Материалы гораздо глубже входят в нашу культуру, чем многие думают. Необходимыми элементами нашей повседневной жизни являются транспорт, жилища, средства связи, отдых, производство пищи, и все они в той или иной степени зависят от выбора подходящих материалов. С исторической точки зрения развитие и успехи общественного строя неразрывно связаны с возможностями людей производить и перерабатывать материалы для удовлетворения существующих потребностей. Ранние цивилизации даже определялись по названиям материалов, которые люди научились использовать - Каменный век, Бронзовый век, Железный век.
На ранних этапах человеческого существования люди использовали крайне ограниченное число материалов. Это были, естественно, материалы, имеющиеся в природе - камни, дерево, глина, шкуры животных и т. п. Со временем люди научились производить материалы, по свойствам превосходящие природные продукты. Это были такие новые материалы, как керамика и различные металлы. В дальнейшем было обнаружено, что свойства материалов могут видоизменяться в результате термической обработки или добавления к ним различных субстанций. В то время выбор материала определялся сопоставлением очень ограниченного количества вариантов, исходя из их качества применительно для той или иной цели. Лишь сравнительно недавно ученые поняли, что существует соответствие между структурными элементами, составляющими материал, и им самим. Эти знания стали доступными примерно 100 лет назад, и в значительной степени были обусловлены тем, что люди научились оценивать характеристики материала. Все это привело к тому, что появились десятки тысяч различных материалов с весьма специфическими свойствами, что позволило удовлетворять самые сложные потребности современного общества. К числу материалов, используемых в наши дни, относятся металлы, полимеры, стекла и волокна.
Успехи современных технологий, которые сделали наше существование столь комфортным, связаны с тем, что стали доступными подходящие материалы. Успехи в понимании того, чем определяется тип материала, зачастую предшествуют развитию новых технологий. Так, например, становление автомобильной промышленности было бы невозможным без разработки сравнительно недорогих сталей или иных подходящих материалов. В наше время развитие многочисленных сложных электронных устройств основывается на использовании компонентов, производимых из так называемых полупроводниковых материалов.
Зачем мы исследуем материалы? Многие ученые и инженеры, работающие в области машиностроения, гражданского строительства, химической или электротехнической промышленности, рано или поздно сталкиваются с задачей разработки конструкции изделия. В качестве примера таких изделий можно привести передаточные шестерни, конструкции, используемые в строительстве, детали для нефтеперерабатывающего оборудования, интегральные чипы. Конечно, ученые и инженеры, занимающиеся материаловедением, являются экспертами, знакомыми с задачами изучения материалов и проблемами конструирования из них изделий.
Во многих случаях задача состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать окончательный выбор. Прежде всего, необходимо четко охарактеризовать условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям. Поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала по сравнению с другими более важными. Классический пример - это требования по прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.
Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут снижаться свойства материала в процессе эксплуатации изделия. Например, весьма заметное снижение прочности может быть результатом действия повышенных температур или коррозии в окружающей среде. И, наконец, решающий аргумент может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость конечного изделия? Можно найти материал, который идеально подходил бы по своим свойствам всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог. И здесь опять-таки неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в стоимость конечного продукта входят не только стоимость материала, но и затраты в процессе формования готового изделия.
Чем лучше ученый или инженер знаком с различными характеристиками материала и соотношением между его структурой и свойствами, равно как и с технологией получения изделий, тем более умелым и надежным будет его (или ее) выбор материала, основанный на перечисленных критериях.
Классификация материалов
Твердые материалы обычно подразделяются на три основные группы. Это металлы, керамика и полимеры. Это деление основывается, прежде всего, на особенностях химического строения и атомной структуры вещества. Большинство материалов можно вполне однозначно отнести к той или иной группе, хотя возможны и промежуточные случаи. Кроме того, следует отметить существование композитов, в которых комбинируются материалы, принадлежащие к двум или трем из перечисленных групп. Ниже будет дано краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные характеристики.
Еще одним типом материалов являются современные специальные (advanced) материалы, предназначенные для применения в высокотехнологичных (high-tech) областях, таких как полупроводники, материалы биологического назначения, «умные» (smart) материалы и вещества, используемые в нанотехнологии.
МЕТАЛЛЫ
Материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах.
Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока.
Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.
В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. электронов, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.
КЕРАМИКА
Керамика - это группа материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами. Как общее правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так, например, некоторые из наиболее популярных видов керамик состоят из оксида алюминия (Al 2 O 3), диоксида кремния (SiO 2), нитрида кремния (Si 3 N 4). Кроме того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те, которые идут на изготовление фарфора), а также бетон и стекло. Что касается механических свойств, то керамика - это относительно жесткие и прочные материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. Кроме того, типичные виды керамики очень твердые. Однако керамика исключительно хрупкий материал (практически полное отсутствие пластичности) и плохо сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и электрический ток (т.е. их электропроводность очень низкая).
Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или совсем непрозрачным материалом, а некоторые оксиды, например, оксид железа (Fe 2 O 3) обладают магнитными свойствами.
КОМПОЗИТЫ
Композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ, перечисленным выше, т.е. металлов, керамики и полимеров. Целью создания композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных материалов, которые не могут быть получены для индивидуальных компонент, а также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик. Известно большое количество различных композитов, которые получены при совмещении металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы также представляют собой композиты, например, это дерево и кость. Однако большинство композитов, которые рассматриваются в настоящей книге, это материалы, полученные из синтетических материалов.
Одним из наиболее популярных и знакомых всем композиционных материалов является стеклопластик. Этот материал представляет собой короткие стеклянные волокна, помещенные в полимерную матрицу, обычно в эпоксидную или полиэфирную смолу. Стеклянные волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, но они хрупкие. В то же время полимерная матрица пластична, но ее прочность низкая. Комбинирование указанных веществ приводит к получению относительно жесткого и высокопрочного материала, который, тем не менее, обладает достаточной пластичностью и гибкостью.
