УДК 693, 69.05, 69.001.5

А.Б. ТРИНКЕР, доктор технических наук

Ключевые слова: многотоннажные отходы, арматура, опалубка, водопоглощение, коррозионная стойкость, агрессивная среда, износостойкость, плотность, пластификатор
Keywords: large tonnage waste, rebar, formwork, water absorption, corrosion resistance, aggressive environment, abrasion resistance, density, plasticizer

Статья посвящена советскому опыту использования многотоннажных отходов химических, металлургических, пищевых производств в строительстве с одновременным улучшением окружающей природной среды.

2017 год был объявлен в России Годом экологии. Это повод обратиться к незаслуженно забытому опыту отечественных строителей.

Безотходного производства не существует в принципе, создание «замкнутого цикла» промышленных производственных процессов – это фантастика. Но максимально снизить потребление невосполняемых природных ресурсов при эффективном использовании промышленных отходов, имея конечной целью сохранение природы и климата, – это реальная задача, и вклад отечественных ученых в ее решение может быть весом.

Высокофункциональный бетон (ВФБ), в английском варианте – High Performance Concrete, обладающий одновременно хорошими удобообрабатываемостью и удобоукладываемостью в опалубку с большим содержанием арматуры (выше 250 кг/м3), имеющий высокую прочность (B40-В80), морозостойкость (F300-F500) и водонепроницаемость (более W10), а также сопутствующие свойства: низкое водопоглощение, коррозионную стойкость в разных агрессивных средах, высокую износостойкость, плотность, защиту от биологической коррозии и низкую себестоимость – такой бетон был получен в ХХ веке. Именно из такого бетона построена Останкинская телебашня в 1963-1967 гг.

Предпосылки возникли в 1930-х гг.: поверхностно-активные вещества (ПАВ) были исследованы академиком П.А. Ребиндером (1898-1972 гг.). Открытие им в 1928 г. эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел, названного «эффектом Ребиндера», положило начало новой науке – физико-химической механике – и вошло в учебники, а его изобретения по коллоидной химии журналисты называют теперь «нанотехнологией». Изобретение 1928 г. повторно «изобрели» в конце ХХ в.

Общеизвестно, что «высокая подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси (литьевая технология) снижает трудоемкость работ, ускоряет темпы строительства и влияет на поверхность бетона; снижение водоцементного отношения бетона улучшает его структуру, повышает плотность, прочность, морозостойкость и, следовательно, долговечность» – цитата из опубликованного в 1952 г. труда [5] по итогам массового внедрения самого первого в мире ПАВ в промышленном масштабе.

Сульфитно-спиртовая барда (ССБ) (Инструкция Госстроя СССР 1951 г. № ИМ-202-51) – многотоннажные отходы целлюлозно-бумажных комбинатов, которые загрязняли окружающую природу. Это первая отечественная пластифицирующая химическая добавка, с применением которой всего-то за одну пятилетку было успешно изготовлено более 4 млн кубометров пластифицированного бетона, что наряду с уменьшением отходов – выбросов ЦБК – позволило значительно улучшить экологию и снизить парниковый эффект.

В итоге дальнейшей очистки лигносульфонатов от вредных веществ было получено ПАВ с более стабильными свойствами и меньшим содержанием редуцирующих веществ: сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) (Указания Госстроя СССР 1970 г., СН 406-70). Было пластифицировано более 60 млн тонн цемента в год, или 50% от всего бетона, изготавливаемого отечественной промышленностью. Одновременно шла работа по модифицированию СДБ электролитами, которые как комплексные добавки впервые защищал в 1955 г. в своей диссертации Б.Д. Тринкер, а потом применил их при возведении Останкинской телебашни.

Параллельный этап в научно-технической модернизации – получение в лаборатории и применение лигносульфонатов технических (ЛСТ) разных марок. Учитывая индивидуальные требования для монолитного и сборного бетона, а также технологии и режимы ТВО, требовалось создать гибкую и одновременно универсальную добавку.

Помимо ССБ, СДБ, ЛСТ применяли еще несколько десятков химических добавок, пластификаторов, ускорителей, разжижителей, которые вводили в бетонные смеси в количестве 3-10%.

В начале 1970-х впервые была поставлена научно-техническая задача производства и применения обезвоженного, т.е. сухого пластификатора ЛСТ, который может храниться длительное время и при любой температуре, транспортироваться на любые расстояния в герметической таре и имеет стабильные свойства.

