Техногенные продукты как сырье для производства строительных материалов

метки: Промышленность, Отход, Свойство, Использование, Материал, Таблица, Гранулированный, Химический

Условия существования и развития жизни на земле определяются экологическими факторами, то есть элементами среды, значительно влияющими на организмы. В настоящее время мировым сообществом в полной мере осознается масштаб угрозы экологического загрязнения земли и атмосферы техногенными отходами. Выход золошлаковых отходов и отходов угледобычи в год составляет примерно 1 млрд. т. Накапливаясь в районах функционирования предприятий, техногенные материалы существенно осложняют экологическую ситуацию в регионах. Создается опасность для здоровья населения, потерь вторичных ресурсов. [ 1 ]

Техногенные месторождения – это скопления минеральных веществ на поверхности земли или в горных выработках, представляющие собой отходы горного, обогатительного, металлургического и других производств и пригодные по количеству и качеству для промышленного использования, которое становится возможным по мере развития технологии его переработки и изменения экономических условий [ 2 ].

Общая масса накопленных промышленных отходов составляет около 30 млрд. т. Отвалы, терриконы, и шламонакопители размещёны на площади 160 -180 тыс. га, которая увеличивается со скоростью 3 — 6 тыс. га/год. Низкий объём переработки отходов (10 — 15 %) обуславливает рост техногенного загрязнения всех компонентов ОПС. Проблема отходов имеет ряд серьезных экологических и экономических аспектов и требует принятия неотложных мер по её решению. Одним из перспективных и эффективных путей ее решения является использование промышленных отходов для создания новых технических материалов. Из общего количества ежегодно образующихся промышленных отходов к повторному использованию пригодно около 120 -150 млн. т. В настоящее время используется только около 30 % этого количества [ 3 ].

1. Актуальность темы

Использование доломитовой пыли в качестве компонента вяжущего позволяет утилизировать накопленные в отвалах шлаки, являющиеся техногенными полезными ископаемыми, сэкономить природные и энергетические ресурсы, улучшить экологическую обстановку и существенно расширить сырьевую базу производства строительных материалов. Изготовление строительных материалов из доломитовой пыли будет более дешевым по сравнению с применением традиционных материалов.

В связи с этим, актуальное значение приобретает проблема осуществления мер, направленных на комплексное использование минеральных ресурсов.

2. Цели, задачи исследования и планируемая новизна

Целью данной работы является использование техногенных побочных продуктов промышленности в качестве сырья для производства строительных материалов.

Стекло как строительный материал, использование стеклянных конструкций ...

... использованию в светопрозрачных строительных конструкциях, жилых и производственных зданиях, мебели. Оно также служит материалом для сборки безопасных стекол, ... поставщика высококачественного строительного и полированного стекла, автостекла и зеркал, стекла для промышленного оборудования и внутреннего ... ч. такие традиционно стекольные страны, как Англия, Германия, Словакия, Франция, Чехия, ...

Для достижения цели решаются следующие задачи :

1. Анализ возможности использования доломитовой пыли, гранулированного доменного шлака и других техногенных отходов в качестве основы для производства строительных материалов.
2. Разработка технологии производства строительных материалов из побочных техногенных отходов.
3. Изготовление образцов строительных материалов.
4. Исследование прочностных и других свойств.

Планируемая научная новизна : разработанная технология использования доломитовой пыли и гранулированного доменного шлака в качестве сырья для производства строительных материалов, а также методика проведения исследования свойств полученных образцов.

Использование техногенного сырья позволит получить практический эффект :

1. Изготовлять дешевые строительные материалы.
2. Повысить производительность труда, за счет рентабельной переработки раннее добытого сырья, которое является готовым полупродуктом и находящегося рядом с действующими предприятиями.
3. Освободить занимаемые участки земли, рекультивировать их и ликвидировать источники загрязнения окружающей среды, улучшая тем самым экологическую обстановку вокруг действующих предприятий.

Методы исследований : изготовление образцов и исследование их свойств на реальном оборудовании кафедры.

Результаты отдельных этапов работы были доложены на научной конференции и опубликованы в сборнике.

3. Основные характеристики исходных техногенных материалов

Доломит — это уникальный минерал, который относится к группе карбонатов. Доломит в строительстве применяется весьма широко, поскольку этот материал достаточно крепок. Этот минерал применяют в строительстве вместо менее прочного известняка или же вместе с известняком для строительства малоэтажных зданий. Это кристаллическое соединение белого или желтого цвета использовалось раньше для производства гипсовых смесей, цемента, резины и стекла.

Доломитовая пыль — это отход металлургической промышленности, получаемый при обжиге доломита в вагранках. Свежая доломитовая пыль состоит в основном из СаО и МgO, которые при хранении постепенно переходят в СаСO3 и МgСO3. По нейтрализующей способности 1 т доломитовой пыли соответствует 1,5 т СаСO3 [ 4 ].

Химический и гранулометрический составы доломита и доломитной пыли представлены в таблице 1 и 2 [ 5 ].