Другим примером технологически важного композита являются углепластики - полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP). В этих материалах в полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но в то же время более дорогие. Углепластики используют в аэрокосмической технике, а также при изготовлении высококачественного спортивного оборудования, например велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных ракеток, лыж и сноубордов.
ПРОГРЕССИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Материалы, которые предназначены для использования в высокотехнологичных изделиях («хай-тек») иногда условно определяют термином «прогрессивные» материалы. Под высокими технологиями обычно имеются в виду устройства или изделия, работа которых основана на использовании сложных современных принципов. К числу таких изделий относится различное электронное оборудование, в частности цифровые видео-аудио камеры, CD/DVD проигрыватели, компьютеры, оптико-волоконные системы, а также космические спутники, изделия аэрокосмического назначения и ракетных технологий.
Прогрессивные материалы, по существу, представляют собой обычно типичные обсуждавшиеся выше вещества, но с улучшенными показателями свойств, но также и новые материалы, обладающие выдающимися характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или полимерами, однако их стоимость обычно очень высока. К числу прогрессивных материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества, которые мы называем «материалами будущего». Это так называемые «умные» материалы и изделия нанотехнологии, которые предназначены, например, для изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации, дисплеев на жидких кристаллах и оптических волокон.
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.
БИОМАТЕРИАЛЫ
Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека (т.е. не должны вызывать реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ - металлы, керамика, полимеры и полупроводники - могут быть использованы в качестве биоматериалов. В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.
МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО
«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых искусственно разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает, что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и отзываться на эти изменения заранее определенным образом - качество, присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и традиционных веществ.
В качестве компонентов умных материалов (или систем) могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.
В качестве активаторов обычно используют материалы четырех типов: это сплавы с памятью к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики, магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные жидкости.
Сплавы «с памятью» - это металлы, которые после деформирования возвращаются в исходную форму, если изменилась температура.
Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на изменение электрического или магнитного поля, соответственно.
Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами, аббревиатура MEMS.
В качестве примера «умных» устройств можно привести систему, используемую в вертолетах для того, чтобы снизить шум в кабине, создаваемый при вращении лопастей. Пьезоэлектрические датчики, встроенные в лопасти, отслеживают напряжения и деформации; сигнал передается от этих датчиков к исполнительному механизму, который с помощью компьютера генерирует «антишум», гасящий звук от работы винтов вертолета.
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Вплоть до самого недавнего времени общепринятая процедура работ в области химии и физики материалов состояла в том, что вначале изучались весьма крупные и сложные структуры, а затем исследования переходили на анализ более мелких фундаментальных блоков, составляющих эти структуры. Этот подход иногда назывался «сверху - вниз». Однако с развитием техники сканирующей микроскопии, которая позволила наблюдать отдельные атомы и молекулы, оказалось возможным манипулировать атомами и молекулами с тем, чтобы создавать новые структуры, и тем самым получать новые материалы, которые строятся на основе элементов атомного уровня размеров (так называемый «дизайн материалов»). Эти возможности аккуратно собирать атомы открыли перспективы создавать материалы с механическими, электрическими, магнитными и другими свойствами, которые были бы недостижимы при использовании иных методов. Мы назовем этот подход «снизу - вверх», а изучением свойств таких новых материалов занимается нанотехнология, где приставка «нано» означает, что размеры структурных элементов составляют величины порядка нанометра (т.е. 10–9 м). Как правило, речь идет о структурных элементах с размерами меньше 100 нм, что эквивалентно примерно 500 диаметрам атома.
Одним из примеров материалов рассматриваемого типа являются углеродные нанотрубки. В будущем, несомненно, нам удастся найти все больше и больше областей, в которых проявятся достоинства нанотехнологичных материалов.
НЕОБХОДИМОСТЬ СОЗДАНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все же остается необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. По этому вопросу необходимо дать некоторые комментарии, чтобы обрисовать возможные перспективы в этой области.
Создание ядерной энергетики предлагает определенные обещания будущего, но здесь остаются многочисленные проблемы, связанные с разработкой новых материалов, которые необходимы на всех стадиях - от системы размещения топлива в реакторе до хранения радиоактивных отходов.
Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и материалы, которые могут работать в условиях повышенных температур.
Далее, существует общепризнанная необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в более эффективном использовании существующих источников. Несомненно, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии этого направления. Так, например, была продемонстрирована возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрический ток. В настоящее время солнечные батареи представляют собой довольно сложные и дорогостоящие устройства. Несомненно, что должны быть созданы новые относительно дешевые технологические материалы, которые должны быть более эффективными в осуществлении использования солнечной энергии.
Еще одним очень привлекательным и вполне реальным примером в технологии преобразования энергии служат водородные топливные элементы, которые к тому же обладают тем преимуществом, что не загрязняют окружающую среду. В настоящее время только начинается использование этой технологии в электронных устройствах; в перспективе такие элементы могут использоваться как силовые установки в автомобилях. Для создания более эффективных топливных элементов нужны новые материалы, а для производства водорода необходимы новые катализаторы.
Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для осуществления контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей нас природе при добыче полезных ископаемых. Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов образуются токсичные вещества, так что следует учесть возможный ущерб экологии от сброса таких отходов.
Многие используемые нами материалы получают из невосполнимых ресурсов, т.е. источников, которые не могут быть регенерированы. Это относится, например, к полимерам, первичным сырьем для которых является нефть, и к некоторым металлам. Эти невосполнимые ресурсы постепенно исчерпываются. Отсюда возникает необходимость: 1) обнаружения новых источников этих ресурсов; 2) создание новых материалов со свойствами, аналогичными существующим, но менее наносящих ущерб окружающей среде; 3) усиления роли процессов рециклинга и, в частности, разработки новых технологий, позволяющих осуществлять рециклы. Как следствие всего этого возникает необходимость экономической оценки не только производства, но и учета экологических факторов, так что оказывается необходимым проанализировать весь жизненный цикл материала - «от колыбели до могилы» - и производственный процесс в целом.
КАЧЕСТВО И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качества определяется соответствующими показателями, представляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям изготовления и использования. По количеству характеризуемых свойств показатели качества подразделяются на единичные и комплексные. Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали). Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами продукции. При этом продукция считается качественной только в том случае, если весь комплекс оцениваемых свойств удовлетворяет установленным требованиям качества. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценка химического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.
