Переход к строительству на основе цемента с низким «углеродным следом»: требования и препятствия
РЕФЕРАТ. Строительный сектор является крупным, многогранным и доминирующим пользователем природных ресурсов и энергии. Он также отвечает за выбросы большого количества CO2, поскольку зависит от производства таких материалов, как цемент, сталь, стекло, полимеры и др. Крайне важно быстро сократить выбросы CO2, связанные со строительством на основе цемента. Данная цель неоспорима, но «дорожная карта» для ее достижения еще не полностью подготовлена. В данной статье предпринята попытка проследить нынешнее движение сектора в сторону «низкоуглеродной» экономики и описать сопутствующие этому переходу требования и препятствия.
Ключевые слова: строительство, цемент, бетон, выбросы CO2, природные ресурсы, потребление энергии.
Keywords: construction, cement, concrete, CO2 emissions, natural resources, energy consumption.
Введение
Строительство занимает доминирующее положение в экономике всех стран, тем более быстро развивающихся. Например, доля строительного сектора в валовом внутреннем продукте (ВВП) Индии в 2017 году была равна 29,02 %, из них 7,74 % составила валовая добавленная стоимость (ВДС). К доле ВДС строительства следует добавить долю ВДС производства строительных материалов (цемента, стали, стекла и др.), равную 16,57 %, и еще 2,25 %, относящиеся к добыче сырья для их производства и разработке карьеров.
Воздействие строительных конструкций и строительной деятельности на окружающую среду столь же велико, как и их экономическая роль. Строительство потребляет около 40 % мировых ресурсов и такую же долю энергии, обусловливает выделение 40 % CO2 и образование такой же доли отходов (сейчас они классифицируются как отходы при строительстве объектов и их сносе).
В соответствии с указанными выше обстоятельствами важно как можно раньше продвигаться к «низкоуглеродным» цементной и бетонной промышленности, а также строительной деятельности. Это необходимо, чтобы минимизировать неблагоприятное воздействие изменения климата, обусловленного выбросами углекислого газа, на условия жизни людей. «Дорожная карта» в этой сфере пока только разрабатывается и преисполнена недостатков. Всемирным советом предпринимателей по устойчивому развитию и Международным энергетическим агентством при поддержке ведущих производителей цемента в 2009 году впервые была предпринята попытка разработать схему создания технологии, обеспечивающей низкие выбросы CO2. Вскоре после этого в Индии попробовали создать аналогичную схему с учетом специфики страны как второго мирового производителя цемента. Обе эти схемы к 2018 году пересмотрены и усовершенствованы. В то же время сходный план действий разрабатывается в Китае, который является мировым лидером цементного производства. В данной статье проанализированы сегодняшние положение дел, движущие силы и препятствия. Часть данных приведена для Индии, однако эта информация поможет понять общемировые тенденции.
Сегменты строительства и база строительных материалов
Строительные объекты вкючают в себя следующее:
• морские сооружения, в том числе в портах;
• структуры гидроэнергетики, включая плотины;
• канализационные и очистные сооружения;
• промышленные предприятия;
• водопроводы, водохранилища и другие объекты водного хозяйства;
• мосты, дороги, автомагистрали и дренажные сооружения;
• здания жилого и иного назначения;
• агропромышленные структуры и др.
Каждая из указанных областей строительства отличается от другой по характеру воздействия на окружающую среду и, следовательно, по требованиям к проектированию и материалам. В то же время первичными строительными материалами во всех этих сегментах являются цемент и сталь. Рост их производства за последние 65 лет сопоставлен на рис. 1 с ростом населения за этот же период.
Рис. 1. Рост производства цемента и стали в сравнении с ростом численности населения Земли с 1950 года
Мировое производство цемента выросло в 3 раза по сравнению с выпуском нерафинированной стали. Масштабы цементной промышленности можно охарактеризовать следующим образом:
• мировой объем производства цемента (в 2016 году — 4,2 млрд т) больше, чем любого другого техногенного материала;
• потребление цемента на душу населения в мире составило более 550 кг и превзошло аналогичный показатель для продовольствия;
• объем производства строительных материалов на основе цемента, включая бетон, ориентировочно оценивается в 2 м3 (или 4,5 т) на душу населения и уступает только объему потребления воды.
