М.Я.Бикбау,
Генеральный директор ОАО « Московский ИМЭТ»
акад.РАЕН, Нью-йоркской академии и др., ,д.х.н.
Изобретение портландцемента в начале 18 века и, несколько позднее - железобетона, позволило человечеству значительно масштабней преобразовывать лик планеты в современные дороги и плотины, высотные здания и стадионы - более 90 % зданий и сооружений во всем мире строятся из бетона, объем производства которого уже превышает 5 млрд. куб. м ежегодно.
В настоящее время цементные заводы по всему миру производят практически одинаковый продукт, качество которого определяется марочностью, включающей комплекс требований к строительно-техническим свойствам, при этом ключевыми характеристиками является прочность тестируемых образцов бетона на сжатие и изгиб в 28 суток твердения с различными вариациями по темпу набора прочности до этого периода.
Ключевыми составными частями бетонных смесей являются в дополнении к портландцементу кварцевый песок, называемый мелким заполнителем бетона и щебень – крупный заполнитель. Единственным видом беспесчаного бетона является крупнопористый бетон, названный нами КАПСИМЭТ, структуру которого составляют зерна крупного заполнителя, покрытые тонкими оболочками цементного камня. Применение в качестве крупного заполнителя керамзитового гравия для КАПСИМЭТА позволяет строить легкие и теплые, негорючие, экологически чистые однослойные стены для жилья, применение плотного крупного заполнителя позволяет строить по технологии КАПСИМЭТ фильтрующие бетоны и дренирующие бетоны для дорожного строительства.
Традиционные бетоны, так же как и все остальные продукты на основе связующего - портландцемента, включают обязательным компонентом кварцевый песок, играющие роль не только « мелкого заполнителя», но и реагента, вступающего в химическую реакцию с продуктами гидратации портландцемента с образованием на конечной стадии основных минералов, обеспечивающих прочность и долговечность бетонам – гидросиликатов кальция.
Упрощенный вариант химической реакции формирования цементного камня, с указанием начального и конечного состава реагентов:
3 CaO SiO2 + 3 H2O + SiO 2 = 2 ( CaO SiO2 H2O) + Ca (OH)2
Таким образом, в сформировавшемся бетоне присутствует два вида гидратных минералов - гидросиликаты кальция и гидрооксид кальция. Соотношение масс указанных фаз цементного камня , % масс. :
гидросиликаты кальция - 85,3
гидрооксид кальция - 14,7
Казалось бы содержание гидроксида кальция невелико ,но именно его присутствие значительно ослабляет строительно-технические свойства цементного камня и прежде всего прочность в связи с пластинчатой, слоевой морфологией кристаллов гидроксида кальция ,по которым обычно проходит разлом материалов и их склонностью к перекристаллизации при изменении влажности окружающей среды.
В этой связи для повышения прочностных свойств цементного камня было бы желательно отсутствие в нем гидрооксида кальция , но еще более эффективный вариант – связывание гидрооксида кальция в более прочный и долговечный гидросиликат кальция , что может происходить по реакции:
Са (ОН)2 + SiO2 = CaO SiO2 H2O
Такая реакция происходит в разработанных нами малокликерных наноцементах ,где она обеспечивается уровнем дисперсий кремнезема ((от нескольких до десятка мкм ) сопоставимым с размерами частиц цемента . В этом случае наблюдается интенсивный рост прочности цементного камня в бетонах даже при рекордно низком количестве цемента в бетонной смеси (табл.1).