Методы контроля качества могут быть самые разнообразные: визуальный осмотр, органолептический анализ и инструментальный контроль. По стадии определения качества различают контроль предварительный, промежуточный и окончательный. При предварительном контроле оценивается качество исходного сырья, при промежуточном - соблюдение установленного технологического процесса. Окон чательный контроль определяет качество готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам. Годной считается продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов и технических условий. Продукция, имеющая дефекты и отклонения от стандартов, считается браком.
Качество материала определяется главным образом его свойствами, химическим составом и структурой. Причем свойства материала зависят от структуры, которая, в свою очередь, зависит от химического состава.
Поэтому при оценке качества могут определяться свойства, состав и оцениваться структура материала. Свойства материалов и методы определения некоторых из них изложены в следующих разделах. Химический состав может определяться химическим анализом или спектральным анализом .
Существуют различные методы изучения структуры материалов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины и др.). Микроанализом называется изучение структуры с помощью оптического микроскопа при увеличении до 3000 раз. Электронный микроскоп позволяет изучать структуру при увеличении до 25000 раз. Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов. Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через материал и через дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали - до 300мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона позволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, так как проникающая способность радиоволн в металлических материалах невелика. Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными свойствами и основана на искажении магнитного поля в местах дефектов. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине. Она основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется. Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями.
Методические подходы к экологической оценке строительных материалов, согласно стандартам ИСО-14000, могут быть различными, но при этом обязательно анализируются связанные с ними нагрузки на окружающую среду по жизненному циклу материала. Наиболее типичные этапы «жизни» (жизненная история) строительных материалов и возможности ее продления представлены схематически на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Типичная схема жизненного цикла строительных материалов
При экологической оценке ЖЦ учитывается влияние не только самого материала, но и процессов, сопровождающих его по жизненному циклу — от добычи сырья для его изготовления, до уничтожения, захоронения или, что более предпочтительно, повторного его использования для изготовления новых материалов. Это позволяет «замкнуть» жизненный цикл материала и решить экологические задачи — сократить количество отходов и обеспечить ресурсосбережение. Экологическая безопасность материалов рассматривается и оценивается не по принципу «здесь и сейчас», а «везде и всегда». При этом оцениваются не только прямые (явные) негативные воздействия, такие как эмиссия вредных веществ, образование отходов и т.п., но и косвенные эффекты (дефицит сырья, влияние на здоровье человека, ухудшение качества окружающей среды, нагрузки при перевозке материалов и т.д.).
Для обеспечения объективности результатов анализа рассматриваются взаимосвязанные параметры «свойства материала — качество среды».
Оценка экологических эффектов взаимодействия строительных материалов с окружающей средой базируется на комплексе независимых методов:
Сопоставительный анализ (экспертный анализ, метод рассуждений) базируется на имеющейся научной информации, ее анализе и последующих логических рассуждениях. Анализ дает относительную оценку нагрузок на человека и окружающую среду и позволяет расположить сравниваемые материалы в порядке экологического предпочтения, классифицировать их по экологическому качеству. Результатом являются карты экологического выбора строительных материалов, которыми может пользоваться потребитель;
Системный анализ (метод «черного ящика») заключается в анализе и математической оценке всех входящих и выходящих потоков. Используется для расчета «экобаланса», воздействий материала на среду и оценки последствий
этих влияний;
Метод графов (ориентированные графы для решения многокомпонентных эколого-экономических задач) позволяет оценить прямые и обратные связи: «качество строительства—качество среды»;
Квалиметрический метод используется для оценки интегрального качества материала.
Обычно методика экологической оценки строительного материала по его жизненному циклу состоит из следующих основных частей:
Разработка и описание жизненного цикла продукта (инвентаризационный анализ);
Оценка воздействий, возникающих на протяжении жизненного цикла (оценка воздействий);
Анализ, направленный на совершенствование качества продукта (оптимизационный анализ);
Анализ, направленный на экологическую классификацию продукции и обоснованный выбор материалов для использования в строительстве (классификационный анализ).
Экологическая оценка нагрузок строительных материалов на окружающую среду должна проводиться по пяти составляющим биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере (почве, сырью), энергии и биотическим компонентам (включая человека). При экологической оценке материалов, в первую очередь, необходимо учитывать негативные воздействия, приводящие к обострению глобальных экологических проблем, таких как парниковый эффект, повреждение озонового слоя, загрязнение почв, истощение ресурсов и т.д.
К негативным экологическим эффектам по жизненному циклу материала относят: истощение ресурсов; загрязнение атмосферы; загрязнение водной среды; уничтожение почвенного покрова; изменение ландшафта; возникновение техногенных ландшафтов; опасное шумовое загрязнение; образование отходов; нарушение природного равновесия в экосистеме; уничтожение, деградация, угнетение растительности; ликвидация мест гнездовий птиц; распугивание животных, нарушение путей их миграции; изменение гидрогеологического режима; изменение напряженного состояния пластов Земли и пр. прямые и косвенные эффекты.
При оценке ЖЦМ обязательно учитывается также комплекс нагрузок на окружающую среду и человека за счет транспортировки материала. Предпочтение отдается местным строительным материалам, произведенным в непосредственной близости от добычи сырья, и т.п.
Принципиальная схема оценки экологических эффектов по жизненному циклу материала включает анализ следующих его этапов:
Добыча сырья;
Изготовление материалов и изделий;
Этап строительства (применение материала);
эксплуатация («жизнь» материала в объекте, необходимость ухода за ним для поддержания его качества, совместимость с материалами, которые используются для продления этапа эксплуатации - ремонта, реставрации, реконструкции);
уничтожение или повторное использование (при замене материала, сносе здания, сооружения).
Пример аналитической схемы оценки нагрузок на окружающую среду по жизненному циклу материала приведен в табл. 3.4.
