Грозит ли нам «песчаная катастрофа»?

Песок – это исчерпаемый природный ресурс, и его не становится больше. Между тем, без песка нет ни бетона, ни асфальта, ни стекла. Где уже сейчас существует дефицит строительного песка? Из чего нам делать бетон, когда закончится песок? На эти и другие вопросы отвечает  Евгений Королёв, доктор технических наук, профессор, почётный строитель России, академик Российской инженерной академии.

– Евгений Валерьевич, правда ли, что в мире существует проблема глобального дефицита строительного песка?

– Эта проблема имеет комплексный и неоднозначный характер. Во-первых, необходимо определиться с понятием «строительный песок». Для изготовления самого распространённого строительного материала XX и XXI века – бетона – применяются вяжущее вещество, крупный и мелкий заполнитель, а также различные добавки, которые улучшают свойства бетонных или железобетонных строительных конструкций.

Евгений Валерьевич Королёв, доктор технических наук, профессор, почётный строитель России, академик Российской инженерной академии. Фото предоставил Е. В. Королёв.

При производстве бетона могут быть использованы не только цемент, но и другие вяжущие вещества: строительная известь, битум, различные синтетические смолы и т.д. Крупный заполнитель – это раздробленный материал, размеры частиц которого более 5 мм, а у мелкого заполнителя размеры частиц менее 5 мм.

Крупный заполнитель называют щебнем (его природный аналог – гравием), а мелкий заполнитель – песком. Крупный и мелкий заполнитель можно получить из природного или техногенного сырья. В первом случае их получают, разрабатывая соответствующие карьеры (песчаные, песчано-гравийные) или используя отходы дробления горных пород при производстве щебня, а во втором – путём переработки различных крупнотоннажных отходов промышленности, в том числе отходов, которые образуются при выводе из эксплуатации различных зданий и сооружений.

Таким образом, «строительный песок» – это мелкий заполнитель с размером частиц менее 5 мм, который может быть получен как из природного, так и техногенного сырья.

Песчинки жёлтого строительного песка под микроскопом. Фото: Alexander Klepnev/Wikimedia Commons

Во-вторых, нужно учитывать, что природные ресурсы по земному шару распределены неравномерно, и это влияет на распределение производств, которые могут быть дополнительным источником заполнителей для бетонов. Неудивительно, что некоторые государства испытывают дефицит кварцевого песка.

В-третьих, важно определить требования к качеству песка, применяемого для изготовления бетонов и других строительных материалов. Кварцевый песок – природный материал, состоящий в основном из кварца (более 95 %) – применяется для изготовления многих изделий, в том числе не относящихся к строительству, например, фаянс, хрусталь, различные стёкла и т.д. Для таких изделий требуются специализированные кварцевые пески, в которых доля примесей оксидов железа, алюминия, хрома, титана и ванадия минимальна.

– А для строительства годится любой песок?

– Для получения строительных материалов пригоден песок, который соответствует требованиям по крупности зёрен, по содержанию вредных механических и химических примесей, негативно влияющих на прочность бетона и его долговечность, а также по содержанию естественных радионуклидов.

Несмотря на то, что в пустынях много песка, он практически непригоден для строительства: его песчинки мелкие и гладкие, поэтому плохо сцепляются между собой, и бетон на его основе получается непрочным. Фото: Diego Charlón Sánchez/Flickr.com.

Важно ещё и то, что строительная отрасль постоянно решает задачу снижения стоимости за счёт использования местных строительных материалов и региональных вторичных ресурсов, например, отходов различных производств. В настоящее время накоплено много решений по использованию таких ресурсов: некондиционных природных песков, вскрыши при разработке полезных ископаемых и др. Раньше в Советском Союзе была распространена практика оценки характеристик и определения области применения различных отходов. В современном мире, стремящемуся к устойчивому развитию, эта практика была бы крайне полезной, и можно ожидать, что доля заполнителей, полученных из вторичных ресурсов, будет возрастать. Так что сырьевая база заполнителей для получения бетонов и других строительных материалов весьма обширна.

– Вы говорите, что для ряда стран существует «песчаный дефицит». С чем это связано?

– Эта проблема актуальна для государств с малыми запасами сырья или для отраслей промышленности, в которых к сырью предъявляются повышенные требования, а способы приведения качества сырья к стандарту энерго- и ресурсозатратны. Очевидно, что сохранение традиционных параметров производства изделий требует поиска и разработки новых залежей, что неизбежно приводит к разрушению экосистем, воссоздание которых происходит с существенно меньшей скоростью, чем негативное влияние человечества. Это ещё одна сторона проблемы, о которой молчать нельзя.

