ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА КОМПОЗИЦИОННОГО ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО КИРПИЧА В УСЛОВИЯХ УЗБЕКИСТАНА

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований по созданию и оценке потенциала строительного кирпича на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ), полученного с использованием местного минерального сырья и техногенных отходов. Рассмотрены процессы структурообразования гипсоцементных композитов и их влияние на физико-механические, морозостойкие и энергоэффективные свойства готовых изделий. Проведено сопоставление показателей КГВ-кирпича с традиционными стеновыми материалами — керамическими, силикатными и бетонными блоками. Установлено, что использование КГВ позволяет снизить энергозатраты при производстве более чем в 100 раз, сократить себестоимость продукции и уменьшить воздействие на окружающую среду за счёт вовлечения промышленных отходов в технологический цикл.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on the development and evaluation of building bricks based on a composite gypsum binder (CGB) produced using local mineral raw materials and industrial waste. The processes of structure formation in gypsum–cement composites and their influence on the mechanical strength, frost resistance, and energy efficiency of the finished products are analyzed. A comparative assessment of CGB bricks with traditional wall materials—ceramic, silicate, and concrete blocks—has been carried out. It was found that the use of CGB makes it possible to reduce energy consumption during production by more than 100 times, lower product cost, and minimize environmental impact through the utilization of industrial by-products in the technological cycle.

Ключевые слова: кирпич, энергоэффективность, композиционное гипсовое вяжущее, техногенные отходы, строительные материалы.

Keywords: brick, energy efficiency, composite gypsum binder, industrial waste, sustainable construction.

Введение. Современный этап развития цивилизации характеризуется переосмыслением понятия качества жизни, которое всё чаще связывается с экологическими и энергетическими аспектами. В этом контексте особое значение приобретает создание устойчивых механизмов, обеспечивающих комфортные условия проживания и сохранение благоприятной окружающей среды. Одним из важнейших направлений устойчивого развития является сокращение избыточного энергопотребления во всех сферах хозяйственной деятельности.

По оценкам международных энергетических агентств, к 2035 году для поддержания стабильного функционирования мировой энергетики ежегодная потребность в инвестициях превысит 2 трлн долларов США. При этом прогнозируется, что к 2030 году энергоёмкость глобального ВВП снизится примерно на треть. Сегодня повышение энергоэффективности рассматривается как ключевой драйвер мировой экономики, определяющий темпы технологического прогресса и инновационного развития [10]. Реализация программ энергоэффективности в промышленно развитых странах способствует повышению производительности, укреплению конкурентоспособности предприятий и ускоряет внедрение ресурсосберегающих технологий.

Сектор производства строительных материалов занимает одно из ведущих мест среди энергоёмких отраслей, при этом коэффициент полезного использования топлива в нём остаётся сравнительно низким — не более 40 %. Структура энергопотребления предприятий этой отрасли отличается высокой неоднородностью вследствие многообразия технологических схем и ассортимента выпускаемой продукции. По сравнению с зарубежными показателями, удельные энергетические затраты на выпуск строительных материалов в Узбекистане более чем в полтора раза превышают средний мировой уровень, тогда как энергоэффективность готовой продукции остаётся недостаточной [1].

Особенно энергоёмким направлением строительной индустрии является производство керамических материалов, прежде всего кирпича, который на протяжении тысячелетий остаётся основным стеновым изделием. Керамический кирпич — один из древнейших искусственных материалов, известных человечеству: его использование восходит более чем к 20 тысячам лет назад. Применение алюмосиликатного сырья в сочетании с высокотемпературным обжигом придаёт изделиям повышенную механическую прочность, устойчивость к термическим и химическим воздействиям, а также длительный срок службы [2].

Несмотря на то что керамический кирпич традиционно ценится за высокую прочность, устойчивость к внешним воздействиям и длительный срок службы, его производство сопровождается рядом технологических и экологических ограничений. Основная часть энергозатрат приходится на процессы высокотемпературного обжига, измельчения твёрдого сырья и последующую механическую обработку изделий. Кроме того, высокая химическая стойкость керамического кирпича осложняет его естественное разложение, что делает утилизацию отходов такого материала дорогостоящей и трудоёмкой процедурой.

