Энерго и ресурсосберегающие технологии в строительстве
Библиографическая ссылка на статью:
Бессонов А.С. Технологии ресурсосбережения в строительстве и их применение на современном этапе // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78083 (дата обращения: 13.09.2020).
1. Введение
Указанные технологии активно развивают страны, обладающие высоким научно-техническим и промышленным потенциалом. Производство строительных материалов представляет собой безотходную и малоотходную технологию.
Учитывая то, что строительная индустрия представляет является достаточно ресурсоемкой отраслью, разработка технологий, направленных на использование промышленных отходов в качестве сырья для производства строительных материалов, становится важнейшей задачей развития современной экономики. Большую часть современных технологий создавали тогда, когда промышленность страны только формировалась, и у человечества отсутствовал острый дефицит природных ресурсов, а в качестве главной проблемой выступало повышение темпов наращивания объемов производства. История развития промышленности изобилует множеством примеров, когда от интенсивного роста производства страдала не только природа, но человек: разрушалась среда обитания живых организмов, отравлялись вода и воздух. Таким образом, создание и внедрение новых ресурсосберегающих технологий является сложной задачей, и чтобы ее решить, необходим целый комплекс интеллектуальных и финансовых затрат.
2. Основная часть
Сегодня, когда в мире нарастает экологическая напряженность, рациональное использование и эффективное сбережение природных ресурсов – важнейшая задача жизнедеятельности любого государства.
Вопросы ресурсосбережения находятся в центре исследований ряда авторов. Одними авторами осуществляется рассмотрение основных направлений внедрения ресурсосберегающих технологий с технико-технологической позиции [6,2], другими исследуется экономическая составляющая процесса ресурсосбережения [3,5,7,11]. Также достаточно проблема ресурсосбережения исследуется применительно к различным отраслям промышленности, таким, как промышленность, строительство, жилищно-коммунальное хозяйство. Однако более актуальной, на наш взгляд, является проблема не только сбережения сырьевых ресурсов, но и организация их повторного использования. Вторичные сырьевые ресурсы играют значительную роль в поддержании экологически безопасного уровня воздействия на окружающую среду, а использование их выступает необходимым условием реализации безотходных или малоотходных технологий.
Важная роль в использовании вторичных сырьевых ресурсов принадлежит строительству и промышленности строительных материалов, а также особенностям использования ими двух видов сырья – природного и техногенного (вторичного). В процессе использования природного сырья осуществляется применение строительных камней, песчано-гравийной смеси, гравия, песка, щебня и других горных пород, а также отвалов вскрышных пород, которые образуются в процессе разработки карьеров и строительных котлованов.
Необходимо отметить, что сегодня во многих районах России отсутствует природное сырье в нужном количестве, а в других запасы указанных ресурсов значительно исчерпаны. Соответственно возникает необходимость осуществлять высокие затраты на транспортировку их из других районов, а это достаточно нецелесообразно ни с экологической, ни с экономической точки зрения по причине того, что при подобных перевозках имеют место экологические нарушения. Именно поэтому, развитие техники и ухудшение в стране экологической ситуации повышает значение приобретения и использования техногенного сырья. Оно включает комплекс самых разнообразных промышленных отходов и побочных продуктов: металлургических шлаков, бокситовых и других шламов, отходов горно-обогатительных комбинатов (ГОК), золу и золошлаковые отходы ТЭС, отходов углеобогащения, вторичных полимеров, продуктов переработки древесины и пр.
Многие специалисты рассматривают техногенное сырье в качестве национального достояния, исключительно ценного продукта, аккумулирующего в себе значительный объем ранее затраченных инвестиционных и энергетических ресурсов. Специалисты-практики, использующие техногенное сырье в процессе производства строительных материалов, отмечают, что оно часто оказывается дешевле разработки и освоения природных ресурсов.
Перспективы использования техногенного сырья в производстве строительных материалов с позиции экологии заключены в:
1) резком сокращении объемов добычи дефицитных природных строительных материалов;
2) утилизации и осуществлении химически прочных связей огромного количества загрязняющих окружающую среду промышленных отходов;
3) освобождении ценных земельных участков, отчуждаемых под хвосто- и шламохранилища и пр. Так, только для хранения золошлаковых отходов ТЭС предусматриваются значительные территории [12].
Сегодня в строительстве применяется множество видом промышленных отходов и побочных продуктов. Рассмотрим примеры их использования.
Широко применяется сегодня в строительной индустрии зола и золошлаковые отходы (ЗШО). Сегодня в нашей стране ежегодно образуются десятки миллионов тонн таких отходов. В течение каждый суток деятельности ТЭС, работающих на угле, скапливается до одной тысячи тонн золы и шлака. Большая часть из них направляется в отвалы, а утилизации в строительстве подлежит только 3-5% ЗШО. Если сравнивать объемы утилизации золы и шлака в строительной индустрии США и Германии, то там показатель значительно выше: он составляет 40-60%. Так, в США из 20 млн. т ежегодно образующихся зол уноса на изготовление бетона направляется семь миллионов тонн.