Таблица 1 — Химический состав сырого доломита и доломитовой пыли

Вид сырья	CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	П.П.П.
Доломитовая пыль	12,14%	24,66%	12,00%	10,00%	12,00%	29,17%
Сырой доломит	29,83%	20,53%	2,15%	0,52%	0,60%	45,95%

Таблица 2 — Гранулометрический состав доломитовой пыли

Остаток на сите	0,315	0,071	-0,071
Массовая доля,%	3,15	31,5	65

Таблица 3 — Гранулометрический состав доломитового отсева [ 5 ]

Размер сита,мм	Остаток на сите,%
10,0	2,2
5,0	40,0
3,0	45,0
1,0	66,0
0,63	67,0
менее 0,63	33,0

В процессе измельчения сырого доломита до нужных фракций ежегодно образовывалось порядка 250000 – 260000 тонн, а отходов в виде доломитовой пыли 10000 – 12000 т/год, результаты предоставил ОАО «Докучаевский флюсо — доломитный комбинат» [ 5 ]. При обжиге доломита во вращающихся печах основным видом отходов является пыль. Часть пыли из печи в виде полуобоженного доломита с крупностью 0-1 мм уносится с отходящими дымовыми газами и продуктами декарбонизации доломита и улавливается на двухступенчатой очистке отходящих газов камерах осаждения, циклонах и электрофильтрах. Уловленная на газоочистных установках пыль системой винтовых конвейеров и камерными насосами транспортируется в отгрузочные бункеры или отвалы.Доломитовый отсев имеет все преимущества доломитового щебня, отличающие его от других минеральных наполнителей, но при этом он намного дешевле щебня или крошки.

Доломитовая пыль не требует размола, однако при высеве сеялкой необходимо отсеивать крупные и твердые частицы. Объемов его добычи на сегодняшний день вполне хватает для полного удовлетворения потребностей государства [ 6 ].

Шлак — побочный продукт или отход от производства металла, после очистки от остатков ценных компонентов отправляемый в отвал. Однако в некоторых случаях основным продуктом плавки, содержащим наиболее ценный компонент сырья, является именно шлак (титановые шлаки, получаемые при плавке ильменитовых концентратов; ванадиевые шлаки, образующиеся при конвертировании ванадийсодержащего чугуна).

Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, используемого топлива, условий охлаждения шлакового расплава [ 7 ].

Таблица 4 — Химический состав шлака

CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MnO	SO3	П.П.П.
38,0%	7,2%	36,4%	15,0%	1,8%	0,7%	1,0%	0,12%

Высокое содержание MnО в составе шлака является неблагоприяным, т.к. в этом случае происходит частичное замещение CaO в активных минералах и образование менее активных минералов. При содержании MnО в шлаке более 3 — 4% снижается его гидравлическая активность, ухудшаются свойства и структура шлакового стекла.

Микроструктура шлаков влияет на важнейшие свойства изготавливаемого из них строительного материала – механическую прочность, химическую стойкость и долговечность.

Пористость шлака имеет неоднородное значение по его массе. Так, пористость различных фракций быстроохлажденного шлака не совпадает и изменяется в интервале от 15 до 80% [ 8 ].

Одной из особенностей шлакового заполнителя является увеличение пористости зерен по мере увеличения их размера. Высокая пористость доменных шлаков, прежде всего, вызвана их дегазацией при охлаждении шлакового расплава. Т.к. процесс газообразования не является регулируемым, влиять на степень пористости гранулированного шлака можно с помощью таких величин как вязкость шлаков, температура, а также скорость охлаждения шлакового расплава.

Водопотребность гранулированного доменного шлака, ввиду его высокой пористости и пустотности, выше водопотребности природного песка и может достигать 30%. Также возможно уменьшить водопотребность доменного шлака путем его частичного или полного измельчения [ 9 ].

Гранулированный шлак получают в результате быстрого охлаждения жидкого шлака при помощи воды и воздуха в специальных установках. При охлаждении воздухом шлак содержит большое количество алюмосиликатных минералов. При получении расплавленного шлака, его температура может достигать 1480 °С. В зависимости от способа получения шлак может иметь различные свойства. Вес, структура и размер шлака тоже зависит от выбранного метода обработки.

Шлак – это зернистый материал с частицами размером меньше10 мм, от темно-бурого до светло-желтого цвета, преимущественно стекловидной структуры. После его тонкого помола получают вяжущее, обладающее гидравлической активностью, т.е. свойством твердеть в воде. Гранулированные основные доменные шлаки могут использоваться для получения активированного вяжущего, на базе которого изготавливают активированный бетон [ 10 ].

Самое выгодное направление сейчас – это использование шлака, как компонент для различных строительных материалов. Оно также имеет большие перспективы, а ещё приводит к сбережению ресурсов, так как шлак является отходом производства. А используя отходы в дело, принесет большую выгоду.

4. Описание практической части

4.1 Подготовка смеси

Технология получения прессованного кирпича на основе техногенных продуктов в лабораторных условиях начинается с написания рецептуры. Далее следует взвешивание и смешивание компонентов. Для качественной и достоверной проверки свойств нами были использованы 3 образца, разные по процентному содержанию исходного сырья. Для получения пластичной массы все компоненты должны быть строго дозированы согласно рецептуре. Для этого используются весы с допустимой погрешностью измерений 0,5 %. В таблице 5 представлена рецептура трех образцов.

Рисунок 1 — Исходное сырье

Таблица 5 — Рецептура испытуемых образцов

Образец	Молотый граншлак	Граншлак	Доломитовый отсев	Вода + ЛСТ
1	30%	30%	40%	5 мл
2	40%	20%	40%	5 мл
3	50%	10%	40%	5 мл

4.2 Приготовление смеси

Дозированная смесь подвергалась измельчению, при помощи мельницы с мелющими телами, где также происходило тщательное перемешивание всех компонентов для их активация. Добавлялось строго необходимое по рецептуре количество воды (если количество воды не будет соответствовать рецепту, то на этом технологическом этапе раствор не будет соответствовать определенным стандартам, готовые изделия не обретут нужных свойств).

Для получения гомогенной массы необходимо непрерывно перемешивать смесь.