Расход материалов на 1 м3 бетона: Сколько цемента в 1 кубе бетона любых классов прочности

Расход материалов на 1 м3 бетона: подсчитаем результат

Главная » Этапы строительства » Строительство дома » Инструменты и материалы » Строительные материалы

Автор admin На чтение 5 мин Просмотров 515 Опубликовано

Бетон – это один из главных элементов современного строительства. Представляет собой искусственный камень, изготавливаемый из воды, цемента, наполнителей. Для обеспечения высокого качества необходимо тщательно определять расход материалов на 1 м3 бетона.

Долговечность и прочность конструкций из бетона напрямую зависит от его состава, качества компонентов, уплотнения смеси, условий выдержки, подвижности и дозировки компонентов.

Содержание

  1. Определяем компоненты на «глазок»
  2. Состав бетона
  3. Расход компонентов: куб за кубом

Определяем компоненты на «глазок»

Бетонная смесь

Как правило, при приготовлении бетона своими руками в домашних условиях расход компонентов определяют просто «на глазок», измеряя их количество лопатой либо ведром.

Но даже для такого простого способа имеются свои условия смешивания и добавления определенного количества строительных ингредиентов. В лабораторных условиях можно определить точные качественные характеристики отдельных элементов смеси, в домашних же условиях доступна только приблизительная точность:

  • Для песка – вес, объем, пустотность, крупность, влажность, примеси глинистых веществ, органических примесей;
  • Для щебня – масса, прочность, пустотность, влажность, содержание игловатых и пластинчатых зерен, загрязненность;
  • Для цемента – вес, начало и окончание схватывания, его активность;
  • Для самой бетонной смеси – подвижность, объемная масса, прочность, водонепроницаемость, водоотделение.

Состав бетона

Итак, для того, чтобы определить правильный расход материалов на куб бетона необходимо знать характеристики компонентов. Также стоит учитывать, бетон какой марки и с какими свойствами необходимо получить. От этого зависит количественное соотношение компонентов на 1м3 бетона.

Например, для получения бетона определенной марки потребуется целый спектр материалов: 30 килограмм цемента, 90 кг песка, сто пятьдесят килограмм щебня. Количество воды выражается в частях, т.е. пятнадцать литров воды для данной смеси фиксируется как водоцементное отношение, равное 0,5.

Рассмотрим для начала типы бетона и особенности их состава:

  • Крупнопористый бетон. Состоит из крупных заполнителей, связующего, воды. Песок в таком составе отсутствует. Заполнители применяются самые различные: щебень, гравий, шлаковая пемза, керамит, топливные шлаки и прочее;
  • Легкие бетоны разделяются на несколько подвидов:
  • Шлакобетон, в состав которого входят клинкерные аналоги, а также металлургические и топливные шлаки, горелые породы, зола. Введение извести в смесь значительно улучшает качество, также можно добавлять глину, каменную муку. Одним словом, материалов предостаточно;
  • Керамзитобетон, который имеет в качестве наполнителя крупный керамзит либо пемзу (пемзобетон).

Расход компонентов: куб за кубом

Далее необходимо знать расход цемента и других материалов на один куб бетона:

  • Для простых бетонных изделий понадобится материала: марка бетона – 100, марка цемента понадобится 300/400, расход – 225 кг;
  • Для железобетонных изделий: марка бетона – 150, марка цемента понадобится 300/400, расход – 265 кг; бетон М200, цемент М400, расход – 310/380 кг; бетон М300, цемент М500/600, расход – 380 кг.

Для напряженно-армированного уже берется марка бетона – 400 или же 500, а также марка цемента – 600, расход – 480-530 кг.

Расход материалов на 1 м3 бетона также во многом зависит от количества воды. Водоцементное соотношение на куб при гравийном заполнителе составляет:

  • Бетон М100: цемент М200 – отношение 0,68, М250 – отношение 0,75, М300 – отношение 0,8;
  • Бетон М150: цемент М200 – отношение 0,5, М250 – 0,57, М300 – 0,66, цемент М400 – отношение 0,7, М500 – 0,72, М600 – 0,75;
  • Бетон М200: цемент М200 – отношение 0,35, М250 – 0,43, М300 – 0,53, М400 – отношение 0,58, М500 – 0,64, М600 – 0,66;
  • Бетон М250: цемент М200 – отношение 0,25, М250 – 0,36, М300 – 0,42, М400 – отношение 0,49, М500 – 0,56, М600 – 0,6;
  • Бетон М300: цемент М250 – 0,28, М300 – 0,35, М400 – отношение 0,42, М500 – 0,49, М600 – 0,54;
  • Бетон М400: цемент М400 – отношение 0,33, М500 – 0,38, М600 – 0,46;

Далее можно приступать к определению необходимого объема на 1м3 бетона песка и гравия (щебня). Для этого из одного кубометра бетона надо вычесть сумму объемов воды и цемента. В итоге получаем количество объема, приходящегося на песок и наполнители. При этом надо учесть, что песок бывает различной крупности, что влияет на соотношение компонентов:

  • Крупный песок – модуль требуемой крупности 2,4-3,5Мк;
  • Средний песок – крупность 2,5-1,9 Мк;
  • Песок мелкий – крупность 2-2,5 Мк;
  • Песок очень мелкий – крупность 1,1-1,6Мк;
  • Тонкий песок – крупность до 1,2 Мк.

Для того чтобы определить правильный расход материалов на куб бетона, необходимо знать процентное соотношение от общего количества:

  • Размер щебня 10 мм, а содержание песка 56%, расход воды 230 м3;
  • Щебень 15 мм – песок 52% — вода 220 м3;
  • Щебень 20 мм – песок 49% — вода – 200 м3;
  • Щебень 25 мм – песок 46% — вода — 195 м3;
  • Щебень 40 мм – песок 41% — вода — 185 м3;
  • Щебень 50 мм – песок 39% — вода — 177 м3;
  • Щебень 70 мм – песок 35% — вода – 167 м3.

Теперь можно высчитать абсолютный объем щебня и песка, исходя из приведенных процентных соотношений, по такой формуле: абсолютный объем песка (щебня) равен произведению объема смеси на процентное соотношение песка (щебня), разделенному на сто.

Расход песка, а также щебня можно вычислить путем умножения абсолютного объема на плотность (приведена выше).

Пример подсчета материалов на куб бетона:

Приведем пример, как можно вычислить расход материалов на 1 м3 бетона. Необходимо получить бетон марки 200 с подвижностью пять сантиметров. Щебень имеет размеры в 40 мм, для смеси водоцементное отношение – 0,57, песок — плотность 2,63 грамм/см3,цемент — плотность 3,1 грамм/см3, щебень — массой в 2,6 кг/л.

Подача бетона

Расход всего цемента определяется таким образом: расход цемента = объем воды : (Расход воды/цемент), то есть, количество цемента равно 325 кг. Необходимые данные находим по таблицам.

Далее вычисляем абсолютный объем песка и щебня: объем = 1000(185+(325:3,1)) = 710 литров.

Затем объем песка: объем 290 = (710*41):100 литров. И объем щебня: 420 литров (аналогично песку).

После этого определяются общие расходы: для песка – 763 кг; для щебня – 1092 кг.

Расход материала на куб бетона будет составлять: цемент – 325 кг, вода – 185 литров, песок – 763 кг, щебень – 1092 кг. Объемные массы составляют 2363 кг/м3.

Сам состав для данной бетонной смеси необходимо выражать таким образом: цемент/речной песок/щебень, то есть 1 (325:325)/2,3 (763:325)/3,4 (1092:325).

Как вы убедились показателей масса и для расчетов материала на куб бетона понадобятся навыки. Не стоит паниковать, пора взяться за листок бумаги и калькулятор. У вас обязательно все получится!

3.2. Расчет расхода материалов на 1 м3 бетонной смеси

1. Определяют водоцементное отношение, обеспечивающее получение бетона заданной прочности при использовании цемента определенной активности. В/Ц рассчитывают по следующим формулам:

при Rб ≤ Rц 2

при Rб >Rц 3

где Rб — проектная марка бетона; Rц — активность цемента, определяемая по ГОСТ 310. 4; А и Аг — коэффициенты, зависящие от качества заполнителя.

2. Определяют ориентировочный расход воды по табл. 20.

3. Расход цемента вычисляют по уже известным расходу воды (В) и во до цементному отношению (В/Ц):

4

4. Расход крупного заполнителя — щебня, гравия — вычисляют по формуле:

5

где ρ0 — средняя масса зерен щебня (гравия), кг/м3; ρ0.н — средняя насыпная масса щебня (гравия), кг/м3; Vпуст — пустотность щебня (гравия), доли единицы; ά — коэффициент раздвижки зерен (принимается по табл. 21, 22).

Таблица 21

Расход цемента, кг/м3

При осадке конуса, см

При жесткости, с

5-10

1-4

40-80

200

1,22

1,18

1,10

250

1,28

1,22

1,12

300

1,34

1,28

1,14

350

1,4

1,34

1,16

400

1,48

1,4

1,18

500

1,6

1,48

1,2

Таблица 22

Оптимальные значения коэффициента ά

Расход цемента, кг/куб. м

ά при значении В/Ц

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

250

—

—

—

1,26

1,32

1,38

300

—

—

1,3

1,36

1,42

—

350

—

1,32

1,38

1,44

—

—

400

1,31

1,4

1,46

—

—

—

500

1,44

1,52

1,56

—

—

—

600

1,52

1,56

—

—

—

—

5. Расход песка определяют по формуле

6

где Ц, Щ, В — расходы цемента, щебня (гравия) и воды, кг/м3; ρц, ρп — плотности цемента и песка, кг/м3; ρо — средняя масса зерен щебня (гравия), кг/м3.

