень и другие горные породы. Сюда же относят отвалы пород, образующиеся при разработке карьеров и строительных котлованов. Многие регионы России не обеспечены природным сырьем в необходимом количестве, в других — их запасы исчерпываются. Во многих случаях это приводит к значительным затратам на их транспортировку из других районов, что нецелесообразно ни с экономической, ни с экологической точки зрения, так как подобные перевозки сопровождаются неизбежными экологическими нарушениями.
С ухудшением в стране экологической ситуации, а также с развитием технологий все большее значение в строительной отрасли начинает приобретать техногенное сырье. К нему относят отходы производств и побочные продукты: металлургические шлаки, бокситовые шламы, отходы горно-обогатительных комбинатов (ГОК), золу и золошлаковые отходы ТЭС, отходы углеобогащения, вторичные полимеры, продукты переработки древесины и др. Техногенное сырье рассматривается многими специалистами как исключительно ценный продукт, аккумулирующий в себе ранее затраченные инвестиционные и энергетические ресурсы. Его использование в производстве строительных материалов во многих случаях значительно дешевле, чем разработка и освоение природных ресурсов.
Использование техногенного сырья для производства строительных материалов с экологической точки зрения весьма перспективно:
- сокращаются объемы добычи природных строительных материалов;
- утилизируется и химически прочно связывается огромное количество загрязняющих окружающую среду промышленных отходов;
- освобождаются земельные участки, отчуждаемые под шламохранилища и др.
Разработка абсолютно новых технологий строительных материалов на основе промышленных отходов является сложной задачей. Промышленные отходы чаще применяются в технологии строительных материалов как дополнительный компонент в составе сырья при производстве традиционных материалов. В ряде случаев это позволяет улучшить свойства готовой продукции.
В строительной индустрии находят широкое применение следующие виды промышленных отходов.
Использование отходов металлургической промышленности в строительстве
Основной вид отходов металлургического производства — шлаки. Ежегодно образуется несколько десятков миллионов тонн металлургических шлаков, а количество накопившихся в отвалах исчисляется сотнями миллионов тонн. Термином «шлак» обозначают отходы, получаемые при плавке различных металлов и при сжигании минерального топлива.
Эти материалы делят на две группы: металлургические и топливные. Последние образуются при сжигании твердого топлива на электростанциях и в котельных. Топливные шлаки не являются металлургическими отходами, но их свойства схожи с некоторыми видами металлургических шлаков, в связи с чем области их применения в строительной индустрии совпадают.
Шлаки различаются химическим и минералогическим составом, кристаллической структурой, вследствие чего их химические, физические и, следовательно, технические свойства имеют свои особенности. Металлургические шлаки – это продукты высокотемпературного взаимодействия топлива, руды, плавней и газовой среды. Свойства шлаков зависят не только от их состава и температуры.
Большое влияние на их структуру оказывает скорость охлаждения: при медленном охлаждении формируется плотнокристаллическая структура (отвальные шлаки), а при быстром — стекловидная (гранулированные шлаки, поризованные шлаки). Наиболее реакционноспособными материалами, использующимися в качестве активных минеральных добавок для цементов или в качестве самостоятельно твердеющих вяжущих, являются гранулированные шлаки и золы ТЭЦ. Отвальные шлаки применяются в качестве инертных материалов (заполнителей) в технологии бетонов.
Существуют две разновидности металлургических шлаков — шлаки черной и цветной металлургии. Шлаки черной металлургии классифицируются по видам металлургических процессов:
- доменные;
- сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электросталеплавильные);
- ферросплавные.
Основные направления применения доменных шлаков в области производства вяжущих веществ:
- добавки к клинкеру при производстве шлакопортландцемента;
- в качестве компонента сырья для производства портландцемента;
- при производстве шлаковых вяжущих с добавкой активаторов;
- при изготовлении вяжущих веществ автоклавного твердения;
- при получении шлакощелочных вяжущих;
- в качестве компонента минерально-щелочных и геополимерных вяжущих.
Основной потребитель шлаков – цементная промышленность, которая использует значительные объемы гранулированных доменных шлаков для производства шлакопортландцемента — разновидности цемента, в состав которого входит от 21% до 60% шлака. Доменный шлак может использоваться в производстве гипсошлаковых блоков для малоэтажного строительства, а также при изготовлении быстротвердеющего шлакопортландцемента, обладающего повышенной антикоррозионной стойкостью и прочностью. За рубежом шлак наряду с золой-уносом широко применяется для опытно- промышленного производства геополимерных вяжущих и бетонов на их основе.
Сталеплавильные шлаки образуются в процессе переработки чугуна в сталь. Объемы получения этих отходов сравнительно невелики, количество шлаков не превышает 10% от массы выплавленной стали. К сталеплавильным относятся мартеновские и конверторные шлаки, которые подразделяются на основные и кислые, а также на первичные и конечные (вторичные). Благодаря высокой прочности, низким значениям пористости и водопоглощения, инертности, мартеновские шлаки обычно используют в виде щебня и песка при изготовлении высокопрочных тяжелых бетонов и при строительстве дорог.
