Новые технологии получения цемента
Обновлено: 26.04.2024
Наноцемент. Открытие явления нанокапсуляции
Бетон на основе связующего — портландцемента — является главным строительным материалом современности: дома и плотины, магистрали и мосты, аэродромы и шахты — более 90% всего, что украшает лик планеты, строится из таких бетонов.
Сырья для производства портландцемента хватит на многие тысячелетия, основным вопросом его совершенствования остается стремление к снижению удельных затрат топлива на обжиг каждой тонны клинкера и уменьшению расхода цемента в бетонах.
В последнее десятилетие в строительстве развитых стран наблюдается стремление к получению высокопрочных бетонов и конструкций на их основе.
Однако классы (марочность) производимых цементов во всем мире не превышают 52,5, что родило представление о исчерпанности возможностей получения более прочного камня портландцемента и привело к созданию индустрии применения широкого ассортимента химических добавок в бетонные смеси для снижения расхода цемента и получения высокопрочных бетонов. К чести российских ученых, впервые в мире был сделан прорыв в радикальном повышении качества портландцемента — до сих пор цемент классов по прочности 72,5–92,5 производится только в России.
Более чем двадцатилетние исследования модифицированных с помощью механохимической активации портланд-цементов позволили определить взаимосвязь исключительно высоких свойств таких цементов с процессами нанокапсуляции — новым научным направлением получения дисперсных композиционных материалов. Члены Российской академии естественных наук оценили достижение как научное открытие, развивающее и радикально меняющее существующие представления о химии и технологии, получении новых композиционных материалов, названных наноцементами. Настоящая статья посвящена сути открытия и его мировой значимости в совершенствовании главного строительного материала современности.
Формула открытия
Установлено и экспериментально доказано энергосберегающее явление нанокапсуляции различных дисперсий, заключающееся в механохимической активации поверхности частиц носителей с одновременным модифицированием плакирующего вещества на поверхности частиц-носителей в виде нанооболочек, позволяющее радикально улучшить свойства композиционных дисперсных материалов, — на примере наноцементов и оболочковых красящих пигментов, важнейших материалов для строительства и благоустройства.
Современные технологические подходы отличает стремление к синтезу новых полезных свойств в различных материалах и изделиях или их смесях путем различных химических реакций и физических процессов с минимизацией энергозатрат, вредных выбросов тепла и сопутствующих отходов. Одним из наиболее перспективных направлений является механохимическое воздействие на различные дисперсные системы для получения дисперсных композиционных материалов и новых продуктов на их основе [1].
Создание композиционных материалов включает совмещение различных материалов в единой структуре, приобретающей новое качество, полезное для новых свойств материалов и изделий, повышения их базовых характеристик. Капсуляция — новое направление получения композиционных материалов, развиваемое ОАО «Московский ИМЭТ», является одним из наиболее перспективных, энергосберегающих подходов к созданию эффективных материалов и изделий [2, 12].
Капсулированный композиционный материал представляет собой дисперсный или омоноличенный конгломерат, основным структурообразующим элементом которого является частица (ядро) материала, покрываемая оболочкой вещества другой природы. В зависимости от размера частиц дисперсий и толщины оболочек покрывающих реагентов технологию капсуляцию можно разделить на нанокапсуляцию, микрокапсуляцию и макрокапсуляцию.
Технология капсуляции предусматривает механохимическую активацию дисперсий с частицами, исполняющими роль ядер-носителей, которые покрывают другим веществом. Особенное значение для успешной реализации процесса капсуляции имеют природа и свойства материалов, состояние поверхности частиц, играющих роль структурообразующих ядер, при этом во всех случаях толщина оболочек-капсул, создаваемых на поверхности частиц ядер-носителей, значительно, в десятки раз, меньше размера частиц. Настоящее открытие посвящено нанокапсуляции, впервые в мире реализованной с помощью механохимической активации для получения наноцементов и оболочковых пигментов.
Нанокапсуляция на примере наноцемента
Наноцемент является продуктом измельчения, совмещенного с механо-химической активацией портландцементного клинкера и полимерного модификатора с минеральными добавками, до оптимального уровня дисперсий 400–600 м2/кг.
Портландцементный клинкер — сложная полиминеральная, частично остеклованная система, каждая частичка которой имеет размеры от микрон до нескольких десятков мк. Такие частички являются конгломератом еще более мелких поликристаллов трех основных клинкерных минералов — трехкальциевого силиката (алита), двухкальциевого силиката (белита) и трехкальциевого алюмината, омоноличенных тонкими прослойками стеклофазы состава от 4CaO Al2O3Fe2O3 до 6CaO 2AL2O3Fe2O3, частично кристаллизующейся в зависимости от скорости принудительного охлаждения клинкера.