Рис. 12. Конус для определения подвижности

Осадку бетонной смеси определяют в такой последовательности. Внутреннюю поверхность конуса смачивают водой, устанавливают его на ровную гладкую площадку, покрытую металлическим листом, заполняют бетонной смесью в три слоя равными по объему частями и каждый слой штыкуют 25 раз металлическим стержнем диаметром 16 мм (см. рис.12). Для удобства заполнения конуса бетонной смесью на него надевают расширяющуюся кверху насадку. По окончании штыкования верхнего слоя излишек бетона срезают, поверхность выравнивают кельмой вровень с краями формы-конуса. Конус осторожно снимают вертикально вверх и ставят на площадку рядом с конусом из бетонной смеси, осадку которого определяют, измеряя расстояние по вертикали между нижним краем линейки, наложенной ребром горизонтально на верхний обрез формы, и серединой верхнего основания конуса бетонной смеси. Осадка конуса вычисляется как среднее арифметическое двух определений. При максимальной крупности зерен заполнителя более 70 мм подвижность бетонной смеси определяют при помощи конуса высотой 450 мм с внутренним диаметром нижнего основания 300 мм и верхнего — 150 мм и каждый слой в форме-конусе штыкуют 5…6 раз. Значение осадки конуса бетонной смеси приводится к значению осадки стандартного конуса умножением на коэффициент 0,67.

При бетонировании конструкций бетонной смесью малой подвижности пользуются понятием жесткости. Жесткость бетонной смеси, выражаемую в секундах, определяют техническим вискозиметром (см. рис.13), который закрепляют на лабораторной виброплощадке, заполняют его конус бетонной смесью с предварительным штыкованием. Затем уплотняют бетонную смесь в конусе вибрированием при амплитуде колебаний 0,35 мм и номинальной частоте (3000 ± 200) кол/мин в течение 5-30 с (до появления цементного молока из-под нижнего основания конуса). По окончании виброуплотнения выравнивают верхнюю кромку бетона и снимают конус строго вертикально вверх без перекосов. После этого на вискозиметр устанавливают штатив и опускают диск на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Одновременно включают виброплощадку и секундомер. Время, за которое диск прибора опустится настолько, что риска штанги совпадет с верхней плоскостью направляющей головки штатива, и является характеристикой бетонной смеси. Показатель жесткости бетонной смеси вычисляют как среднее арифметическое двух определений, не отличающихся более чем на 20%. В случае, когда бетонная смесь получилась менее удобоукладываемой, чем требуется, в расчет состава бетона вносят поправки — увеличивают количество цемента и воды без изменения водоцементного отношения. Если же удобоукладываемость будет больше требуемой, Добавляют небольшими порциями (по 10%) песок и крупный заполнитель, добиваясь заданной подвижности и жесткости.

Рис.13. Установка типа Вебе для определения жесткости бетонной смеси

Среднюю плотность бетонной смеси в свежеуплотненном состоянии вычисляют с помощью мерных цилиндрических сосудов, вместимость которых выбирают в зависимости от максимальной крупности зерен заполнителя: 5 л (высота и диаметр — по 186 мм) при крупности щебня до 40 мм и 15 л (высота и диаметр — по 267 мм), если крупность зерен заполнителя 70-80 мм. В предварительно взвешенный сосуд загружают бетонную смесь и тщательно уплотняют вибрированием — до появления на ее поверхности цементного молока (но не более 1,5 мин). По окончании уплотнения избыток бетонной смеси срезают, поверхность тщательно заглаживают вровень с краями мерного сосуда и снова взвешивают его. Объемную массу определяют по формуле. Значение ее считают как среднее арифметическое двух определений по формуле:

,

где т — масса мерного сосуда с бетонной смесью, г;

m1 — масса мерного сосуда без смеси, г; V — вместимость мерного сосуда, см3

Расход материалов бетона уточняют по формулам:

7

8

9

где m — общий расход материалов на лабораторный замес по массе, кг; п, ц, щ — расходы соответственно песка, цемента и щебня (гравия) на лабораторный замес, кг; р0. б.с — средняя масса бетонной смеси лабораторного замеса в свежеуплотненном состоянии, кг/м3. Расход воды уточняют по выражению:

В = (В/Ц)*Ц 10

Соответствие найденного состава бетона заданным прочностным характеристикам определяют путем изготовления и испытания образцов. Состав бетона, найденный таким образом, называется номинальным.

Расчет расхода материалов на замес бетоносмесителя. Если вместимость бетоносмесителя задана по сумме объемов загружаемых материалов, то расход материалов на замес бетоносмесителя определяют по формулам;

Взам = (В/Ц) Цзам

где Цзам, Пзам, Щзам, Взам — расходы соответственно цемента, песка, щебня и воды на 1 замес, кг; V — вместимость бетоносмесителя по сумме объемов загружаемых сухих материалов, л; β — коэффициент выхода бетона (обычно в пределах 0,63—0,7):