Шлаки ферросплавных производств пока не получили широкого распространения. Наибольшее количество производимых ферросплавов приходится на долю ферросилиция, ферромарганца, феррохрома и ферроникеля. Выход шлаков для этого производства составляет 6-10 % от массы ферросплава. Подобные шлаки активны и проявляют вяжущие свойства в процессе тепловлажностной обработки, что позволяет считать их сырьем для производства безобжиговых вяжущих веществ автоклавного твердения. Так, известно использование шлаков производства рафинированного феррохрома в качестве минерального порошка-заполнителя битумных замазок, мастик, асфальтобетона и силикатных автоклавных изделий.
Применение топливных шлаков и зол в производстве строительных материалов
Перспективными с точки зрения использования в технологии строительных материалов являются золы и шлаки, образующиеся при сжигании твердого топлива: каменного и бурого угля, горючих сланцев и др. Эти виды топлива состоят из органического и минерального вещества, при их сжигании остается не только минеральный компонент. В условиях непродолжительного процесса горения в топливе иногда остается значительное количество органического вещества в виде закоксованных включений.
Ежегодно на угольных электростанциях образуется несколько десятков миллионов тонн золошлаковых отходов. С учетом того, что доля электроэнергии, выработанной за счет сжигания угля, будет увеличиваться, производство этого побочного продукта будет возрастать. В промышленно развитых странах золошлаковые отходы используются на 70-90%.
В России доля утилизируемых отходов от сжигания угля не превышает 6-8%. Это привело к тому, что сейчас в золоотвалах накопилось около 1,5 млрд. тонн отходов. Эти отходы образуются в результате сжигания твердого топлива в дисперсном виде. Уголь на тепловых электростанциях измельчают в шаровых мельницах и в виде водной суспензии подают в топку (факельное сжигание).
При сгорании частиц топлива во взвешенном состоянии образуются сферические частицы золы-уноса, которые выносятся из топки и осаждаются в системе золоулавливания. При высоких температурах (1200-1600°С) органическая часть угля в основном сгорает, переходя в газообразное состояние. Минеральная часть образует золу и шлак. При высокой температуре происходит оплавление частиц золы, в результате они слипаются, оседают на дно топки и образуют шлак.
Минеральная часть твердого топлива обычно включает глинистые минералы, слюды, кварц, полевые шпаты, сульфиды железа, оксиды и гидроксиды железа, карбонаты кальция, магния и др. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.
Золошлаковые отходы обычно удаляются с электростанций системой гидрозолоудаления и в виде пульпы перекачиваются в золоотвалы. В настоящее время в золоотвалах накоплены колоссальные объемы отходов, которые не находят применения. Большинство золоотвалов создают определенные экологические проблемы, которые связаны с высокой дисперсностью золы: при высыхании они пылят, а при воздействии на них атмосферных осадков и грунтовых вод из золы могут вымываться опасные для окружающей среды вещества, включая соединения тяжелых металлов. Более 98% от утилизируемых отходов используется в строительной индустрии. Однако, как показывает опыт западноевропейских стран, бо́ льшая часть золы и шлака может быть использована в качестве сырья в различных технологиях, основными из которых являются строительство дорог, производство различных видов вяжущих и бетонов.
Зола — это уникальный материал, перспективность применения которого в производстве строительных материалов определяется следующими факторами:
- после высокотемпературного воздействия материалы золы могут проявлять вяжущие или пуццоланические свойства;
- высокая дисперсность золы обеспечивает ее высокую реакционную способность;
- частицы золы имеют сферическую форму, что снижает водопотребность золы;
- затраты энергии на доизмельчение золы ниже по сравнению с цементом или шлаком, что обусловлено пустотной или пористой структурой зерен золы.
Золы в зависимости от качественных показателей подразделяют на 4 вида:
- I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов;
- II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов;
- III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;
- IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).
Использование отходов добычи и переработки нерудных полезных ископаемых
При добыче каменных горных пород и производстве на их основе крупного заполнителя для бетона образуется 22-28% отходов в виде отсевов дробления фракции 0-5 мм. Для выделения крупной фракции из этого отхода используются промывочные машины, которые позволяют извлечь пылевидную фракцию с размером частиц менее 0,3 мм. Эта фракция в виде пульпы перекачивается в пруд-осадитель.
Для интенсификации процесса выделения тонкой фракции из отсевов дробления предлагается использовать технологические линии, в которых реализован гидро- или аэродинамический метод. Полученные при гидро- или аэродинамической сепарации дисперсные фракции отсевов дробления предлагается использовать в качестве минерального наполнителя для цемента или компонента сырьевой шихты, а фракции с наноразмерностью — для модификации структуры цементного камня. Перспективной технологией для применения дисперсных отходов дробления щебня является производство геополимерных материалов на основе измельченных магматических горных пород, которые являются основным компонентом вяжущего. Кроме основного компонента в состав этих вяжущих входит добавка доменного гранулированного шлака в количестве 15-25 %.
В последнее время отходы камнедробления всё чаще используются в технологии гиперпрессования используя станки для лего кирпича, а также станки для производства блоков.
Использование отходов добычи и обогащения руд с стройматериалах
Отходы, образующиеся на горно-обогатительных комбинатах можно разделить на два вида – вскрышные породы, которые не содержат полезных элементов, и отходы обогащения руды – хвосты. Использование вскрышных пород не превышает 20 %, что приводит к накоплению этих отходов в отвалах. В настоящее время объемы отходов добычи и переработки руд превышают 36 млрд. т. Многие горно-промышленные отходы могут применяться в строительной индустрии. Грубозернистые и мелкозернистые фракции каменных вскрышных пород целесообразно использовать как заполнитель для бетона, а тонкодисперсные – в качестве кремнеземистого компонента в силикатных тяжелых и ячеистых бетонах.
Применение отходов обогащения железистых кварцитов в строительстве
Отходы обогащения железистых кварцитов горно- обогатительных комбинатов, выделяемые в виде тонких фракций, представляют собой потенциальное кремнеземсодержащее сырье для производства различных строительных материалов. Эти отходы могут быть использованы, прежде всего, как заполнитель для бетонов и строительных растворов, а также в качестве активного кремнеземистого компонента бесклинкерных и малоклинкерных вяжущих автоклавного твердения.
Варианты использования отходов химической и нефтеперерабатывающей промышленности
Значительную их часть не используют, а собирают в накопителях и выводят в отвалы, что приводит к загрязнению окружающей среды. Однако утилизация этих материалов может существенно улучшить технико-экономические показатели технологических процессов строительной индустрии, повысить качество продукции.
К отходам химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, представляющим собой перспективное сырье для строительной индустрии, относятся фосфогипс, пиритные огарки, электротермофосфорный шлак, отработанные нефтепродукты и растворители, кислые гудроны, нефтяные шламы, активный ил биологических очистных сооружений и осадки сточных вод, кубовые остатки и различные некондиционные жидкие продукты. Из отходов химических производств можно назвать щелочной сток производства капролактама (ЩСПК), в котором адипинат натрия обеспечивает хорошее пластифицирующее действие в сочетании с воздухововлечением в бетонную смесь. Бетоны с солевыми стоками, используемые как при положительных, так и при отрицательных температурах, прогревные и беспрогревные, характеризуются физико-механическими свойствами и долговечностью, удовлетворяющими требованиям на соответствующие изделия.
Получили распространение попутные продукты нефтехимического и химического производства типа нейтрализованных черных контактов, которые могут применяться как пластификаторы и микропенообразователи. Нефтесодержащие осадки некоторых промышленных предприятий могут быть успешно использованы при производстве кирпича и керамзита. Введение в состав сырьевой шихты на слабовспучивающихся глинах отработанных масел позволяет значительно улучшить характеристики керамзита. В целом отходы различных производств, которые могут использоваться в качестве химических добавок в технологии бетонов, способны конкурировать со специально синтезируемыми веществами.
Отходы микробиологической промышленности
Побочными продуктами микробиологического производства является сложный комплекс различных органических и неорганических соединений. Некоторые из этих отходов используются в индивидуальном виде, а некоторые в качестве компонентов воздухововлекающих, пластифицирующих, ускоряющих и других видов добавок в производстве бетонов и строительных растворов.
Побочными продуктами микробиологического производства антибиотиков являются отработанные нативные растворы и мицелиальные остатки. Отработанные нативные растворы, содержащие белки, аминокислоты, липиды, могут быть использованы для получения недорогих добавок пластифицирующей группы для цементов и бетонов. Мицелий содержит ряд органических веществ, в состав которых входят липиды, углеводы, белки, аминокислоты и т.д. Неорганическая часть представлена соединениями кальция, натрия, магния, железа, кремния и др. Мицелиальные остатки хорошо поддаются гидролизу, что дает возможность получения ПАВ со свойствами пластификатора цементосодержащих смесей.
Использование отходов переработки древесины
Отходами производства лесной и деревообрабатывающей промышленности являются кора, пни, корни, кусковые и мягкие отходы лесопиления и деревообработки, мебельного и фанерного производства и др. В настоящее время при переработке древесины образуется значительное количество отходов. Например, для производства 1 м3 пиломатериалов необходимо затратить около 1,5 м3 деловой древесины, на 1 м3 клееной фанеры расходуется до 2,5 м3 сырья. В связи с этим на предприятиях скапливается значительное количество отходов. Зарубежный опыт показывает, что кусковые отходы деревообработки, лесопиления и лесозаготовок, стружка, опилки, кора, а также некоторые отходы производства лесохимической промышленности могут быть использованы в качестве сырья для изготовления различных конструкционно-теплоизоляционных и отделочных строительных материалов и изделий для стен, перекрытий, полов, кровли, в мебельной промышленности и производстве строительных конструкций.
