Строителни процеси и материали
Предизвикателствата на нашето време
Наясно сме, че много от дейностите, свързани със строителството, не са модифицирани от десетилетия. Наясно сме, че в нашия динамичен свят строителната индустрия не може да остане такава, каквато я познаваме. Климатът видимо се променя, природните ресурси постепенно се изчерпват, все по-осезаемо се усеща липсата на специализиран персонал. Започналото преразглеждане на строителните процеси за всестранното им оптимизиране е неизбежно. Търсенето на нови строителни материали също е във възход. Строителните машини претърпяват невиждани промени.
Текст: списание Строители
Когато целта е дефинирана, пътят към нея става по-ясен, за трудностите се намират решения, а световни изложения, като bauma Munich, дават възможност за обсъждане на различни аспекти, идеи, технологии и показване на реални, немислими доскоро, иновации и достижения. Наболял проблем на съвремието ни е глобалното затопляне. Казано е - на дълъг път се тръгва с малка крачка. Един пример - използваме цимент, има ли поле за иновации там? Ето че промяната в една от най-необходимите дейности в строителството - производството на цимент, се очертава като една съществена тенденция в строителната индустрия. Може ли да се елиминира или улови въглеродния диоксид, съпътстващ това производство? Предизвикателната идея става цел и за учени, и за производители.
Друг проблем, опасността от изчерпване на природните ресурси, води до появата на нова цел - използването на рециклирани материали. Това също не е очевидно решение. Как се добиват, как се раздробяват, какви са якостните им характеристики, и още, и още въпроси. А застрашително нарастващата липса на квалифицирана работна ръка? Тежката работа в строителството отблъсква младите хора. Какво би могло да се промени в строителните процеси, дейности, машини и условия, за да бъдат привлечени добре обучени работници?
Къде са значителните въглеродни емисии при строителните процеси?
Тежък въпрос и още по-тежък отговор - навсякъде. Дори не е възможно пълното изброяване. Доставката и обработката на строителните материали, самият строителен процес, поддръжката и разрушаването на сгради и други елементи от инфраструктурата - всичко това води до значителни емисии на въглероден диоксид. Ако се съсредоточим дори само върху по-горе споменатото производство на цимент, ще установим стряскащи факти. Получаването на около половин килограм цимент обуславя отделянето на около 400 грама СО2. Производството на цимент започва с обработката на варовика, чийто основен компонент е калциевият карбонат. Той се смесва с глина и се изпича в пещи при температура от над 1400˚С в процес, наречен калцинация.
Над 50% от въглеродните емисии, генерирани в производството на цимент, идват от разграждането на варовика - калцинацията, а остатъкът се дължи главно на изгорените въглища и други изкопаеми горива, които се използват в процеса. Макар че циментът е само част от съставките в бетона, производството на един кубичен метър бетон допринася за отделянето на около 300kg СО2. Годишно в световен мащаб се произвеждат около 5 милиарда тона цимент, които генерират 8% от всички въглеродни емисии, дължащи се на човешката дейност, защото всяка година се използват над 30 милиарда тона бетон. Именно тези огромни количества правят бетона един от най-големите замърсители на планетата, но засега няма икономически приемлив заместител на циментовата индустрия. В тази област се търсят технологии, които да направят бетона “по-екологичен”.
Една от идеите е да се “улавят” и “складират” въглеродните емисии. Има идея и за следващата стъпка - СО2 да бъде интегриран обратно в бетона, за да повиши някои специфични характеристики. Обмислят ли се мерки за намаляване на вредните емисии чрез влагане на алтернативни суровини? В допълнение към мерките за опазване на климата, строителната индустрия е изправена и пред призиви за пестене на суровини в бъдеще. През последните години пясъкът е във фокуса на общественото внимание. В крайна сметка това е най-широко използваният материал, но става все по-оскъден.
Идеи за справяне има и след малко ще говорим и за тях. Като странично предизвикателство глобалният строителен бум изисква повишаване на производителността. Това не може да стане с повишаване броя на заетите в строителството. Трябват машини - производителни, мощни, дори автономни. Идеята е за нов подход при строителните машини, така че с работата си те да не вредят на климата. Тази идея е базирана на съвременните научно-технически достижения. Например все повече строителни машини се разработват с електрическо задвижване, а основната полза от това е намаляването на парниковите газове, посочвани от учените като основната причина за глобалното затопляне.
Иновации - насоки, идеи и мерки
Най-напред ще разгледаме емисиите на СО2 в циментовата промишленост. Ясно че, че значителни подобрения са възможни, само ако се осъществят фундаментални технологични промени. Има две идеи, за които се очаква да елиминират около 95% от въглеродния диоксид, отделян при производството на цимент. Едната, звучащата като фантастика, идея за улавяне и последващо използване Carbon Capture and Utilization (CCU) на въглеродните емисии вече намира по-земни решения. Първото съоръжение за улавяне на СО2 при производството на цимент влиза в експлоатация тази година в Германия. Предвижда се ежедневно да се улавят по два тона СО2, който да се използва след това в регионалната химическа индустрия.
