Новый строительный материал с низкой теплопроводностью на основе диатомита

На Ямале создается собственная стройиндустрия К. С. Иванов, кандидат технических наук, Институт криосферы Земли СО РАН Н.Л. Русаков,кандидат технических наук, Институт криосферы Земли СО РАН Ю.М. Золотов, кандидат социологических наук, директор НО «Арктический фонд перспективных проектов и исследований» Учеными и специалистами Тюменского научного центра и Института криосферы Земли СО РАН разработан гранулированный теплоизоляционный материал «ДиатомИК» с улучшенными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Он изготавливается из опал-кристобалитовых горных пород (диатомит, трепел, опока), имеет плотность от 250 до 450 кг/м3, прочность - в пределах от 1 до 3,3 МПа, водопоглощение составляет от 4,9 до 6,1%, коэффициент фильтрации - от 3 до 30 м/сутки.

Диатомит (кизельгур, инфузорная земля, горная мука) — осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей, обычно рыхлая или слабо сцементированная масса светло-серого или желтоватого цвета. Диатомит образовался из диатомитового ила, накопившегося в древних морях и озерах, начиная с третичного периода. В различных количествах в нем встречаются шарики водного кремнезёма - опала, а также обломочные и глинистые минералы. Химически диатомит на 96% состоит из опала. Основные его свойства: обладает большой пористостью, способностью к адсорбции, слабой тепло- и звукопроводностью, тугоплавкостью и кислотостойкостью.

Диатомит применяется как адсорбент и фильтр в текстильной, нефтехимической, пищевой промышленности, в производстве антибиотиков, бумаги, различных пластических материалов, красок; как сырье для производства жидкого стекла и глазури; в стройиндустрии в качестве строительного тепло- и звукоизоляционного материала, добавок к некоторым типам цемента и бетона, при производстве строительных деталей, в частности, стеновых блоков и плит; в качестве полировального материала в составе паст для металлов и мраморов; как инсектицид, вызывающий гибель вредителей и т. д. Высокое содержание аморфного кремнезема позволяет использовать опал-кристобалитовые горные породы для производства насыпных гранулированных теплоизоляторов, блочных строительных изделий и пеностеклокерамики.

Технология производства гранулированного материала «ДиатомИК» основана на смешивании диатомита, щелочного компонента и воды. Смешивание производится во вращающейся печи до получения гомогенной массы. В сушильной камере из смеси удаляют воду и получают практически безводную силикатную массу, которую измельчают до размера частиц диаметром от 3,5 до 20 мм. Нагрев силикатной массы до ее вспучивания осуществляется в интервале температурот 750 до 850°С. Полученный таким способом материал обладает низкой тепло- и звукопроводностью, высокой прочностью, морозоустойчивостью и водостойкостью.

В России диатомит впервые начали добывать в XVIII в. в Симбирской губернии и в Ульяновской области на базе Инзенского месторождения сейчас действует крупный диатомовый комбинат, производящий теплоизоляционный кирпич и пенодиатомитовую крошку. Промышленные месторождения диатомитов открыты в регионах Среднего Поволжья и Дальнего Востока, Пензенской, Ростовской, Свердловской и других областях России, а также на Ямале.

В 2017 г. в селе Нижняя ТавдаТюменской области был введен в эксплуатацию экспериментальный завод по производству гранул «ДиатомИК». Все его технологическое оборудование изготовлено на российских предприятиях. Проведенные исследования показали высокую эффективность применения этих гранул для укрепления полотна автомобильных и железных дорог. РОСДОРНИИ и ВНИИ железнодорожного транспорта разработали нормативные документы, рекомендующие использовать «ДиатомИК» при выполнении следующих работ:

- устранения осадок насыпей на оттаивающих вечномерзлых грунтах с отсыпкой материала в зоне подошвы откосов насыпей;

- предупреждения сплывов и оползаний откосов насыпей и выемок;

- устранения вспучиваний на пересечениях земляного полотна с теплотрассамии на участках с разнородными грунтами;

- рекультивация грунта с засыпкой термокарстовых понижений, водоотводов, подмостового пространства в условиях вечной мерзлоты и сезонного промерзания;

- новое строительство железных дорог, в том числе вторых путей в условиях вечной мерзлоты.

