Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Учебное пособие

Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов

Е.Г. Щукина,

Р.Р. Беппле,

Н.В. Архинчеева

Улан-Удэ - 2005

Издательство ВСГТУ

Содержание

Аннотация

Введение

1. Классификация промышленных отходов

1.1 Источники образования промышленных отходов

1.2 Эффективность использования отходов

2. Комплексное использование местных вулканических пород, отходов горно-обогатительных фабрик и вскрышных пород

2.1 Комплексное использование перлитов Мухор-Талинского месторождения республики Бурятия

2.2 Отходы горнодобывающей промышленности

2.3 Комплексное использование доломитов

2.4 Использование вулканических шлаков

2.5 Применение железистых и серосодержащих побочных продуктов

3. Комплексное использование металлургических шлаков в производстве строительных материалов

3.1 Классификация шлаков

3.2 Характеристика и состав шлаков

3.3 Пути рационального использования шлаков

4. Источники образования золошлаковых отходов и пути их рационального использования

4.1 Характеристика золы и золошлаковых отходов Улан-Удэнской ТЭЦ-2

4.2 Область применения золошлаковых отходов

5. Отходы деревообработки

5.1 Классификация древесных отходов

5.2 Структура и свойства древесины

5.3 Использование древесных отходов

6. Гипсовые попутные промышленные отходы и их применение в производстве строительных материалов

6.1 Классификация гипсовых отходов

6.2 Характеристика системы

6.3 Применение фосфогипсовых отходов

7. Комплексное использование нефелинового шлама

7.1 Нефелиновый шлам-сырье для производства портландцемента

7.2 Получение вяжущих веществ на основе нефелинового шлама

7.3 Изготовление керамзитобетона

7.4 Изготовление газобетона

7.5 Получение строительных растворов и бетонов

8. Отходы строительного комплекса

8.1 Применение стекольных и керамических отходов

8.2 Использование бетонолома

8.3 Применение пыли цементных заводов

8.4 Использование отходов ультраосновных пород

9. Применение вторичного полимерного сырья

9.1 Материалы на основе полимерных отходов

9.2 Строительные материалы с использованием изношенной резины

10. Прочие отходы

10.1 Использование вторичных отходов мусороперерабатывающих заводов в производстве строительных материалов

10.2 Отходы целлюлозно-бумажной промышленности

10.3 Карбонатные отходы сахарного производства

11. Безобжиговые стеновые материалы с использованием местного сырья

Список рекомендуемой литературы

Аннотация

УДК

ББК

Авт. знак

Рецензенты: Н.И. Грязнова, генеральный директор ОАО "Бурятгражданпроект", В.Г. Баранников, зам. министра строительства, архитектуры и ЖКХ РБ.

Авт. знак Щукина Е.Г., Беппле Р.Р., Архинчеева Н.В.

Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов: Учебное пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005. - с. 110

ISBN

В данном пособии рассмотрены сведения о составах и свойствах отходов топливно-энергетической, деревообрабатывающей, металлургической, строительной и других отраслей промышленности и их использование в производстве строительных материалов и изделий.

Учебное пособие позволит студентам более глубоко изучить свойства и применение строительных материалов с использованием минерального сырья и отходов промышленности.

Издание предназначено для студентов специальности 290600 "Производство строительных материалов, изделий и конструкций" очного и заочного отделений.

Печатается по решению ред.-изд. совета ВСГТУ.

Введение

При современном уровне и масштабах потребления природных сырьевых материалов значение фактора полноты использования и вовлечения в общественное производство вторичных материальных ресурсов имеет первостепенное значение. Роль этого фактора особенно велика при оценке экономической эффективности народного хозяйства в различных его отраслях, в том числе отходов производств, сельского хозяйства и некондиционных природных полезных ископаемых.

Комплексное использование сырья и отходов важно еще и потому, что оно связано с решением проблемы создания безотходных и экологически чистых промышленных технологий. Разработка и освоение безотходных технологий имеют важное значение для предприятий химической, горно-химической, микробиологической, металлургической, угольной, строительной и других ресурсоемких отраслей промышленности.

Большая часть их проходит стадии добычи и обогащения, в результате которых образуются значительные объемы различных отходов (вскрышные породы, отходы обогащения и переработки, пылегазовые выбросы и др.). В качестве примера идентичности использования различных по свойствам сырья и отходов можно привести тот факт, что вскрышные породы, образующиеся при добыче горно-химического сырья, каменных, бурых углей и ряда руд черных металлов, могут найти широкое применение для производства различных строительных и вяжущих материалов. Технические гидролизные лигнины и некоторые виды угольных отходов могут использоваться в качестве топлива, углеродистых восстановителей для ряда металлургических производств, в качестве адсорбентов для очистки сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и др.

Предотвращение загрязнения окружающей среды - одна из важнейших проблем современности. Практика показывает, что наиболее широко и эффективно попутные продукты промышленности могут быть применены в производстве строительных материалов.

Проблема утилизации отходов остро стоит во всем мире. Непрерывно растущий объем строительства в Бурятии вызывает необходимость изыскания новых источников сырья для производства строительных материалов и изделий.

Защита окружающей среды от загрязнений промышленными отходами является наиболее актуальной проблемой современности, решению которой с каждым годом уделяется все большее внимание не только в нашей стране, но и за рубежом.

Доля использованного вторичного сырья в производстве строительных материалов незначительна. Медленное освоение отходов обусловлено недостаточным исследованием как самого сырья, так и физико-химических процессов, протекающих в составах керамических масс при термической обработке. Решать эту проблему необходимо на региональном уровне, создавая рынки природного и техногенного сырья. Кроме того, существуют разведанные, но не используемые месторождения как рудного, так и нерудного сырья.