Результаты ,полученные при испытаниях малоклинкерных цементов в НИИМосстрое , значительно превышают высшие мировые достижения . К сожалению, новая технология цемента, прошедшая сотни подобных успешных испытаний , в том числе в США, с разработанной нормативной и научной базой , принятая к освоению в СССР, когда были получены и эффективно применены в производстве высококачественных бетонов десятки и сотни тысяч нового материала, планировавшаяся к массовому освоению цементными заводами ,сегодня в России никому не нужна…
Пустые слова говорятся в стране о энергосбережении, какие там лампочки, когда доказанные возможности экономии миллионов тонн топлива не реализуются в промышленности…
Таблица 1
* - В качестве исходного портландцемента для получения СМС-40 (40 % масс. цемента) и СМС – 90 (90 % масс. цемента) применялся цемент Мордовского завода :М - 500,Д – 0Н
Основной проблемой предприятий отечественной цементной промышленности остаются высокие затраты топлива, составляющие по России: на предприятиях сухого способа производства - около 154 кг у.т./т клинкера; мокрого - около 212 кг у.т./ т клинкера, а в среднем по заводам России с подавляющим преобладанием мокрого способа (88%) - около 206 кг у.т./т клинкера. Уровень удельных затрат топлива современных цементных предприятий, работающих по сухому способу в Японии, КНР и других странах, составляет всего 115- 120 кг у.т./т клинкера. Цементные заводы России продолжают расточительно сжигать природные богатства страны.
В связи с регулярным в России повышением цен на газ – основное топливо, применяемое сегодня цементными заводами, - трудно представить в перспективе конкурентоспособность предприятий, работающих на газе по мокрому способу, с зарубежными заводами, работающими по сухому способу.
Российский цемент не способен конкурировать с турецким или китайским, прежде всего, в связи с высокой себестоимостью, которая для российских предприятий составила на тонну продукта: в 2006г. – 1300руб.; в 2007г. – 1500 руб. и в 2008г. – 2000 руб.
Рост потребления цемента в России в 2005 – 2007г.г. вызвал, с одной стороны, соответствующее повышение цен на цемент: в 2005г. – на 44%, 2006г. – на 50% и в 2007г. - на 65%. В конце 2007г. цены на цемент в России в 2 раза превысили европейские, что вызвало интерес иностранных производителей к его поставке, которая уже в 2008г. составила 7,5 млн.т.
В то же самое время официальные перспективы развития строительства в стране, доведение объемов ежегодного ввода жилья до 150 – 160 млн.кв.м, декларированные Правительством РФ, предполагают значительные потребности цемента в России:
2010г. |
2015г. |
2020г. |
2025г. |
80-90 млн. т |
125-127 млн. т |
150-162 млн. т |
190-206 млн. т |
Приведенные данные говорят о том, что для обеспечения строительства в России необходимо ежегодно увеличивать производство цемента как минимум на 6-7 млн. т (т.е. вводить два современных завода).
Для справки: в 2007 году в России произведено 60,7 млн. т цемента, введено 60 млн.кв.м. жилья - около 0,45 кв.м. на одного человека- и построено 495 км автомобильных дорог; за тот же год в КНР произведено 1 млрд. 350 млн. тонн цемента и введено 2 млрд. 170 млн. кв. м. жилья - около 1,5 кв. м. на человека и построено 47000 км автомобильных дорог.
Необходимость радикального увеличения объемов строительства жилья, к которой добавляется не менее острая проблема обеспечения цементом масштабного строительства автомобильных и железных дорог с цементно-бетонными основаниями, делает проблему производства дешевого и качественного цемента неотложной.
Предполагаемое в последние годы проектирование и строительство новых цементных заводов, начатое десятком компаний с наступлением мирового финансового кризиса, отложилось на долгое время, тем более в условиях, когда существующие цементные заводы работают на 70 – 75% своей мощности и нет уверенности в реализации декларированной Правительством востребованности в цементе. При этом повышение объемов производства цемента Правительство и потенциальные инвесторы связывают со строительством новых цементных заводов, с необходимостью капиталовложений в пределах около 300 долларов США за тонну цемента, что требует для среднего завода производительностью 2 млн. т. в год 600-700 миллионов долларов США и 3-4-х лет на проектирование и строительство.
