Ресурсосбережение в технологии строительных материалов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Н. И. БУРАВЧУК
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
В ТЕХНОЛОГИИ
СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Ростов-на-Дону
Издательство Южного федерального университета
2009

УДК 691
ББК 38.3
Б 90
 
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета 
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Курочка П. Н.,
доктор химических наук, доцент Ерейская Г. П. 
Учебное пособие подготовлено и издано в рамках национального проекта 
«Образование» по «Программе развития федерального 
государственного образовательного учреждения 
высшего профессионального образования 
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»
 
 
Буравчук Н. И.
Б 90   
Ресурсосбережение в технологии строительных материалов: учебное пособие / Н. И. Буравчук. – Ростов н/Д: 
Изд- 
во ЮФУ, 2009. – 224 с.
             ISBN 978-5-9275-0681-1
 
   Обобщены результаты исследований  и опыт промышленного использования золошлаковых отходов Новочеркасской ГРЭС и горелых 
пород отвалов некоторых шахт Ростовской области в производстве 
заполнителей, вяжущих, керамики, бетонов различного назначения, 
материалов для дорожного строительства; даны сведения о составе и 
свойствах горелых пород шахтных отвалов и золошлаковых отходов; 
приведены технологические схемы ресурсосберегающих технологий 
производства строительных материалов.
 
   Для инженерно-технических и научных работников угольной 
и строительной отрасли, занимающихся разработкой техногенных 
месторождений, производством строительных материалов, охраной 
окружающей среды.
ISBN 978-5-9275-0681-1                                                                   УДК 691
  
 
 
 
                 
 
    
          ББК 38.3
© Буравчук Н. И., 2009
© Южный федеральный университет, 2009 
© Оформление. Макет. Издательство
 
 
 
 
          
 
Южного федерального университета, 2009

ВВЕДЕНИЕ
Перед строительными организациями особенно остро стоит 
задача рационального природопользования, позволяющего удовлетворить потребности производства, не забывая об охране и воспроизводстве окружающей среды. При этом идеология безграничного 
технического прогресса уступает место концепции устойчивого 
развития, учитывающей интересы не только нынешнего, но и 
грядущих поколений.
Одно из направлений этой концепции – использование отходов 
промышленности, накапливающихся в отвалах и представляющих 
собой техногенное сырье. Из огромного количества минерального 
сырья, извлекаемого из природной среды для целей производства, 
в конечный продукт превращается лишь 1,5–2,0 %. Основная же 
его масса переходит в производственные и бытовые отходы. Загрязнение окружающей среды ведет к необратимым нарушениям ее 
состояния и негативно сказывается на экологической безопасности 
нашего государства и здоровье населения.
При значительных объемах техногенных скоплений уровень 
их утилизации невысокий. Основным потребителем промышленных 
отходов может быть строительная индустрия. Производство строительных материалов является наиболее материало- и энергоемкой 
отраслью человеческой деятельности. В этом направлении используются природные ресурсы, максимально готовые к употреблению, 
так как они требуют минимальных затрат труда. Извлечение 
природных ресурсов из взаимосвязанных естественных состояний, 
где их присутствие обеспечивает равновесие и устойчивость окружающей среды, вносит дисбаланс в систему самоорганизационных 
процессов геосистемы. Уменьшить это разбалансирование можно 
изменением природной сырьевой базы стройиндустрии путем пополнения ее новым видом сырья – техногенным. 
В Ростовской области имеются огромные запасы техногенного 
сырья, потенциально пригодного для производства строительных 
материалов. Для Ростовской области таким многотоннажным техногенным сырьем являются запасы шахтных пород и золошлаковых 
отходов, складированные в терриконах и золоотвалах.
3

ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ ȃ
СЫРЬЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1
Ресурсосберегающие технологии – обобщенное название технологий, в которых при получении изделия заданного качества и 
требуемой производительности технологический процесс обеспечивается при минимальном расходе энергии (механической, электрической и др.), затратах на основные и вспомогательные материалы, 
зарплате основного производства. 
Одной из важнейших задач строительной отрасли является 
разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, 
предусматривающих широкое применение местного минерального сырья и техногенных продуктов. В области ресурсо- и энергосберегающих технологий приоритетными направлениями можно 
считать:
– совершенствование традиционных технологий;
– предварительная подготовка исходных компонентов, основанная на современных технологических приемах;
– применение малоэнерго- и материалоемких материалов, в том 
числе техногенного сырья. 
В условиях дефицита сырьевых ресурсов возрастает роль экономии материальных ресурсов, прежде всего за счет вовлечения в 
хозяйственный оборот вторичных материальных ресурсов. Расчеты 
показывают, что в случае комплексного использования сырьевых 
материалов и техногенных продуктов выпуск многих из них можно 
увеличить на 25–30 %. Ресурсосбережение приобретает всеобъем4