Формирование в портландцементном клинкере поликристаллов клинкерных минералов весьма небольших размеров связано с неравновесными условиями обжига клинкера и необходимостью высокой теплонапряженности для кристал-лизации тугоплавких (температуры плавления алита и белита более 2000 °С) минералов в присутствии плавней, происходящей при 1450–1500 °С и интенсивном перемещении слоя неоднородного материала в процессе обжига во вращающихся печах. Алит и белит кристаллизуются каждый в семи известных кристаллографических модификациях атомных структур [4, 5, 12], превращения и сохранение которых при нормальных условиях зависят от состава цементных сырьевых смесей, наличия примесных элементов, скорости спекания и охлаждения клинкера.
Современная сканирующая зонная микроскопия образцов портланд-цементного клинкера (Ntegra Prima) показала следующее:
1. Зерна портландцементного клинкера имеют размеры от нескольких мкм до нескольких десятков мкм, во всех случаях представляют вышеописанные конгломераты, сформированные из более мелких — размером от нескольких десятков до 100 нм — частиц поликристаллов клинкерных минералов, наблюдаемых при просвечивании под микроскопом в виде гетерогенных более темных образований, что связано с высокой плотностью частиц клинкерных минералов, составляющей около 3 г/см3 (рис 1, 2).
2. Минералам в клинкере характерно блочное строение с ярко выраженными двойникованием, срастанием, дефектной поверхностью и включениями других фаз. Пористость его частиц колеблется в пределах 7–10% масс., ее наличие фиксируется в виде более светлых участков в клинкерных зернах (рис. 1). Наблюдающаяся на всех приведенных фото кайма относится к веществу, существенно меньшему по плотности, чем клинкерные минералы и стекло-фаза, являясь фиксированной в процессе электронно-микроскопических исследований нанооболочкой толщиной в пределах от 30 до 100 нм. Плотность вводимого полимерного модификатора составляет около 1 г/см3. На полученных микрофотографиях наблюдается равномерное облегание цементных частиц нанооболочкой модифицированного полимерного вещества (рис. 2).
Рис. 1,2. СЗМ зерна наноцемента 90, К-82,5 с нанооболочкой. Размеры нанооболочек и масштабы указаны на рисунке
В результате более чем двадцатилетних исследований новых цементов установлено, что выдающиеся свойства материалов связаны с формированием в процессе механохимической активации цемента, сопровождающей его измельчение, нанооболочки на поверхности его частиц за счет прививки и изменения состава, структуры частиц модификатора, при которой функциональные группы полимерного вещества взаимодействуют с кальциевыми и кислородными активными центрами на поверхности клинкерных частиц, насыщаясь катионами кальция и формируя сплошную нанооболочку, предположительно, состава: С10Н7SО3Са.
Современные методы исследования позволили экспериментально идентифицировать оболочки в наноцементе (рис. 1, 2). Оптимальные свойства наноцементов достигаются при формировании нанокапсулы толщиной 30–60 нм равномерно на всех клинкерных зернах. Определенная экспериментально толщина нанооболочки хорошо совпадает с величиной, рассчитанной по соотношению между толщиной оболочки (d), долей полимерной добавки в массе всей системы () и удельной поверхностью дисперсной системы (Sуд):
d = / D · Sуд,
где D — плотность полимерной добавки.
Отдельные микрочастицы, наблюдаемые в поле зрения, размером около 100 нм относятся к частичкам кварцевого песка (введен в исследованный наноцемент в объеме 10% масс.), на которых — в силу отсутствия на поверхности зерен кварца областей с положительным зарядом — не закрепляется нанооболочка из модифицированной полимерной добавки.
Свойство бетонов на портладцементе и наноцементе
Совершенствование строительно-технических свойств портландцементов во всем мире уже несколько десятков лет не позволяет сколько-нибудь ощутимо повысить их активность более классов по прочности 42,5–52,5, а возрастание требований к качеству бетонов с высокими и сверхвысокими эксплуатационными свойствами вызвало развитие оптимизации подбора составов бетонных смесей, ужесточение требований к качеству нерудных заполнителей, использование достаточно дорогих химических добавок и микрокремнезема.
Во всем мире наблюдается переход на более высокие марки бетонов. Высококачественные бетоны значительно увеличили возможности строителей при возведении небоскребов, мостов, тоннелей, плотин, шахт и подводных сооружений. Механохимическая активация цемента в сочетании с нанокапсуляцией — новое направление регулирования строительно-технических свойств и получения высококачественных бетонов с высокими свойствами — наиболее конкурентоспособно с обычным модифицированием бетонных смесей, упрощает требования к крупному и мелкому заполнителям, исключает применение микрокремнезема и дорогих химических добавок, позволяет существенно снизить стоимость цемента, его расход в бетоне и отказаться от его пропарки.
Разработанная технология производства наноцементов позволяет значительно (до классов 72,5–92,5) повысить марочность портландцементов.
