employee
Belgorod, Russian Federation
employee
student
student
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
A lot of household and industrial wastes are of interest in application but they are not popular due to different reasons. In this case realization of possible directions of waste application and resulting effect are very important. One of the basic ways of complex application of raw materials from mining industry is construction industry where these raw materials can be basic when development of new high effective materials. Properties forecasting of these materials is complex problem that can be solved by formation of system concept for determination of quality parameters as well as forecasting and variation of properties of final materials according to requirements of production process and its purpose.
wastes, properties forecasting, effective materials, source of raw materials, recycling, utilization.
Введение. Современный уровень развития промышленного производства использует огромные минерально-сырьевые и энергетические ресурсы, из которых менее десятой части используется в качестве полезного продукта, а остальное складируется в виде отходов на полигонах, хранилищах, захоронениях [1, 2]. С ростом объемов производства растут размеры промышленных свалок, в связи, с чем на каждом предприятии необходимо осуществлять контроль количества и качества отходов, соотнесение их с количеством и качеством выпускаемой продукции, а также проводить совершенствование производства с целью снижения образования отходов [3]. Многие отходы промышленности и городского xoзяйства, представляющие большой практический интерес, остаются недостаточно востребованными по разным причинам. В этом плане популяризация возможных направлений применения отходов и достигаемого при этом эффекта имеет важное значение [4].
Основная часть. Сырьевая база России достаточна разнообразна, при этом его распределение на всей территории, как правило, неравномерно. Так, например, сосредоточение в отдельных зонах характерно для определенных горных пород, использующихся для производства строительных материалов: бокситов – для производства алюминиевых цементов; огнеупорных глин – для огнеупоров, фарфора, фаянса; чистых известняков – для портландцемента; хорошо вспучивающихся глин – для керамзитового гравия; плотных и прочных осадочных и магматических горных пород – для щебня. Относительно равномерно распределены строительные пески, легкоплавкие глины и суглинки.
Таким образом, комплексный подход к использованию природного минерального сырья сегодня отсутствует, и возможности местной сырьевой базы реализуются недостаточно [5]. В то же время в регионах с развитым промышленным потенциалом образуется огромное количество промышленных отходов, источником которых являются предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки, энергетики, металлургии и другие, отчисляющие значительные средства на их хранение [6]. С накоплением промышленных отходов нарушается экологическое равновесие, что фиксируется экологическими службами и проявляется в резком загрязнении окружающей среды, связанном с образованием свалок и выбросов. В связи с этим, земельным комиссиям приходится отводить участки для хранения отходов, которые с большей эффективностью могли бы быть использованы в градостроительстве или в сельском хозяйстве. Образование отходов происходит на всех стадиях движения сырья: от момента его добычи, когда оно еще является природным ресурсом, до завершения эксплуатации изготовленного из него изделия.
Резервы ресурсосбережения при комплексной переработке сырья и использовании отходов весьма значительны. Капитальные вложения, необходимые для переработки вторичного сырья, примерно в четыре раза меньше, чем при получении продукции из первичного сырья [7]. Очевидно, что следует вкладывать средства в безотходные технологические процессы, которые сберегают сырьевые и энергетические ресурсы и вместе с тем обеспечивают высокое качество продукции [8].
Из отраслей, потребляющих промышленные отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов, доля сырья которой в себестоимости продукции достигает 50 % и более. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах, а также на 10–30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создать новые строительные материалы с высокими технико- экономическими показателями [9,10].
Вместе с тем накопленный научный и практический опыт использования отходов промышленности в России и за рубежом позволяет расценивать их как ценное сырья для производства строительных материалов [11]. Все отходы делятся на две большие группы минеральные и органические, при этом преимуществом обладают первые, т.к. их больше, они лучше изучены и имеют огромное значение для производства строительных материалов.