Одним из эффективных направлений энергосбережения в производстве цемента, получившем распространение во всем мире, является совместный помол цементного клинкера с вводимыми минеральными добавками в виде пуццолановых пород, зол и шлаков. Так, в США средний объем вводимых минеральных добавок составляет около 40% , в КНР – 35% от массы цемента, что позволяет снизить удельные затраты топлива на тонну цемента на 30 – 40 кг у.т. на тонну продукта. Близкое содержание энергосберегающих минеральных добавок применяют цементные заводы в Японии, Турции и европейских странах. Одновременно, ввод минеральных добавок позволяет значительно ,в соответствии с требованиями Киотского Протокола , и снизить массу СО2, составляющую сегодня в России около 300 кг на каждую тонну производимого цемента .
С целью реализации энергосбережения и снижения выбросов СО2 в 2003г. в России был принят ГОСТ 31108-2003, по которому допускается ввод минеральных добавок до 65% от массы цемента. Однако, возможности этого ГОСТа до последнего времени не использует ни один наш цементный завод .
В настоящее время структура портландцемента, выпускаемого в России, включает, в среднем, долю минеральных добавок в количестве 11,5% от массы цемента. При производстве малоклинкерных цементов по предлагаемой технологии механохимической активации возможен ввод в цемент минеральных добавок в значительно больших количествах: от 40-45% масс. до 60-75% масс. цемента с сохранением высокой марочности цементов - в пределах от 32,5 до 62,5 МПа (по ГОСТ 31108-2003).
Предлагаемая технология наноцемента позволяет не только расширить объемы производства цемента в России с минимизацией капиталовложений до уровня 40-50 US $ достаточно в короткие сроки, без необходимости строительства комплексных полномерных цементных заводов, но может позволить решить региональные проблемы с дефицитом цемента в труднодоступных и далеких для транспорта районах страны, или в районах с затруднительным доступом вследствие перегрузки транспортных магистралей.
Такие ограничения по доставке материалоемких грузов наблюдается в настоящее время в районах строек, осуществляемых для проведения зимних Олимпийских игр 2014года в г. Сочи.
В настоящее время поставка цемента осуществляется в районы Олимпийских строек в специальных вагонах – хопрах, требующих приемных участков в виде прирельсовых цементных складов с цементными силосами и соответствующей техники. Существующих на сегодня складов совершенно недостаточно для приёма и хранения необходимых объемов цемента, что сказывается на задержках в своевременных поставках цемента и его использовании для производства бетонов.
Конкурирующая с автомобильным и железнодороржным транспортом возможность поставки цемента морским путем связана с ограничениями по приемке судов и их выгрузке. Действующий на юге России терминал имеет Новороссийский торговый порт с мощностью перевозки 1,3 млн. т в год, но он весьма загружен. Не спасает положения и ввод в прошлом году первой очереди цементного терминала в г. Ростове-на-Дону мощностью 0,2 млн.т.
Нами предлагается для своевременного обеспечения олимпийских игр в Сочи ввозить в регион портландцементный клинкер вместо непосредственно цемента с экономически выгодной переработки его на местах потребления в высококачественный цемент, тем более новая отечественная технология наноцемента, разработанная и реализуемая ОАО «Московский институт материаловедения и эффективных технологий», позволяет:
- отказаться от использования специальных вагонов - хопров;
- перевозить цементный клинкер в биг-бегах и насыпью в любых вагонах и автотранспорте, хранить в обычных складских условиях, с сохранением качества годами;
- необходимый объем перевозки клинкера при условии применения технологии наноцемента сокращается по сравнению с цементом в два раза;
- производить помол клинкера на местах потребления с минеральными добавками, например, в виде кварцевого песка, пуццолановых пород, шлака, зол получая при этом из одной тонны клинкера две тонны высококачественного цемента, согласно схеме на рис.1.
