Применение минерального сырья в строительстве. Основные виды сырья для производства строительных материалов. Основные характеристики утеплителя из минеральной ваты

Министерство науки и образования Украины

Киевский национальный университет строительства и архитектуры

Кафедра строительного материаловеденья

Реферат на тему: «Использование вторичных продуктов в изготовлении строительных материалов»

ПЛАН:

1. Проблема промышленных отходов и основные направления ее решения

в) Плавленые и искусственные каменные материалы на основе шлаков и зол

в) Материалы из отходов лесохимии и переработки древесины

4. Список литературы

1. Проблема промышленных отходов и основные направления ее решения.

а) Развитие промышленности и накопление отходов

Характерной особенностью научно-технического процесса является увеличение объема общественного производства. Бурное развитие производительных сил вызывает стремительное вовлечение в хозяйственный оборот все большего количества природных ресурсов. Степень их рационального использования остается, однако, в целом весьма низкой. Ежегодно человечество использует приблизительно 10 млрд. т. минеральных и почти столько же органических сырьевых продуктов. Разработка большинства важнейших полезных ископаемых в мире идет быстрее, чем наращиваются их разведанные запасы. Около 70% затрат в промышленности приходится на сырье, материалы, топливо и энергию. В то же время 10…99% исходного сырья превращаются в отходы, сбрасываемые в атмосферу и водоемы, загрязняющие землю. В угольной промышленности, например, ежегодно образуется примерно 1,3 млрд. т. Вскрышных и шахтных пород и около 80 млн. т. Отходов углеобогащения. Ежегодно выход шлаков черной металлургии составляет около 80 млн. т., цветной 2,5, зол и шлаков ТЭС 60…70 млн. т., древесных отходов около 40 млн. м³.

Промышленные отходы активно влияют на экологические факторы, т.е. оказывают существенное влияние на живые организмы. В первую очередь это относится к составу атмосферного воздуха. В атмосферу поступают газообразные и твердые отходы в результате сгорания топлива и разнообразных технологических процессов. Промышленные отходы активно воздействуют не только на атмосферу, но и на гидросферу, т.е. водную среду. Под влиянием промышленных отходов, сосредоточенных в отвалах, шлаконакопителях, хвостохранилищах и т.д., загрязняется поверхностный сток в районе размещения промышленных предприятий. Сброс промышленных отходов приводит, в конечном счете, к загрязнению вод Мирового океана, которое приводит к резкому снижению его биологической продуктивности и отрицательно влияет на климат планеты. Образование отходов в результате деятельности промышленных предприятий негативно сказывается на качестве почвы. В почве накапливаются избыточные количества губительно действующих на живые организмы соединений, в том числе канцерогенные вещества. В загрязненной «больной» почве идут процессы деградации, нарушается жизнедеятельность почвенных организмов.

Рациональное решение проблемы промышленных отходов зависит от ряда факторов: вещественного состава отходов, их агрегатного состояния, количества, технологических особенностей и т.д. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов является внедрение безотходной технологии. Создание безотходных производств осуществляется за счет принципиального изменения технологических процессов, разработке систем с замкнутым циклом, обеспечивающих многократное использование сырья. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются исходными сырьевыми материалами других. Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во- вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье. В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости.

Из отраслей-потребителей промышленных отходов наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10…30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений достигает 35..50%.

б) Классификация промышленных отходов

К настоящему времени отсутствует всесторонняя классификация промышленных отходов. Это обусловлено чрезвычайной пестротой их химического состава, свойств, технологических особенностей, условий образования.

Все отходы промышленности можно разделить на две большие группы: минеральные (неорганические) и органические. Наибольшее значение для производства строительных материалов имеют минеральные отходы. На их долю падает преобладающая доля всех отходов, производимых добывающими и перерабатывающими отраслями промышленности. Эти отходы и в большей мере изучены, чем органические.

Баженовым П.И. предложено классифицировать промышленные отходы в момент выделения их из основного технологического процесса на три класса: А; Б; В.

Продукты класса А (карьерные остатки и остатки после обогащения на полезное ископаемое) имеют химико-минералогический состав и свойства соответствующих горных пород. Область их применения обусловлена агрегатным состоянием, фракционным и химическим составом, физико-механическими свойствами.

Продукты класса Б – искусственные вещества. Они получены как побочные продукты в результате физико-химических процессов, протекающих при обычных или чаще высоких температурах. Диапазон возможного применения этих промышленных отходов шире, чем продуктов класса А.

Продукты класса В образуются в результате физико-химических процессов, протекающих в отвалах. Такими процессами могут быть самовозгорание, распад шлаков и образование порошка. Типичными представителями отходов этого класса являются горелые породы.

2. Опыт применения отходов металлургии, топливной промышленности и энергетики

а) Вяжущие материалы на основе шлаков и зол

Основная масса отходов при получении металлов и сжигании твердого топлива образуется в виде шлаков и зол. Кроме шлаков и зол при производстве металла в больших количествах образуются отходы в виде водных суспензий дисперсных частиц-шламы.

Ценным и весьма распространенным минеральным сырьем для производства строительных материалов являются горелые породы и отходы углеобогащения, а также вскрышные породы и отходы обогащения руд.

Производство вяжущих материалов относится к наиболее эффективным областям применения шлаков. Шлаковые вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: шлакопортландцементы, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлако-щелочные вяжущие.

Шлаки и золы можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе окись кальция (CaO) связана в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката - одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении шлаков и зол обеспечивает повышение производительности печей и экономии топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом производстве клинкера удельный расход сырья и топлива на 10…15%, а также повысить производительность печей на 15%.

Применением маложелезистых шлаков – доменных и феррохромовых – и созданием восстановительных условий плавки получают в электропечах белые цементы. На основе феррохромовых шлаков окислением металлического хрома в расплаве можно получить клинкеры, при использовании которых цементы с ровной и стойкой окраской.

Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных гранулированных шлаков и сульфатного возбудителя твердения – гипса или ангидрида с небольшой добавкой щелочного активизатора: извести, портландцемента или обожженного доломита. Наиболее широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75…85% шлака, 10…15% двуводного гипса или ангидрида, до2% окиси кальция или 5% портландцементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700º С, и высокоглиноземистых основных шлаков. Активность сульфатно-шлакового цемента существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность (4000…5000 см²/г) вяжущего достигается с помощью мокрого помола. При достаточно высокой тонкости измельчения в рациональном составе прочность сульфатно–шлакового цемента не уступает прочности портландцемента. Как и другие шлаковые вяжущие, сульфатно-шлаковый цемент имеет не большую теплоту гидратации – к 7 сут., что позволяет применять его при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также его высокая стойкость к воздействию мягких сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлакового цемента выше, чем шлакопортландцемента, что делает его применение особенно целесообразным в различных агрессивных условиях.

Известково-шлаковые и известково-зольные цементы – это гидравлическиевяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака или золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих, вяжущих при изготовлении их вводится до 5% гипсового камня. Содержание извести составляет 10%...30%.

Известково-шлаковые и зольные цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец – не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10º С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь при после достаточного продолжительного твердения (15…30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

Шлакощелочные вяжущие состоятиз тонкоизмельченногогранулированного шлака (удельная поверхность≥3000 см²/г) и щелочного компонента – соединений щелочных металлов натрия или калия.

Для получения шлакощелочного вяжущего приемлемы гранулированные шлаки с различным минералогическим составом. Решающим условием их активности является содержание стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами.

Свойства шлакощелочного вяжущего зависят от вида, минералогического состава шлака, тонкости его помола, вида и концентрации его раствора щелочного компонента. При удельной поверхности шлака 3000…3500 см²/г количество воды для образования теста нормальной густоты составляет 20…30% массы вяжущего. Прочность шлакощелочного вяжущего при испытании образцов из теста нормальной густоты составляет 30…150 МПа. Для них характерен интенсивный рост прочности как в течении первого месяца, так и в последующие сроки твердения. Так, если прочность портландцемента через 3 мес. твердения в оптимальных условиях превышает марочную примерно в 1,2 раза, то шлакощелочного вяжущего в 1,5 раза. При тепловлажностной обработке процесс твердения ускоряется также интенсивнее, чем при твердении портландцемента. При обычных режимах пропаривания, принятых в технологии сборного железобетона, в течение 28 сут. достигается 90…120% марочной прочности.

Щелочные компоненты, входящие в состав вяжущего, выполняют роль противоморозной добавки, поэтому шлакощелочные вяжущие достаточно интенсивно твердеют при отрицательных температурах.

б) Заполнители из шлакозольных отходов

Шлаковые и зольные отходы представляют богатейшую сырьевую базу для производства как тяжелых, так и легких пористых заполнителей бетона. Основными видами заполнителей на основе металлургических шлаков являются шлаковый щебень и шлаковая пемза.

Из топливных шлаков и зол изготавливают пористые заполнители, в том числе аглопорит, Зольный гравий, глинозольный керамзит.

К эффективным видам тяжелых заполнителей бетона, не уступающим по физико-механическим свойствам продукта дробления плотных природных каменных материалов, относится литой шлаковый щебень. При производстве этого материала литой огненно-жидкий шлак из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 200…500 мм на специальные литейные площадки или в тарпециевидные ямы-траншеи. При выдерживании в течение 2…3 ч. на открытом воздухе температура расплава в слое снижается до 800° С, и шлак кристаллизуется. Затем он охлаждается водой, что приводит к развитию в слое шлака многочисленных трещин. Шлаковые массивы на литейных площадках или в траншеях разрабатываются эскаваторами с последующим дроблением.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозо и жаростойкостью, а также сопротивлением истиранию. Стоимость его в 3…4 раза ниже, чем щебня из природного камня.

Шлаковая пемза (тормозит) – одно из наиболее эффективных видов искусственных пористых заполнителей. Ее получаю поризацией шлаковых расплавов в результате их быстрого охлаждения водой, воздухом или паром, а также воздействием минеральных газообразователей. Из технологических способов получения шлаковой пемзы наиболее часто применяются бассейновый, струйный и гидроэкранный способы.

Топливные шлаки и золы являются лучшим сырьем для производства искусственного пористого заполнителя – аглопорита. Это обусловлено, во-первых, способностью золошлакового сырья так же, как глинистых пород и других алюмосиликатных материалов, спекаться на решетках агломерационных машин, во-вторых, содержанием в нем остатка топлива, достаточных для процесса агломерации. При использовании обычной технологии аглопорит получают в виде щебня из песка. Из зол ТЭС можно получать и аглопоритовый гравий, имеющий высокие технико-экономические показатели.

Главная особенность технологии аглопоритового гравия в том, что в результате агломерации сырья образуется не спекшийся корж, а обожженные гранулы. Сущность технологии производства аглопоритового гравия заключается в получении сырцовых зольных гранул крупностью 10…20 мм, укладке их на колосники ленточной агломерационной машины слоем толщиной 200…300 мм и термической обработке.

Производство аглопритового по сравнению с обычным производством аглопорита характеризуется снижением на 20…30% расхода технологического топлива, более низким разрежением воздуха в вакуум-камерах и увеличением удельной производительности в 1,5…3 раза. Аглопоритовый гравий имеет плотную поверхностную оболочку и поэтому при практически равной объемной массе со щебнем отличается от него более высокой прочностью и меньшим водопглощением. Расчеты что замена 1 млн. м³ привозного природного щебня агдопортовым гравием из золы ТЭС лишь за счет сокращения транспортных расходов при перевозках на расстояние 500…1000 км дает экономии 2 млн. рублей. Применение аглопорита на основе зол и шлаков ТЭС позволяет получать легкие бетоны марок 50…4000 с объемной массой от 900 до 1800 кг/м³ при расходе цемента от 200 до 400 кг/м³.