1. Классификация промышленных отходов

В настоящее время приняты четыре основных классификации промышленных отходов: химическая, отраслевая, по коэффициенту насыщения и по агрегатному состоянию.

Химическая (в основу положен химический принцип).

Кремнистые отходы (содержание свободного SiO₂50 %)

Силикатные (Са, MgS)

Карбонатные (CaCО₃, MgCО₃)

Сульфатные (CaSО₄, 2H₂O)

Хлорсодержащие (MgCl₂)

Фторсодержащие

Смешанные минеральные

Органические

Водоорганоминеральные

Органоминеральные

Отраслевая

Химическая

Деревообрабатывающая

Металлургическая

Энергетическая

Строительный комплекс

Нефтеперерабатывающая.

По коэффициенту насыщения:

К_нас=(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃).

Коэффициент насыщения прогнозирует вяжущие свойства, если К_н=0 - отходы ультракислыe, К_н=0-0,8 - кислые, К_н=0,8-1,2 - нейтральные; К_н=1,2-3 - основные, при К_н3 ультраосновные.

Ультракислые и кислые отходы вяжущими свойствами не обладают, к ним относятся отходы с преобладанием SiO_2; нейтральные обладают скрытыми вяжущими свойствами к ним относятся доменные шлаки, вяжущие свойства проявляются в автоклавах; к основным относится нефелиновый шлам, к ультраосновным - известь, карбидный ил.

П.И Боженовым была предложена классификация по агрегатному состоянию (см. табл.1)

Таблица 1. Классификация техногенного сырья по агрегатному состоянию в момент выделения их из основного технологического процесса

Класс	Основные продукты	Попутные продукты	Агрегатное состояние	Характеристика
А	Продукты, не утратившие природных свойств	Карьерные остатки при добыче горных пород Остатки после обогащения на полезное ископаемое	Твердое Жидкое Твердое	Крупный камень, щебень, пески, порошки. Растворы, суспензии, шламы, грязи. Крупный камень, щебень, пески, порошки.
Б	Искусственные продукты, полученные в результате глубоких.	Образовавшиеся при обработке ниже температуры спекания	Газообразное	Газы, смесь газов, водяной пар, паро-газовая смесь
			Жидкое	Растворы, суспензии, шламы, грязи
	физико-химических процессов		Твердое	Крупный камень, щебень, пески-ос-татки после выщелачивания, сепарации и отмучивания. Порошки - осажденная пыль, продукты самопроизвольного рассыпания крупных кусков.
		Образовавшийся при температурах, вызвавших полное или частичное расплавление	Газообразное	Газы, смесь газов, водяной пар
			Жидкое	Растворы, смесь газов, водяной пар, парогазовая смесь
			Твердое	Крупный камень, щебень, пески, порошки, измельченная осажденная пыль
		Образовавшиеся осаждением из растворов	Жидкое	Растворы, шламы, грязи, суспензии
			Твердое	Крупный камень, щебень, порошки, измельченная осажденная пыль
В	Продукты, образовавшиеся в результате длительного хранения в отвалах	-	Газообразное	Газы, смесь газов, водяной пар
			Жидкое	Растворы, эмульсии, суспензии
			Твердое	Щебень, пески, порошки

ВНИИстромом имени П.П. Будникова совместно с ВЗИС усовершенствована и дополнена классификация основных видов отходов, использование которых возможно и целесообразно в производстве строительных материалов. В основу этой классификации были положены следующие принципы: отрасль промышленности или вид производства, где образуются отходы; источник образования отходов; назначение использования отходов; материалоемкость производства; топливоемкость и электроемкость изготавливаемой продукции; характеризуются показатели замены данных традиционных сырьевых ресурсов отходами при производстве.

Основные параметры, характеризующие любой промышленный отход, это: химико-минералогический состав, агрегатное состояние и объем образования. Для выбора направления использования каждый вид промышленного отхода должен пройти несколько уровней оценки по различным критериям с учетом основных параметров.

Первый уровень - оценка по токсичности. Токсичность отхода оценивается путем сравнения состава с ПДК канцерогенных (токсичных) веществ и элементов. При этом возможно три варианта:

отход содержит значительное количество токсичных веществ, концентрация которых превышает ПДК;

отход с небольшим количеством тяжелых металлов;

отход не содержит вредных веществ.

В первом случае отход без специальных мер очистки не может быть использован при производстве строительных материалов и должен быть направлен на захоронение. При наличии в составе отхода примесей тяжелых металлов можно рекомендовать использовать его в обжиговых технологиях, при условии образования в массе, достаточного для концентрации (капсулирования) тяжелых металлов расплава. В случае отсутствия токсичных элементов, рассматриваемый отход рекомендуется ко второму уровню оценки.

Второй уровень - оценка по химико-минералогическому составу. Химико-минералогический состав является определяющим фактором выбора направления использования. Для объективной оценки необходимо определить: органическую и минеральную часть; вид органики (масла, смолы, битумы, дегти, растительные остатки и т.п.); в минеральной части кроме содержания основных оксидов (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, CaO, MgO, Na₂O, K₂O) необходимо знать элементарный состав с целью выявления редкоземельных металлов, а также наличие и количество аморфных компонентов.

По соотношению между органической и минеральной частью, с ориентацией на использование в строительных материалах, все отходы, как это принято, следует подразделять на три группы: органические, органоминеральные и минеральные.

Введение в качестве критерия содержание аморфных компонентов позволяет минеральные отходы разделить также на три группы: активные (в случае преобладания аморфных фаз), инертно-активные (при незначительном содержании аморфных фаз), а также оставшиеся следует отнести к инертным (при отсутствии аморфных компонентов).

