Г Е О П О Л И М Е Р Н О ГО Б Е Т О Н А
технология по производству цемента и бетонов
без применения традиционных клинкерных вяжущих
г. Гуково, Ростовская обл., ЮФО
2017 г.
* * *
«Любую осадочную горную породу
можно превратить в каменный, искусственный
монолит с высокой механической прочностью».
Жозеф Давидовиц (Davidovits Joseph)
Директор института геополимеров, Франция,
автор 150 статей и работ, 50 патентов,
Почетный профессор Франции,
Содержание.
Введение. Краткий исторический экскурс строительства, определения и терминология.
Потребность в данной технологии.
Область применения готовой продукции.
Технологическая схема, сырье, технологические циклы и оборудование, хронометраж, логистика, химические реакции.
Приемущества и недостатки данной технологии.
Во все времена человечество старалось обустроить свое жилище, занималось земледелием, металлургией, а также строительством и камнеобработкой, стремилось внедрять разные технологии, в том числе строительные, чтобы сделать свое жилище неприступным и с точки зрения эстетики - красивым. Оно строило, дома, акведуки, канализацию, мосты, водонапорные башни, дороги, а также различные воинские сооружения.
И на рубеже ХХ-ХХI веков, в наши времена, накопило огромный опыт при строительстве гражданских объектов и военных сооружений, имея целый спектр вяжущих веществ и материалов, как клинкерных так и безклинкерных.
- Клинкерные вяжущие вещества – гидравлическое вяжущее, портландцементы, романцементы, цементы в общепринятом понимании, «традиционные цементы», при производстве энергоемки, требуют больших производственных мощностей и площадей, нуждаются в сверхвысоких температурах (до 1300 С) при изготовлении.
В РФ, да и в других странах традиционный цемент и строительные материалы из него занимают лидирующие позиции, как чуть ли не основной компонент строительных материалов.
- Безклинкерные вяжущие вещества – воздушное (гидравлическое) вяжущее, искусственные камнеподобные монолиты, получаемые без применения дорогостоящего оборудования и сверхвысоких температур.
- Заполнитель – химически активное соединение, основа цементного камня, которое «связывает» соседние частицы Наполнителя, в камнеподобную, монолитную массу.
- Наполнитель – любаяискусственная или природная горная осадочная порода, в любом регионе, очищенная от примеси глин и суглинков, химически «вяжется» с Заполнителем и на основе специальных рецептов, составов и добавок, а также расчетов спецрецептур, в присутствии воды образует в системе «заполнитель-наполнитель» механически твердую, водостойкую камнеподобную массу.
- Добавки – отходы химических производств, содовых заводов, мел, железный сурик, и т.д., (около 10 наименований) - катализаторы химических реакций, в цементном камне, которые необходимы для создания щелочной среды, а значит и образования аморфного кремнегеля.
- Геополимерный бетон – природообразующая технология, (не путать с полимерным бетоном, важно (!), как вяжущее не классифицируется, где посредством природных компонентов, осадочных горных пород, самых распространенных в земной коре, (до 40 %) в условиях сильно щелочной среды, (Ph 12) в присутствии воды выделяется аморфный кремнегель, который и служит Заполнителем, обволакивая собой любую частицу Наполнителя, при этом образуя новые химически устойчивые вещества - силикаты и силикальциты, механически твердые нерастворимые в воде химические соединения, которые и служат основой цементного камня, связывая в камнеподобную монолитную массу частицы Заполнителя, которые оказались при помоле рядом с ним.
Строительные вяжущие вещества первых двух определений представлены огромным многообразием, но чтобы избежать употребление узкоспецилизированных строительных терминов, понимая суть вопроса, это вещества были условно поделены только на 2 вышеуказанные группы.
Строительство в районах с суровыми климатическими условиями, к которым относится Российская Федерация, а также дефицит материальных и энергетических ресурсов, в условиях жесткой конкуренции и санкционной борьбы против нашей страны, с задачей импортозамещения (турецкие цементы, например), требует наличие других, альтернативных строительных технологий, диктует более полное использования потенциальных возможностей местного минерального сырья, отходов горно- и рудодобывающих предприятий.
Производство «традиционных цементов» – сложный процесс, имеющий ряд существенных недостатков:
1. Цементные заводы строят только в местах, где залегают известняковые осадочные породы - мергели, ведь это основной компонент портландцемента (ближайший от Ростова-на-Дону - в Новороссийске);
2. При производстве необходим дорогостоящий обжиг последних т. к. рабочие температуры при обжиге достигают 1300 С (!).