В связи с этим вопросы энергосбережения в строительной индустрии всё чаще решаются за счёт совершенствования геометрии изделий, что позволяет уменьшить их массу при сохранении требуемых эксплуатационных характеристик. Дополнительные возможности создаются за счёт внедрения альтернативных видов сырья и модернизации технологических процессов, направленных на снижение удельных энергозатрат и экологической нагрузки.

Следуя современным тенденциям ресурсосбережения, ряд исследователей, включая авторов настоящей работы, ведут поиски новых материалов, способных заменить традиционный керамический кирпич.

Цель и задачи исследования. В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на разработку экологически более безопасного аналога — кирпича на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ).

Несмотря на известные недостатки гипса — низкую водостойкость, склонность к ползучести при увлажнении и сравнительно невысокую прочность — данный материал обладает целым рядом преимуществ. К их числу относятся высокая энергоэффективность, экологическая чистота, а также способность к химической модификации, что делает гипс перспективной основой для производства нового поколения строительных материалов.

Потенциал гипса как активного вяжущего вещества исследовался многими авторами. Для повышения эксплуатационных характеристик и водостойкости предложены различные технологические подходы: уплотнение структуры изделий методом трамбования и прессования малопластичных смесей; наружная и объёмная гидрофобизация, основанная на пропитке изделия влагоотталкивающими составами; применение химических добавок, в частности пластификаторов, позволяющих управлять структурой и прочностью материала. Дополнительное улучшение свойств достигается снижением растворимости сульфата кальция и формированием нерастворимых соединений, защищающих дигидрат сульфата кальция. Это обеспечивается при совместном применении гипсового вяжущего с гидравлическими компонентами — известью, портландцементом и активными минеральными добавками [3].

Исследования А. В. Волженского, А. В. Ферронской и П. А. Ребиндера впервые показали возможность получения гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ), обладающих повышенной водостойкостью. Позднее В. Ф. Коровяков, В. И. Стамбулко и их коллеги усовершенствовали данный состав, разработав композиционные гипсовые вяжущие (КГВ) с улучшенными эксплуатационными свойствами [3].

В рамках настоящего исследования авторами проведена оценка возможности промышленного производства кирпича на основе КГВ и анализа его рыночного потенциала в условиях Узбекистана.

Благоприятным фактором для внедрения технологии является широкое распространение гипсового сырья на территории республики. Узбекистан располагает значительными запасами природного гипса и развитой цементной промышленностью — в 2023 году объём производства портландцемента превысил 15,5 млн тонн. Это создаёт доступную ресурсную базу для получения основных компонентов КГВ. В то же время остаётся нерешённым вопрос выбора оптимальной кремнеземистой добавки, обеспечивающей требуемый комплекс физико-механических свойств [4].

Материалы и методы. Для поиска эффективного решения были изучены и испытаны различные виды кремнеземсодержащих отходов — зола-унос, шлаки тепловых электростанций, хвосты обогащения и отходы горнодобывающих предприятий. В результате анализа в качестве наиболее перспективного компонента выбран отход магнитной сепарации акционерного общества «Кварц» (Узбекистан), специализирующегося на производстве стеклянных изделий.

Результаты и обсуждение. Химико-минералогический анализ показал, что данный отход содержит значительное количество рентгеноаморфных фаз, проявляющих гидравлическую активность при взаимодействии с Са(ОН)₂ с образованием гидросиликатов кальция (табл. 1). Пуццолановая активность тонкомолотого материала в возрасте 30 суток составила 125,1 мг/г (табл. 2).

Объём накопленных отходов магнитной сепарации на производственных площадках АО «Кварц» измеряется десятками тысяч тонн, что позволяет рассматривать их как перспективную сырьевую базу для промышленного выпуска изделий из КГВ[3]. Единственным ограничивающим фактором является повышенное содержание оксидов железа, что требует дополнительной корректировки состава при производстве.

Таблица 1.

Химический состав отхода магнитной сепарации

Химический анализ отхода магнитной сепарации показал, что данный материал представляет собой тонкодисперсный техногенный порошок тёмно-серого оттенка, состоящий преимущественно из частиц кварца (около 60 %), оксидов металлов, карбонатов, гематита и его агрегатов. Модуль крупности материала не превышает 1, при этом доля частиц размером менее 0,074 мм составляет 80–85 %.

Таблица 2.

Активность тонкомолотых отходов магнитной сепарации

Для использования в качестве кремнезистой добавки помол отходов осуществляли в лабораторной шаровой мельнице. Было установлено, что для получения композиционного вяжущего удельная поверхность отходов магнитной сепарации не должна превышать 600 м²/кг, поэтому в работе их помол осуществляли до 500 м²/кг. Полученный порошок смешивали с цементом в разных пропорциях. Для подтверждения активности порошка, проверяли прочностные характеристики смеси через 28 суток (табл. 3) [1].

Таблица 3.

Показатели прочности на сжатие смеси кремнезем-портландцемент в возрасте 28 сут.

Полученные данные подтверждают высокую реакционную способность тонкомолотого кремнеземсодержащего порошка, что согласуется с результатами оценки его активности (табл. 2).

Для стабилизации свойств композиционного вяжущего и предотвращения образования эттрингита при гидратации цемент домалывали в течение 5 минут совместно с мелсодержащей добавкой в количестве 1 %. Указанная добавка является побочным продуктом производства соды на предприятии АО «Indorama-Farg‘onaazot» (Узбекистан) и по составу близка к тонкодисперсному меловому порошку. Частицы мела выполняют роль микронаполнителя и центров кристаллизации, ускоряя гидратацию алюминатов и способствуя формированию плотной структуры гипсоцементного камня, что положительно влияет на раннюю прочность и эксплуатационные характеристики [5–7].

Таблица 4.

Химический состав отхода цеха производства соды АО «Indorama-Farg‘onaazot»

Компонентный состав композиционного гипсового вяжущего подбирался экспериментально таким образом, чтобы концентрация СаО в водной суспензии смеси полугидрата гипса, портландцемента и микрокремнеземистого порошка на 5-е сутки не превышала 1,1 г/л, а на 7-е — 0,85 г/л. Оптимальный состав был установлен следующим: гипсовое вяжущее — 69 %, портландцемент — 15 %, тонкомолотые отходы магнитной сепарации — 15 %, мелсодержащий отход — 1 %.

Технологическая схема приготовления теста включала предварительное перемешивание модифицирующей добавки с гипсовым вяжущим в течение 3 минут и последующее смешивание с водой до получения однородной массы. Образцы твердели при нормальных условиях, после чего через 28 суток проводились испытания физико-механических свойств.

Таблица 5.

Свойства смесей КГВ в зависимости от состава

Для ускорения процессов структурообразования и увеличения ранней прочности гипсоцементного камня применялась комбинация α- и β-модификаций полугидрата сульфата кальция (Г-5 и Г-16), соотношение которых подбиралось экспериментально (рис. 1) [7].

Рисунок 1. Зависимость прочности КГВ от количества альфа-гипса

Анализ полученных данных показал, что максимальная прочность достигается при содержании 66 % Г-5 и 34 % Г-16, что и было принято для последующих испытаний. Как видно из табл. 5, физико-механические показатели КГВ, полученного на основе местного сырья, соответствуют требованиям к вяжущим материалам, используемым в производстве строительных изделий и конструкций: коэффициент водостойкости 0,88 и прочность при сжатии 25,2 МПа в 28-суточном возрасте [3].

По сравнению с традиционным производством керамического кирпича или изделий на основе портландцемента, разработанная технология демонстрирует более высокие технико-экономические показатели. Отсутствие стадии теплового обжига позволяет снизить расход условного топлива и суммарные энергозатраты. Быстрое твердение КГВ повышает оборачиваемость формовочного оборудования, а отсутствие искусственной сушки дополнительно уменьшает эксплуатационные расходы. Использование местных сырьевых ресурсов и техногенных отходов способствует снижению себестоимости продукции и одновременно решает экологические задачи, связанные с переработкой вторичных материалов.

