Создание строительных материалов на основе отходов

УДК 678.073

В.Г. ПОПОВ, канд. техн. наук, профессор, Череповецкий государственный университет, г. Череповец,
А.В. ПОПОВ, ООО «Златовест», г. Москва,
Т.Н. ЖИГУЛИНА, ООО «Научно-экспертный центр «Эврика», г. Череповец,
В.Н. КРОТОВ, ООО «Металл Профиль», Московская область

Ключевые слова: отходы, термопласт, строительные материалы, бетоносмеситель, дозатор, кровля, эмульсия, покрытие, строительство, реконструкция
Keywords: waste, thermoplastics, construction materials, concrete mixer, dispenser, roofing, emulsion, coating, construction, reconstruction

Авторы статьи сделали краткий анализ ситуации с созданием строительных материалов за рубежом и в России на основе переработанных отходов. Разработана технология приготовления стройматериала из отходов термопласта (каменноугольная смола), опилок, глины и воды. Данный материал обладает эластичностью, противостоянием нагрузкам, высокой износо­стойкостью, стойкостью к перепадам температур, экономичностью и длительным сроком службы. Область перспективного применения технологии: устройство и ремонт плоских кровель промышленных зданий и сооружений, а также утепление фундаментов жилого фонда. Технология и установка разработана авторами и внедрена на объектах АО «Арселор Миттал Темиртау». Рекомендации основаны на результатах научных исследований и испытаний.

Стоимость строительства в России с каждым годом растет. Это касается как массового, так и индивидуального строительства. Несомненно, на стоимость квадратного метра жилья влияет множество различных факторов: спрос и предложение, политика городских властей в сфере недвижимости и строительства, доступность кредитов, себестоимость строительства и т.д. Но одна из главных причин удорожания жилья – рост цен на стройматериалы [1].

Одним из методов снижения цены жилья может быть создание строительных материалов из вторичного сырья, поэтому целесообразно сравнить российский и европейский опыт в области переработки отходов и создания из них строительных материалов.

Российский подход к утилизации ТБО (твердые бытовые отходы) сильно отличается от европейского. Как правило, в нашей стране предпочтение отдается складированию и утилизации отходов, нежели их переработке. Подобные способы обращения с ТБО являются наиболее опасными, кроме того, они гораздо менее перспективны и эффективны, чем переработка, которая, во-первых, менее опасна с точки зрения экологии, во-вторых, может приносить прибыль. Европа по своему опыту намного опережает Россию в области переработки отходов: к примеру, в России только 4% ТБО хоть как-то сортируется или перерабатывается, а в странах Европы перерабатывается около 50% отходов [1].

Большие различия наблюдаются и в том, что касается строительных материалов из переработанных отходов, а также архитектуры сооружений, возведенных из этих материалов. Европа в силу своей четко отлаженной системы сбора и сортировки отходов с легкостью может использовать ТБО в качестве сырья для строительного материала. К примеру, большое внимание уделяется отходам полимеров – одному из основных компонентов отходов потребления, который имеет огромное количество разновидностей, в связи с чем основной проблемой таких отходов является их сортировка. AWS Eco Plastics – самый крупный завод по переработке пластиковых бутылок в Европе, расположенный в Великобритании. Завод перерабатывает 100 000 тонн пластика в год, что составляет около 2 млрд пластиковых бутылок и контейнеров. Полученное в процессе переработки сырье отправляется на различные заводы по производству пластиковых изделий.

Помимо полимеров в архитектуре также применяется множество других отходов, среди них – макулатура. К примеру, в Европе командой архитекторов из Швейцарии и Германии был разработан бумажный дом Universal World House, стены которого сделаны из бумаги, пропитанной смолой. В Англии строится первое здание, полностью состоящее из переработанных отходов. Его разработал архитектор Дункан Бейкер-Браун (Duncan Baker-Brown), который придумал использовать в качестве строительных материалов производственный мусор заводов или больших строек.

Помимо существующих технологий по сортировке пластмасс (с применением ручного труда, использованием ультрафиолетовых ламп, распознаванием материалов с помощью сенсоров и рентгена), постоянно разрабатываются новые подходы. Например, благодаря внедрению инфракрасных лучей в процесс переработки материалов стали возможны новые способы распознавания материала. Для разделения пластмасс применяется метод центрифужной сортировки. Современные технологии позволяют выпускать множество различных материалов, например, из отходов древесины выпускают сайдинг, двери, фанеру OSB, из отходов полимеров производят виниловый сайдинг, окна, напольные покрытия, кровельные материалы, полимерные стеновые блоки.

Основными поставщиками сырья для переработки являются промышленные комплексы. Из предприятий Великобритании, занимающихся производством строительных материалов, можно выделить компанию Affreso, которая производит полимерные блоки из переработанного пластика, смешивая его со смолой и разливая в формы подобно бетону. Сравнительно недавно компанией Vertech в Шотландии был построен 90-футовый пешеходный мост из 50 тонн пластиковых отходов, который при необходимости может быть полностью переработан. Мост достаточно прочен, чтобы выдержать даже тяжелые транспортные средства.

Как правило, отходы промышленных предприятий не нуждаются в сортировке и поставляются на перерабатывающие заводы в гораздо большем количестве, чем бытовые. В то же время отношение к отходам потребления в Европе и отлаженная система сбора и сортировки мусора позволяют максимально использовать и ТБО.

В России практика применения отходов сильно отличается от европейской. Основная часть перерабатываемых отходов – это отходы промышленности. У нас традиционно из металлургических шлаков производят различные заполнители (шлаковый щебень, гранулированный шлак, шлаковую пемзу, шлакоминеральные смеси), а также из шлака получают вяжущие материалы, такие как портландцемент и шлакопортландцемент, можно получать шлакощелочной бетон особо высокой прочности. Из шлаковых расплавов производят шлаковую вату. Из макулатуры в основном выпускают кровельные материалы, самый известный из которых – рубероид. Другой материал, производимый из макулатуры, – гипсоволокнистые плиты. Их используют аналогично гипсокартонным. Из древесных отходов делают такие строительные материалы, как арболит, фибролит, опилкобетон, ксилобит, древобетон, древесно-волокнистые плиты. Из отходов стекла получают эмалированную плитку, из порошка стекольного боя – один из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов – пеностекло. Основным направлением использования текстильных отходов является производство различных нетканых материалов, в том числе покрытий для полов. Из отходов полимеров производят материалы для внутренней отделки стен, тепло- и звукоизоляционные материалы, кровельно-гидроизоляционные материалы, сантехническое оборудование, синтетические лакокрасочные материалы.

Существование множества строительных материалов говорит о том, что переработка промышленных отходов в России налажена на большом количестве предприятий, но в то же время сбор, сортировка и переработка ТБО – сегодня острая проблема. В нашей стране, по оценкам Research Techart, к 2010 г. существовало 11 тысяч полигонов и свалок, 4 действующих мусоросжигательных завода, 5 мусороперерабатывающих заводов, 39 мусоросортировочных комплексов. Для сравнения: в Германии уже к концу 2001 г. работал 61 завод по сжиганию отходов. А по данным на 2011 г., Германия переработала 48% ТБО (см. табл.). Второе и третье место – у Бельгии и Швеции (по 36%) [1].

Таблица. Уровень переработки ТБО в странах ЕС, %, 2011 г.

Страны ЕС	Переработка	Сжигание	Компостирование	Захоронение
Германия	48	34	14	4
Бельгия	36	35	24	5
Швеция	36	49	14	1
Швейцария	34	49	17	0
Ирландия	32	39	4	25
Нидерланды	32	39	28	1
Словения	34	1	2	62
Дания	34	48	14	4
Франция	18	34	16	32
Болгария	0	0	0	100
Румыния	1	1	0	98

Вторым направлением является переработка отходов продукции деревообрабатывающей и бумажной промышленности (макулатуры). Декоративный бумажно-слоистый пластик (ДБСП) – это листы, состоящие из слоев полотна на основе целлюлозных волокон (как правило, бумаги), пропитанных термореактивными смолами, соединенные между собой прессованием под высоким давлением [2].

Основные требования, предъявляемые к качеству декоративных пластиков HPL, установлены европейским стандартом EN 438.

В России ГОСТ, определяющий минимальные требования к качеству пластика, отсутствует. Согласно европейскому стандарту EN 438, декоративные бумажно-слоистые пластики HPL (ДБСП) характеризуются высоким качеством, долговечностью и механической прочностью. Декоративная поверхность пластиков может быть выполнена в разных декорах и с различным рисунком, а также иметь различную текстуру/тиснение поверх­ности. Пластики HPL обладают высокой стойкостью к истиранию, царапанию, ударам, образованию пятен, а также к воздействию влаги и повышенных температур; они имеют высокие санитарно-гигиенические показатели и обладают антистатическими свойствами. Производство ДБСП не оказывает негативного воздействия на экологию. Отходы производства ДБСП могут быть переработаны для повторного использования.

Декоративный пластик – широко распространенный отделочный материал, применяющийся как при внутренней, так и при наружной отделке жилых, коммерческих, общественных помещений различного назначения. Основными сферами применения ДБСП являются:

— производство мебели и мебельных комплектующих (столешницы, рабочие поверхности);
— производство межкомнатных дверей;
— производство напольных покрытий;
— вагоностроение и кораблестроение — внутренняя отделка;
— мебель специального назначения: лаборатории, спортивные комплексы;
— экстерьерная отделка зданий.

Термопласты (полиэтилены высокой и низкой плотности, полипропилен, полистирол, ударопрочный полистирол, АБС-пластик, сополимеры стирола марок МС и МСН, полиамиды, поликарбонаты и другие полимерные материалы) способны обратимо переходить при нагревании в высокопластичное, а также в вязкотекучее состояние. Полимеры-термопласты могут иметь линейное или разветвленное строение, быть аморфными либо кристаллическими. Переработка термопластов в изделие не сопровождается необратимой химической реакцией. Термопласты пригодны к повторной обработке (формованию). Строительный материал, одним из компонентов которого является какой-либо из вышеуказанных термопластов, обладает следующими свойствами:

– высокая эластичность;
– противостояние ударным, механическим и химическим нагрузкам и вибрации;
– высокая износостойкость;
– стойкость к перепадам температур;
– экологичность;
– длительный срок эксплуатации;
– плохо поддаются горению.

Каменноугольная смола – продукт коксохимических производств металлургических заводов, получаемый в цехах улавливания коксохимических предприятий. Смеси из каменноугольной смолы или термопластов, включая различные заполнители, получаемые от отходов, целесообразно использовать в качестве строительных материалов, обладающих определенными свойствами и относительно низкой стоимостью. А главное – решить вопрос улучшения экологии большой территории России и особенно территории вокруг населенных пунктов.

Представлена установка для получения строительного материала из воды и отходов: деревянные опилки, глина, каменноугольная смола (продукт коксохимических производств металлургических заводов) – для работы в стационарных или приобъектных условиях [3].

Данная установка (рис. 1) состоит из рамы сварной конструкции. На ней смонтированы бетоносмеситель принудительного перемешивания циклического действия, пульт управления, емкость для воды, мерная емкость для воды с краном, емкость для каменноугольной смолы, мерная емкость для каменноугольной смолы с электроподогревом.

С одной стороны рамы смонтирован скиповый подъемник, а с другой организован подъезд транспорта для доставки готовой продукции на объект.

Для дозировки компонентов глины и опилок предназначены мерные объемные емкости.

При испытаниях установки выявлено, что невозможно перемешивать компоненты термопласта рабочим органом стандартного бетоносмесителя существующей конструкции. При попытке перемешивании компонентов происходит налипание смолы, опилок и частиц глины на поверхность лопастей бетоносмесителя.

Поэтому были разработаны новая конструкция (рис. 2) рабочего органа бетоносмесителя и привод механизма выгрузки готовой продукции.

Были демонтированы системы подвижных лопастей, а вместо них смонтированы трехрядные подвижные и неподвижные, жестко закрепленные между первыми лопастями (в каждом ряду по четыре лопасти), имеющие в своем сечении ромб. Расстояние между подвижными и неподвижными лопастями составляет 40 мм.

Готовая смесь выгружается через затвор, управляемый электромеханическим толкателем усилием 400 кг. Электро­механический толкатель устанавливается вместо пневматического цилиндра и снабжен внутри своего корпуса конечными выключателями.

При работе в холодное время года (осенний, зимний и весенний периоды) вязкость каменноугольной смолы резко снижается, поэтому необходимо производить ее подогрев в мерной емкости для смолы.

Установка для получения строительного материала из отходов обслуживается тремя операторами. Производительность установки составляет 7-12 м³/ч. Состав по­крытия в % по массе: деревянные опилки – 15-25, глина – 25-40, каменноугольная смола – 20-35 и вода – 15-20. Строительный материал из отходов представляет собой эмульсию и служит для изготовления покрытия кровли промышленных зданий и сооружений, для устройства утепления фундаментов домов и коттеджей. Частицы опилок обволакиваются смолой, затем слоем глины, которые находятся во взвешенном состоянии в водном растворе. После укладки эмульсии на бетонную стяжку вода испаряется, остается сплошная масса. Строительный материал из отходов обладает свойствами бетонной стяжки, тепло­изолирующими и гидроизоляционными свойствами, плохо поддается горению. Рекомендуемая толщина эмульсии составляет около 100 мм, а при испарении воды – около 80 мм. Состав покрытия проходил испытания, получены заключения санэпидемстанции и пожарной организации, материал рекомендован для устройства кровли промышленных зданий и сооружений, для устройства утепления фундаментов домов и коттеджей.

Способы устройства кровли.

1-й способ – заливка смеси на подготовленную поверх­ность кровли или фундаментов домов и коттеджей с помощью бетонорастворонасоса. Этот способ рекомендуется использовать в летнее, осеннее и весеннее время года при положительной температуре воздуха.

2-й способ – производство готовых плит размерами 80х500х500 мм в стационарных условиях в зимнее время. Укладка их при плюсовой температуре воздуха с последующей заливкой швов. Установка эксплуатируется в строительном управлении «Спецпромстрой» для устройства кровли на производственных зданиях АО «Арселор Миттал Темиртау». Технология и чертежи на установку для получения строительного материала из отходов переданы для внедрения на объектах ОАО «Северсталь».

При возникновении дефектов покрытия кровли возможен ее ремонт без замены материала с помощью инфракрасного излучателя и ручного катка [4].

Выводы:

1. Подводя итог, необходимо сказать, что Россия даже в высокоразвитой металлургической и горнодобывающей промышленности не всегда максимально использует вторичные ресурсы производств и делает это не совсем эффективно, хотя эти ресурсы находятся непосредственно на предприятиях, их не нужно собирать, сортировать, транспортировать. Огромный потенциал заложен в лесной и деревообрабатывающей промышленности и при производстве строительных материалов. Что же касается ТБО, здесь возникает ряд очень серьезных проблем. В России система сортировки отходов населением практически отсутствует. Не существует государственных программ и законодательных документов, которые смогли бы мотивировать население сортировать мусор. Необходимо изменить отношение к проблеме ТБО, при этом немаловажное значение имеет и просветительская работа с населением, особенно с молодежью. Нет единой инфраструктуры, которая могла бы обеспечить процесс сортировки отходов на первичном этапе. Нуждается в усовершенствовании и наладке система раздельного сбора мусора, являющаяся необходимым условием для процесса переработки. И конечно, следует учитывать опыт, механизмы и технологии зарубежных стран и небольшой отечественный опыт.

2. Следует улучшить подготовку инженеров, владеющих вопросами сбора, сортировки, утилизации и переработки бытовых и промышленных отходов на всей территории России.

3. Установка для получения строительного материала из отходов может работать с любым вышеуказанным термопластом.

4. Срок службы кровли из строительного материала из отходов составляет 20-40 лет. Ремонт кровли возможен без замены материала кровельного покрытия с помощью инфракрасного излучателя и ручного катка.

Библиографический список

1. Ваганов Н.В., Бурцев А.Г. Российский и зарубежный опыт создания строительных материалов на основе переработанных отходов // Архитектон. Известия вузов, №42, приложение, сентябрь 2013. Уральская государственная архитектурно-художественная академия. – Екатеринбург.
2. Европейский стандарт EN 438.
3. Смирнова А.А., Попов В.Г. Установка для приготовления ­термопласта // Инженерно-строительный журнал, №2, 2009, с. 59-60.
4. Попов В.Г., Попов А.В. и др. Способ ремонта рулонных кровель и устройство для его осуществления. Информлисток серии Р. 57.15.49, №75-94, Карагандинский ЦНТИ, 1994.