При разработке подхода к выбору экономически целесообразных направлений утилизации промышленных отходов в производстве строительных материалов учитывается следующее: максимальное использование преимущества исходного состояния (химической активности, дисперсности и агрегатного состояния); при утилизации выбор технологии с минимальной переработкой [12,13]. При этом следует отметить, что направление утилизации выбирается и обосновывается технологами, а задачи доведения до кондиции и соблюдения правил хранения должны быть возложены на экологические и санитарные службы. Основными параметрами, характеризующими любой промышленный отход, являются: химико-минералогический состав; агрегатное состояние; объем образования. Для выбора направления использования отхода каждый его вид должен пройти несколько уровней оценки по различным критериям с учетом основных параметров [14].
Сегодня имеются глубокие теоретические исследования в области шламовых, шлаковых и зольных отходов, отходов горнодобычи и переработки, отходов древесины и т.д. Как показывает практика, из отходов или из отходов в комбинации с природным минеральным сырьем могут быть изготовлены практически все основные строительные материалы [15-17]. Разработаны и апробированы технологии получения из отходов металлургических, нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических, энергетических предприятий дорогостоящих глиноземистого и расширяющегося цементов, жаростойкого бетона, высокоэффективных добавок для керамзита, керамического кирпича и других материалов [18]. Из крупнотоннажных отходов энергетики – зол и шлаков – можно производить практически все строительные материалы, изделия и конструкции, используемые при возведении жилых и промышленных зданий, сельскохозяйственных объектов, дорожных сооружений и т.п. Надо полагать, взятый ныне в России ориентир на производство строительных материалов, изделий и конструкций из отходов промышленности и местных материалов сулит весомые выгоды [19].
Сложный физико-химический состав и структура отходов ряда промышленных производств позволяют рассматривать их как реальную сырьевую базу промышленности строительных материалов, в том числе производства вяжущих веществ. Многочисленными исследованиями и практическим внедрением доказана возможность производить обычный портландцемент, шлакопортландцемент, жидкое стекло, силикатные, шлако- и золощелочные вяжущие вещества, используя шлаки черной и цветной металлургии, золы ТЭЦ, микрокремнезем, белитовые шламы и другие многотоннажные отходы промышленности.
Так, шлаки черной и цветной металлургии, бокситовые шламы, топливные золы и некоторые другие отходы промышленности содержат CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, которые лежат в основе расчета состава сырьевой смеси для получения портландцементного клинкера необходимого минералогического состава [20].
Однако в ряде случаев содержание элементов в отходах бывает недостаточно стабильным, и в нем недостает некоторых компонентов для полного обеспечения расчетного состава. В таких случаях, приняв за основу химический состав техногенного сырья, производят расчет недостающих компонентов (оксидов) и определяют количественный состав добавок и возможность обогащения сырья природными материалами или какими-либо побочными продуктами в виде корректирующей добавки [21].
Идентичная химико-минералогическая основа шлаков и клинкера портландцемента дает основание использовать их в качестве минеральной добавки и создать целую серию шлакопортландцементов, играющих существенную роль в производстве бетонных и железобетонных изделий [22].
Также, одним из известный видов вяжущих является шлакощелочное вяжущее (ШЩВ), алюмосиликатный компонент которых может быть представлен: доменными шлаками, электротермофосфорными шлаками, шлаками цветной металлургии (шлаки от выплавки свинца, цинка, никеля, меди и т.д.), сталеплавильными шлаками (мартеновские, конверторные, ваграночные, феррохромовые), белитовыми шламами (например, нефелиновый – отход производства глинозема; бокситовый и др.), топливными отходами (золы, шлаки и золошлаковые смеси), отходами производства минеральной ваты.
