Разработка эффективных строительных материалов с использованием местной минерально-сырьевой базы регионов является одним из основных направлений инновационного развития Российской Федерации.
Известно, что территория Якутии богата минеральным сырьем для производства строительных материалов, что в настоящее время в полной мере не используется [1, 2]. С наступлением рыночных отношений в республике были закрыты многие энергоемкие производства эффективных строительных материалов, использующие природное минеральное сырье: кирпичные и керамзитовые заводы. Поэтому строительство полностью перешло на использование тяжелого бетона и привозных теплоизоляционных материалов и комплектующих, что сильно повлияло на повышение себестоимости строительства в целом. Возрождение традиционных технологий и производств на основе новых инновационных подходов, позволяющих производить высококачественные стеновые и теплоизоляционные материалы из доступного минерального сырья и техногенных отходов, могло бы стать бы основой для строительства в первую очередь энергоэффективного доступного жилья.
В настоящей статье обобщены результаты исследований, выполненных в последние годы коллективом кафедры строительных материалов СВФУ, по изучению возможности рационального использования минерального сырья Республики Саха (Якутия) – известняков, гипсового камня, глинистого сырья, кварцполевошпатового песка, цеолитсодержащих пород при совершенствовании традиционных технологий производства строительных материалов.
Известняки и суглинки
Для производства основной номенклатуры строительных материалов невозможно обойтись без минеральных вяжущих веществ – цемента, гипса и извести. Основными традиционными видами природного сырья для производства цемента являются известняк, гипсовый камень и глина.
АО ПО «Якутцемент» – флагман строительной индустрии республики является единственным производителем основного вяжущего вещества – портландцемента для изготовления бетонных изделий и конструкций. В производстве местного портландцемента используются известняки и суглинки Сасаабытского месторождения, расположенного на территории Хангаласского района недалеко от поселка Мохсоголлох.
Балансовые запасы суглинков, учтенные Государственным балансом РФ, составляют 10942 тыс. т, известняков – 71320 тыс. т. У действующего завода «Якутцемент» имеются все возможности для выпуска строительной извести. Ранее проведенными исследованиями было установлено, что испытанная известь удовлетворяет требованиям ГОСТ 9179 «Известь строительная» [2]. Следует подчеркнуть, что производство строительной извести позволило бы организовать малоэнергоемкие производства силикатного кирпича и эффективных стеновых изделий из газо-, пеносиликата, а также сухих строительных смесей для кладки и оштукатуривания стен, бетонных растворов для заполнения скважин свайных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов.
Одним из существенных недостатков портландцемента является потеря его активности при длительном хранении. Потеря активности цемента происходит в процессе его длительной доставки в отдаленные районы посредством водного и автомобильного транспорта, а чаще всего из-за значительной продолжительности зимнего периода до начала строительного сезона (9 и более месяцев). В таких условиях высококачественный композиционный портландцемент целесообразно получать совместным помолом заранее доставленного клинкера, срок хранения которого практически не ограничен, с активными минеральными добавками до 40 % по массе вяжущего из местного сырья. Производство композиционного цемента на месте строительства позволит значительно снизить себестоимость строительства за счет значительного сокращения энергоемкости производства и транспортных расходов [3–5].
Исследования, проведенные специалистами СВФУ [6], показали соответствие прочностных характеристик образцов на основе композиционного портландцемента (клинкер + активная минеральная добавка + гипсовый камень) прочностным показателям контрольных образцов, изготовленных на портландцементе марки ЦЕМ I 42,5Б АО ПО «Якутцемент» (таблица).
Горелые породы
Исследована возможность использования горелых пород в создании сульфатостойких бетонов [6, 7, с. 268]. Карьер горелых пород Кильдямского месторождения расположен в 30...32 км к северо-западу от города Якутска. Его запасы по категории А2 составляют 87,7 тысячи м3, по категории С1 – 2,3 тысячи м3 [2].
Химико-минералогический состав горелых пород Кильдямского месторождения содержит, % мас.: SiO2 – 81,00; Al2O3 – 9,61; K2O – 3,37; Fe2O3 – 3,26; Na2O – 1,27; CaO – 0,54.
Для приготовления сульфатостойкого цемента портландцементный клинкер, сульфат кальция (природный или промышленный гипс) и добавку алюмосиликатной горелой породы совместно измельчали до удельной поверхности 280–320 м2/кг [8, с. 276]. Полученные образцы цементного камня подвергали к длительному воздействию сульфатов. Полученные экспериментальные зависимости показали, что предел прочности при сжатии образцов в стандартном возрасте при содержании добавки в количестве 15 % имеет максимальную прочность 29 МПа, в возрасте 56 суток прочность возрастает до 35 МПа.
Прочностные характеристики образцов из композиционного портландцемента на основе клинкера и активных минеральных добавок, МПа
|
Состав тонкомолотого вяжущего |
Количество добавки, % от массы вяжущего |
||
|
5 |
7 |
10 |
|
|
28 суток естественного твердения |
|||
|
Клинкер + кварцполевошпатовый песок + гипсовый камень |
48,89 |
50,09 |
52,38 |
|
Клинкер + цеолитсодержащая порода + гипсовый камень |
46,47 |
47,76 |
47,18 |
|
Тепло-влажностная обработка |
|||
|
Клинкер + кварцполевошпатовый песок + гипсовый камень |
47,19 |
49,09 |
50,76 |
|
Клинкер + цеолитсодержащая порода + гипсовый камень |
45,48 |
46,29 |
46,09 |
Таким образом, разработанная добавка улучшает свойства бетонов при экономии портландцемента в бетоне не менее 15 % мас., а также вовлекается неиспользуемое минеральное сырье – горелые породы.
Целесообразность производства специальных видов цементов на месте применения подчеркивает тот факт, что АК «АЛРОСА» в г. Мирный в собственном помольном цехе производит сульфатостойкий цемент для закладочных растворов на основе привозного портландцементного клинкера Якутцемента, цеолитсодержащей породы Сунтарского месторождения и местного минерального сырья. Научная основа получения сульфатостойкого портландцемента разработана в ведущих институтах республики – ЯкутНИИПроалмаз [5] и ЯкутПНИИС [9].
Гипсовый камень
Минерально-сырьевая база для производства гипса представлена двумя месторождениями в Олекминском улусе с запасами по категориям А + В + С1 в размере 11 251 тыс. т. В промышленном освоении находится месторождение «Олёкминское» с балансовыми запасами гипса 9009 тыс. т. Ежегодная добыча составляет около 20 тыс. т. [1]. Олекминский гипсовый завод в настоящее время не работает. Гипсовый камень добывается в малых объемах для применения в сельском хозяйстве и производстве портландцемента с доставкой водным транспортом до пос. Мохсоголлох. Поэтому предприятие «Якутцемент» имеет все возможности для освоения производства композиционного гипсового вяжущего (КГВ).
В отличие от обычных гипсовых материалов на основе КГВ появляется возможность изготовления эффективных стеновых изделий и панелей повышенной водо- и морозостойкости для малоэтажного строительства в условиях сурового климата Севера.
На кафедре строительных материалов СВФУ разработаны два вида КГВ: гипсоцементно-цеолитовое (ГЦЦВ) и гипсоизвестково-цеолитовое (ГИЦВ) вяжущее повышенной водостойкости (таблица), что может быть научной основой для расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» [10, 11].
На основе разработанных составов КГВ возможно изготовление конструкционно-теплоизоляционного арболита плотностью 700–800 кг/м3 и прочностью на сжатие 2,5–3,5 МПа [8, с. 175]. В производстве легких бетонов на основе КГВ для сельского строительства могут быть привлечены дополнительные природные сырьевые ресурсы, как солома и мох, так и отходы переработки древесины – щепа, кора и опилки. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования стеновых изделий на основе композиционных гипсовых вяжущих в малоэтажном строительстве.
Глинистое сырье
В советское время было подготовлено к промышленному освоению 27 месторождений кирпичного сырья, суммарные балансы которых по категориям А + В + С1 составляют 49648 тыс. м3, 19 месторождений керамзитового сырья с суммарными запасами по категориям А + В + С1 в количестве 30289 тыс. м3, одно (Кангаласское) месторождение тугоплавких глин с запасами по категориям А + В 81 тыс. м3 [1]. Однако производства кирпича и керамзита давно закрылись, хотя потребность в таких эффективных материалах существует и растет с каждым днем в связи с постоянным повышением объемов жилищного строительства.
СВФУ принял на себя ответственность инициатора и координатора проекта создания кирпичного завода при поддержке Президента и Правительства РС(Я).