Первый и второй уровни оценки следует считать подготовительными, раскрывающими основную специфику анализируемого отхода. Конкретные рекомендации по применению в строительных материалах можно получить на следующих уровнях оценки.

Третий уровень - выбор из числа отходов готовых строительных материалов или их компонентов. В некоторых случаях отход по химико-минералогическому составу является готовым строительным материалом. При этом, в первую очередь, обращают внимание на его активность. Поэтому анализируемый отход, попавший в группу "активный" или "инертно- активный", можно рекомендовать в качестве активной минеральной добавки в составы пуццоланового портландцемента и смешанных вяжущих.

Оценочным критерием всех остальных групп является минеральный состав традиционных материалов. Химико-минералогический состав в этом случае сопоставляется с составом традиционных строительных материалов из соответствующей группы по количеству преобладающих минералов. На данном этапе оценки возможно два варианта: в случае совпадения сравниваемых параметров отход оценивается как готовый строительный материал, в противном случае отход рекомендуется для дальнейшей оценки.

Четвертый уровень - выбор из числа отходов готовых сырьевых смесей (шихт) для производства строительных материалов. Отдельные виды отходов такие как гранитные отсевы для производства кирпича могут стать готовым сырьем (сырьевой смесью) или основным сырьем для производства строительных материалов. Чтобы выделить такие отходы, химический состав отхода сопоставляется с химическим составом сырьевых смесей для производства строительных материалов.

Если анализируемый отход по химико-минералогическому составу не соответствует известным строительным материалам, его следует рассматривать как компонент сырьевых смесей, а выпуск строительных материалов на основе его возможен только при работе на искусственных, в достаточной степени гомогенизированных, шихтах.

Пятый уровень - оценка по агрегатному состоянию. Условия образования отходов сказываются на их агрегатном состоянии. По агрегатному состоянию выделяют: твердые - сыпучие (кусковые, порошковые дисперсные и высокодисперсные), волокнистые, жидкие - эмульсии, сточные воды; пастообразные - шламы, осадки, концентрированные эмульсии.

Шламы могут быть получены двумя способами: коллоидно-химическим осаждением из растворов (сточных вод) - так называемые истинные шламы, и механической смесью тонкодисперсных частиц с водой.

Агрегатное состояние можно учитывать при выборе технологии производства строительного материала. Так, высокопластичные свойства истинных шламов должны быть использованы для получения технологических свойств строительных материалов, а значительное их водосодержание - для получения гомогенных масс, например, по технологии фильтрпрессовании.

Шестой уровень - оценка по объему образования. По объему образования все отходы можно разделить на многотоннажные и малотоннажные. Объем образования определяет функциональное назначение его: многотоннажным отходам отводится роль основного сырья, а малотоннажным - роль корректирующих добавок.

После такой многоуровневой оценки отход приобретает определенный статус, обычно перед использованием в стройиндустрии, требуется первичная переработка, которую следует осуществлять на месте образования отхода. В качестве основополагающей технологии подготовки следует считать интенсивную раздельную технологию, предложенную академиком В.И. Соломатовым и получившую развитие в работах его учебников и последователей. Она предполагает разделение процесса подготовки на самостоятельные блоки, одним из которых является блок приготовления добавок и смесей.

Доминирующая роль принципа раздельности непосредственно вытекает из полиструктурной теории композиционных строительных материалов. В соответствии с этой теорией все строительные композиты представляются полиструктурными, то есть составленными из большого числа структур как на атомно-молекулярном уровне, так и во всем объеме изделия. Для оптимизации формирования каждого уровня структур рекомендуется определенный комплекс технологических переделов. Такой подход детально проработан применительно к золам.

Качество строительных материалов на основе промышленных отходов также должно определяться показателями однородности. Обычно показатели неоднородности состава отходов выше неоднородности природного полиминерального сырья (глин, трепелов).

Следовательно, применение отходов в технологии должна предшествовать предварительная подготовка, направленная, преимущественно, на усреднение и гомогенизацию до уровня минерального сырья. Начать такое сложное и трудоемкое дело можно только совместными усилиями ученых с экологической службой, комитетом по охране окружающей среды, руководителями предприятий, где используются отходы, бизнесменами, при поддержке спонсоров и рекламных информационных служб.

Техногенное сырье часто бывает сильно обводнено (например, золы гидроудаления, фосфогипсовые шламы, нефелиновые шламы содержат до 60 % воды), что требует дополнительной обработки перед их непосредственным использованием.

Что необходимо сделать, чтобы широко использовать отходы производства:

- дать оценку возможности промышленного использования;

- должна быть проведена детальная разведка или исследование промышленных отвалов;

- должно быть произведено усреднение состава;

- необходимо провести специальные технологические разработки с целью освоения этих отвалов.

Рациональное использование природных богатств - одна из важнейших задач современной науки и техники. Хотя общие запасы минерального сырья неисчерпаемы, все же месторождения с высоким содержанием полезного ископаемого в доступных к настоящему времени глубинах земной коры истощаются, и будут встречаться все реже. Производства, потребляющие "бедное" (т.е. содержащее менее 10 % полезного ископаемого) сырье или требующие сложного технологического процесса и многокомпонентной смеси, характерны наличием большого количества побочных продуктов-"отходов производства". Даже при переработке богатых руд большие объемы производств приводят к образованию отвалов, что порождает проблему использования отходов (доменные шлаки, золы и шлаки твердого топлива, фосфогипс и т.д.)

Предлагается система критериев, которая включает многостороннюю оценку техногенных материалов и предусматривает их комплексное использование для получения вяжущих веществ. Традиционные сырьевые материалы характеризуются, как правило, узкой направленностью применения. Сложный химико-минералогический состав большинства промышленных отходов предопределяет их универсальность. Предлагаемый подход предназначен для оценки многотоннажных твердых техногенных материалов минерального происхождения. Новый подход предусматривает определенную последовательность тестирования, несколько уровней оценки отходов по различным критериям.