Другата смела идея е СО2 да се улавя и да се съхранява безопасно Carbon Capture and Storage (CCS). И правителствата, и корпорациите все повече оценяват потенциала на тази идея. Естествено, че трябва да се гарантира безопасно и постоянно съхранение в дълбоки геоложки слоеве от скали. Например едно хранилище, експлоатирано в Северна Америка, е в геоложка формация, известна като Basal Cambrian Sands. Вече има разработки за съхранение и изолиране на въглеродния диоксид в изчерпани нефтени и газови находища или дълбоки солени водоносни образувания. За съжаление, тази технология все още е почти непозната и представянето ѝ на световни форуми за строителство е от изключително значение. Засега има опасения, че разходите за технологията CCS са истинско предизвикателство, но се оказва, че действителните разходи при реален обект за улавяне и съхранение са доста по-малки от теоретично пресметнатите. Може да се твърди, че CCS е търговски жизнеспособен начин за смекчаване на отпечатъка на въглеродните емисии върху нашата планета.
Според някои експерти ключът решението се крие в нови, специфични технологии за производство на бетон. Това означава, че той може да бъде модифициран по определени начини, така че да бъде използван в по-малки количества за точно определени цели. Към бетона могат да бъдат добавяни различни синтетични и органични материали, които да подобряват свойствата му. Типичен пример е графенът - материал, по-здрав от стоманата, който се състои от единични пластове въглеродни атоми. Дори и малки количества графен могат да подобрят значително качествата на бетона. Освен това добавките могат да увеличат експлоатационния живот на бетона и не само да намалят нуждата от текуща поддръжка, но и да отдалечат времето за разрушаване и преработка. Разработва се и технология за “инжектиране” на фибри и въглероден диоксид в бетона по начин, който да му придаде повече еластичност.
Търсят се начини този иновативен бетон да помогне на пътищата и мостовете при техния динамичен товар, а и при високите сгради би бил полезен в случай на сеизмично въздействие. И една, на пръв поглед екстравагантна, технология, но тя вече намалява отпадъците и не позволява разхищения на вложени материали. Става дума за 3D-принтирането. Работи се и по създаване на иновативен цимент с по-високо съдържание на силициев диоксид, при който се отделят по-малко вредни емисии в процеса на калцинация. Макар че обмислянето на мерки и идеи за намаляване на емисиите на СО2 не е престанало, засега алтернативните суровини се налагат като най-ефективният практически начин. Известният метод “анализ на жизнения цикъл”/Life cycle analysis (LCA), използван за оценка на въздействието върху околната среда на даден продукт през неговия жизнен цикъл, е послужил за създаване на алгоритъм/рамка за отчитане на СО2 при използване на алтернативни суровини. Този метод отчита добива и обработката на суровините, производството, дистрибуцията, употребата, рециклирането, включително и окончателното изхвърляне.
Именно след анализ в рамките на метода LCA започва да се осъзнава влиянието на циментовите продукти върху околната среда и да се търсят заместители. Проучванията се фокусират върху алтернативни изходни суровини/материали, например карбидна шлака. Използването на подобен материал за производство на нисковъглероден цимент може да доведе до драстично намаление на въглеродните емисии. Процесът за производство на цимент с алтернативни суровини е разделен на шест етапа. Това са: събиране на суровини, транспортиране, смилане/смесване, калциниране, гориво/изгаряне и етап на съхранение и опаковане. Всичките шест етапа се оценяват според въздействието им върху околната среда.
Съхранение на строителните ресурси
Един от начините за запазване на ресурсите е материалите за разрушаване да се обработват на място, като се използват съвременни технологии за трошене и пресяване, така че да могат да се използват повторно и там, и след това в нови строителни проекти. Това рециклиране облекчава интензивното използване на природните източници, помага да се избегне транспортирането на материали, води до намаляване на емисиите на парникови газове, шума и замърсяването на въздуха в гъсто населените градски райони. Самото трошене е дейност, свързана с много рискове. Разработват се все по-успешни трошачки, които да не се нуждаят от непосредствено присъствие на оператор.
От изключително значение за достигане на поставените задачи са производителите на строителна техника. За обединяване на търсенията в дадено направление, за помощ и синхронизиране на нормативните уредби на отделните страни и за споделяне на иновации е създаден Комитет за европейско строително оборудване /European Construction Equipment (CECE, Brussels). Секторът на производство на строителна техника включва около 1200 компании. Те създават издръжливи и технологични машини, техника от ново поколение, с невиждана производителност и минимално отрицателно въздействие върху околната среда.
Новото поколение строителна техника
Тенденциите в разработките на строителни машини са много ясен показател за посоката, която следват учени и производители. Основната цел е да се премине плавно към устойчиви източници на енергия. Машините, които все още са с бензинови или дизелови двигатели, показват възможно най-съвършените и щадящи природата двигатели. Вече е факт, че няма багер от ново поколение, чийто двигател да не е усъвършенстван. Съответствие със Stage V, комбинация от селективна каталитична редукция и дизелов филтър за твърди частици, липса на рециркулация на отработените газове - резултатът е максимална производителност и минимален разход на гориво.
