Аннотация

Статья посвящена актуальной проблеме утилизации промышленных отходов путем их вовлечения в производство строительных материалов. Цель исследования – анализ потенциала различных видов техногенных отходов (металлургических шлаков, зол, вскрышных пород, отходов нефтехимии и др.) в качестве сырья для создания конкурентоспособных и ресурсосберегающих строительных композитов. Рассмотрены теоретические основы и практические примеры использования отходов в производстве цементов, бетонов, силикатного кирпича, теплоизоляционных и других материалов. Методология исследования включает анализ литературных данных, статистических отчетов и химико-минералогических характеристик отходов предприятий Казахстана, в частности Карагандинской области. Результаты работы демонстрируют значительный экологический и экономический эффект от замещения традиционного сырья техногенными продуктами: сокращение площадей под отвалы, снижение капитальных затрат, экономия энергии и топлива. Делается вывод о необходимости развития комплексного подхода к переработке отходов и создания эффективных экономических механизмов стимулирования предприятий к их утилизации в строительной индустрии. В статье не используются формулы. Библиографические ссылки оформлены в квадратных скобках.

Аннотация қазақ тілінде

Мақала өнеркәсіптік қалдықтарды құрылыс материалдарын өндіруге тарту жолымен оларды пайдаланудың өзекті мәселесіне арналған. Зерттеудің мақсаты – әртүрлі техногендік қалдықтардың (металлургиялық шлактар, күл, жыныстар, мұнай-химия өнеркәсібінің қалдықтары және т.б.) бәсекеге қабілетті және ресурсты үнемдейтін құрылыс композиттерін жасау үшін шикізат ретіндегі әлеуетін талдау. Қалдықтарды цементтер, бетондар, силикатты кірпіш, жылу оқшаулағыш және басқа да материалдарды өндіруде пайдаланудың теориялық негіздері мен практикалық мысалдары қарастырылады. Зерттеу әдістемесі әдебиеттерді талдауды, статистикалық есептерді және Қазақстан кәсіпорындарының, атап айтқанда Қарағанды облысының, қалдықтарының химиялық-минералогиялық сипаттамаларын қамтиды. Жұмыстың нәтижелері дәстүрлі шикізатты техногенді өнімдермен ауыстырудың айтарлықтай экологиялық және экономикалық әсерін көрсетеді: үйінділер астындағы аумақтарды қысқарту, күрделі шығындарды азайту, энергия мен отынды үнемдеу. Қалдықтарды кешенді өңдеу тәсілдерін дамыту және оларды құрылыс индустриясында пайдалануға кәсіпорындарды ынталандыратын тиімді экономикалық тетіктерді құру қажеттілігі туралы қорытынды жасалады. Мақалада формулалар қолданылмаған. Кітапнамалық сілтемелер төртбұрышты жақшамен рәсімделген.

Введение

Актуальность темы использования промышленных отходов в производстве строительных материалов обусловлена двумя взаимосвязанными глобальными вызовами: экологическим и ресурсным. С одной стороны, накопление огромных масс техногенных отходов (шлаков, зол, вскрышных пород, нефтешламов и пр.) приводит к деградации земель, загрязнению атмосферы и водных ресурсов. С другой стороны, истощение традиционных месторождений природного сырья (песка, глины, щебня) и рост энергоемкости их добычи и переработки увеличивают себестоимость строительства. В этой связи концепция «отходы – в сырье» становится стратегическим направлением для развития циркулярной (замкнутой) экономики в строительном комплексе.

В Республике Казахстан, обладающей мощной добывающей и перерабатывающей промышленностью, проблема утилизации отходов стоит особенно остро. Согласно государственным программам, таким как Программа по развитию строительной индустрии и производства строительных материалов, одной из ключевых задач является освоение ресурсосберегающих производств конкурентоспособных материалов [1]. Использование отходов, в которые уже заложены затраты на добычу и первичную переработку, является эффективным путем получения более дешевых материалов с заданными свойствами. Практическая значимость работы заключается в систематизации данных о составе и свойствах конкретных видов отходов казахстанских предприятий и оценке их потенциала для строительной индустрии. Целью данной статьи является анализ возможностей и перспектив применения различных промышленных отходов в качестве полноценного сырья для производства широкого спектра строительных материалов и конструкций.

