Эколого-экономические аспекты применения гипса в современном строительстве


А. Ферронская, доктор техн. наук, профессор МГСУ

Накануне XXI века человечество все больше осознает, что современные масштабы и темпы развития различных производств требуют радикальной их реорганизации на основе гармоничной и сбалансированной эколого-экономической деятельности по отношению к окружающей природной среде (ОПрСр).

Не является исключением строительство и одна из его главных отраслей - промышленность строительных материалов (ПСМ), от научного потенциала и технического уровня которой зависит развитие строительного комплекса в целом.

Сложные экологические и новые экономические условия в стране предопределяют и новый подход к созданию, производству и применению строительных материалов различного функционального назначения. При этом особое внимание следует обращать на ресурсосбережение, максимальное использование местного сырья и отходов различных производств, повышение конкурентоспособности строительной продукции, использование эффективных наукоемких технологий и материалов, а также на социальную и эколого-экономическую переориентацию производителей продукции на потребность рынка. Важно также сохранить и умело использовать созданный научно-технический потенциал ПСМ, признанные научные школы .и направления. Одним из путей решения этих непростых задач является широкое применение в строительстве гипсовых материалов. Предпосылкой этому служит высокая эффективность переработки повсеместно распространенного природного гипсового сырья и гипсосодержащих отходов в гипсовые вяжущие; простота производства изделий из них (преимущественно без тепловой обработки), а также высокие показатели их свойств [малые тепло- и звукопроводимость, огнестойкость, высокая декоративность и комфортность, экологическая безопасность). Обобщение и оценка отечественного и зарубежного опыта показывают, что за рубежом в последние годы возросло применение гипсовых материалов на единицу объема строительных работ (например, в Японии и США - в 1,8 и 2,5 раза соответственно). При этом наиболее широкое применение в строительстве имеют гипсокартонные (ГКЛ), гипсоволокнистые (ГВЛ) и гипсостружечные (ГСЛ) листы; мало- и среднеразмерные плиты, блоки; декоративные, отделочные и акустические материалы, а также сухие растворные и бетонные смеси. Они используются внутри зданий различного назначенияс относительной влажностью воздуха не более 60%.

Что касается нашей страны, то гипсовая отрасль, как и вся ПСМ, в настоящее время переживает свои не лучшие времена. Предприятия отрасли, за малым исключением, являются убыточными, производство носит затратный характер, при котором внутренние источники накоплений не позволяют осуществлять обновление устаревшего оборудования, применять имеющиеся и вновь появляющиеся научно-технические разработки, в результате чего гипсовая продукция - невысокого качества. Отсюда и ее невостребованность. Это приводит к повсеместному спаду производства. Заполнившая же в последние годы рынок продукция зарубежных фирм, дорогая и часто сомнительного качества, еще более усугубила положение гипсовых предприятий.

Последние, пытаясь найти выход из создавшегося положения, закупают непригодные для наших условий технологические линии, на которых не всегда удается наладить нормальное производство. Между тем, имеются хорошие отечественные разработки, в том числе и готовые к использованию. К важнейшим из них, получившим отечественное и международное признание, относятся проводимые в МГСУ исследования по разработке водостойких гипсовых вяжущих, не имеющих аналогов за рубежом:

  • гипсоцементно-пуццолановых (ГЦП) - ТУ 21-31-62-89;
  • композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) и водостойких гипсовых вяжущих низкой водопотребности (ВГВНВ)-Т21-53-110-91.

Они особенно эффективны, если их изготовлять не из природного сырья, а из гипсосодержащих и других отходов.

Разработанные вяжущие, в отличие от неводостойких гипсовых вяжущих, обладают универсальностью свойств, проявляющейся в способности к гидравлическому твердению, меньшей склонностью к ползучести и достаточной долговечностью. При изготовлении изделий из этих вяжущих следует руководствоваться "Рекомендациями по проектированию, изготовлению и применению изделий и конструкций из бетонов на гипсоцементно-пуццолановых вяжущих", "Рекомендациями по проектированию ограждающих конструкций из материалов на основе гипсовых и гипсосодержащих вяжущих", "Рекомендациями по изготовлению и применению стеновых камней на композиционном гипсовом вяжущем". Изложенные в них нормативные и расчетные характеристики различных бетонов показывают, что открылись новые возможности применения гипса в современном строительстве, а именно: в наружных конструкциях (камни, блоки, панели) и в зданиях с повышенной влажностью воздуха (перегородки, сантехкабины, вентиляционные блоки и панели), а такжев несущих конструкциях.

Изготовление изделий из бетонов на этих вяжущих не требует тепловой обработки. Это позволяет рекомендовать их для производства железобетонных изделий на заводах ЖБИ, исключив тепловлажностную обработку.

Что касается КГВ и ВГВНВ, то эти вяжущие особенно эффективны в монолитном строительстве, так как позволяют осуществлять бетонирование и при отрицательных температурах без применения специальных мероприятий, используемых при укладке аналогичных бетонов на портландцементе. Следует отметить, что опалубку при применении указанных вяжущих можно снимать примерно через сутки.

В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом уделяется много внимания использованию Гипсосодержащих отходов при производстве различных гипсовых вяжущих, а в нашей стране – и Механохимическая активация компонентов способствует значительному высвобождению энергии частиц клинкера и кремнеземистых добавок, что способствует быстрому образованию гидросульфоалюмината кальция (ГСАК) и гидроксида кальция при затворении водой композиционных гипсосодержащих вяжущих в начальные сроки твердения, повышению активности кремнезема минеральных компонентов. Это содействует тому, что степень гидратации цемента, содержащегося в КГБ, достигает максимума к 90-120 суткам, концентрации Са(ОН)2 и количество алюминатов снижаются до пределов, при которых опасность гидросульфоалюминатного разрушения или снижения прочности материала исключается. При изготовлении органоминерального модификатора прежде всего необходимо знать, в каком соотношении брать кремнезем, содержащий компонент и портландцемент. Это соотношение зависит от активности кремнезема, вида и химического состава используемого цемента. В свою очередь активность кремнеземистой добавки зависит не только от ее природы, но и от тонкости помола. При помоле, особенно в присутствии ПАВ, активность частиц кремнезема возрастает, что подтверждается скоростью поглощения извести из суспензии, приготовленной в соответствии с ТУ 21-31-62-79. Эти данные говорят о том, что с увеличением удельной поверхности граншлака его активность по связыванию извести в растворе возрастает. Так, при удельных поверхностях граншлака и портландцемента соответственно 300 и 550 м2/кг необходимое отношение количества кремнеземистой добавки к количеству портландцемента (Д/Ц) равно 1,5, а при повышении удельной поверхности граншлака до 712 м2/кг это отношение уменьшается до 1.

Известно, что граншлак довольно плохо поддается тонкому измельчению, и получить удельную поверхность выше 300 м2/кг можно только с большими затратами времени и энергии, что делает его использование невыгодным. Применительно к граншлаку и другим аналогичным материалам для более интенсивного связывания гидроксида кальция возможно введение совместно с ними небольших количеств микрокремнезема - отхода производства ферросилиция - в количестве 5-15% от массы портландцемента в зависимости от начальной активности добавки и химического состава портландцемента.

Об эффективности действия микрокремнезема (МК) свидетельствует снижение концентрации оксида кальция в растворе через 28 суток до 0,31-0,33 г/л, что характерно для составов, содержащих достаточное количество природных, АДМ, характеризующихся высокой активностью. Таким образом, введение МК, который имеет удельную поверхность 1800-2200 м2/кг, можно осуществлять необходимую корректировку составов, обеспечивая стабильность затвердевшей системы гипс - цемент-кремнезем - вода.

Зола-унос гораздо легче подвергается помолу, чем граншлак. Ее активность по связыванию извести выше. При использовании рядового портландцемента и домолотой золы (Зуд=900 м2/кг) необходимое Д/Ц =1,5. Если домолоты оба компонента в течение одинакового времени (10 мин), то удельная поверхность будет равна соответственно у цемента - 550, а у золы - 1312 м2/кг. При такой удельной поверхности необходимое отношение Д/Ц = 1.

Результаты определения активности тонкоизмельченных песка и утильного стеклобоя свидетельствуют о слабом связывании этими добавками оксида кальция, независимо от удельной поверхности этих добавок и портландцемента. Поэтому эти добавки должны использоваться в КГВ совместно с микрокремнеземом. Следовательно, комплексная кремнеземсодержащая добавка обладает синергическим эффектом, а микрокремнезем в ней можно рассматривать как компонент, гарантирующий долговечность системы. Присутствие в комплексной кремнеземсодержащей добавке суперпластификатора или другого ПАВ переводит ее в разряд органоминеральных модификаторов, способствует более интенсивной механохимической активации, сокращению продолжительности процесса активации. Получаемый ОММ позволяет не только придать гипсовому вяжущему гидравлические свойства, но и регулировать другие характеристики в требуемом направлении. Например, замедлять сроки схватывания, понижать среднюю плотность, повышать прочность при растяжении и сжатии, ударную прочность, трещи нестойкость и т.д. Производство ОММ можно организовать централизованно, например, на заводах сухих строительных смесей. Благодаря универсальным модифицирующим возможностям ОММ композиционные гипсосодержащие вяжущие, получаемые с его применением, приобретают ряд новых свойств, более характерных для портландцемента, при сохранении основного преимущества гипсовых вяжущих веществ (быстрое схватывание и твердение). При этом КГВ обладают еще и низкой водопотребностью, что открывает возможность изготовления изделий безо всякой тепловой обработки.