Как известно, ранее ССБ, СДБ, ЛСТ отпускали с ЦБК в цистернах в 50% концентрации и применяли в виде раствора 10-15% концентрации.

В результате НИОКР была получена сухая ЛСТ, которую обезвоживали в калориферах на ЦБК и хранили в крафт-мешках. Дополнительный эффект был получен в результате транспортирования добавки в мешках, компактного складирования и точности при дозировании. Одновременный значительный эффект и в том, что в отличие от раствора сухая ЛСТ не имеет ограничений в сроках годности и температурных параметрах хранения.

Процесс поиска новых эффективных добавок ускорился после приезда в 1974 г. из западногерманского города Гейдельберга двух профессоров с канистрой добавки, которую они назвали «суперпластификатор Melment». После подробного доклада в НИИЖБ Госстроя СССР (автор данной статьи присутствовал как секретарь секции монолитного бетона) они передали 20 литров раствора Melment в центральную лабораторию коррозии профессору В.М. Москвину. В скором времени в НИОПиК Минхимпрома СССР при помощи масс-спектрометра специалисты получили точный химический состав раствора. Как оказалось, основой Melment была нафталино-формальдегидная смола. Чтобы получить авторское свидетельство, во ВНИИГПЭ была отправлена заявка на суперпластификатор С-3, компонентами которого являлись нафталино-формальдегидная смола (то есть Melment) и отечественная СДБ. Пластифицирующий эффект от применения С-3 оказался меньшим, чем от Melment. При стоимости добавки СДБ по тем ценам 5-10 руб./т и содержании в бетоне в количестве от 0,15 до 0,3 сухого вещества от массы цемента С-3 стоил 1000 руб./т и вводился в 2,5 раза большем количестве. Нетрудно подсчитать, что никакой эффект от применения С-3 не компенсирует расходы (кстати, ПЦ марки 400 тогда стоил 23 руб./т). Кроме того, нафталино-формальдегиды вызывали аллергию и астму.

В 1979 г. из Японии ученые привезли еще один «супер» на основе органических смол – «Майти», но меламино-формальдегидная смола была еще более высокой стоимости и токсичности.

В 1984-1985 гг. в центральной лаборатории коррозии НИИЖБ были проведены комплексные многостадийные сравнительные испытания всех существующих химических добавок, подтвердившие наибольший экономический эффект при использовании Супер-ЛТМ на основе ЛСТ (СДБ) и электролитов, широко применявшихся с конца 1940-х годов без вредных последствий для людей и природы.

В начальный период в электролитах использовались несколько солей, в т.ч. нитрат натрия, нитрат кальция и др. Однако наилучшую совместимость с лигносульфонатами и, главное, безвредность для обслуживающего персонала и противопожарную безопасность, а также отсутствие ограничений как не вызывающий коррозию арматуры (чем отличаются все хлориды) показал сульфат натрия. Он же обладал минимальной себестоимостью.

Общеизвестно, что авария метромоста в Москве на Воробьевых горах, повлекшая последующий многолетний и очень дорогостоящий ремонт, произошла в результате непроверенной и неотработанной технологии применения химических добавок-ускорителей на основе хлоридов (ХК, ННХК). Поэтому в условиях, максимально приближенных к производственным, в климатических камерах Feutron в центральной лаборатории специальных и высотных сооружений и конструкций ВНИПИ «Теплопроект» несколько лет проверяли бетон с комплексными добавками и разными электролитами, а затем с универсальным суперпластификатором ЛТМ.

Наилучший результат среди разных модификаций лигносульфонатов и добавок из смол показал ЛТМ (Рекомендации Госстроя СССР 1987 г.). В течение 1985 г. заводом ЖБИ № 17 под техническим руководством автора статьи был полностью освоен промышленный выпуск всей номенклатуры изделий: забивные сваи длиной от 4 до 17 метров, плиты покрытий и перекрытий, фундаментные блоки, дорожные плиты, товарный (летний и зимний) бетон – в полном объеме 170 тыс. кубометров бетона в год (фото 1-4).

Была отработана технология получения ЛТМ из ЛСТ – многотоннажных отходов Кондопогского ЦБК, получаемых практически бесплатно в цистернах по 60 тонн 50% концентрации, и сульфата натрия – отходов производства Щекинского витаминного завода Минмедбиопрома СССР, покупаемых за символическую плату в 10 руб. за тонну.