В качестве щелочного компонента могут быть использованы любые соединения щелочных металлов, способных создавать в воде щелочную среду. Такими соединениями являются едкие щелочи (натр едкий технический, гидрат оксид калия технический), несиликатные соли слабых кислот (сода кальцинированная техническая из нефелинового сырья, калий углекислый технический, натрий фтористый), силикатные соли и растворимые стекла с силикатным модулем от 0,5 до 3 (растворимый и кремнекислый силикаты натрия), отвечающие требованиям соответствующих нормативных документов [23].
Глубокие теоретические исследования и практический опыт использования автоклавной обработки силикатных изделий, ячеистых бетонов и других строительных материалов позволяют считать автоклавную технологию одним из эффективнейших методов получения бетонов и изделий различного назначения, плотности и структуры с использованием широкой номенклатуры вяжущих веществ, в том числе вяжущих на основе отходов промышленности (шлаков, зол, шламов, отходов ГОК, стеклобоя и многих других) [24].
Таким образом, возможность использования тех или иных промышленных отходов для производства вяжущих веществ определяется разнообразием свойств исходного сырья, степенью его подготовленности для применения в строительстве и т.д. Эти различия должны быть учтены при выявлении экономической эффективности их использования. Для каждого отхода необходимо определить не только наиболее рациональный способ переработки, но и соответствующую область применения.
Выводы. Накопленный научный и практический опыт использования отходов промышленности в России и за рубежом позволяет расценивать их как ценное сырья для производства строительных материалов. Сегодня имеются глубокие теоретические исследования в области шламовых, шлаковых и зольных отходов, отходов горнодобычи и переработки, отходов древесины и т.д. Как показывает практика, из отходов или из отходов в комбинации с природным минеральным сырьем могут быть изготовлены практически все основные строительные материалы.
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 14-41-08006; с использованием оборудования ЦВТ БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz othodov promyshlennosti: uchebno-spravochnoe posobie. Rostov n/D: Feniks, 2007. 370 s.
2. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Resurso- i energosberegayuschie tehnologii stroitel'nyh materialov na osnove mineral'no-schelochnyh i geopolimernyh vyazhuschih: ucheb. posobie. Penza: PGUAS, 2013. 156 s.
3. Lesovik V.S., Volodchenko A.A. K probleme tehnogennogo metasomatoza v stroitel'nom materialovedenii // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2015. №4. S. 38–41.
4. Rusina V.V. Mineral'nye vyazhuschie veschestva na osnove mnogotonnazhnyh promyshlennyh othodov: uchebnoe posobie. – Bratsk: GOU VPO«BrGU», 2007. 224 s.
5. Alfimov S.I., Zhukov R.V., Volodchenko A.N., Yurchuk D.V. Tehnogennoe syr'e dlya silikatnyh materialov gidratacionnogo tverdenii // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2006. №2. S. 59–60.
6. Lyutenko A.O., Lebedev M.S., Strokova V.V. Analiz othodov gornoy dobychi kak potencial'nogo istochnika syr'ya dlya proizvodstva dorozhno-stroitel'nyh materialov // Vestnik VolgGASU. Volgograd: Izd-vo VolgGASU. 2013. № 31. C. 445–449.
7. Lesovik V.S., Ageeva M.S., Ivanov A.V. Granulirovannye shlaki v proizvodstve kompozicionnyh vyazhuschih // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. №3. S. 29–32.
8. Sheychenko M.S., Lesovik V.S., Alfimova N.I. Kompozicionnye vyazhuschie s ispol'zovaniem vysokomagnezial'nyh othodov Kovdorskogo mestorozhdeniya // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. №1. S. 10–14.
9. Chernysheva N.V., Drebezgova M.Yu. Promyshlennye othody dlya proizvodstva kompozicionnyh gipsovyh vyazhuschih / V sb.: Nauchnye i inzhenernye problemy stroitel'no-tehnologicheskoy utilizacii tehnogennyh othodov. // BGTU im. V.G. Shuhova, Belgorod, 2014. S. 230-235.