3. Производство и логистика (500 км. до Ростова-на-Дону; 1500 км до Турции) продукции становится очень затратными, что весьма скажется на отпускных ценах продукции с завода.
4. Строительство завода потребует значительных инвестиций, сроки окупаемости такого предприятия составят 10-12 лет, к тому же экологической обстановке будет нанесен непоправимый вред в связи с выбросами ядовитых газов в атмосферу.
5. Цементное «лобби» задействовав свой мощный административный ресурс, при условии решения вышеперечисленных проблем все равно помешает реализации данных проектов.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод: клинкер, традиционный цемент (портландцемент) присутствует на рынке низкого качества, он дорогой, всегда в дефиците, у него низкие сроки годности и особые условия хранения, а качество и стабильность заявленных характеристик традиционного цемента оставляют желать лучшего. Строительство и монтаж таких заводов требует значительных инвестиций, больших производственных площадей, а само производство вредит экологии и весьма токсично.
Но до изобретения клинкерных традиционных цементов человечество использовало иные технологии, которые были незаслуженно утрачены и забыты. Ведь и до этого времени люди строили весьма долговечные постройки: здания и памятники, крепости и замки, музеи и др. сооружения различного назначения, которые стоят и по сей день, даже в регионах Крайнего Севера и Сибири, в местностях с повышенной сейсмической активностью, а некоторые даже вблизи морей и океанов где агрессивные среды – морская вода и морской воздух * – злейший враг строений построенных с применением классического цемента.
Область применения геополимерных бетонов была обширна и многообразна. Мы затрудняемся ответить, почему эта технология была забыта. Но так как производство выгодно отличается отсутствием дорогостоящего оборудования, очень мобильно, (может поместиться на одну ж/д платформу), может быть установлено непосредственно на строительном объекте и вновь демонтировано, переместившись на следующий объект, что крайне важно (!), а сырьем для получения вышеописанного аморфного кремнегеля служат самые распространенные природные и искусственные материалы – обычный песок, отсевы щебзаводов, отходы и шлаки металлургических заводов и ГОКов, золы-уноса Новочеркасской ГРЭС, шламы из шламовых бассейнов угольных ЦОФ, илы рек и озер, терриконы – «пустая порода», выданная «на гора» при добыче угля, изготовления из вышеуказанных материалов - технология несомненно будет иметь большое распространение и в наше время.
Наиболее подходящее исходное сырье – отходы угольной промышленности и доменные шлаки – отходы металлургических производств, их также можно найти на территории бывшей Украины – республик ДНР и ЛНР как наиболее подходящее, отходы содовых заводов – в Крыму.
Во время Великой Отечественной войны при наступлении Красной Армии данная технология использовалась повсеместно, имела определяющее значение при конструкции быстровозводимых особопрочных сооружений ДОТ ДЗОТов, мостов, переправ и взлетных полос, а других вариантов и не было: все стационарные заводы, в т.ч. цементные были или эвакуированы заранее, или уничтожены во время боевых действий
В древности геополимерный бетон также находил огромное применение, причем не только для строительства, но и в качестве изготовления предметов искусства. Например, Царь-ваза, все колонны Эрмитажа, атланты на входе в Эрмитаж, все каналы и набережные Санкт-Петербурга, огромные квадратные каменные клумбы у старого и нового Посольства США в Москве – изделия из геополимерного бетона. Большое применения геополимерный бетон нашел при строительстве федеральных автодорог в Италии и во Франции, а также в Канаде.
Это не гранит, не гнейсы, не габброиды и не базальты: твердые осадочные горные породы очень плохо поддаются механической обработке, тем более такой «тонкой», как для предметов искусства, такого вида породы будут «скалываться» при рубке, будут иметь место «высечки» - отколотые куски неправильной формы, которые неминуемо испортят заготовку камня для данного изделия. Далеко не каждый геолог способен будет отличить геополимерный камень от «материнской» породы (природного минерала), даже если он вооружится специальными оптическими приборами и сверхтончайшими иглами - профессиональный инструмент каждого геолога.
_______________________________
* Любое здание или сооружение, построенное с применением традиционного клинкера (обычного цемента) с повышенным содержанием обычной поваренной соли, или с содержанием в воздухе или воде последней, будет неминуемо разрушено в течение 50 лет. Но при определенном содержании соли в клинкере, в соответствии со строго рассчитанными дозировками - мощный катализатор, влияющий на скорость затвердевания раствора или бетона, с небольшим разогревом.
