Шилибеков С.К., Шаншабаев Н.А., Қонысбаев Ж. К., Қарымсаков Б.

М.Х.Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті, Қазақстан

ӨНЕРКӘСІПТІК ҚАЛДЫҒЫ ФОСФОГИПСТІ ЖОЛ ҚҰРЫЛЫСЫНДА ҚОЛДАНУ МҮМКІНДІГІН ЗЕРТТЕУ

Химия өнеркәсібіндегі ірі тонналық қалдықтардың бірі фосфогипс болып табылады. Тараз қаласы минералды тыңайтқыштар зауыттың өндірістік әрекетінің нәтижесінде фосфогипстің біраз көлемі жиналған. Қазіргі уақытта арнайы шлам жинақтарында және зауыттың төбелерінде шамамен 7,6 млн.т. қалдық орын алған. Алайда, өңдеудің әртүрлі тәсілдерінің болуына қарамастан, қазіргі уақытта фосфогипстің еліміздегі пайдалану деңгейі барынша төмен қалып қоюда.

Қаратау кен орны фосфориті теңіз суын тұндыру нәтижесінде қалыптасатын, тұнбалы жағдайдағы жыныстар болып табылады. Олар негізінен глауконит, лимонит, клаьцит, доломит, магнезиалды силикат, алюмосликаттар, каолин, егісті шпаттар, кварц, гранит және органикалық заттар түріндегі қоспалардың аздаған құрамымен кальций аморфты ұсақ кристалды фосфатының негізінде құралады. Жанама өні ретінде қалыптасқан дигидрат немесе кальций сульфатының жарты гидраты ондағы қоспасының құрамына байланысты сәйкес түрде фосфогипс деп аталады.

Қазақстан Республикасының экологиялық қауіпсіздігінің тұжырымында 2004-2015 жылға өнеркәсіпті және тұрмыстық қалдықтарды жинақтау көлемін қысқарту бойынша тапсырмалар қойылған. Өнеркәісіпті және тұрмыстық қалдықтармен байланысты мәселені шешу үшін қайта өңдеу және қалдықтарды қайталап пайдаланудың моделдік бағдарламасын жасауды талап етеді.

Фосфогипстің үлкен көлемді жойылуының тиімді бағыттарының бірі жол құрылысында топырақ үйінділерін тұрғызу кезінде қоспалар ретінде, немесе құрылыс саласында топырақтан жастықшаны орнатқанда қолдану болып табылады, нақтылап айтатын болсақ, жол құрылысы саласында қолдану мүмкіндігі жоғары. Фосфогипс құрайтын қалдықтарды жол-құрылыс материалдарын алу үшін маңызды шикізат базасы ретінде қарау керек, ол дәстүрлі түрде байланыстырғыш заттарды үнемдеу мүмкіндігін береді және қоршаған ортаны қорғау мәселесін шешуге жағдай жасайды.

Жұмыста фосфогипстің физико-механикалық, технологиялық қасиеттері және қоршаған ортаға әсері бағамдалып, сараптамалы тәжірибелік түрде қабатты соққылап тығыздау кезінде «құм топырақ-фосфогипс» қоспалардың тығыздалу ерекшелігі зерттеледі.

«Құм -фосфогипс» қоспалардың тығыздалуын зерттеу болып табылады.Жұмыстың негізгі идеясы жол құрылысы саласында тығыздалған негіздерді орнату кезінде «құм топырақ-фосфогипс» қоспаларын жол құрылысында пайдалану мүмкіндігін анықтау.

Тәжірибелік жұмыстар М.Х.Дулати атындағы ТарМУ –ің «Құрылыс материалдары мен конструкциялары» кафедрасының зертханасында жүргізілді.

Ірі құм Жамбыл облысында Аса ауылының маңында орналасқан карьерден, ал фосфогипс Тараз қаласының маңында үйілген химиялық өнеркәсіптің қалықтарынан алынды.

Зерттеу жұмыстарына қолданылатын құрал-аспаптар мемлекеттік стандартқа сәйкес алынды.Зерттеу жұмыстары мемлекеттік стандартта келтірілген тәтібі бойынша жүргізілді. (СТ РК 1273-2004, СТ РК 1290-2004)

Құм топырақ және фосфогипс қоспаларын тығыздалу қасиеттерін және заңдылықтарын зерттеу үшін бірқатар зертханалық сынаулар жүргізілді. СынауларСоюздорНИИ аспабымен жүргізілді. Тәжірибе кезінде құрылымы бұзылған топырақ үлгісі пайдаланылды.

