УДК 551.2:669.(334.43

РАЗРАБОТКА СПОСОБА УТИЛИЗАЦИИ ПЫЛЕВИДНЫХ ОТХОДОВ

ИЗВЕСТНЯКА-РАКУШЕЧНИКА С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ

ЭНЕРГИИ

Жайылхан Н.А.

Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш.Е.Есенова

Разработка открытым способом месторождений известняка-ракушечника из-за низкой его прочности характеризуются, образованием большого обьема (более 50 %) отходов и их накоплению. При этом нарушаются почвенный покров значительных площадях, и загрязняется окружающая среда пылью. В связи с этим, решение задачи утилизации отходов путем использования карьерных отходов известняка в качестве заполнителя в бетонах, является одним из путей решения вопроса охраны окружающей среды. Вместе с тем изготовление бетонных изделий является энергоемким процессом. Тепловая обработка производится в традиционных камерах твердения, где температура воздуха поддерживается порядка 60-80°С путем сжигания топлива, сопровождающиеся загрязнением окружающей среды продуктами сгорания топлива. В пределах этих температур можно осуществлять нагрев бетонных изделии солнечной радиацией.

Возможность получения низкопотенциального тепла солнечной энергии в условиях сухого и жаркого климата Мангистауской области позволяет вовлечь возобновляемые источники энергии в энергобаланс предприятия. [1].

Использование отходов позволит не только обеспечить многие районы не имеющих гравия, щебня и песка, местным заполнителем, но и позволит снизить стоимость строительства, что главным образом будет способствовать сокращению количества накапливаемых отходов, и оздоровлению экологической обстановки.

При соблюдении определенных условий в обычных расходах цемента на низкопрочном до 25 кг/см² заполнителе получены конструкционные бетоны прочностью до 200 кг/см² и выше.

Производство бетона, как основного строительного материала связано с затратами значительного количества топливно-энергетических ресурсов в виде низкопотенциального тепла.

На нагрев и термосное выдерживание бетона вместе с формами по расчету требуется 209-230 тыс. кДж, а с учетом потерь теплоты в окружающую среду нормативный расход на тепловую обработку изделий в ямных камерах из тяжелого бетона равен 691-733 тыс. кДж/м².

В условиях строжайшей экономии этих природных ископаемых, как сырья химической промышленности и увеличения их стоимости, тепловлажностную обработку в паросиловых установках в пределах существующего потребления теплоносителя следует признать нерациональной и расточительной в энергетическом отношении, учитывая, что тепловое воздействие на твердеющий бетон в современных энергетических установках, как правило, осуществляется при температуре 70-95ºC. [2].

Анализ радиационных ресурсов Казахстана показывает, что особый интерес для использования солнечной энергии представляет Мангистауский регион. Продолжительность периода с температурой наружного воздуха Т_н≥21°С за год составляет 100 дней. Вероятность среднего годового сияния Солнца более 50% за период с октября по март свидетельствует об эффективности использования солнечной энергии для тепловой обработки бетона и других нужд производства в этом регионе Казахстана. Наибольшими ее значениями характеризуются территории, прилегающие к Туркменистану, - 2500 кВт·м², наименьшими - горные районы Мангистауского района - 1605 кВт·м² [8].

Целью предлагаемой конструкции является решение вопроса разработки эффективного гелиоустройства для тепловой обработки бетонов, (рисунок 1).

1 - прозрачная изоляция, стекло; 2 - прозрачный пластик; 3 - корпус ограждения; 4 - отверстие для выхода воздуха; 5 - уплотнитель; 6 - металлическая инвентарная форма с тепловыми отсеками; 7 - бетон.

Рисунок 1 - Двухслойное светопрозрачное покрытие

с внутренним прозрачным упругим слоем

Решение вопроса разработки более эффективного гелиоустройства для тепловой обработки бетонов, достигается за счет установки под верхним ограждением из стекла, нижнего упругого светопрозрачного ограждения из пластика. Конструктивно размеры воздушной прослойки в центре 15 мм, по краям 25-30 мм, за счет кривизны, обеспечивают более равномерное вытеснение воздуха из прослойки при повышении давления под пластиковым ограждением. Для вытеснения воздуха из прослойки в ней между слоями светопрозрачных ограждений предусмотрены отверстия.

При нагреве бетона прямой солнечной радиацией и тепловыделении цемента на его поверхности выделяется водяная пленка, которая при испарении, выделяет пары воды, повышающие давление между верхней поверхностью бетона и нижнем ограждением до величины большей, чем давление окружающей атмосферы.

Установлено, что под действием высокого давления нижнее ограждение перемещается на высоту 15 мм, вытесняя воздух из воздушной прослойки между светопрозрачными слоями, через отверстия. За счет удаления воздуха из прослойки, служащей изолирующим фактором, происходит более эффективный нагрев, так как снижается сопротивление солнечному излучению [4].

Во время отсутствия солнечного излучения, вечером и ночью, температура под теплоизоляционным элементом падает, пары влаги конденсируется, давление уменьшается до величины атмосферного и центральная часть элемента опускается до исходного положения.

Результаты эксперимента, показали, что в вечернее время более холодный воздух, заполняющий воздушную прослойку между стеклом и пластиком, служит теплоизоляцией и снижает потери тепла, накопленного изделием.

Главное требование, предъявляемое к ракушечнику-заполнителю, заключается в обязательном содержании в нем мельчайших фракций размером менее 0,14 мм. От содержания в нем этих частиц в значительной мере зависит механическая прочность бетона.

Установлено, количество фракций размером менее 0,14 мм в используемых заполнителях для бетона достигает 22 %. Эти частицы в качестве заполнителя в бетоне не являются инертными, а основная часть этих высокодисперсных частиц входит в химическое взаимодействие с клинкерными минералами цемента. В результате этого взаимодействия возникают новые прочные соединения, оказывающие положительное влияние на прочность бетона.