- исключить необходимость дорогостоящих перевозок по стране на тысячи км нерудных материалов – щебня и песка, так как новый цемент позволяет успешно применять для высококачественных бетонов местное сырье.
Рис.1.Технологическая схема производства малоклинкерныхнаноцементов с минеральными добавками
В качестве основного помольного агрегата в разработанной нами технологической схеме получения наноцемента используют производимые промышленностью трубные шаровые мельницы куда подаются все компоненты смеси, включая портландцементный клинкер и минеральные добавки, в кусковом виде с предварительной сушкой, при необходимости. При этом в шаровой мельнице достигается не только эффективное измельчение и механоактивация зерен клинкера и частиц минеральных добавок, но и нанокапсуляция частиц модифицированной полимерной оболочкой.
Для производства наноцемента в промышленных условиях к помольному комплексу с шаровыми мельницами предъявляются следующие требования:
- наличие весовых дозаторов непрерывного дозирования органических добавок - модификаторов с допустимой погрешностью не более 0,1 – 0,25%;
- наличие дозаторов для раздельного весового дозирования клинкера, гипса и минеральных добавок перед их подачей в мельницу;
- работа должна осуществляться в режиме, обеспечивающем максимальную механоактивацию вяжущего (мельница, снабженная высокоэффективным сепаратором);
- обеспечение необходимой загрузки камер мельницы разноразмерными шарами (последнюю камеру желательно загружать цильпебсами различного размера).
Основными особенностями технологии процесса механохимической
активации при получении наноцемента являются:
- высокая точность весовой дозировки компонентов;
- достижение определенного заданного гранулометрического состава наноцемента, особенно клинкерной части вяжущего;
- обеспечение достаточного времени для реализации процесса механохимической активации и микрокапсуляции частиц вяжущего.
Одним из важных условий для получения наноцемента заданного качества является желательная минимальная влажность исходных компонентов, суммарная величина которой не должна превышать 3% масс. Только при надлежащем соблюдении этих требований достигаются заданные свойства наноцемента.
Как отмечалось выше, в качестве клинкерных добавок при производстве наноцемента могут использоваться существующие в регионе не только различные природные пуццолановые породы, мелкие кварцевые пески, отходы вскрыши и т.п., но и техногенные отходы: золы и шлаки различных производств, которые, как правило, хранятся на открытых площадках. Поэтому основными требованиями к минеральным добавкам являются не только высокое содержание кремнезема и соединений, но и минимальная влажность исходных компонентов, суммарная величина которых не должна превышать 3% масс. В этой связи разработанная технологическая схема включает участок сушки кремнеземистых добавок.
К настоящему времени накоплен значительный опыт работы по новой технологии России, разработана первичная нормативная база, проведены сертификационные испытания, в частности, в США, Испании и Италии. Опыт промышленной реализации механохимически активированных наноцементов позволил начать освоение новой технологии в практике цементной промышленности, на настоящее время произведено и успешно применено более млн тонн нового цемента.
Строительно-технические свойства механохимически активированных цементов позволяют получать на их основе высокопрочные бетоны марок 500–800 и сверхпрочные бетоны до марок 1300–1500, широкий ассортимент железобетонных изделий без применения пропарки, а также быстротвердеющие, водонепроницаемые и другие весьма необходимые в современном строительстве бетоны. Освоено производство и применение высококачественных железобетонных изделий с повышенной долговечностью, что подтверждено двадцатилетним опытом применения новых бетонов в военном, специальном, традиционном строительстве и благоустройстве.
Механохимическая обработка цемента позволяет производить разработанные и сертифицированные ОАО «Московский ИМЭТ» наноцементы под наименованием «Сухие механоактированные смеси (СМС)» - цементы со сниженным содержанием клинкерной части до 90 % масс, (СМС-90), 75% масс. (СМС-75) и 50% масс. (СМС-50) по ТУ-5735-040-05442286-00 с прекрасными строительно-техническими свойствами (табл.1) .