Проверка всех параметров подтвердила уникальные свойства Супер-ЛТМ: низкая себестоимость, не сравнимая с другими добавками, получение стабильной литой (до 22-25 см осадки стандартного конуса) бетонной смеси в любое время года с высокими прочностью (B30-В40), морозостойкостью (F300) и водонепроницаемостью (W8-W12) бетона всех производимых заводом ЖБИ № 17 конструкций и бетона для монолитных сооружений. Центральная санитарно-эпидемиологическая служба гарантировала экологическую безопасность при применении Супер-ЛТМ.

Одновременно Супер-ЛТМ широко применялся для получения осободолговечного бетона в монолитном гидротехническом и специальном высотном строительстве (фото 5).

В 1986 г. на более мощном Краснопресненском заводе ЖБК ДСК № 1 Главмосстроя автором статьи была смонтирована и запущена самая большая в СССР установка с 12-кубовой рабочей емкостью при производительности завода 550 тыс. кубометров бетона в год (фото 6-8).

Была отработана технология приема порошкообразного сульфата натрия, поставляемого с Волгодонского химического комбината Минхимпрома СССР в 60-тонных цистернах. От многотоннажных отходов производства моющих средств (стиральных порошков) завод был просто рад избавиться, прекратив загрязнять р. Волгу!

Для лучшего ускоренного перемешивания при приготовлении Супер-ЛТМ автором статьи был смонтирован РПА-гомогенизатор (фото 9).

Роторно-пульсационные аппараты сочетают в себе принципы работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса. Путем пульсационных, ударных и других гидродинамических воздействий, происходящих в РПА, изменяются физико-механические свойства производимых продуктов, снижается энергопотребление за счет интенсификации технологических процессов.

Характеристики РПА-15
Подача 15 м3/час.
Напор – 10 м водного столба.
Диаметр всасывающего и нагнетательного патрубков – 50 мм
Марка электродвигателя – А112М2Ж1:
частота вращения – 2900 об./мин.,
мощность – 7,5 кВт.
Габаритные размеры РПА-15, мм:
длина – 640,
ширина – 390,
высота – 470.
Масса – 70 кг.

По сути, уже тогда впервые в Москве была промышленно применена нанотехнология для строительного производства! Супер-ЛТМ использовали в 1986 г. на всех 8-ми конвейерных линиях, производящих наружные стеновые панели с гибкими связями, панели кровли, перегородки и другие конструкции, получив большие экономические эффекты, а автор технологии получил серебряную медаль ВДНХ СССР в 1990 г.

За пятилетку с 1985-го по 1990 г. Супер-ЛТМ успешно применялся в специальном высотном строительстве СССР, в монолитном и сборном домостроении Москвы. Высокий экономический эффект был получен в широком диапазоне технологий: при возведении высотных градирен и труб, на агрегатно-поточных, конвейерных и кассетных линиях, при производстве многопустотных настилов перекрытий с преднапряженной арматурой и жесткостью бетонной смеси 20 секунд (ЗЖБИ-5, ЗЖБИ-6, ЗЖБИ-8 ГМПСМ), при сокращенном и сверхжестком режимах тепловой обработки: около 5 час. и 90°С (комбинат ЖБК-9 ГМПСМ), по литьевой технологии в кассеты высотой 4 метра (Тушинский ЗЖБК ДСК-1 ГМС). Были отработаны технологии применения Супер-ЛТМ на прокатных станах ДСК-3 с керамзитобетоном, в пропарочных камерах с острым и глухим паром, с конвективным и контактным электроразогревом.

Необходимо отметить: все химические добавки на основе лигносульфонатов и сульфата натрия абсолютно безвредные в отличие от химических добавок на основе полимерных смол (меламино- и нафталино-формальдегидные и др.). Известно, что СДБ успешно заменяет мыло, а сульфат натрия – простейший и доступный ускоритель твердения. Все компоненты Супер-ЛТМ безвредны для человеческого организма. Лигносульфонаты – отходы производства ЦБК – самые многотоннажные, особенно перспективны в связи с их доступностью, распространенностью и способностью к совершенствованию для современных исследователей, имеющих качественное лабораторное оборудование.

