Экология и строительные материалы

Дата публикации: 
23.01.2015

строительные материалы

В последнее время возрастают требования к экологичности жилья. Высокие экологические свойства зданий позволяют продавать жилье быстрее и по более высоким ценам. Какие строения можно считать экологичными? Какие строительные материалы используются при их сооружении? Как повысить экологичность существующих стройматериалов?

 

Международный экологический стандарт

 

Термин "экология" в буквальном переводе означает "наука о доме". Значение производного от него прилагательного "экологичный" формально определить пока еще никто не смог, хотя все на интуитивном уровне понимают, что оно обозначает. То же самое происходит с понятием "экологичный дом". Каждый хотел бы жить в таком доме, но, опять-таки, коротко и ясно определить, что это, ни у кого не получается. Существует лишь набор свойств, которыми экологичный дом должен.

Чтобы построить экологичный (в последние годы этот термин все чаще заменяют на "зеленый") дом, необходимы экологичные строительные материалы. И опять-таки вместо четкого определения таких материалов их обычно характеризуют неким набором свойств, совокупность которых была определена сообществом специалистов и сформулирована в виде требований международного стандарта EcoMaterial 1.0/2009 "Система сертификации экологически безопасных материалов". Если свойства строительного материала соответствуют требованиям стандарта, то материал может получить право называться экологичным и на него можно наносить знак стандарта EcoMaterial. Разумеется, для получения такого права материал должен быть изучен независимой организацией EcoStandardgroup. Ее эксперты рассматривают радиологическую, электромагнитную безопасность материала, тестируют выделения вредных веществ при его эксплуатации, принимают во внимание возможность использования отходов для изготовления материала и многое другое.

В целом эксперты оценивают материал по 23 критериям, которые разделены на три блока:

- безопасность материала для здоровья человека;

- влияние материала в течение всего его жизненного цикла (от производства до утилизации) на окружающую среду;

- экологическая ответственность производителя материала, под которой понимают проводимые им мероприятия по охране окружающей среды.

Экологичность материала эксперты оценивают в баллах. Необходимый минимум для признания материала экологичным - 85 баллов.

В России первой "звания" EcoMaterial удостоена теплоизоляция ROCKWOOL, которой присвоено 137 баллов. Вслед за ROCKWOOL стандарт EcoMaterial получил теплоизолятор из штапельного стекловолокна URSA GLASSWOOL. А теплозвукоизоляционный материал URSA Pure One удостоен высшей оценки - ему выдан сертификат EcoMaterial Absolut. (При производстве Pure One не используются фенолформальдегидные связующие, он приятен на ощупь (как хлопок), не колется, практически не пылит.) Научный центр здоровья детей Российской академии медицинских наук (РАМН) рекомендует Pure One для использования при строительстве и реконструкции дошкольных, общеобразовательных и лечебно-профилактических учреждений. Пока это единственный изоляционный материал на основе минерального волокна, получивший столь высокую оценку экологичности в РАМН.

 

Примечание. В России существует немало строительных материалов, достойных знака EcoMaterial. Просто изготовители еще не успели представить их в EcoStandard.

 

Экологический ряд стройматериалов

 

Какие материалы в принципе могут быть признаны экологичными? Для оценки экологичности обычно используются следующие критерии:

1) экологичность сырья, то есть отсутствие в нем радиоактивных частиц, ядовитых веществ, вредных микроорганизмов;

2) воспроизводимость сырья в природе;

3) энергетические затраты на превращение сырья в готовый строительный материал (кирпич, блок, пакет, деревянную доску, брус и т.п.);

4) влияние здания, построенного с использованием этого материала, на условия обитания в нем;

5) долговечность материала, его способность противостоять разрушению под воздействием атмосферных факторов, микроорганизмов;

6) возможность рециклинга, то есть использования после сноса строения.

Основное влияние на экологичность жилища (термин, понимаемый на интуитивном уровне, но еще не определенный) оказывают ограждения - стены, потолок, пол. В наибольшей степени влияют на экологичность стены, поэтому рассмотрим в первую очередь экологичность тех строительных материалов, которые используются ныне для их возведения.

В настоящее время международным сообществом специалистов составлен так называемый ряд экологичности стеновых строительных материалов: на первом месте в этом ряду находится наиболее экологичный материал, на втором - менее экологичный и т.д. по убывающей.

 

Древнейшие стройматериалы - лидеры экологичности

 

Как это ни покажется необычным, странным, неприемлемым, на первом месте в ряду экологичности стеновых материалов находится... пшеничная солома. Более того, выращивать некоторые сорта пшеницы начали в первую очередь не ради зерна, а для получения стебля.