На Транссибе эффективность использования «ДиатомИК» проверяли при пропуске грунтовых и дождевых вод в лотках и дренажах. Воду из влагонасыщенных грунтов в осенне-зимний период теперь можно отводить в дренажах, и она не проникает в полотно дороги, что устраняет вспучивания грунта зимой и его просадки летом. Сезонное промерзание у нас наблюдается на 90% земель России, поэтому применение этого способа позволит увеличить безопасность движения на железных дорогах и уменьшить текущие затраты на их обслуживание. Расчеты специалистов «Забайкалжелдорпроекта» показали, что экономический эффект от использования диатомитовых гранул только в дренажах составит 11%, а в стесненных условиях при наличии светофоров и опор контактных сетей - от 17% до 30%. Федеральный центр ценообразования в строительстве и промышленности строительных материалов выдал заключение о внесении сметного норматива на «ДиатомИК» в федеральный сборник сметных цен на материалы.

Результаты применения «ДиатомИК» показали его конкурентные преимущества, а также большую технологическую и экономическую эффективность в рамках «жизненного цикла» объектов инфраструктуры в сравнении с другими строительными материалами. Запасы диатомитов на Ямале выходят на поверхность и оцениваются в миллиарды кубометров. Поэтому правительство Ямало-Ненецкого автономного округа поддержало создание на базе месторождения диатомита в Новом Уренгое первого на Ямале завода по производству материала «ДиатомИК». Арктическим фондом перспективных проектов и исследований получена лицензия на разработку карьера, а приобретение оборудования для завода профинансировано за счет средств, выделенных департаментом по науке и инновациям Правительства ЯНАО.

Намечено производство гранул трех размеров: до 5 мм, 5-10 и 10-20 мм. Первую очередь завода планируется сдать в эксплуатацию в мае этого года. Вначале продукция завода будет направляться на строительство и ремонт железных и автомобильных дорог на территории ЯНАО, а с расширением производства - поставляться в другие регионы.

Сейчас ведется исследовательская работа по изменению состава гранул «ДиатомИК» с целью повышения их плотности и прочности. Для сравнения с другими материалами были проведены испытания, которые показали следующие результаты. Пеностеклокерамика из диатомитовых глин с фракционным составом 2,5-5 мм, плотностью 490 кг/м3 и 590 кг/м3имеет прочность 9,0 и 21,3 МПа соответственно. Керамзит марки Д400 (производится в г. Алексин Тульской обл.) с фракцией 5-10 мм и плотностью 390 кг/м3 показал прочность 6,0 МПа. Так как керамзит в отличие от пеностекла и пеностеклокерамики впитывает влагу, то в дорожном строительстве для создания теплоизолирующего и дренажного слоев его применять нецелесообразно. А если сравнивать «ДиатомИК» с пенополистиролом, который широко используется в дорожном строительстве, то пенополистирол материал горючий и не является дренажным материалом в принципе, а «ДиатомИК» - негорючий и прекрасно дренирует с водопоглощением -2% по объему.

«ДиатомИК» - новое предложение для потребителей на рынке теплоизоляционных строительных материалов. На его основе можно изготавливать большую номенклатуру строительных материалов и деталей: щебень, окатанные гранулы из различных фракций, сухие строительные смеси, заполнители бетонов, насыпной теплоизолятор для дорог, стеновые блоки и плиты, основания фундаментов и др. В связи с потеплением и частыми просадками и пучениями грунтов актуальным становится вопрос сохранения и защиты вечной мерзлоты и предотвращения сезонного промерзания дорог и площадок на Севере и за Полярным кругом, где и планируется основной объем сбыта и применения этого материала.

Основным сдерживающим фактором развития автомобильной и железнодорожной инфраструктуры и жилищных программ является высокая рыночная стоимость строящихся дорог и жилья. Существенную долю в себестоимости их строительства составляют затраты на строительные материалы. Производство недорогих гранулированных теплоизоляционных материалов позволит увеличить межремонтный период эксплуатации дорог и значительно снизить стоимость жилья, возводимого как на территории ЯНАО, так и за его пределами.

«ДиатомИК» создает широкие перспективы для его использования в строительстве малоэтажных зданий. Низкая теплопроводность и относительно низкая плотность «ДиатомИК», который служит также утеплителем, позволяют практически вдвое уменьшить толщину наружных стен жилого дома по сравнению с керамзитобетонными и уменьшает нагрузку на фундамент. Отсюда и более низкая стоимость строительства - экономия до 20% по сравнению с традиционными технологиями и материалами.