В табл.2 приводятся средние данные наноцементов для составов: СМС-90, СМС-75 и СМС-50, включающих химически наиболее инертный материал – кварцевый песок.
Таблица 1
Основные показатели наноцементов - механохимически активированных сухих смесей (СМС)– портландцемент с кварцевым песком
Общая схема компоновки оборудования разработанной технологии приводится на рис.2. Конструкция шаровой трубной мельницы 2,9х11 м предусматривает создание в ней разряжения на выходе продукта максимально до – 1100 Па для увеличения производительности за счет уноса мелкодисперсных частиц смеси.
Производительность мельницы задается подачей компонентов цемента и составила 50 т/час. Аналогичные по габаритам мельницы в России имеют существенно отличную шаровую загрузку, ввиду отсутствия предизмельчения материалов перед подачей в мельницу.
Рис.2 Технологическая линия по производству малоклинкерного наноцемента с минеральными добавками.
Для реализации технологии необходимо создать на площадках ЖБИ, ДСК и других предприятий в районе Сочи региональные помольные цеха мощностью 300-350 тыс. т цемента в год. С учетом экономии на транспорте цемента возрастающих потребления и стоимости цемента окупаемость капиталовложений в такие цеха составит, в зависимости от объема производства, от двух до четырех лет. Наноцементы способны изменить идеологию производства изделий из бетона за счет отказа от пропарки.
Новая технология дает возможность активного вовлечения в производство цемента местных нерудных материалов : некондиционных щебней и гравия , мелкозернистых песков и кремнеземистых добавок, как природных пород , так же зол и различных шлаков. Подобная схема применялась в послевоенные годы прошлого века во Франции, в Европе в настоящее время насчитывается 70 помольных цехов, измельчающих привозной клинкер. Такой подход широко используется в КНР: клинкер производится на мощных предприятиях, 50-70% его измельчается в цемент непосредственно на цементных заводах, а остальная часть клинкера продаётся на небольшие предприятия, которые перерабатывают его в цемент на своих помольных линиях добавляя местные минеральные добавки.
Одним из выдающихся качеств наноцементов ,в отличие от обычных , является уже подтвержденная результатами испытаний сегодня (табл.1) их способность не терять качество годами как при хранении в таре ,так и в цементных силосах ( табл.3). Пока это не удалось никому в мире.
Характеристики свежих и длительно хранившихся наноцементов - вяжущих низкой водопотребности - производственного выпуска: 1-Здолбуновский цементно-шиферный комбинат, 1989 г.; 2-Белгородский цементный завод, 1992 г.
Разработанные малоклинкерные цементы позволяют радикально повысить качество и долговечность изделий из бетона и железобетона. Так, в частности, они позволяют производить высококачественные панели и плиты для массового строительства жилья и дорог не только с экономией цемента, но и с исключением традиционной пропарки изделий, с одновременным сокращением расхода электроэнергии и тепла.
Размер капиталовложений на ввод одного помольного цеха мощностью 0,5 млн.т в год составит около 20 млн. долларов США, что в 8 - 10 раз ниже стоимости удельных капиталовложений при строительстве новых цементных заводов.
Продажу клинкера цементными заводами России для цехов помола наноцемента, в том числе, например, в районе Сочи можно оформить как государственный заказ, тем более что цементные заводы могут поставлять его на создаваемые помольные цеха в зимнее время, когда спрос на цемент резко падает, а производить цемент впрок заводам невозможно в связи с ограничением сроков хранения цемента 2-мя месяцами и отсутствием емкостей для хранения. Подобную схему реализации новой технологии можно эффективно использовать и для труднодоступных районов – Крайнего Севера, Сибири и других регионов, тем более не имеющих прирельсовых складов для получения цемента.
Отсутствие широкомасштабного освоения технологии наноцемента в России является ярким примером несостоятельности надежд руководства страны на рыночный механизм освоения инноваций в ее промышленности.