В настоящее время только незначительная часть указанных отходов применяется в гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит, а также некоторых видов строительных материалов и изделий. Остальные отходы используются в качестве топлива. Брикетирование древесных отходов улучшает их теплоту сгорания. Брикеты применяют в качестве заводского топлива, а также для снабжения населения твердым топливом. Теплота сгорания хвойной древесины влажностью 37% при брикетировании составляет 10000 кДж/кг, влажностью от 20 до 22% — 13800 кДж/кг, опилок и стружки при 15% влажности — 15000 кДж/кг.
Технологические процессы лесохимической промышленности дают большое количество отходов, которые содержат поверхностно- активные вещества. Благодаря этому они могут быть использованы для получения пластифицирующих, воздухововлекающих или пеногасящих добавок для бетонов и строительных растворов.
Значительный объем химических добавок получают из отходов сульфатно-целлюлозного производства. К ним относятся лигносульфонаты технические (ЛСТ) разных модификаций, применяемые в качестве пластифицирующих добавок. Использование этих добавок в технологии бетонов началось еще в пятидесятые годы прошлого века. Несмотря на то, что за прошедшие десятилетия было налажено производство значительного числа новых высокоэффективных пластификаторов и суперпластификаторов, ЛСТ не потерял своего значения благодаря низкой стоимости и достаточно высокому пластифицирующему эффекту. Важным преимуществом ЛСТ и его модификаций является эффективность в шлакощелочных вяжущих.
При получении кормовых дрожжей из древесины в качестве попутного продукта получают так называемую «карамель», а также шлам холодного отстоя, которые применяют в качестве ПАВ. Из отходов производства таловых продуктов изготавливают таловый пек, сульфатно-таловый лигнин, на основе которых получают пастообразный модификатор — лигнин таловый омыленный и эмульгированный таловый пек. Отходы сульфатного скипидара идут на изготовление полимерного остатка — нерастворимой в воде гидрофобной жидкости, используемой как пеногаситель.
Отходы промышленности в производстве кирпича
К отходам промышленности, которые могут быть использованы в производстве силикатного кирпича в качестве компонентов вяжущего в смеси с известью и дисперсным кремнеземом или самостоятельно, относят металлургические шлаки, золы и шлаки ТЭС, пыль-унос цементных печей, нефелиновые и бокситовые шламы, фосфорные шлаки и др.
Металлургические шлаки в производстве кирпича
Они являются продуктом плавления флюсующих пород (обычно известняков или извести), облегчающих плавку металлов и извлекающих из них вредные примеси. Помимо извести в состав металлургических шлаков входят алюмосиликатные компоненты, содержащиеся в руде, коксе и других исходных материалах. Модуль основности доменных шлаков заводов (CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2) обычно более 1, а модуль активности (AI2O3/SiO2) колеблется в пределах 0,15-0,3.
Фазовый состав металлургических шлаков зависит от способов охлаждения жидких расплавов. При быстром охлаждении — полусухой или мокрой грануляции — получаются преимущественно стекловидные шлаки, обладающие высокой активностью. При медленном охлаждении в высокоосновных шлаках происходит кристаллообразование, приводящее к снижению их активности.
Медленно охлажденные кислые шлаки сохраняют в значительной мере стекловидное строение. По данным Б. Н. Виноградова, даже в основных отвальных доменных мартеновских шлаках содержится не менее 5-15% стекла, а в кислых отвальных мартеновских, бессемеровских, ваграночных и шлаках цветной металлургии — более 20-50%. В зависимости от химического состава и условий охлаждения кристаллические шлаки содержат β- и ү-2CaO•SiO2, ранкинит, псевдоволластонит, мелилит, пироксены и другие минералы.
Золы и шлаки ТЭС
Золы ТЭС могут быть использованы в производстве силикатного кирпича в качестве самостоятельного вяжущего (например, золы от сжигания сланцев) как компонент известково-кремнеземистого вяжущего и в виде активного заполнителя, поэтому требования к золам в зависимости от их назначения различны. Золы, применяемые в качестве самостоятельного вяжущего, должны содержать повышенное количество окиси кальция, тогда как в золах, используемых в качестве заполнителя, его ограничивают во избежание объемных изменений кирпича. Технические требования к золам ТЭС по данным ТУ 21-31-2-71, Указаний по испытанию зол ТЭС и Инструкции по использованию золы и шлака в производстве силикатного кирпича с учетом результатов практического использования зол приведены на рис. 1.
Рис. 1. Технические требования к золам ТЭС, применяемым в производстве силикатного кирпича
Источник: www.vgpress.ru
X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНЫХ РЕСУРСОВ
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Демонтаж зданий и сооружений относится к таким видам строительных работ, потребность которых с каждым годом постоянно возрастает. Существует множество причин, которые обуславливают необходимость проведения демонтажа различных зданий и сооружений: аварийное состояние старых строительных объектов, строительство новых объектов, требующих расчистки территорий, перемещение существующего объекта капитального строительства на другое место и т.д.
В настоящий момент строительная отрасль приносит множество проблем окружающей среде. В России, к примеру, ежегодно образуется 15-17 млн. т. строительных отходов, 60% из которых составляют кирпичные и железобетонные. Темпы роста объемов строительных отходов составляют 25% в год [1].