Таблица 6.

Усредненные данные свойств различных сортов кирпича

Как следует из данных табл. 6, полнотелый кирпич, изготовленный на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ), при прочности 5–7,5 МПа имеет среднюю плотность 1400–1700 кг/м³ и отличается пониженным собственным весом[1]. Благодаря этому такие изделия могут рассматриваться как рациональный вариант для частного домостроения и возведения лёгких сельскохозяйственных и вспомогательных сооружений.

Если принять энергозатраты на производство одного стандартного керамического кирпича за 100 %, то для получения стеновых камней аналогичного объёма из бетона на КГВ затраты электроэнергии составляют лишь 0,7 %. Таким образом, по энергоэффективности новый материал значительно превосходит традиционные аналоги.

Таблица 7.

Сравнение удельных энергозатрат при производстве различных видов стеновых материалов

Сопоставление данных табл. 6-7 показывает, что прессованный кирпич на основе КГВ, лишь незначительно уступающий по прочности традиционным материалам, демонстрирует значительно более высокие технико-экономические показатели. Отсутствие стадий тепловой обработки после формования обеспечивает сокращение трудоёмкости и существенное снижение расхода энергоресурсов, что напрямую влияет на себестоимость продукции и конкурентоспособность технологии.

В ходе исследования также была выполнена оценка влияния модифицирующих добавок различной химической природы на структуру и прочностные характеристики КГВ-композита с включением отходов магнитной сепарации. Экспериментальные работы проводились с использованием современных пластификаторов — «Frem Nanogips», «Frem C-3», «Megaplast JK-02», «Perfektbuild 836» и «Perfectmac». Для каждой из добавок подбиралось оптимальное содержание (мас. %), при котором наблюдались наилучшие показатели прочности при изгибе и сжатии через 7, 14 и 28 суток твердения.

Таблица 8.

Эффективность действия различных модифицирующих добавок в составе КГВ

Полученные результаты подтвердили, что модифицирование композиционного гипсового вяжущего (КГВ) современными добавками позволяет существенно повысить его эксплуатационные свойства. Наиболее выраженный эффект продемонстрировала добавка «Frem Nanogips», которая обеспечила оптимальное сочетание прочности, плотности и водостойкости за счёт ускоренного формирования плотной кристаллической структуры. Эти результаты указывают на возможность практического применения КГВ-композиций с техногенными компонентами при производстве энергоэффективных стеновых материалов.

Разработка и внедрение подобных технологий соответствуют современным тенденциям устойчивого и «зелёного» строительства, ориентированного на сокращение энергопотребления и снижение углеродного следа строительной отрасли. В Узбекистане этот подход получил системную поддержку на государственном уровне: в нормативных документах особое внимание уделяется вопросам энергосбережения и рационального использования природных ресурсов. С 2019 года в стране реализуется программа поэтапного перехода от традиционного энергоёмкого производства строительных материалов к ресурсосберегающим и экологически безопасным технологиям. В этом контексте особую значимость приобретают альтернативные стеновые материалы, способные заменить керамический кирпич и другие энергоинтенсивные изделия, сохраняя при этом необходимые эксплуатационные характеристики [7–9].

Переход на производство строительных изделий на основе КГВ открывает возможности для снижения себестоимости и энергоёмкости продукции. Исключение стадии термического обжига позволяет отказаться от дорогостоящего топлива и сократить энергопотребление более чем в 140 раз по сравнению с керамическим производством[1]. Использование местных сырьевых компонентов и техногенных отходов дополнительно снижает затраты и способствует вовлечению вторичных ресурсов в производственный цикл. Себестоимость кирпича на основе КГВ составляет лишь 30–35 % от стоимости аналогичных керамических изделий. Отсутствие сушильных и обжиговых печей позволяет применять компактное оборудование и уменьшать производственные площади, что делает технологию особенно привлекательной для малых и средних предприятий строительной индустрии.