На сегодня университет выполняет научно-техническое сопровождение предпроектной подготовки документов, получены предварительные результаты по оптимизации составов, структуры и свойств керамического кирпича с повышенными строительно-эксплуатационными характеристиками на основе глинистого сырья Санниковского месторождения с применением тонкомолотого цеолита и пластифицирующих добавок [8, с. 211]. Результаты НИР должны обеспечивать показатели, отвечающие требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камни керамические. Технические условия», вступившего в силу с 01.03.2008 в РФ и приближенного к европейским стандартам. В новых требованиях исключены марки кирпича по прочности М75 и морозостойкости F15, для лицевого кирпича нижним пределом является марка M150.
В сельской местности небольшие объемы глинистого сырья могут быть привлечены для производства грунтобетона и стеновых изделий на его основе для индивидуального малоэтажного строительства.
Кварцполевошпатовые (речные) пески
Насчитывается 24 месторождения речных песков строительного назначения с неограниченными запасами, из них 9 месторождений в распределенном фонде недр. Предварительно оценены ресурсы на более чем 40 месторождениях суммарной мощностью более 200 млн куб. м.
Кроме традиционного применения песков в качестве мелкого заполнителя бетонов, как показывают исследования специалистов СВФУ [7, 8], их целесообразно использовать в производстве механоактивированных сухих смесей для изготовления широкой номенклатуры бетонных изделий и конструкций, в том числе ячеистых бетонов.
СВФУ имеет достаточный научный и практический опыт производства автоклавного пенобетона из кварцполевошпатового доступного речного песка. Инновационно-технологический центр запустил пилотное производство автоклавного пенобетона. На его основе построены два девятиэтажных жилых здания высокой энергоэффективности, ряд индивидуальных домов в Якутске, пос. Нижний Бестях, с. Олекминск и др.
На сегодняшний день СВФУ продвигает проект по автоклавному пенобетону с размещением производства в пос. Нижний Бестях, в последующем в гг. Ленск и Вилюйск. Проект направлен на создание в заречной группе районов опорной точки по производству эффективных стеновых строительных материалов для обеспечения строительства объектов социальной инфраструктуры и индивидуального жилья.
Общий объем инвестиций проекта составляет 112 млн рублей при годовом объеме выпуска изделий 20 тыс. м3 и окупаемости производства в 4,3 года.
Цеолитсодержащая порода
В настоящее время СВФУ совместно ООО «Сунтарцеолит» и ООО «Модис» (г. Рыбинск) продвигается инновационный проект организации производства гранулированного пеностекла – пеноцеолита из цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения [8]. Выбор цеолита обусловлен доступностью и огромным запасом природного сырья, низкой энергоемкостью его переработки из-за «мягкости» исходной горной породы. На сегодня разведаны и утверждены запасы в 11465 тысяч тонн [1].
Физико-механические характеристики пеноцеолита соответствуют требованиям ТУ 5914-001-15068529-2006 «Универсальный пористый материал термоизоляционный УПМ «Термоизол»: насыпная плотность составляет 150–350 кг/м3 в зависимости от фракции 0,5–10 мм, коэффициент теплопроводности – 0,06–0,10 Вт/(м•К). На основе пеноцеолита изготовлены и испытаны образцы легких бетонов со следующими характеристиками: при средней плотности 400 кг/м3 класс бетона составляет В1,5, 500 кг/м3 – В2,5 и 600 кг/м3 – В3,5 [8, с. 157].
Общая сумма необходимого финансирования проекта составляет 65 800 тыс. рублей. Финансовые средства будут направлены на оплату капитальных вложений в сумме 59 650 тыс. рублей и формирование первоначальных оборотных средств в размере 6 150 тыс. рублей.
Заключение
Для рационального использования природного минерального сырья в производстве строительных материалов Якутии целесообразно развивать и использовать как традиционные, так и инновационные строительные технологии, в том числе следует отметить:
– возможность расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» освоением специальных видов цемента (сульфатостойкого, расширяющегося и др.), а также сопутствующего производства извести, гипса и композиционных гипсовых вяжущих;
– целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод на основе глинистого сырья Санниковского месторождения, производство автоклавного пенобетона с использованием кварцполевошпатового речного песка, выпуск гранулированного пеностекла – пеноцеолита на основе цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения) с учетом наличия и пригодности минерального сырья;
– технико-экономическую эффективность создания быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих веществ и местных заполнителей для малоэтажного строительства в сельской местности.