Строительно-технические свойства наноцементов позволяют получать на их основе от высокопрочных бетонов класса В 40 до сверхпрочных бетонов класса В 100, 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 и использованием некондиционных нерудных заполнителей, что подтверждено двадцатилетним опытом применения новых бетонов в военном, специальном и традиционном строительстве и при благоустройстве.
Создание наноцементов радикально повышает возможности производства более качественных энергосберегающих цементов и бетонов.
Реализация технологии малоклинкерных наноцементов позволит:
- снизить удельные затраты топлива на выпуск тонны цемента на 40–60 кг;
- повысить качество цемента;
- в 1,5–1,7 раз увеличить (при необходимости) объемы производства на любом цементном заводе без строительства переделов по обжигу клинкера — только за счет развития помольных отделений;
- построить компактные технологические линии по модификации портланд-цементного клинкера или цемента в малоклинкерные наноцементы на предприятиях по производству бетона;
- снизить выбросы тепла и СО2 цементными заводами на 30–40%;
- увеличить сроки возможного хранения цементов с 2 месяцев, по международному и российскому стандартам, до года и более;
- снизить себестоимость производства малоклинкерных наноцементов;
- снизить затраты на транспортные перевозки нерудных материалов и эффективно использовать в производстве бетонов местное сырье.
Разработанные наноцементы при производстве бетонов позволяют:
- радикально повысить качество и долговечность изделий из бетона и железобетона;
- в среднем в два раза снизить удельный расход портландцемента при получении заданного качества изделий из сборного и монолитного железобетона;
- эффективно применять в технологии производства цемента и бетона некондиционные пески, шлаки, золы и отходы горных пород;
- исключить применение паровой термовлажностной обработки изделий;
- дает возможность применять для производства высококачественных бетонных изделий портландцемент любых заводов и нерудные заполнители местного происхождения;
- производить современные длинномерные пустотелые преднапряженные железобетонные конструкции нового поколения для транспортного строительства.
Практическая оценка экономической эффективности применения малоклинкерных наноцементов показала возможность экономии от 500 до 1500 руб. на куб. м бетона в зависимости от номенклатуры изделий.
Рис. 3. Церковь Всех святых, построенная в 2005 г. в г. Дубне с применением наноцемента К–82,5 в тонкостенных (40 мм) куполах сооружения
Нанотехнология в производстве цемента позволит существенно повысить объемы производства без постройки заводов, только за счет модернизации и доукомплектации помольных цехов существующих цементных заводов. Поднятие объемов производства стройматериалов на более высокий уровень позволит не только увеличить количество построенного жилья, но и открывает возможности для применения данных технологий в самых разных направлениях (рис. 3, 4). Проводникам введения технологии производства наноцемента осталось только убедить чиновников и доказать ценность своей идеи.
Рис. 4. Пуск на воду первой в России яхты с корпусом из наноцемента; толщина корпуса 12 мм (2008 г.)
Литература
1. Аввакумов Е. Г. «Механохимический синтез в неорганической химии»: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука.
2. Бикбау М. Я. «Нано-, микро- и макрокапсуляция — новые направления получения композиционных материалов и изделий с заданными свойствами»: сб. «Цемент. Бетон. Сухие строительные смеси» // Международное аналитическое обозрение Alitinform. — С.-Петербург: Alitinform. 2009. № 6 (12).
3. Бикбау М. Я. «Малоклинкерные цементы. Энергосбережение и качество»: сб. «Цемент. Бетон. Сухие строительные смеси» // Международное аналитическое обозрение Аlitinform. С.-Петербург: Аlitinform. 2008. № 3–4.
4. Бикбау М. Я. «Атомная структура и механизм полиморфных превращений трехкальциевого силиката» // Цемент. 2006. № 4.
5. Бикбау М. Я. «Кристаллическая структура и полиморфизм двухкальциевого силиката »// Цемент. 2006. № 5.
6. Бикбау М. Я. «О кристаллохимических критериях управления гидратационной активностью цементов» // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. М., 1980. Т. 16. № 27.
7. Бикбау М. Я., Высоцкий Д. В., Тихомиров И. В. «Бетоны на наноцементах: свойства и перспективы» // Строительные матер., оборуд. и технологии ХХI века. Технология бетонов. 2011. № 11–12.
8. Бикбау М. Я. «Сборный железобетон — технология будущего» // ЖБИ и конструкции. 2011. № 4.
9. Бикбау М. Я. «Наноцемент — основа эффективной модернизации заводов сборного железобетона» // ЖБИ и конструкции. 2012. № 01.
10. Бикбау М. Я., Горбачева М. М. «Новые оболочковые пигменты и лакокрасочные материалы на их основе» // Лакокрасочные материалы и их применение. 1995. № 7–8.