Зольный гравий получают гранулированием подготовленной золошлаковой смеси или золы-уноса ТЭС с последующим спеканием и вспучиванием во вращающейся печи при температуре 1150…1250° С. На зольном гравии получают легкие бетоны с такими же примерно показателями, как и при использовании аглопоритного гравия. При производстве зольного гравия эффективны лишь вспучивающие золы ТЭС с содержанием топливных остатков не более 10%.

Глинозольный керамзит – продукт вспучивания и спекания во вращающейся печи гранул, сформированных из смеси глин и золошлаковых отходов ТЭС. Зола может составлять от 30 до 80% всей массы сырья. Введение глинистого компонента улучшает формовочные свойства шихты, способствует выгоранию остатков угля в золе, что позволяет использовать золы с повышенным содержанием несгоревшего топлива.

Объемная масса глинозольного керамзита составляет 400..6000 кг/м³, а прочность при сдавливании в стальном цилиндре 3,4…5 МПа. Главные преимущества производства глинозольного керамзита по сравнению с аглопоритом и зольным гравием – возможность использования золы ТЭС из отвалов во влажном состоянии без использования сушильных и помольных агрегатов и более простой способ формирования гранул.

в) Плавленые и искусственные каменные материалы на основе шлаков и зол

К основным направлениям переработки металлургических и топливных шлаков, а также зол наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение шлаковой ваты, литых материалов и шлакоситталов, зольной керамики и силикатного кирпича.

Шлаковая вата – разновидность минеральной ваты, занимающей ведущее место среди теплоизоляционных материалов, как по объему выпуска, так и по строительно-техическим свойствам. В производстве минеральной ваты доменные шлаки нашли наибольшее применение. Использование здесь шлака вместо природного сырья дает экономию до 150 грн. на 1 т. Для получения минеральной ваты наряду с доменными применяются также ваграночные, мартеновские шлаки и шлаки цветной металлургии.

Требуемое соотношение кислотных и основных оксидов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кроме того, кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в минеральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т.е. разность температур, в пределах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основных добавок.

Из расплава металлургических и топливных шлаков отливают разнообразные изделия: камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, тюбинги, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы. Изготовление шлакового литья началось одновременно с внедрением в металлургию доменного процесса. Литые изделия из шлакового расплава экономически более выгодны по сравнению с каменным литьем, приближаясь к нему по механическим свойствам. Объемная масса плотных литых изделий из шлака достигает 3000 кг/м³, предел прочности на сжатие 500 МПа.

Шлакоситаллы – разновидность стеклокристаллических материалов, получаемых направленной кристаллизацией стекол. В отличие от других ситаллов сырьевыми материалами для них служат шлаки черной и цветной металлургии, а также золы сжигания каменного угля. Шлакоситаллы разработаны впервые в СССР. Они широко применяются в строительстве как конструкционные и отделочные материалы, обладающие высокой прочностью. Производство шлакоситаллов заключается в варке шлаковых стекол, формировании из них изделий и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Наиболее эффективно использование огненно-жидких металлургических шлаков, что экономит до 30…40% всего тепла, затрачиваемого на варку.

Шлакоситаллы все шире применяются в строительстве. Плитами листового шлакосситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов и кровли. Шлакостиалл – эффективный материал для ступеней, подоконников и других конструктивных элементов зданий. Высокая износостойкость и химическая стойкость позволяют успешно применять Шлакоситаллы для защиты строительных конструкций и аппаратуры в химической, горнорудной и других отраслях промышленности.

Золошлаковые отходы ТЭС могут служить отощающими топливосодержащими добавками в производстве керамических изделий на основе глинистых пород, а также основным сырьем для изготовления зольной керамики. Наиболее широко применяют топливные золы и шлаки как добавки при производстве стеновых керамических изделий. Для изготовления полнотелого и пустотелого кирпича и керамических камней в первую очередь рекомендуется использовать легкоплавкие золы с температурой размягчения до 1200° С. Золы и шлаки, содержащие до 10% топлива, применяют как отощающие, а 10% и более – как топливосодержащие добавки. В последнем случае можно существенно сократить или исключить введение в шихту технологического топлива.

Разработан ряд технологических способов получения зольной керамики, где Золошлаковые отходы ТЭС являются уже не добавочным материалом, а основным сырьевым компонентом. Так, при обычном оборудовании кирпичных заводов может быть изготовлен зольный кирпич из массы, включающей золу, шлак и натриевое жидкое стекло в количестве 3% по объему. Последнее выполняет роль пластификатора, обеспечивая получение изделий с минимальной влажностью, что исключает необходимость сушки сырца.

Зольную керамику выпускают в виде прессованных изделий из массы, включающей 60…80% золы-уноса, 10…20% глины и друге добавки. Изделия поступают на сушку и обжиг. Зольная керамика может служить не только стеновым материалом, обладающим стабильной прочностью и высокой морозостойкостью. Она характеризуется высокой кислотостойкостью и низкой истераемостью, что позволяет изготавливать из нее тротуарные и дорожные плиты и изделия, обладающие высокой долговечностью.

В производстве силикатного кирпича зола ТЭС используется как компонент вяжущего или заполнителя. В первом случае расход ее достигает 500 кг., во втором – 1,5…3,5 т. на 1 тыс. шт. кирпича. При введении угольной золы расход извести снижается на 10…50%, а сланцевые золы с содержанием CaO+MgO до 40…50% могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в известково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой добавкой, но и способствует пластификации смеси и повышению в 1,3…1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения нормальной работы автоматов-укладчиков.

г) Золы и шлаки в дорожно-строительных и изоляционных материалах

Крупнотоннажным потребителем топливных зол и шлаков является дорожное строительство, где золы и золошлаковые смеси используют для устройства подстилающих и нижних слоев оснований, частичной замены вяжущих при стабилизации грунтов цементом и известью, как минеральный порошок в асфальтовых бетонах и растворах, как добавки в дорожных цементных бетонах.

Золы, полученные при сжигании углей и горючих сланцев, применяются в качестве наполнителей кровельных и гидроизоляционных мастик. Золошлаковые смеси в дорожном строительстве применяют неукрепленными и укрепленными. Неукрепленные золошлаковые смеси используют в основном в качестве материала для устройства подстилающих и нижних слоев оснований дорог областного и местного значения. При содержании не более 16% пылевидной золы их применяют для улучшения грунтовых покрытий, подвергаемых поверхностной обработке битумной или дегтевой эмульсией. Конструктивные слои дорог можно выполнить из золошлаковых смесей с содержанием золы не более 25…30%. В гравийно-щебеночных основаниях в качестве уплотняющей добавки целесообразно применять золошлаковую смесь с содержанием пылевидной золы до 50%, Содержание несгоревшего угля в топливных отходах ТЭС, применяемых для возведения дорог, не должно превышать 10%.

Также как и природные каменные материалы относительно высокой прочности, золошлаковые отходы ТЭС служат для изготовления битумоминеральных смесей, применяемых для создания конструктивных слоев дорог 3-5 категорий. Из топливных шлаков, обработанных битумом или дегтем (до 2% по массе), получают черный щебень. Смешивая подогретую до 170…200° С золу с 0,3…2% раствора битума в зеленом масле, получают гидрофобный порошок с объемной массой 450…6000 кг/м³. Гидрофобный порошок одновременно может выполнять функции гидро- и теплоизоляционного материала. Распространено применение зол в качестве наполнителя мастик.

д) Материалы на основе шламов металлургических производств

Для производства строительных материалов промышленное значение имеют нефелиновые, бокситовые, сульфатные, белые и многокальциевые шламы. Объем одних лишь нефелиновых шламов, пригодных для использования, составляет ежегодно свыше 7 млн.т.

Основным направлением применения шламовых отходов металлургической промышленности являются изготовление бесклинкерных вяжущих, материалов на их основе, получение портландцемента и смешенных цементов. В промышленности особенно широко используется нефелиновый (белитовый) шлам, получаемый при извлечении глинозема из нефелиновых пород.

Под руководством П.И. Баженова разработана технология изготовления нефелинового цемента и материалов на его основе. Нефелиновый цемент является продуктом совместного помола или тщательного перемешивания предварительного измельченных нефелинового шлама (80…85%), извести или другого активизатора, например портландцемента (15…20%) и гипса (4…7%). Начало схватывания нефелинового цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин., конец – не позднее чем через 6ч. после его затворения, Его марки 100, 150, 200 и 250.

Нефелиновый цемент является эффективным для кладочных и штукатурных растворов, а также для бетонов нормального и особенно автоклавного твердения. ПО пластичности и времени схватывания растворы на нефелиновом цементе близки к известково-гипсовым растворам. В бетонах нормального твердения нефелиновый цемент обеспечивает получение марок 100…200, в автоклавных – марок 300…500 при расходе 250…300 кг/м³. Особенностями бетонов на нефелиновом цементе является низкая экзометрия, что важно учитывать при строительстве массивных гидротехнических сооружений, высокое сцепление со стальной арматурой после автоклавной обработки, повышенная стойкость в минерализованных водах.

Близким по составу к нефелиновому цементу являются вяжущие на основе бокситового, сульфатного и других шламов металлургических производств. Если значительная часть этих минералов гидратирована, для проявления вяжущих свойств шламов необходима их сушка в интервале 300…700° С. для активизации этих вяжущих целесообразно введение добавок извести и гипса.

Шламовые вяжущие относятся к категории местных материалов. Наиболее рационально применять их для изготовления изделий автоклавного твердения. Однако они могут, применятся и в строительных растворах, при отделочных работах, изготовлении материалов с органическими заполнителями, например фибролита. Химический состав ряда металлургических шламов позволяет применять их в качестве основного сырьевого компонента портландцементного клинкера, а также активной добавки в производстве портландцемента и смешанных цементов.

е) Применение горелых пород, отходов углеобогащения, добычи и обогащения руд

Основная масса горелых пород является продуктом обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей. Разновидностями горелых пород являются глиежи – гилинстые и глинисто-песчанные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные, перегоревши шахтные породы.

Возможности применения горелых пород и отходов углеобогащения в производстве строительных материалов весьма разнообразны. Горелые породы, как и другие обожженные глинистые материалы, обладают активностью по отношению к извести и используются в роли гидравлических добавок в вяжущих известково-пуццоланового типа, портландцементе, пуццолановом портландцементе и автоклавных материалах, Высокая адсорбционная активность и сцепление с органическими вяжущими позволяют применять их в асфальтовых и полимерных композициях. Естественно, обжигаемые в недрах земли или в терриконах угольных шахт горелые породы – аргиллиты, алевролиты и песчаники – имеют керамическую природу и могут, применятся в производстве жаростойких бетонов и пористых заполнителей. Некоторые горелые породы являются легкими нерудными материалами, что обусловливает их использование как заполнителей для легких растворов и бетонов.

Отходы углеобогащения – ценный вид минералогического сырья, в основном используемый в производстве стеновых керамических материалов и пористых заполнителей. По химическому составу отходы углеобогащения близки к традиционному глинистому сырью. В роли вредной примеси в них выступает сера, содержащаяся в сульфатных Ии сульфидных соединениях. Теплотворная способность их колеблется в широких пределах – от 3360 до 12600 кДж\кг и более.

