Пеностекольный заполнитель для легких бетонов из отходов горнодобывающей промышленности: возможность возродить крупнопанельное домостроение

В России ежегодно добывается более миллиарда тонн твердых полезных ископаемых, до 40% отходов от добычи которых после предварительной переработки попадают в отвалы и хвостохранилища. Утилизация этих отходов для производства заполнителей типа пеностекла для легких бетонов позволила бы возродить крупнопанельное домостроение и строить недорогое социальное жилье.

В настоящее время в отвалах и хвостохранилищах горных предприятий накоплены огромные количества тонкодисперсных минеральных порошков, из которых только 1-2% находят применение в народном хозяйстве. По данным В.Г.Бокова и В.Н.Лазарева, в России ещё к 2000 г. накопилось примерно 25 млрд. тонн отвальных хвостов.

В строительной промышленности Российской Федерации выпускается около 150 млн. м3 щебня в год. При его производстве образуется примерно 50 млн. м3 горной массы в виде отходов (отсевы менее 5мм.). которые складируются на промышленных площадках дробильно-сортировочных заводов, занимая огромные площади.

  В целом в России производством нерудных строительных материалов занимаются более 3000 предприятий, которые за годы своего существования накопили десятки миллионов кубометров отходов, занимающих значительные площади плодородных земель, которые невозможно порой рекультивировать. Объемы отсевов дробления на предприятиях нерудных строительных материалов (НСМ) постоянно растут. Причин этому росту несколько. Основная из них – высокое содержание пылевидной фракции в количестве  12-20%, вследствие чего они не могут применяться в производстве бетонных смесей.

Одновременно с этим для производства строительных материалов вовлекаются в переработку новые природные месторождения песка и глины. При переработке горных пород на щебень на дробильно-сортировочных заводах порядка 25-33% горной массы уходит в отсевы от дробления. 

Таким образом, вовлечение в производство строительных материалов отходов горной промышленности с одновременным сокращением использования природных песков и глин является современной и весьма актуальной задачей.

С 2000 г. по СНиП 23-02-02 значительно повышены нормативные требования к теплозащите строящихся зданий. Негативным следствием этого решения явилось резкое  сокращение объемов крупнопанельного домостроения, поскольку однослойные стеновые панели на керамзите обычно не удовлетворяют новым требованиям из-за своей повышенной теплопроводности, вызванной пониженным качеством керамзита. Производство трехслойных стеновых панелей с пенопластовым утеплителем не спасает положение, поскольку органические теплоизоляционные материалы являются недостаточно долговечными. В этой ситуации возникла настоятельная необходимость разработать технологические решения для производства таких заполнителей легких бетонов, которые имели бы низкую теплопроводность и поэтому могли бы быть использованы для изготовления однослойных стеновых панелей, удовлетворяющих требованиям СНиП 23-02-02. Такие заполнители должны иметь насыпную плотность не более 250-350 кг/м3,  обладать высокой закрытой пористостью и необходимой прочностью. Однако для изготовления такого заполнителя не пригодны обычные керамзитовые глины, за исключением немногих месторождений с высококачественным глинами.

Для решения указанной проблемы и утилизации щебеночных отсевов мы разрабатываем технологию производства нового вида легких заполнителей бетонов типа гранулированного пеностекла, сырьем для которых служат  отсевы дробления дробильно-сортировочных заводов, разрабатывающих магматические горные породы. Эта технология позволит расширить сырьевую базу производства эффективных пористых легких заполнителей бетонов, а также обеспечит утилизацию отходов переработки магматических пород.

Необходимо напомнить, что правительство России приняло 12.06.2003 г. постановление N 344 о плате за загрязнение окружающей среды. Поэтому утилизация отходов переработки горных пород становится совершенно необходимой для горнодобывающих предприятий, иначе плата за хранение может сделать нерентабельной их деятельность.

В противоположность осадочным породам типа глин и суглинков, в образовании которых велика роль случайных геологических процессов, формирование магматических пород подчинено строгим физико-химическим закономерностям. Они образуются за счет частичного плавления материала глубин Земли, представляя собой эвтектические выплавки, температура выплавления которых является минимальной. Именно поэтому   магматические породы являются более предпочтительным сырьем для производства легких заполнителей бетонов, чем запесоченные глины и суглинки, так как эти магматические породы плавятся при более низких температурах, чем такие глины.