11. Бикбау М. Я., Ефимова В. П., Силинг М. И., Коган Л. М. «Особенности применения оболочковых пигментов в лакокрасочных материалах» // Строительные материалы. 1997. № 5.
12. Бикбау М. Я. Нанотехнологии в производстве цемента. М.: ОАО «Московский институт материаловедения и эффективных технологий», 2008. 768 с.
13. Алесковский В. Б. «Химия надмолекулярных соединений». С.-Петербург: СПБГУ, 1966.
14. Pellenq R. J.-M., Kushima A., Shahsavari R., van Vliet, K.L., Buehler M.J., Yip S., Ulm F.-J. A realistic molecular model of cement hydrates. // Nat. Academy of Science. Proceedings, Wash., 2009, v. 106, 38.
Коллектив журнала «СтройПРОФИ» поздравляет нашего постоянного автора Марселя Яновича Бикбау с регистрацией Российской академией естественных наук (РАЕН) открытия нанокапсуляции дисперсных веществ!
Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!
Новейшие технологии производства экологически чистого цемента, которые обещают в ближайшее время дать огромную экономию энергии, разработаны учеными из Технологического института Карлсруэ (KIT). В ближайшее десятилетие новый цемент с названием "Celitement ®" имеет способен значительно сократить глобальные выбросы парникового и углекислого газа в атмосферу и тем самым способствовать защите климата и окружающей среды.
Производство цемента является очень энергоёмким процессом. Цементные заводы ежегодно выделяют более миллиарда тонн углекислого газа (CO2) - то есть пять процентов мировых выбросов CO2. Ученым KIT удалось разработать характеристики сопоставимые с обычным портландцементом, на основе связующего, которое ранее было неизвестно, гидравлически активного кальция гидро-силиката.
В простейшем случае сырьём для двухступенчатой технологии производства Celitement ® являются негашеная известь и песок. Процесс происходит при температурах ниже 300ºС, что значительно ниже1450 ºС, необходимых для производства обычного цемента. В результате экономится до 50 процентов энергии. Учёные также снизили требование по извести. В дополнение к экономии энергии, особенно выбросов в атмосферу, решение выглядит новаторским: в производстве Celitement ® по сравнению с традиционными технологиями для производства клинкера портландцемента в окружающую среду выбрасывается в два раза меньше CO2.
Ежегодно около двух миллиардов тонн цементных заводов по всему миру производят вяжущие для строительной отрасли. "Если думать о будущем, то перевод всех цементных заводов в мире на нашу технологию ежегодно позволит выбрасывать в атмосферу на пол миллиарда тонн меньше углекислого газа, что окажет огромное влияние на климат",- говорит доктор Питер Штеммерман из Института технической химии (КВТ) KIT. Вместе с тремя коллегами из ITC, он развивал идею новой технологии получения экологически чистого цемента. Это стало возможным только благодаря использованию синхротронного излучения, что позволило исследовать цемент в нанометровом диапазоне. В энергетических исследованиях Технологический институт Карлсруэ (KIT) является одним из ведущих институтов Европы. Центр КIТ сочетает в себе фундаментальные и прикладные исследования, относящиеся ко всем видам энергии для промышленности и домашних хозяйств. Специалисты участвуют в целостном взгляде на эффективность энергетического цикла и процессов преобразования энергии.
Исследователи во всем мире ищут новые методы для улучшения энергетического и экологического баланса в производстве цемента. В целях постепенного внедрения новых цементных вяжущих на рынок строительных материалов, учёные объединили свои усилия с партнером в промышленности компанией Celitement GmbH. Следующим шагом является создание пилотной установки на севере Баден-Вюртемберг. [По материалам Stroisvoigrad].
Тема 2 (Лекция 3)
Инновации технологиях минеральных вяжущих веществ и бетонов на их основе
-основной вектор развития технологии бетона - многокомпонентные модифицированные составы с управляемым структурообразованием;
-химические добавки для модификации бетона (регулирующие реологические свойства бетонных смесей, регулирующие кинетику твердения, придающие специальные свойства);
- бетон структурированный наночастицами;
-применение модифицированных заполнителей и наполнителей, прогрессивного армирования и микроармирования.
Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок. В сочетании со стальной арматурой этот материал называют железобетоном.
В качестве вяжущего вещества для изготовления обычного тяжелого бетона наиболее широко применяют портландцемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате их взаимодействия образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.
Заполнители бетона. Заполнители часто называют инертными материалами, однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона. Введение в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом, кроме того, они улучшают технические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, снижает его ползучесть, т. е. необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения, а также в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня, способствуя получению более долговечного материала.
В качестве заполнителей экономически целесообразно использовать местные сырьевые и техногенные вторичные (шлаки и др.) ресурсы. Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % его объема. Легкие пористые заполнители снижают плотность бетона и улучшают его теплотехнические свойства.