в производстве стеновых керамических изделий отходы углеобогащения применяют как отощающую или выгорающую топливосодержащую добавку. До введения в керамическую шихту кусковые отходы дробят. Предварительное дробление не требуется для шлама размером частиц менее 1мм. Шлам предварительно подсушивается до влажности 5…6%. Добавка отходов при получении кирпича пластическим способом должна составлять 10…30%. Введение оптимального количества топливо содержащей добавки в результате более равномерного обжига значительно улучшает прочностные показатели изделий (до 30…40%), экономит топливо (до30%), исключает необходимость введения в шихту каменного угля, повышает производительность печей.

Возможно применение шлама углеобогащения сравнительно высокой теплотворной способности (18900…21000кДж/кг) в качестве технологического топлива. Он не требует дополнительного дробления, хорошо распределяется по садке при засыпке через топливные отверстия, что способствует равномерному обжигу изделий, а главное намного дешевле угля.

Из некоторых разновидностей отходов обогащения каменного угля можно производить не только аглопорит, но и керамзит. Ценным источником нерудных материалов являются попутно добываемые породы горнодобывающих отраслей промышленности. Основным направлением утилизации этой группы отходов является производство прежде всего заполнителей бетонов и растворов, дорожно-строительных материалов, бутового камня.

Строительный щебень получают из попутных пород при добыче железной и других руд. Высококачественным сырьем для производства щебня являются безрудные железистые кварциты: роговики, кварцитовые и кристаллические сланцы. Щебень из попутных пород при добычи железной руды получают на дробильно-сортировочных установках, а также сухой магнитной сепарацией.

3. Опыт применения отходов химико-технологических производств и переработки древесины

а) Применение шлаков электротермического производства фосфора

Важным источником строительного сырья являются также сельскохозяйственные отходы растительного происхождения. Ежегодный выход, например, отходов стеблей хлопчатника составляет около 5 млн. т. в год, а льняной костры более 1 млн. т.

Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. К ним относятся ветви, сучья, вершины, откомплевки, козырьки, опилки, пни, корни, кора и хворост, в сумме составляющие около 21% всей массы древесины. При переработке древесины на пиломатериалы выход продукции достигает 65%, остальная часть образует отходы в виде горбыля (14%), опилок (12%), срезок и мелочи (9%). При изготовлении из пиломатериалов строительных деталей, мебели и других изделий возникают отходы в виде стружки, опилок и отдельных кусков древесины – срезок, составляющих до 40% массы переработанных пиломатериалов.

Наибольшее значение для производства строительных материалов и изделий имеют опилки, стружка и кусковые отходы. Последние используют как непосредственно для изготовления клееных строительных изделий, так и переработки на технологическую щепу, а затем стружку, дробленку, волокнистую массу. Разработана технология получения строительных материалов из коры и одубины – отхода производства дубильных экстрактов.

Фосфорные шлаки - это побочный продукт производства фосфора термическим способом в электропечах. При температуре 1300…1500° С фосфат кальция взаимодействует с углеродом кокса и кремнеземом, в результате чего образуется фосфор и шлаковый расплав. Шлак сливается из печей в огненно-жидком состоянии и гранулируется мокрым способом. На 1 т. фосфора приходится 10…12т шлака. На крупных химических предприятиях получают до двух млн. т. шлака в год. Химический состав фосфорных шлаков близок к составу доменных.

Из фосфорно-шлаковых расплавов можно получать шлаковую пемзу, вату и литые изделия. Шлаковую пемзу получают по обычной технологии без изменения состава фосфорных шлаков. Она имеет объемную насыпную массу 600…800 кг/м³ и стекловидную мелкопористую структуру. Фосфорно-шлаковая вата характеризуется длинными тонкими волокнами и объемной массой 80…200 кг/м³. Фосфорно-шлаковые расплавы могут перерабатывается в литой щебень по траншейной технологии, применяемой на металлургических предприятиях.

б) Материалы на основе гипссодержащих и железистых отходов

Потребность промышленности строительных материалов в гипсовом камне в настоящее время превышает 40 млн.т. В то же время потребность в гипсовом сырье может быть в основном удовлетворенна за счет гипссодержащих отходов химической, пищевой, лесохимической промышленности. В 1980 г. в нашей стране выход отходов и побочных продуктов, содержащих сульфаты кальция, достиг примерно 20 млн. т в год, в том числе фосфогипса – 15,6 млн. т.

Фосфогипс - отходсернокислотной обработки апатитов или фосфоритов в фосфорную кислоту или концентрированные фосфорные удобрения. Он содержит 92…95% двуводного гипса с механической примесью 1…1,5% пятиокиси фосфора и некоторого количества других примесей. Фосфогипс имеет вид шлама влажностью 20…30% с высоким содержанием растворимых примесей. Твердая фаза шлама тонкодисперсная и более чем на 50% состоит из частиц размером менее 10мкм. Стоимость транспортирования и хранения фосфогипса в отвалах составляет до 30% общей стоимости сооружений и эксплуатации основного производства.

При производстве фосфорной кислоты способом экстракции по полугидратной схеме отходом является фосфополугидрат сульфата кальция, содержащий 92…95% - основного компонента высокопрочного гипса. Однако наличие на поверхности кристаллов полугидрата пассивирующих пленок заметно сдерживает проявление вяжущих свойств у этого продукта без специальной его технологической обработке.

При обычной технологии гипсовые вяжущие на основе фосфогипса низкокачественны, что объясняется высокой водопотребностью фосфогипса, обусловленной большой пористостью полугидрата в результате наличия крупных кристаллов в исходном сырье. Если водопотребность обычного строительного гипса 50…70%, то для получения теста нормальной густоты из фосфогипсового вяжущего без дополнительной обработки требуется воды 120…130%. Отрицательно влияют на строительные свойства фосфогипса и содержащиеся в нем примеси. Это влияние несколько снижается при домоле фосфогипса и формирования изделий методом виброукладки. В этом случае качество фосфогипсового вяжущего повышается, хотя и остается ниже, чем строительного гипса из природного сырья.

В МИСИ на основе фосфогипса получено композиционное вяжущее повышенной водостойкости, содержащее 70…90% α-полугидрата, 5…20% портландцемента и 3…10% пуццолановых добавок. При удельной поверхности 3000…4500 см²/г водопотребность вяжущего составляет 35…45%, схватывание начинается через 20…30 мин, кончается через 30…60 мин., предел прочности на сжатие равен 30…35 МПа, коэффициент размягчения 0,6…0,7. водостойкое вяжущее получают при гидротермальной обработке в автоклаве смеси фосфогипса, портландцемента и добавок, содержащих активный кремнезем.

В цементной промышленности Фосфогипс применяют как минерализатор при обжиге клинкера и вместо природного гипса как добавку для регулирования схватывания цемента. Добавка 3…4% в шлам позволяет увеличить коэффициент насыщения клинкера с 0.89…0,9 до 0,94…0,96 без снижения производительности печей, повысить стойкость футеровки в зоне спекания вследствие равномерного образования устойчивой обмазки и получить легко размалываемый клинкер. Установлена пригодность фосфогипса для замены гипса при помоле цементного клинкера.

Широкое применение фосфогипса как добавки в производстве цемента возможно лишь при его подсушке и гранулировании. Влажность гранулированного фосфогипса не должна превышать 10…12%. Сущность основной схемы гранулирования фосфогипса заключается в обезвоживании части исходного фосфогипсового шлама при температуре 220…250° С до состояния растворимого ангидрида с последующим смешиванием его с остальной частью фосфогипса. При смешении фосфоангидрида с фосфогипсом во вращающемся барабане обезвоженный продукт гидратируется за счет свободной влаги исходного материала, и в результате образуются твердые гранулы двуводногофосфогипса. Возможен и другой метод гранулирования фосфогипса – с упрочняющей добавкой пиритных огарков.

Кроме производства вяжущих и изделий на их основе известны и другие пути утилизации гипссодержащих отходов. Опыты показали, что добавкадо 5% фосфогипса в шихту при производстве кирпича интенсифицирует процесс сушки и способствует повышению качества изделий. Объясняется это улучшением керамико-технологических свойств глиняного сырья за счет присутствия основного компонента фосфогипса – двуводного сульфата кальция.

Из железистых отходов наиболее широко применяются пиритные огарки . В частности в производстве портландцементного клинкера их используют как корректирующую добавку. Однако огарки, расходуемые в цементной промышленности, составляют лишь небольшую часть их общего выхода на предприятиях по производству серной кислоты, потребляющих в качестве основного исходного сырья серный колчедан.

Разработана технология изготовления высокожелезистых цементов. Исходными компонентами для получения таких цементов служат мел (60%) и пиритные огарки (40%). Сырьевую смесь обжигают при температуре 1220…1250º С. Высокожелезистые цементы характеризуются нормальными сроками схватывания при введении в сырьевую смесь до 3% гипса. Прочность их на сжатие в условиях водного и воздушно-влажного твердения в течении 28 сут. соответствует маркам 150 и 200, а при пропаривании в автоклавной обработке увеличивается в 2 …2,5 раза. Высокожелезистые цементы являются безусадочными.

Пиритные огарки в производстве искусственных заполнителей бетонов могут служить как добавкой, так и основным сырьем. Добавку пиритных огарков в количестве 2…4% общей массы вводят для увеличения газотворной способности глин при получении керамзита. Этому способствует распад в огарках при 700…800º С остатков пирита с образованием сернистого газа и восстановлением оксидов железа под влиянием органических примесей, присутствующих в глинистом сырье, с выделением газов. Железистые соединения, особенно в закисной форме, действуют как плавни, вызывая разжижение расплава и уменьшение температурного интервала изменения его вязкости.

Железосодержащие добавки применяют в производстве стеновых керамических материалов для снижения температуры обжига, повышения качества и улучшения цветовых характеристик. Положительные результаты дает предварительное прокаливание огарков для разложения примесей сульфидов и сульфатов, образующих при обжиге газообразные продукты, присутствие которых снижает механическую прочность изделий. Эффективно введение в шихту 5…10% огарков, особенно в сырье с низким количеством плавней и недостаточной спекаемостью.

В производстве фасадных плиток полусухим и шлинкерным способами прокаленные огарки могут добавляться в шихты в количестве от 5 до 50% по массе. Использование огарков позволяет выпускать цветные керамические фасадные плитки без дополнительного введения в глину шамота. При этом температура обжига плиток из тугоплавких и огнеупорных глин снижается на 50…100° С.

в) Материалы из отходов лесохимии и переработки древесины

Для производства строительных материалов наиболее ценным сырьем из отходов химической промышленности являются шлаки электротермического производства фосфора, гипссодержащие и известковые отходы.

К отходам зимико-технологических производств можно отнести изношенную резину и вторичное полимерное сырье, а также ряд побочных продуктов предприятий строительных материалов: цементную пыль, осадки в водоочистительных аппаратах асбестоцементных предприятий., бой стекла и керамики. Отходы составляют до 50% всей массы перерабатываемой древесины, большая часть из них в настоящее время сжигается или вывозится в отвал.

Предприятия строительных материалов, расположенные вблизи гидролизных заводов, могут успешно утилизировать лигнин – один из наиболее емких отходов лесохимии. Опыт работы ряда кирпичных заводов позволяет считать лигнин эффективной выгорающей добавкой. Он хорошо смешивается с другими компонентами шихты, не ухудшает ее формировочных свойств и не затрудняет резку бруса. Наибольший эффект его применения имеет место при сравнительно небольшой карьерной влажности глины. Запрессованный в сырец лигнин при сушке не горит. Горючая часть лигнина полностью улетучивается при температуре 350…400º С, зольность его составляет 4…7%. Для обеспечения кондиционной механической прочности обыкновенного глиняного кирпича лигнин следует вводить в формировочную шихту в количестве до 20…25% ее объема.