лющий характер и становится частью экономического мировоззрения как системы взглядов на мир. 
Из всех образующихся и накопившихся отходов самыми 
много 
тоннажными являются отходы угледобывающей и топливной 
промышленности. Техногенные отходы отличаются большим разнообразием свойств и по-разному влияют на качество продукции на 
их основе. Это приводит к необходимости разработки для каждого 
вида отхода особых методов их подготовки. Как справедливо отмечает академик В. И. Соломатов [1], для эффективного использования техногенных отходов нужен принципиально новый подход к 
их утилизации, требующий дополнительных затрат для создания 
информационно-аналитического банка данных об отходах, технологий и санитарно-гигиенической их оценки, разработки методов 
кондиционирования и хранения. 
Среди промышленных отходов одно из первых мест занимают 
золошлаковые отходы и породы шахтных отвалов. По химическому, грануло 
метрическому и фазово-минералогическому со 
ставу эти 
отходы во многом идентичны природному минеральному сырью. 
Использование золошлаковых смесей и пород шахтных отвалов в 
промышленно 
сти строительных материалов – один из стратегических путей решения экологической проблемы по улучшению состояния природной среды в зоне работы ТЭС и угольно-прмышленных 
районов. Золошлаковые смеси и породы шахтных отвалов имеют 
хорошую перспективу для широкого их применения с целью ресурсосбережения, решения экономиче 
ских проблем, связанных с 
сохранением при 
родных ресурсов. С другой стороны, эта «ниша» 
пока не достаточно освоена и поэтому утилизация этих отходов 
представляет перспективное направление для развития малого 
и среднего бизнеса. Как отвалы пустых шахтных пород, так и 
золошлаковые смеси, складированные на земной поверхности, 
обладают определенной ценностью. В них содержатся многие полезные компоненты, их можно использовать в качестве минерального сырья для стройиндустрии, в дорожном, гидротехническом 
и других видах строительства. Все это служит основанием того, 
что из разряда бесполезных отходов они могут быть отнесены в 
класс техногенных месторождений. Разработка таких месторождений позволит не только расширить минерально-сырьевую базу, 
5

получить дополнительную продукцию, но и снизить загрязнение 
окружающей среды.
Использования золошлаковых отходов 
и пород шахтных отвалов
Золошлаковые отходы используют для производства строительных материалов и изделий самой широкой номенклатуры. 
За счет использования золошлаковых отходов экономится до 30 % 
цемента и более половины природных заполнителей, снижается 
теплопроводность бе 
тонов, уменьшается масса зданий и сооружений. В стране к настоящему времени разрабо 
тано более 100 технологий изготовления раз 
личных бетонов с использованием зол и 
шлаков.
В тяжелых бетонах использование золошлаковых отходов 
обеспечивает повышение качества многокомпонентной матрицы и 
улучшение строительно-технических свойств готовой продукции 
[2, 3]. Введение в бетон золы-уноса позволяет снизить опасную 
концентрацию щелочей в цементе и модифицировать структуру 
бетона. Однако нестабильность свойств зол ТЭС по дисперсности, 
химическому и минеральным составам, содержанию оксидов щелочных металлов и несгоревшего топлива, пуццолановой активности и 
другим факторам, сдерживает их применение в производстве бетона, 
поскольку приводит к колебаниям его свойств [4–6]. Химический 
состав золы может изменяться в широком диапазоне и зависит не 
только от вида источника золообразования, но и от состава сжигаемого топлива. Не способствует при 
менению зол ТЭС и отсутствие 
кон 
кретных рекомендаций по оптималь 
ному их содержанию в 
бетонах и рас 
творах, особенно высоких классов.
Успешный опыт использования золошлаковых отходов в ячеистых и тяжелых бетонах описан в работах [7–10]. Авторы вводили 
в состав бетонной смеси до 25 % золы-уноса. Для модифицированных золой составов зафиксирова 
на повышенная скорость набора 
прочности по сравнению с бездобавочным бетоном. Отсюда можно 
сделать вывод, что золу можно рассматривать как ускоритель твердения бетона. Введение золы в состав бетона приводит к снижению 
его плотности, тем большее, чем выше количество вводи 
мой золы. 
Это можно объяснить пониженной насыпной плотностью золы, 
6