В бетоне применяют мелкий и крупный заполнители. Мелким заполнителем (менее 5 мм) для тяжелого бетона является природный или искусственный песок.
В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона с размером зерен 5. 70 мм, иногда до 150 мм, используют щебень и реже гравий.
В современном строительстве находят применение десятки видов бетонов, среди которых традиционные бетоны, фибробетоны, полистиролбетоны, пористые, гидроизолирующие и другие. По некоторым показателям они приблизились к природному камню и даже металлу.
Процесс изучения и создания новых бетонов продолжается. Все в больших объемах обычные бетоны замещаются многокомпонентными модифицированными, что дает возможность, применяя компьютерное проектирование состава бетонов и технологии их приготовления, прогнозировать физико-механические и эксплуатационные характеристики, эффективно управлять структурообразованием на всех технологических этапах и получать материал с требуемыми свойствами.
Сегодня нигде в мире бетон не производится без разного рода химических добавок. К сожалению, в России объемы производства бетона с добавками пока составляют всего лишь 50–60%. Но модифицированный бетон куда более эффективен, чем обычный. В этой области мы очень сильно отстаем от зарубежных игроков. Специалисты отмечают, что пока лишь два отечественных модификатора отвечают мировому уровню — суперпластификатор СЗ и комбинированный модификатор МБ на основе микрокремнезема и того же суперпластификатора СЗ. Большинство других добавок мы пока вынуждены закупать за рубежом. Это и ускорители твердения, в том числе и суперпластифицирующие комплексы.
Наиболее активные разработки в области модификации цементных бетонов и растворов полимерными композициями в настоящее время осуществляются в Японии, в частности в университете г. Корияма под руководством профессора И. Охама. Среди новых разработок следует упомянуть применение дисперсий стирол-бутадиеновых латексов, эмульсий полиэтиленвинилацетатных и полиакриловых эфиров, полимерных порошков с восстанавливаемой дисперсией (полиэтиленвинилацетат) и других композиций. К новинкам можно отнести модификацию растворов и бетонов стандартной эпоксидной смолой, причем модифицирующая композиция в этих случаях используется без отвердителя, что существенно снижает ее токсичность. Полимеризация смолы проистекает в ходе гидратации цемента, а в случае ее ускорения за счет прогрева наблюдается заметный рост прочности бетона.
ДОБАВКИ в бетон
В настоящее время созданы и все чаще применяются пятикомпонентные системы, которые наряду с такими традиционными исходными материалами, как цемент, вода и крупный и мелкий заполнитель, включают в себя специальные добавки. Благодаря применению таких дополнительных компонентов, с одной стороны, представилась возможность разработки целого ряда новых видов бетона со специальными, превосходными свойствами и высоким инновационным потенциалом: самоуплотняющийся, высокопрочный, высокопластичный с добавлением синтетических фибриллярных материалов и т.д.; с другой стороны, применение добавок и дополнительных средств позволяет осуществить целенаправленную, эффективную и экономичную корректировку нужных сочетаний соответствующих свойств свежеприготовленного и затвердевшего бетона в «традиционных» составах в широком диапазоне различных вариаций.
Добавки вводятся с целью воздействия на технологические, физико-химические и физико-механические свойства бетонной смеси, свежесформованного и затвердевшего бетона. К подобным свойствам относятся, например, удобоукладываемость смеси, прочность, проницаемость, долговечность, декоративные свойства бетона. Как правило, для применения добавок в бетоны требуется получение от органов строительного надзора разрешения, если добавки еще не стандартизированы. Особенно высокие требования при получении допуска к применению предъявляются к таким добавкам, которые должны использоваться в бетоне при изготовлении несущих конструктивных элементов.
Классификация важнейших химических добавок для бетона по их основному эффекту действия в бетонной смеси в соответствии с международной классификацией, обозначение этих добавок, их активные составляющие и принцип действия приведены в табл. 8.
Сегодня существует огромное количество различных стройматериалов, которые имеют свои преимущества и недостатки. Но, пожалуй, самым популярным из них является цемент. Его используют практически на всех этапах строительства, начиная от монтажа фундамента и заканчивая внутренней отделкой стен. Объяснить его популярность достаточно просто: он обладает высокой прочностью, вяжущим эффектом, позволяет скрыть любые дефекты, с легкостью выдерживает повышенные нагрузки, не боится отрицательных температур. Можно смело сказать, что до сих пор аналогов цементу просто не существует. Именно поэтому он еще долгое время будет оставаться №1 среди всех видов стройматериалов.
Что такое цемент?
Цемент – это стройматериал, который выступает в качестве вяжущего элемента в различных растворах. В целом он представляет собой серый порошок. В отдельно взятых случаях он может иметь изумрудный оттенок. Итоговый цвет цементного порошка зависит от добавок, которые в нём содержатся.
