Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ ЯКУТИИ В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Местников А.Е. 1 Семенов С.С. 1 Васильева Д.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
В настоящей статье рассматриваются пути рационального использования природного минерального сырья Якутии в технологии строительных материалов на основе инновационных подходов. Обоснована возможность расширения номенклатуры вяжущих веществ разработкой и освоением технологии производства специальных видов цемента, композиционных гипсовых вяжущих и эффективных строительных материалов на их основе. Отмечена целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод, производство автоклавного пенобетона и гранулированного пеностекла – пеноцеолита). Для труднодоступных районов Севера особую актуальность имеет создание быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих на основе портландцемента, гипса, извести и активных минеральных добавок из кварцполевошпатового песка, горелых и цеолитсодержащих пород.
природное минеральное сырье
композиционные вяжущие вещества
строительные материалы
традиции и инновации
1. Стратегия развития промышленности строительных материалов Республики Саха (Якутия) на период до 2020 года / Минстрой РС(Я). URL: https://minstroy.sakha.gov.ru/ (дата обращения: 21.10.2017).
2. Пояснительная записка к обзорной карте месторождений строительных материалов Якутской АССР масштаба 1:2500000. Т. 1 и 2. – М.: Объединение «Союзгеолфонд», 1988. – 421 с.
3. Бердов Г.И., Ильина Л.В. Активация цементов действием минеральных добавок // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2010. – № 9. – С. 55–58.
4. Бикбау М.Я. Бетоны на наноцементах: свойства и перспективы / М.Я. Бикбау, Д.В. Высоцкий, И.В. Тихомиров // Технологии бетонов. – 2011. – № 11–12. – С. 31–34.
5. Монтянова А.Н. Специфические особенности закладочных работ на руднике «Мир» алмазодобывающей АК «АЛРОСА» / А.Н. Монтянова, Д.С. Кириллов, И.В. Штауб, Е.В. Бильдушкинов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2012. – № 4. – С. 10–14.
6. Рожин В.Н., Местников А.Е. Пенобетоны на быстротвердеющем цементе из местного сырья Якутии // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 2–1. – С. 86–89.
7. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение. Сб. материалов III Всерос. научно-практ. конф. Якутск, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова [Электронный ресурс]. – 2014. – С. 327–331. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22217845 (Дата обращения: 21.10.2017).
8. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережения: сб. статей IV Всерос. научно-практ. конф., посвященной 60-летию Инженерно-технического института СВФУ им. М.К.Аммосова. под ред. доц. А.Е. Саввиной [Электронный ресурс]. – 2016. – С. 432–437. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27590406 (дата обращения: 21.10.2017).
9. Федорова Г.Д., Матвеева О.И., Павлюкова И.Р., Васильев И.Г. Высококачественные бетоны для конструкций мостов и гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в климатических условиях Якутии // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12–16 мая 2014 г.) – Т. 5. – Москва: МГСУ, 2014. – С. 72–85.
10. Куба В.В., Егорова С.Ю., Егорова А.Д. Факторы, влияющие на прочность арболита на основе гипсоцементно-цеолитового вяжущего // Промышленное и гражданское строительство. – 2016. – № 8. – С. 42–45.
11. Богдокумова С.В., Егорова А.Д. Композиционные гипсовые вяжущие с применением горелых пород для пенобетонов // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XXVI междунар. студ. науч.-практ. конф. – 2017. – № 11(25). URL: http://sibac.info/archive/technic/11(25).pdf (дата обращения: 29.10.2017).

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.


Библиографическая ссылка

Местников А.Е., Семенов С.С., Васильева Д.В. РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ ЯКУТИИ В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 12-1. – С. 80-84;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41983 (дата обращения: 17.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074