а также повышенным расходом воды в модифицированных бетонах. При этом закономерно снижается теплопроводность тяжелого 
бетона. При до 
бавлении золы морозостойкость бетона не снижается. 
Установлена возможность изготовления тяжелого бетона М300 с 
10 % заменой портландцемента на золу уноса без существенного 
изменения физико-механических характеристик. Тепловлажностная обработка позволяет повысить количество вводимой золы в 
состав бетона без снижения прочностных характеристик. Введение золы позволяет снизить себестоимость бетона и улучшить его 
свойства.
По мнению разработчиков [11], максимальное со 
держание 
цемента в бетоне, при котором целесообразно использо 
вать золу 
ТЭС с сохранением ее пластифицирующего действия, со 
ставляет 
300–320 кг/м3. При этом суммарный расход цемента и золы ТЭС, 
определяемый по действую 
щим методикам с учетом экономии первого компонента в количестве 50–70 кг/м3, будет находиться на 
уровне 400 кг/м3. При большем их суммарном расходе содержание 
во 
ды в бетонной смеси для сохране 
ния ее удобоукладываемости 
увели 
чивается, и технический эффект от использования золы значительно снижается или полностью отсут 
ствует. Таким образом, 
применение зол ТЭС в бетонах с повышенным расходом цемента, 
в том числе в кассетном производстве, где их ис 
пользование особенно целесообраз 
но ввиду повышения качества бе 
тонной смеси 
и уменьшения ее рас 
слаиваемости, по технико-эконо 
мическим 
показателям не является эффективным. Для увеличения объемов 
утилизации золы в бетонах требуется новая концепция технологии 
применения зол, базирующаяся на получении стабильно высокого 
качества всех классов и видов бетонов, в составе которых используется зола ТЭС. Ис 
следованиями установлено, что та 
кие показатели 
бетонов достигаются при оптимальной дисперсности зол ТЭС, превышающей дисперсность цемента на 150–170 м2/кг, а возмож 
ный 
теоретический интервал их ис 
пользования для экономии цемента 
составляет 20,6–32,4 % [12]. Количество замещенного цемента зависит от пуццоланической активности золы. Установлено, что золы 
ТЭС с оптимальными параметрами (дис 
персность, содержание) повышают коррозионную стойкость и морозо 
стойкость бетона, уменьшают водоотделение и расслаиваемость бетонной смеси, качест 
венно 
улучшают по 
верхность изделий (практически от 
сутствуют крупные 
7

раковины), фор 
муемых в кассетных формах, а также снижают 
энергоемкость и себестои 
мость готовой продукции. 
Эффективным направлением использования зол ТЭС с оптимальной дисперсностью являются ячеистые бетоны автоклавного 
твердения. Применение зол ТЭС обеспечивает их высокие и стабильные строительно-технические свойства за счет получения 
плотно 
го и прочного известково-цементно-зольного камня, а также 
более высокой пуццоланической актив 
ности золы относительно 
кварцево 
го песка. При этом целесообразно осуществлять более 
тонкое измель 
чение известково-зольной состав 
ляющей ячеистого 
бетона.
Исследованиями авторов [13, 14] показано, что золу ТЭС эффективно использовать в неавтоклавном пенобетоне плотнос 
тью 200–
550 кг/м3. Введение золы ТЭС в пенобетон в количестве 20–30 % 
повышает его прочность на 30–40 %, обеспечивает воз 
можность 
его применения в виде теплоизоляционного, жаростойкого и огнезащитного материала с темпе 
ратурой применения до 1200 °C. 
В результате проведенных ис 
следований было установлено, 
что на основе многокомпонент 
ных сухих смесей, приготовлен 
ных с 
комплексными химиче 
скими добавками, можно полу 
чить ячеистые 
бетоны, характе 
ризующиеся достаточно высоки 
ми показателями 
физико-меха 
нических свойств.
В работах [15, 16] рассмотрена возможность изготовления эффективного бесцементного газобетона на основе зол ТЭС. Замена 
песка на золы позволяет одновременно повысить прочность изделий и значительно сократить расход цемента в бетоне, упростить 
технологию, так как отпадает необходимость в предварительном 
просеве и сушке, а в зимнее время – размораживании песка. Автором предложено использовать золы не только в газобетоне, но и в 
технологии пенобетона, сухих полистиролбетонных смесях, наливных самовыравнивающихся полов [17].
Исследованиями [18, 19] показано, что на основе переработки 
шлаков тепловых электростанций можно получать эффективный 
гранулированный пористый заполнитель с насыпной плотностью 
200–250 кг/м3. На основе таких заполнителей можно получить 
пеностеклобетон. Экономическая эффективность применения пеностеклобетона в качестве штучных строительных изделий (блоки, 
перегородки, стены и другие виды конструктивных решений) 
8