Құрылымы бұзылған құм топырақ және топырақ-фосфогипс үлгілерін дайындау әдістемесі келесідей іс-әрекеттерді кезекпен орындауға негізделген:

1. Топырақтың сынамасын дайындау үшін қажетті (құм-фосфогипс) 6 кг шамасында, табиғи ылғалдылықты бұзылған жағдайда 10 мм ірі бөліктің жоқ кезінде болады.

2. Топырақтың үлгісін сынау үшін ұсынылған (құм-фосфогипс) бұзылған жағдайы бөлме температурасында кептіріліп немесе кептіргіш шкафта ауа-құрғақ жағдайға дейін жетеді. Кептіру 100°С температура шамасында жасалып, байланыстысы - 60°С шамасында болады. Кептіру процесінде пішін үзіліссіз араластырылады.

3. Топырақтың үлгісі (құм-фосфогипс) фарфор ыдыста ұнтақталып (тас бөлшектері майдаланып) алынады.

4. Топырақ таразыға тартылып (m_p) және 10 мм диаметрлі саңылауы бар електен өткізіледі. Бұл орайда топырақтың бар салмағы (құм-фосфогипс) 10 мм диаметрлі саңылауы бар електен өтеді.

5. Еленген ірі бөлшектерді таразыға тартады (m_k).

Себебі топырақ бөлшегі (құм-фосфогипс) 10 мм ірі жағдайда 5% кіші пайызды құрайды, топырақтың ары қарай еленуін (құм-фосфогипс) 5 мм диаметрлі саңылауы бар електен өткізеді және 5 мм ірілеу бөлшекті құрауын анықтайды. Ары қарай 5 мм електен өткен үлгіге сынақ жүргізеді (құм-фосфогипс).

6. Електен өткен топырақтан (құм-фосфогипс), оның ауа-құрғақ жағдайдағы ылғалдылығын анықтау үшін үлгі алынады (w_g) СТ РК 1290 бойынша.

7. Еленген топырақтан (құм-фосфогипс) кварттау әдісімен сынақ үшін үлгі алынады (m_p), салмағы 2500 ±1 г.

Барлық сынақ циклы бір іріктелген үлгіні пайдалана отырып жасалады.

8. Алынған үлгіні сынақ үшін металл ыдысқа салады.

9. су көлемі Q, г, алынған үлгіні ылғалдандыру үшін қажетті жағдай бірінші сынақты ылғалдандырғанға дейін формула бойынша 1 г дейінгі нақтылықпен есептеледі

0.01(- )                (1)

 Бұл жерде m_p – алынған үлгі салмағы, г;

w₁ – топырақ ылғалдылығы (құм-фосфогипс) бірінші сынақ үшін, %;

w_g – еленген топырақтың (құм-фосфогипс) ауа-құрғақ жағдайдағы ылғалдылығы, %.

10. Алынған топырақ үлгісіне (құм-фосфогипс) бұрын есептелген су көлемі құйылған топырақты металл шпателмен араластырады.

11. Топырақ үлгісін ауыстыра отырып (құм-фосфогипс) ыдыстан эксикаторға ауыстырып оны бөлме температурасында, құм үшін 2 сағат, ал құм+фосфогипс үшін 12 сағаттан аз емес.

Зерттеуге даярланған сынақ үлгілері:

- Ірі құм 100%; - Фосфогипс -100%;Ірі құм 90% +10% фосфогипс;

- Ірі құм 80% +20% фосфогипс;Ірі құм 70% +30% фосфогипс.

1. Топырақтың үлгісін сынау саны (құм-фосфогипс) оның ылғалдылығын арттыру кезінде 5-тен артық болды, ал құрғақ топырақтың тығыздылығының максималды деңгейі (құм-фосфогипс) стандартты тығыздалу графигі бойынша анықталды.

2. Сынақты топырақ (құм-фосфогипс) үлгісінің ылғалдылығын арттыра отырып жүргізеді. Топырақтың ылғалдылығы алғаш рет сынау кезінде (құм-фосфогипс) ұсынылған мөлшерге сәйкес алынған, келесі сынақ кезінде топырақтың ылғалдылығы (құм-фосфогипс) (1-3)% арттырылады.