11

Vц, Vп, Vо — расходы соответственно цемента, песка и щебня, л/м3 бетона; Ц, П, Щ — расходы соответственно цемента, песка и щебня, кг/м3 бетона; ρоц, ρоп, ρощ — объемные насыпные массы соответственно цемента, песка и щебня, кг/м3. Если вместимость смесителя задана по выходу бетона с одного замеса (эта характеристика указана в техническом паспорте на бетономешалку), то расход материалов на замес вычисляют по формулам:

Цзам = ЦV, Пзам = ПV, Щзам = ЩV

Рабочий состав бетона на один замес бетоносмесителя определяют перерасчетом (корректировкой) состава с учетом естественной влажности материалов (песка, щебня или гравия):

; ;

Взам = Взам — [(П3ам – П влзам) -Т (Щзам — Щ влзам)],

где — Пзам, Щзам, Взам — — расходы соответственно песка, щебня (гравия) и воды на один замес бетономешалки с учетом естественной влажности материалов, кг; Ŵп, Ŵщ — влажность песка и щебня (гравия), %.

Предел прочности бетона при сжатии определяют испытанием образцов-кубов или образцов-цилиндров, изготовленных из бетонной смеси с последующим твердением в заданных условиях или выпиленных из готовых конструкций. Размер ребра образца-куба должен быть 300, 200, 150, 100 и 70,7 мм, а диаметр образца-цилиндра — 200, 150, 100 и 71,4 мм при высотах соответственно 400, 300, 200 и 143 мм. При этом за эталон принимают куб размером 150 х 150 х 150 мм. Формовать образцы следует не позднее чем через 15 мин после приготовления замеса. При изготовлении образцов из бетонной смеси, характеризующейся подвижностью менее 12 см и жесткостью не более 60 с, форму, заполненную с избытком смесью, жестко закрепляют на вибростоле и вибрируют с частотой 2800…3000 кол/мин и амплитудой 0,35…0,50 мм до полного уплотнения и появления на поверхности тонкого слоя цементного молока. При изготовлении образцов из бетонной смеси подвижностью более 12 см уплотнение выполняют без вибрации — путем штыкования металлическим стержнем диаметром 16 мм. При изготовлении образцов из бетонных смесей жесткостью более 60 с формование выполняют с пригрузом, обеспечивающим удельное давление 4МПа (40 кгс/см2). При этом формы применяют с насадками, а амплитуда колебаний виброплощадки должна быть 0,5 мм.

Размеры образцов в зависимости от наибольшей крупности зерен заполнителя выбирают с учетом данных табл. 23.

Таблица 23

Размеры образцов в зависимости от крупности заполнителя

Наибольшая крупность зерен заполнителя, мм

Наименьший размер образца, мм

Ребро куба, сторона поперечного сечения балочки

Диаметр цилиндра, мм

10

70,7

71,4

20

100

100

40

150

150

70

200

200

100

300

—

Контрольные образцы, предназначенные для определения проектной марки бетона (прочности в возрасте 28 суток или ином возрасте), следует хранить в камере нормального твердения при температуре (20±2)°С и относительной влажности воздуха не менее 90%.

Для испытания образцы-кубы устанавливают одной из боковых граней на опорную плиту пресса и центрируют с помощью специального шаблона или пользуясь рисками на опорной плите. Нагрузка на образец при испытании должна возрастать равномерно со скоростью 0,06-0,1 кН/с (6—10 кгс/с). Временное сопротивление бетона сжатию в пересчете на кубиковую прочность вычисляют для каждого образца по формуле с учетом переводного коэффициента к эталонной кубиковой прочности. Переводные коэффициенты для приведения предела прочности образцов разных форм и размеров к кубиковой прочности эталонного образца (150 х 150 х 150 мм) приведены в табл. 24.

Таблица 24

Значения переводного коэффициента к эталонной кубиковой прочности бетона

Форма и нормальный размер образца

Переводной коэффициент

Форма и нормальный размер образца, мм

Переводной

коэффициент

Кубы

Цилиндры

70,7х70,7X70,7

0,85

71,4X143

1,16

100х100х100

0,91

100X200

1,17

150х150х150

1,00

150х300

1,20

200х200х200

1,05

200х400

1,24

300х300×300

1,10

Среднюю прочность серии определяют, как правило, по результатам испытания трех образцов. Если наименьший результат испытания одного из образцов отклоняется от наибольшего результата образца-близнеца более чем на 15%, наименьший результат отбрасывают и вычисляют среднюю прочность бетона по оставшимся двум показателям.

На основании предела прочности при сжатии образцов устанавливают марку бетона (ГОСТ 252), под которой понимают одно из нормируемых значений унифицированного ряда данного показателя качества бетона, принимаемого по его среднему значению. Под классом понимают одно из нормируемых значений унифицированного ряда данного показателя качества бетона, принимаемого с гарантированной обеспеченностью. Зависимость между классом бетона и его средней прочностью в контролируемой партии:

В=R(1-tv),

где: В – класс бетона по прочности, МПа; R – средняя прочность бетона, которую следует обеспечить при производстве конструкций, МПа; t- коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона; v – коэффициент вариации прочности бетона.

Неразрушающие методы определения прочности бетона. К ним относятся склерометрические методы, основанные на определении твердости поверхностного слоя бетона, и электронно-акустические методы. Из многих методов склерометрических испытаний чаще всего прочность бетона определяют эталонным молотком системы Кашкарова. После удара, нанесенного молотком, диаметр отпечатка на, бетоне сравнивают с диаметром отпечатка на эталонном стержне и вычисляют показатель твердости по формуле:

Т=Нm*d2/D2

где D — диаметр отпечатка на бетоне, мм; d — то же, на эталонном стержне, мм; Нт — твердость эталонного стержня по Майеру, МПа (кгс/мм2).

Прочность бетона определяют по тарировочной кривой, построенной для выбранного состава бетона на данных материалах по результатам параллельных испытаний бетонных образцов эталонным молотком и под прессом. Для нанесения на график экспериментальных точек принимают значения показателей средней прочности бетона. Тарировочную кривую признают пригодной для использования, если значения средней прочности, полученные во время испытаний и нанесенные точками на график, не будут отклоняться от средней прочности, характеризуемой кривой, более чем на 15%. Большие отклонения показателей средней прочности образцов допустимы лишь для 5% испытанных образцов.

Цемент: самый разрушительный материал в мире или двигатель прогресса?

Ежегодно мы используем более 4 миллиардов метрических тонн цемента, и при его производстве выбрасывается почти 3 миллиарда метрических тонн CO2. И все же без этого материала не обойтись.

Так компании работают над снижением воздействия на окружающую среду. Это, несомненно, одно из самых знакомых явлений для всех нас. Он был рядом с нами в больнице, когда мы родились. Это было с нами в первый день в школе, почти наверняка в первый день на работе или в первый полет. Бетон, возможно, является отличительной чертой антропоцена. Несколько лет назад The ​​Guardian назвал его «самым разрушительным материалом на Земле». И все же Вацлав Смил, член Канадской академии наук, подсчитал, что если бы полы в самых бедных домах мира были сделаны из цемента, а не из земли, паразитарные заболевания уменьшились бы на 80 процентов.

Бетон является наиболее потребляемым материалом в мире, и, по данным Цюрихского политехнического института, с начала промышленной революции было отлито около 900 миллиардов метрических тонн (эквивалентно заливке 1-метрового слоя бетона на весь Ирак).

Бетон, пожалуй, отличительная черта антропоцена.

Воздействие этого на экосистемы нетрудно представить. В последнее время мировое производство цемента (который, как мы увидим, не то же самое, что бетон) составляет немногим более 4 миллиардов метрических тонн в год (в 1995). Китай является крупнейшим производителем с 2 200 миллионами метрических тонн. По данным Королевского института международных отношений Великобритании (Chatham House), в обычном сценарии мировое производство цемента, обусловленное растущей урбанизацией и инфраструктурными проектами в менее экономически развитых странах, должно достичь 5 миллиардов метрических тонн. в год в течение следующих трех десятилетий.

Что такое цемент?

Но давайте начнем с самого начала. Ранние формы цемента уже использовались в древние времена — вы, возможно, помните, как в школе учили смесь известкового раствора и пуццолана, которую римляне использовали для opus caementitium при строительстве своих акведуков. Современный вариант был создан в 1824 году, когда англичанин Джозеф Аспдин запатентовал портландцемент, на котором основаны почти все современные виды цемента. Что такое цемент? По сути, это вяжущее, которое активируется при соединении с водой (гидравлическое вяжущее).

Может быть изготовлен из мергелей, известняков или глин, нагретых до 2642 градусов (температура лавы), что приводит к прокаливанию, распаду известняка на оксид кальция и углекислый газ. Полученный материал известен как клинкер, который измельчается и смешивается с мелом, превращаясь в цемент. Между обжигом и потреблением энергии производство одной метрической тонны цемента приводит к приблизительному выбросу 1 метрической тонны CO2 в атмосферу. Добавление песка и гравия (известных как заполнители) к цементу дает бетон. На один кубический метр бетона требуется около 300 килограммов цемента, один кубический метр заполнителей и 120 литров воды.

От сырья к воде: потребление цементной промышленности

На строительный сектор приходится около 50 процентов всего добываемого в мире сырья, что составляет 42 миллиарда метрических тонн в год (вес горы, выполненной из 14 миллиардов внедорожников Land Rover Discovery).

Одна метрическая тонна CO2 на каждую метрическую тонну цемента — это далеко не то, что можно было бы назвать деятельностью, благоприятной для климата. На самом деле, цементная промышленность отвечает примерно за 5-9процент (в зависимости от оценки) общих антропогенных выбросов, чуть ниже химической промышленности и более эффективен, чем металлообработка или авиация. «С его 2,8 миллиардами метрических тонн, если бы цементная промышленность была страной, она была бы третьим по величине источником выбросов двуокиси углерода после США и Китая», — говорится в The Guardian. Несмотря на снижение потребления энергии, для того, чтобы топить печи, чтобы они достигли почти 2732 градусов, требуется более или менее 5 процентов мирового потребления энергии.

