Строительство и минеральные вяжущие прошлого, настоящего, будущего

аРавилю Зуфаровичу Рахимову 75 лет

11 мая 2013 г. исполнилось 75лет члену-корреспонденту РААСН, председателю Казанского представительства Волжского регионального отделения РААСН, Заслуженному деятелю науки РФ, Почетному строителю России, Почетному работнику высшего профессионального образования РФ, Заслуженному деятелю науки и техники Татарской АССР, лауреату премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, доктору технических наук, заведующему кафедрой «Строительные материалы» Казанского государственного архитектурно-строительного университета Равилю Зуфаровичу Рахимову.

После окончания в 1961 г. Казанского инженерно-строительного института Р.З. Рахимов работал на предприятиях строительной индустрии. После защиты кандидатской диссертации уже сорок пять лет трудится в КазГАСУ. Основные направления научной деятельности Р.З. Рахимова связаны с исследованиями местных сырьевых ресурсов России, областей и республик Поволжского региона, разработкой и исследованием свойств строительных материалов на основе местного минерального природного и техногенного сырья. Под его руководством разработаны «Рекомендации по проектированию те-плоэффективных конструкций жилых и общественных зданий для условий Республики Татарстан». С 1999 г. в связи с началом строительства Казанского метрополитена Р.З. Рахимов привлекался руководителем научного сопровождения строительства. Вместе с созданным для этого коллективом разработаны составы высокопрочных и водонепроницаемых бетонов и комплектующих материалов для изготовления элементов колец тоннелей метрополитена и технология их производства, которые освоены на предприятиях Казани. Под его руководством и при непосредственном участии разработаны составы и технология производства многокомпонентных и многофазовых гипсовых вяжущих, доломитового цемента и гидравлической извести повышенной прочности и водостойкости, композиционных шлакощелочных вяжущих, минеральных пигментов и сухих строительных смесей на основе местного сырья, конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных керамических материалов.

Р.З. Рахимов является автором и соавтором более 670 публикаций, среди которых 18монографий, учебник для вузов «Строительные материалы», несколько учебных пособий, 35 авторских свидетельств и патентов, один межгосударственный стандарт. Разработки Р.З. Рахимова отмечены медалями и дипломами РААСН, ВВЦ, различных выставок и конкурсов, изобретений и инновационных проектов. Он подготовил 3 докторов и 17кандидатов технических наук.

Редакционный Совет и редакция сердечно поздравляют Равиля Зуфаровича Рахимова с 75-летием и желают здоровья, дальнейших творческих успехов и всех благ.

УДК 624

Р.З. РАХИМОВ, Н.Р. РАХИМОВА, доктора техн. наук, Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Строительство и минеральные вяжущие прошлого, настоящего, будущего

Строительная деятельность человечества началась более 3 млн лет назад. Около 8 тыс. лет назад люди начали применять первые минеральные воздушные вяжущие вещества невысокой прочности — гипсовые и известковые, способные твердеть и сохранять прочность на воздухе. Их использовали для изготовления кладочных и штукатурных строительных растворов. На основе исследований реликтовых находок на территориях Италии, Израиля и Югославии сделан вывод и о применении их для изготовления бетонов более 7,5 тыс. лет назад [1]. С их применением были сооружены величайшие памятники строительного искусства древности.

Для обеспечения повышенной прочности и стойкости во влажных условиях в известковые композиции вводили добавки вулканического пепла, цемянки, топливных зол и шлаков. В конце I тыс. до н. э. римляне разработали и стали применять бетоны на основе извести и смесей ее с пуццоланами для устройства фундаментов, стен, дорожных покрытий и полов. С их приме-

нением были построены: в 60-х гг. н. э. Аппиева дорога, гавань Пуццуоли, сохранившиеся до нашего времени; в первые столетия н. э. — Пантеон и Колизей в Риме. Во всех уголках мира сохранились многочисленные памятники строительного искусства эпох Средневековья и Возрождения, построенные с использованием этих материалов: многочисленные дворцы, замки, мавзолеи, крепости, культовые сооружения и жилища. Строительная деятельность человечества базировалась на использовании природных каменных, растительного происхождения, сырцовых глиняных, керамических, стекольных материалов и известковых и гипсовых вяжущих веществ вплоть до конца XVIII — середины XIX в. В этот период были разработаны способы получения водостойких гидравлических вяжущих путем обжига из-встняков с различным содержанием глины, а не совмещением извести и пуццолановых добавок.