Высокоэффективным является использование в производстве разработанной ВНИИстроем безотходной технологии производства лицевого кирпича на основе зол ТЭС, позволяющей осуществить как экономию средств на строительство и эксплуатацию золоотвалов, так и снизить загрязнение окружающей среды. Л. С. Баринова и Ю. С. Волкова отмечают, что в случае замены в бетоне или растворе 15%-ного цемента золой уноса или металлургическим шлаком, что разрешено технологически, в перерасчете на мировой объем их использования количество выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО2) может быть снижено на 300 млн. тонн ежегодно.
Также среди ресурсосберегающих технологий определенное место занимает использование металлургических шлаков – высококачественного сырье, позволяющего производить шлакопортландцементы, шлаковату, гипсошлаковые блоки, щебень и пр. В течение года металлургические заводы десятки миллионов тонн таких шлаков. В России достаточно высоким является объем утилизации доменных шлаков, из которых изготавливают шлакопортландцемент и пористые заполнители.
На современном этапе крупным и мелким заполнителем в бетонах чаще всего является создаваемые по безотходной технологии шлаковая пемза (термозит) и шлакостеклогранулят, они не уступают природному большинством: прочность бетона, произведенного на основе шлакового цемента выше, чем на гранитном на 15-20%.
Широко известным ценнейшим конструктивным материалом является шлакоситалл, который имеет высокие физико-механические, химические свойства и экологическую чистоту. В производстве портландцементного клинкера и шлакопортландцементов высокого качества большое значение имеет гранулированный доменный шлак, повышающий свойства антикоррозийности, повышенной прочности, текучести и быстроты твердения цемента.
По причине того, что в нашей стране планируется реконструкция предприятий, занимающихся отработкой ядерного топлива (ОЯТ), значительно возрос спрос на особо тяжелые бетоны для радиационной защиты. С этой целью ученые предлагают использовать бетон, имеющий в своем составе отходы и шихт металлургических производств, призванных заменить собой дорогостоящий металл. Также, блокируют фенолформальдегидные и другие загрязнители в структуре строительных материалов отработанные формовочные смеси (ОФС), которые образуются в процессе металлургического литейного передела. Формовочная глина, используемая как связующее вещество, токсичной не является, и ее можно широко применять при производстве строительных материалов.
С целью применения технологий ресурсосбережения в строительстве могут также использоваться продукты переработки древесины и других растительных отходов. Лесопромышленные комплексы и деревоперерабатывающие комбинаты нашей страны ежегодно образуют более 300 миллионов м 3 отходов древесины. Также, сжигают и вывозят в отвалы огромное количество древесной тары, отходов переработки хлопчатника и прочего сырья, которое пригодно для производства строительных материалов [12].
Булгаков С.Н. считает, что важнейшее направление рационального и экологически целесообразного использования древесины в строительстве – это технологии производства различных древесных бетонов, таких, как арболит, фибролит, опилкобетон, королит и пр[4].
Наиболее известный среди них – это арболит. Он является легким, крупнопористым бетоном, состоящим из древесной дробилки, в основном для его изготовления идут отходы от лиственных пород и портландцемента марки 400. Данный строительный материал находит широкое применение в качестве стеновых блоков для строительства малоэтажных зданий. Ограждающие конструкции и перегородки строятся в основном из королита – теплоизоляционного материала, на производство которого идут кора, цемент (или строительный гипс) и добавки.
В промышленности строительных материалов широкое применение находят ценнейшему экологически чистому сырью, вырабатываемому из отходов целлюлозно-бумажного производства – лигносульфонатам, которые имеют обеспыливающие, пластифицирующие, пенообразующие и другие ценные свойства.
Также используются в строительной индустрии и отходы химического комплекса. Хотя ежегодно таких отходов на предприятиях накапливается множество, в строительной индустрии они используются недостаточно. Имеются примеры применения в строительстве электротермофосфорных шлаков (шлакопортландцемента, силикатного кирпича), отходов содового производства (автоклавного производства материалов, газогипса), кубовых остатков перегонных производств и битумов (ячеистых бетонов с добавками нефтебитума и пр.).
С позиции экологии необходимо более широко рассмотреть побочный продукт, получаемый в процессе переработки апатитовых и фосфоритовых концентратов, называемый фосфогипсом. Из него изготавливают цемент, строительные блоки, сухую штукатурку и пр. Так, в Японии в семидесятых годах прошлого века в строительной промышленности ежегодно расходовалось около 3 миллионов тонн фосфогипса. Затем, в восьмидесятых годах, было проведено исследование, результатом которого было следующее: применение фосфогипса в строительстве возможно лишь после специальной проверки его на радиоактивность. Также, в состав фосфогипса, перерабатываемого по существующей технологии, кроме радионуклидов могут также входить и фтористые соединения.