Подходы к минимизации выбросов CO2, обусловленных применением бетона
Почти 20 лет назад проф. П.К. Мехта предложил три в какой-то мере взаимосвязанных основных составляющих стратегии снижения выбросов CO2 в бетонном строительстве (рис. 2), реализации каждой из которых должно предшествовать множество действий:
1) сократить использование бетона в строительстве;
2) сократить долю цемента в производимом бетоне;
3) уменьшить содержание клинкера в производимом цементе.
Рис. 2. Основные способы минимизации выбросов CO2 при применении бетона («треугольник Мехты»)
Позже проф. П.-К. Айчин добавил к этим основным способам еще несколько концептуальных пунктов:
• больше клинкера, выпущенного при меньшем расходовании известняка и топлива;
• больше цемента с меньшим содержанием клинкера;
• больше бетона с меньшим содержанием цемента;
• более высокая прочность конструкций при меньшем количестве цемента и заполнителя;
• более прочная конструкция с более длительным сроком службы.
Смысл этих пунктов раскрыт в следующих разделах.
Больше клинкера, выпущенного при меньшем расходовании известняка и топлива
В ходе производства портландцемента в среднем выделяется около 535 кг CO2 на 1 т клинкера при декарбонизации CaCO3 и примерно 330 кг CO2 на 1 т клинкера при сжигании топлива, т. е. «прямые» выбросы составляют 835 кг CO2 на 1 т клинкера. Соответствующий показатель для цемента варьируется в зависимости от содержания клинкера в цементе и технологии измельчения. Для снижения выбросов CO2 на стадии производства клинкера в основном принимаются следующие меры:
• использование альтернативного некарбонатного сырья с высоким содержанием кальция;
• использование альтернативных видов топлива вместо традиционных;
• повышение энергоэффективности отдельных операций;
• выработка электроэнергии с использованием тепла отходящих газов;
• повышение использования энергии из возобновляемых источников.
В результате реализации этих мер средние удельные затраты электроэнергии и тепла в Индии достигли 82 кВт/т цемента и 725 ккал/кг клинкера соответственно (среднемировые показатели — 100—110 кВт/т цемента и 850—850 ккал/кг клинкера. Наилучшее достигнутое значение удельных затрат электроэнергии в Индии и Японии — 68 кВт/т цемента; наилучшие удельные затраты тепла в Индии (667 ккал/кг клинкера) незначительно выше, чем в Японии (650 ккал/кг клинкера). Конфедерация индийской промышленности (Confederation of Indian Industry, CII) прогнозирует дальнейшую экономию энергии и улучшение состояния окружающей среды за счет повышения степени замещения природного топлива его альтернативными видами (в тепловом эквиваленте) — thermal substitution rate, TSR (рис. 3). Основные сложности, затрудняющие рост использования альтернативных видов топлива и сырья, связаны со сбором и переработкой отходов, транспортировкой и хранением материалов, подачей топлива и сырья в процесс, а также с предупреждением загрязнения окружающей среды.
Рис. 3. Прогнозируемая тенденция изменения TSR (источник: CII)
Еще одна потенциально эффективная мера по сокращению затрат энергии и, следовательно, выбросов CO2 — это производство клинкера с меньшим содержанием C3S, поскольку энтальпия его образования составляет 1848 кДж/кг клинкера, а энтальпия образования C2S — всего 1337 кДж/кг. Чтобы решить данную задачу, на местном и глобальном уровнях были предприняты весьма активные усилия по созданию реакционноспособного белитового цемента (reactive belite cement, RBC), а также кальциевосульфоалюминатного белитового цемента (calcium sulfo-aluminate — belite cement, CŚA-BC). Хотя технически эти продукты можно выпускать на существующих цементных заводах, до сих пор очень мало делалось для того, чтобы подтвердить целесообразность их производства и добиться признания потребителей.