При более внимательном рассмотрении производственного процесса мы можем сосредоточиться на воде: на одну метрическую тонну клинкера требуется почти 500 литров. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, на это приходится 9 процентов мирового промышленного использования воды. «Потребность в воде огромна и особенно обременительна в тех регионах Земли, где нет изобилия пресной воды», — говорит Кристиан Мейер из Колумбийского университета. «Бетонная промышленность использует около 1 миллиарда кубометров воды каждый год».

С его 2,8 миллиардами метрических тонн, если бы цементная промышленность была страной, она была бы третьим по величине источником выбросов двуокиси углерода в мире.

А когда продукты из цемента (здания) подходят к концу, они становятся основным источником отходов: в Европе они составляют более одной трети всех производимых отходов, около 500 миллионов метрических тонн.

Инновации в цементе

Невозможно не заметить большие преимущества этого материала: он универсален, дешев, чрезвычайно прочен, имеет очень долгий срок службы и на 100 % пригоден для повторного использования. Однако с такой визитной карточкой глобальная бетонная промышленность неизбежно становится одним из важнейших фронтов экологического перехода и борьбы с изменением климата.

Как мы увидим, компании предпринимают шаги. Однако Джоанна Лене из Chatham House, соавтор отчета Феликса Престона о низкоуглеродных инновациях в цементе, делает полезную оговорку: их существующие бизнес-модели. И, в отсутствие сильного сигнала ценообразования на выбросы углерода, мало краткосрочных экономических стимулов для внесения изменений».

Мы можем попытаться дать краткий, но явно не исчерпывающий обзор действующих инициатив. Они будут представлены в алфавитном порядке.

Сокращение выбросов углерода

C для двуокиси углерода. Если половину выбросов можно объяснить химическими реакциями между материалами, из которых состоит клинкер, первым решением может быть замена этих материалов и уменьшение количества клинкера в цементе и бетоне. Часть клинкерного сырья уже заменяется отходами производства других отраслей производства, обладающими такими же химическими и физическими свойствами. К ним относятся зола от угольных электростанций и доменный шлак от производства стали, оба являются хорошими примерами промышленного симбиоза.

«Сегодня в Европе около 5 процентов сырья, используемого для производства клинкера, около 9 миллионов метрических тонн в год, состоит из переработанных материалов и золы от процессов сжигания», — утверждает Никос Николакакос, менеджер по окружающей среде и ресурсам. в Cembureau, европейской ассоциации производителей цемента (в которую также входят Турция, Швейцария, Норвегия и Великобритания, достигая 6 процентов мирового производства).

По всему миру построено пятьдесят установок по улавливанию и хранению углерода, все пилотные установки, две связаны с цементными заводами.

В том же секторе была запущена программа ЕС ReActiv (Активация промышленных остатков для устойчивого производства цемента) для объединения цепочек поставок цемента и алюминия, использования остатков бокситов (побочные продукты производства алюминия) в производстве цемента, тем самым сокращая отходы кальцинирования и Выбросы CO2.

Vertua, ряд изделий из низкоуглеродистого бетона (до 70% меньше, по данным производителя), производимых мексиканской транснациональной компанией Cemex, используется при строительстве высокоскоростной железной дороги HS2 в Великобритании. Доля клинкера в цементе Cemex снизилась с 85,5% в 19сегодня от 90 до 77 процентов.

Том Шулер, бывший генеральный директор Solida Technologies, рассказал на конференции TED об инновациях в этой компании, которая недавно получила почти 80 миллионов долларов от нескольких инвестиционных фондов. «Мы используем меньше известняка и обжигаем печь при более низкой температуре, что приводит к сокращению выбросов CO2 на 30 процентов».

Цемент Solida Technologies «не вступает в реакцию с водой, но затвердевает при контакте с CO2, уловленным в других промышленных системах. Запускаемая химическая реакция «расщепляет» углекислый газ с образованием известняка». По сути, вместо выделения CO2 этот цемент, который до сих пор использовался только для изготовления сборных изделий, поглощает парниковый газ, сокращая выбросы на 70 процентов и экономя значительное количество воды.

Аналогичное решение предлагает канадская фирма CarbonCure, которая впрыскивает в бетон углекислый газ, химически преобразованный в минерал.

Улавливание CO2

Упомянутые здесь решения, хотя и чрезвычайно интересны, по-прежнему являются нишевыми. У них многообещающие приложения, но они все еще недоступны для широких слоев рынка. Таким образом, чтобы сократить выбросы, производственные компании сосредотачиваются на улавливании и хранении углерода (CCS).

«Сокращение выбросов CO2 за счет внедрения технологии улавливания и хранения углерода или улавливания и повторного использования в производстве цемента становится интересной и активной областью исследований», — объясняет Пауло Монтейро из Калифорнийского университета в Беркли. «Однако это все еще неэкономично». Это связано с тем, что CCS еще не получил широкого распространения в промышленных масштабах.