Чтобы получить бетонную смесь, необходимо смешать цемент, воду, песок. При необходимости могут добавляться и другие компоненты. Их выбор зависит от целей и задач, которые необходимо решить. После добавления воды все компоненты образуют пластичную массу, которая со временем начинает затвердевать и трансформироваться в высокопрочный искусственный камень.
История появления цемента
Первое упоминание о цементе появилось примерно 2200 лет назад. В те времена цемент готовили из извести, пемзы, туфа и вулканического пепла. Полученный состав использовали в качестве скрепляющего вещества при строительстве каменных зданий. Также из цемента изготавливали цельнолитые конструкции. Но они были недостаточно прочными, из-за чего их надёжность оставляла желать лучшего.
С каждым столетием качество цемента повышалось, и в 1824 г. Джозеф Аспдин разработал аналог современного портландцемента. Он отличался прекрасным вяжущим эффектом, благодаря чему его можно было использовать для приготовления бетона. Затвердевший материал отличался повышенной прочностью и износостойкостью.
Однако, несмотря на то, что он прекрасно выдерживал сжатие, растяжения бетона приводили к его разрушению. Инженеры обратили внимание на тот факт, что металлические балки, наоборот, не боятся растяжений, но плохо работают на сжатие. В итоге практически одновременно несколько специалистов пришли к выводу, что необходимо объединить эти две особенности.
В начале 1850-ых годов французский инженер Жан-Луи Ламбо построил небольшие лодки. В качестве исходного материала он использовал бетон, который армировал железной сеткой. Спустя несколько лет Уильям Уилкинсон стал первым, кто решил армировать металлическими балками бетонные панели. Полученные ЖБ-конструкции использовали при строительстве 2-этажного дома.
В 1854-м г. инженер-строитель Франсуа Куанье также проводил эксперименты с железобетоном. Он первым решил связать стальную арматуру перекрытий с боковыми панелями. Однако в массовом производстве железобетон начал использовать человек, который вообще не имел отношения к строительству, – это Джозеф Монье. В 1846-ом г. его назначили садовником в саду неподалёку от Лувра. Для пересадки апельсиновых деревьев на зиму в теплицу ему нужны были прочные и надежные кадки. Монье решил сделать их из бетона, но у него ничего не получалось. Полученные кадки все время трескались, даже не застыв. В итоге он решил укрепить их металлическими стержнями.
Тогда цемент не отличался прочностью и разрушался при малейших перепадах температур. Но на удивление Монье, его изобретение за 3 года интенсивной эксплуатации так и не вышло из строя – ни одна кадка не растрескалась. После этого садовник начал изготавливать из бетона и другие элементы ландшафтного дизайна.
Через несколько лет на парижской выставке он получил патент за использование армированного бетона в искусственных водоёмах. После этого последовало еще несколько патентов, в том числе за открытие ЖБ- балок, шпал, мостовых конструкций и других изделий. Через несколько лет вчерашний садовник стал самым узнаваемым человеком во Франции. Под его руководством был построен мост в замке Шазелье и еще много других конструкций.
Спустя некоторое время Монье продал все патенты инженеру-строителю Густаву Вайсу. Он, в свою очередь, сместил арматуру в сторону, что позволило повысить прочность и износостойкость железобетонных панелей. Можно смело сказать, что изобретение армированного бетона стало одним из важнейших событий в истории строительства.
Нанотехнологии позволят увеличить уровень цементного производства к 2020 году до 100 миллионов тонн за год.
Академиком РАЕН и гендиректором ИМЭТ Марселем Яновичем Бикбау совместно с ведущими учеными Института материаловедения и эффективных технологий был разработан наноцемент. На заседании Круглого стола НОСТРОЙ, посвященному теме «Современные проблемы цементной промышленности», известный ученый поведал об особенностях и преимуществах применения усовершенствованного строительного материала.
Во время интервью Марсель Янович полностью рассказал о наноцемента, его достоинствах, качествах и возможностях. Также академик указал причину, по которой материал практически не применяется в России.
— «Нано» — это приставка, которую в последнее время часто употребляют в различных медицинских или косметических отраслях. Что такое обозначение представляет для цемента? В чем его особенность?
— Отличительной чертой нашего нового строительного материала является нанооболочка размером от 10 до 100 нанометров. Она покрывает каждое зерно цемента и наделяет цемент особыми качествами.
Создается такая оболочка с помощью преобразования портландцемента, который вместе с полимерным материалом подвергается механохимическому воздействию. В результате каждая частица цемента имеет тончайшее покрытие.
— Как изменяются качества цемента после обработки?
— Наноцемент – это созданный нами усовершенствованный материал, который наделен новыми удивительными свойствами. Благодаря нанооболочкам почти в два раза увеличивается активность цемента, а также практически в десять раз продлевается его срок хранения. Для производства бетона такие качества просто незаменимы.
