СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Современные строительные материалы

д.т.н профессор Ниязбекова Римма Калманбаевна

Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина

Гладких Людмила Николаевна

Кузбасский государственный технический университет

Бектурганова Гульмира Каировна

Начальник лаборатории РГП «КазИнМетр»

Веретельников Никита Викторович

Специалист лаборатории РГП «КазИнМетр»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОНА

Утилизация техногенных отходов для производства стройматериалов постепенно становится национальной проблемой. Растущие горы отходов засоряют среду обитания. Кроме того, недалек день, когда дефицит сырьевых ресурсов будет тормозить темпы строительства. При производстве строительных материалов и конструкций можно применять отходы металлургических производств, золы торгово-экономических зон и многое другое. В цветной металлургии расходы на добычу руды составляют около 50% от всей стоимости затрат и около 60 % трудовых затрат. На долю карьеров и шахт приходится 30-40% основных производственных фондов. Накопленные вскрышные и вмещающие породы рудных месторождений представлены скальными породами (более 90%), галечником (7,9 %), гравием, песком и глиной (1,5-2 %). По данным горного производства утилизируется около 20% вскрышных и вмещающих пород, в том числе для засыпки карьеров и закладки вырабатываемого пространства на рудниках 14-16 % и для производства строительных материалов 3-4 %.

Применение пород от вскрышных и горнопроходческих работ при предприятиях исключает необходимость создания специальных карьеров сырья, уменьшает площадь земель, занимаемых отвалами, сокращает объем перевозок строительных материалов. Вскрышные и вмещающие породы в настоящее время используются на предприятиях Восточно-Казахстанского медно-химического предприятия.

Хвосты обогащения медной, свинцово-цинковой содержат 60-90 % кварца, полевого шпата, минералы, которые могут быть использованы самостоятельно, значительное количество основных и попутных металлов, которые доизвлекают перед использованием в различных отраслях промышленности. Химический и минералогический составы хвостов цветной металлургии позволяют использовать фракции (+0,15 мм) для производства плотного бетона, кладочных растворов и кремнеземистых добавок к цементно-сырьевым смесям [1].

Отходы с повышенным содержанием кремнезема представляют интерес для стекольной промышленности. В свинцово-цинковой промышленности отходы обогащения с низким содержанием металлов используются для приготовления бетонной закладки, а также для производства различных строительных материалов.

Немагнитная фракция, в которой сосредоточена силикатная часть шлаков, может быть использована для производства шлаковых литых изделий, шлаковой ваты, дорожного асфальтобетона, портландцемента. Указанные шлаки содержат до 45% SiО₂, 15% CaO, обладают удовлетворительными литейными и кристаллизационными свойствами.

Наибольший выход отходов на предприятиях добывающей отрасли достигает до 5000 тонн руды на 1 тонну металла. До 100 тонн на 1 тонну металла поступает при обогащении рудного сырья, до 8 тонн отходов на 1 тонну металла – при получении металла. Применение отходов металлургических предприятий для производства строительных материалов отличается высокой эффективностью, способствует улучшению экологической ситуации. В алюминиевой промышленности особенности технологии предусматривают количество разнообразных отходов: это шламы, содержащие оксиды окисления, демонтированная футеровка, пыль, шламы газоочистки и т.д. В настоящее время нефелиновый, алунитовый шламы нашли применение для производства цемента, силикатного кирпича, ячеистого бетона, строительства дорог, закладки шахтных выработок в качестве основного компонента, заменяющего цемент.

В то же время имеется тенденция к снижению использования отходов производства, что связано с увеличением объемов производства, так и снижением утилизации отходов. Основными видами отходов АО «Миттал Стил Темиртау» являются доменные и сталеплавильные шлаки, порода углеобогащения, отходы флотации угля, золошлак, отходы коксохимпроизводства, хромсодержащие отходы. В ЖГМК ТОО «Корпорация Казахмыс» основные виды отходов – вскрышные породы рудников, хвосты обогащения, золошлак.

В ПО «БалхашЦветМет» ТОО «Корпорация Казахмыс» - шлак металлургический, кек автоклавного выщелачивания, золошлак, вскрышные породы рудников «Конырат» и «Саяк». В настоящее время вскрышные породы используются в основном для отсыпки дамб хвостохранилищ, засыпки карьеров и оврагов, производства щебня, гравия и других строительных материалов. Они находят применение при строительстве автодорог. Отходы частично направляются на доизвлечение металла и используются для закладки выработанного пространства подземных рудников. Вскрышные породы и отходы от подземной добычи руды представляют собой как однокомпонентное, так и многокомпонентное сырье. Это предопределяет многообразие направлений их использования – производство щебня, изготовление бетонов, строительных растворов, применение при строительстве автодорог и укладке насыпи железнодорожных путей. Содержание кальциевых и силикатных составляющих способствует их использованию в силикатной промышленности. В (таблице 1) приведены составы некоторых отходов - породных отвалов Карагандинской области.