– Почему песок столь важен в строительстве? 

– Заполнители в бетоне занимают до 80% его объема. Они выполняют несколько функций в зависимости от назначения строительного материала. Для обычных бетонов заполнители распределяют напряжения в объёме материала, что повышает его прочность, а также снижают его стоимость – стоимость заполнителей и вяжущего вещества могут различаться в несколько раз.

В специальных бетонах заполнители формируют функциональные свойства: для теплоизоляционных бетонов – низкий коэффициент теплопроводности, для радиационно-защитных бетонов – высокий коэффициент линейного ослабления, для химически стойких бетонов – высокий коэффициент химической стойкости и т.д. Для таких специальных бетонов, конечно же, используются специальные заполнители.

Кроме изготовления различных строительных материалов заполнители применяют как элементы различных конструкций, например, при строительстве автомобильных и железных дорог. Так, конструкция автомобильной дороги представляет собой «слоёный пирог», состоящий из слоя мелкого заполнителя, слоя крупного заполнителя и нескольких слоёв асфальтобетона. Также заполнители применяют для изготовления конструкций, имеющих повышенную звукоизоляцию.

Конструкция дорожной одежды представляет собой слои из различных материалов. Верхние слои обычно состоят из одного или нескольких типов асфальтобетона. На фото – два слоя асфальтобетона уложенные на слое чёрного щебня. Фото: Georg Pik /Wikimedia Commons.

– Какой песок может применяться в строительстве, а какой нет? Только ли от размера зёрен это зависит?

– Не только. Заполнители должны соответствовать требованиям, которые обеспечивают как получение строительных материалов с заданными свойствами, так и безопасность пребывания людей в зданиях, построенных с применением таких материалов. На это могут влиять крупность зёрен, содержание механических примесей и химических соединений, а также уровень активности естественных радионуклидов.

Формирование функциональных свойств бетонов в основном зависит от свойств искусственного камня, получаемого из вяжущего вещества, а также от свойств и содержания заполнителей. Как и для любого полидисперсного материала, свойства которого зависят от плотности упаковки частиц, для бетона также необходимо подобрать размеры и количество различных зёрен заполнителя, так чтобы формировался плотный каркас. Задача усложняется разнообразием геометрических форм зёрен и непостоянством их содержания во фракциях заполнителя.

Поэтому в зависимости от поставленной задачи в строительном материаловедении применяются и постоянно совершенствуются различные аналитические и численные методы, которые обязательно проверяются в лабораторных условиях. Кроме того, ограничивается содержание зёрен определенной формы и частиц инородных материалов, вроде комков глины, земли, древесной щепы и др.

Эксплуатационные свойства бетона как композиционного материала также во многом зависят от прочности контакта между искусственным камнем и заполнителем. Наличие на границе контакта различных примесей, в основном глины, значительно снижает прочность бетона, поэтому содержание таких примесей также тщательно контролируется.

Кроме механических примесей заполнитель может содержать химические соединения, которые могут снизить долговечность строительных изделий и конструкций. Контролируется содержание следующих соединений и минералов: аморфные разновидности диоксида кремния, сера, сульфиды и сульфаты, галоидные соединения, слюда, уголь, органические примеси (гумусовые кислоты).

Важной характеристикой качества заполнителей является содержание естественных радионуклидов, которое оценивается по их активности. В зависимости от активности заполнители классифицируют на три группы: для строительства жилых и общественных зданий, для дорожного строительства в пределах населённого пункта и для дорожного строительства за пределами населённых пунктов.

Добываемый песок или гравий могут обладать повышенной естественной радиоактивностью, поэтому так важен контроль за радиоактивностью строительных материалов для жилых и общественных зданий. Фото: Hugo Vanmalle/Wikimedia Commons.

– Поскольку песок не является возобновляемым ресурсом, возможно ли, что человечество однажды останется без песка?

– Безусловно, как и любой природный ресурс, природный песок исчерпаем. Если такое гипотетически произойдёт, то это событие приведёт к нескольким негативным последствиям. Во-первых, подорожает строительство, так как будет увеличен расход дорогого вяжущего вещества. Во-вторых, ухудшатся эксплуатационные свойства строительных материалов, и это снизит потенциальные возможности в строительстве уникальных зданий и сооружений (эта проблема будет весьма актуальна для густонаселённых стран). Однако для решения задач строительства существуют источники, дополняющие и формирующие запасы мелкого заполнителя: отсевы дробления горных пород и вторичные ресурсы.

– Существуют ли научные разработки альтернативных материалов, которые можно использовать в строительстве вместо песка? Смогут ли они полностью заменить песок в обозримом будущем? 

– Такие исследования проводятся. Решений здесь множество, и они охватывают различные группы строительных материалов. Для обширной группы строительных материалов (легких бетонов) разработаны специальные искусственные заполнители на основе глины, перлита, вермикулита и др. Предложены решения по использованию различных шлаков чёрной и цветной металлургии, вскрыши – пустой породы, которая образуется при добыче природных ресурсов открытым способом, некондиционных песков и многое другое.

Для новаторской технологии 3D-строительства предложено использовать алюмосиликатные микросферы, которые выделяют из золы, образующейся при сгорании угля. Микросферы предложено использовать для получения теплоизоляционных покрытий с весьма низким коэффициентом теплопроводности.

Алюмосиликатные полые микросферы – полые силикатные шарики с гладкой поверхностью, считаются самым ценным компонентом зольных отходов тепловых электростанций, хотя их содержание в золе составляет десятые доли процента. Фото: Waterkeeper Alliance Inc./Flickr.com.

Альтернатива природным пескам – техногенные пески, представляющие собой отходы различных отраслей промышленности и удовлетворяющие требованиям по крупности и минеральному составу. К таким отходам относятся отсевы дробления, образующиеся при получении щебня из различных горных пород; вскрышные и попутно добываемые песчаные породы, шлаки (доменные, сталеплавильные и другие побочные продукты металлургических комбинатов), золошлаковые отходы от сжигания твёрдого топлива, заполнители, получаемые из некондиционных или вышедших из эксплуатации бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Кроме замены природных заполнителей на техногенные, в таких случаях решается актуальная задача утилизации отходов, что позволяет снизить экологический прессинг в регионах формирования и складирования такого рода отходы.

– Есть ли опыт внедрения таких разработок в нашей стране?

– Безусловно. Опыт использования техногенных песков имеется во всех регионах России, в которых актуальны задачи экологии и высвобождения полезных площадей, занятых под отвалы. Так, в Белгородской области, начиная с конца 70-х годов прошлого века учёными активно разрабатывались строительные материалы на основе вскрышных пород Курской магнитной аномалии и отсевов дробления. Данные техногенные продукты используются как при производстве бетонов для промышленного и гражданского строительства, различных стеновых материалов, так и в дорожном строительстве.

В Липецкой области шлаки металлургического комбината используются как крупный и мелкий заполнитель при производстве различных видов бетонов (строительного назначения и со специальными свойствами – жаростойкие, герметизирующие, биостойкие и др.). Из таких шлаков в цехе шлакопереработки ПАО «Новолипецкий МК» выпускают гранулированный доменный шлак (граншлак), литой шлаковый щебень (щебень из доменных шлаков), шлаковую пемзу, минеральную вату (шлаковату), получаемую как из огненно-жидких, так и из охлажденных шлаков.

Шлаковые отвалы металлургического комбината «Уфалейникель», закрытого в 2017 г. Фото: Ural-66/Wikimedia Commons.

Золошлаковые смеси тепловых электростанций Кузбасса активно используются промышленностью строительных материалов и в дорожном строительстве при отсыпке земляного полотна автомобильных дорог или возведение насыпей, засыпке траншей и пустот.

С применением алюмосиликатных микросфер разработаны высокопрочные лёгкие бетоны, имеющие широкую область применения: строительство высотных зданий, мостов, морских платформ и др. Эти микросферы применяют также для создания эффективных теплоизоляционных покрытий.

Заполнители из некондиционных или вышедших из эксплуатации бетонных и железобетонных изделий и конструкций, как альтернативу природным заполнителям, в СССР начали применять ещё в 80-х годах XX века в связи с большим накоплением отходов строительного производства. Новые строительные материалы, полученные с применением различных вторичных ресурсов и некондиционных природных ресурсов, продолжают разрабатывать и сегодня. Поэтому, думаю, «песчаная катастрофа» человечеству в ближайшей перспективе не грозит. Нашей стране – в том числе.