В результате демонтажа и сноса зданий образуются немалое количество видов строительных отходов (см. рис. 1). К основным видам отходов относятся: битый кирпич, бетон и железобетонные изделия, древесина, металлолом. К прочим относятся: сколы асфальта, отходы рубероида, отходы битума (мастики), стеклобой, керамическая плитка (бой), замусоренный грунт и др.
Отсутствие разделения строительных отходов приводит к формированию необустроенных свалок, которые, как правило, в дальнейшем поступают на полигон.
При захоронении на полигонах и свалках происходит дезинтеграция строительных отходов, приводящая к химическому загрязнению почвы. Повышается ее кислотность, накапливаются ядохимикаты (пестициды), что вызывает изменение ее структуры. В результате ландшафт трансформируется, нарушаются свойства и функции в наземных гео- и экосистем природно-территориальных компонентов.
Помимо основных видов строительных отходов во время демонтажа зданий также образуются вредные отходы, например, строительная пыль. В отличие от обычной пыли строительная пыль особо опасна для здоровья человека. Плохая организация демонтажа зданий и сооружений может вызвать значительное пылеобразование. Так, при демонтаже зданий, построенных из различных строительных материалов, выделяется от 310 кг до 8580 кг пылевых отходов в зависимости от конфигурации зданий, этажности, вида строительных материалов и степени разрушения [2].
Если прочностные характеристики строительных отходов низкие, возможно образование пылевидных частиц в массиве отходов и дальнейшее загрязнение ими поверхностного слоя грунта под действием дождя. В этом случае происходит загрязнение прилегающей к свалке территории.
С учетом всех негативных факторов, причиняющих огромный вред окружающей среде, перерабатывать строительные отходы не только экологически целесообразно, но и экономически эффективно. Во всём мире переработка отходов является весьма прибыльной отраслью. Объемы строительных отходов с каждым годом увеличиваются, поэтому главной проблемой становится не столько транспортировка, сколько грамотная утилизация, вторичное использование и, что немаловажно, правильное захоронение строительных отходов. Не менее важным фактором грамотной утилизации является детальная проработка технологической части демонтажа зданий и сооружений.
Важно при определении возможности использования и области применения строительных отходовучитывать прочностные характеристики: морозостойкость, влагостойкость, стойкость на истирание и т.д. Чем прочнее элементы, тем больше возможностей для их вторичного использования.
Во избежание возникновения негативного воздействия при использовании строительных материалов основным требованием является незагрязненность строительных отходов, например радиоактивными веществами, нефтепродуктами, фенолами и т.д.
Все отходы цивилизации должны сортироваться у источника их образования, перерабатываться промышленными методами (в пределах 95 процентов) и остатки (5 процентов) захороняться на полигонах.
Повторное применение строительных отходов позволяет обеспечить ресурсосбережение. К примеру, вторичный щебень по своим характеристикам способен конкурировать с природными ресурсами, что позволяет снизить себестоимость получаемого из него бетона на 25%.
Рассмотрим варианты повторного использования строительных отходов в различных направлениях:
Результатом переработки бетонных и железобетонных конструкций являются различные фракции щебня и песка. Полученный щебень можно применять при устройстве подстилающего слоя подъездных и малонапряженных дорог, фундаментов под складские и производственные помещения, при устройстве оснований или покрытий пешеходных дорожек, автостоянок, прогулочных аллей, откосов вдоль рек и каналов, внутренних площадок гаражей.
Отходы производства строительных блоков из легкого бетона можно использовать в качестве адсорбента загрязняющих веществ.
Отходы дерева годятся в качестве опалубки или сырья для изготовления ДВП и ДСП.
Металлические отходы могут использоваться как при строительных работах на месте демонтируемого здания, так и при возведении новых, а также для вторичной переработки.
Отходы асфальта применяют при строительстве дорожного покрытия, предварительно обработав термически при высокой температуре, позволяющей расплавить смолистое вещество.
Вредные строительные отходы вывозятся на полигон для захоронения, но есть возможность для их повторного использования. Например, пыль, как показывает современная практика, используется как заполнитель для материалов, применяемый в дорожном строительстве или производстве железобетонных изделий и конструкций. Пыль улавливается аспирационными установками, за счет пылеуловителей со встречным закрученным потоком.
Своевременная переработка позволяет избежать ежегодного увеличения объема отходов производства. Утилизация отходов строительства, способна сохранять природные ресурсы, а также способствовать экономии на приобретении и производстве новых материалов.
1) О пользе переработки строительного мусора [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ekoartstroi.ru/interesnoe/o-polze-pererabotki-stroitelnogo-musora.
2) Сидякин П.А., Магомадов И.З., Палатов Р.Р., Стате Г.И Защита атмосферного воздуха от запыленности при проведении демонтажа зданий и сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2014. С.88.