В производстве цемента лигнин можно использовать как пластификатор сырьевого шлама и интенсификатор измельчения сырьевой смеси и цемента. Дозировка лигнина в этом случае составляет 0,2…0,3%. Разжижающееся действие гидролизного лигнина объясняется присутствием в нем веществ фенольного характера, хорошо снижающих вязкость известняково-глинистых суспензий. Действие лигнина при помоле заключается главным образом в уменьшении слипания мелких фракций материала и их налипании на мелющие тела.

Древесные отходы без предварительной переработки (опилки, стружка) или после измельчения (щепа, дробленка, древесная шерсть) могут служить заполнителями в строительных материалах на основе минеральных и органических вяжущих, эти материалы характеризуются невысокой объемной массой и теплопроводностью, а также хорошей обрабатываемостью. Пропиткой древесных заполнителей минерализаторами и последующим смешиванием с минеральными вяжущими обеспечивается биостойкость и трудносгораемость материалов на их основе. Общие недостатки материалов на древесных заполнителях – высокое водопоглащение и сравнительно низкая водостойкость. По назначению эти материалы делятся на теплоизоляционные и конструктивно-теплоизоляционные.

Главными представителями группы материалов на древесных заполнителях и минеральных вяжущих являются арболит, фибролит и опилкобетоны.

Арболит - легкий бетон на заполнителях растительного происхождения, предварительно обработанных раствором минерализатора. Он применяется в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в виде панелей и блоков для возведения стен и перегородок, плит перекрытий и покрытий зданий, теплоизоляционных и звукоизоляционных плит. Стоимость зданий из арболита на 20…30% ниже чем из кирпича. Арболитовые конструкции могут эксплуатироваться при относительной влажности воздуха помещений не более 75%. При большой влажности требуется устройство пароизоляционного слоя.

Фибролит в отличие от арболита в качестве заполнителя и одновременно армирующего компонента включает древесную шерсть – стружку длинной от 200 до 500 мм., шириной 4…7 мм. и толщиной 0,25…0,5 мм. Древесную шерсть получают из неделовой древесины хвойных, реже лиственных пород. Фибролит отличается высокой звукопоглащаемостью, легкой обрабатываемостью, гвоздимостью, хорошим сцеплением со штукатурным слоем и бетоном. Технология производства фибролита включает приготовление древесной шерсти, обработки ее минерализатором, смешиванием с цементом, прессование плит и их термическую обработку.

Опилкобетоны – это материал на основе минеральных вяжущих и древесных опилок. К ним относятся ксилолит, ксилобетон и некоторые другие материалы, близкие к ним по составу и технологии.

Ксилолитом называется искусственный строительный материал, полученный в результате твердения смеси магнезиального вяжущего и древесных опилок, затворенной раствором хлорида или сульфата магния. В основном ксилолит применяется для устройства монолитных или сборных покрытий пола. Преимущества ксилолитовых полов – относительно небольшой коэффициент теплоусвоения, гигиеничность, достаточная твердость, низкая истираемость, возможность разнообразной цветной окраски.

Ксилобетоны - разновидность легкого бетона, заполнителем которого служат опилки, а вяжущим – цемент или известь и гипс, ксилобетон при объемной массе 300…700 кг/м³ и прочности на сжатии 0,4…3 МПа применяют как теплоизоляционный, а при объемной массе 700…1200 кг/м³ и прочности на сжатие до 10 МПА – как конструктивно-теплоизоляционный материал.

Клееная древесина относится к наиболее эффективным строительным материалам. Она может быть слоистой или полученной из шпона (фанера, древеснослоистые пластики); массивной из кусковых отходов лесопиления и деревообработке (панели, шиты, брусья, доски) и комбинированной (столярные плиты). Преимущества клееной древесины – низкая объемная масса, водостойкость, возможность получения из маломерного материала изделий сложной формы, крупных конструктивных элементов. В клееных конструкциях ослабляется влияние анизотропности древесины и его пороков, они характеризируется повышенной глиностойкостью и низкой возгораемостью, не подвержены усушке и короблении. Клееные деревянные конструкции по срокам и трудозатратам при возведении зданий, стойкости при возведении агрессивной воздушной среды часто успешно конкурируют со стальными и железобетонными конструкциями. Их применение эффективно при возведении сельскохозяйственных и промышленных предприятий, выставочных и торговых павильонов, спортивных комплексов, зданий и сооружений сборно-разборного типа.

Древесно-стружечные плиты – это материал, полученный горячим прессованием измельченной древесины, смешанной со связующими веществами – синтетическими полимерами. Преимуществами этого материала являются однородность физико-механических свойств в различных направлениях, сравнительно небольшие линейные изменения при переменной влажности, возможность высокой механизации и автоматизации производства.

Строительные материалы на основе некоторых отходов древесины могут изготавливаться без применения специальных вяжущих. Частицы древесины в таких материалах связываются в результате сближения и переплетения волокон, их когезионной способности и физико-химических связей, возникающих в процессе обработки пресс-массы при высоких давлении и температуры.

Без применения специальных связующих получают древесно-волокнистые плиты.

Древесно-волокнистые плиты – материал, формируемый из волокнистой массы с последующей тепловой обработкой. Примерно 90% всех древесно-волокнистых плит изготовляют из древесины. Исходным сырьем служат неделовая древесина и отходы лесопильного и деревообрабатывающего производств. Плиты можно получать из волокон лубяных растений и из другого волокнистого сырья, обладающего достаточной прочностью и гибкостью.

В группу древесных пластиков входят: Древесно-слоистые пластики – материал из листов шпона, пропитанных синтетическим полимером резольного типа и склеенных в результате термической обработки давлением, лигноуглеводные и пьезотермопластики, производимые из древесных опилок высокотемпературной обработкой пресс-массы без ввода специальных вяжущих. Технология лигноуглеводных пластиков состоит из подготовки, сушки и дозировки древесных частиц, формования ковра, холодной его подпрессовке, горячего прессования и охлаждения без снятия давления. Область применения лигноуглеводных пластиков такая же, как древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит.

Пьезотермопластики могут изготавливаются из опилок двумя способами – без предварительной обработки и с гидротермальной обработкой исходного сырья. По второму способу кондиционные опилки обрабатываются в автоклавах паром при температуре 170…180º С и давлении 0,8…1 МПа в течении 2 ч. Гидролизованная пресс-масса частично высушивается и при определенной влажности последовательно подвергается холодному и горячему прессованию.

Из пьезотермопластиков выпускают плитки для пола толщиной 12мм. Исходным сырьем могут служить опилки или измельченная древесина хвойных и лиственных пород, льняная или конопляная костра, камыш, гидролизный лигнин, одубина.

г) Утилизация собственных отходов в производстве строительных материалов

Опыт предприятий Крымской автономной республики, разрабатывающих известняк-ракушечник для получения стенового штучного камня, показывает эффективность изготовления из отходов камнепиления ракушечно-бетонных блоков. Блоки формируются в горизонтальных металлических формах с откидными бортами. Дно формы покрывается раствором из ракушечника толщиной 12..15 мм для создания внутреннего фактурного слоя. Форма заполняется крупнопористым или мелкозернистым бетоном из ракушечника. Фактура внешней поверхности блоков может создаваться специальным раствором. Ракушечно-бетонные блоки применяют для кладки фундаментов и стен при строительстве производственных и жилых зданий.

В производстве цемента в результате переработки тонкодисперсных минеральных материалов образуется значительное количество пыли, Общее количество улавливаемой пыли на цементных заводах может составлять до 30% всего объема выпускаемой продукции. До 80% всего количества пыли выбрасывается с газами клинкерообжигательных печей. Пыль, выносимая из печей, является полидесперсным порошком, содержащим при мокром способе производства 40…70, а при сухом – до 80% фракций размером менее 20мкм. Минералогическими исследованиями установлено, что в составе пыли содержится до 20% клинкерных минералов, 2…14% свободной окиси кальция и от 1 до 8% щелочей. Основная масса пыли состоит из смеси обожженной глины и неразложившегося известняка. Состав пыли существенно зависит от типа печей, вида и свойств применяемого сырья, способа улавливания.

Основным направлением утилизации пыли на цементных заводах является использование ее в самом процессе производства цемента. Пыль из пылеосадительных камер возвращается во вращающуюся печь вместе со шламом. Основное же количество свободной окиси кальция, щелочей и серного ангидрида. Добавка 5…15% такой пыли к сырьевому шламу вызывает его коагуляцию и уменьшение текучести. При повышенном содержании в пыли щелочных окислов также снижается качество клинкера.

Асбестоцементные отходы содержат большое количество гидратированных цементных минералов и асбеста. При обжиге в результате обезвоживании гидратных составляющих цемента и асбеста они приобретают вяжущие свойства. Оптимальная температура обжига находится в интервале 600…700º С. В этом температурном диапазоне завершается дегидратация гидросиликатов, разлагается асбест и образуется ряд минералов, способных к гидравлическому твердению. Вяжущие с выраженной активностью можно получить смешиванием термически обработанных асбестоцементных отходов с металлургическим шлаком и гипсом. Из асбестоцементных отходов изготавливают облицовочные плитки и плитки для пола.

Эффективным видом вяжущего в композициях из асбестоцементных отходов является жидкое стекло. Облицовочные плиты из смеси высушенных и измельченных в порошок асбестоцементных отходов и раствора жидкого стекла плотностью 1,1…1,15 кг/см³ получают при удельном давлении прессования 40…50 МПа. В сухом состоянии эти плиты имеют объемную массу 1380…1410 кг/м³, предел прочности на изгиб 6,5…7 МПа, на сжатие 12…16 МПа.

Из отходов асбестоцементного можно изготавливать теплоизоляционные материалы. Изделия в виде плит, сегментов и скорлуп получают из обожженных и измельченных отходов с добавкой извести, песка и газообразователей. Газобетон на основе вяжущих из асбестоцементных отходов имеют прочность на сжатие 1,9…2,4 МПа и объемную массу 370…420 кг/м³. Отходы асбестоцементной промышленности могут служить наполнителями теплых штукатурок, асфальтовых мастик и асфальтовых бетонов, а также заполнителями бетонов с высокой ударной вязкостью.

Стекольные отходы образуются как при производстве стекла, так и при использовании стеклоизделий на строительных объектах и в быту. Возврат стеклобоя в основной технологический процесс производства стекла является основным направлением его утилизации.

Из порошка стекольного боя с газообразователями спеканием при 800…900° получают один из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов – пеностекло. Плиты и блоки из пеностекла имеют объемную массу 100…300 кг/м³, теплопроводность 0,09…0,1 Вт и предел прочности на сжатие 0,5…3 МПа.

В смеси с пластичными глинами стекольный бой может служить основным компонентом керамических масс. Изделия из таких масс изготавливают по полусухой технологии, их отличает высокая механическая прочность. Введение стекольного боя в керамическую массу снижает температуру обжига и повышает производительность печей. Выпускают стеклокерамические плитки из шихты, включающей от 10 до 70% боя стекла, измельченного в шаровой мельнице. Массу увлажняют до 5…7%. Плитки прессуют, сушат и обжигают при 750…1000º С. Водопоглащение плиток – не более 6%. морозостойкость более 50 циклов.

Битое стекло также применяют как декоративный материал в цветных штукатурках, молотые стекольные отходы можно использовать как присыпку по масляной краске, абразив – для изготовления наждачной бумаги и как компонент глазури.

В керамическом производстве отходы возникают на различных стадиях технологического процесса, Сушильный брак после необходимого измельчения служит добавкой для снижения влажности исходной шихты. Бой глиняного кирпича используется после дробления как щебень в общестроительных работах и при изготовлении бетона. Кирпичный щебень имеет объемную насыпную массу 800…900 кг/м³ , на нем можно получать бетоны с объемной массой 1800…2000 кг/м³, т.е. на 20% легче, чем на обычных тяжелых заполнителях. Применение кирпичного щебня эффективно для изготовления крупно пористых бетонных блоков с объемной массой до 1400 кг/м³. Количество кирпичного боя резко сократилось благодаря контейнеризации и комплексной механизации работ по погрузке и разгрузке кирпича.

4. Список литературы:

Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья для производства строительных материалов. – Л.-М.: Стройиздат, 1963.

Гладких К.В. Шлаки – не отходы, а ценное сырье. – М.: Стройиздат, 1966.

Попов Л.Н. Строительные материалы из отходов промышленности. – М.: Знание, 1978.

Баженов Ю.М., Шубенкин П.Ф., Дворкин Л.И. Применение промышленных отходов в производстве строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1986.

Дворкин Л.И., Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промышленности. – К.: Выща школа, 1989.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Пензенский государственный университет и архитектуры и строительства.Россия

Важнейшей задачей промышленности строительных материалов является разработка и внедрение эффективных, ресурсосберегающих технологий производства, экологически чистых материалов, изготавливаемых по малозатратным, безотходным технологиям с максимальным использованием местного сырья и техногенных отходов промышленности.

В последние десятилетия все большее внимание ученых привлекают крупнотоннажные побочные продукты и отходы различных отраслей промышленности с целью использования их в строительстве.

Значительную группу техногенных продуктов составляют минеральные шламы, образующиеся при нейтрализации заводских стоков предприятий химической, машиностроительной, химико-фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности, а также в процессе химической подготовки и осветления воды на предприятиях энергетического комплекса. В большинстве случаев минеральные шламы представляют собой ультрадисперсные, гетерогенные системы, которые в процессе последующей коагуляции и обезвоживания осаждаются и в отдельных случаях образуют структуры твердения. Высокая дисперсность и стабильный химический состав некоторых шламов открывают широкие перспективы применения их в качестве минеральных микронаполнителей и химических активаторов гидратации и структурообразования цементных и композиционных материалов.

Теория и практика строительного материаловедения свидетельствуют о том, что цементные растворы и бетоны постепенно переходят из разряда 4-5 компонентных систем в разряд 7-8 и более компонентных систем, наполненных модификаторами различного функционального назначения.

Преимущество структуры цементной матрицы с микронаполнителем заключается в том, что в ней создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов, во многом определяющих прочность материала. В таких структурах локализуются внутренние дефекты и снижается концентрация напряжений, возникающих в процессе гидратации и твердения.

При рассмотрении механизмов повышения прочности наполненных цементных систем, особенно при использовании тонкодис­персных химически активных наполнителей, особое внимание должно уделяться изучению процессов гидратации, структурообразования и кристаллизации, обеспечивающих, в конечном итоге, прочность и основные свойства твердеющих композитов.

В технологии современных растворов и бетонов все большее значение приобретают высокотехнологичные смеси, модифицированные суперпластификаторами (СП) и комплексными добавками на их основе.

Известно, что тонкомолотые минеральные порошки, полученные на основе природных материалов, и тонкодисперсные техногенные шламы, в отличие от цементных систем в значительной большей степени подвержены разжижающему влиянию суперпластификаторов. Это объясняется тем, что минеральные порошки, являющиеся инертными по отношению к воде, не проявляют гидравлической активности и, следовательно, не связывают воду в гидраты на ранних этапах гидратации. Минералы цементного клинкера и, особенно, алюминатные фазы с первых секунд водозатворения образуют гидраты, включающие в свою структуру большое количество молекул воды (С 2 АН 8 , САН 10 , С 4 А (F) H 13 , C 4 A (F) Н 19 и др.), снижая тем самым эффективность действия практически всех пластификаторов и СП.

Введение в цементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей, инертных по отношению к воде, позволяет создавать необходимые реологические условия для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотно упакованных структур твердения. Высокая плотность структуры может быть достигнута за счёт введения в систему 2-3 фракций минеральных микронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению, и наиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей, параметры кристаллических структур которых соизмеримы с аналогичными параметрами гидратных фаз цементных систем.

Значительный научный и практический интерес представляют исследования процессов гидратации и твердения цементных материалов с добавками на основе карбоната кальция. Во многих исследованиях, касающихся механизмов гидратации и твердения цементных систем, наполненных тонкодисперсным кальцитом, отмечается значительное повышение прочности и улучшение других физико-механических свойств материалов. Однако механизмы карбонатной активации гидратации цементных систем, протекающие на молекулярном уровне, исследованы недостаточно.

Исследования механизмов активирующего действия тонкодисперсных карбонатных наполнителей с помощью методов рентгенеструктурного анализа позволяют выявить некоторые аспекты карбонатной активации гидратированных цементных систем и характер образования гидратов в присутствии микронаполнителей.

С целью определения влияния карбонатного микронаполнителя на состав продуктов гидратации цементных систем была проведена серия рентгенофазовых исследований минералов цементного клинкера и цемента, гидратированных в присутствии тонкодисперсного кальцита. В качестве микронаполнителя был принят карбонатный шлам, образующийся на предприятиях энергетики в процессе химической подготовки воды, в состав которого входят тонкодисперсный кальцит (Syfl = 15-17 тыс. см2/г) и остаточное количество гидроксида железа.

Анализ состава продуктов гидратации C 3 S и (3-C 2 S с добавками карбонатного шлама показал, что в присутствии тонкодисперсного кальцита происходит активация гидратации силикатных фаз цемента с образованием из­быточного количества извести и формированием тоберморитоподобных гидросиликатов кальция. Об этом свидетельствует снижение интенсивности линий безводных силикатных минералов на рентгенограммах гидратированных C 3 S и p-C 2 S, увеличение интенсивности линий Са(ОН) 2 (4,93; 2,63; 1,93 А и др.) и отражений, характерных для тоберморитового геля (3,05; 2,82 А).

Аналогичные выводы получены при анализе результатов рентгенофазовых исследований образцов цементного камня с добавкой карбонатного шлама, твердевших в нормальных условиях в срок до 1 года. Анализ состава продуктов гидратации цемента с добавкой карбонатного шлама свидетельствует о том, что одним из возможных механизмов активации гидратации силикатных фаз является образование гидросиликатных фаз, близких по структуре к тобермориту и ксонотлиту. Отражения, характерные для этих гидратов, отмечены в области малых углов (до 15°) на рентгенограммах цементного камня в возрас­те 60 сут.

В сложной системе Si0 2 -CaO-H 2 0 невоспроизводимость большинства твёрдофазовых реакций связана не только с особенностями конденсационных и кристаллизационных процессов при формировании гидросиликатов кальция, но и с огромной ролью дефектов структур различных видов и уровней. Одни и те же реакции с участием одних и тех же реагентов, протекающих при равных условиях, могут давать совершенно различные продукты. Дефекты могут существенно изменять скорость диффузионных процессов, влиять на возникновение зародышей кристаллизации и, в целом, на реакционную способность реагентов. Кроме того, в силикатных системах могут формироваться не только структуры с вполне определёнными параметрами кристаллических решёток и порядком кон­денсации кремнекислородных тетраэдров, но также смешанные и родственные структуры. Во многом формирование той или иной структуры зависит от «подвижности» атома кремния в структуре Si0 4 и способности тетраэдров приспосабливаться к электронному строению катионов и анионов, присутствующих в системе. Малейшее неуравновешенное смещение электронной плотности на связях -Si-О-, -Са-О- или в мостиках -Са-O-Si- и др. вследствие поляризационного влияния ионов может изменить ход и порядок конденсационных процессов. Это доказывается многочисленными ренгенофазовыми и дру­гими исследованиями гидратированных силикатных и цементных систем.

На основании выполненных рентгенофазовых исследований продуктов гидратации цементного камня в присутствии карбонатного шлама можно сделать заключение, что одним из основных механизмов повышения прочности цементных систем является активация образования гидросиликатов кальция и двойных солей на их основе с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных анионов. В присутствии катионов Al 3+ , Fe 3+, Na + , K+ , анионов SO 2- 4 , CO 2- 3 , и других имеющихся в составе шлама формируются напряжённо-деформированные (легированные) структуры гидросиликатов кальция, прорастающие друг в друга, уплотняющие систему и способствующие значительному повышению прочности.

Результаты рентгенофазовых исследований продуктов гидратации С 3 А свидетельствуют об активации образования в присутствии карбонатного шлама метастабильных гидроалюминатов кальция С 4 АН 19 , САН 10 и гидроалюминатов кубической структуры С 3 АН 6 . Установлено также стабильное при­сутствие в системе гидрокарбоалюмината кальция-ЗСаО*А1203*СаС03-12Н20(ГКАК-1). Однако при повышенных дозировках шлама (более 5% от массы вяжущего) на рентгеног­раммах отмечается стабильное появление линий кальцита, свидетельствующее о том, что часть СаС03 находится в несвязанном состоянии.

Значительное увеличение полуширины пиков гидратов ЗСаОАl 2 0 3 -СаС0 3 *12Н 2 0 и Са(0Н) 2 , отмеченное при анализе рентгенограмм С3А с добавкой карбонатного шлама, характеризует возможность искажения кристаллических решеток этих соединений. Подобное явление может быть объяснено встраиванием в структуру ГКАК-1 ионов Al 3+ , Мg 3+ и других, присутствующих в шламе. В наполненных системах при определенных условиях между частицами дисперсных кристаллических структур, например, Са(ОН) 2 и СаС0 3 , имеющих близкие параметры элементарной ячейки, могут возникать контактно-кристаллизационные взаимодействия, в результате которых кристаллы могут срастаться по определенным плоскостям с образованием прочных структур.

Аналогичное явление отмечается для гидратов AFm-фаз, кристаллы которых при определенных условиях могут зарождаться на поверхности тонкодисперсного кальцита и образовывать структуры срастания по бездефектным плоскостям с близкими параметрами элементарной ячейки.

Установлено, что состав продуктов AFm-фаз цементного камня с добавкой карбонатного шлама представлен на ранних стадиях эттрингитом и на более поздних - гидросульфоалюминатом кальция моносульфатной формы (МГСАК), гидрокарбоалюминатами кальция и гидратами AFm-фаз. Разрушение эттрингита может происходить с образованием сложных радикалов, в которых место группы SO 4 2- могут занимать ОН-группы, однако при одновременном присутствии в системе анионов SO 4 2- и С0 3 2- образовавшийся комплекс может снова перейти в эттрингит, либо в гидрокарбоалюминат кальция 3CaO*AI 2 0 3 *3CaC0 3 *32H 2 0 (ГКАК-3). Отражения, характерные для ГКАК-3, отмечены на рентгенограммах цементного камня с добавкой карбонатного шлама. При избытке в системе Са(ОН) 2 сложные радикалы могут реагировать с анионами SO 4 2- и С0 3 2- с образованием таумасита.

Кристаллы САН 10 , имеющие форму гексаго­нальных призм, так же как и кристаллы эттрингита, на ранних стадиях твердения армируют и упрочняют систему. Очевидно, что одной из причин повышения пластической ранней прочности цементных систем в присутствии карбонатных шламов является активация образования гидратов AFm и A Ft - фаз. Установлено, что в цементной системе с добавкой тонкодисперсного кальцита формируются не только устойчивые структуры гидросульфо-алюминатов кальция и гидратов AFm-фаз, но и активируется образование гидрокарбоалю-минатов кальция (ГКАК-3 и ГКАК-1). Кроме того, в присутствии гидратов САН 10 , AI(OH) 3 и Са(ОН) 2 возможно вторичное формирование эттрингита, а при избытке СаС0 3 - образование 3CaO*AI 2 0 3 * 3CaC0 3 *32H 2 0 и ЗСаО*Аl 2 0 3 -СаС0 3 -12Н 2 0.