Сынақ үлгілерін ылғалдандыру үшін су көлемі (1) формула бойынша анықталады.

3. Топырақ (құм-фосфогипс) үлгісіне сынақты келесі тәртіппен жүргізілді:

- металл ыдысқа эксикатордан үлгіны ауыстырып және жақсылап шпателмен араластырады;

- жиналған үлгіге 5-6 см қалыңдықпен топырақ қабатының үлгісінен салады және оның бетін аздап қолмен тығыздайды. (300±3) мм биіктіктен бағыттағыш штангіге тіркелген 2,5кг жүктің 40 соққысымен тығыздау жасалады. Топырақ (құм-фосфогипс) үлгісі аспапқа үшке бөлініп салынады. Бірінші қабат нығыздалған соң екінші және үшінші қабатты салу алдында алдыңғы тығыздалған қабаттың бетін пышақпен (1-2) мм тереңдікке қопсытады. Үшінші қабатты салу алдында үлгіге салымдар салынады;

- үшінші қабатты тығыздаудан кейін салымдарын алып тастап және үлгінің шығып тұрған бөлігін кеседі, ол аспаптың беткі жағымен үйлесуі керек.

4. Тығыздалған топырақтың (құм-фосфогипс) үлгісін аспаптың цилиндрлі бөлігімен таразыға тартады (m_i) және ылғалды топырақтың (құм-фосфогипс) тығыздығын ρ_i, г/см³, формула бойынша есептейді

=(2)

Бұл жерде:

m_i – тығыздалған топырақпен аспаптың цилиндрлі бөлігінің салмағы, г;

m_c – топырақсыз аспаптың цилиндрлі бөлігінің салмағы, г;

V – аспап сыйымдылығы, см³.

5. Топырақтың (құм-фосфогипс)тығыздалған үлгісі аспаптың цилиндрлі бөлігінен алынады. Бұл орайда, үстіңгі, ортаңғы және төменгі бөлігінен топырақтың ылғалдылығын анықтау үшін қабатталған сынаманы алады (w_i) СТ РК 1290.Аспаптан алынған үлгіні ыдыста қалған үлгіге қосып, майдалайды және араластырады.Үлгі ылғалдылығын ұлғайтады. Су қосқаннан кейін топырақ жақсылап араластырылып, ылғалды матамен жауып оны 15 минут ұстап тұрады.

6. Топырақтың (құм-фосфогипс) екінші және ары қарайғы сынағы жоғарыда аталған ұсыныстармен сәйкес жүргізіледі.

7. Сынақ аяқталды деп саналады, егер үлгі ылғалдылығының артуымен ары қарай екі сынақ жүргізген кезде тығыздығы айтарлықтай азайған жағдайда немесе соққы кезінде суды сығылып шығуы орын аласа.

8. Құрғақ топырақтың (құм-фосфогипс) тығыздығы,ρ_di, г/см³ , сынақ нәтижесінде формула бойынша анықталады

=(3)

бұл жерде ρ_i – ылғалды топырақтың (құм-фосфогипс) тығыздығы, г/см³;

w_i – топырақ (құм-фосфогипс) үлгісінің ылғалдылығы, кезекті сынақ кезінде, %.

Зерттеу нәтижелерін сараптау кезінде құммен салыстырғанда фосфогипстің нығыздалуы өте төмен екенін анықталды. Мысалы, үйлесімді ылғалдылық кезінде құмның ең жоғары тығыздығы (құрғақ топырақтың) 2,02т/м3 болды, ал фосфогипстің ныздалуы кезінде ең жоғары тығыздығы -1,0т/м3 болды, яғни фосфогипстің өзін қоспасыз негіз ретінде құрылыста пайдалануға болмайды. Ірі құмның үйлесімді ылғалдылығы 4% құрады, ал фосфогипстікі 30% құрады.

Ірі құмға фосфогипс қосып нығыздағанды қоспаның мөлшері қалай әсер ететіні зерттеліп төмендег келтірілген нәтижелер алынды.

Фосфогипс қоспасының мөлшері 10% құраған кезде үйлесімді ылғалдылық 4,8% болды, ал үлгінің максимальды тығыздығы 1,72т/м³ болды.