Основная часть

Промышленные отходы представляют собой гетерогенные по составу и свойствам материалы, что предопределяет многообразие направлений их использования в строительстве. Условно их можно разделить на несколько крупных групп: минеральные (металлургические шлаки, золы и шлаки ТЭЦ, вскрышные породы, отходы обогащения), химические (нефтешламы, шламы, отходы нефтехимии) и органические (древесные отходы, отходы сельского хозяйства). Каждая группа требует индивидуального подхода к оценке и технологии переработки.

Металлургические отходы являются одним из наиболее изученных и применяемых видов вторичного сырья. В доменных и сталеплавильных шлаках содержатся оксиды кальция, кремния, алюминия и железа, что делает их пригодными для использования в качестве активных минеральных добавок в цементах, заполнителей в бетонах, а также основного сырья для производства шлакощелочных вяжущих и материалов на их основе [2, с. 91]. Например, бедные по содержанию меди шлаки (0.27-0.3%) могут быть рекомендованы к непосредственному использованию в качестве строительного материала для дорожных оснований или насыпей. За рубежом и в СНГ накоплен значительный опыт применения гранулированных шлаков в производстве высокопрочных и специальных бетонов [3].

Отходы горнодобывающей промышленности (вскрышные и вмещающие породы, хвосты обогащения) в Казахстане занимают колоссальные территории. Как видно из данных по Карагандинской области, породные отвалы содержат до 74% SiO₂ и 21.5% CaCO₃, что является основой для силикатных материалов [4]. Эти отходы в настоящее время используются в основном для отсыпки дамб, засыпки карьеров, производства щебня и в дорожном строительстве. Однако их потенциал гораздо шире: после соответствующей обработки (дробление, классификация, активация) они могут служить сырьем для производства цемента, силикатного кирпича, ячеистых бетонов и композиционных материалов.

Золошлаковые отходы от сжигания угля на тепловых электростанциях (ТЭЦ) представляют собой ценное сырье благодаря содержанию аморфного кремнезема и глинозема. Они успешно применяются в качестве активной минеральной добавки в цемент и бетон, повышая долговечность конструкций, а также для производства искусственных пористых заполнителей, стеновых блоков и геополимерных вяжущих. Внедрение таких технологий позволяет решить проблему золоотвалов, которые являются источником пылевого загрязнения.

Отходы химической и нефтехимической промышленности, такие как нефтешламы, фосфогипс, нефелиновые шламы, требуют особого внимания из-за возможного содержания токсичных элементов. Тем не менее, после процедур обезвреживания и стабилизации они также могут найти применение. Например, нефелиновый шлам используется в производстве цемента, а фосфогипс – для изготовления гипсовых вяжущих и изделий. Исследования в этой области направлены на иммобилизацию вредных компонентов в матрице строительного материала, что делает его безопасным.

Отдельного рассмотрения заслуживает использование отходов для создания энергоэффективных материалов. Растущие требования к теплозащите зданий стимулируют спрос на качественные теплоизоляционные материалы. Легкие бетоны на пористых заполнителях, в том числе из вспученных шлаков или золы, являются перспективным решением. Широко известен керамзит, однако его производство ограничено сырьевой базой. Альтернативой могут стать пористые заполнители из опилкобетона, аглопорита на основе глинистых шламов или зол ТЭЦ. Применение таких легких бетонов, в том числе высокоэффективных (High Performance Concrete), позволяет снизить массу конструкций и улучшить теплозащитные характеристики зданий [5, с. 41].

Технологические аспекты переработки отходов включают несколько стадий: изучение химического, минералогического и гранулометрического состава; оценку технологических свойств (активность, пористость, поведение при термообработке); разработку оптимального состава строительного композита; выбор методов активации (механическая, химическая, термическая). Например, для использования шлаков в качестве вяжущего часто применяют щелочные активаторы (соединения натрия или калия), которые запускают процессы полимеризации и формируют прочную камневидную структуру [6, с. 57].