Таблица 3.4Аналитическая схема оценки нагрузок на окружающую среду по жизненному циклу строительного материала (СМ)
|
Этап жизненного цикла СМ |
Экологические эффекты |
Стратегические экологические мероприятия по снижению нагрузок на окружающую среду |
|
Добыча сырья |
Исчерпание ресурсов (материальных, энергетических, природных) Нарушение ландшафта Повреждение экосистем (загрязнение воздуха, воды, почвы, выделение опасных выбросов и т.д.) |
Избегание ненужного употребления сырья Использование вторичного и возобновляемого сырья Оптимальное использование сырья |
|
Изготовление материала и изделий |
Отходы Возможны вредные выбросы в воду, воздух, почву Потребление энергии |
Производство качественных, долговечных материалов Сбережение ресурсов Создание материалов полифункционального назначения Снижение количества этапов обработки |
|
Строительство (применение СМ) |
Потребление энергии Образование отходов Вредные выбросы Загрязнение окружающей среды |
Использование качественных материалов Отказ от использования материалов с органическими растворителями и др. вредных для человека материалов Соответствие долговечности отдельных материалов, деталей, изделий сроку службы всего здания |
|
Эксплуатация («жизнь» СМ в объекте) |
Вредные выбросы Влияние на здоровье людей, а также все виды воздействий как и при строительстве, но в меньшей степени |
Контроль за состоянием материала Уход за материалом Восстановление его свойств Своевременная замена состарившегося материала |
|
Уничтожение или повторное использование |
Образование огромного количества отходов при сносе зданий Загрязнение окружающей среды Нарушение ландшафта и т.д. |
Ремонт Реставрация Отказ от свалок Отказ от сжигания Утилизация строительных отходов Сортировка отходов Предпочтение повторному использованию без переработки |
Для первого этапа ЖЦМ — добыча сырья — при экологической оценке учитывается его добываемый запас, который определяется на основе технических, экономических и экологических факторов для конкретного региона. Для некоторых видов сырья уже известно, что их запас исчерпывается в короткий (обозримый) срок, если добыча будет продолжена на настоящем уровне. Процесс добычи сырья во многих случаях приводит к повреждению экосистем, выделению выбросов, учащаются катастрофы при добыче и транспортировке нефти, добыче угля и т.п.
На рис. 33 показаны экологические последствия открытой разработки полезных ископаемых. При этом, по оценке специалистов, около 25% материалов идет в отходы производства.
Рис. 3.3. Экологические последствия открытой разработки полезных ископаемых
Практически все полезные ископаемые Московской области добываются открытым способом, что приводит к значительному нарушению земель. На месте исчерпанного месторождения остаются карьеры и отвалы пустой породы, создающие своеобразный «лунный» ландшафт. Некоторые карьеры постепенно заполняются водой, в других устраивают свалки. Нарушенные земли по правилам землепользования требуют рекультивации, т.е. восстановления почвенно-растительного покрова. Простейшим способом рекультивации является выравнивание поверхности: засыпка карьеров и разравнивание отвалов. Растительность на такой поверхности может постепенно восстановиться сама. Быстрее всего зарастают песчаные отвалы и карьеры. Глинистые отвалы и карьеры зарастают медленнее и, в основном, сорной травой. Еще хуже восстанавливается растительность на сухих известковых карьерах. Человек может ускорить этот процесс. Для этого перед началом разработки карьера с поверхности земли снимают плодородный слой и складируют его. После отработки карьера его поверхность засыпается, выравнивается, а сверху наносится сохраненный плодородный почвенный слой. Такие восстановленные, рекультивированные земли могут использоваться для лесопосадок, лугов, реже — под пашню. В заполненных водой карьерах можно разводить рыбу либо создавать вокруг них рекреационные зоны.
На этапе производства СМ необходимо анализировать, с какими негативными последствиями для окружающей среды предстоит столкнуться. Значительную экологическую опасность представляют собой предприятия по производству искусственных строительных материалов. Наиболее полную информацию для этого этапа ЖЦМ можно получить из экологического паспорта предприятия, выпускающего данный материал. На этапе производства существует целый ряд серьезных проблем: вредные выбросы в почву, воду, воздух, отходы и использование большого количества энергии. От количества этапов обработки зависит экологическая нагрузка (например, получение пластмасс, металлов, битумов включает много технологических переделов). При производстве минеральных и органических вяжущих, синтетических полимерных материалов выделяются вредные вещества.
Основными источниками загрязнения воздуха считаются цементные, асбестоцементные, известковые, химические производства, предприятия по производству кровельно-изоляционных материалов, керамзитобетонные заводы и др. Эти же предприятия негативно воздействуют на почвы и водоемы.
Значительные негативные воздействия на состояние окружающей среды у нас в стране оказывают заводы по производству цемента. От мельчайшей цементной пыли, оседающей в окрестностях этих предприятий, гибнет растительность, разрушается почвенная экосистема, болеют легочными заболеваниями люди и животные.
Эмиссия вредных веществ и выбросы при производстве строительных материалов представлены в табл. 3.5.