Електрическото задвижване също повсеместно се налага. Освен нулевите въглеродни емисии има и други значими последствия при използване на електричество за задвижване на строителните машини. Електрическият двигател е толкова тих по време на работа, че машина с такъв двигател може да се използва в градска среда, дори в близост до детски градини, училища или болници. Няма изгорели газове - факт, който позволява строителни дейности дори в затворени пространства, при лоша или липсваща вентилация. Предпазва се не само околната среда, предпазват се работещите със строителните машини. Електрическите двигатели са лесни за поддръжка, като същевременно са много ефективни. Разходите, експлоатационни и енергийни, са ниски, но търсенията и иновациите продължават. А дизайнът и удобствата за операторите са издигнати на качествено ново ниво.
За улеснение на операторите има различни нови разработки в зависимост от предназначението на дадена строителна машина. Сензорен екран, аудио-опция “свободни ръце” и Bluetooth, стартиране без ключ, отопляема седалка, с възможност и за охлаждане, много добри работни светлини и ултразвуково откриване на препятствия - всичко е с идеята средата да е съобразена с човека, а не човекът - със средата. Ето едно кратко описание на реална строителна машина: Сензорният дисплей предоставя данни за машината и показва изображенията от налични камери, необходими за процеса, с които машината е снабдена; Елементите за управление са свързани към седалката, за да се оформи удобно работно място; Седалката е с пневматично окачване и с регулируемо отопление; Изолацията е много добра, осигурено е максимално намаляване на шум и прах, а за охлаждане има климатична система и хладилно отделение зад седалката; Видимостта е оптимална, дори към задната част на машината. Всеки ще остане доволен от такова работно място, а това не е без значение, защото се усеща липсата на специалисти в строителството.
Как да бъдат привлечени младите хора?
Отговорът не е лесен, но един от аспектите е новите строителни машини да бъдат с полуавтоматизирани, автоматизирани или поддържащи функции. Дори най-елементарните нива на автоматизация могат да помагат на операторите при различни задачи, да поддържат постоянно ефективна работа, да повишават производителността, да пестят енергия и разходи по време на конкретен строителен процес. Вложената научна мисъл ще реши донякъде проблема с недостигащ и нискоквалифициран персонал, като ще освободи работниците от тежки и повтарящи се дейности, а най-квалифицираните ще могат да се заемат с по-специфични задачи. Постепенно, въз основа на иновативни сензорни системи и видеотехнология, мощни комуникационни и ИТ мрежи и технологични иновации, „изкуственият интелект“ си търси мястото в строителната техника. Въпрос на време е да го намери.
Световните изложения на строителни машини, превозни средства и оборудване дават възможност да се обсъждат стъпките за внедряване на интелигентни, а след това и автономни, строителни машини. Ако фокусът е върху дигиталните методи на работа, иновативните продукти и машини и възможностите, предлагани от все по-често използваните AI-процеси (Artificial Intelligence/Изкуствен интелект), а това са области, от които младите хора се интересуват, ще се увеличат и производителността, и привлекателността на строителния сектор. Благодарение на съвременната строителна техника нараства броят на младите хора, които се учат да управляват строителни машини. С удобни кабини, ергономични решения и дигитални улеснения става все по-привлекателно да работиш в строителството. Очевидно е, че съвременните технологии правят строителните професии все по-търсени.
Същевременно стремежът е да се произвежда повече с по-малко човешки ресурс. Възможност за това дават и серийното строителство, което ни е познато от десетки години, и 3D печатът, който все още е предизвикателство. Да, персоналът ще бъде по-малко, но ще трябва да е висококвалифициран. Пътищата за развитие на 3D-печатането засега са два. Единият е триизмерен печат на открито, директно на строителната площадка. На втория, при който изделията се изработват във фабрики, все още се възлагат по-големи надежди. Идеята за развитие по този път е да се търсят партньори, оборудвани с нужните роботи, които да произвеждат извън строежа и да доставят на обекта готови "напечатани" строителни елементи с високо качество, напълно пригодени за бързо и технологично сглобяване от добре обучени строители.
Това е бъдещето
Пътят към нулеви емисии е пътуване, което трябва да се извърви с отделни стъпки, някои от които могат да бъдат направени само от определени институции и организации. Много е важно, че големите строителни изложения дават възможност за достъп до иновациите и обръщат внимание на партньорството между доставчици на машини, компании за отдаване под наем и строителни предприемачи.
Не по-малко важно е разработването на политики в “зелената” област. Въглеродните емисии и шумът постоянно нарастват, но вече не се игнорират, особено в големите градове. От индустрията се очаква да предостави устойчиви решения, които могат да помогнат за намаляване на тези проблеми. Това подтиква големите производители да търсят и предлагат екологичните решения. Най-хубавото е, че всяка нова технология ни кара да се питаме как можем да я усъвършенстваме и да направим следващата крачка напред!