Давно известно с библейских времен: все новое – это хорошо забытое старое. В первое десятилетие ХХI века в развитых странах проводят исследования в области нанотехнологий, получая вещества с особыми свойствами.

Созданный в Москве в начале 1980-х аппарат РПА для особо тонкого измельчения нескольких компонентов разной консистенции, не смешиваемых в обычных миксерах, применялся на заводах сборного железобетона для получения высококачественной смазки для форм. Смазку по разработанной автором статьи технологии готовили также из отходов производства пищевой промышленности – органических жиров, это тоже отечественная нанотехнология!

Роторно-пульсационный аппарат позволяет за короткий промежуток времени при минимальных энергетических затратах перемешать компоненты и получить высокогомогенный состав на молекулярном уровне, то есть наноматериал. При помощи РПА на основе Супер-ЛТМ получили новое вещество с уникальными свойствами: суперпластификатор нового поколения, используя который, успешно промышленно получили и применили всепогодные самоуплотняющиеся бетоны и строительные композиты. Нанотехнология активированных строительных материалов и композитов, наномодификаторы на основе ЛТМ привели к созданию индустрии наноносителей, улучшающих экологию.

РПА, с помощью которого получили модифицированный Супер-ЛТМ, – это еще один шаг вперед. Сейчас необходимо продолжать устанавливать последовательно РПА и сушильный калорифер на ЦБК и применять для приготовления бетона сухой модифицированный Супер-ЛТМ (фото 10), тем самым получая значительную дополнительную (от суммарного исходного достижения) экономическую прибыль.

Всего за пятилетку (по 1989 г.) с применением модифицированного Супер-ЛТМ было изготовлено более 20 млн кубометров бетона, что позволило получить огромный экономический, производственно подтвержденный эффект за счет: экономии цемента от 8 до 15%; повышения удобоукладываемости бетонной смеси – применения литьевой технологии (снижение трудозатрат и электроэнергии); повышения срока службы, долговечности строительных сооружений и конструкций; сокращения срока ТВО и расходов на обогрев бетона; утилизации-использования отходов индустрии.

Это была новая отечественная промышленная чрезвычайно прибыльная технология, которая в течение 1960-1980-х гг. довела до 90% химизации все производство бетона в СССР с одновременной утилизацией-использованием многотоннажных отходов разных производств, загрязняющих природу!

Библиографический список
1. Байков А.А. Гидравлические цементы и гидравлические добавки, их состав, твердение и разрушение в природных условиях / Сб. «Пуццолановые цементы», № 71, Транспечать, НКПС, 1927.
2. Ребиндер П.А. и др. Поверхностные явления и значения малых добавок адсорбирующихся веществ в технологии строительных материалов // Известия АН СССР, ОТН, № 4, 1937.
3. Москвин В.М. Добавки-ускорители твердения бетона, ОНТИ, 1937.
4. Шестоперов С.В., Тринкер Б.Д., Стольников В.В., Гинзбург Ц.Г. Инструкция по изготовлению бетона с применением пластифицированного цемента или обычного цемента с добавкой на месте работ концентратов сульфитно-спиртовой барды (ИМ-202-51), Госстройиздат, 1951, с. 1-18.
5. Тринкер Б.Д. Применение пластифицированного цемента и пластифицирующих добавок к бетону, Минстроймаш, НИИС, – Москва – Ленинград: Госстройиздат, 1952, с. 1-60.
6. Стольников В.В. Воздухововлекающие добавки в гидротехническом бетоне, Госэнергоиздат, 1953.
7. Москвин В.М., Тринкер Б.Д. Руководство по проектированию и подбору состава гидротехнического и обычного бетона, Министерство строительства РСФСР, НИИС, – Москва, 1957.
8. Тринкер Б.Д. Указания по применению бетона с добавкой концентратов сульфитно-дрожжевой бражки СН 406-70, Госстрой СССР, 1970, стр. 1-18.
9. Тринкер А.Б. Практикой проверено – внедряйте! Волшебная добавка ЛТМ // Строительная газета, № 295 (8762), 24 декабря 1988, стр. 2.
10. Баландин Р.К. Цивилизация против природы. Что происходит с погодой и климатом? – Москва: Вече, 2004, – 384 с.
11. Материалы Парижской (22 ноября – 11 декабря 2015 г.) международной конференции по климату (КС-21) в рамках конвенции ООН об изменении климата Земли (РКИК ООН).