С помощью анализов было установлено, что карбонаты кальция и магния (МgСО) взаимодействуют с алюмосодержащими клинкерными минералами цемента, образуя новое кристаллическое соединение карбоалюминат кальция (СаАІСО₃).

Переход большого количества воды из жидкого состояния в твердое за счет химического взаимодействия между известняковым заполнителем и цементом способствует быстрейшему отвердеванию бетона.

С этой точки зрения карбонатные породы (СаСО₃) будут являться лучшим видом заполнителя в бетоне, так как поверхность карбонатных пород образована главным образом ионами Са⁺⁺. Эти породы оказываются более активным адсорбентом, чем гранит, в среде цементного раствора, где спустя несколько минут после затворения водой появляются ионы Са⁺⁺, количество которых в процессе твердения все увеличивается. Образовавшийся гидрат окиси кальция в растворе распадается на ионы по схеме:

Са(ОН)₂↓↑Са⁺⁺+2ОН [9]

С другой стороны, кремнозем гидратируется и переходит в раствор в виде кремниевой кислоты. Ионы кальция сразу же после образования кремниевой кислоты, не давая ей диффундировать далеко в раствор, образуют с ней ряд гидросиликатов кальция, которые интенсивно кристаллизируются здесь же у поверхности песчинок, сращивая последние, что приводит к росту прочности изделия [6].

Путем сравнения удельной электропроводности твердеющего портландцемента и портландцемента с известняком и гранитом выяснено, что уже через пять минут после затворения количество извести, перешедшей в раствор у портландцемента с известняком больше, чем у портландцемента с гранитом. Это свидетельствует о том, что гидратация цемента в присутствии известняка идет полнее. Продукты гидратации цемента, имея одноименные ионы с известняковым заполнителем, будут вызывать более полную кристаллизацию цементного раствора и, связывая быстрее ионы Са⁺⁺ из него, способствовать ускорению процесса твердения бетона [7].

В процессе затворения и перемешивания бетонной смеси на пористом заполнителе в глубину пор вместе с водой засасывается и цементное молоко, которое в процессе гидратации «цементирует» пористый заполнитель, упрочняя его. Таким образом, образуются разветвленные и глубоко сидящие «корни», прочно связывающие основную массу камня с заполнителем.

Вовлечение солнечной энергии в энергобаланс энергоемких предприятий, снижает затраты на потребление традиционных энергоресурсов для изготовления бетонных изделий в условиях сухого жаркого климата.

Применение гелиоустройств в индустрии бетонных изделий и в технологиях утилизации отходов для производства бетона, позволяет ежегодно на 25-40% реально снизить затраты энергии на его изготовление.

Переход к производству ЖБИ с использованием гелиотехнологии в летнее время в условиях Мангистауской области обеспечит согласно результатам предварительных единичных экспериментов в ТОО «Стройматериалы» экономию на эксплуатационных расходах в расчете на кубометр ЖБИ в размере: 3893 тенге/м³.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бектенов Л.Б., Жайылхан Н.А., Убиева А. Технология утилизации отходов ракушечника для производства карбонатобетона // Вестник Министерства образования и науки НАН РК, №2, 2003, С. 71-75.

2. Давлетов А., Петрова А.А., Гусейнова Ф.А. К использованию аккумуляторов солнечной энергии для тепло и хладоснабжения. №1, 1980, С.39-43.

3. Агнихотри О., Тупта Б. Селективные поверхности солнечных установок. М. 1984, С.47-50.

4. Осипова В.А. Экспериментальные исследования процессов теплообмена. М. 1969, 73 с.

5. Заседателев И.Б., Малинский Е.Н., Темкин Е.С. Использование солнечной энергии для тепловой обработки железобетонных изделий. Бетон и железобетон. № 9, 1983, С.2-5.

6. Ящук В.Е., Комышев А.В. Бетон и железобетон на заполнителях из легких, пористых известняков. К. 1972, 128 с.

7. Еременок П.Л, Кузнецова И.И. Мелкозернистый бетон на заполнителе из пильного известняка. М. №5, 1967, 142 с.

8. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. Л. 1998, С.14-17.

9. Смирнов С.И., Сигалов Ю.М., Мышко Ю.Л. Результаты испытаний солнечных установок в условиях средней полосы СССР. №5, 1980, С. 70-77.

Жайылхан Нурадин Алиулы ., доцент кафедры «Строительство» кандидат технических наук.

Переработка отходов известняка с использованием их в качестве заполнителей в бетонах, значительного потребления пара, в этой связи отказ от традиционной технологии тепловой обработки бетонов, и переход предприятия на новый вид энергии весьма целесообразен для региона с сухим жарким климатом.

Қазіргі кезде энергетика көздерінің күннен-күнге қымбаттауына байланысты ұлу-тас қалдықтарын бұрыннан келе жатқан ескі автоклавтық әдіспен өңдеу экологиялық немесе экономикалық жағынан болса да өте тиімсіз. Мұндай жағдайда табиғаты өте ыстық болып келетін Маңқыстау өңірінде күн сәулесі энергиясын қолдана отырып оны карбонатобетон өнімдерін жылумен өңдеу, заман талабына сәйкес келер актуалды мәселелердің бірі болып отыр. Күн сәулесі қондырғылары қосымша шығынды талап етпейді.

The rapid growth of construction industry contributed to the rapid increase of waste volume, which is the main source of environment pollution. The situation is complicated by the fact, that the majority of quarry wastes concentrates in the quarry area as the consequence of the absence of developed technological methods. On this stage it is necessary to provide technically accessible methods of processing and rational use of the wastes.