1-й уровень-химический состав. Полная информация о содержании основных оксидов, элементов, потерях при прокаливании имеет первостепенную важность при оценке материалов и определяет характер последующих действий.

2-й уровень-экологические характеристики. Критерием экологической чистоты служат данные о концентрации тяжелых металлов, токсичных веществ и значении удельной эффективной активности естественных радионуклидов при невысоком содержании тяжелых металлов допускается использование отходов в обжиговых технологиях при условии образования в массе достаточного для консервации расплава. Экологически опасные отходы без предварительной очистки не могут быть использованы и направляются на захоронение.

3-й уровень-минеральный состав. Техногенные материалы существенно отличаются от традиционного сырья вещественным составом, структурой исходных минералов. Это объясняют тем, что глубина карьеров по добыче сырья для стройиндустрии (20-50м) не столь значительно изменялась за последние 50 лет по сравнению с глубиной рудных месторождений, где она достигает 350-500 м.

4-й уровень-реакционная способность. Функциональная особенность вяжущих веществ проявляется при формировании технического камня в ходе физико-химических процессов. Химическая активность по отношению к затворителю зависит от состава вяжущих веществ, который обеспечивается при обжиге сырья или за счет смешивания различных компонентов.

Для ряда техногенных материалов тепловая обработка обеспечивает проявление вяжущих свойств. Это способны подтвердить исследования гидратационной активности термообработанных отходов.

Для смешанных вяжущих критерием реакционной способности является гидратационная активность техногенного компонента. Реакционная способность фактически предопределяет возможные пути использования техногенного сырья.

5-й уровень - физико-механические свойства. Изучение размолоспособности, пластичности, водопотребности и других характеристик отходов позволит оценить степень их подготовленности к участию в технологических процессах, уточнить способы и параметры обработки техногенного сырья.

6-й уровень - технико-экономические показатели.

Анализ результатов комплексного исследования отходов позволит выделить рациональные направления утилизации. Современное развитие научно-технического прогресса позволяет уже сейчас использовать значительную часть отходов производства большинства отраслей промышленности, превращая их в ценное сырье. В производстве строительных материалов и в строительстве применяются различного рода шлаки, золы, горные породы, отходы в виде боя, лома, обрези и т.д. Наличие этих видов отходов свидетельствует о несовершенстве технологического процесса, отсутствие комплексности производства. С развитием строительного производства эти недостатки устраняются, постепенно должно исчезнуть понятие "отходы", сами отходы превращаются в попутные или даже основную комплексно производимую продукцию данного предприятия.

В настоящее время ежегодно в России образуется более 100 млн. т. золошлаковых отходов от сжигания твердого топлива, свыше 70 млн. т. доменных, конверторных и электроплавильных шлаков, миллионы тонн вскрышных пород предприятий по добыче руд черных и цветных металлов, химического сырья и топлива, накапливаются хвосты обогащения основного полезного ископаемого. Объемы отходов угледобычи и углеобогащения превышают 2 млрд. т. в год. В промышленности используются меньше половины этих отходов, остальная часть складируется в отвалах, занимая пахотные земли площадью около 1 млрд. га, что приводит к физическому, химическому загрязнению окружающей среды, воздействуя на земную кору и меняя ландшафты. Вместе с тем эти отходы представляют собой минеральное сырье, которое может использоваться для изготовления строительных материалов и изделий различного назначения, заменяет дорогостоящее дефицитное традиционное сырье.

Из более трех сотен естественных радионуклеидов (ЕРН), содержащихся в строительных материалах, изделиях и конструкциях, наиболее существенное значение имеют радионуклеиды урана и тория, а также калий. Их поглощенная доза гамма-излучения из всех земных источников излучения составляют 25, 40, 35 % соответственно. В России показателем оценки и нормирования радиационных параметров минерального сырья и строительных материалов является удельная А_уд и эффективная А_эфф активность естественных радионуклидов, в зависимости от значения которой все строительные материалы и изделия делятся на четыре класса:

класс 1, до 370 Бк/ кг-все виды строительства;

класс 2, 370-740 Бк/ кг - дорожное строительство в пределах населенных зон и строительство производственных сооружений;

класс 3, 740-1350 Бк/кг - дорожное строительство вне населенных пунктов;

класс 4, свыше 1350 Бк/кг - вопрос об использовании материалов решается по согласованию с Госкомсанэпиднадзором.

Наибольшую А_эфф имеют золы, шлаки ТЭЦ и ГРЭС; глинистое сырье и керамические материалы (керамзит, кирпич, керамическая плитка), однако, их значение не превышает А_эфф материалов, применяемых во всех видах строительства согласно ГОСТ 30108-94 "Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклеидов". На основании анализа статистических показателей А_эфф зол и шлаков ТЭЦ и ГРЭС разных краев и областей можно отметить достаточно низкую удельную активность естественных радионуклеидов зол, шлаков и золошлаковой смеси, получаемых при сжигании бурых углей КАТЭКа. Следует отметить, что среднее значение А_эфф керамических материалов: керамической плитки (170Бк/кг), кирпича (171 Бк/кг), керамзита (168 Бк/кг)-находится в области допустимых значений, но выше, чем сырья - глин и суглинков (159 Бк/кг). Это обусловлено обогащением материалов естественными радионуклеидами в процессе обжига. По сравнению с зарубежными, радиационные параметры отечественной керамической плитки значительны. Обратная закономерность наблюдается у минеральных вяжущих веществ: величина А_эффцемента (101Бк/кг), строительного раствора (79,9Бк/кг), силикатного кирпича (59,7Бк/кг) значительно ниже, чем карбонатного сырья, песка и щебня (131 Бк/кг). Широкий диапазон разброса активности ЕРН свидетельствует о возможности управления таким параметром качества, как радиоактивность строительных материалов и изделий путем нормирования содержания сырья в материалах, использования сырья с низким содержанием радионуклеидов и ограничения количества применяемого строительного материала с повышенной радиоактивностью.