Как видно из таблицы, породные отвалы содержат компоненты, которые являются основными составляющими силикатных материалов и могут успешно использоваться в качестве вторичного сырья взамен силикатной и кальциевой составляющей в производстве цемента, силикатного кирпича, бетона и композиционных материалов. Для размещения производственных отходов на предприятиях имеются накопители отходов. На металлургических предприятиях - это накопители породных отвалов углеобогатительных фабрик, химические отвалы, отвалы доменных и сталеплавильных шлаков, золошламонакопитель, свалка ТБО, полигон токсичных отходов. Общее количество таких отходов только на АО «Миттал Стил Темиртау» составляет свыше 170,0 млн. тонн.

Таблица 1 – Характеристика породных отвалов Карагандинской области

№	Наименование полигонов, мест складирования	Занимаемая площадь, га	Класс опасности	Количество образованных отходов, тн/год	Общее накопле-ние, тн	Состав отходов, %
1	Отвалы породы БГМК Корпорация «Казахмыс», п.Саяк	319	5	2397600	307305600	SiO2-74 CaCO3-21,5 MnCO3-3,8 Fe2O3-0,3
2	Отвалы породы БГМК «Корпорация Казахмыс», п.Конырат	941	5	––	743898500
3	Породный отвал ЦОФ «Восточная» ЧД АО «ИспатКармет» п. Придолинский	70	5	99300	14432800	SiO2-54,4 Al2O3-24,8 Fe2O3-7,4 As-0,002 Pb-0,001 Zn-0,004 Cu-0,005 Gr-0,0045 P-0,06
4	Породный отвал, ЧОФ, АООТ «ИспатКармет» г.Темиртау	159,9	5	844600	41356800	SiO2-60,2 Fe2O3-5,73 Al2O3-24,3 Cu-1,57 MnO-1,45
5	Породный отвал Ш.Казахстан-ская УД ОАО «ИспатКармет» г.Шахтинск	153	5	78600	35190000	As-0,0002 Pb-0,003 Zn-0,01 V-0,015 Mn-0,15

Общая площадь накопителей отходов 1470,0 га. Около 40% отходов (окалина, скрап, колошниковая и известковая пыль, шламовые отходы) указанным предприятием вовлекаются в производственные процессы. Бедные по содержанию меди (0,27-0,3) шлаки могут быть рекомендованы к непосредственному использованию в качестве строительного материала. В (таблице 2) приведены данные по отходам «Корпорация Казахмыс”.

Таблица 2 – Характеристика отходов предприятия «Корпорация Казахмыс»

№	Наимено- вание мест складирования	Предприятие	Занимае мая пло-щадь, га	Класс опас- ности	Кол-во образован ных отходов, т	Общее кол-во накопл. отходов, т	Состав отходов, %
1	Хвосто- хранилище	БГМТ Корпора-ции «Казах-мыс»	1880	4	10492200	534274200	SiO – 50 -70 CuO – 7 -15 Al2O3 - 81 Fe -7-13 Cu- 0,15-0,17 Pb-0,006 As -0,005-0,03 Золошлак SiO2-58,2 TiO2-1,3 Al2O3-22,0 Fe2O3-7,4 MgO-2,1 CaO-1,3 Na2O-1,6
2	Отвалы породы	БТМК	319	5	2397600	307305600	SiO2-74 CaCO3-21,5 MnCO3-3,8 FeS2-Fe2SO3–0,3

В результате замены традиционного сырья производственными отходами сокращаются капитальные и текущие затраты, экономятся трудовые ресурсы, топливо и электроэнергия.

Вовлечение отходов в производство, их утилизация способствует сокращению огромных площадей, занятых под хранилища, отвалы, улучшает состояние биосферы.

На предприятиях по добыче асбеста и производству асбестоцемента имеются многочисленные отходы, которые могут успешно использоваться при производстве строительных материалов [2].

Использование вторичного сырья для производства силикатных и других строительных материалов связано с использованием всех технических возможностей переработки отходов различных отраслей промышленности, изучением их химического, минералогического, гранулометрического составов. Изучение свойств некоторых отходов позволяет предполагать, что исследование свойств отходов, их регулирование, дальнейшее использование является актуальной задачей. К таким отходам можно отнести отходы добывающей, металлургической и нефтехимической промышленностей. Отходы промышленности занимают огромные территории, наносят значительный ущерб окружающей среде.

Проблема использования отходов в данной отрасли связана также с пересмотром методики определения размеров ущерба окружающей среде и экономическим стимулированиям предприятий.