В процессе эксплуатации наноцементу присуща стабильность, что не скажешь про обычный довольно капризный цемент. К тому же новый материал несколько дешевле.
— Что привело к созданию новоцемента, как возникла идея?
— В основу разработок легло совершенное нашими учеными открытие под названием «Явление нанокапсуляции дисперсных веществ». С помощью новой технологии дисперсии любого типа могут быть модифицированы в материал с улученными качествами. Так в результате многочисленных опытов возник новый цемент с высокими новыми техническими характеристиками.
— Предполагает ли производство наноцемента построения специальных заводов?
— Для производства нового строительного материала необходимо только соединить простой цемент с полимерными веществами, которые изготавливаются на территории РФ. Поэтому стоимость их приемлемая. Для изготовления материала не требуется специального оборудования. Смешать компоненты можно на любом цементном заводе.
Наладить производство наноцемента можно с помощью увеличения площади отделений для помола и добавить дополнительные мельницы. И это все на существующих заводах. Причем при новой технологии ввод низкосортного песка, золы и шлаков не отражается на изначальной прочности цемента. При правильном подходе на старых цементных заводах можно получить в два раза больше усовершенствованного строительного материала.
— Почему же до сих пор в нашей стране не налажено производство наноцемента?
— Большинство цементников не хотят принимать и внедрять новые проекты. Им не нужны перемены, так как производство налажено, и цемент пользуется большим спросом.
— То есть у нас «под носом» находится удивительное открытие — наноцемент, а применять его никто не хочет?
— Выходит, что так! С таким подходом в скором времени будет осуществляться покупка изготовленного согласно новым усовершенствованным технологиям китайского и турецкого цемента. Или запустят производство по нашим разработкам наноцемента в Саудовской Аравии, а покупателями станем опять же мы. Так всегда случается с новыми технологиями. В нашей стране изобретается, а внедряет кто-то другой и в конечном итоге мы же платим деньги за приобретение продукции, которую придумали сами.
Согласно стратегическому плану планируется к 2020 году увеличить производство цемента до 100 миллионов тонн. Это с учетом того что в настоящее время выпускается 60 миллионов тонн. Чтобы внедрить стратегию необходимо изготавливать 5 миллионов тонн за год. Для достижения таких объемов требуется новое более мощное оборудование, которое требует вложений капитала – не менее 300 долларов за тонну. А это 1,5 миллиона за двенадцать месяцев. Никто из российских предпринимателей не позволит себе таких вложений в цементное производство. Как можно добиться 100 миллионов тон к 2020 году? Никак. Остается надеяться на недорогой турецкий и китайский цемент, который составляет большую конкуренцию нашим производителям.
Приветствую! На нашем сайте вы найдете для себя огромное количество полезных статей и советов о современном строительстве, ремонте и дизайне интерьера. Для вашего удобства все статьи сайта распределены по тематическим разделам. Также мы всегда готово поддержать беседу в комментариях, пишите.
На круглом столе в НОСТРОЕ, посвященном современным проблемам цементной промышленности, генеральный директор Института материаловедения и эффективных технологий (ИМЭТ) академик РАЕН (а также Международной академии экологии, безопасности человека и природы, Санкт-Петербургской инженерной академии, Нью-Йоркской академии наук) Марсель Бикбау рассказал о возможностях применения наноцемента, технологию производства которого разработал он и ученые из возглавляемого иминститута.
Мы попросили Марселя Яновича рассказать о том, что такое наноцемент, какие преимущества он дает и почему его почти не применяют у нас в стране.
— Приставка «нано» стала сегодня модной. «Нано» есть и в медицине, и в космических технологиях…А вот теперь и цемент с вашей, Марсель Янович, легкой руки стал «нано». Чем он отличается от обычного?
— На первый взгляд все просто: «наноцемент» — это такой цемент, каждое зерно которого имеет на своей поверхности тонкую — нано — оболочку. Ее размеры — от десятков до ста нанометров. Именно это и придает таким цементам исключительные свойства.
Нанооболочка образуется благодаря специальной технологии модификации портландцемента. Мы подвергаем портландцемент механо-химической обработке в присутствии полимерного вещества. Это полимерное вещество, взаимодействуя с поверхностью цементного зерна, «садится» на него в виде оболочки. Такой цемент мы сделали впервые в мире!
— Как влияет нанокапсуляция на свойства цемента?
— Она придает цементу совершенно замечательные свойства. Например, в полтора—два раза повышает его активность, увеличивает в 5—10 раз сроки хранения, позволяет получить выдающиеся качества в бетонах и т.д.
За счет нанооболочек, окружающих цементное зерно, весь материал начинает работать уже по-новому. Например, есть обычный цемент марки 600 и есть наноцемент той же марки. Они ведут себя по-разному. Обычный — вещь капризная, наноцемент ведет себя стабильно. При этом наноцемент оказывается дешевле обычного!