В 1756 г. Д. Смит получил первое в истории цивилизации композиционное известковое вяжущее повышенной водостойкости путем обжига известняка с содержанием

май 2013

57

глины до 20%, названное гидравлической известью, а в 1796 г. Д. Паркер получил второе водостойкое вяжущее повышенной прочности обжигом известняка с содержанием глины более 25%, названное романцементом.

Эпохальным достижением в истории цивилизации явилось изобретение Д. Аспдином в 1824 г. высокопрочного и водостойкого вяжущего — портландцемента и технологии его получения обжигом до спекания природной или искусственной смеси известняка и глины в соотношении 3:1 с получением клинкера и его последующим помолом. Со второй половины XIX в. портландцемент стал прочно входить в мировую строительную практику.

С изобретением в 1856 г. бессемеровского и в 1860 г. мартеновского производства стали началось широкое применение в строительстве стальных конструкций.

С началом применения портландцемента, стальных конструкций начался второй этап развития строительной деятельности человечества, что послужило одним из оснований развития капитализма и индустриальных методов строительства. С тех пор и до настоящего времени портландцемент является «хлебом строительства» и составляет до 80% и более от общего объема минеральных вяжущих.

Регулирование химического и минерального состава клинкера, введение минеральных и химических добавок позволили обеспечить к настоящему времени производство и применение более 30 разновидностей по свойствам и назначению клинкерных цементов.

Это, в свою очередь, позволило обеспечить развитие производства и модифицированных бетонов, бетонных и железобетонных изделий с прочностью при сжатии, приближающейся к прочности стали, и прогнозируемой долговечностью до 500 лет, что создало возможности строительства высотных сооружений, небоскребов и сверхнебоскребов, многокилометровых тоннелей и платформ нефтедобычи в морях и океанах.

Будущее бетонов на основе клинкерных вяжущих в определенной мере связано с модификацией их свойств многоуровневым армированием различными видами фибры и введением нанодобавок.

К началу XXI в. мировое производство клинкерных вяжущих превысило 2 млрд т.

Вместе с тем их производство связано с высоким потреблением природного минерального сырья, энергоресурсов и значительными объемами загрязняющих окружающую среду выбросов. На изготовление 1 т портландцемента требуется более 1 т известняка, 0,5 т глины и корректирующих добавок, 200—300 кг условного топлива и более 100 кВт электроэнергии. А его производство является крупным источником выделения в окружающую среду: углекислого газа до 1 т, оксидов азота до 9,5 кг, значительного количества пыли на 1 т портландцемента [2].

Развитие земной цивилизации в конце XX в. сопровождалось осознанием мировым сообществом того, что способ его существования вошел в противоречие с породившей человека планетой Земля. Анализ последствий возрастающей антропогенной нагрузки на окружающую среду привел к пересмотру стратегии развития земной цивилизации. В 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Всемирном саммите ООН по окружающей среде была принята «Повестка дня на XXI век», в которой на смену безграничному научно-техническому прогрессу в развитии цивилизации заложена концепция устойчивого развития, в основе которой принципы сбережения энергетических и природных сырьевых ресурсов и защита окружающей среды от загрязнений побочными продуктами и отходами производства [3].

У портландцемента наряду с неоспоримыми достоинствами помимо упомянутых выше проблем его про-

изводства, имеются и серьезные недостатки: недостаточно высокая коррозионная стойкость и долговечность, отсутствие взаимодействия с глинистыми и пылевидными частицами, необходимость применения кондиционных мелких и крупных заполнителей и их обогащения при приготовлении растворов и бетонов.

Учитывая проблемы производства и применения клинкерных гидравлических вяжущих, одним из путей обеспечения «устойчивого развития» является разработка и расширение производства малоклинкерных и бесклинкерных гидравлических вяжущих с низкими затратами энергетических и природных минеральных сырьевых ресурсов и использованием побочных продуктов и отходов различных отраслей.

Решение этой проблемы развивается в трех направлениях.

Первое направление связано с увеличением объемов использования отходов различных отраслей в производстве клинкера и при получении композиционных цементов с пониженным и низким его содержанием и модификацией их нанодобавками.