Таблица 3.5Эмиссия вредных веществ в процессе получения строительных материалов (СМ)
|
Вид CM (получение) |
Вид загрязнителя в выбросах |
|
|
Чугун (выплавка) |
Шлаки, пыль, газы |
Парниковый эффект Тяжелые металлы, ядовитые газы |
|
Сталь (переработка чугуна в сталь) |
Сернистый газ (12,7 кг на т переработанного чугуна) Пылевидные частицы (14,5 кг на т переработанного чугуна) |
Кислотные дожди Нарушение озонового слоя Ядовитые газы и др. вещества (цианистый водород, соединения фтора и фторводород, соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, смолы) |
|
Алюминий; эмали; стекла; керамика |
Шлаки, пыль, газы |
Кислотные дожди Нарушение озонового слоя Токсичные соединения фтора (фторводород, фторид натрия, кальция и др. в пыли) |
|
Синтетические полимерные СМ (пиролиз на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и др. хозяйственных предприятиях) |
Газы, пары углеводородов, соли, кислоты Возможно образование вторичных загрязнителей за счет фотохимических реакций |
Парниковый эффект Нарушение озонового слоя Токсичные и канцерогенные вещества (ароматические углеводороды, перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы) |
Источники выбросов техногенной пыли при производстве СМ
|
Производственный процесс |
Выбросы пыли, млн т/год |
|
Сжигание каменного угля |
|
|
Выплавка чугуна |
|
|
Выплавка меди (без очистки) |
|
|
Выплавка цинка |
|
|
Выплавка олова (без очистки) |
|
|
Выплавка свинца |
|
|
Производство цемента |
|
|
Технологические процессы этих производств (измельчение и химическая обработка шихты, полуфабрикатов и получаемых продуктов) в потоках горячих отходящих газов содержат выбросы пыли и др. вредных веществ. В атмосферу Земли ежегодно поступают около 1 000 м 3 пылевидных частиц искусственного происхождения |
|
|
Взрывные работы — источник загрязнения пылью и ядовитыми газами При одном взрыве среднего по массе (250—300 т) взрывчатого вещества в атмосферу выбрасывается около 2 000 м 3 условного оксида углерода и >150 т пыли |
|
По степени опасности для окружающей среды предприятия промышленности строительных материалов можно разделить на пять классов:
I (наиболее опасные) — крупные цементные заводы, заводы по производству других вяжущих веществ (обжиг в печах магнезита, доломита и др.);
II — предприятия по производству гипса, асбеста, извести, асфальтобетона, древесностружечных и древесноволокнистых плит на полимерных смолах;
III — предприятия по выпуску асбестоцементных, бетонных и железобетонных изделий, материалов из отходов ТЭС;
IV — предприятия по производству полимерных материалов, фаянсовых и фарфоровых изделий, керамического и силикатного кирпича;
V — предприятия по добыче и обработке камня, камышита, фибролита, столярных изделий, паркета и др.
В зависимости от класса опасности предприятий для них устанавливаются следующие размеры санитарно-защитных зон (в метрах): класс I — 1 000, II — 500, III — 300, IV — 100 и класс V — 50. Размеры санитарно-защитных зон даны ориентировочно и могут быть уменьшены для предприятий, применяющих более совершенные технологии.
На этапе строительства важно предварительно определить срок пригодности различных материалов, строительных элементов и всего здания, а также оценить долговечность материала. Высокий показатель долговечности означает, что материал долго сохраняет все свои свойства и имеет больший срок использования до ремонта или замены изделия. Благодаря продлению периода использования материала нагрузка на окружающую среду на этот период уменьшается. Важно, чтобы долговечность материалов отдельных строительных узлов всегда соответствовала жизненному сроку всего здания. При экологической оценке материала на данном этапе учитывается количество отходов и возможность выброса в окружающую среду вредных веществ при производстве строительных работ. Акцент при оценке отделочной продукции делается на анализ влияния материала на здоровье человека. По результатам экологической оценки нежелательными к использованию могут стать даже материалы, прошедшие гигиеническую сертификацию. Критерием для отбраковки является наличие в их составе вредных для здоровья веществ. Целесообразно избегать применения таких материалов в жилых и общественных зданиях. Под ограничение к использованию попадают древесностружечные материалы на фенолоформальдегидном связующем; материалы, в которых в качестве вяжущего применен фосфогипс, клеи и краски на органических растворителях; материалы, содержащие ПВХ (PVC) и т.д. Отказ от использования может быть основан на показателях, характеризующих качество внутренней среды в здании (эмиссия из них вредных веществ в воздух помещений, влажность, шум и т.д.).
На этапе эксплуатации экологическая нагрузка в большой мере определена выбором, сделанным на предыдущих этапах, и здесь дополнительно необходимо определить эксплуатационные затраты на уход за материалом для сохранения его свойств.
У нас в стране пока не внедрена система экологической оценки строительных материалов по их жизненному циклу, поэтому актуальным остается тщательное экологическое исследование и оценка безопасности всех строительных материалов, могущих содержать в своем составе вещества, опасные для здоровья. Часто эта проблема незаслуженно остается вне поля зрения не только специалистов в области жилищного строительства, но даже экологов.
В рамках строительного комплекса остаются практически не решенными проблемы, связанные с использованием материалов, содержащих опасные для здоровья человека вещества в новом строительстве, реконструкции и реставрации. Иногда оказывается, что среди широко используемых в строительстве материалов имеются и опасные. Примером может служить асбест, некоторые изделия из него, многие синтетические смолы, применяемые при производстве древесностружечных и древесноволокнистых плит. К особо опасным веществам относятся стирол, применяемый при изготовлении различных пластмассовых изделий и пенопластов, а также хлористый винил, используемый для получения полимера поливинилхлорида (ПВХ), различных материалов на его основе — линолеума ПВХ, пленок, обоев, плитки и др. Уместно в этой связи напомнить, что ПДК для стирола составляет 0,003 мг/м 3 (максимально разовая и среднесуточная). Для сравнения: ПДК для сернистого газа — 0,5 мг/м 3 (максимально разовая) и 0,05 мг/м 3 (среднесуточная). Для формальдегида ПДК принимается, соответственно, 0,035 и 0,012 мг/м 3 .
А между тем воздух помещений, где человек проводит большую часть времени, в 10 раз грязнее наружного воздуха, даже взятого вблизи химических заводов.
Чтобы показать, насколько необходимой и важной является проблема экологического контроля жилой среды, приведем пример. В 1988 году в Сургутском районе Тюменской области при анализе воздуха квартир, собранных из панелей Пермского домостроительного комбината, было обнаружено: превышение ПДК по фенолу в 40 раз, по аммиаку — в 60, по формальдегиду — в 400 раз! Выявлено это было случайно во время приемки одного из домов в эксплуатацию. А между тем уже сотни таких домов были заселены, а на их строительство были затрачены огромные средства.
Как выяснилось позднее, Пермский домостроительный комбинат, стремясь удешевить строительство жилья, заменил минеральную вату, обычно применяемую в качестве утеплителя, на пенопласт. Но пенопласт дает во много раз больше токсичных испарений, чем минеральная вата. Кроме того, на комбинате было введено еще одно новшество. В деревянных панелях фанера заменялась древесностружечной плитой. Не было принято во внимание, что эта плита в сотни раз более проницаема для испарений, чем фанера. К тому же древесностружечные плиты склеивались смолами, выделяющими собственные токсиканты.