3) Гвоздовский В.И., Князева М.Н. Конструктивная схема полигона захоронения твердых бытовых отходов // Материалы Международной научнотехнической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 213
4) Бальзанников М.И., Галицкова Ю.М., Семенова В.В. Утилизация отходов производства строительных блоков с целью снижениязагрязнения окружающей среды// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 61
5) Галицкова Ю.М. Проблемы использования строительных отходов// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 121
6) Галицкова Ю.М. Основные направления использования строительных отходовот демонтажа зданий// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 125
7) Галицкова Ю.М. Подготовка строительных отходов к вторичному использованию// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 130
8) Гвоздовский В.И., Сухолитко Н.С., Князева М.Н. Химическое и биологическое загрязнениеприродной среды промышленностью// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова, С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 204
9) Гвоздовский В.И., Белова Т.В., Князева М.Н. Экологическая оценка строительных материалов и конструкцийпо их жизненному циклу// Материалы Международной научно-технической конференции. [Электронный ресурс] / Под. ред. М.И. Бальзанникова,С.В. Евдокимова. – Самара: СГАСУ.
2014. С. 208
10) Строительные отходы и правила обращения с ними [Электронный ресурс] – Режим доступа:http://vtorothodi.ru/utilizaciya/stroitelnye-otxody-klassifikaciya.
11) Современные способы утилизации строительных материалов // Молодежный научный форум: Естественные и медицинские науки: электр. сб. ст. по материалам XXXVIII студ. междунар. заочной науч.-практ. конф. — М.: «МЦНО». — 2016 —№ 9(37)
Источник: scienceforum.ru
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ЭКОЛОГИЧНОСТИ: СТРОИТЕЛЬСТВО ДОМОВ ИЗ ОТХОДОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ / МУСОР / ВТОРИЧНОЕ СЫРЬЕ / ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА / ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ СТАНДАРТ / WASTE REUSE / GARBAGE / SECONDARY RAW MATERIALS / CONSTRUCTION TECHNOLOGY / ENVIRONMENTAL STANDARD
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Сухинина Е.А., Степанова А.С.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Сухинина Е.А., Степанова А.С.
CURRENT ECOLOGICAL TRENDS: CONSTRUCTION OF WASTE HOUSES
The possibility of rational use of waste in construction studied in the article. The question of the most economical and environmentally friendly approaches to the construction of houses from the « garbage » considered. A classification of materials made of used secondary raw materials given. Methods and acceptable technologies for the construction of buildings from waste, their disadvantages and advantages analyzed. Today, the Waste Management section is included in almost every international environmental certification system for buildings.
The percentage of requirements for rational waste management in the structure of environmental standards in construction analyzed. Conclusions about the importance and need for reuse of waste in the construction industry in the construction of environmental facilities have been made.
Текст научной работы на тему «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ЭКОЛОГИЧНОСТИ: СТРОИТЕЛЬСТВО ДОМОВ ИЗ ОТХОДОВ»
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ЭКОЛОГИЧНОСТИ: СТРОИТЕЛЬСТВО ДОМОВ ИЗ ОТХОДОВ
Сухинина Е.А., кандидат архитектуры, доцент Степанова А.С., студент
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Аннотация. В статье изучаются возможности рационального использования отходов в строительной сфере, получения из них сырья и изделий. Рассматривается вопрос о наиболее экономичных и экологичных подходах строительства домов из «мусора».
Дается классификация материалов, изготавливаемых на основе вторичного сырья.
Анализируются способы и технологии возведения зданий из отходов, их недостатки и преимущества.
В результате исследования сделаны выводы о важности и необходимости повторного использования отходов в строительной индустриии рациональности подходов к использованию «мусора» при возведении экологических объектов.
Ключевые слова: повторное использование отходов, мусор, вторичное сырье, технология строительства, экологический стандарт.
Сегодня, в век стремительного развития новых процессов производства и быстрых темпов увеличения численности населения планеты, все острее становится проблема безопасного хранения и утилизации отходов.
Отходы — это одна из основных экологических проблем, которая несет в себе потенциальную опасность для здоровья людей и природы. Современные технологии не позволяют должным образом утилизировать бытовой и производственный мусор [3].
Ежегодно в мире образуется 2,1 миллиарда тонн отходов, примерно 30-40% которых не перерабатываются экологически безопасным способом. Именно поэтому вопрос о повторном использовании отбросов стоит особенно остро [1].
Возведение объектов из привычных материалов и традиционным способом негативно сказывается на состоянии окружающей среде. Так, например, ради
деревянных материалов — вырубают лес, а с целью производства кирпичей -работают заводы, выделяя вредные выбросы в атмосферу [4].
По мнению авторов, некоторые отходы и мусор можно рассматривать, как сырье для строительства.
Одной из главных практических задач научного исследования становится возможность строительства зданий и сооружений из вторичных ресурсов.
Вторичные ресурсы, используемые в дальнейшем строительстве -называют вторичным сырьем [3].
Сегодня применение в строительстве старых предметов и ненужных элементов — это вполне рациональный и экологичный подход. При этом можно сократить объемы производства нового сырья и уменьшить огромные масштабы отходов производства.
Условно используемые для строительства «вторичные материалы» можно классифицировать следующим образом:
1. материалы, не поддающиеся переработке;
2. переработанное сырье;
3. прессованные отходы;
4. крупногабаритные отходы.