Второе направление связано с совершенствованием известных с древности способов повышения водостойкости и прочности известковых и гипсоизвестковых вяжущих введением индивидуальных и комплексных активных минеральных и химических добавок. Это позволяет существенно повысить водостойкость и прочность известковых и гипсовых композиций [4], которые могут применяться вместо клинкерных в производстве отдельных видов отделочных материалов, устройства самонивелирующихся полов, возведения самонесущих и малонагруженных стен малоэтажных и каркасных зданий и снизить клинкерную составляющую в цементах с минеральными добавками.

Третье направление, интенсивно развиваемое в последнее время во многих странах, — разработка, производство и применение активированных щелочами щелочных и щелочно-щелочноземельных алюмосиликат-ных гидравлических вяжущих, которые рассматриваются как материалы будущего, способные заменить клинкерные вяжущие с позиций экологической, технологической и экономической оценки [5—10].

Группа щелочных алюмосиликатных систем получила название «геополимеры». К группе щелочно-щелоч-но-земельных относятся шлакощелочные, золощелоч-ные и другие бесклинкерные гидравлические вяжущие.

Обе группы указанных вяжущих отличаются от клинкерных: по химическому и минеральному составам; эффективностью в решении ресурсо- и энергосбережении и минимальными выбросами загрязняющих окружающую среду отходов; по широте сырьевой базы; повышенной стойкостью к воздействию выветривания, химических сред, высокой температуре и радиации; по широте номенклатуры материалов на их основе и областей применения.

Более 2 тыс. лет назад древнеримский архитектор и инженер Витрувий отмечал [11]: «Вечные законы природы — прототип правил искусства... Принцип искусства имеет большое сходство с принципом, движущим природу, то есть с божественным подражанием».

По определению академика Е.А. Ферсмана, кларки земной коры и продуктов производства должны постепенно сближаться. Щелочные и щелочно-земельные вяжущие по химическому составу в наибольшей мере отвечают этим принципам в отличие от клинкерных.

Химический состав этих вяжущих отличается от клинкерных отсутствием у первых СаО, у вторых — пониженным содержанием СаО, а у тех и других — высоким содержанием А1203, Fe2Oз и SЮ2 и повышенным содержанием №20 и (или) К2О. Синтезирующиеся в процессе их твердения новообразования по веществен-

58

май 2013

ному составу моделируют минералы земной коры и части ее осадочных и метаморфических горных пород, образовавшихся в результате природных процессов гидротермального синтеза, — кремнезем, цеолиты, слюды, гидрослюды и др. Присутствие цеолитов и отсутствие в минеральном составе высокоосновных кальциевых минералов портландцемента, по мнению многих исследователей [5, 7—10], придают долговечность и прочность как природным, так и искусственным каменным материалам. Этим объясняется и более чем двухтысячелет-няя долговечность бетонов на известково-пуццолановых цементах сооружений древних Сирии, Египта, Греции и Рима [5, 7].

Достоинствами щелочных и щелочно-земельных вяжущих являются по сравнению с портландцементом их эффективность в решении проблем ресурсо- и энергосбережения и защиты окружающей среды от загрязняющих отходов.

При их производстве не используются высокоэнер-гозатратные процессы обжига сырья, которые имеют место при производстве клинкера. В отличие от производства клинкерных вяжущих и щелочные, и щелочно-щелочно-земельные имеют широкую сырьевую базу: эффузивные горные породы, пуццоланы, многие отходы горнодобывающей отрасли, металлургические шлаки, топливные золы и шлаки, глинистые породы, отходы строительного производства — бой керамического и силикатного кирпича, бетона, силикатного стекла и др. Широка номенклатура и щелочных затворителей, часть которых представлена различными промышленными отходами. В связи с этим развитие их производства позволяет решать как проблему сбережения природных ресурсов, так и экологическую проблему защиты окружающей среды от загрязнений.

К настоящему времени известен значительный объем исследований, разработок и опыта производства и применения широкой номенклатуры строительных материалов на основе щелочных и щелочно-щелочно-земельных вяжущих: рядовых и высокопрочных, нормально-, быстро-, особо быстро- и сверхбыстротверде-ющих, безусадочных и расширяющихся, жаростойких, огнеупорных, радиационно стойких, иммобилизирую-щих радиационные и токсичные отходы, бетонов и изделий на их основе для промышленного, жилищного, гражданского, дорожного, аэродромного, мелиоративного строительства, облицовочных изделий, изготовления форм, инструментов и элементов оборудования [5, 7-9].