Отсутствие строгого экологического контроля в жилищном строительстве — пробел, который требует срочного восполнения.
Достаточно сказать, что до сих пор не созданы системы экологического контроля (мониторинга) жилой среды. Наблюдение за ее состоянием должно быть организовано на уровне и городов, и отдельных территорий.
На последнем этапе жизни материала встает вопрос об оценке возможности его использования повторно без значительной дополнительной переработки (например, повторное использование деревянных дверей, деревянных оконных рам и т.п.). Поэтому критерием для экологической оценки материала становится возможность его реставрации, ремонтопригодность. Посредством реставрации или бережного ухода за конструкциями и материалами можно удлинить срок их пригодности. В этом случае количество строительных отходов может быть сокращено. В связи с возможностью повторного использования очень важно, чтобы материалы хорошо сортировались и очищались. Если отходы после сноса здания попадут в окружающую среду (свалки и т.п.), экологическая нагрузка определяется сочетанием их вредности и разлагаемости в природной среде. При хорошей биоразлагаемости отходы недолго занимают место и практически не оказывают вредного воздействия и на окружающую среду, и на человека.
Таким образом, методом логических рассуждений с использованием аналитической схемы оценки нагрузок на окружающую среду по жизненному циклу (см. табл. 3.4) можно дать качественную экологическую оценку любому строительному материалу. Данная схема позволяет прогнозировать наиболее существенные риски на каждом этапе жизненного цикла материала — от добычи сырья до уничтожения материала.
За рубежом оценочные показатели присваиваются материалу по следующим экологическим факторам: повреждение экосистем, дефицитность сырья (дефицит), эмиссия вредных веществ в окружающую среду (выбросы), затраты энергии (потребление энергии), здоровье человека и «экологическое здоровье» (здоровье), а также положение с отходами (отходы). На схеме (рис. 3.4) приведена система этих показателей для комплексной экологической оценки строительных материалов.
Рис. 3.4. Система показателей для комплексной экологической оценки строительных материалов
Перечисленные экофакторы являются показателями экологического качества материала или, другими словами, являются показателями экологических свойств материала. Ниже приведены смысловые значения перечисленных показателей, широко используемые сегодня в мировой практике экологической оценки строительных материалов в рамках стандартов ИСО-14000.
Повреждение экосистем. Экосистемой считается сочетание живых (растения и животные) и неживых компонентов (факторов), таких как почва, воздух, вода, климат и др. на ограниченной территории. Под повреждением имеется в виду нарушение равновесие в экосистеме и снижение качества среды. При этом учитывается как повреждение экологических ценностей, так и эстетических ценностей экосистемы. Нарушение динамического равновесия может длиться десятки или сотни лет до того, как на этой территории восстановится новое равновесие.
Дефицит. С экологической точки зрения дефицит означает, что изъятие ресурса опережает его восполнение природной средой. Запас многих сортов сырья конечен. Это относится к сырью как минерального, так и органического происхождения. Сегодня уже прослеживается дефицит качественных каменных материалов, нефти, угля, газа и т.д. Это невозобновляемые (исчерпаемые) ресурсы. Дерево, лен, пробка и т.п. — возобновляемое (обновляемое) сырье. Скорость круговорота для него находится на сравнимом уровне со скоростью потребления. При настоящих высоких темпах потребления сырья скорость круговорота не должна превышать 100 лет.
Выбросы. Речь идет о выбросах твердых, жидких и газообразных вредных веществ в почву, воду или воздух в течение жизненного цикла материала.
Особенно опасными считаются выбросы, приводящие к глобальным экологическим проблемам: повреждению озонового слоя, возникновению парникового эффекта, выпадению кислотных дождей. Это возможно из-за выделения хлор-, фторуглеводородов при производстве полимерных материалов и т.п.; выбросов углекислого газа (СО 2); сернистого газа (SO 2). Этим проблемам мировое сообщество уделяет особое внимание, и они учитываются в первую очередь. Например, в Датском проекте по управлению окружающей средой в строительном проектировании были собраны данные о влиянии на окружающую среду множества строительных материалов. Фрагмент информационной базы данных по выбросам в границах ЖЦ конструкционных материалов представлен в табл. 3.6.
Таблица 3.6Экологическая оценка показателей выбросов используемых в строительстве конструкционных материалов
|
Конструкция |
Строительный материал |
Экофактор — выбросы по показателям |
|
|
СО 2 — экв., г/м 2 |
SO 2 — экв., г/м 2 |
||
|
Покрытия/ полы |
|||
|
Деревянные балки |
|||
|
Деревянные балки; бетонные соединения |
|||
|
Сборные деревянные элементы |
|||
|
Плоские крыши |
|||
|
Бетон; битумные материалы |
|||
|
Деревянные балки; битумные материалы: |
|||
|
Деревянные балки; ПВХ |
|||
|
Наружные стены |
Кирпич; фиброцемент |
||
|
Песчаник известняковый |
|||
|
Ячеистый бетон |
|||
|
Деревянные стойки; обшивка деревом |
|||
|
Деревянные стойки; фиброцемент |
|||
Использование при оценке негативных воздействий СМ по ЖЦ количественных характеристик, приведенных в табл. 3.5, повышает объективность экологической оценки материалов и позволяет обосновать их выбор согласно требованиям по защите окружающей среды.
Перечень вредных веществ, выделяющихся из строительных материалов, по данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, приведен в табл. 3.7.
