В настоящее время на предприятиях России, добывающих каменные горные породы для производства щебня, накопилось более 6 млрд. тонн отходов камнедробления [1]. На каждую тонну кондиционного щебня в современной нерудной промышленности приходится 0,25…0,3 т отсевов камнедробления фракции 0–5 мм. Доля потребления их в производстве строительных материалов ничтожно мала. Использование этих отходов на рекультивацию также незначительно [1].

В современной технологии строительных материалов наименее востребована пылевидная фракция отсева дробления щебня. Этот материал может использоваться в качестве дисперсного наполнителя асфальтобетонов. Однако, кислые породы, к которым относится одна из наиболее распространенных горных пород, использующихся для производства щебня – гранит, имеют пониженную адгезию к битуму. В связи с этим при выборе каменной муки для применения ее в качестве дисперсного наполнителя предпочтение отдается карбонатным горным породам.

Перспективной областью использования дисперсных фракций отходов дробления щебня можно считать самоуплотняющиеся и близкие к ним по удобоукладываемости бетоны. Использование дисперсного наполнителя в рецептуре этих новых разновидностей строительных материалов является одним из ключевых элементов самоуплотняющегося бетона [2-4]. Однако, несмотря на преимущества новых видов бетона объемы их применения в строительстве невелики, а увеличение доли самоуплотняющихся бетонов в общем объеме производства бетона возможно только после создания промышленной базы технологии заполнителей нового поколения [5].

Исследованиями [6-8] установлено, что на основе магматических горных пород, измельченных до удельной поверхности 300…400 м²/кг, могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40…80 МПа. В качестве активатора твердения таких вяжущих используется низкомодульное жидкое стекло. Снижение модуля жидкого стекла до значений 1,3…1,5 за счет введения в его состав щелочи позволяет улучшить характеристики вяжущего: повысить прочность и темпы ее набора, снизить усадку и склонность вяжущего камня к образованию трещин под действием изменения его объема в процессе эксплуатации. Обязательным компонентом геополимерных вяжущих является добавка доменного гранулированного шлака в количестве 8…30 %, которая обеспечивает повышение прочностных характеристик и водостойкости вяжущего.

В технологии геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород отсутствует обжиг сырья, что обеспечивает намного меньшую энергоемкость их производства в сравнении с портландцементом. Кроме того, низкая энергоемкость технологии вяжущих на основе пылеватых отходов дробления щебня основана на высокой дисперсности сырья, которое требует лишь незначительного домола.

В технологии геополимерных материалов отсутствуют энергоемкие операции, однако для активации твердения вяжущего используется растворимое стекло, получаемое в результате высокотемпературного синтеза. Затраты энергии на производство этого материала не являются прямыми энергозатратами в технологии геополимерных строительных материалов, так как растворимое стекло закупается у специализированных предприятий производящих его. Тем не менее для полной оценки снижения потребности в энергоресурсах необходимо учитывать затраты на производство активатора твердения.

Энергетическую составляющую экологической эффективности материалов, полученных с использованием геополимерного вяжущего, по сравнению с материалами на основе портландцемента подтверждают данные (см. таблицу) по расходу энергии, потребляющейся на их изготовление.

Таблица – Расход энергетических затрат при производстве 1 тонны геополимерного вяжущего марки 500

Статьи расхода энергии на получение жидкого стекла, гидроксида натрия, измельчение шлака и гранита принимались из литературных источников [6, 9, 10].

Согласно данным, приведенным в таблице, на производство 1 тонны геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита затрачивается 463,8 кВт×ч энергии, при этом более половины этих затрат приходится на приготовление жидкого стекла.

По данным [9], при выработке 1 кВт×ч электроэнергии в окружающую среду выбрасывается примерно 0,61 кг углекислого газа. Значит, при производстве 1 тонны этого вяжущего в атмосферу выделяется 463,8×0,61=283 кг, или 0,283 тонны СO₂, что незначительно превышает количество углекислого газа, образующегося при производстве геополимерного цемента по традиционной технологии [10], и примерно в 2-3 раза меньше, чем при получении портландцемента [9].

В центральной части России одним из основных поставщиков щебня для строи­тельства является ОАО «Павловскгранит» (Воронежская область), которое ежегодно производит порядка 15 млн тонн горных пород. По данным [1] на предприятии в настоящее время накоплено несколько десятков миллионов кубометров пылевидных фракций отсева дробления, что создает серьезные экологические проблемы.

По существующим нормативным документам (Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды в ред. Приказа Госкомэкологии РФ от 15.02.2000, №77) размеры платы за размещение отходов в пределах установленных природопользователю лимитов определяются путем умножения количества отходов на коэффициенты ставок, учитывающих класс опасности отхода, уровень инфляции и уровень экологичности региона. Размер платы за размещение отходов рассчитывается по формуле

П_отх = К_экол × М_факт × Н_баз × К_инф × К_пл,

Тогда размер платы за размещение на территории Воронежской области отходов, образуемых при добыче и переработке щебня, составляет:

П_отх = 2×1000×8×1,46×1= 23360 руб./1000 тонн отходов.

Вовлечение в хозяйственный оборот многотоннажных отходов горных пород для получения геополимерных вяжущих позволит карьерам и горнообогатительным комбинатам сократить площади, занятые отвалами, или вовсе отказаться от складирования отходов.

Использование новой разновидности вяжущего на основе пылевидного отхода дробления гранитного щебня позволит снизить потребность в энергии для производства строительных материалов, уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу.