В НГУ создали новый экологичный строительный материал
Команда исследователей из НГУ создала новый экологичный строительный материал, который в перспективе может заменить традиционный цемент. Уже готовы первые опытные образцы, в планах — запустить промышленное производство нового материала. Проект под руководством аспиранта Геолого-геофизического факультета (ГГФ) НГУ Степана Денисова «Разработка однокомпонентного вяжущего материала на основе промышленного отхода золошлаков» стал победителем федерального конкурса «Студенческий стартап», объем предоставляемой поддержки на ближайший год составит 1 млн рублей.
Уникальность проекта состоит в том, что новый строительный материал полностью изготавливается из промышленных отходов, а именно золошлаков — это то, что образуется при сжигании твёрдого топлива (угля, торфа, сланцев) на тепловых электростанциях, котельных и других промышленных установках. Таким образом, отходы, которые годами копились на свалках и загрязняли окружающую среду, превращаются в полезный и качественный продукт для строительства.
— Идея проекта родилась на стыке двух больших проблем. Во-первых, это проблема отходов: в России только золошлаковых отходов накоплено около 2 миллиардов тонн, и каждый год их становится на 60 миллионов тонн больше. При этом перерабатывается лишь малая часть — около 15%. Эти отвалы занимают огромные территории. Во-вторых, это проблема экологии цементной промышленности: производство обычного цемента — это очень энергозатратный процесс, на который приходится около 8% всех мировых выбросов CO₂. Наш проект позволяет сразу решать две задачи: перерабатывать отходы и одновременно создавать «зеленую» альтернативу цементу, сокращая углеродный след, — рассказал Степан Денисов.
Работа над проектом началась более года назад и ведется на базе Климатического центра НГУ. Научным руководителем, который отвечает за общее направление разработки и который также вошел в команду стартапа, является Георгий Лазаренко, к.ф.-м.н., директор Климатического центра НГУ. Кроме того, в команде стартапа — магистрант ГГФ Матвей Трутнев, аспирант ГГФ Дмитрий Горяйнов и к.т.н. Яков Ермолов.
На текущий момент разработана лабораторная технология и получены первые опытные образцы материала. Суть технологии заключается в следующем: золошлаки, раздробленные в порошок, смешиваются со специальными активаторами. Далее при смешивании с водой между ними запускается химическая реакция — геополимеризация. В результате получается прочный камень, по свойствам аналогичный цементному, но имеющий свое преимущество.
Уже проведены предварительные испытания образцов, результаты которых показали, что по таким показателям, как прочность, водопоглощение, новый материал полностью соответствует заявленным требованиям.
— По прочности (50 МПа) он не уступает высокомарочным цементам М500, а по морозостойкости может достигать 300 циклов. Кроме того, продукт имеет низкое водопоглощение (менее 5%), в то время как у большинства конкурентов этот показатель колеблется от 5% до 18%. Наряду с этим, он предлагает гибкость в времени схватывания — от 5 минут до 7 часов, покрывая потребности как в быстром ремонте, так и в стандартном строительстве. При этом его себестоимость является одной из самых низких на рынке, конкурируя с обычными портландцементами М300-М400, но предлагая при этом качество и свойства, характерные для значительно более дорогих специализированных материалов, — добавил Степан Денисов.
Аналоги данного материала, представленные на рынке, — это так называемые геополимерные вяжущие материалы, которые производят как в России, так и за рубежом. Однако ключевыми преимуществом материала, разработанного в НГУ, является цена и экологичность, достигаемая за счет использования 100% золы в качестве сырья и полной утилизации отходов.
Разработка найдет применение в разных сферах строительства — везде, где используется цемент, — для стяжки полов, кладки кирпича, штукатурки, изготовления строительных блоков и т.д. Потенциальными потребителями являются как крупные промышленные предприятия, которые решают задачу утилизации отходов, так и строительные компании и частные лица, которые ищут более доступный по цене и экологичный материал.
Средства, которые получит команда в рамках конкурса «Студенческий стартап», будут направлены на проведение дальнейших, более углубленных испытаний образцов по всем строительным стандартам (морозостойкость, коррозионная стойкость и др.), закупку необходимых реактивов и материалов, патентование разработки и изготовление первой партии прототипов в товарной упаковке (мешках по 5, 10 и 25 кг). В перспективе рассматривается возможность запустить промышленное производство строительной смеси и перерабатывать до 100 000 тонн золошлаков в год.
Новые СП — новая эффективность
Модернизация нормативной базы — одна из застарелых проблем строительной отрасли, что находит отражение и в критике со стороны руководства страны. Тем более важно появление каждого нового нормирующего документа, особенно в столь важной сегодня сфере, как развитие транспортной инфраструктуры.
С 1 июля 2021 года вступили в действие актуализированные СП 35 «Мосты и трубы» и СП 122 «Тоннели железнодорожные и автодорожные», регламентирующие проектирование и строительство транспортных сооружений.
Работа по актуализации стандартов организована ФАУ «ФЦС» и выполнена АО «ЦНИИС» и ООО «Мастерская Мостов» при участии специалистов ООО «ИЦ "МИТ"», АО «Дороги и мосты», «Мостотреста».
Актуализация Сводов правил стала очередным шагом в модернизации нормативной базы. Еще в 2010 году вместо устаревших СНиПов были, в частности, разработаны СП35 по проектированию мостов и водопропускных труб и СП122 по проектированию железнодорожных и автодорожных тоннелей. «Вобрав все самое фундаментальное из СНиПов Своды правил во многом улучшили ситуацию в проектировании мостов и тоннелей и дали возможность проектировщикам разрабатывать в том числе уникальные сооружения, как вантовый мост на о. Русский (с пролетом 1 км!), тоннели Московского метрополитена, Лефортовский тоннель и Строгинские тоннели в Москве», — вспоминает заместитель генерального директора АО «ЦНИИТС» по научной работе Юрий Новак.
При этом он отмечает: практика показала, что документы такого уровня должны пересматриваться на регулярной основе. «Был выбран срок пересмотра СП — пять лет, который позволял пройти для утверждения той или иной инновационной продукции весь путь от идеи через эксперимент, опытное проектирование и строительство до массового применения. В 2012–2015 годах, в 2020 году были подготовлены вторая и третья редакции этих СП», — говорит эксперт.
СП 35
Работа по актуализации нормативных документов велась при активном участии Минтранса России, Росавтодора, ТК 418 «Дорожное хозяйство». «Пересмотру нормативов предшествовало проведение нескольких прикладных научных исследований, а также аккумуляция результатов опытного проектирования и строительства целого ряда объектов, например, Крымского моста», — со своей стороны отмечает замглавы Минстроя РФ Сергей Музыченко.
«Основные задачи, которые решались при разработке изменений в СП 35, это: актуализация взаимосвязей с обновляемой нормативной базой в части новых материалов и разработанными новыми нормативными документами, уточнение методов расчета и конструирования железобетонных элементов, а также учет разработанных ранее специальных технических условий», — рассказывает заместитель технического директора ООО «Мастерская Мостов» Николай Новак.
По его словам, прежде всего следует отметить большую группу изменений, связанных с расчетом и конструированием железобетонных конструкций, в том числе добавлено приложение по расчету сечений с учетом диаграмм деформирования материала. Также обновились требования к габаритам, тротуарам, к проектированию водоотвода и мостового полотна, а также иные крайне важные положения.
Юрий Новак перечисляет следующие ключевые новации СП 35:
- Включены требования по современным методам расчета конструкций мостов на основе нелинейного подхода учета работы материалов, что даст возможность более грамотно проектировать мосты.
- Разрешено применение фибробетона в мостовых конструкциях. Фибробетон в отдельных элементах мостовых сооружений весьма важен, несмотря на его повышенную стоимость в сравнении с обычным гидротехническим (мостовым) бетоном.
- Разрешается применение арматуры классов А500 и А600 по ГОСТ 34028, а также арматуры с периодическим профилем поверхности, имеющим многорядное расположение поперечных ребер, классов А500СП, Ау500СП и Ав500П как имеющую повышенные характеристики сцепления с бетоном, арматура указанных типов давно (более 30 лет) применяется в промышленно-гражданском строительстве, теперь ее можно использовать в мостах.
- Разрешается применение высокопрочных болтов, гаек и шайб из атмосферостойкой стали марки 40ХГНМДФ. Мосты строят сегодня и в морских условиях, поэтому атмосферостойкость очень актуальна сегодня для России.
- Для свайных фундаментов опор допускается применение стальных свай, погружаемых с открытым концом без выемки грунта из цилиндрической электросварной прямошовной трубы диаметром до 3000 мм. Эту возможность и экономическую целесообразность доказало строительство моста на полуостров Крым.
«В целом разработанные изменения позволят более гибко вести проектирование и сократить сроки прохождения органов экспертизы», отмечает Николай Новак. «Новые требования дадут возможность улучшить качество проектирования мостов, что позволит повысить надежность и долговечность сооружений. Кроме того, нововведения за счет повышения уровней безопасности при строительстве и эксплуатации сооружений в соответствии с требованиями закона № 384-ФЗ обеспечат снижение затрат на ремонт на 5–10% за счет увеличения межремонтных сроков. Модернизация мостовой строительной отрасли путем внедрения передовых и отмены устаревших технологий даст повышение темпов строительства за счет применения прямошовных труб в фундаментах на 15% (исключительно для больших мостов)», — дает более развернутую оценку Юрий Новак.
СП 122
Одним из наиболее важных результатов изменения СП 122 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» является повышение уровня безопасности при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и сохранность окружающей застройки.
Юрий Новак называет следующие основные новеллы норматива:
- Приведены дополнительные требования по определению нормативных и расчетных характеристик грунтов при поведении инженерно-геологических изысканий, составу данных для выполнения геотехнических расчетов, что важно особенно применительно к сложным геологическим условиям современного тоннелестроительства.
- Введены положения по видам и выбору ограждающих конструкций котлованов, в том числе современных методов крепления строительных котлованов в условиях плотной городской застройки и интенсивного уличного движения, что отработано в крупных городах-миллионниках.
- Введены требования по сооружению тоннелей с опережающей крепью в виде экрана из труб и современной технологии микротоннелирования, что актуально для пересечения дорог со строительством тоннелей под насыпью.
- Введены новые положения по использованию специальных способов работ при сооружении транспортных тоннелей в условиях неустойчивых водонасыщенных и нарушенных скальных грунтов, укреплении оснований и фундаментов зданий, попадающих в зону строительства, ликвидации аварийных ситуаций, возникающих в процессе строительства.
- Определены требования по устройству притоннельных сооружений способом опускных секций, что является новым словом в проектировании и строительстве тоннелей.
- Уточнены ссылки на нормативные документы по противопожарной защите тоннелей и тоннельных переходов, добавлены требования к пожарной безопасности строительных конструкций.
Внесенные изменения упрощают и ускоряют процессы проектирования, а также во многих случаях позволяют отказаться от разработки специальных технических условий. Внесенные изменения также ориентированы на гармонизацию нормативных требований с европейскими и международными стандартами.
«Обобщенные технико-экономические показатели по применению новых материалов и технологий при проектировании и строительстве тоннелей ориентировочно составляют: сокращение стоимости строительства на 15–20%, сроков строительства на 15–25%, эксплуатационных расходов — на 30%», — отмечает Юрий Новак.
По его словам, принятие и широкое внедрение новых нормативных документов позволит строить новые и ремонтировать уже действующие сооружения транспортной инфраструктуры более надежно, быстро и экономично. «Все нововведения в СП35 и СП122 прошли общественные слушания и получили одобрение у ведущих специалистов-практиков — как проектировщиков, так и строителей», — добавляет эксперт.
Потому и не шумят
Шумозащитные экраны (ШЗЭ) получают все большее распространение при реализации крупных транспортных проектов. При том что компаниями налажено производство качественной продукции, развитие сегмента сдерживают ценовые факторы.
Курс властей на развитие инфраструктуры стимулирует строительство крупных дорожно-транспортных объектов, часть из которых находится в черте населенных пунктов. Это, в свою очередь, ведет к все более широкому использованию шумозащитных конструкций.
«Спрос на шумозащитные экраны растет год от года. Это связано с развитием российских автомобильных дорог, более тщательным контролем соблюдения современных норм строительства и заботой о здоровье людей, пребывающих в местах с повышенным уровнем шума. Рынок ШЗЭ развивается. Появляются новые материалы и технологии», — констатирует директор департамента шумозащитных экранов ООО «КрафтСпан» Артем Яковлев.
По словам директора по развитию ООО «АДК» Петра Федорова, сегодня рынок ШЗЭ развивается очень быстро. «Растет спрос на эффективные решения по шумозащите, особое внимание уделяется архитектурному и цветовому оформлению конструкций экранов. Все больше используется решений на базе светопрозрачных панелей, создающих воздушность и легкость шумозащитным конструкциям. Используемые полимерные или закаленные стекла обладают требуемыми звукоизолирующими и прочностными характеристиками и с успехом вписываются в концепцию шумозащиты населения от негативного влияния шума», — говорит он.
Минус звук
«Учитывая требование СанПиН 1.2.3685-21 о допустимых уровнях шума (55 дБА днем/45 дБА ночью на территории, прилегающей к жилым домам) требуемое снижение шума может достигать 20–25 дБА и более. Для обеспечения допустимых уровней в ряде случаев необходимо устройство шумозащитных экранов не только в полосе отвода объекта, но и на территории жилой застройки», — говорит руководитель службы главного инженера ЗАО «Институт "Трансэкопроект"» Наталья Тюрина.
«Акустическая эффективность (индекс изоляции воздушного шума) наших панелей может достигать 41 дБ», — со своей стороны отмечает Артем Яковлев. А по словам генерального директора ЗСК «Стройэлемент» Виталия Скуматова, в принципе, современные ШЗЭ могут обеспечить любой требуемый уровень защиты. «Все зависит от того, где и что надо защитить. Экраны, предназначенные для автомобильных и железных дорог, обеспечивают защиту в 32–38 Дб. Эти показатели зависят от многих факторов как проектного характера, так и технологического. Что является звукопоглощающим элементом в экране, какой процент отражается, как обеспечивается фиксация наполнителя экрана внутри, как обеспечивается коррозионная стойкость, какая долговечность экрана», — уточняет он.
Уровень снижения шума экраном зависит в первую очередь от высоты и длины экрана; расположения экрана относительно источника шума (чем ближе — тем лучше защита), акустических свойств материалов, из которых изготовлен экран (звукоизоляции и звукопоглощения экрана); его формы, говорит Наталья Тюрина. «Конструкция ШЗЭ должна обеспечивать механическую прочность, выдерживать весовую, ветровую, снеговую и другие нагрузки, быть пожаробезопасной, долговечной и ремонтопригодной», — перечисляет она.
Конструктив
Как отмечает Петр Федоров, сегодня существует три технических решения по конструкции акустических панелей. «Это самый древний конструктив (первые разработки — начала 1960-х годов) в виде коробчатой конструкции с перфорированной стенкой, обращенной в сторону источника шума, задней неперфорированной стенкой, между которыми уложена минеральная вата плотностью 40–60 кг/куб. м. Такие конструкции собираются ручным методом и дожили до наших дней практически без изменений. Второй конструктив представляет собой строительную сэндвич-панель с перфорированной лицевой стороной и минераловатным наполнителем плотностью 90–100 кг/куб. м. Стенки изготавливаются из оцинкованной или нержавеющей стали, алюминия. Панели производятся на автоматизированных линиях, что обеспечивает высокое качество. Третий вид конструкции основан на коробчатых экструзионных замкнутых профилях из ПВХ-пластика с наполнением из минеральной ваты плотностью 70–90 кг/куб. м», — говорит он.
Он выделяет ряд параметров, на которые надо обратить внимание при выборе ШЗЭ:
- Материал внешних металлических стенок панелей должен содержать коррозионостойкое покрытие, нанесенное методом горячего цинкования и иметь толщину не менее 240–275 грамм на квадратный метр с последующим нанесением износостойкого лакокрасочного покрытия.
- Механические характеристики материала стенок панелей должны быть прочными, иметь высокие показатели предела прочности и текучести металла, чтобы выдержать энергию удара 30 джоулей (камень массой 100 гр., летящий со скоростью 30 км/ч) до разрушения стенки панели.
- Минеральная звукопоглощающая вата должна иметь необходимую плотность, быть обработана в заводских условиях специальными промасливателями и иметь минимальную величину водопоглощения из окружающей среды.
- Материал стенок панелей должен быть негорючим и не выделять при нагревании даже солнечной энергией опасные для человека вещества.
По словам Виталия Скуматова, главной задачей при производстве элементов ШЗЭ является необходимость обеспечить их долговечность и высокую коррозионную стойкость. «Безусловно важным является удобство монтажа шумозащитного экрана в полевых условиях и его ремонтопригодность в процессе эксплуатации», — добавляет он.
«В качестве наполнителя мы используем минеральную вату на основе горных базальтовых пород плотностью 115 кг/куб. м. Также рекомендуем обращать внимание на связующий элемент между металлическими обкладками и наполнителем — клей. В нашем случае это двухкомпонентный клей на полиуретановой основе, обеспечивающий максимально качественное сцепление поверхностей металла и минеральной ваты. Если говорить о металле, то всегда уточняйте, какое у него покрытие: стойки и опорные профили должны быть оцинкованы. Акустические панели должны иметь защитное полимерное покрытие, подходящее под ваши задачи, и также быть оцинкованы», — советует Артем Яковлев.
Наталья Тюрина обращает внимание также на качество монтажа. «Недопустимо наличие щелей и отверстий в конструкции экранов, например, между нижними панелями экрана и основанием, на котором экран установлен, так как они приводят к резкому снижению звукоизолирующих свойств и эффекта снижения экраном шума», — отмечает она.
«Если над проектом работают опытные специалисты, и конструкция типовая, то сложно ошибиться в расчетах. К проблемам может привести большое количество изменений на этапе проектирования конструкции. К типовым ошибкам можно отнести несовпадение количества парных элементов конструкции», — со своей стороны добавляет Артем Яковлев.
Цена вопроса
Главным сдерживающим фактором в вопросе распространения шумозащитных экранов является их сравнительно высокая стоимость, говорят эксперты. «Основными проблемами являются чрезмерно жесткие нормативные требования и необходимость принятия компромиссных с точки зрения минимизации стоимости технических решений. Доля затрат на шумозащитные мероприятия в общей стоимости объекта транспортной инфраструктуры достаточно велика и зависит от наличия и протяженности нормируемых по шуму территорий в зоне акустического воздействия. На сегодняшний день стоимость шумозащиты может составлять 3% от общей стоимости объекта — при наличии незначительного количества жилых территорий вдоль магистрали и достигать 10% и более — при прохождении через жилые районы более 70% объекта», — подчеркивает Наталья Тюрина.
«Цена шумозащитного экрана формируется исходя из параметров элементов его конструкции и объема поставки. Например, чем толще акустические панели, тем больше требуется сырья для их производства, тем дороже они стоят. Добавит стоимости нестандартный цвет панелей и других элементов конструкции. Сейчас ситуация на отечественном рынке металлопроката и шумозащитных материалов нестабильная: стоимость сырья и комплектующих динамически изменяется, что влияет на итоговую стоимость шумозащитных экранов. Цены меняются буквально еженедельно. Поэтому мы рекомендуем нашим клиентам не откладывать проекты», — отмечает Артем Яковлев.
Виталий Скуматов тоже отмечает, что изготовление качественных ШЗЭ из дешевых компонентов просто невозможно. «Обеспечение высоких технических характеристик продукции предопределяет и немалую стоимость шумозащитных экранов. А поскольку за последний год цены на материалы, используемые при производстве (а именно металл, наполнители, клеи и прочее), выросли в два с лишним раза, то, конечно, и цена готовой продукции увеличилась почти в два раза», — говорит он.
«На рынке присутствует много предложений, отличных между собой по цене. Чтобы завоевать покупателя низкой ценой, некоторые производители используют скрытые характеристики, которые визуально не видны. Используется сталь с низкими показателями механических характеристик, с количеством цинка 90–100–140 грамм на квадратный метр, низкой плотностью минеральной ваты 40–60 кг/куб. м. Срок службы таких панелей намного меньше необходимых эксплуатационных и требуемых межремонтных периодов», — предупреждает Петр Федоров.