Вторым важным преимуществом   магматических пород для производства легких заполнителей бетонов по сравнению с глинистым сырьем, является их большая однородность. Так, например, многие крупные массивы гранитов более однородны, чем переслаивающиеся слои глин и суглинков, которые иногда значительно различаются по составу даже в пределах одного карьера на месторождении.

Теоретические и экспериментальные данные показывают, что для изготовления легкого заполнителя типа пеностекла из магматических пород пригодны те породы, расплавы которых имеют вязкость 103-105 Па·с при температуре  ликвидуса, так как такая вязкость обеспечивает получение из расплавленной породы устойчивой алюмосиликатной пены с радиусом пузырьков не более 1 мм. Именно такая пена при остывании превращается в материал типа пеностекла с высокой механической прочностью и минимальной объемной массой. Этому требованию удовлетворяют граниты, а также диориты, сиениты, альбитофиры, риолиты, дациты, андезиты и трахиты.

Для производства легких заполнителей   отходы дробления магматических пород   смешиваются с газообразователем, и из полученной шихты формуются гранулы, которые обжигаются при температуре 1150-1200 °С. При этом газообразователь разлагается с выделением газа, который вспенивает материал шихты, перешедший в пиропластическое состояние за счет  частичного плавления. Повышенная вязкость расплава шихты в интервале 103-105 Па·с обеспечивает получение из него устойчивой пены с мелкими пузырьками, не сообщающимися между собой. После затвердевания этой пены в процессе ее охлаждения образуется материал типа пеностекла с высокой механической прочностью, низким водопоглощением (2-5%) и высокой морозостойкостью (50-100 циклов).

Гранулированный пеностекольный заполнитель имеет насыпную плотность 200-350 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре 1-1,5 МПа, поэтому он может быть использован как эффективный пористый заполнитель легких бетонов. Бетонные изделия на пеностекольном  заполнителе имеют прочность при сжатии 2-5МПа, плотность 600- 800 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,2 - 0,3 Вт/(мК), поэтому они будут удовлетворять современным требованиям  повышения теплозащиты стеновых материалов.

Производство однослойных стеновых панелей из легкого бетона на таком заполнителе, удовлетворяющих этим требованиям, позволило бы возродить крупнопанельное домостроение и строить недорогое социальное жилье.

Нет сомнений в том, что именно недорогое жильё будет значительно более востребованным в ближайшие кризисные годы по сравнению с элитными кирпичными домами, квартиры в которых часто не находили себе покупателей уже в благополучном 2008г. На прошедшем в г. Омске в августе прошлого года расширенном совете глав сибирских регионов и полномочного представителя Президента, губернатор Омской области господин Полежаев, возглавляющий Координационный совет по архитектуре и строительству Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение», говорил, что в Омске не продано 6000 таких квартир из-за высокой цены на них (газета «Известия», 08.08.2008, №145, стр.11).По-видимому, никого не надо убеждать в том, что себестоимость крупнопанельного домостроения значительно ниже, чем строительство домов из кирпича. Эту очевидную истину хорошо сформулировал аналитик рынка недвижимости из агентства «Сибакадемстрой Недвижимость» господин Голованов «Панельное домостроение можно назвать идеальным воплощением недорогого и быстровозводимого жилья» (газета «Континент Сибирь», 2008, № 26, стр. 16).

Еще одним перспективным направлением использования этого заполнителя было бы изготовление из него легкобетонных блоков для индивидуального малоэтажного строительства. О необходимости такого строительства в пригородных зонах больших городов, в рабочих поселках и в сельских поселениях говорил  В.В.Путин еще в 2007 г.

В заключение необходимо подчеркнуть, что использование нашего строительного материала для теплоизоляции кирпичных домов значительно улучшило бы качество этого элитного жилья. Пеностекольный  заполнитель можно применять здесь в виде засыпок, заменяя им пенопласт или теплоизоляцию из минеральной ваты, теплопроводность которой повышается при  увлажнении. Возможно также использование его вместо керамзита при монолитном малоэтажном домостроении.

Работа проводится при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям.