В статье обозначены экологические проблемы производства, применения и утилизации кирпича. Названы негативные последствия применения отходов как компонентов сырья. Показана экологическая привлекательность новых комбинированных технологий подготовки пресс-порошка. Они позволяют изготавливать безобжиговый и керамический кирпич и другие строительные материалы с ячеистозаполненной структурой. Такие технология и структура обеспечивают повышение качества изделий, утилизацию дисперсных отходов, использование распространенного рядового сырья, применение энергии солнца и ветра, механизацию процессов.
УДК 666.3/7
В.Б. УСТЬЯНОВ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина
Ключевые слова: экология, кирпич, глина, отходы, утилизация, пресс-порошок, капсулированные гранулы, ячеистозаполненная структура, комбинированная технология, энергия солнца и ветра
Keywords: ecology, brick, clay, waste products, utilization, press powder, encapsulated granules, cellular filled structure, combined technology, solar energy, wind energy
Экологические проблемы существуют при производстве, применении и утилизации изделий. Долговечность кирпича, возможность его повторного использования при разборке зданий, превращение в рядовой строительный мусор при разрушении сооружений, употребимость кирпичного боя для производства минеральной ваты, отсыпки дорог, добавок-отощителей в строительной керамике – все это позволяет считать материал экологически безопасным и легко утилизируемым. Он не выделяет вредных веществ, не засоряет почву, не вредит растениям. Кирпичный щебень даже применяется в растениеводстве как разрыхлитель и дренаж, как субстрат в гидропонике, при засыпке парковых дорожек, строительстве теннисных кортов, как тепло- и звукоизоляция в межэтажных перекрытиях.
Требования к сырью невысокие, поэтому диапазон применяемых глин очень широк. Обычно используют неглубоко залегающее сырье. При добыче разрушается поверхностный почвенный слой. Рекультивацию карьеров должны проводить потребители сырья, что, как правило, не выполняется. Заброшенные карьеры иногда превращаются в озера, но чаще служат свалками, пустырями, выделяются населению под садово-огородные участки.
Старинный метод производства кирпича был наиболее чистым – ручная формовка, естественная сушка, обжиг дровами. Использование угля для сушки сырья и полуфабриката, обжига продукции начало наносить ущерб среде за счет загрязнения атмосферы газами, пылью. Угольный шлак применяли для благоустройства территории завода и отсыпки грунтовых дорог.
Современное производство кирпича не сопровождается образованием сточных вод. Нет необходимости в площадях для отвалов и шламоотстойников. По сравнению с металлургическими и химическими заводами доля вредных выбросов в атмосферу не превышает 1%. К отходам, сопутствующим кирпичному производству, можно отнести брак сушки и бытовой мусор, а также вещества, присущие любым заводам (отработанные масла, обтирочные материалы, резина, лом металлов, пластмасс, древесины). Неблагоприятным фактором являются производственные шумы. Есть сведения, что мощные вентиляторы кирпичного хозяйства могут создавать нежелательный инфразвуковой фон.
В отношении применения кирпича как строительного материала экологических проблем не существует. Радиоактивность его невысокая – даже ниже, чем у исходного сырья. Популярность древнейшего искусственного строительного материала объясняется благоприятным сочетанием свойств – распространенностью сырья, простотой изготовления, дешевизной, архитектурной выразительностью, универсальностью эксплуатационных свойств. По обеспечиваемому комфорту он уступает только дереву. Зато не горит, не гниет, не повреждается насекомыми и грызунами, устойчив к появлению микрофлоры. Проигрывая древесине в теплозащитных свойствах, кирпич способен вследствие массивности и характера пор поддерживать стабильность параметров воздуха при температурных и влажностных перепадах днем и ночью, при проветривании.
Считается, что высокая материалоемкость кирпича позволяет утилизировать широкий спектр дисперсных промышленных и бытовых отходов. Это происходит вследствие способности глин связывать во влажном состоянии от 10 до 80% (зависит от пластичности) добавок с сохранением формовочных свойств смеси.
Если оценить огромный массив статей, изобретений, диссертаций за последние 50 лет, посвященных использованию отходов в кирпиче, создается обманчивое впечатление технической и экономической целесообразности их применения. Активная исследовательская работа в этом направлении отчасти обусловливалась «диссертабельностью». Привлекала незатейливость эксперимента и непреходящая актуальность проблемы.
В то же время производство не воспринимало новации. Причин много. Пока еще есть, куда отходы валить – гром не грянул. Заводы строились крайне экономно и не предусматривали утилизацию отходов. Ведь для этого требовалось дополнительные площади, оборудование по подготовке, дозированию, смешиванию. Возникали проблемы добычи, доставки, хранения компонентов. Изменялись, ухудшались процессы формования, сушки, обжига. Обещаемое повышение качества, демонстрируемое в лаборатории, не всегда подтверждалось на производстве. Да и не качество, а план был приоритетом.
Конечно, можно было изготавливать кирпич удовлетворительного качества из некоторых материалов: гидрозола, шламы, илы, хвосты, углеотходы… Но везти куда-то сырье либо перевозить кирпич из отходов – невыгодно. А в местах их накопления инфраструктура уже существует. Острой потребности в кирпиче там нет. Желающих селиться вблизи отвалов, терриконов, шламоотстойников не найдется.
Нередко научные работники выпячивали достоинства новаций, замалчивая недостатки:
— добавление дисперсных твердых компонентов (отощителей) всегда снижало прочность черепка. Правда, при этом качество изделий могло повышаться за счет улучшения формовочных, сушильных и обжиговых свойств;
— топливные компоненты, выгорая, всегда разрыхляли черепок, часто ухудшали внешний вид. Но качество кирпича могло повыситься вследствие изменения химических процессов, улучшения обжига, рационализации поровой структуры;
— обжиг всегда сопровождался испарением, термодеструкцией, возгонкой, неполным сгоранием компонентов сырья и топлива, выделением в атмосферу ядовитых веществ. Особенно это характерно для углеотходов. Например, содержание серы в хвостах флотации доходит до 4%. Часть ее попадает в атмосферу в виде окислов, вредит оборудованию и всему живому, часть остается и дает высолы на поверхности изделий. Восстановительный обжиг может приводить к образованию сульфидов, которые при эксплуатации кирпича способны выделять сероводород. Летят не только окислы углерода и серы, но и ртуть, свинец, германий, кадмий, цинк, селен, которые тоже воздух «не озонируют»;
— предлагаемое некоторыми авторами выжигание избыточного топлива в углеотходах на стадии подготовки сырья или в процессе обжига кирпича нецелесообразно. Зачем зря терять топливо, усложнять режим, греть и отравлять атмосферу?
— использование гидрозолы и шлаков настораживает по причине повышенного содержания радионуклидов, проблем с дожиганием остаточного топлива, пятнистостью изделий;
— твердые абразивные компоненты (шлаки, хвосты) сильно изнашивают оборудование;
— легкоплавкие вещества дают выплавки на поверхности изделий;
— растворы солей образуют высолы;
— фтористые соединения – эффективные плавни и минерализаторы – попадают при обжиге в атмосферу;
— известняки, соли кальция обесцвечивают и разрыхляют черепок, сужают интервал спекания;
— соединения железа окрашивают изделия, оплавляют и вспучивают черепок.
Таким образом, пропагандируемая наукой возможность утилизации отходов в кирпич наряду с положительными эффектами нередко имеет явные и сокровенные негативные стороны.
За последние десятилетия у строителей начали пользоваться спросом пористо-пустотелые крупноразмерные изделия, качественная лицевая и дорожная керамика. Производители также заинтересованы в такой продукции – меньше затраты сырья и топлива, быстрее и экономичнее процессы формования, сушки и обжига. Дороже продукт.
А такие изделия можно получить только пластическим формованием. Причем из качественного сырья. Отходы к нему не относятся. Неудивительно, что заводы, построенные за последние десятилетия, ориентировались на пластическое формование лицевого и клинкерного кирпича и пустотелых камней, привязывались к месторождениям хороших глин, учитывали возможность доставки дорогих компонентов и вывоза продукции. Проблема утилизации бытовых и промышленных отходов была им чужда.
Для их использования в кирпиче оставался один путь – применить в полусухом прессовании. Эта технология обречена ориентироваться на массивные изделия. Получение эффективной керамики таким способом – пока еще дальняя перспектива.
Традиционная сушильно-помольная технология не позволяла вводить в глину другие компоненты. Качество изделий, и так невысокое, ухудшалось. Происходило это вследствие разобщения частиц глины непластичными добавками. Да и сама технология сопровождалась сепарацией глинистого сырья с переводом в мелкие фракции непрочных, неклейких, рыхлых, неспекающихся компонентов [1]. Вместо того чтобы объединять более крупные фракции порошка в монолит, они разобщали, приводили к образованию перепрессовочных трещин, зернистости структуры. Такие проблемы возникли и при использовании углеотходов. Мягкие, гидрофобные углистые дисперсии в аргиллитах и алевролитах переходили при дроблении в мелкие фракции и, образуя после прессования матрицу изделия, разобщали и разрыхляли черепок, давали перепрессовку.
Специалисты ВНИИСтром и их последователи предложили технологии, обеспечивающие улучшение качества изделий, возможность более широкого применения отходов, устранения нежелательных, крупнозернистых включений в сырье. Суть их заключалась в тонком измельчении высушенного сырья с последующим доувлажнением и окомкованием в стержневом смесителе. К сожалению, при этом возможность пыления усугублялась по сравнению с традиционной, тоже пыльной технологией. Кроме того, увеличивались затраты энергии и тепла. Понятно, что тонкий помол более энергоемок, а двойная сушка сырья (карьерная влажность и влажность сырца) нуждалась в дополнительном тепле.
В 1970-80-е годы была разработана технология, ориентированная на использование низкокачественного сырья и отходов в полусухом прессовании [1-3]. Она позволяла в разы улучшить свойства кирпича, изготавливать спеченную керамику из неспекающегося сырья, производить легковесные и плотные огнеупоры лучшего качества, получать безобжиговый кирпич, тепло- и звукоизоляционные материалы, создавать оригинальные декоративные эффекты.
Изделия приобретали новую структуру, названную авторами ячеистозаполненной. Технология сочетала элементы пластической и полусухой и была названа комбинированной. Суть ее заключалась в «упаковке» материала в «мешочки» и последующем компактировании полуфабриката в изделие (складывание «мешочков» в контейнер).
Пластическим или окаточным методом формировались гранулы из низкокачественного сырья, покрывались оболочкой из качественной связки (капсулировались) и прессовались в изделие. При этом гранулы (зерна) пластически деформировались, клейкие оболочки сливались в ячеистую структуру (матрицу), полости которой были заполнены материалом ядер.
Если сырьевые гранулы (зерна) были влажными – их капсулировали в сухую порошкообразную связку (глина, цемент, известь, гипс). Осуществляли это окатыванием или смешиванием. Сухие зерна увлажняли с поверхности глиняным шликером, раствором жидкого стекла или извести. Отверждение полуфабриката вели сушкой, обжигом, карбонизацией, гидратацией (в зависимости от вида связки).
При этом спектр капсулированных материалов очень широк, поскольку свойства изделий зависят преимущественно от свойств капсулы (мешочка).
Для улучшения свойств керамики из неспекающихся дисперсных отходов (шлам обогатительных производств, зола ТЭС) некоторые авторы вводили в состав ядер и оболочек спекающие добавки – молотый стеклобой [4-5]. Это нецелесообразно, поскольку возникают проблемы доставки, помола и дозирования добавки. Да и стеклянная пыль, образующаяся при помоле, гораздо вреднее глиняной. Вполне можно обойтись глиной. Она не является дорогим или дефицитным материалом и в сочетании с примененными отходами может служить не только связкой, но и флюсом. Кроме того, коллеги предлагали высушивать влажные отходы перед использованием, то есть превращать их в пыль – с сопутствующими проблемами.
Напомним, что главное достоинство глиняного кирпича в том, что он является местным стройматериалом. Для его производства нужны глина, вода и умелые руки. А если присутствует еще и топливо, пусть даже низкокачественное (торф, костра, солома, отходы древесины), изготавливать можно и керамический кирпич – что и показала тысячелетняя история. При этом утилизируются все виды местного топлива, сейчас бездарно сжигаемые или неиспользуемые.
Добавление измельченного топлива в состав гранул позволяет получать пористые теплоизоляционные изделия, спрос на которые возрастает.
Проблемы с углем, нефтью, газом стимулируют производство теплых материалов, побуждают использовать альтернативные источники энергии.
Солнце и ветер издавна применяли в кирпичном производстве. Однако при сарайной сушке сырца их использовали крайне незначительно. Сырец оберегали от прямых лучей, сквозняков. Поэтому сушка длилась 1-3 недели.
Комбинированная технология позволяет сушить гранулы прямыми солнечными лучами под пленочными укрытиями. Продолжительность – полчаса-час. Напомним, что даровая энергия солнца для наших широт составляет 1 кВт∙ч/кв.м в среднем за год, и до 8 кВт∙ч/кв.м в летний день. За теплый период можно наформовать и высушить годовой запас полуфабриката, как делалось ранее на сезонных заводах. При этом в отличие от сарайной сушки кирпича-сырца операции с гранулами легко механизируются. Может быть использовано оборудование, широко применяемое в строительстве и сельском хозяйстве.
Поскольку формовочная влажность капсулированного пресс-порошка вдвое ниже, чем у традиционных порошков (ведь влага присутствует только в клейких оболочках зерен), экономится топливо на досушке сырца в печи. Благодаря повышенной плотности полуфабриката спекание идет интенсивнее. Это позволяет снизить температуру обжига на 50-80°С и уменьшить затраты топлива.
При использовании в качестве связки глиняного шликера или гипса кирпич может быть сразу после прессования применен для возведения стен, не подверженных воздействию влаги. Прочность его в 2-3 раза выше прочности самана.
Таким образом, новые технологии позволяют утилизировать промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы, применять повсеместно распространенные некачественные глины, полнее использовать энергию солнца и ветра, производить широкий спектр местных строительных материалов.
Библиографический список
1. Устьянов В.Б., Иващенко В.В. Новые технологии производства керамических и безобжиговых строительных материалов // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века, № 10 (189), 2014, с. 48-52.
2. Устьянов В.Б., Иващенко В.В. Ячеистозаполненная керамика // Стекло и керамика, № 1, 1985, с. 29-30.
3. Устьянов В.Б., Иващенко В.В. Комбинированная технология подготовки пресс-порошка // Стекло и керамика, № 2, 1988, с. 30-31.
4. Столбоушкин А.Ю. Теоретические основы формирования керамических матричных композитов на основе техногенного и природного сырья // Строительные материалы, № 2, 2011, с. 9-13.
5. Федоркин С.И., Макарова Е.С., Братковский Р.В. Утилизация дисперсных отходов производств в строительные материалы матричной структуры // Строительство и техногенная безопасность, выпуск 32, с. 70-74.