Хочу обратить особое внимание: все эти факты, установленные нами, официально подтверждены на самом высоком научном уровне.
Вот что показали специальные испытания, которые провели Роснано и НИИМосстрой. Они взяли исходный цемент марки 500 и на его основе приготавливали различные наноцементы с разным сочетанием цемента и песка. Содержание цемента было соответственно, таким: 90, 75, 55, 45, 35 и 30 процентов (остальное — песок). Даже при содержании цемента всего в 30%, этот наноцемент показал такую же прочность, как и исходный (обычный) цемент марки 500!
— Получается, что при том же количестве исходного материала путем введения нанодобавок и дешевого минерального сырья мы получим гораздо больше цемента, причем высокого качества?
— Да, но при этом еще свойства наноцемента становятся гораздо лучше, чем у исходного обычного!
Вот пример. Саудовская Аравия прислала тонну своего песка и тонну цемента марки 500. Мы им из этого сделали 2 тонны наноцемента марки 700!
— Если я правильно понимаю, этот необычный, уникальный цемент получается из самого обыкновенного портландцемента?!
— Для того, чтобы начать выпуск наноцемента, нужны какие-то специальные заводы? Или дорогостоящее оборудование?
— Нет! Наноцемент можно выпускать на любом цемзаводе! Для этого нужно всего лишь смешать обычный цемент с определенными полимерными добавками. Никакого принципиально нового и дорогостоящего оборудования не требуется. Эти добавки производятся в России, стоимость совершенно приемлемая. Так что в итоге для того, чтобы наладить выпуск наноцемента, нужно лишь желание цементников!
А насколько это выгодно, давайте посчитаем. Сегодня в соответствии со стратегией развития до 2020 года объем производства цемента планируется увеличить с сегодняшних 60 млн тонн до 100 млн тонн. Для этого каждый год нужно вводить новые производственные мощности на выпуск 5 млн тонн цемента. Это требует капитальных вложений по 300 долларов США на одну тонну. Итого — полтора миллиарда долларов капвложений каждый год! Кто их вложит в частную цементную промышленность? Да никто! Сейчас наши производители цемента тратят усилия в основном на то, чтобы не пускать на наш рынок более дешевый китайский и турецкий цемент. Потому что у нас его выпускают по отсталой технологии, мокрым способом, а у них —современным, сухим. К тому же у нас есть и всё возрастающая проблема с кадрами, в том числе с проектировщиками… Исходя из сказанного, понятно, что не будет у нас 100 млн тонн к 2020 году!
Но есть выход — технология наноцемента. Она позволяет, как было сказано ранее, вводить до 70% минеральных добавок! Это шлаки, золы, непригодный для строительства песок и т.д. Причем вводить без снижения прочности исходного обычного цемента! И не надо строить новых заводов, достаточно расширить помольные отделения на существующих. Это потребует капвложений в 20—25 долларов на тонну. На существующих заводах к тем мельницам, которые там уже есть, нужно пристроить дополнительные. И совершенно спокойно можно увеличить производство цемента в полтора—два раза без строительства новых заводов!
— Как возникла идея такого материала?
— Открытие, которое в свое время мы совершили, называется «Явление нанокапсуляции дисперсных веществ». И оно относится не только к цементу. Любые дисперсии могут быть преобразованы в материалы с новыми свойствами за счет этого подхода . И додумались до этого мы, советские, российские ученые. Это открывает колоссальную перспективу получения дисперсных композиционных материалов, которые состоят из нескольких различных соединений. Предвестниками наноцемента были оболочковые пигменты. Кстати, такая технология весьма перспективна и в области изготовления лекарственных средств, поскольку позволит доносить до нужного органа лекарственное вещество в нужное время.
— Почему же производители до сих пор не наладили полномасштабный выпуск наноцемента?
— Есть так называемая консервативная часть наших цементников, которые новые разработки воспринимают в штыки. У них нет желания переходить на что-то новое, поскольку существующее положение вещей их устраивает, цемент и так идет нарасхват.
— Выходит, вашим наноцементом за рубежом интересуются больше, чем у нас в стране?
— Образно говоря, у нас «в кармане» лежит настоящее чудо — наноцемент! И оно никому у нас в стране не нужно?!
— Получается, так! И из-за этого мы вскоре будем обречены на то, что придется покупать турецкий или китайский цемент, потому что он дешевле, поскольку производится по современным прогрессивным технологиям (и пошлину на ввозимый цемент больше не задерешь сверх меры — мы вступили в ВТО!). А потом пустят завод снашейнанотехнологией в Саудовской Аравии — будем покупать цемент там. В общем, как с тем паровозом, который изобрели у нас, а покупали мы потом эти локомотивы за границей. Поскольку наши прорывные технологии оказываются нам же самим ненужными!
Михаил ЗИБОРОВ
Читайте также: