М.Я.Бикбау,
Генеральный директор ОАО « Московский ИМЭТ»
акад.РАЕН, Нью-йоркской академии и др., ,д.х.н.

          Изобретение  портландцемента в начале 18 века и, несколько позднее - железобетона,  позволило человечеству   значительно масштабней преобразовывать лик планеты в современные дороги и плотины, высотные здания  и стадионы  -  более 90 %  зданий и сооружений  во всем мире строятся из бетона,  объем производства которого  уже  превышает   5 млрд. куб. м  ежегодно.

В настоящее время  цементные заводы по всему миру производят практически одинаковый продукт, качество которого определяется марочностью,  включающей  комплекс требований  к  строительно-техническим  свойствам, при этом ключевыми характеристиками  является прочность тестируемых образцов   бетона  на сжатие и изгиб  в 28 суток твердения с различными вариациями по темпу  набора прочности до этого периода.

           Ключевыми  составными частями бетонных смесей являются  в дополнении к портландцементу   кварцевый песок, называемый мелким заполнителем бетона и щебень – крупный заполнитель. Единственным  видом  беспесчаного бетона является крупнопористый бетон, названный нами КАПСИМЭТ, структуру которого   составляют зерна крупного заполнителя, покрытые  тонкими  оболочками  цементного камня. Применение в качестве крупного заполнителя  керамзитового гравия  для КАПСИМЭТА позволяет строить  легкие и теплые, негорючие, экологически чистые однослойные стены для  жилья, применение плотного крупного заполнителя позволяет строить по технологии КАПСИМЭТ фильтрующие бетоны и дренирующие бетоны для  дорожного строительства.

         Традиционные бетоны, так же как и все остальные продукты на основе  связующего  -  портландцемента, включают обязательным компонентом  кварцевый песок, играющие роль   не только « мелкого заполнителя», но и реагента, вступающего  в химическую реакцию с продуктами гидратации портландцемента  с образованием на конечной стадии  основных минералов,  обеспечивающих  прочность и долговечность бетонам – гидросиликатов кальция.

          Упрощенный вариант  химической реакции формирования цементного камня, с указанием  начального и конечного состава реагентов:

3 CaO SiO₂  + 3  H₂O    +   SiO ₂   =     2 ( CaO SiO₂ H₂O)   +     Ca (OH)₂

Таким образом, в сформировавшемся бетоне присутствует  два вида гидратных минералов   -  гидросиликаты  кальция и гидрооксид  кальция. Соотношение    масс указанных фаз цементного камня , % масс.   :

гидросиликаты кальция    - 85,3
гидрооксид кальция         - 14,7

         Казалось бы содержание гидроксида кальция невелико ,но именно его присутствие  значительно  ослабляет   строительно-технические свойства цементного камня и прежде всего прочность в связи с пластинчатой, слоевой морфологией   кристаллов  гидроксида  кальция ,по которым обычно проходит разлом материалов  и их склонностью к перекристаллизации при изменении влажности  окружающей среды.

         В этой связи для повышения прочностных  свойств цементного камня было бы желательно отсутствие  в нем гидрооксида кальция  , но еще более эффективный вариант – связывание гидрооксида кальция в более прочный и долговечный гидросиликат кальция , что может происходить по  реакции:

Са (ОН)₂  +  SiO₂    =    CaO SiO₂ H₂O

         Такая реакция происходит в разработанных нами малокликерных   наноцементах ,где  она обеспечивается  уровнем  дисперсий  кремнезема   ((от нескольких до десятка  мкм ) сопоставимым  с размерами частиц  цемента  .  В этом случае наблюдается  интенсивный рост прочности цементного камня в бетонах  даже при  рекордно низком  количестве цемента в бетонной смеси (табл.1).