1.1 Источники образования промышленных отходов

При производстве строительных материалов используются отходы следующих производств:

1. Отходы угледобывающей промышленности и тепловой энергетики (горелые шахтные породы, отходы угледобывающих фабрик, золы и шлаки ТЭЦ);

2. Отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности (отходы пиления и обработки древесины);

3. Отходы биохимической промышленности (гидролизный лигнин);

4. Отходы переработки рудных пород (отходы флотации (обогащения руд));

5. Отходы химической промышленности (отходы заводов синтетических моющих средств, отходы нефтеперегонного завода, отходы производства целлюлозы, отходы мыловаренных заводов);

6. Отходы промышленности строительных материалов (отходы керамической промышленности, отходы производства цемента, отходы производства асбестоцементных материалов, отходы дробильно-сортировочных предприятий, отходы производства силикатных изделий, отходы стекольных заводов и т.д.);

7. Отходы металлургической промышленности (отходы сталеплавильной промышленности, черной металлургии);

8. Отходы городского хозяйства (отходы автомобильного транспорта, отходы от ремонта дорог);

9. Отходы фарфорового производства;

10. Отходы полимерных материалов;

11. Отходы текстильных материалов;

12. Прочие виды отходов.

1.2 Эффективность использования отходов

Целесообразность применения отходов продиктована двумя основными факторами: необходимостью улучшения экологической обстановки; разработкой ресурсо- и энергосберегающих технологий, снижением себестоимости продукции.

В настоящее время при значительных объемах техногенных скоплений уровень их полезной утилизации невысокий. Развитие материального производства при современных масштабах сопровождается увеличением объемов различных отходов. Удаление их требует затрат, достигающих иногда 8-10 % стоимости производимой основной продукции.

В современных условиях особое значение для эффективного развития народного хозяйства имеет проблема более широкого вовлечения в производство образующихся отходов, что позволяет расширить сырьевую базу и снизить загрязнение окружающей среды.

Достаточно эффективно и в значительных объемах образующиеся отходы могут потреблять такие отрасли, как строительство и промышленность строительных материалов. В настоящее время на основе отходов различных отраслей, предприятия строительных материалов выпускают изделия и материалы должного качества, причем с меньшими затратами на производство, чем при использовании первичного сырья, так как исключаются расходы на добычу, транспортирование, обработку сырья. В современных условиях одной из важнейших задач является широкое использование вторичных сырьевых материалов. Промышленностью строительных материалов накоплен положительный опыт использования отходов, как сырья для производства эффективных строительных материалов, не уступающих по качеству изделиям, полученным при использовании первичного сырья.

Большие масштабы производства, разнообразие конструктивных типов зданий и сооружений требуют, чтобы сырье для производства строительных материалов было массовым, относительно дешевым и пригодным для изготовления изделий широкой номенклатуры. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают многие виды отходов различных отраслей. Поэтому в настоящее время особенно актуальной становится задача использования многих видов отходов, так как их применение снижает себестоимость строительной продукции, приводит к экономии капитальных вложений, материальных и трудовых затрат, способствует интенсификации строительного производства, охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. Предприятиями промышленности строительных материалов добывается и перерабатывается в настоящее время более 2 млрд. м ² сырья. Ежегодное потребление топлива превышает 70 млн. тонн, электроэнергии - 50 млрд. кВт *ч.

Взаимосвязь между промышленностью строительных материалов и конечным потребителем ее продукции - строительством, требует оценки эффективности капитальных вложений посредством сопоставления их со снижением себестоимости, исчисленной по конечной продукции, то есть по смонтированным конструкциям с учетом затрат на эксплуатацию зданий и сооружений. Такая оценка взаимозаменяемых строительных материалов из отходов и первичного сырья выполняется по комплексным, текущим и капитальным затратам на производство, транспортирование и применение материалов в строительстве на ту единицу измерения, которая наилучшим образом отражает конечное потребительское назначение данной продукции (квадратный метр стен, полов, внутренних перегородок). При оценке эффективности использования вторичного сырья и отходов промышленности учитывается снижение ущерба от загрязнения окружающей среды. Такая оценка должна быть комплексной, то есть учитывать как фактор предотвращения ущерба от воздействия отходов на окружающую среду, так и экономию от замены традиционных материалов изделиями, базирующимися на вторичном сырье.

Использование отходов тепловых электростанций (топливных зол и шлаков) следует считать частью общей проблемы сохранения и очистки от загрязнения окружающей среды.

Загрязнение окружающей среды- воздуха, воды и почвы - одна из важнейших проблем современности, касающаяся практически всех стран, и, в особенности высокоразвитых.

2. Комплексное использование местных вулканических пород, отходов горно-обогатительных фабрик и вскрышных пород

Распространение наиболее важных минералов в земной коре по данным П.И. Белянкина приводится (в %) ниже:

Полевые шпаты 55

Орто- и метасиликаты 15

Кварц 12

Слюда 3

Магнетит и др. окислы железа 3

Глины 1,5

Кальцит 1,5

Доломит 1,0

Апатит и др. фосфаты 0,7

Пирит и др. сульфиды 0,3

Галит и др. хлориды 0,3

Флюорит и фториды 0,2.