Цементная промышленность использует большое количество отходов. Углеотходы не нашли широкого применения. Известен опыт использования отходов коксохимии в качестве компонента сырьевой смеси. Поскольку все углеотходы содержат углеродистую составляющую, то вероятно снижение топлива при выгорании. Промышленные отходы, такие как антрацит, шины, нефтешламы, битуминозное топливо могут повысить теплообмен при выгорании в зоне декарбонизации. Углеотходы, размолотые с известняком и введенные в сырьевую смесь обеспечивают снижение удельного топлива на
15 кг/т.

В бетонные смеси может также вводиться растворимое стекло. Воду и газово-поташные материалы применяют в воде 15%-ных растворов.

Переработанные медные высоко-кремнеземистые шлаки могут быть использованы для получения теплоизоляционных, износостойких строительных материалов, ваты, литых изделий, низкомарочных вяжущих материалов для строительных растворов. Использование отходов горного, обогатительного и металлургического производств отличается высокой эффективностью.

Ежегодный выход сталеплавильных шлаков во всем мире составляет
50 млн. тонн. Производство сталеплавильных шлаков в США составляет примерно 10-15 млн. тонн. В Казахстане с развитой металлургической промышленностью вторичное использование сталеплавильных шлаков также является проблемой.

Сталеплавильные шлаки по классификации США относят к материалам, которые можно рекомендовать к применению в технологии цемента и бетона только после исследований и разработок. Причиной тому является присутствие в шлаках метастабильного С₂S, который при температуре окружающей среды термодинамически неустойчив и может переходить в γ-форму, что сопровождается 10%-ным объемным расширением.

Сталеплавильные шлаки – отход производства стали. Сталь получают плавлением чугуна с известковым или доломитовым флюсом в среде газообразного кислорода. Примесями в чугуне являются углерод, фосфор, кремний, марганец. С→СО/СО₂; Р→Р₂О₅; Si→SiO₂.

Оксид углерода улетучивается, в то время как оксиды железа, кремния, марганца, соединенные с известью или доломитом содержатся в шлаке.

По литературным данным состав сталеплавильных шлаков производств различных стран колеблется. Так, изучение гидролитического потенциала шлаков показало следующее: сталеплавильные шлаки содержат β-ортосиликат кальция, ферриты (2СаО∙Fe₂O₃), фосфат кальция (3СаО∙Р₂О₅), твердые растворы типа (Са, Fe, Mn, Mg) О.

В сталеплавильных шлаках помимо силикатов кальция содержатся соединения Са, Fe, Mn, Mg, Cr. На рисунках 1,2 приведены микрофотографии сталеплавильных шлаков, на которых видны соединения Mg, Fe, кварца.

Рисунок 1 – Микрофотографии сталеплавильных шлаков с содержаниемсоединений Mg, SiO₂ х280

Рисунок 2 – Микрофотографии сталеплавильных шлаков с содержаниемсоединений Fe, х280

Сталеплавильные шлаки могут быть богаты фосфором или кальцием, в них содержится метастабильный C₂S. Приводится расчетный минералогический состав типичных шлаков: β-2СаО∙SiO₂ - 43%; 3CaO∙P₂O₅- 4%; 2CaO∙Fe₂O_3- 17%; (Ca, Fe, Mn, Mg)O - 31%; CaO_св- 5%. Такой шлак в целях предотвращения изменения объема вылеживается. Отмечено, что сталеплавильный шлак может применяться как заполнитель дорожных асфальтобетонов [2].

В последнее время все чаще предпринимаются попытки моделировать состав шлаков для получения активных фаз и удаления фосфора.

Так, исследователями отмечено, что главная проблема в рециркуляции сталеплавильных шлаков – это их фосфорное содержание. ЭМ-Е анализы фазовых составов этих шлаков показали, что фосфор входит в состав C₂S и двухкальциевого феррита. Небольшое количество фосфора соединено с магнезио-вюститом. Для разделения слабомагнитного магнезио-вюастита и двухкальциевого феррита от двухкальциевого силиката и фосфата кальция подобрали режим охлаждения шлаков. Размолотые шлаки были подвергнуты высокоградиентному магнитному разделению. Результаты экспериментов свидетельствуют об удовлетворительном разделении фаз и показали, что около 50% фосфора находится в частицах, содержащих менее чем 30% магнитного материала. По мнению автора, указанные методы для удаления фосфора нуждаются в дальнейшем развитии.

Список использованных источников:

1) Ниязбекова Р.К. Свойства силикатных материалов, содержащих сталеплавильные шлаки - Строительные и отделочные материалы. Стандарты ХХ1 века: труды ХШ Международного семинара Азиатско-Тихоокеанской академии материалов. Новосибирск, 2006. Т.2. - С.87-88

2) Ниязбекова Р.К., Сариева Д.З., Отарбаева Л.С.Study of thermo-effective filler structures in addition with oil sludge steelmaking slags for the production of expanded clay Energy technologies conference proceedings 2014, C. 521-528, Istanbul