Рассмотри каждую группу в отдельности:
1. К материалам, не поддающимся переработке можно отнести автомобильные покрышки, которые уже выполнили свою первоначальную функцию. Существуют примеры их использования в заложении фундамента, возведении стен, заборов и кровли.
Преимущество этого строительного материала в том, что покрышки можно найти на любой автомобильной свалке в больших количествах.
Технология строительства довольно проста: каждую из шин заполняют землей, затем укладывают друг на друга в шахматном порядке, а пространство между ними плотно заполняют смесью из воды, цемента и земли. Снаружии изнутри стены покрывают цементом.
Такие стеновые конструкции из покрышек обладают уникальными изоляционными свойствами: в течении дня в них накапливается тепло, которое в ночное время суток постепенно отдается внутрь помещения. Практика показывает, что в таком жилье постоянной температурой является 18-20°С при минус 7°С за окном.
Следует также отметить, что у зданий из покрышек имеются и серьезные недостатки — в летнее время неизбежен запах резины, а внешний вид жилого дома сложно назвать эстетически привлекательным.
Еще одним дешевым и доступным сырьем для строительства без дополнительной переработки могут стать — пластиковые бутылки [5].
Технология строительства проста — бутылки наполняют сыпучим материалом (песком или грунтом), закручивают их крышками и используют как «кладочный элемент».
Процесс возведения стен предусматривает установку опорных столбов из кирпича, дерева или металла, толщина которых равняется высоте используемых бутылок. Щели между «кирпичами» из бутылок заполняют обычным цементно-песчаным раствором. Чтобы бутылки держались в стене, пока не схватится раствор, со стороны крышек их связывают бечевками.
Строительство из стеклянных бутылок схоже с технологией строительства из пластиковых бутылок.
Особенно популярными сегодня становятся объекты, полностью собранные из мусора. К примеру, на острове Санта-Катарина, художнику из Уругвая удалось соорудить живописный коттедж из найденного неподалёку строительного мусора. В процессе постройки здания были использованы фрагменты бытовой техники, куски дерева, осколки зеркал и стекла, бутылки и керамическая плитка. Жилище получилось комфортным и довольно просторным: в нём располагаются спальные места, ванная комната и кухня.
Другой пример- это «мусорный» отель, построенный в Мадриде как часть проекта «Спасти пляж». Группе энтузиастов удалось возвести двухэтажное здание из деревянного каркаса, а внутреннюю и внешнюю отделку отеля выполнить из разнообразного мусора, найденного на пляжах и в океане (рис.1).
Отель стал хорошим способом привлечь внимание общественности к
важным экологическим проблемам и показать, что отбросы зеркало того, во
что может превратить жизнь людей при халатном отношении к отходам [2].
Рис.1 «Мусорный» отель в центре Мадрида, Испания
2. К категории переработанного сырья можно отнести термополикамень -материал, сделанный из измельченных в крошку старых телевизоров, магнитофонов, телефонов, проводов, микросхем. Его создатели утверждают, что он является водоустойчивым и не поддастся гниению, не обладает специфическим запахом. При производстве блоков используется нетоксичный мусор, поэтому данное жилище вполне безопасно для здоровья (рис.2).
Рис.2. WasteHouse — дом из мусора, проект студентов университета Брайтона
Архитекторы компании Lendager Group используют для воплощения своих проектов отходы, собранные с различных производств, а также оставшиеся после сноса зданий. Одна из их последних работ — пять блокированных прямоугольных зданий, конструкция которых выполнена из древесных отходов и старого кирпича (рис. 3). Стены и перегородки возведены из древесины повторного использования, каркас дома и стропила изготовлены из переработанного дерева, оставшегося после сноса зданий. Кирпич, которым выложен пол в некоторых частях коттеджа, нашли при демонтаже других строений.
Рис.3. Дома компании Lendager Group
3. В качестве прессованных отходов можно использовать солому. Конструкция такого жилья представляет собой деревянный каркас с обкладкой по всей его площади соломенными блоками, которые являются основой для стен дома и его утеплителем. После укладки блоков на соломенные стены внутри и снаружи наносится три слоя штукатурки. После этого солома приобретет новую характеристику прочности — не будет гореть, гнить, выветриваться, ломаться.
Отделку жилья внутри рекомендуют выполнять из гипсокартонных плит, с целью выравнивания потолка и стен. Плюсами данной строительной технологии являются: низкая стоимость, легкость стен, которые не требуют крепкого фундамента и небольшие трудовые затраты.
Необычным сырьем для строительства можно считать спрессованные измельченные купюры. Ирландец Фрэнку Бакли взял в Центральном банке измельченные купюры номиналом в 1,4 млрд евро, предназначенные для утилизации, и построил из этого сырья дом (рис.4).
В доме не только стены, но и полы сделаны из прессованных купюр. Сам мужчина уверяет, что жилье получилось необычайно теплым, кроме того, такой вид строительного материала имеет хорошие изоляционные свойства. Помимо экологических и экономических преимуществ, этот дом целый философский трактат о том, что такое деньги, и что на самом деле важно для человека [4].