Экспериментальные исследования подтвердили эффективность применения композиционного гипсового вяжущего в производстве малоформатных стеновых материалов, декоративных и отделочных элементов, панелей и блоков для внутренней кладки. Кирпичи из КГВ отличаются высокой однородностью структуры, устойчивостью к влаге и температурным перепадам, а также пониженной плотностью, что способствует снижению нагрузки на фундаменты. Особенно перспективным является использование таких изделий в малоэтажном и сельском строительстве, где ключевыми критериями являются экономичность, экологичность и простота технологии. Благодаря низкой теплопроводности материал способствует созданию комфортного микроклимата в помещениях и снижению энергозатрат на отопление в холодный период года.

Производственная технология не требует сложных условий и может быть реализована на стандартном оборудовании для вибропрессования или литья, что создаёт предпосылки для организации мини-заводов при строительных организациях и учреждениях профессионального образования.

Проведённые исследования имеют как практическое, так и научное значение. Установлена закономерность влияния состава и дисперсности минеральных добавок на физико-механические свойства гипсоцементных композитов. Показано, что при оптимальном содержании портландцемента и кремнеземистых компонентов (по 15 % от общей массы) достигается рациональное соотношение прочности, плотности и водостойкости. Формирование микроструктуры КГВ сопровождается образованием гидросиликатов кальция (C–S–H) и уплотнением структуры за счёт вторичных продуктов гидратации, что подтверждает эффективность активных минеральных добавок техногенного происхождения как замены традиционных пуццолановых материалов.

Заключение.

Полученные результаты создают основу для дальнейшей оптимизации состава композиционного гипсового вяжущего, включая применение модифицирующих добавок, регулирующих процессы твердения, и использование лёгких заполнителей для получения теплоизоляционных блоков нового поколения. В целом установлено, что кирпич на основе КГВ является эффективной альтернативой традиционным стеновым материалам, обеспечивая сочетание экономичности, энергоэффективности и экологической устойчивости за счёт использования местных минеральных ресурсов и вторичного сырья.

Список литературы:

1. Хамдамова Шохида Шерзодовна, Адилходжаев Анвар Ишанович, and Игамбердиев Бунёд Гайратович. "Оценка потенциала кирпича из композиционного гипсового вяжущего как альтернатива традиционным стеновым материалам в Узбекистане" Проблемы современной науки и образования, no. 11 (156), 2020, pp. 6-12. doi:10.24411/2304-2338-2020-11103
2. Gömze L.A., Gömze L.N., Kulkov N.S., Shabalin L.I., Gotman I., Pedraza F., Lecomte G.L., Mayorova T., Kurovics E., Hamza A. // Methods and equipment for the investigation of rheological properties of complex materials like convectional brick clays and ceramic reinforced composites // Építőanyag: Journal of Silicate Based and Composite Materials. 2015. Т. 67. № 4. С. 143-149. https://ipi1.ru/images/PDF/2020/156/PMSE-11-156-.pdf
3. Проблемы современной науки и образования 2020. № 11 (156) ISSN 2413–4635  https://ipi1.ru/images/PDF/2020/156/PMSE-11-156-.pdf
4. Статистический ежегодник регионов Узбекистана // Статистический сборник Государственного комитета Республики Узбекистан по статистике. Ташкент, 2020.
5. Игамбердиев Б. Г. Влияние наполнителей из техногенных отходов на свойства гипсовых вяжущих // Проблемы Науки. 2017. №33 (115).
6. Shaumarov S., Adilkhodjaev A., Kondrazhenko V. Experimental research of structural organization of heat-insulating structural building materials for energy efficient buildings //E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2019. – Т. 97. – С. 02009.
7. Лесовик В.С. Гипсовые вяжущие материалы и изделия / В.С. Лесовик, С.А. Погорелов, В.В. Строкова. – Белгород, 2000. – 224 с.
8. Постановление Президента Республики Узбекистан от 4 октября 2019 года № ПП-4477.
9. Постановление Президента Республики Узбекистан от 23 мая 2019 года № ПП-4335.
10. Электронный ресурс https://ejmcm.com/article_2398_7d49ffb7229b51b2449d0a5e01f2ae00.pdf