По данным Глобального института CCS, во всем мире завершено строительство 50 установок по улавливанию и хранению углерода, все пилотные установки, две из которых связаны с цементными заводами. Из этих 50, по данным статистической службы Statista, 26 действовали в 2020 году. Большинство крупных игроков в этом секторе сосредоточены на CCS: от China National Building Materials (CNBM), крупнейшего в мире производителя, до LafargeHolcim, которая объявила о четырех пилотных проектах в 2020 году. в одиночку и в Dalmia Group в Индии.

Есть также несколько европейских проектов на этом очень интересном фронте, не только для цементной промышленности. LEILAC 1 (Low Emissions Intensity Lime & Cement) и LEILAC 2 объединили Calix (австралийский производитель устойчивых технологий для промышленности) и HeidelbergCement (четвертый по величине производитель цемента в мире) для создания пилотного завода на Ганноверском цементном заводе. При мощности 100 000 метрических тонн в год цель состоит в том, чтобы доказать, что можно создать технологию улавливания и хранения в промышленном масштабе, которая будет недорогой, масштабируемой, воспроизводимой и применимой к существующим объектам.

В декабре 2020 года немецкая компания HeidelbergCement также получила государственное финансирование для создания завода по улавливанию углерода, который должен заработать в 2024 году, на цементном заводе Norcem в Бревике, Норвегия. Цель состоит в том, чтобы улавливать 1,8 миллиона метрических тонн углекислого газа в год благодаря смеси воды и аминовых растворителей. Затем это будет храниться под Северным морем (в истощенных нефтяных скважинах Эквинора).

Энергосбережение и сокращение использования ископаемого топлива

Далее мы переходим к E для энергии. В то время как половина выбросов, влияющих на климат, связана с прокаливанием, другая половина связана с использованием энергии, особенно в печах, которые в основном работают на ископаемом топливе. Одним из решений может быть электрификация, но это будет трудно реализовать, учитывая очень высокие температуры, при которых должны работать печи.

Однако попытки были предприняты. В Швеции Cementa (дочерняя компания HeidelbergCement) сотрудничала с энергетической компанией Vattenfall в рамках проекта CemZero, направленного на электрификацию производства. Продемонстрировав техническую осуществимость, исследование продвигается через три проекта в сотрудничестве с несколькими университетами и компаниями: передача тепла в плазму во вращающихся печах, прямое улавливание углерода при прокаливании и снова электрифицированное производство. HeatNeutral — это стартап, который в сотрудничестве с LafargeHolcim разрабатывает печи, требующие меньше топлива, чем традиционные печи с эквивалентной выходной мощностью.

Однако мы снова обсуждаем нишевый опыт и пилотные программы. Тем временем компании стремятся заменить традиционные виды топлива неперерабатываемыми отходами при поддержке Европейского Союза. Это позволяет избежать импорта и сжигания ископаемого топлива и сократить количество отходов, отправляемых на свалки. «В ЕС в 2018 году сектор заменил 48 процентов своего потребления ископаемого топлива, — отмечает Николакакос, — на нетопливо, полученное из неперерабатываемых отходов, сэкономив примерно 7,8 миллиона метрических тонн углерода».

По словам компаний, это также экономика замкнутого цикла. До тех пор, пока — мы хотели бы добавить — это не снижает обязательства по переработке. Помимо печей, электрификация и энергоэффективность более доступны: LafargeHolcim, например, инвестирует в технологию рекуперации отработанного тепла (WHR), которая использует тепло от печей для производства электроэнергии.

Переработка сырья и продление срока службы бетона

R для сырья. Хотя может быть трудно заменить материалы, используемые для производства клинкера, этого нельзя сказать о бетонных заполнителях. И, как и во всех цепочках поставок, сокращение естественного извлечения достигается за счет вторичной переработки.

Mobbot, еще один стартап, выбранный LafargeHolcim через свою открытую инновационную платформу, работает над интеграцией переработанных материалов в процессы 3D-печати, которые более эффективны в использовании материалов по сравнению с традиционным литьем. «Бетонный мусор, вероятно, является наиболее важным кандидатом на повторное использование в новом бетоне», — объясняет Кристиан Мейер. «Использование такого мусора для производства нового бетона сохраняет природные ресурсы и в то же время снижает ценную вместимость свалки».

Колумбийский университет провел исследования по использованию бывших в употреблении стеклянных и переработанных ковровых волокон в качестве заполнителей. «Поскольку ковровые волокна обычно изготавливаются из нейлона, было показано, что переработанные волокна улучшают некоторые механические свойства бетона», — поясняет исследователь. Несколько университетов провели исследования других отходов, которые могут быть полезными, включая древесину, использованные шины, пластик, отходы бумажной фабрики, а также сельскохозяйственные отходы, такие как зола жмыха, пробка, скорлупа арахиса и зола рисовой шелухи.

Поскольку воздействие продукта на окружающую среду должно оцениваться на протяжении всего его жизненного цикла, продление и без того длительного срока службы бетона может способствовать смягчению его воздействия на окружающую среду. Интересным примером являются различные исследования, проведенные по включению в бетон бактерий, которые помогают активировать процессы (осаждение карбонатов) с эффектом самовосстановления и предотвращения образования трещин.