Отличительные особенности щелочных и щелочно-щелочно-земельных вяжущих и материалов на их основе в связи с актуальностью решения проблем ресурсо- и энергосбережения и экологии вызвали интерес к ним и привели к широкому развитию их исследований и разработок во многих странах в последние десятилетия. С 60-х по 90-е гг. прошлого века наибольшие объемы исследований и разработок в этой области были проведены в СССР, где киевской научной школой В.Д. Глуховского, П.В. Кривенко был проведен большой объем исследований и разработок грунтоцементов, шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе. Исследования и разработки последних проводились и различными научными школами Российской Федерации. По результатам этих работ было организовано производство и применение в строительстве изделий на их основе широкой номенклатуры и назначения в России, Украине, Казахстане и Узбекистане. После отделения Украины и ее научной школы в России исследованиями и разработкой щелочных и щелочно-щелочно-земельных вяжущих и материалов на их основе занимаются малочисленные коллективы 3-4 вузов. Но именно в последние десятилетия резко возросли ис-

следования и разработки их в других странах: Австралии, Китае, США, Франции, Японии и др.

Прогноз развития производства бетона, в частности в США, до 2020—2030 гг. предусматривает как одно из направлений применение геополимеров [12].

C 1988 г. по настоящее время проведены три международные конференции по геополимерам. В 2011 г. в Брно (Чехия) проведена IV Международная конференция «Нетрадиционные вяжущие и бетоны», которая проводится раз в три года. В этом же году на XIII Международном конгрессе по химии цемента работала секция «Новые цементные матрицы». В Австралии, США, Канаде, Чехии, Финляндии и ряде других стран организовано производство и применение строительной продукции на основе щелочных и щелочно-щелочно-земельных вяжущих.

Нельзя не согласиться с мнением [6], что, несмотря на определенные преувеличенные представления о современном значении геополимеров, очевидна необходимость значительного расширения исследований и разработок в нашей стране щелочных и щелочно-щелочно-земельных вяжущих и материалов на их основе.

Ключевые слова: устойчивое развитие, бесклинкерные гидравлические вяжущие.

Список литературы

1. Yamrozy, Z. Beton i jego technologie I Z. Yamrozy — Warsawa: Krakow; PWN.2000. 485 p.

2. Ферронская А.В., Малинина Л.А., Волков Ю.С. Производство и применение бетона и железобетона как экологическая доминанта II Бетон и железобетон — пути развития. Научные труды II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону. 5—9 сентября 2005. Москва: в 5 томах. Т. 1. Пленарные доклады. М.: Дипак, 2005. С. 349—360.

3. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х., Ярмаковский В.Н. Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья II Строительные материалы. 2009. № 12. С. 8-11.

4. Материалы V Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности и производства и применения гипсовых материалов и изделий» I Под ред. Бурьянова А.Ф. Алвиан, 2010. 290 с.

5. Глуховский В.Д. Шлакощелочные цементы и бетоны. Киев: Будивельник, 1978. С. 184.

6. КорнеевВ.И., БрыковА.С. Перспективы развития общестроительных вяжущих веществ. Геополимеры и их отличительные особенности II Цемент и его применение. Март-апрель. 2010. С. 51-55.

7. Davidovitz J. Geopolymer. Chemistry and applications. Saint-Quentin: Institute Geopolymer. 2008. 592 pp.

8. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих II Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения. VIII академические чтения ОСН РААСН. Изд. Самарского госуд. арх.-стр. ун-та. Самара, 2004. С. 193-195.

9. Provis J.L. et al. Geopolymers: Structures, Processing, Properties and Industrial applications. Abington:Taylor and Francis, 2009, 454 p.

10. Shi C., Krivenko P. V., Roy D. Alkali-activated cements and concretes. First published 2006 by Taylor & Francis 2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon OX14 4RN, 376 p.

11. Витрувий. Десять книг об архитектуре. М.: Архи-тектура-С, 2006. 328 с.

12. YardjitoD, Wallah S.E., SumajouwD.M.J., Rangan B.V. On the development of fly ash-based geopolymer concrete II ACJ Materials Journal. 2004. Vol. 101. № 6. Рp. 467-472.

май 2013

59