Вместе с тем следует отметить, что сформированные на раннем этапе твердения метастабильные гидроалюминатные фазы (С 4 АН 13_19 , С 2 АН 8 , САН 10) со временем в зависимости от условий твердения могут перекристаллизовываться в наиболее стабильную кубическую фазу С 3 АН 6 . Перекристаллизация вызывает уменьшение объёма твёрдой фазы и соответственно увеличение пористости материала, что ведёт к временному снижению прочности. Однако в большинстве случаев это снижение незначительно и компенсируется высокой прочностью силикатных фаз цементного камня.

Анализ фазового состава с учётом вышеприведённых данных в определённой степени позволяет судить о характере поведения цементных материалов и предвидеть возможность снижения прочности вследствие перекристаллизации гидроалюминатных фаз. Однако при этом следует учитывать характер изменения пористости материала, поскольку известно, что более плотные гидроалюминатные структуры дают меньшую прочность, чем менее плотные, при высокой пористости, но более высокую прочность при меньшей пористости.

Рассматривая возможность химического взаимодействия карбоната кальция с продуктами гидратации цемента, следует иметь в виду чрезвычайно широкое разнообразие габитусов кристаллов кальцита, что позволяет последним служить хорошей подложкой для наращивания гидратных новообразований цементного камня.

Таким образом, в присутствии карбонатного шлама создаётся плотная структура цементного композита, которая на ранних стадиях упрочняется вследствие активации процессов образования гидратов AFm и A Ft -фаз и на более позднем этапе - вследствие кристаллизации гидроортосиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных тетраэдров. Выделение из структуры композита сверхструктуры пластинок, призм, игл, волокон, сеток и т. д., способствует повышению прочности цементного камня (рис. 1). Гидросиликаты кальция это неустойчивые, активные и химически независимые образования. Обладая большой реакционной способностью, гидросиликаты кальция связывают в единую структуру все компоненты твердеющей системы. Чем более когерентно связаны метастабильные кристаллы выделяющейся фазы, тем выше прочность материала.

В цементных системах с минеральными микронаполнителями при оптимальном количестве жидкости создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов срастания в стеснённых условиях, обеспечивающих высокую плотность и прочность структуры уже на ранних этапах гидратации. В начальный период твердения в процессе физического и химического связывания воды частицами цемента происходит непропорциональный прирост объема твердой фазы и геометрические размеры частиц увеличиваются при одновременном уменьшении толщины водных прослоек между ними. В присутствии минеральных наполнителей связывание воды затворения происходит в меньшей степени, а процесс твердения обеспечивается за счет сближения частиц и кристаллизации гидратов из пересыщенных растворов не только на поверхности цементных частиц, но и в точках соприкосновения, а также на поверхности минеральных частиц. В такой структуре происходит активация гидратационных процессов и создается возможность наращивания гидратов, близких по параметрам кристаллических структур к структуре кальцита, на активных гранях карбонатного наполнителя.

При высоких пересыщениях в наполненной цементной системе и малых зазорах между частицами, в местах контактов вследствие разности пересыщения в зонах контактов и вне их развивается градиент концентрации, способствующий образованию кристаллизационных мостов между смежными частицами (рис. 2), приводящих к срастанию частиц и значительному повышению прочности.

Анализ основных направлений развития теории и практики многокомпонентных бетонов нового поколения свидетельствует о том, что для получения высокопрочных материалов в качестве одного из основных компонентов полифункциональных модификаторов используется микрокремнезем или другие ультрадисперсные минеральные компоненты, позволяющие связать гидратную известь в гидросиликатную матрицу композита, обеспечивая при этом дополнительный прирост прочности.

Наиболее эффективными являются минеральные микронаполнители (например, тонкомолотая каменная мука), которые, наряду с высокой реологической способностью по отношению к суперпластификаторам, будут обладать химической активностью в гидратирующейся цементной системе. Каменная мука, полученная из кремнеземсодержащих плотных природных материалов, может быть использована в технологии высокопрочных бетонов, в количестве до 50% от массы цемента. При этом количество цемента в составах с микронаполнителем не снижается, вследствие чего улучшаются не только реологические характеристики бетонных смесей, но повышается плотность и прочность бетона, а, следовательно, морозостойкость, непроницаемость и коррозионная стойкость. Менее плотные, в том числе карбонатные породы и минеральные шламы, могут быть использованы для повышения плотности и прочности растворов и бетонов средних классов по прочности. С использованием подобных минеральных микронаполнителей могут быть получены бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, причем из бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции на обычном ПЦ400, при расходе цемента до 500 кг/м3и заполнителях из обычных горных пород.

Исследования влияния минеральных шламов на процессы гидратации и твердения цементных растворов и бетонов, выполненные совместно с анализом механизмов действия шламов на различных уровнях и стадиях формирования структуры цементных композиций, показали целесообразность применения шламов в цементных строительных материалах в качестве добавок - активаторов твердения растворов и бетонов, улучшающих также реологические и технологические свойства растворных и бетонных смесей.

За последние 15 лет минеральные шламы широко применяются в строительных организациях г. Пензы и области. Только на предприятии ОАО «Жилстрой» в период с 1996 по 2007 г.г. было использовано более 10 тыс. т карбонатных и гипсосодержащих шламов в производстве строительных и штукатурных растворов. Внедрение передовой технологии позволило отказаться от использования в композиционных цементных растворах дорогостоящей извести, подготовка которой требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.

Исследования, проведённые на 10 основных видах цементов, используемых в строительстве, показали, что оптимальное количество минеральных шламов в цементных системах составляет 10-15% от массы вяжущего. В этом случае достигается повышение прочности цементных растворов на 20-25%, что позволяет снижать расход вяжущего на 15-20%. Кроме того, значительно улучшаются технологические свойства растворных и бетонных смесей.

Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнезёмсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). В свою очередь, это позволит значительно расширить область применения этих добавок в производстве не только строительных материалов, но и сухих смесей. Проводятся исследования возможности использования карбонатного шлама в смеси с пластифицирующими, воздухововлекающими и другими добавками, а также с супер- и гиперпластификаторами. Перспективным направлением применения карбонатных и смешанных шламов является их использование в технологии пенобетонных конструкций.

С целью расширения масштабов применения минеральных шламов в строительстве разработаны технологические схемы подготовки шламов для использования в этой отрасли, технические условия и рекомендации по применению шламов в производстве строительных растворов.

Массовое вовлечение крупнотоннажных шламовых отходов различных отраслей промышленности в производство строительных материалов становится одной из важнейших задач строительного материаловедения. Решение этой проблемы позволит получать не только высокие экономические эффекты за счёт рационального использования цемента, но и имеет огромное природоохранное значение.

Министерство образования Российской Федерации Восточно –Сибиркий государственный технологический университет Краткий курс лекций по “Дисциплине специализации” раздел “Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности” для студентов заочного обучения специальности “Производство строительных материалов, изделий и конструкций” Редактор Т.А. Стороженко Составители: Подписано в печать 29.03.02. Щукина Е.Г. Формат 60 х841/16. Усл.п.л. 3,49, уч.-изд.л.3,0 Будаева И.И. Тираж 100экз. Печать опер.,бум.писч. Заказ 73. Издательство ВСГТУ, г.Улан-Удэ ул.Ключевская, 40а г.Улан-Удэ 2002 68 Введение Курс лекций по “Дисциплине специализации” выполнен по разделу “Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности” с учетом использования промышленных отходов в том числе и Забайкалья. Рассмотрены отходы топливно- энергетичсекой, деревообрабатывающей, металлургической, строительной и других отраслей промышленности и использование их в производстве строительных материалов и изделий. Данный курс лекций позволит студентам заочного обучения более глубоко изучить строительные материалы с использованием отходов промышленности и местного минерального сырья. Для более полного усвоения материала предусматри- вается выполнение курсовой работы, перечень тем прилага- ется. Методические указания выполнены в соответствии с требованиями ГОСВО и могут быть рекомендованы к изда- нию. Рецензент доцент кафедры ПСМИ Архинчеева Н.В. 2 67 Комплексное использование минерального сырья и от- Список литературы. ходов промышленности для производства строитель- 1. П.И. Баженов. Комплексное использование минераль- ных материалов. ного сырья при производстве строительных материалов. Лекция 1. Ленинград-Москв, 1983. Введение. 2. К.В. Гладких. Шлаки – не отходы, а ценное сырье. М., Использование отходов горнодобывающей Стройиздат, 1986. промышленности. 3. Ю.Г. Мещариков. Гипсовые попутные промышленные Тенденция постоянного наращивания добычи мине- продукты и их применение в производстве строитель- ральных и топливно-энергетических ресурсов в конечном ных материалов. Ленинград, Стройиздат, 1982. итоге может привести к глобальному рассеянию углеводо- 4. Л.Я. Гольдштейн, Н.П. Штейерт. Использование топ- родного сырья и многих металлов в земной коре. В на- ливных зол и шлаков при производстве цемента. Ле- стоящее время все больше используются запасы с бедным нинград, Стройиздат, 1987. содержанием полезных компонентов, вследствие чего воз- 5. Б.З. Чистяков. Использование отходов промышленно- растают затраты энергии на их добычу и переработку, уве- сти в строительстве, Ленинград, 1987. личивается количество отходов и загрязнение окружаю- 6. В.О. Глуховский. Шлакощелочные бетоны на мелко- щей среды. Современные экосистемы горнодобывающих, зернистых заполнителях. Киев, Вищашкола, 1991. металлургических предприятий и топливно-энергетических 7. Использование отходов, попутных продуктов в произ- комплексов очень опасны для жизни самого человека. Это водстве строительных материалов и изделий. Охрана связано с громадными масштабами выбросов газов и пыли окружающей среды. Научно-технический рефератив- в атмосферу; с формированием опасных стоков, ухудшаю- ный сборник. Вып. 12, М., 1996. щих состояние водных и почвенных ресурсов; с нарушени- 8. Н.Я. Спивак. Легкий бетон. М., Стройиздат, 1990. ем сбалансированного состояния экосистем; с коренным изменением исторически сложившихся ландшафтов с их биоценозами. Для этого необходимо решить следующие задачи: - оценка запасов вторичного сырья, накопленного в результате добычи и переработки, металлургиче- ских руд; - планирование комплексного использования руд- ного и нерудного сырья осваиваемых месторож- дений; - планирование полного использования вскрышных пород и продуктов сжигания каменных и бурых углей; 66 3 - ранжирование сырья по степени вредного воздей- набухания блока. Одной извести для стабилизации ствия на человека. грунтоблоков достаточно ввести около 5% от общего веса В настоящее время ежегодно в России образуется бо- грунтовочной смеси. лее 100 млн. т. золошлаковых отходов от сжигания твердо- Известково-глиняные блоки более прочны, го топлива, свыше 70 млн.т. доменных, конверторных и водостойки и морозостойки, чем грунтоблоки со электроплавильных шлаков, миллионы тонн вскрышных стабилизаторами. Обычный состав смеси по объему: 1 пород предприятий по добыче руд черных и цветных ме- часть извести, 1 часть глины средней пластичности и 4 таллов, химического сырья и топлива, накапливаются хво- части минерального заполнителя. В составы рекомендуется сты обогащения основного полезного ископаемого. Объе- также вводить органические вяжущие (битумы, дегти или мы отходов угледобычи и углеобогащения превышают 2 смолы). млрд.т. в год. В промышленности используются меньше Грунтоцементные блоки это блоки из смеси половины этих отходов, остальная часть складируется в от- естественных глинистых грунтов с небольшим валах, занимая пахотные земли площадью около 1 млрд. га, количеством цемента. Такие блоки прочны, водостойки и что приводит к физическому, химическому загрязнению морозостойки. Лучшими для изготовления окружающей среды, воздействуя на земную кору и меняя грунтоцементных блоков являются смеси, содержащие по ландшафты. Вместе с тем эти отходы представляют собой массе 15-30% глинистых частиц; цемента добавляют 7-12% минеральное сырье, которое может использоваться для из- от массы сухого грунта. Грунтоцементные блоки имеют готовления строительных материалов и изделий различного марки 35, 50 и выше. Со временем их прочность возрастает назначения, заменяет дорогостоящее дефицитное традици- и через 2 года увеличивается в 2 –3 раза. Для уменьшения онное сырье. массы блоков и снижения расхода цемента в грунтовочные В Сибирском регионе накопилось большое количест- смеси можно добавлять утеплители: минеральные до 15%, во отходов, которые можно использовать в качестве мине- органические до 5%. Грунтоблоки можно использовать при рального сырья. В настоящее время определены возможно- строительстве зданий до трех этажей. сти комплексного использования существующих месторо- ждения силикатного, а также вторичного и техногенного сырья Восточной Сибири в производстве строительной ке- рамики, стекломатериалов и пористых заполнителей. При производстве строительных материалов исполь- зуется отходы следующих производств: 1. Отходы угледобывающей промышленности и теп- ловой энергетики (горелые шахтные породы террикоников, отходы угледобывающих фабрик, золы ТЭЦ); 2. Отходы лесной и деревообрабатывающей промыш- ленности (отходы пиления и обработки древесины); 4 65 дневном возрасте прочность 35-45 кгс/см2, из грунтов 3. Отходы биохимической промышленности (гидро- Мытищинского карьера при введении 80% опилок, блоки лизный лигнин); имели прочность 40-70 кгс/см2. Прочность грунтоблоков 4. Отходы переработки рудных пород (отходы флота- зависит от влажности грунта, от наличия глинистых и ции (обогащения руд)); вылеватых частиц, степени уплотнения, количества воды и 5. Отходы химической промышленности (отходы за- вида заполнителя. Карьерная влажность обычно составляет водов синтетических моющих средств, отходы нефтепере- 12-18%, если влажность меньше 12%, то грунт плохо гонного завода, отходы производства целлюлозы, отходы формуется, если больше 18%, то грунт прилипает к мыловаренных заводов); инструменту. Грунтоблоки выпускают размером 6. Отходы промышленности строительных материалов 40х19,5х14см. Кладка осуществляется на густом глиняном (отходы керамической промышленности, отходы производ- растворе. Из грунтоблоков со средней плотностью 1300- ства цемента, отходы производства асбестоцементных ма- 1600 кг/м3 изготавливают стены толщиной 45 см, а с териалов, отходы дробильно-сортировочных предприятий, плотностью 1600-2000кг/м3 толщиной 55см. Стены из отходы производства силикатных изделий, стекольный грунтоблоков оштукатуриваются теплыми глиняными бой); растворами с содержанием утепляющих органических 7. Отходы металлургической промышленности (отхо- заполнителей. ды сталеплавильной промышленности); Грунтоблоки с утеплителями. К ним относят 8. Отходы городского хозяйства (отходы автомобиль- саманные блоки, получаемые из грунтовой массы с ного транспорта, отходы от ремонта дорог); добавлением к ней резаной соломы, древесных опилок, 9.Отходы фарфорового производства; торфяной крошки, которые являются утепляющими 10.Отходы полимерных материалов (разного назначе- добавками, снижающими плотность и делающими их более ния); стойкими. Из грунтов Мытищинского карьера Московской 11.Отходы текстильных материалов (разного назначе- области, содержащих 16-18% глинистых частиц при ния); введении древесных опилок более 50% получались 12.Прочие виды отходов. грунтоблоки с прочностью на сжатие 70кгс/см2. Влажность органических заполнителей должна быть 30%, а Эффективность использования отходов грунтовочной смеси 15-20%. В современных условиях особое значение для Грунтоблоки со стабилизаторами эффективного развития народного хозяйства имеет Для предохранения глиносырцовых и саманных проблема более широкого вовлечения в производство блоков от потери прочности при увлажнении в состав образующихся отходов, что позволяет расширить шихты вводятся стабилизаторы (чаще всего органические сырьевую базу и снизить загрязнение окружающей среды. вяжущие материалы или известь). Стабилизаторы Достаточно эффективно и в значительных объемах препятствуют проникновению воды в поры грунта, из образующиеся отходы могут потреблять такие отрасли, как которого изготовлен блок и предотвращают возможность строительство и промышленность строительных 64 5 материалов. ченный путем формования из смеси глины, суглинков с ор- Использование отходов тепловых электростанций ганическими наполнителями (солома, торф, костра) и вы- (топливных зол и шлаков) следует считать частью общей сушенные до влажности 4-6%. Кирпич-сырец – проблемы сохранения и очистки от загрязнения окружаю- искусственный материал из глины, суглинков с отощите- щей среды. лями и высушенные до влажности 4-6%. Загрязнение окружающей среды- воздуха, воды и Наиболее пригодными являются глины, в которых почвы - одна из важнейших проблем современности, ка- преобладают зерна величиной от 0,01 до 0,02 мм и содер- сающаяся практически всех стран, и в особенности высо- жащих Al2O3 9-12%. Для получения доброкачественой коразвитых. продукции необходимо содержание Al 2O3 не менее 9% и Классификация промышленных отходов не более 14%. Если содержание окиси алюминия меньше 1. Химическая (в основу положен химический 9% (тощий суглинок), то кирпич и саман не будут обладать принцип). необходимой прочностью, если окиси алюминия - кремнистые отходы (свободного SiO2>50%) содержится 14-25%, то глины жирные и требуют - силикатные (Са, MgS) отощителей, так как имеют достаточную степень - карбонатные (CaCo3, MgCo3) пластичности. Наиболее подходящими являются - сульфатные (CaSo4 2H2O) среднепластичные. Малопластиные глины дают - хлорсодержащие (MgCl2) небольшую прочность и требуют повышения - фторсодержащие пластичности, которую можно повысить следующими - смешанные минеральные способами: вылеживанием замоченной глины в течение - органические длительного времени, вымораживанием, добавлением - водоорганоминеральные высокопластичной глины и использованием - органоминеральные пластификаторов. Технология получения: заготовка глины 2. Отраслевая и наполнителей → замачивание глины → шихтовка с Химическая наполнителем → проминка глины→формование сырца → Деревообрабатывающая сушка (естественная). При строительстве во влажных Металлургическая местах саман после сушки рекомендуется окуривать-сушка Энергетическая дымом. Строительный комплекс Грунтоблочные стены появились в 30-х годах 20 века. Нефтеперерабатывающая Для производства грунтоблоков пригодны глины, 3. По коэффициенту насыщения суглинки, лессы, супеси, чернозем при естественной Кнас=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3+Fe2O3) влажности. Для оценки пригодности определяется Коэффициент насыщения прогнозирует вяжущие свойства, связность, т.е. берется проба из свежевырытого грунта с если Кн=0 – отходы являются ультракислыми, Кн=0- 0,8 – глубины 25-30 см. Например, сглинки (г.Ступино) в кислые, Кн=0,8- 1,2 – нейтральные; Кн=1,2 -3 – основные, которые вводилось 25% по объему опилок имели в 7-ми 6 63 образуется до 1% от общего количества производимого при Кн>3 ультраосновные. цемента. Возрат всей пыли в производство цемента во Ультракислые и кислые отходы вяжущими свойст- многих случаях нежелательно т.к. в клинкере содержатся вами не обладают, к ним относятся отходы с преобладани- щелочи, а их содержание ограничивается ГОСТом.поэтому ем SiO2, нейтральные обладают скрытыми вяжущими свой- проблема самоутилизации цементной пыли нерешена. В ствами к ним относятся доменные шлаки, вяжущие свойст- зависимости от содержания щелочей в цементной пыли она ва проявляются в автоклавах; к основным относится нефе- делится на 3 вида: линовый шлам, к ультраосновным – известь, карбидный ил. Малощелочная – 1,08–3,05%; Техногенное сырье часто бывает сильно обводнено Среднещелочная – 3,59–10,35%; (например, золы гидроудаления, фосфогипсовые шламы, Высокощелочная – 26,72 –35,10%. нефелиновые шламы содержат до 60% воды), что требует Удельнаяповерхность пыли 7000-10000см2/г. кроме дополнительной обработки перед их непосредственным того цементная пыль содержит от 0,2 до 22% свободного использованием. СаО, окиси серы от 9,64 до 24,5%, F2O от 0,82 до 8,8%Ю, Что необходимо сделать, чтобы широко использо- которые придают отрицательные свойства при возврате в вать отходы производства: печь в процессе обжига. Цементная пыль мспользуется - дать оценку возможности промышленного использования; также при приготовлении шлакощелочных вяжущих, как - должна быть проведена детальная разведка или исследо- наполнительв асфальтобетоны, при изготовлении местных вание промышленных отвалов; малоклинкерных вяжущих. - должно быть произведено усреднение состава; Использование отходов ультраосновных пород. - необходимо провести специальные технологические раз- Известно, что в большинстве случаев в качестве работки с целью освоения этих отвалов. заполнителя при изготовлении панелей и других Рациональное использование природных богатств – строительных конструкций используется щебень из одна из важнейших задач современной науки и техники. гранитных пород. В условиях Баженовского Хотя общие запасы минерального сырья неисчерпаемы, все месторождения хризотил-асбеста при разработке открытым же месторождения с высоким содержанием полезного ис- способом образуется большое количество каменных копаемого в доступных к настоящему времени глубинах отходов из вмещающих пород – перидотитов и земной коры истощаются, и будут встречаться все реже. серпентинитов. С целью реализации отходов разработана Производства, потребляющие “бедное” (т.е. содержащее технология производства щебня. Оказалось что такой менее 10% полезного ископаемого) сырье или требующие щебень, будучи использован в строительных конструкциях сложного технологического процесса и многокомпонент- для жилых зданий, создает комфортные условия вследствие ной смеси, характерны наличием большого количества по- незначительного содержания в щебне естественных бочных продуктов-“отходов производства”. Даже при пе- радионуклидов. реработке Безобжиговые стеновые материалы. Саман-это искусственный стеновой материал, полу- 62 7 Таблица 1. Технологическая нитка должна включать: Классификация, техногенного сырья по агрегатному -разрушение крупногабаритных конструкций; состоянию в момент выделения их из основного техноло- -извлечение арматуры; гического процесса. -дробление бетона; Основные Попутные Агре- Характеристика -фракционирование дробленого заполнителя; продукты продукты гатное -проведение активации. Класс состоя- На сегодня разработаны установки, позволяющие ние разрушать изделия с длиной до 24 м, шириной 3,5 м и вы- сотой до 0,6 м; УПН-7(12)-3-0,6, УПН 24-3,5-0,6. А Продук- а) карьер- Твер- Крупный камень, Технология процесса. На колосниковый стан с помо- ты, не ут- ные ос- дое щебень, пески, по- щью подъемного механизма укладываются некондицион- ратившие татки при рошки ные железобетонные или другие бетонные отходы, на изде- природ- добыче лие опускается рычажный пресс. Дробленый бетон по мере ных горных разрушения через колосниковую решетку с диаметром 250 свойств пород Растворы, суспен- мм поступает по ленточному транспортеру на дальнейшую б) остатки Жид- зии, шламы, грязи. переработку. Арматурный каркас, очищенный от бетона на после кое Крупный камень, специальных площадках передается для сбыта в металло- обогаще- щебень, пески, по- лом. Попавшие куски арматуры через колосниковую ре- ния на рошки шетку извлекаются навесным электромагнитом ПМ-15. полезное Твер- Для вторичного дробления бетона используется ще- ископае- дые ковая дробилка СМД-109, СМД-108. Выход фракций, со- мое держащих куски до 70 мм, используется в дорожных по- Б Искусст- а) Обра- Газы Газы, смесь газов, крытиях. Дальнейшее дробление производится в конусной венные зовав- водяной пар, паро- дробилке СМД-27Б с выделением фракций до 5, 5-20, 20-40 продукты, шиеся газовая смесь мм. В таком виде полученные зерна применять нецелесо- получен- при обра- образно, необходима термомеханическая активация с це- ные в ре- ботке ни- лью восстановления гидравлической активности. Если зультате же темпе- иметь еще помольную установку после активации, то мож- глубоких ратуры но полностью заменить цемент в строительных растворах, а физико- спекания в бетонах расход цемента снижается до 40-60%. химиче- Жид- Растворы, суспен- Использование пыли цементных заводов ских про- кие зии, шламы, грязи При производстве портландцемента образуется цессов. цементная пыль, которую можно использовать при производстве строительных материалов. Цементной пыли 8 61 стоит в прессовании смеси пластмассовых отходов и песка, Продолжение таблицы 1. взятых в соответствии 1:1. Песок просеивают, нагревают до Твер- Крупный камень, 500оС, добавляют к смеси отходы полиэтилена и полисти- дые щебень, пески-ос- рола, смешивают при температуре 150оС в течение 25 мин, татки после выще- затем полученную массу прессуют. лачивания, сепара- По аналогичной технологии получают материалы из ции и отмучивания. пластмассовых отходов в смеси с мелом, стекловолокном, Порошки – осажде- асбестом и другими минеральными наполнителями. Все нная пыль, проду- компоненты в течение 2 часов подсушивают при 120оС, за- кты самопроизво- тем их пластифицируют в смесителе при 250-300оС в тече- льного рассыпания ние 15 мин, выгружают при 180оС в форму и прессуют. По- крупных кусков. лученные композиции обладают хорошими прочностными б) образо- Газы Газы, смесь газов, показателями и высокой стойкостью и истиранию, что по- вавшися водяной пар зволяет использовать их при изготовлении плит для полов. при темпе- Жид- Растворы, смесь Для улучшения внешнего вида изделий при смешивании ратурах, кие газов, водяной пар, добавляют также пигменты, как оксиды железа и хрома вызвавших парогазовая смесь желтый крон, диоксид титана. полное или Твер- Крупный камень, Также способом получения строительных материалов частичное дые щебень, пески, с применением отходов является расплавление полимеров с расплавле- порошки, последующим смешиванием их с цементом, разливкой в ние измельченная формы и охлаждением. Эти изделия обладают высокой осажденная пыль плотностью и стойкостью против горения. в) образо- Жид- Растворы, шламы, Использование бетонолома вавшиеся кие грязи, суспензии Источниками получения бетонолома являются: раз- осаждени- Твер- Крупный камень, борка старых сборных бетонных и железобетонных конст- ем из рас- дые щебень, порошки, рукций; брак на производстве; стихийные бедствия (земле- творов измельченная трясения, ураганы и т.д. осажденная пыль Одним из важнейших резервов материальных и энер- гетических ресурсов в области строительной индустрии яв- ляется вовлечение отходов от некондиционного бетона и железобетона с целью обеспечения принципа безотходного производства. Для этого требуется разработать высокоме- ханизированную линию по переработке некондиционного бетона и железобетона. 60 9 старение. Продолжение таблицы 1 Изменяя состав битумно-резинового вяжущего, вид В Продук- - Газы Газы, смесь наполнителей и способ обработки можно изготавливать в. ты, обра- газов, виде рулонного материала, кровельных плиток или гидро- зовав- водяной пар изоляционной мастики. шиеся в Жидкие Растворы, Рулонный изол – безосновный материал, обладающий результа- эмульсии, высокой водо- и гнилостойкостью, а также деформативной те дли- суспензии способностью. Из листа изола вырубают кровельные плит- тельного ки. хранения Близким к изолу по свойствам является бризол. Его в отвалах изготавливают вальцеванием и последующим каландриро- Твердые Щебень, ванием смеси нефтяного битума дробленой резиновой пески, крошки асбестового волокна и пластификатора. порошки Бризол подразделяют на две марки: средней (бр-с) и богатых руд большие объемы производств приводят к повышенной прочности (бр-п). Первый применяют при ра- образованию отвалов, что порождает проблему использо- бочей температуре 5-30оС, а второй 20-25оС. вания отходов (доменные шлаки, золы и шлаки твердого Битумно-резиновые материалы выпускают также в топлива, фосфогипс и т.д.) виде пористых жгутов и полос (пороизол) для герметиза- Комплексное использование местных вулканических ции стыков конструкций, а также как приклеивающие и пород, отходов горно-обогатительных фабрик и вскрыш- изоляционные мастики. Изол и бризол применяют для гид- ных пород роизоляции подвальных этажей зданий, подземных трубо- Распространение наиболее важных минералов в зем- проводов и других сооружений, бассейнов, антикоррозион- ной коре по Белянкину приводится (в %) ниже: ной защиты и устройства кровли. Полевые шпаты 55 Перспективным способом утилизации отходов полио- Орто- и метасиликаты 15 лефинов, как и других термопластов, является их повторная Кварц 12 переработка, отходы предварительно сортируют от ино- Слюда 3 родных включений, а затем подвергают измельчению, аг- Магнетит и др. окислы железа 3 ломерации и грануляции. Из гранулята получают различ- Глины 1,5 ные изделия, в т. ч. строительного назначения. Кальцит 1,5 Вторичное сырьё целесообразно вводить в полимер- Доломит 1,0 ные композиции в количестве до 40-50% первичного вме- Апатит и др. фосфаты 0,7 сте с пластификаторами, наполнителями и стабилизатора- Пирит и др. сульфиды 0,3 ми. Один из методов получения строительных плит со- 10 59