В России тоже началось "соломенное" строительство. Так, московское ООО "Середа" строит соломенные дома, организует обучающие семинары.

На втором месте в экологическом ряду стоит сырая (необожженная) глина. В жилищах, стены которых сооружали из этого материала, когда-то проживала большая часть населения Земли, в настоящее время живет не менее четверти. И, что самое интересное, доля глиняных домов в последние годы начала расти, в первую очередь - в наиболее развитых странах.

 

Примечание. В развитых странах быстро увеличивается строительство жилья из соломы и необожженной глины. Очевидно, скоро мода на такие дома придет и в Россию.

 

Недавно были проведены исследования влияния глиняного жилища на здоровье. Достоверно установлено, что даже получасовое пребывание человека в "глиняной" комнате приводит к улучшению его самочувствия. Учитывая это, а также дешевизну глины, в настоящее время во многих, причем отнюдь не самых бедных, странах (Англия, Германия) начинает развиваться глиняное домостроение. А в столице Австрии Вене из глины построено семиэтажное (!) здание.

На третьем месте в экологическом ряду стоит древесина. Экологичность жилищ из нее не требует комментариев. Однако древесина даже для нашей, отнюдь не безлесной, страны - весьма дорогой строительный материал, так что в деревянных домах пожить удается далеко не всем россиянам.

Стремление жить в домах, хотя бы приближающихся по экологичности к деревянным, побуждает использовать для производства стеновых материалов древесину в виде отходов - опилок, стружки, дробленки. В этих целях созданы арболит (в буквальном переводе с французско-греческого "деревянный камень"), получаемый из смеси дробленки с портландцементом, ксилолит (тоже "дерево-камень" в буквальном переводе с греческого), получаемый из смеси опилок, другой тонкодисперсной древесины и магнезиального цемента.

 

Гипсовые строительные материалы

 

На четвертом месте в экологическом ряду стоит гипс. В природе он находится в виде мощных отложений, встречающихся во многих странах. Из этих отложений можно вырезать кирпичи, блоки, превращая таким экономным способом природное сырье в стеновой строительный материал, готовый к употреблению. Однако гипсовые отложения, как правило, имеют много трещин, вырезать из них кирпичи без изъянов не удается.

Поэтому гипс используется как сырье для строительных материалов: его куски в специальных устройствах, называемых гипсоварочными котлами, нагревают до 180 - 200 град. Цельсия. При такой температуре три четверти воды, содержащейся в минерале, испаряются, а образовавшийся продукт, будучи смолотым, приобретает способность при обычной температуре вступать в реакцию с водой и становиться вяжущим, то есть образовывать подвижную вначале массу, называемую тестом, самопроизвольно превращающуюся в твердое тело. Из гипсового теста можно делать и кирпичи для стен, и штукатурку, и другие изделия, причем самых разнообразных форм.

Пористая структура гипсового камня способствует его ускоренному высыханию, что позволяет сократить время стабилизации температурно-влажностного режима во вновь построенных зданиях. Равновесная влажность гипсовых штукатурных растворов при 20 град. Цельсия и относительной влажности воздуха 50% равна 4 - 10%, тогда как цементных штукатурок - более 15%.

Гипсовые материалы создают благоприятный для организма человека климат. К тому же они не горят и поэтому используются в качестве противопожарных преград. Экологичность конечного продукта и меньшие энергетические затраты привели к тому, что в развитых странах количество гипса, производимого в расчете на одного жителя, составляет около 60 кг, в России - 13 кг. В нашей стране чаще используется портландцемент - крайне антиэкологичный вяжущий. Многие элементы жилого дома, которые можно было бы изготавливать из гипса, производят из железобетона. Примерами служат ненесущие комнатные перегородки, стяжки для выравнивания межэтажных перекрытий, штукатурка.

Более того, даже стены малоэтажных зданий можно воздвигать не из железобетона или кирпича, а из гипса. Доказательством этого могут служить трехэтажные дома в г. Октябрьском (Башкортостан), построенные накануне Великой Отечественной войны для нефтяников. Они успешно эксплуатируются до сих пор.

В нашей стране с середины прошлого века объемы использования гипса замерли на низком уровне из-за плохого качества выпускаемой на его основе продукции, а также из-за развития крупнопанельного домостроения, основанного на портландцементе.

Около 20 лет назад в Россию "пришла" немецкая промышленная группа "Кнауф", построившая несколько заводов, на которых из российского природного гипса начала изготавливать широкую номенклатуру гипсовых изделий великолепного качества. И производство гипсовых стройматериалов в России стало прирастать довольно высокими темпами: если в 2000 г. потребление гипса составляло около 2 млн т, то уже в 2007 г. оно выросло до 4,5 млн т.

 

Примечание. В настоящее время объемы производства строительных материалов из гипса быстро увеличиваются. Только с 2000 по 2007 г. объемы добычи гипса в России выросли более чем вдвое.

 

"Кнауф" впервые в России начала производство гипсовых сухих строительных смесей - материалов, которыми завершают процесс отделки поверхностей, придают им законченный вид. Новыми для России строительными материалами стали и гипсоволокнистые плиты - изделия, получаемые из смеси гипса с измельченной макулатурой. Эти плиты - великолепный материал для отделки потолков, стен. Пригодны они и в конструкциях пола в качестве подосновы линолеума, ковровых покрытий.

Сегодня "Кнауф" изготавливает в России широкий спектр строительных материалов из гипса - пазогребневые плиты, гипсокартонные листы, разнообразные строительные смеси, огнезащитные плиты "Кнауф - Файерборд" и многое другое. Появились у группы "Кнауф" и российские конкуренты.

Гипс использовали бы еще в больших объемах, если бы был устранен его основной недостаток - низкая водостойкость. Поэтому во всем мире, в том числе и в России, проводятся исследования, направленные на повышение водостойкости гипса, и уже предложено немало способов достижения этого, однако большая часть их почти не реализуется.

Наиболее простым на сегодня способом повышения водостойкости гипсовых изделий является их обработка гидрофобизаторами - веществами, снижающими как их смачиваемость водой, так и впитываемость воды. Такими гидрофобизаторами являются "Пента-811", "Пента-814", "Софэксил 40", "Софэксил - Защита М", "Протекс - Гидро" и ряд других.

Российские ученые создали так называемые композиционные гипсовые вяжущие низкой водопотребности. Они представляют собой смеси гипсового вяжущего с гидравлическим компонентом. Этот компонент получают совместной активацией (тонким измельчением) портландцемента, аморфного кремнезема и суперпластификатора С-3. Назвали его органоминеральным модификатором.

Гипсовые изделия, полученные из обыкновенного строительного гипса с добавлением такого модификатора, пригодны для эксплуатации в открытой атмосфере. Производит модификатор ООО "Эволит" (г. Москва). А компания "Петромикс" (г. Санкт-Петербург) начала производство самонивелирующегося ровнителя "Петромикс ГПС" для пола. Это сухая смесь, состоящая из высокопрочного альфа-гипса марки Г-16, микрокремнезема и гидрофобизатора. Пол, выполненный из такой смеси, столь же прочен, сколь и бетонный, но дешевле и, разумеется, экологичнее. Он может выдерживать без разрушения заливание водой в течение четырех часов.

Инновационные строительные материалы под названиями "Ротгипс - МП", "Ротгипс - МШ", "Ротгипс - Плюс" разработало ООО "Прикамская инновационная компания". Эти материалы обладают высокими скоростью твердения, прочностью, устойчивостью к агрессивной атмосфере. Предназначаются они для изготовления гипсовых изделий, с помощью которых можно придавать выразительность фасадам зданий, ремонтировать их.

 

Кирпич и известь экологически приемлемы

 

Кирпич керамический (глиняный) в экологическом ряду ставят на пятое место. В виде готового изделия этот материал экологичен, но для того, чтобы его произвести, необходимо исходное сырье (глину) нагреть до температуры около 1000 град. Цельсия и выдержать при ней несколько часов. Подобная технология никак не может быть признана экологичной, потому что для ее реализации требуется много топлива, при сжигании которого образуются большие количества оксидов азота, серы, углерода, сажистых веществ, золы, шлака. Также следует отметить, что запасы глин, которые пригодны для получения кирпича, вблизи заводов, как правило, выработаны, поэтому нередко приходится завозить их за сотни километров, что отнюдь не добавляет экологичности глиняному кирпичу.

Однако есть и способы повышения экологичности данного материала. Один из них - добавление к глине так называемых флюсов (плавней), которые понижают температуру ее спекания. Уже найден плавень, который уменьшает эту температуру почти на 300 град. Цельсия.

Другой способ - биотехнологический. Еще в Советском Союзе ленинградский ученый, профессор Е.В. Виноградов обнаружил, что силикатные бактерии (есть в природе и такие) способны поедать кварцевые примеси в глине, превращая ее из тощей в жирную.