позволяет уменьшить толщину стены ограждающей конструкции 
в 1,2–1,5 раза по сравнению с конструкциями из пено- или газобетона, сохранив при этом повышенные теплоизоляционные качества 
и комфортно-климатические характеристики конструкции.
В институте высоких температур РАН предложено несколько 
технологий по переработке и использованию золошлаковых отходов 
в производстве строительных и теплоизоляционных материалов 
[20, 21]. По мнению специалистов этого института, в XXI веке 
наибольшие перспективы имеют комбинаты, комплексно использующие угли, которые наряду с электрической и тепловой энергией 
будут производить стройматериалы, глинозем, цемент и другую 
продукцию.
Одним из самых золоемких направлений в производстве строительных материалов явля 
ется изготовление керамических кирпичей, кам 
ней и блоков. Изготовление строительного кир 
пича из золы 
ТЭС не требует разработки глиня 
ных карьеров, транспортировки 
сырья и его многомесячно 
го содержания в запасниках.
Известно, что золы и шлаки используют 
ся как сырьевой компонент и в качестве добавки (5–20 %) на многих кирпичных заводах. 
Даже небольшая добавка золы повышает качество кирпича и при 
этом снижает расход электро 
энергии. За счет использования золы 
на кирпич 
ных заводах экономится до 20 % топлива, повы 
шается 
качество продукции. По этому направлению использования зол 
и шлаков ТЭС можно отметить работы [22–29]. Выполненными 
исследованиями установлено, что добавки золошлаковых отходов 
позволяют снизить температуру спекания керамической шихты на 
50–100 оС, определены оптимальные количества вводимых злошлаковых смесей в зависимости от свойств используемого глинистого 
сырья. Доказана возможность получения с использованием золошлаковых отходов не только изделий грубой строительной керамики 
(глиняный кирпич, облицовочные и фасадные плитки), но и фаянсовых изделий строительного и культурно-бытового назначения. 
Показано, что в присутствии золошлаковых смесей повышается 
спекаемость шихты, повышается прочность черепка. Изделия характеризуются высокой морозостойкостью и прочностью, имеют 
привлекательный внешний вид и цвет. 
Ценные цветные и редкие металлы мо 
гут быть извлечены из 
золошлаковых материалов в комплексном технологическом про9

цессе [30–33], когда эффективно утилизируется основная масса 
злошлаковых смесей для полу 
чения строительных материалов, 
камнелитых изделий, строительства и т. д. Присутствие в зо 
лах 
ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах. При этом, 
кроме существенного экономического эффекта, решаются многие 
эко 
логические проблемы.
В процессе фракционирования золошлаковых материалов выделяются магнитные микросферы, приме 
няемые в металлургии, 
приборостроении, радио 
технике и электронике. Эти микросферы 
имеют размеры от 10 до 500 мкм. Содержание этих фракций в 
золе относительно невелико (около 2–5 %). Однако они обладают 
уникальными свойствами: их объемная насыпная масса – 100– 
150 кг/м3; а сферы имеют алюмосиликатный состав [27, 34, 35]. 
Это определяет их повышен 
ную кислотостойкость и термостойкость. 
В композиции с другими материалами (глиной, цементом, гипсом) они позволяют получать эф 
фективные материалы. На основе 
микросфер можно изготавливать огнеупорные изделия. По своим 
основным характеристикам легкие огнеупорные теплоизоляционные изделия с использованием микросфер наиболее эффек 
тивны в 
металлургии и энергетике, где с успе 
хом могут заменить традиционный шамотный легковес.
Разработке методов выделения микросфер из золы, а также 
возможных направлений их использования, как в каче 
стве насыпного теплоизоляционного материала, так и в качестве ком 
понента 
для получения новых композиционных материалов различного 
назначения (тепло- и звукоизоляционные материалы, фильтры, 
компо 
зиционные резины, пластмассы и др.) посвящены работы [29, 
30]. Вве 
дение микросфер в композиционные материалы снижает 
их плотность, увеличивает прочность на объемное сжатие и устойчивость к различ 
ным деформациям, улучшает тепло-, электро- и 
звукоизоляционные свой 
ства. 
Технология выделения микросфер из состава зол и шлаков 
ТЭС сложна. Однако использование такого ценного компонента 
зол и шлаков ТЭС позволит получить специальные тепло- и звукоизоляционные материалы с уникальными показателями свойств 
по теплопроводности и плотности материала. И несмотря на мате10