Химический и минералогический состав земной коры, приведенный выше, вычислен, исходя из условной ее толщины в 16км. При такой толщине осадочные породы составят около 5 %, а на долю магматических пород придется 95 %. Для промышленных целей используются пока верхние слои земной коры (менее 3км), что существенно изменяет соотношение окислов и минералов за счет повышения доли осадочных горных пород. Тем не менее, можно отметить, что полевые шпаты и другие алюмосиликаты, а также магнийсодержащие минералы еще недостаточно освоены, особенно по сравнению с главнейшими минералами осадочных горных пород.

Рассмотрим в качестве примера комплексное использование перлитовых пород Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия.

2.1 Комплексное использование перлитов Мухор-Талинского месторождения республики Бурятия

Перлит - это разновидность вулканического водосодержащего стекла, изверженная горная порода темно-зеленого, темно-серого, иногда темно-красного цвета с режущим изломом.

Около 1 млн. 200 тыс. кубометров перлитов обнаружено на Мухор-Талинском месторождении в Бурятии.

В лаборатории Иркутскалюминьстроя уточнен химический состав забайкальских перлитов. В него входят: 68 % окиси кремния, 16 % окиси алюминия, 8,7 % щелочей, 6 % химически связанной воды, около 1 % окиси железа и доли процентов окислов магния и кальция. Перлиты содержат до 8 % химически связанной воды, обсидианы - до 1 %, благодаря наличию химически связанной воды перлитовые породы способны вспучиваться.

В лабораторных условиях сырой перлит, раздробленный на щебень, около четверти часа просушивается при температуре 300-350 ⁰С в муфельной печи. После этого его в течение 35-50 секунд обжигают во вращающейся печи при 1140-1170 ⁰С. После такой обработки получается очень легкий белый и серовато-белый материал, средняя плотность вспученного перлита 430-530 кг/м³, насыпная плотность щебня 250-270 кг/м³, перлитового песка 160-185 кг/м³. Заметим, что только при указанной температуре забайкальский перлит хорошо вспучивается при более высокой он плавится, при более низкой вспучивается плохо.

Исследованиями установлена возможность получения на базе вспученных перлитов следующих бетонов: конструкционного со средней плотностью 1500 кг/м³ и прочностью на сжатие более 15МПа; теплоизоляционно-конструкционного со средней плотностью до 500 кг/м³ и прочностью на сжатие менее 3,5 МПа, Кроме того, получены сверхлегкие перлитовые растворы для акустических, огнезащитных и теплоизоляционных штукатурок и для утепления кровли.

На основе стекловидного перлита получают портландцемент с активной минеральной добавкой до 20 %, пуццолановый портландцемент с содержанием активной минеральной добавки свыше 20 %, вяжущие низкой водопотребности, известково-перлитовые вяжущие, щелочные вяжущие как сырьевой компонент для получения портландцемента, а также для получения вспученного перлита и баротелита. Баротелит - легкий заполнитель, который получают в барокамерах при повышенном давлении и низких температурах, материал доводят до пиропластического состояния, затем давление сбрасывают до атмосферного и в результате резкого снижения давления происходит вспучивание. Баротелит позволяет получить легкие бетоны со средней плотностью 700-750 кг/м³, в отличие от вспученного перлита, на основе которого можно получить легкий бетон с плотностью 1000-1100 кг/м³. Стекловидный перлит является сырьем для производства пеностекла, стекловолокна, как добавка-плавень в керамические материалы.

На основе вспученного перлита получают обжиговые и безобжиговые теплоизоляционные материалы. К безобжиговым теплоизоляционным материалам относятся: битумоперлит, перлитоцементные, силикатоперлит, фенолоперлит, перлитофосфогелевые материалы, перлитопластбетон и др.; к обжиговым относятся перлитошамотные, керамоперлитные, перлитофосфатные, перлитовый легковес.

Сопутствующие перлитовые породы - это туфы, фельзиты, липариты, обсидианы, отличающиеся от перлитов не столько химическим составом, сколько степенью кристалличности или содержанием стекловидной фазы, так перлит содержит 70-98 % стеклофазы, фельзит 20-40 %, липариты 0-5 %. Из сопутствующих пород по щелочно-гидротермальной технологии получают канозит (промежуточный продукт для производства хрусталя), искусственные цеолиты, используемые в качестве наполнителя бумаги, лаков, красок, натриевое и калиевое жидкое стекло, метасиликат натрия, используемое как отбеливатель бумаги, в текстильной промышленности и, как затворитель щелочных вяжущих, Сопутствующие перлитовые породы могут использоваться как заполнители для получения легких бетонов, витразитовый гравий, щелочные вяжущие, минеральная вата и т.д.

2.2 Отходы горнодобывающей промышленности

В настоящее время все больше используются запасы с бедным содержанием полезных компонентов, вследствие чего возрастают затраты энергии на их добычу и переработку, увеличивается количество отходов и загрязнение окружающей среды. Современные экосистемы горнодобывающих, металлургических предприятий и топливно-энергетических комплексов очень опасны для жизни самого человека. Это связано с громадными масштабами выбросов газов и пыли в атмосферу; с формированием опасных стоков, ухудшающих состояние водных и почвенных ресурсов; с нарушением сбалансированного состояния экосистем; с коренным изменением исторически сложившихся ландшафтов с их биоценозами. Предотвращение возможной экологической катастрофы заключается, с одной стороны, в способе и количестве добываемой энергии, с другой - в комплексном подходе к рациональному использованию природных ресурсов, в добыче ископаемых, использовании всего объема добываемых руд, большая часть которых хранится в хвостохранилищах и в контурах месторождений уже отработанных по действующим кондициям.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

оценка запасов вторичного сырья, накопленного в результате добычи и переработки металлургических руд;

планирование комплексного использования рудного и нерудного сырья осваиваемых месторождений;

планирование полного использования вскрышных пород и продуктов сжигания каменных и бурых углей;

ранжирование сырья по степени вредного воздействия на человека.