Повторное использование воды

Наконец, W для воды. «Рециркуляция воды может быть легко осуществлена ​​на практике, и в некоторых странах это уже является законодательным требованием», — говорит Мейер. Чаще всего в промышленных условиях компании прибегают к закрытым системам, которые рециркулируют воду, используемую в производственных процессах и для мытья оборудования. Это также имеет очевидные экономические выгоды.

Компания LafargeHolcim, третий в мире производитель цемента и один из самых инновационных игроков в отрасли, в 2020 году сократила потребность в пресной воде для производства каждой тонны цемента на 9 процентов по сравнению с предыдущим годом. Иногда реализованные решения столь же просты, сколь и эффективны: на предприятии Italcementi в Матере, Италия (часть HeidelbergCement Group), резервуары используются для сбора и хранения дождевой воды для использования.

На пути к экологичному бетону

До сих пор мы сосредоточились на нескольких этапах производственного процесса. Однако ясно, что устойчивость также относится к этапу использования. Здесь некоторые инновационные продукты могут оказывать положительное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционным цементом. Одним из примеров, все чаще встречающихся в каталогах производителей, является водопроницаемый бетон, пропускающий воду без изменения водного цикла. Это ограничивает гидроизоляцию почвы, а в городах способствует уменьшению эффекта теплового острова.

Другим примером является i.active Biodynamic компании Italcementi, цементный раствор, на 80 процентов состоящий из переработанных заполнителей, полученных из отходов обработки каррарского мрамора. Например, в версии, используемой для облицовки итальянского павильона на выставке Expo 2015 в Милане, раствор также содержал TX Active. Этот фотокаталитический принцип, запатентованный Italcementi, использует свет для ускорения процессов естественного окисления, которые способствуют более быстрому разложению загрязнителей окружающей среды (микропыли, оксидов азота), предотвращая их накопление.

Однако мы понимаем, что одних технологических инноваций недостаточно для экологического перехода. Государственные учреждения пытались сыграть свою роль: от Китая, чей 13-й пятилетний план направлен на снижение теплоемкости производства, до Европейской схемы торговли выбросами и правил энергоэффективности.

Но видимо этого недостаточно, если не срабатывает «реакция» со стороны рынка. «Правительство и крупные компании-потребители бетона должны развивать рынок низкоуглеродных строительных материалов», — размышляет Йоханна Лене. В частности, «это повлечет за собой включение показателей «воплощенного углерода», выбросов, выделяемых в процессе производства».

Анализ материальных потоков бетона в США

Автор(ы)
Low, Man-Shi

Скачать полную версию для печати (28,39 Мб)

Другие участники

Массачусетский технологический институт. Кафедра архитектуры.

Советник

Джон А. Оксендорф и Тимоти Г. Гутовски.

Условия использования

M.I.T. диссертации защищены авторским правом. Их можно просматривать из этого источника для любых целей, но воспроизведение или распространение в любом формате запрещено без письменного разрешения. См. предоставленный URL-адрес для запросов о разрешении. http://dspace.mit.edu/handle/1721. 1/7582

Метаданные
Показать полную запись товара

Abstract

Бетон является вторым наиболее потребляемым материалом в мире после воды. Из-за огромной массы ежегодно потребляемого бетона и связанного с этим воздействия на ресурсы и окружающую среду улучшение управления материалами при потреблении бетона является критической проблемой в Соединенных Штатах. Становится все более очевидным, что обществу не хватает знаний о коллективном вещественном составе городской среды — о том, как мы производим, потребляем и утилизируем бетон. В этом тезисе утверждается, что отсутствие информационных связей определяет индивидуальные подходы строительной отрасли, политиков, экологических агентств и отрасли по обращению с отходами, что приводит к нынешнему раздельному и субсидируемому государством управлению материалами. Чтобы определить возможности для более эффективного управления материалами, в этой диссертации проводится первый всесторонний анализ потока материалов для бетона в Соединенных Штатах за 19 год. 96, чтобы определить возможности для более эффективного управления материалами. Определены доминирующие бетонные изделия и категории конечного использования в США. Также учитываются связанные с этим потребление воды, энергии и топлива, а также производимые выбросы. Охватываются пять этапов жизненного цикла: (i) добыча сырья, (ii) производство цемента, (iii) производство, (iv) использование и (v) утилизация отходов бетона. Определены две неиспользованные возможности управления материалами: минимизация потребления воды на этапе добычи и на этапе производства за пределами площадки.

 

(продолжение) Кроме того, сделаны три ключевых наблюдения: (i) энергоэффективность цементной промышленности в Соединенных Штатах близка к насыщению, (ii) выбор продукта и конструкция бетона являются доминирующими факторами для более ответственный подход к потреблению материалов, и (iii) управление спросом рекомендуется как более оптимальный подход, чем переработка, в связи с текущими тенденциями строительства в Соединенных Штатах.