Таблица 3.7Перечень вредных веществ, выделяющихся из строительных материалов
|
Вещества |
Класс опасности |
СМ — источник поступления в воздух помещений опасных веществ |
|
Лаки, краски, клеи, шпатлевки, мастики, смазка для бетонных форм, пластификаторы для бетона |
||
|
бутилацетат |
Лаки, краски, мастики, шпатлевки, смазки для бетонных форм |
|
|
Мастики, клеи, смазки, линолеумы, лаки, краски |
||
|
Мастики, клеи, герлен, линолеумы, цемент и бетон с добавлением отходов, смазка для бетонных форм |
||
|
Линолеумы, клеи, «герлен», шпатлевки, мастики, лаки, краски, смазки |
||
|
пропилбензол |
Клей АДМК, линолеум ЛТЗ-33, мастика ВСК, мастика 51-Г-18, шпатлевка «Стойдеталь» |
|
|
Цемент, бетон, шпатлевка и другие материалы с добавлением промышленных отходов |
||
|
Красители и строительные материалы с добавлением промышленных отходов |
||
|
формальдегид |
ДСП, ПВП, ФРП, мастики, герлен, пластификаторы, шпатлевка, смазки для бетонных форм и др. |
|
|
ДСП, ФРП, герлен, линолеумы на синтетической основе, мастики, шпатлевка |
||
|
этилбензол |
Шпатлевки, мастики, линолеумы на синтетической основе, краски, клеи, смазки для форм, пластификаторы, цемент, бетон с отходами |
|
|
Цемент, бетон, шпатлевки и др. материалы с добавлением промышленных отходов |
||
|
Теплоизоляционные материалы, отделочные материалы на основе полистирола |
||
|
этилацетат |
Лаки, краски, клеи, мастики и др. материалы |
|
|
Лаки, краски, клеи, шпатлевки, мастики, линолеумы на синтетической основе и др. отделочные материалы |
||
|
винилхлорид |
Линолеумы, плитки, пленки и другие материалы на его основе |
Об опасности этих веществ можно судить по их бальной оценке — классу опасности. Для большинства из них, несмотря на низкий класс, возможны опасные последствия для здоровья людей. Последствия влияния опасных химических веществ, содержащихся в материале, трудно прогнозируются, так как недостаточно изучено их воздействие на различные возрастные группы, их синергический эффект и др. О конкретном вреде для человека некоторых из них можно судить по нижеприведенным данным об их отрицательных свойствах.
На сегодняшний день известно, что контакт человека с феноло-, мочевино-, меламиноформальдегидными, эпоксидными, полиэфирными смолами, полиамидами, поливинилхлоридом, каучуками и клеями различного состава может быть причиной аллергических дерматитов.
Аллергенными свойствами обладают выделяющиеся из полимерных материалов акрилонитрил, ароматические амины (например, неозон Д), бензол, толуол, ксилолы, гексаметилендиамин, ацетон, резорцин, каптакс, фталаты, кумарон, малеиновый ангидрид, пиридин.
Ряд ингредиентов полимерных материалов, например, фталевый ангидрид, гидроперекиси, стирол, влияют на функции половых желез (гонадотропное действие).
Известны тератогенные и эмбриотоксичные свойства бензола, фенола и его производных, формальдегида.
К числу химических мутагенов относят этилен- и пропиленоксиддиметилформамид, фенол, формальдегид, эпихлоргидрин, этиленгликоль, гидроперекись изопропилбензола.
Из химических веществ, входящих в состав полимерных материалов, канцерогенными свойствами обладают, например, полициклические углеводороды (3,4-бензопирен), органические перекиси.
Информацию о содержании этих веществ можно получить из данных результатов химического анализа, всегда представляемых в гигиеническом сертификате на материал.
На приведенных примерах видны негативные влияния этих веществ на человека, которые необходимо обязательно учитывать уже на стадии выбора материала, стараясь избегать использования тех из них, которые опасны для здоровья.
В Приложении III .1 данного пособия приведено описание санитарно-химических показателей (СХП) свойств полимеров, наиболее широко применяемых в строительстве*. Некоторые из них нашли применение в медицине и пищевой промышленности, их воздействие на человека хорошо изучено, и это может быть косвенной характеристикой их безопасности и причиной их предпочтения в строительстве и реставрации.
К категории чрезвычайно опасных воздействий на здоровье людей отнесены выбросы при катастрофах (аварии при перевозке нефти, пожары и т.д.). Это случается нечасто, но последствия для человека и окружающей среды могут быть чрезвычайными. Поэтому, даже если возможность катастрофы минимальна, ее следует учитывать при выборе материала.
Потребление энергии учитывается на всех стадиях жизненного цикла материала. Оно означает, с одной стороны, расход дефицитного сырья, а с другой — выброс вредных веществ, например, углекислого газа («парниковый эффект»), оксидов азота (сильнейшие окислители, которые приводят к образованию смога), сернистого газа (является причиной кислотных дождей) и т.д. Первичные энергозатраты для наиболее часто используемых строительных материалов приведены в табл. 3.8. Уже этих данных достаточно для экологического анализа материала по данному оценочному критерию.
Таблица 3.8Пример первичных энергозатрат для наиболее часто используемых строительных материалов и их экологическое сопоставление
|
Вид материала |
Первичные энергозатраты на добычу и получение материала, кВт * ч/м 3 |
|
Алюминий |
|
|
Полистирол |
|
|
Минеральная вата |
|
|
Древесноволокнистые плиты |
|
|
Кирпич керамический |
|
|
Газобетон |
|
|
Известково-песчаный раствор |
|
|
Древесные СМ |
|
|
Природные растительные (из тростника, соломы, льна и др.) |
Здоровье. Влияние материалов на человека и окружающую его среду оценивается по интегральному показателю «здоровье». Воздействие строительного материала на здоровье человека анализируется для каждого этапа жизненного цикла материала.
Негативное воздействие может иметь место:
При добыче сырья (например, пыль вызывает всевозможные заболевания: аллергию, астму, силикоз легких у рабочих);
При производстве (в результате технологических процессов, возможных аварий и др.);
При строительстве (влияние растворителей красок, волокон и т.д.);
При эксплуатации (в воздух помещений выделяются опасные вещества: формальдегид, радон, влияющие на здоровье человека);
При переработке отходов вблизи населенных пунктов (влияние асбеста, пыли, газов от сжигания и т.д. на здоровье человека).