Результаты ,полученные  при испытаниях малоклинкерных цементов  в НИИМосстрое , значительно  превышают  высшие мировые достижения . К сожалению, новая технология  цемента, прошедшая  сотни подобных успешных  испытаний , в  том числе в США, с разработанной нормативной и научной  базой , принятая к освоению в СССР, когда были получены и эффективно применены в производстве высококачественных бетонов  десятки и сотни тысяч  нового материала,    планировавшаяся к массовому освоению  цементными заводами ,сегодня в России никому не нужна…

          Пустые слова говорятся в стране о энергосбережении, какие там лампочки, когда  доказанные возможности экономии  миллионов тонн топлива  не реализуются в промышленности…

Таблица 1

* -  В качестве исходного портландцемента для получения  СМС-40 (40 % масс. цемента)  и СМС – 90 (90 % масс. цемента) применялся  цемент Мордовского завода :М - 500,Д – 0Н

Основной проблемой предприятий отечественной  цементной промышленности остаются высокие затраты топлива, составляющие по России: на предприятиях сухого способа производства - около 154 кг у.т./т клинкера; мокрого - около 212 кг у.т./ т клинкера, а в среднем по заводам России с подавляющим преобладанием мокрого способа (88%) - около 206 кг у.т./т клинкера. Уровень удельных затрат топлива современных цементных предприятий, работающих по сухому способу в Японии, КНР и других странах, составляет  всего  115- 120 кг у.т./т клинкера. Цементные заводы России продолжают расточительно сжигать природные богатства страны.

В связи с регулярным  в России повышением цен на газ – основное топливо, применяемое сегодня цементными заводами, - трудно представить в перспективе конкурентоспособность предприятий, работающих на газе по мокрому способу, с зарубежными заводами, работающими по сухому способу.

Российский цемент не способен конкурировать с турецким или китайским, прежде всего, в связи с высокой себестоимостью, которая для российских предприятий составила на тонну продукта: в 2006г. – 1300руб.; в 2007г. – 1500 руб. и в 2008г. – 2000 руб.

Рост потребления цемента в России в 2005 – 2007г.г. вызвал, с одной стороны, соответствующее повышение цен на цемент: в 2005г. – на 44%, 2006г. – на 50% и в 2007г. - на 65%. В конце 2007г. цены на цемент в России в 2 раза превысили европейские, что вызвало интерес иностранных производителей к его поставке, которая уже в 2008г. составила 7,5 млн.т.

В то же самое время официальные перспективы развития строительства в стране, доведение объемов ежегодного ввода жилья до 150 – 160 млн.кв.м, декларированные Правительством РФ, предполагают значительные потребности цемента в России:

Приведенные данные говорят о том, что для обеспечения строительства в России необходимо ежегодно увеличивать производство цемента как минимум на 6-7 млн. т (т.е. вводить два современных завода).

Для справки: в 2007 году в России произведено 60,7 млн. т цемента, введено 60 млн.кв.м. жилья - около 0,45 кв.м. на одного человека- и построено 495 км автомобильных дорог; за тот же год в КНР произведено 1 млрд. 350 млн. тонн цемента и введено 2 млрд. 170 млн. кв. м. жилья - около 1,5 кв. м. на человека и построено 47000 км автомобильных дорог.

Необходимость радикального увеличения объемов строительства жилья, к которой добавляется не менее острая проблема обеспечения цементом масштабного строительства автомобильных и железных дорог с цементно-бетонными основаниями, делает проблему производства дешевого и качественного цемента неотложной.

Предполагаемое в последние годы проектирование и строительство новых цементных заводов, начатое десятком компаний с наступлением мирового финансового кризиса, отложилось на долгое время, тем более в условиях, когда существующие цементные заводы работают на 70 – 75% своей мощности и нет уверенности в реализации декларированной Правительством востребованности в цементе. При этом повышение объемов производства цемента Правительство и потенциальные инвесторы связывают со строительством новых цементных заводов, с необходимостью капиталовложений в пределах около 300 долларов США за тонну цемента, что требует для среднего завода производительностью 2 млн. т. в год 600-700 миллионов долларов США и 3-4-х лет на проектирование и строительство.

Одним из эффективных направлений энергосбережения в производстве цемента, получившем распространение во всем мире, является совместный помол цементного клинкера с вводимыми минеральными добавками в виде пуццолановых пород, зол и шлаков. Так, в США средний объем вводимых минеральных добавок составляет около 40% , в КНР – 35% от массы цемента, что позволяет снизить удельные затраты топлива на тонну цемента  на   30 – 40 кг у.т. на тонну продукта. Близкое содержание энергосберегающих минеральных добавок применяют цементные заводы в Японии, Турции и европейских странах. Одновременно, ввод минеральных добавок позволяет значительно ,в соответствии с требованиями Киотского Протокола , и снизить массу СО_2,  составляющую сегодня в России около 300 кг  на каждую тонну производимого цемента .

С целью реализации энергосбережения  и снижения выбросов  СО₂  в 2003г. в России был принят ГОСТ 31108-2003, по которому допускается ввод минеральных добавок до 65% от массы цемента. Однако, возможности  этого  ГОСТа  до последнего времени не использует  ни один наш цементный завод .

В настоящее время структура портландцемента, выпускаемого в России, включает, в среднем, долю минеральных добавок в количестве 11,5% от массы цемента. При производстве малоклинкерных цементов по предлагаемой технологии механохимической активации возможен ввод в цемент минеральных добавок в значительно больших количествах: от 40-45% масс. до 60-75% масс. цемента с сохранением высокой марочности цементов - в пределах от 32,5 до 62,5 МПа (по ГОСТ 31108-2003).

  Предлагаемая технология наноцемента позволяет не только расширить объемы производства цемента в России с минимизацией капиталовложений до уровня 40-50  US $  достаточно в короткие сроки, без необходимости строительства комплексных полномерных цементных заводов, но может позволить решить региональные проблемы с дефицитом цемента в труднодоступных  и далеких для транспорта районах   страны, или в районах с затруднительным доступом вследствие перегрузки транспортных магистралей.

Такие  ограничения  по доставке материалоемких грузов  наблюдается в настоящее время  в районах строек, осуществляемых для проведения зимних Олимпийских игр 2014года  в г. Сочи.

В настоящее время поставка цемента осуществляется в районы Олимпийских строек в специальных вагонах – хопрах, требующих приемных участков в виде прирельсовых цементных складов с цементными силосами и соответствующей техники. Существующих на сегодня складов совершенно недостаточно для приёма и хранения необходимых объемов цемента, что сказывается на задержках в своевременных поставках цемента и его использовании для производства бетонов.

         Конкурирующая с автомобильным и железнодороржным транспортом возможность поставки цемента морским путем связана с ограничениями по приемке судов и их выгрузке. Действующий на юге  России терминал имеет Новороссийский торговый порт с мощностью перевозки 1,3 млн. т в год, но он  весьма загружен. Не спасает положения и ввод в прошлом году первой очереди цементного терминала в г. Ростове-на-Дону мощностью 0,2 млн.т.

         Нами предлагается для своевременного обеспечения олимпийских игр в Сочи ввозить в регион портландцементный клинкер вместо непосредственно цемента с экономически выгодной переработки его на местах потребления в высококачественный цемент, тем более новая отечественная технология наноцемента, разработанная и реализуемая ОАО «Московский институт материаловедения и эффективных технологий», позволяет:

- отказаться от использования специальных вагонов - хопров;

- перевозить  цементный клинкер  в биг-бегах и насыпью в любых вагонах и автотранспорте, хранить в обычных складских условиях, с сохранением   качества   годами;

- необходимый объем перевозки клинкера при условии применения технологии наноцемента сокращается по сравнению с цементом в два раза;

- производить помол клинкера на местах потребления с минеральными добавками, например, в виде кварцевого песка, пуццолановых пород, шлака, зол  получая при этом  из одной тонны клинкера две тонны высококачественного цемента, согласно схеме на рис.1.

- исключить необходимость  дорогостоящих перевозок по стране на тысячи км  нерудных материалов – щебня и песка, так как новый цемент позволяет  успешно применять для высококачественных бетонов местное сырье.

Рис.1.Технологическая  схема  производства малоклинкерныхнаноцементов  с  минеральными  добавками

В  качестве   основного  помольного  агрегата   в  разработанной  нами  технологической  схеме  получения  наноцемента  используют производимые промышленностью  трубные   шаровые    мельницы   куда  подаются  все  компоненты  смеси,  включая  портландцементный  клинкер   и   минеральные  добавки,  в   кусковом    виде    с   предварительной  сушкой,  при  необходимости.  При  этом  в   шаровой  мельнице   достигается   не  только  эффективное   измельчение  и  механоактивация  зерен  клинкера  и  частиц  минеральных  добавок,  но  и  нанокапсуляция  частиц  модифицированной  полимерной   оболочкой.

     Для  производства    наноцемента  в  промышленных  условиях  к  помольному  комплексу    с  шаровыми  мельницами  предъявляются  следующие  требования:

- наличие  весовых  дозаторов  непрерывного  дозирования органических  добавок - модификаторов  с  допустимой  погрешностью  не  более  0,1 – 0,25%;

- наличие  дозаторов  для  раздельного  весового  дозирования  клинкера,  гипса  и    минеральных  добавок  перед  их  подачей  в  мельницу;

- работа  должна  осуществляться  в  режиме,  обеспечивающем  максимальную  механоактивацию  вяжущего (мельница, снабженная  высокоэффективным  сепаратором);

- обеспечение  необходимой  загрузки  камер  мельницы   разноразмерными  шарами (последнюю  камеру  желательно  загружать  цильпебсами  различного  размера).

   Основными  особенностями  технологии  процесса  механохимической

активации  при  получении  наноцемента  являются:

- высокая  точность  весовой  дозировки  компонентов;

- достижение  определенного  заданного  гранулометрического  состава  наноцемента,  особенно  клинкерной  части  вяжущего;

- обеспечение  достаточного  времени  для  реализации  процесса  механохимической  активации  и  микрокапсуляции  частиц  вяжущего.

Одним  из  важных  условий  для  получения  наноцемента  заданного качества  является  желательная  минимальная  влажность  исходных  компонентов,  суммарная  величина  которой  не  должна  превышать  3% масс.  Только  при  надлежащем  соблюдении  этих  требований  достигаются  заданные  свойства  наноцемента.

Как отмечалось выше,  в  качестве  клинкерных  добавок  при  производстве  наноцемента  могут  использоваться  существующие в регионе не  только  различные  природные  пуццолановые  породы,  мелкие  кварцевые  пески,  отходы  вскрыши  и т.п.,  но  и техногенные  отходы:  золы  и  шлаки  различных  производств,  которые,  как  правило,  хранятся  на  открытых  площадках. Поэтому  основными  требованиями  к  минеральным  добавкам  являются  не  только  высокое  содержание  кремнезема  и   соединений,  но и    минимальная  влажность  исходных  компонентов, суммарная  величина  которых  не  должна  превышать  3% масс. В  этой  связи  разработанная    технологическая  схема  включает  участок  сушки кремнеземистых добавок.

К настоящему времени накоплен значительный опыт работы по новой  технологии России, разработана первичная нормативная база, проведены сертификационные испытания, в частности, в США, Испании и Италии. Опыт промышленной реализации механохимически активированных наноцементов позволил   начать  освоение  новой технологии   в практике цементной промышленности, на настоящее время  произведено  и успешно применено  более млн   тонн  нового  цемента.

Строительно-технические свойства механохимически активированных цементов позволяют получать на их основе высокопрочные бетоны марок 500–800 и сверхпрочные бетоны до марок 1300–1500, широкий ассортимент железобетонных изделий без применения пропарки, а также быстротвердеющие, водонепроницаемые и другие весьма необходимые в современном строительстве бетоны. Освоено производство и применение высококачественных железобетонных изделий с повышенной долговечностью, что подтверждено двадцатилетним опытом применения новых бетонов в военном, специальном, традиционном  строительстве и благоустройстве.

       Механохимическая обработка цемента позволяет производить разработанные и сертифицированные ОАО «Московский ИМЭТ»  наноцементы под наименованием «Сухие  механоактированные смеси (СМС)» - цементы со сниженным содержанием клинкерной части до 90 % масс, (СМС-90), 75% масс. (СМС-75) и 50% масс. (СМС-50) по ТУ-5735-040-05442286-00 с прекрасными строительно-техническими свойствами  (табл.1) .