Больше цемента с меньшим содержанием клинкера
Производство большего количества цемента с меньшим содержанием клинкера требует использования дополнительных вяжущих материалов (supplementary cementing materials, SCM) для его замещения. Уменьшение доли клинкера в цементе (ДК) приводит к сокращению выбросов CO2. Прогнозируемая тенденция снижения ДК в ближайшие несколько десятилетий приведена на рис. 4. Очевидно, сокращение использования клинкера будет достигнуто за счет роста доли SCM в цементе.
Рис. 4. Предполагаемая необходимость в сокращении коэффициента клинкера в цементе в будущем
Количество техногенных (включая золу-унос) и природных пуццолан, доступных для использования в составе портландцемента, очень невелико по сравнению с объемом его производства. То же относится к такой гидравлической добавке, как шлак. Широко доступные SCM — это только наполнители (например, известняк) и глина, при прокаливании которой можно получить пуццолану. Вообще говоря, в мире возобновляется интерес к этим материалам. Однако существуют местные особенности.
Например, в Индии ТЭЦ работают на высокозольном угле, поэтому ежегодно образуется более 200 млн т золы-уноса. Несмотря на все меры, предпринятые для перехода к возобновляемым источникам энергии, прогнозируется дальнейший рост этого показателя. По некоторым оценкам, к 2022 году он может достичь 300 млн т в год. Поэтому необходимо использовать все больше золы-уноса в цементной и бетонной промышленности страны. Применение гранулированного шлака в качестве SCM в Индии невелико (около 10 млн т в год). Прогнозируется рост металлургической промышленности, и доступность гранулированного шлака может к 2030 году увеличиться в 3 раза, но все же она будет слишком мала по сравнению с объемом производства цемента в стране. Вместе с тем доступность известнякового наполнителя и каолинитовой глины, пригодной для прокаливания с образованием пуццоланы, в Индии довольно велика. Таким образом, необходимо уделять особое внимание внедрению технологий производства известнякового портландцемента, известнякового портландцемента с прокаленной глиной, бетона с высоким содержанием золы-уноса и/или наполнителей и т. д. вместо того, чтобы увеличивать инвестиции в производство клинкера.
Многокомпонентный композиционный портландцемент. Рассмотрим некоторые особенности изготовления многокомпонентных портландцементов и бетонов с высоким содержанием наполнителя. Концепция производства многокомпонентного композиционного портландцемента (multiblend Portland composite cement, МРСС) основана на том, что использование двух или более SCM с существенно различающимся распределением частиц по размерам может приводить к получению цемента с высокой плотностью упаковки частиц, обеспечивающего необычно высокие прочностные характеристики раствора и бетона. Например, распределение частиц по размерам в бездобавочном портландцементе, гранулированном доменном шлаке и микрокремнеземе существенно различается. Если в составе цемента присутствуют и гранулированный доменный шлак, и микрокремнезем, то прочность раствора значительно повышается по сравнению с прочностью раствора на основе бездобавочного цемента, благодаря уменьшению размера пор в цементном тесте.
Кроме того, добавление нескольких SCM в некоторых случаях оказывается очень эффективным, если существует синергия их реакционной способности. Например, в композиционном портландцементе, содержащем известняк и прокаленную глину (цементе LC3) известняковый компонент становится частично реакционноспособным во время гидратации, и образуется монокарбоалюминатная гидратная фаза, обеспечивающая улучшение свойств раствора и бетона. Ранняя прочность раствора c цементом LC3 выше, чем у раствора c портландцементом на основе обожженной глины, а бетон с этим цементом более устойчив к воздействию хлоридов, чем бетон с другими добавочными цементами.
Ввод в состав цемента нескольких SCM является важным способом снижения ДК, во многих случаях позволяющим достичь его меньшего значения, чем при наличии только одного SCM.