Отходы обогащения асбестовых руд, в число которых входит часть сортового асбеста (6 и 7сорта), являются высококачественным сырьем. Ежегодное образование таких отходов достигает 1,5 млн.т. при этом создаются очаги экологического загрязнения. Изучалась возможность использования такого вида магнезиального сырья в производстве теплоизоляционных и конструктивных керамических материалов для тепловых агрегатов.

Наиболее высокотемпературным магнийсодержащим соединением в этой системе является форстерит Mg₂SiO₄ (t плавления 1890-1910⁰ С). Однако получение легковесных материалов на его основе при использовании асбеста однократным обжигом невозможно из-за большей усадки обжига (более 30 %). По данным исследований минимальной усадкой при обжиге в ряду магнезиальных алюмосиликатов обладает кордиерит Mg₂Al₄Si₅O₁₈.

В промышленности строительных материалов широко используются шамотные огнеупоры и теплоизоляция общего назначения с рабочей температурой не выше 1300⁰С, а температура плавления кордиерита составляет 1460 ⁰С.

В результате проведенных исследований получена теплоизоляция и конструкционная керамика полусухого прессования со следующими характеристиками: плотность 0,8-1,6 т/м³, прочность при сжатии 2,5-18 МПа, теплопроводность при 600 ⁰С 0,35-0,8 Вт/м град, рабочая температура 1300 ⁰С. Для шамотных изделий: плотность 0,8-2,2 т/м³, R_сж =2,5-12,5Мпа, теплопроводность 0,47-1,34 вт/м*град., рабочая температура 1250-1300 ⁰С эти новые материалы предлагается применять в качестве эффективного заменителя огнеупоров и теплоизоляции шамотной группы в обжиговых агрегатах керамических и других производств с рабочими температурами до 1300⁰С.

Вскрышные породы - как сырье для производства строительной керамики.

Кристаллические сланцы - плотная (2,69-2,73 г/см³, прочная R_сж=200 МПа порода, представленная разновидностями кварц-биотитовых сланцев, а высокоглиноземистая вскрышная порода каолинит-гидрослюдистого состава, низкопластичная (пластичность 6-7) состоит в основном из каолинита, гидрослюды и гематита.

Использование кристаллических сланцев в керамических смесях на основе легкоплавких глин приводит к уменьшению формовочной влажности смеси до 2-3,5 % и снижению усадки и чувствительности глины к сушке. Обжиг при t=950-1050⁰ показал, что изделие из разработанных составов имеют прочность на 45-50 % выше, чем исходные, и дают возможность получить кирпич с маркой 150-200.

Введение в керамические смеси кристаллических сланцев дает возможность производить керамические канализационные трубы.

Для производства керамических плиток на основе легкоплавких глин для повышения содержания в составе смеси Al₂O₃ расширения температурного интервала спекания и уменьшения деформации при обжиге вместо дефицитных компонентов (каолина, огнеупорной глины) вводят высокоглиноземистую вскрышную породу.

Используя такую добавку удалось получить фасадные керамические плитки при t=1050 ⁰С.

Экструзионный асбестоцемент с использованием отходов обогащения.

Горно-обогатительные комбинаты ежегодно сбрасывают в отвалы отходы обогащения железной руды, которые могут быть использованы в производстве экструзионного асбестоцемента.

В отходах содержится до 65 % кварца и недоизвлеченные рудные минералы магнетит и соединения железа.

Их вводили в асбестоцементную массу в количестве от 0-50 %. Физико-механические испытания после автоклавной обработки по режиму 2+8+2 час. при давлении 0,8 МПа, показали, что образцы, содержащие оптимальное количество отходов обогащения, имели прочность на 20 %выше, чем контрольные. Это является результатом активации кварца и других компонентов отходов при автоклавной обработке.

Рентгенофазовый анализ показал, что при введении этих добавок увеличивается и степень гидратации портландцемента. Продукты твердения представлены в основном низкоосновными гидросиликатами кальция типа CSH.

В повышении прочностных показателей имеет значение также и отсутствие среди новообразований гидросиликатов типа С ₂S, понижающих прочность вследствие пластинчатого строения.

Были изготовлены методом экструзии подоконные доски с использованием отходов обогащения с применением автоклавной обработки.

Использование известняковых пород, добываемых со сланцем.

Горючие сланцы - это ценное сырье, содержащее органические вещества, поэтому их можно использовать не только как топливо и материал для химической промышленности, но и как комплексное сырье, минеральная часть которого, может быть использована в строительстве.

Технологическая схема обогащения предусматривает: после предварительного отсева на колосниковых грохотах со щелью 300 мм горная масса крупностью 1000-1200 мм поступает в барабанную дробилку, где сланец и частично порода дробятся и направляются на перегрузочный пункт.

Порода - известняки - отходы - отмываются от магнетита и обезвоживается на резонансных грохотах. Прослойки известняков являются низкокарбонатным сырьем и в основном характеризуются содержанием окиси кальция 44,8-47,7 %.

В результате обогащения горной массы на обогатительной фабрике в известняках - отходах происходит увеличение содержания горючих веществ и летучих по сравнению с прослоями известняков.

Известняки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сырьевым материалам для цементной промышленности и могут быть использованы для приготовления портландцементной шихты.

Другим потребителем известняка может быть строительная промышленность, которая успешно использует известняковый щебень, пригодный в качестве сырья для тяжелых бетонов М 400. Фракции известняка 0-20мм могут использоваться в качестве сырья для производства строительной извести и заполнителя асфальтобетона.