Основными оценочными критериями прямой опасности материала для человека остаются санитарно-гигиенические свойства и характеристики радиационной и пожарной опасности. К санитарно-гигиеническим характеристикам (СГХ) материала по СанПиН относятся: наличие в материале вредных для здоровья веществ, класс их опасности (по ГОСТ 12.1.005-88); наличие антистатических и бактериостатических свойств; наличие запаха (бальная оценка от 1 до 6 баллов); диффузионная активность (ПДК пыли в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-88). Пожарная опасность оценивается по показателям: горючесть, воспламеняемость, распространение пламени, дымообразующая способность и токсичность (группа пожарной безопасности определяется по НПБ 244-97). Радиационно-гигиенические свойства материала определяют по классу безопасности материала: по содержанию в них естественных радионуклидов (ЕРН) по ГОСТ 30108-94 по показателю удельной эффективной активности — А эфф., Бк/кг. Более подробно оценка характеристик безопасности основных видов строительных материалов по вышеперечисленным свойствам рассмотрена в пунктах 3.4; 3.5; и 3.6 этой главы.
Отходы. Современная промышленность выпускает тысячи наименований разнообразной продукции. Причем в сферу материального производства вовлекается во много раз больше исходного сырья, чем выпускается готовых продуктов. Например, на выпуск 1 т чугуна расходуются 1,5—2 т, 1 т алюминия — 3— 10 т, 1 т никеля — 5—10 т, 1 т извести — 1,5—2 т, цемента — 1,4—1,7 т сырья. При этом на разных стадиях технологического процесса возникают отходы. Часть отходов теряется со сточными водами, с отходящими газами, при пылении твердых продуктов, в результате чего загрязняются атмосфера, гидросфера, почва. Для складирования твердых отходов сооружаются специальные отвалы и полигоны, занимающие ценные земельные площади.
На удаление отходов производства затрачиваются, в среднем, 8—10% стоимости производимой продукции. Транспортирование, складирование, концентрирование, обезвреживание, захоронение, улавливание отходов ежегодно поглощают миллиарды рублей. С другой стороны, отходы производства могут стать мощным источником сырья для промышленности. Поэтому следует всегда учитывать возможность повторного использования строительных материалов, в частности, возможность их переработки в новые материалы.
Уровень негативного влияния для каждого экофактора может быть оценен в баллах:
3 балла — наибольшее негативное влияние;
2 балла — среднее по уровню негативное влияние;
1 балл — наименьшее негативное влияние.
Результатом такого анализа может быть сводная таблица, отражающая экологическую оценку СМ.
Таблица 3.9Вариант оформления результатов экологической оценки влияния строительных материалов на окружающую среду
Металлические
На основе минеральных вяжущих
На основе синтетических полимеров
С использованием отходов
Таким образом суммарная нагрузка на окружающую среду по шести перечисленным экофакторам для различных строительных материалов может составлять от б до 18 баллов. Минимальному негативному влиянию соответствует сумма в 6 баллов. Так можно оценить, например, материалы из древесины. Причем, если использовать мероприятия по снижению экологических нагрузок (см. табл. 3.4), можно получить сумму балов и менее 6.
Для оценки может быть использована шкала (табл. 3.10) суммарной экологической нагрузки материала по его жизненному циклу на окружающую среду и человека. В соответствии с этой шкалой нагрузки с суммой баллов меньше или равной 6 относятся к низким, от 7 до 12 баллов — к средним, от 13 до 18 баллов — к высоким.
Таблица 3.10Шкала суммарной нагрузки на окружающую среду и человека для анализируемых материалов
Практически ни один материал не может быть назван «экологически чистым», т.к. ни один материал не может быть изготовлен без затрат материальных ресурсов и энергии. Но рассматривая жизненный цикл материала, для каждого его вида можно выделить нежелательные, с экологической точки зрения, влияния на окружающую среду (т.е. присущих материалу отрицательных экологических качеств) и стараться не применять материалы с высоким уровнем нагрузки (13—18 баллов) на среду и человека. Отказ от их применения будет стимулировать развитие производств, выпускающих материалы, экологически безопасные для человека и среды.
При сравнении различных аспектов влияния материала на окружающую среду важно учесть, устраняются ли повреждения, нанесенные экосистеме, а если устраняются, то в какой срок. Возможно, более целесообразно поставить вопрос о неиспользовании материала. Важную роль при оценке также играет наличие экологических, технических и экономических возможностей в стране, где материал будет использован. Общим при оценке и при выборе материала является необходимость всегда учитывать, что увеличение объема работ, который обусловлен данным выбором, практически всегда приводит к увеличению объема проблем. Например, при выборе отделочного материала следует предусмотреть, какие (и в каком количестве) вспомогательные материалы потребуются для его надежного использования. На рис. 3.5 показано, какие проблемы возникают при производстве бетона.
Рис. 3.5. Схема оценки «жизненного цикла» композиционного материала (бетона) в результате анализа входящих и выходящих потоков по методу «черного ящика»
Применение метода экологической оценки материалов по жизненному циклу позволило присваивать им марку экологического качества. Такие экологические значки (этикетки, пиктограммы) ставятся на продукцию, которая отвечает требованиям безопасности для окружающей среды и человека. Наряду с экологическими марками ставятся также значки об испытании материала и о гарантиях качества. По таким пиктограммам можно увидеть критерии оценки материала. Подобные значки стали новым элементом рекламных проспектов на строительные материалы. Примеры таких значков представлены в табл. 3.11.
Всегда следует обращать внимание на то, по какому критерию присвоен знак «экологичен», и имеется ли об этом отметка в информации на продукцию. Часто такую запись (без расшифровки значения) делают некоторые производители и поставщики, чтобы привлечь к своей продукции внимание потребителей.
Наличие таких марок в проспектах на продукцию должно быть прокомментировано. Например, для экологической марки с изображением белого лебедя в проспекте на продукцию расшифровывается, что марка присвоена материалу, который в течение всего своего жизненного цикла (от исходных материалов до вторичной переработки) соответствует критериям и требованиям по выбросам и испарениям (эмиссии), переработке отходов, а также расходу энергии и ресурсов.
Таблица 3.11Примеры экологической маркировки строительных материалов