Также цементный камень геополимерного бетона в течение 10 лет будет только набирать прочность и на 3 году после укладки его «в дело» эту прочность удвоит. Далее рост прочности будет не так прогрессивен. При работе с бетонами на основе клинкерных вяжущих (обычных, традиционных) цементах прирост такой прочности или незначительный, или отсутствует вовсе.
Таким образом, вышеуказанные технологии могут найти широкое применение в гражданском и военном строительстве, которые будут способны заменить железобетонные конструкции в т.ч. капитальные, особо нагруженные, в некоторых случаях без применения армирования, твердеющих как на воздухе, так и в воде, а именно:
· производство цемента в мешках по 50 кг., смесь в порошкообразном виде будет аналогом и конкурентом известным производителям цемента именитых брендов и марок в т.ч. для военных нужд, при строительстве особо прочных сооружений: ДОТов, ДЗОТов, взлетных полос и «стартовых столов» космодромов;
· производство штукатурного покрытия (при добавке воды в смесь свыше 15%);
· строительство автодорог под «ключ»;
· **ямочно-дырочный ремонт дорожного покрытия (позиция не изучена);
· строительство зданий и сооружений, в т. ч. капитальных и высотных;
· производство телеграфных столбов;
· производство бордюрных камней;
· производство тротуарной плитки;
· производство декоративной плитки (требуется обжиг);
· производство теплоизоляционных материалов;
· черепица для крыш (никаких «металлочерепица») - настоящая, каменная;
· производство пено- и газобетонов;
· производство классических шлакоблоков,
· производство шлакоблоков и кирпича с использованием при укладке «в дело» с помощью полигональной укладки блока или камня**;
· декоративные 2 слойные изделия (колонны, постаменты, памятники);
· скульптуры, отделка станций метро и т.д.
___________________________
*Участие в производстве геополимерного бетона породных отвалов – терриконов – отходов угледобычи высококачественных антрацитов, ЮФО, пока сопряжено с трудностями: наличие свободного углерода, серы, пиритов в отвале – всегда адсорбируют многие вещества, влагу в первую очередь, что вызовет коррозию арматуры в теле бетона и эррозию последнего, пригоден будет только сильно перегоревший террикон.
** Полигональная укладка блока или камня – самая «загадочная» с точки зрения обычного обывателя постройка зданий и сооружений, когда блок или камень просто укладываются друг на друга, исключая цементные связующие швы между ними, имея зацеп за счет неправильной геометрии предыдущего блока или камня, когда «даже лезвие перочинного ножа между блоками не проходит, так плотно подогнаны блоки между собой». Типичный пример Мачу-Пикчу, Перу.
Мы ничего не видим «уникального» в этом виде постройки зданий, наоборот рассматриваем этот вид укладки как самый быстрый, надежный, наименее затратный и с наибольшим эстетическим эффектом. А также вопросами: «как они это построили?».
***Исследования по пределу прочности на изгиб, которые потребуются в перспективе, при осуществлении ямочно-дырочного ремонта автодорог, имея в виду ввод в смесь пластификаторов, не проводились, в виду отсутствия финансирования на исследовательские работы и совершенствование технологий.
К достоинствам геополимерных бетонов можно отнести, то, что в нем металлическая арматура, в условиях щелочной среды не подвергается коррозии, в отличие от обычных бетонов.
Технология производства геополимерных бетонов очень стара и много раз была опробирована человеком. Человек как бы «подсмотрел» у самой природы как образуются силикаты. На это природа потратит миллионы лет, иногда нужны огромные температуры и хитиновые останки, скелеты беспозвоночных, - так образуются горные осадочные породы, иногда огромное давление, отсутствие доступа кислорода и останки деревьев – так образуется торф, а потом уголь. Но если взять исходное сырье – те же самые искусственные или природные материалы в тонкоизмельченном виде и с помощью добавок – катализаторов химических реакций, то миллионы лет ждать не придется, реакция выделения аморфного кремнегеля произойдет очень быстро. Причем, если в системе будут ионы Са+ (кальций), его назовут впоследствии клинкером, или традиционным цементом (проблемы с ним – см. выше), а если ионы Са+(кальция) заменить на ионы Na+ (натрия), то получится геополимерный бетон. Не зря эти два химических элемента стоят рядом в Периодической системе Д.И. Менделеева. И относятся к щелочным и щелочно-земельным металлам.
Ниже будет освещена технология производства геополимерных бетонов которая сводится к следующему (общий смысл):