Экономическая эффективность использования отходов очевидна: сокращаются затраты на приобретение и транспортировку природного сырья, снижаются платежи за размещение отходов и экологические штрафы. Как показано на примере АО «Миттал Стил Темиртау», вовлечение в оборот всего 40% образующихся отходов (окалины, скрапа, пыли) уже дает значительный экономический эффект. Капитальные затраты на организацию переработки часто окупаются за счет снижения текущих издержек и получения новой продукции. Однако для массового внедрения таких технологий необходима государственная поддержка через налоговые льготы, субсидии и ужесточение экологического законодательства.

Несмотря на очевидные преимущества, существуют и барьеры. К ним относятся нестабильность состава некоторых отходов, необходимость дополнительных капиталовложений в перерабатывающее оборудование, отсутствие разработанных стандартов и технических условий на материалы с использованием конкретных видов отходов, а также консерватизм строительной отрасли. Преодоление этих барьеров требует совместных усилий ученых, промышленников и законодателей.

Перспективным направлением является создание территориально-производственных кластеров, где отходы одного предприятия становятся сырьем для другого. Например, металлургический комбинат может поставлять шлак заводу по производству шлакоблоков или цемента, расположенному в непосредственной близости. Это минимизирует логистические издержки и создает замкнутый цикл использования ресурсов в рамках региона.

Таким образом, вовлечение промышленных отходов в производство строительных материалов представляет собой комплексную междисциплинарную задачу, решение которой лежит на стыке материаловедения, химии, экологии и экономики. Дальнейшие исследования должны быть направлены на углубленное изучение свойств малоиспользуемых или новых видов отходов, разработку высокоэффективных и низкоотходных технологий их переработки, а также на создание нормативно-технической базы, регламентирующей применение вторичного сырья в строительстве.

Вывод

Проведенный анализ позволяет сделать ряд обоснованных выводов. Во-первых, промышленные отходы различных отраслей (металлургии, горнодобычи, энергетики, химии) обладают значительным ресурсным потенциалом для замещения дефицитного природного сырья в производстве строительных материалов. Их химико-минералогический состав во многих случаях близок к требуемому для изготовления цементов, бетонов, силикатных изделий и теплоизоляционных композитов. Во-вторых, использование отходов обеспечивает двойной положительный эффект: экологический (сокращение площадей под отвалами, снижение загрязнения окружающей среды) и экономический (уменьшение затрат на сырье и энергию, создание новой продукции). В-третьих, несмотря на наличие научных разработок и практического опыта, степень утилизации отходов в Казахстане остается невысокой, что связано с технологическими, нормативными и экономическими барьерами.

Для активизации этого направления необходимы системные меры: развитие научных исследований по глубокой переработке отходов; внедрение экономических стимулов для предприятий, инвестирующих в технологии утилизации; ужесточение экологических требований к хранению отходов; разработка и принятие современных стандартов на строительные материалы с использованием вторичного сырья. Реализация этих мер в рамках государственных программ позволит трансформировать проблему отходов в источник ресурсов для устойчивого развития строительной индустрии Республики Казахстан.

Список литературы

1. Обзорная информация: Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. – М., 1984. – С. 33–37.
2. Глуховский В.Д. (ред.) Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях. – Киев: Вища школа, 1981. – 95 с.
3. Zhu G., Zhang H., Xi C., Shan L. Development of special protection for continuous casting of thin slag // Kang T'ieh / Iron and Steel (Peking). – 1993. – Vol. 28, No. 8. – P. 27–29.
4. Данные мониторинга породных отвалов Карагандинской области (по материалам экологических отчетов предприятий). – 2020.
5. Гаджилы Р.А. Целенаправленное изменение пористой структуры строительных материалов // Стройматериалы. – М., 2001. – № 8. – С. 41–43.
6. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. – 4-е изд. – М.: Стройиздат, 1986. – 464 с.
7. Ниязбекова Р.К. Свойства силикатных материалов, содержащих сталеплавильные шлаки // Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века: труды XIII Международного семинара АТАМ. – Новосибирск, 2006. – Т. 2. – С. 87–88.
8. Мирзоев Р.Г., Юсупов Д.Д. Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов. – Ташкент: Фан, 1989. – 152 с.
9. Meyer, C. The greening of the concrete industry // Cement and Concrete Composites. – 2009. – Vol. 31, No. 8. – P. 601–605.
10. Основные требования к публикации статей в журнале [Электронный ресурс] – https://adisteme.kz/trebovaniia-k-oformleniiu-stati.html (дата обращения: 01.10.2023).