Рис.4. Фрэнк Бакли на фоне своего дома из денег
4. К крупногабаритным отходам можно отнести некоторые виды строительного мусора, например, железобетонные трубы. В парке Rodl park в Австрии из них возведен оригинальный отель, который сразу же стал популярным среди туристов. Однако это сооружение имеет ряд недостатков: оно не отапливается и не вмещает ничего, кроме кровати.
Необычный фасад получился из утилизированных бетонных труб в Пабе города Мельбурн. Вторичные элементы прикреплены один к другому, образуя четырехэтажное здание. Трубы и стеклянные стены создают интересное впечатление и напоминаю иллюминаторы, через которые открывается вид на городские улицы.
Кроме того, отличным материалом для жилья являются списанные транспортные контейнеры. Современный транспортный контейнер весьма
прочен, устойчив к воздействию агрессивной среды, доступен во всем мире и имеет недорогую стоимость. Наряду с этим, такой материал, как сталь, может весьма быстро нагреваться и пропускать звуки, что подразумевает использование хорошей звукоизоляции.
Для постройки домов используют и вышедшие из строя силосы (бункеры для хранения) с плоским или аэрационным дном, в котором должна предусматриваться внутренняя вентиляция. Их стандартная высота в 9 м позволит использовать его в качестве двух- или трехэтажного жилья. Каждый силос изготовлен из оцинкованной стали, что предотвращает коррозию металла.
Международные системы экологической сертификации зданий в структуре своих требований предусматривают ряд критериев для организации хранения и переработки бытовых и строительных отходов, таблица.
Для борьбы с загрязнением окружающей среды рекомендуется раздельный сбор мусора с последующей переработкой или повторным использованием, важна возможность повторного применения конструкций здания.
В результате изучения большого количества вариантов использования мусора в строительстве, можно сделать выводы о том, что дома из отходов не требуют больших экономических вложений, а технология их строительства практически не отличается от традиционного возведения зданий.
Можно заключить, что самыми распространенными технологиями строительства домов из отходов являются:
— каменная кладка — строительная конструкция, состоящая из блоков или камней, уложенных в определённом порядке и связанных строительным раствором (в роли блоков используются бутылки или прессованные блоки соломы);
— каркасное строительство — каркас изготавливается из дерева или металла, а заполнителем стен могут стать «мусорные» блоки;
— модульное строительство — транспортные контейнеры или железобетонные трубы выступают в роли модуля, на их основе уже возводится объект.
По мнению авторов для домов из отходов наиболее приемлемым является технология строительства с использованием материалов не поддающихся переработке с применением бутылок и покрышек в качестве кладочных блоков.
Этот способ возведения зданий имеет ряд преимуществ:
— ускоряет процесс строительства;
— не подразумевает использование дополнительных опор, помогая значительно снизить использование традиционного сырья;
— данная технология обеспечивает теплоизоляцию и теплоемкость, что
способствует снижению расходов на отопление здания и повышает комфорт при
В заключении можно сделать вывод, что строительство из отходов имеет массу преимуществ:
1. это вторичное использование отбросов, позволяющее уменьшить количество мусора на свалках;
2. это «вторая жизнь» мусора, которая помогает сберечь значительное количество сырья и энергии;
3. повторного использования отходов играет значительную экологическую роль в защите и сохранении природных ресурсов.
1. Всемирный банк. Доклад «Что такое отходы: обновленный взгляд в будущее управление твердыми бытовыми отходами». [Электронный ресурс]: URL: https://www.vsemirnyjbank.org/ru (дата обращения 21.04.2020).
2. Сильги К. История мусора: от средних веков до наших дней / Катрин де
Сильги; пер. с фр. И. Васюченкои Г. Зингера. Москва: Текст, 2011. 57с.
3. Гринин А.С., Новиков В.Н. Промышленные и бытовые отходы: хранение,
утилизация, переработка.Москва: Гранд: Фаир-Пресс, 2002. 26c.
4. «Отходные дома»: как из мусора или даже нечистот люди умудряются
строить комфортные жилища [Электронный ресурс]: URL:
https://novate.ru/blogs/310318/45579/ (дата обращения 19.04.2020).
CURRENT ECOLOGICAL TRENDS: CONSTRUCTION OF WASTE
Sukhinina E.A., Candidate of Architecture, Associate Professor Stepanova A.S., Student
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Abstract. The possibility of rational use of waste in construction studied in the article. The question of the most economical and environmentally friendly approaches to the construction of houses from the «garbage» considered.
A classification of materials made of used secondary raw materials given. Methods and acceptable technologies for the construction of buildings from waste, their disadvantages and advantages analyzed.
Today, the Waste Management section is included in almost every international environmental certification system for buildings. The percentage of requirements for rational waste management in the structure of environmental standards in construction analyzed.
Conclusions about the importance and need for reuse of waste in the construction industry in the construction of environmental facilities have been made.
Keywords: waste reuse, garbage, secondary raw materials, construction technology, environmental standard.
Источник: cyberleninka.ru