Больше бетона с меньшим содержанием цемента
Существует несколько известных способов производства большего количества бетона с меньшим содержанием цемента, получивших практическое применение. Отметим два специфических технологических подхода: 1) бетон с высоким содержанием золы; 2) бетон, содержащий наполнители.
Технология производства бетона с высоким содержанием золы, замещающей более 50 % цемента, широко проверена и хорошо зарекомендовала себя в Канаде и США.
Наполнители представляют собой инертные или имеющие низкую реакционную способность продукты измельчения различных материалов и используются для замены клинкера или более реакционноспособных SCM. В 1912—1916 годах впервые в качестве наполнителей были использованы гранит и песчаник, измельченные совместно с цементом (при строительстве плотины компанией US Bureau of Reclamation). Сейчас концепция использования наполнителей возвращается в бетонную и цементную промышленность. Обычно используются тонко размолотые известняк и доломит. Разработчики технологии измельчения привлечены к отработке технологии изготовления наполнителей с использованием специальных диспергирующих веществ.
В глобальном масштабе наблюдается тенденция роста использования известняковых наполнителей. Особенно заметна эта тенденция в Марокко, некоторых других африканских странах, Таиланде и Китае. Сообщалось, что в национальном стандарте Ганы одобрено использование доломитового порошка в составе цемента. В странах ЕС производится известняковый портландцемент с содержанием известнякового порошка около 18—20 %.
Технология производства цемента и бетона, содержащих наполнители, очень важна для снижения ДК. При ее использовании необходимо как можно точнее следовать разработанным рецептурам.
Более высокая прочность конструкций при меньшем количестве бетона
Стратегия достижения большей прочности конструкций при меньшем количестве бетона приводит к необходимости одновременно применять SCM и суперпластификаторы. Фактические результаты зависят от того, насколько эффективно конкретный производитель изготавливает и использует бетон со все более низким водовяжущим соотношением (В/В).
Как правило, суперпластификаторы могут снизить водопотребность бетонной смеси до 30 %. Критическим для портландцемента считается значение В/В = 0,36, при котором объемы гидратированного и исходного материалов равны. При нормальных условиях В/В поддерживается на уровне 0,36 (отдельно учитывается вода, предохраняющая бетон от слишком быстрого высыхания). Если В/В превышает этот уровень, то пористость и проницаемость бетона очень резко увеличиваются (рис. 5). Однако из-за присутствия тонкоизмельченных минеральных добавок в смешанных цементах содержание воды в строительном растворе и бетоне имеет тенденцию увеличиваться, влияя на прочностные свойства. Поэтому для достижения высокой прочности многокомпонентные бетонные смеси с высокой долей SCM должны содержать совместимые суперпластификаторы в такой дозировке, чтобы соотношение В/В оставалось низким. Типичный пример приведен в таблице для содержащего суперпластификаторы бетона с различными содержанием шлака и значениями В/В. Видно, что при равном содержании шлака и цемента и их суммарной дозировке около 300 кг/м3 прочность бетона намного выше, чем у контрольного бетона без шлака (при сопоставимых В/В и дозировке суперпластификатора). Прочность в 28-суточном возрасте была максимальной у бетона с 65 % шлака и 35 % цемента при их суммарной дозировке около 430 кг/м3 и В/В, равном 0,27, хотя долю суперпластификатора пришлось увеличить.
Рис. 5. Рост капиллярной пористости (а) и проницаемости бетона (б) с увеличением соотношения В/В
Преимущество строений с длительным сроком эксплуатации
Строительство в целом делится на 2 категории: новое строительство и реконструкция. Это легко оценить при помощи концепции жизненного цикла здания, схема которого показана на рис. 6. В течение времени, проходящего от завершения строительства до достижения срока эксплуатации строения, все бетонные здания подвергаются воздействию окружающей среды, а также достигают определенной степени «усталости», зависящей от способа использования, что приводит к их деградации. Последняя устраняется путем планового поэтапного технического обслуживания. Для каждого возведенного строения существуют запланированный и минимальный уровни характеристик. Деятельность по обслуживанию направлена на восстановление запланированного уровня характеристик, который также может быть превышен, при этом растет и ожидаемый в перспективе уровень характеристик. Однако, несмотря на техническое обслуживание, в жизненном цикле здания есть момент, когда эффективность опускается до минимального уровня или даже ниже, и наступает время для принятия решения о том, должно ли строение подвергнуться серьезной реконструкции или его следует снести и построить на его месте новое.