Вторичные ресурсы находят широкое применение используются не только в промышленности строительных материалов, но и в дорожном строительстве (они служат инертными наполнителями, заменяя собой песок, скальные породы, гравийные смеси и пр.), в фундаментостроении для устройства гидротехнических плотин и пр.
Достаточный интерес являет собой использование отходов промышленности в такой материалоемкой отрасли строительства, как устройство оснований фундаментов зданий и сооружений. НИИОСП, на основании своих исследований доказал, что с этой целью наиболее выгодно использование вскрышных и отвальных пород, имеющих завершенный процесс самораспада, а также доменных и сталеплавильных шлаков. В процессе устройства оснований их указанных шлаков их подвергают уплотнению, трамбованию, при этом также используется метод глубинного уплотнения при помощи мелких взрывов и пр [12].
В течение последних десятилетий в России ка к в промышленности, так и в строительстве значительно сократилось использование промышленных отходов, причина этому – общее падение уровня промышленного производства, так и отсутствие необходимого стимулирования использования вторичных ресурсов в производстве.
Как считает Шутенко Е.Е., причиной низкого уровня использования техногенного сырья в России, кроме причин, указанных выше, являются принципиально различные подходы к указанной проблеме и в экономически развитых странах, и в России. Там, например, золошлаки в указанных странах выступают как продукт (товар), а не отходы, и использование (реализацию) указанного продукта должны осуществлять его производители, то есть ТЭС. Интересным фактом является и то, что, согласно расчетам, рентабельность производства товаров-продуктов из золошлаков (бетонных смесей, многоцелевых вяжущих, песка, щебня и пр.) превышает рентабельность производства самой электроэнергии ТЭС.
Примером развития строительных технологий с использованием вторичных ресурсов могут служить страны Запада., Так, уровень утилизации рециклируемых материалов в Дани достиг 100%. В Нидерландах создали и реализовали цельную, экологически выдержанную концепцию развития строительной индустрии, основанную основана на внедрении замкнутого безотходного производства, предполагающую многократное использование техногенного сырья.
Важнейшим критерием пригодности техногенного сырья для производства строительных материалов, а также для других целей является степень экологичности, материалоемкости или отсутствие в них высокой степени токсичности и радиоактивности. Использование промышленных отходов как вторичное сырье можно только после того, как будут разработаны специальные нормативные документы по их применению. Если отходы соответствуют требованиям санитарных правил и норм радиационной безопасности, то их можно рекомендовать для практического применения [9].
Чтобы обеспечить экологическую надежность вторичных сырьевых ресурсов, осуществляют выполнение необходимых лабораторных исследований, в процессе которых осуществляется сравнение состава исходного сырья с ПДК токсичных веществ. В шкале экологической безопасности и кондиционности техногенного сырья предусмотрено, что органические канцерогенные вещества в нем полностью отсутствуют, а также имеет место непревышение ПДК бериллия, таллия, селена, хрома и ряда других экологически небезвредных соединений, к которым относится хлор, фтор, бром, сера и пр. Особая опасность будет иметь место при наличии в техногенном сырье тяжелых металлов, таких, как медь, титан, молибден, ванадий и пр.
Исследователь В. Мымрин разработал технологию, позволяющую получать различные виды высокоэффективных нетоксичных дорожно-строительных материалов, реализуемую в процессе смешивания двух-трех видов техногенного сырья, таких, как золошлаки, различные виды шлаков черной металлургии, отходы химического производства и пр. Автор технологии считает, что при реализации указанной технологии происходит связывание всех опасных элементов промышленных отходов в в нерастворимые соединения, это установили результаты испытаний в кислых, щелочных и нейтральных средах [12].
Чтобы обеспечить экологическую безопасность вторичных сырьевых ресурсов, применяемых в строительной индустрии, необходимо обязательно осуществить их радиоэкологическую оценку. Техногенное сырье, предназначенное для использования в качестве строительного материала, не должно содержать радиоактивных изотопов, к которым относится радий, торий, стронций и цезий, или иметь повышенный уровень излучения.
Необходимость этого определена тем, что у многих видов промышленных отходов имеется повышенная удельная эффективная активность радионуклидов Аэфф. Данные Центра радиационной экологии Ростовского госуниверситета свидетельствуют о том, что 5% золоотвалов Новочеркасской ГРЭС имеют Аэфф. > 370 Бк/кг, то есть они превышают нормы, установленные НРБ-96. Использование золоотвалов, имеющих повышенный уровень радиоактивности, в строительстве может осуществляться только после того, как будут проведены тщательные радиологические анализы и выбраковка золошлаков с активностью, которая превышает нормативы.
3. Заключение