 В табл.2 приводятся средние данные   наноцементов  для составов: СМС-90, СМС-75 и СМС-50, включающих химически наиболее инертный материал – кварцевый  песок.

Таблица 1

Основные показатели наноцементов - механохимически активированных сухих смесей (СМС)– портландцемент с кварцевым  песком

Общая схема компоновки оборудования разработанной технологии приводится на рис.2. Конструкция шаровой трубной  мельницы 2,9х11 м предусматривает создание в ней разряжения на выходе продукта максимально до – 1100 Па для увеличения производительности за счет уноса мелкодисперсных частиц смеси.

Производительность мельницы задается подачей компонентов цемента и составила  50 т/час. Аналогичные по габаритам мельницы в России имеют существенно отличную шаровую загрузку, ввиду отсутствия предизмельчения материалов перед подачей в мельницу.

Рис.2 Технологическая линия по производству малоклинкерного наноцемента с минеральными добавками.

Для реализации технологии необходимо создать на площадках ЖБИ, ДСК и других предприятий в районе Сочи региональные помольные цеха мощностью  300-350 тыс. т цемента в год. С учетом экономии на транспорте цемента возрастающих потребления и стоимости цемента окупаемость капиталовложений в такие цеха составит, в зависимости от объема производства, от двух  до четырех лет. Наноцементы способны изменить идеологию производства изделий из бетона за счет отказа от пропарки.

Новая технология дает возможность активного вовлечения в производство цемента местных  нерудных материалов : некондиционных щебней и гравия , мелкозернистых песков и  кремнеземистых добавок, как природных пород , так же зол и различных шлаков. Подобная схема применялась в послевоенные годы прошлого века во Франции, в Европе в настоящее время насчитывается 70 помольных цехов, измельчающих привозной клинкер. Такой подход широко используется в КНР: клинкер производится на мощных предприятиях, 50-70% его измельчается в цемент непосредственно на цементных заводах, а остальная часть клинкера продаётся на небольшие предприятия, которые перерабатывают его в цемент на своих помольных линиях добавляя местные минеральные добавки.

Одним из выдающихся качеств  наноцементов ,в отличие от обычных , является уже подтвержденная результатами испытаний сегодня (табл.1) их способность не терять качество годами как при хранении в таре ,так и в цементных силосах ( табл.3). Пока это не удалось никому в мире.

Характеристики свежих и длительно хранившихся  наноцементов -  вяжущих низкой водопотребности - производственного выпуска: 1-Здолбуновский цементно-шиферный комбинат, 1989 г.; 2-Белгородский цементный завод, 1992 г.

Разработанные малоклинкерные цементы позволяют радикально повысить качество и долговечность изделий из бетона и железобетона. Так, в частности, они позволяют производить высококачественные панели и плиты для массового строительства жилья и дорог не только с экономией цемента, но и с исключением традиционной пропарки изделий, с одновременным сокращением расхода электроэнергии и тепла.

Размер капиталовложений на ввод одного помольного цеха мощностью 0,5 млн.т в год составит около 20 млн. долларов США, что в 8 - 10 раз ниже стоимости удельных капиталовложений при строительстве новых цементных заводов.

Продажу клинкера цементными заводами России для цехов помола наноцемента, в том числе, например, в районе Сочи можно оформить как государственный заказ, тем более что цементные заводы могут поставлять его на создаваемые помольные цеха в зимнее время, когда спрос на цемент резко падает, а производить цемент впрок заводам невозможно в связи с ограничением сроков хранения цемента 2-мя месяцами и отсутствием емкостей для хранения. Подобную схему реализации  новой технологии  можно эффективно использовать и для труднодоступных районов – Крайнего Севера, Сибири и других  регионов, тем более не имеющих прирельсовых складов для получения цемента.

Отсутствие широкомасштабного освоения технологии наноцемента в России  является ярким примером несостоятельности надежд руководства страны на рыночный механизм освоения инноваций в ее промышленности.