Рис. 6. Схема жизненного цикла строения
Вопрос о реконструкции и новых строительных решениях рассматривается вместе с оценкой энергии, затрачиваемой при строительстве и эксплуатации здания. Прямые затраты энергии на эти цели (без учета ее расходования при производстве строительных материалов и др.) составляют лишь около половины всей энергии, относящейся к строительному сектору. Прямые затраты энергии включают в себя строительную и связанную с ней транспортную составляющие, в совокупности примерно равные ее потреблению при эксплуатации зданий, включая отопление, освещение и техническое обслуживание. Очевидно, что энергоемкость восстановительной деятельности гораздо меньше, чем нового строительства. Поэтому очень желательно, чтобы возведенные постройки достигали запланированного срока службы, что позволяет экономить энергию и защищать окружающую среду.
Отметим, что предпочтение реконструкции новому строительству сегодня косвенно отражается в нисходящем тренде потребления цемента в некоторых европейских странах, особенно в Испании и Италии. Резкое сокращение использования цемента связано, прежде всего, с бóльшим акцентом на реконструкцию, чем на новое строительство.
Также отметим, что новое строительство требует большего использования железобетона, для которого всегда существует угроза карбонизации и разрушения. Помимо специальных мер, направленных на защиту арматурной стали, при поиске путей защиты от этой угрозы предпочтение отдается цементу, устойчивому к естественной карбонизации. В связи с этим многокомпонентные цементы часто не имеют успеха на рынке.
Никто точно не знает, сколько железобетона используется во всем мире. Результаты некоторых исследований показывают, что это лишь 25 % общего количества бетона. Если это так, то в экологическом отношении было бы разумно провести на каком-либо достаточно крупном рынке отдельный маркетинговый анализ спроса на цемент с высоким содержанием SCM, предназначенный для изготовления железобетона.
Выводы
Строительный сектор потребляет около 40 % мировых ресурсов и 40 % энергии и отвечает примерно за такую же долю выбросов CO2. Цемент, являющийся неотъемлемым компонентом бетонной конструкции, — это основной фактор, влияющий на высокий «углеродный след» отрасли. Требуется сегментный подход к снижению уровня выбросов, начиная с производства цемента и заканчивая созданием конкретного сооружения. Некоторые необходимые меры уже предприняты, а некоторые еще только инициируются. Последние включают в себя:
• широкое использование альтернативных видов топлива и сырья в производстве цемента;
• производство и применение цементов с низким содержанием C3S;
• существенное снижение ДК по сравнению с текущим уровнем этого показателя;
• изготовление бетона с суперпластификаторами, высоким содержанием SCM и низким соотношением В/В;
• оценку качества и проведение маркетинговых исследований раздельно для цементов, из которых производятся армированный и не армированный бетон;
• внедрение многокомпонентных композитных цементов;
• производство и использование наполнителей для цемента и бетона;
• распространение практики проектирования долговечности и технического обслуживания бетонных конструкций для увеличения срока их эксплуатации.
Всеобъемлющей программы, которая включала бы в себя указанные выше меры, пока нет. При детализации этих мер экологическую устойчивость и «зеленую химию», два столпа «низкоуглеродной» платформы бетонного строительства, необходимо интегрировать с производством и проектированием. Сократить выбросы CO2 можно, вводя инновации на основе этого интеграционного подхода.
Автор: А.К. Чаттерджи |
Рубрика: Экология и безопасность |
Ключевые слова: строительство, цемент, бетон, выбросы CO2, при- родные ресурсы, потребление энергии |