Ради того чтобы снизить теплопроводность, изготавливают кирпич с пустотами внутри. Такой кирпич называют пустотным или пустотелым. А недавно научились делать из глины стеновые материалы, названные "теплой керамикой". Ее в России начали производить в виде блоков большого формата - до 14 НФ (1 НФ - это нормативный формат стандартного кирпича размером 250x120x65 мм) под фирменным названием POROTHERM.

Теплопроводность POROTHERM - 0,13 - 0,21 Вт/мК (сопоставимые показатели у древесины) достигается за счет образования оптимальных по форме многочисленных вертикальных пустот, причем объем каждой из них значительно меньше, чем в традиционном пустотном кирпиче. (Известно, что воздух тем лучше сохраняет теплоту, чем меньше объем замкнутого пространства, в котором он заключен. Лучше всего воздух удерживает теплоту в ячейках, диаметр которых близок к длине свободного пробега молекул.) Общий же объем пустот достигает 53%, что намного выше, чем у пустотелого кирпича.

Второй фактор, обеспечивающий высокие теплоизоляционные свойства POROTHERM, заключается в том, что структура его керамических стенок пористая. Это достигается добавлением в исходное глиняное сырье так называемых выгорающих добавок - мелких частиц древесины, пенополистирола, макулатуры. При обжиге они сгорают, образуя внутри керамического тела микропоры.

Кирпич силикатный получают, выдерживая в автоклавах при температуре около 180 град. Цельсия в течение 10 - 12 часов "прекирпичи" - заготовки, получаемые прессованием смеси, состоящей из кварцевого песка (90%), гашеной извести (8%) и воды (2%). Совокупный расход энергии на производство силикатного кирпича значительно ниже, чем на получение кирпича глиняного, а конечный продукт столь же экологичен.

Однако до сих пор в России керамического кирпича производится больше, чем силикатного. Главные недостатки силикатного кирпича - он менее водостоек и может разрушаться при интенсивных пожарах. Однако гидрофобизирование позволяет сделать силикатный кирпич более водостойким, а специальные противопожарные мероприятия - огнестойким.

 На шестое место  по  экологичности ставят известь. Под таким обобщающим названием понимают в  настоящее  время  несколько  близких  по  химическому составу вяжущих веществ, основные из которых - известь негашеная и  известь гашеная. Их химический состав может быть отображен формулами  CaO и Ca(OH)соответственно. Известь негашеную получают обжигом известняка - горной породы, основным компонентом которой является  кальцит. Его  химический  состав  может  бытьотображен формулой СаСО .                  

В качестве вяжущего используют гашеную известь. Ее получают, смешивая негашеную известь с водой. Ныне известь применяется для производства силикатного кирпича, газосиликата. А еще 200 лет назад, до появления портландцемента, гашеная известь была основным вяжущим веществом, использовавшимся для возведения каменных и кирпичных сооружений различного назначения, и вяжущим великолепным. До наших дней дошел не только "водопровод, сработанный еще рабами Рима", но и стены крепостных сооружений, мосты, дворцы многовековой давности.

 

Примечание. Распространенное предубеждение относительно низкой экологичности силикатного кирпича ошибочно. По экологическим свойствам силикатный и керамический кирпичи практически не отличаются друг от друга.

 

Одним из свидетельств экологичности извести являются новгородские храмы, построенные еще в те времена, когда портландцемента не было. Эти сооружения удивляют посетителей тем, что в них легко дышится: при их сооружении в качестве кладочных и штукатурных использовались известково-песчаные растворы. Они обладают высокой воздухо- и паропроницаемостью, в них не поселяются микроорганизмы.

 

Методы повышения экологичности бетона

 

Основной материал, из которого в настоящее время строят как промышленные предприятия, мосты, гидротехнические сооружения, так и жилые дома, - это железобетон. Обеспечивая строениям высокую прочность, железобетон как стеновой материал для жилищ не выдерживает критики с позиции экологов. По экологичности бетон и железобетон находятся лишь на седьмом месте в экологическом ряду стройматериалов. Экологичность железобетонных жилищ весьма точно характеризует выдержка из одного документа Организации Объединенных Наций: "Тюрьма - это место лишения свободы, а не здоровья. Поэтому камеры для заключенных из железобетона строить не рекомендуется". Кроме того, производство портландцемента (вяжущего для бетона) ужасающе энергоемко, сопровождается выбросом в атмосферу громадных количеств теплоты, углекислого газа, токсичных оксидов азота, серы.