10. Ageeva M.S., Shapovalov S.M., Usenko M.V. Zakladochnye smesi na osnove tehnogennogo syr'ya kurskoy magnitnoy anomalii / Sb. «Nauchnye i inzhenernye problemy stroitel'no-tehnologicheskoy utilizacii tehnogennyh othodov» // Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova, Belgorod, 2014. S. 50–53.
11. Rusina V.V., Tarasova N.Yu., Gryzlova E.O. Betony special'nogo naznacheniya na osnove zhidkogo stekla iz mikrokremnezema // Tehnologii betonov. Inform. nauchno-tehn. zhurn. 2006. № 1. S. 34¬-35.
12. Lesovik R.V., Bogusevich V.A., Il'inskaya G.G. K voprosu ob ispol'zovanii tehnogennogo syr'ya KMA dlya betonnyh rabot pri otricatel'nyh temperaturah // Vestnik Central'nogo regional'nogo otdeleniya Rossiyskoy akademii arhitektury i stroitel'nyh nauk. Belgorod: RAASN, BGTU im. V.G. Shuhova, 2014. S. 23–25.
13. Alfimova N.I., Shapovalov N.N. Materialy avtoklavnogo tverdeniya s ispol'zovaniem tehnogennogo alyumosilikatnogo syr'ya // Fundamental'nye issledovaniya. 2013. №6–3. S. 525–529.
14. Lesovik V.S. Tehnogennyy metasomatoz v stroitel'nom materialovedenii V sbornike: Stroysib - 2015. Stroitel'nye materialy - 4S: sostav, struktura, sostoyanie, svoystva Mezhdunarodnyy sbornik nauchnyh trudov. 2015. S. 26–30.
15. Volodchenko A.N., Lesovik V.S., Alfimov S.I., Zhukov R.V. Poputnye produkty gornodobyvayuschey promyshlennosti v proizvodstve stroitel'nyh materialov // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2005. № 10. S. 79-83.
16. Klyuev A.V., Klyuev S.V., Lesovik R.V., Mihaylova O.N. Othody gornodobyvayuschih predpriyatiy kak syr'e dlya proizvodstva melkozernistogo betona armirovannogo fibrami // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2010. № 4. S. 81–84.
17. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. Avtoklavnye yacheistye betony na osnove magnezial'nyh glin // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2012. № 5. S. 14–21.
18. Veshnyakova L.A., Frolova M.A., Ayzenshtadt A.M., Lesovik V.S., Mihaylova O.N., Mahova T.A. Ocenka energeticheskogo sostoyaniya syr'ya dlya polucheniya stroitel'nyh materialov // Stroitel'nye materialy. 2012. № 10. S. 53–55.
19. Lesovik V.S., Chernysheva N.V., Klimenko V.G. Processy strukturoobrazovaniya gipsosoderzhaschih kompozitov s uchetom genezisa syr'ya // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2012. № 4. S. 3–11.
20. Lesovik R.V., Klyuev A.V., Klyuev S.V. Melkozernistyy stalefibrobeton na osnove tehnogennogo peska dlya polucheniya sbornyh elementov konstrukciy // Tehnologii betonov. 2014. № 2 (91). S. 44–45.
21. Alfimova N.I. Povyshenie effektivnosti stenovyh kamney za schet ispol'zovaniya tehnogennogo syr'ya // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011.№ 2. S. 56–59.
22. Fomina E.V., Kozhuhova M.I., Kozhuhova N.I. Ocenka effektivnosti primeneniya alyumosilikatnoy porody v sostave kompozicionnyh vyazhuschih // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. № 5. S. 31–35.
23. Alfimova N.I., Cherkasov V.S. Perspektivy ispol'zovaniya othodov proizvodstva keramzita v stroitel'nom materialovedenii // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2010. № 3. S. 21–24.
24. Suleymanova L.A., Erohina I.A., Suleymanov A.G. Resursosberegayuschie materialy v stroitel'stve // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 7. S. 113–116.