Фосфогипс қоспасының мөлшері 20% құраған кезде үйлесімді ылғалдылық 6% болды, ал үлгілің максимальды тығыздығы 1,70т/м³ болды.

Фосфогипс қоспасының мөлшері 30% құраған кезде үйлесімді ылғалдылық 9% болды, ал үлгілің максимальды тығыздығы 1,68т/м³ болды.

Алынған нәтижелерді қорытындылай келе біз келесі жағдайды анықтадық –фосфогипс қоспасының мөлшері көбейген сайын ірі құмның үйлесімді ылғалдылығы өседі, бірақта оның ең жоғары тығыздығы (құрғақ топырақтың) – төмендейді.

Төменде ірі құм-фосфогипс қоспаларын сынау нәтижесінің салыстырмалы графигі келтірілген (сурет-1).

Біздің зерттеулерде фосфогипс қоспасын 30% шектеу себебі, құрылыста нығыздалған негіздерге, жол төсемдерінің үйінділеріне қойылатын талап бойынша құрғақ топырақтың ең максимальды тығыздығы 1,65т/м3 жоғары болу керек.

Сонымен, фосфогипс қоспасы ірі құм үшін 10...30пайыз аралығында болу керек, бұл мөлшерге қабылданған жобалық тығыздық мәні әсер етеді.

Сурет –1. Ірі құм+фофогипс қоспаларын сынау нәтижесінің салыстырмалы графигі

●- фосфогипс қоспасы 10%, ρ _d.max = 1,72т/м3 W_opt= 4,8%

▲- фосфогипс қоспасы 20%, ρ _d.max = 1,70т/м3 W_opt= 6%

■- фосфогипс қоспасы 30%, ρ _d.max = 1,68т/м3 W_opt= 9%

Жүргізілген тәжірибелік зерттеулердің нәтижелері келесідей негізгі тұжырымдарды қорытындылауға мүмкіндік береді:

1. Ірі құмның ең жоғары тығыздығы (құрғақ топырақтың) 2,02г/см3 болды, үйлесімді ылғалдылығы-4%. Фосфогипстің үйлесімді ылғалдылық кезінде ныздалуының ең жоғары тығыздығы -1,0г/см3 болды, үйлесімді ылғалдылығы -30%.

2. Фосфогипс қоспасының мөлшері 10% құраған кезде үйлесімді ылғалдылығы 4,8%, ал құрғақ топырақ үлгісінің максимальды тығыздығы 1,72г/см3 мөлшерінде болады.

Фосфогипс қоспасының мөлшері 20% құраған кезде үйлесімді ылғалдылығы 6% , ал құрғақ топырақ үлгісінің максимальды тығыздығы 1,70г/см3 мөлшерінде болады.

Фосфогипс қоспасының мөлшері 30% құраған кезде үйлесімді ылғалдылығы 9%, ал құрғақ топырақ үлгісінің максимальды тығыздығы 1,68г/см3 мөлшерінде болады.

3. Фосфогипс қоспасының мөлшері көбейген сайын «құм-фосфогипс» қоспасының үйлесімді ылғалдылығы өседі, бірақта оның ең жоғары тығыздығы (құрғақ топырақтың) – төмендейді.

4. «Құм –фосфогипс» қоспасында фосфогипс мөлшері 10...30пайыз аралығында болу керек, бұл мөлшерге қабылданған жобалық тығыздық ( ≥ 1,65 г/см3) мәні әсер етеді.

Әдебиет

1. СулейменовС.Т. Физико-химические процессы структурообразования в строительных материалах из минеральных отходов промышленности. М.:Манускрипт, 1996, С. 206-227.

2. Долгорев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производств строительных материалов : физико-химический анализ. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1990, 456 с.

3. Зайцев В.А. Безотходные производства – решение экологических проблем //Экологическая альтернатива. М.: Прогресс, 1990, С. 583-598.

4. Руководство по техническому контролю при производстве земляных работ. М., Стройиздат, 1974.

5. СТ РК 1273-2004. Грунты. Методы определения зернового (гранулометрического) состава.

6. СТ РК 1290-2004. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

7. СТ РК. 1285-2004. Грунты. Методы лабораторного определения максимальной плотности.