Основное преимущество «ДиатомИК» перед пеностеклом – большая сырьевая база в виде местных месторождений, более низкая стоимость сырьевой составляющей, возможность неограниченного применения в бетонах, включая конструкционные и высокопрочные, предназначенные для строительства причалов, плавучих нефтяных платформ и др. Основное его преимущество перед керамзитом - более высокая морозостойкость благодаря закрытой пористости. Равноценный по морозостойкости и прочности керамзит типа керамдора имеет плотность от 400 кг/м3 (керамдор - 600 кг/м3), на теплоизолирующее дорожное основание его потребуется вдвое больше по объему, и вчетверо больше по массе. При производстве бетонов с использованием «ДиатомИК» возможно изменение его зернового состава от 0,5 мм, он превосходит керамзит по прочности при равной плотности в 2-10 раз и возможна перекачка марок бетона, содержащего диатомит, насосами. Керамзит же не пригоден для высокопрочных бетонов, включая тампонажные бетоны для нефтяных и газовых скважин.

Преимущества «ДиатомИК» перед пеноплексом и пенополеуретаном, помимо негорючести, - долговечность (свыше 100 лет), жесткость, ненужность дренажного слоя, низкая цена, особенно для полиуретана высоких плотностей, а также стойкость к грызунам. Для производства пенопластов в основном используют импортное сырье, а само производство является вредным.

Стеновые блоки из «ДиатомИК» пожаробезопасны так как не содержат окисляющихся компонентов, отличаются низким водопоглощением и не подвержены гниению. Значительное поровое пространство гранул, из которых спрессованы стеновые блоки, определяет их малый вес и высокие тепло- и звукоизоляционные характеристики. Поэтому в малоэтажном и каркасном строительстве отпадает необходимость в дополнительной теплоизоляции из пенополистирольных плит или минеральной ваты, требующейся при устройстве внешних стен с использованием блоков из керамзита или газобетона. Последние исследования эксплуатационных характеристик теплоизоляционных материалов свидетельствуют о необходимости отказа от использования пенополистирольных плит при строительстве жилых объектов. Применение в малоэтажном строительстве стеновых блоков на основе минерального кремнистого сырья перспективно и с экономической точки зрения. Положительный эффект обусловлен следующими обстоятельствами:

- снижением затрат на грузоперевозки за счет близости источника сырья. Сравнительно небольшая масса стеновых блоков позволяет также сократить время и стоимость погрузо-разгрузочных и монтажных работ, которые можно выполнять вручную или с использованием малой строительной техники;

- возможностью выбора более простого устройства фундамента или использования меньшего количества свай благодаря снижению общего веса сооружения в 1,5–3 раза. Соответственно сокращаются затраты на работы по укреплению фундамента;

- отказом от устройства дополнительных теплоизоляционных слоев из дорогостоящих материалов, необходимых при строительстве зданий из керамзитоблоков;

- снижением затрат на отопление в процессе эксплуатации.

Положительный эффект от использования «ДиатомИК» в железнодорожном строительстве может быть обусловлен следующими факторами:

- высокие теплоизоляционные характеристики материала (0,07-0,1 Вт/м*К) позволяют использовать его для теплоизоляции оснований ж/д насыпи, откосов (укрепленный геосетками материал вместо «охлаждающей» каменной наброски), балластных призм и труб малых водопропускных сооружений;

- материал способен обеспечивать провальную фильтрацию и обрыв капилляров, предотвращая накопление влаги в земляном полотне, в том числе обеспечить отвод воды и работу дренажной системы в начале зимнего периода при -200С;

- низкая насыпная плотность «ДиатомИК» (190-450 кг/м3) позволяет существенно снизить нагрузки на слабые грунты основания при строительстве высоких насыпей, сопряжений мостов и железных дорог;

- материал химически инертен, обладает долговечностью и низким водопоглощением. Срок службы материала в дорожных конструкциях может составить более 100 лет, т.е. на все время планируемой эксплуатации объекта. Материал может быть использован повторно при реконструкции объекта или в другом месте;

- в отличие от привозных синтетических теплоизоляторов и других строительных материалов «ДиатомИК» может производиться на значительной части территории ЯНАО на местном сырье, как на крупных заводах, так и на мини-заводах, размещаемых непосредственно на строительных площадках.

Строительство в Новом Уренгое завода по производству нового теплоизоляционного материала является началом создания в Ямало - Ненецком автономном округе собственной стройиндустрии, что поспособствует улучшению качества и снижению себестоимости строительства дорог и жилья в регионе.