Бетон отнюдь не вечен: изделия, изготовленные из него, постепенно разрушаются под влиянием агрессивной атмосферы и осадков. Наряду с этим многие бетонные сооружения, например знаменитые "хрущевки", морально устарели. Их сносят, возникают отходы - бетонолом (в странах ЕС, к примеру, ежегодно образуется по 0,9 т бетонолома на одного жителя). Поэтому в настоящее время очень важной проблемой является утилизация отходов бетона. Наиболее эффективным ее направлением считается рециклинг, то есть использование бетонолома для изготовления новых бетонных изделий.

Рециклинг прежде всего позволяет заменять в свежем бетоне инертные заполнители - песок и щебень, для добычи которых нужны карьеры - "язвы в теле Земли". Бетонолом дает возможность экономить и некоторое количество цемента, потому что в бетонном изделии, даже старом, часть цементных зерен с водой так и не прореагировала. При переработке бетонолома его подвергают дроблению, в процессе которого цементные зерна могут быть разрушены с обнажением их непрореагировавшей части. Поэтому неспроста бетон, приготавливаемый с использованием бетонолома, назвали "зеленым". Называют его и биопозитивным. Во многих странах рециклинг бетона начали стимулировать материально.

В настоящее время изыскиваются способы повышения экологичности железобетона. Основное направление здесь - поиск методов снижения доли портландцемента, необходимого для производства изделия, поскольку именно он вносит наибольший антиэкологический "вклад".

Один из способов - использование химических добавок - веществ, которые при введении их в исходные цементные смеси повышают прочность бетонных изделий. А если повышения прочности не требуется, то химические добавки позволяют снизить расход цемента, что приводит к повышению экологичности изделия.

Второй способ, который начал активно развиваться в последние годы, - введение в цементные смеси химических веществ, названных наномодификаторами. Их, в отличие от традиционных химических добавок, надо вводить в ничтожно малых (десятые и даже сотые доли процента) количествах. Поэтому их называют еще нанодобавками.

Третий способ - армирование бетона не стальной прутковой арматурой, а тонкими волокнами - углеродными, полипропиленовыми, полиамидными, базальтовыми. Равномерное диспергирование таких волокон в исходных цементных смесях, называемое дисперсным армированием, позволяет заметно повысить прочность бетонных изделий. А количество волокон, необходимых для того, чтобы повысить прочность, невелико. Бетоны, армированные такими волокнами, экологичнее железобетона и вследствие меньшего расхода портландцемента, и потому, что в них нет стальной арматуры.

Четвертый способ - снижение расхода цемента за счет введения в исходную смесь заполнителей, которые займут большую долю объема в изделии, оставив для цементной матрицы меньший объем (а следовательно, и массу).

В настоящее время наиболее эффективным из таких заполнителей является пенополистирол, используемый в виде гранул диаметром 2 - 5 мм. Бетон с такими гранулами назван полистиролбетоном и в настоящее время становится одним из самых востребованных стеновых материалов, поскольку он легок, имеет хорошие теплоизоляционные свойства и достаточную прочность. Гранулы пенополистирола в нем защищены от возможного пожара негорючей матрицей, по этой же причине не разрушаются и от солнечного света. Из него можно изготавливать блоки, применим он и для монолитного строительства.

Полистиролбетон оказался настолько эффективным строительным материалом, что группе московских специалистов в 2010 г. была присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники "За создание композиционных полистиролов нового поколения при массовом строительстве энергоэффективных зданий". Отечественный полистиролбетон, разработанный лауреатами этой премии, оказался более дешевым, чем австрийский аналог - "Аустроплан".

Пятый способ - магнитная обработка воды затворения. Наверное, основным недостатком обычного портландцемента является то, что его зерна вступают в реакцию с водой лишь на треть их объема, а две трети остаются инертным заполнителем. Поэтому долгое время ведутся поиски способов повышения глубины взаимодействия воды с цементом, то есть более полного протекания химической реакции между данными веществами. Давно уже было установлено положительное влияние на эту реакцию магнитного поля. До недавнего времени поле должной интенсивности можно было создавать лишь с помощью электромагнитов. Их использование усложняло технологию изготовления бетонных изделий, не всегда обеспечивало воспроизводимость результатов, требовало квалифицированного обслуживающего персонала, расхода электроэнергии, поэтому не получило всеобщего признания.

К настоящему времени в нашей стране освоено производство суперсильных постоянных магнитов, поэтому отпала необходимость в электроэнергии, специальном персонале. Выявлены и причины, по которым не возникает эффект омагничивания. Поэтому сейчас сложилась благоприятная ситуация для широкого внедрения данного способа повышения экологичности бетонного производства.

Категория: 

экологичные материалы