При производстве щебня образуется большое количество высевок карбонатных пород, которые могут стать заменителем цемента при укреплении основания дорог.

Обожжённые высевки могут быть использованы в конструктивных слоях в качестве самостоятельного материала или в составе смесей с инертными каменными материалами, из фракции известняка 0-20 мм можно производить известняковую муку.

Применение карбидной извести и карбонатных отходов.

На содовых, целлюлозно-бумажных, азотно-туковых предприятиях скапливаются в виде отходов карбонаты кальция (СаСО₃).

Карбидная известь применяется для получения известково-кремнеземистых вяжущих и на их основе автоклавных материалов. В качестве кремнеземистых компонентов используются полевошпатовые пески, горелые шахтные породы, вскрышные породы, отвальные доменные шлаки и отходы обогащения руд.

Совместный помол карбидной извести с песком приводит к повышению активности смеси в 2-2,5 раза. Предел прочности при сжатии изделий на карбидной извести после запаривания достигает 25 МПа.

Автоклавные силикатные изделия, приготовленные с применением известьсодержащих промышленных отходов можно применять в конструкциях, соприкасающихся с минерализованными водами (после ТВО - нестойкие)

Одним из промышленных направлений использования этих ресурсов является получение известково-белитового вяжущего и силикатного кирпича марок 125-200 с морозостойкостью 25циклов на его основе и производство строительных растворов, плотных автоклавных бетонов марой 150-300, газобетонов плотностью 300-800 кг/м³ и керамзитобетонов марок 35-50. Отходы содового производства используются для получения наполнителя асфальтобетонных смесей, линолеума, поливинилхлоридной плитки и тампонажных материалов.

2.3 Комплексное использование доломитов

В Сибири имеется ряд крупных месторождений доломита, часть из них разрабатывается для нужд металлургической промышленности. На территории Бурятии имеется Билютинское месторождение доломитов в Заиграевском районе. Комплексное использование добываемого сырья возможно при условии обжига доломита при температуре 750-850 ^о С и получения при этом различных вяжущих веществ. Наиболее перспективным направлением является получение каустического доломита.

При использовании каустического доломита в смеси с опилками в отношении 1,3:1 (рекомендуемое соотношение вяжущее- опилки составляют 2:1 и 3:1 по объему) и при затворении раствором МgSО₄ получен высококачественный ксилолит, при средней плотности 1,48 г/см³, предел прочности при изгибе составил 2,58 МПа, предел прочности при сжатии 4,65 МПа.

Доломитовая известь в лабораторных условиях была получена обжигом при температуре 900 ⁰С. Средняя плотность кусков обожженного материала составляла 1,6-1,7 г/см³, температура гашения полученной доломитовой извести 48-50 ⁰С. Активность извести 80-86 %. Время гашения извести составило 4 мин.

С использованием такой доломитовой извести был получен силикатный кирпич М 150, прочность сырца составляла 0,6 МПа. При корректировке сырьевой смеси другими добавками совместно с доломитовой известью получен силикатный кирпич М 200 с прочностью сырца 1 МПа.

При применении доломитовой извести в качестве компонента смешанного известково-цементного вяжущего получен автоклавный газобетон со средней плотностью 700 кг/м³ и прочностью при сжатии 5-6 МПа.

Перспективным является использование магнезиальных вяжущих, полученных из доломитового сырья - каустического доломита или доломитовой извести в производстве сухих строительных смесей.

Сухие строительные смеси изготовлялись на основе комбинированных вяжущих, представляющих собой смеси магнезиального компонента и строительного гипса, а также магнезиального компонента и портандцемента. В качестве магнезиального компонента использовался каустический доломит, полученный обжигом при 780 ⁰С, содержащий 28 % МgО; 1,5 % СаО и 70,5 % СаСО₃.

Гипсодоломитовые смеси затворялись как водой, так и раствором сульфата магния. Образцы-кубы с размером ребра 2 см твердели в течение 28 суток в воздушно-сухих условиях. Предел прочности при сжатии возрастал при увеличении содержания каустического доломита в смеси. Для смеси, содержащей 70 % каустического доломита при затворении 10%-ным раствором сульфата магния, предел прочности при сжатии составил 37,5 МПа.

2.4 Использование вулканических шлаков

Вулканические шлаки - сыпучие и обломочные породы пористой ноздреватой структуры из вулканического стекла основного либо среднего состава с примесью других продуктов вулканических извержений. На территории Бурятии имеются Хурай-Цакирское (Закаменский район) и Тункинское месторождение вулканических шлаков. На шлак похожа пемза, отличающаяся от него химическими свойствами, но пемза легче и светлее шлака. Цвет шлака так же, как и пемзы, и туфа определяется его химическим составом: если преобладает оксид железа над его закисью, то цвет породы красный, если наоборот, то черный. В черных породах может быть одинаковое количество оксида и закиси железа.

Вулканические шлаки природного состава характеризуются наличием гранул различной величины, от пылевидных составляющих (размером менее 0,14мм) до крупных обломков - так называемых шлаковых бомб, объемом до 1-2м.

Материал тем эффективнее, чем больше его прочность при сжатии и меньше плотность, соотношение между ними наглядно иллюстрирует коэффициент легкости К:

К=R/p.

где R - прочность при сжатии, кгс/см², р-средняя плотность, кг/м³.

Исследования показали, что молотый вулканический шлак придает мелкозернистому шлакобетону жаростойкие свойства (до 800 ⁰С).

Коэффициент размягчения Хурай-Цакирских шлаков достаточно высок и колеблется в пределах 0,75-0,810,75, что позволяет использовать их как в теплоизоляционных, так и в конструкционно-теплоизоляционных бетонах.

...