Минеральное сырье — это полезные ископаемые, которые используются в производственной сфере, оно играет важную роль в народном хозяйстве, особенно в промышленности. Полезные ископаемые дают почти 75% сырья для производства. Практически все виды транспорта работают на сырье, полученном в процессе переработки полезных ископаемых.

Классификация: виды и классы сырья минерального происхождения

Полезные ископаемые, которые добывают из недр земли, относят к минеральному сырью, которое включает в себя более 200 минералов отличающихся друг от друга по физической форме, составу, применению и другим признакам.

Единой системы классификации минеральных ресурсов не существует, их классифицируют по видам использования и по агрегатному состоянию.

Минеральные ресурсы по видам использования:

• горючие (нефть, газ, уголь);
• рудные (алюминий, медь, олово);
• нерудные (асбест, графит, мрамор).

Минеральные ресурсы могут различаться по состоянию и подразделяться на:

• жидкие (нефть, минеральная вода);
• твердые (соль, уголь, мрамор);
• газообразные (метан, гелий, горючие газы).

Природное минеральное сырье

К природному минеральному сырью относят горные породы и минералы, из которых производят строительные материалы и сырье на основе вяжущих веществ (цемент, гипс, асбест). После термической обработки минеральное сырье используется в стекольной, керамической промышленности, а также применяется в производстве удобрений и минеральных красок.

Техногенное минеральное сырье

Отходы, образующиеся во время получения и обработки металла и отходы горно - металлургических, химических производств, содержащие цветные и благородные металлы, — являются техногенным минеральным сырьем.

Техногенное минеральное сырье разделяется на группы, в зависимости от принадлежности к определенным производственным отраслям.

Различают сырье:

• горнодобывающих предприятий;
• обогатительных фабрик;
• металлургических заводов;
• химической промышленности;
• топливной энергетики.

Техногенное минеральное сырье широко используется в строительстве (производство цемента, бетона), при дорожных работах (засыпка карьеров, отсыпка дамб), в производстве минеральных удобрений.

Горючее минеральное сырье

Горючие (топливные) полезные ископаемые по своему состоянию делятся на жидкие (нефть), твердые (уголь, торф) и газообразные (природный и попутный газ).

Нефть и газ служат источником энергии и тепла: благодаря им работают двигатели машин, отапливаются помещения.

Уголь является основным источником энергии, который используется на производстве.

Торф применяют как горючее и в качестве теплоизоляции.

Горючее минеральное сырье является самым важным видом полезных ископаемых. Благодаря ему было создано множество отраслей промышленности.

Стратегическое минеральное сырье

Стратегическое минеральное сырье составляет основу материального производства, которая обеспечивает экономическую и оборонную стабильность страны. Перечень стратегических минеральных ресурсов изменяется в зависимости от геополитической обстановки, внешнеэкономических связей и других обстоятельств.

Среди стратегического минерального сырья России находятся топливно - энергетические ресурсы, руда цветных и редких металлов, драгоценные камни и металлы. К стратегическим ресурсам так же относят водные ресурсы, как основу жизнеобеспечения населения страны.

Что относится к подакцизному минеральному сырью?

Акциз — это косвенный налог, который взымается с налогоплательщиков, производящих или продающих подакцизное сырье. К подакцизным видам минерального сырья относятся природный газ и нефть. Но в случае реализации нефти или газа на экспорт, акциз не взымается. Такое освобождение от уплаты акциза возможно, если вывоз осуществляет производитель продукции.

Химический анализ характеристик и качества минерального сырья

Изучение состава руды и минералов проводилось с древнейших времен. Это требовалось для получения бронзы, железа, драгоценных металлов. Такой анализ минеральных ресурсов был очень важен, он способствовал развитию горно-обогатительных работ, металлургической промышленности.

В начале ХХ века минеральное сырье представляло особый интерес для химиков - аналитиков. Необходимость изучения минеральных ресурсов, развивала новые методы анализа, что способствовало развитию химии.

На сегодняшний день применяются новейшие методы для химического анализа минерального сырья, которые позволяют узнать состав образца и увидеть его структуру.

Методы проведения химического анализа:

• Газовая хроматография с месс-спектрометрическим детектированием позволяет определить широкий спектр веществ, находящихся в образце, дает возможность анализировать газовые смеси.
• Жидкостная хроматография с масс-спектрометрическим детектированием такой метод обладает широким спектром определяемых веществ, дает возможность проводить анализ без испарения.
• ИК-спректрометрия позволяет установить молекулу вещества, дает возможность анализировать твердые металлы без растворения.
• Атомно-эмиссионная спектроскопия позволяет обнаружить очень низкие содержания элементов и их количество.
• Электронная микроскопия. Уникальный метод, который дает возможность получить данные об элементном составе образца и увидеть его структуру.

Добыча, производство, обработка и переработка минерального сырья

Россия очень богата различными видами минерального сырья (уголь, руда, калийные соли, алмазы), а так же занимает ведущее место по добыче и экспорту нефти и природного газа.

Добыча минеральных ресурсов может происходить разными методами:

• подземная разработка месторождений;
• открытая разработка месторождений;
• бурение скважин;
• разработка морского дна.

После добычи полезные ископаемые подвергаются переработке. На этом этапе происходит отделение ценного минерального сырья от отходов.

Переработка минерального сырья — включает в себя много различных процессов и является самой важной частью во всей работе по добыче минеральных ресурсов.

Переработка минерального сырья применяется в различных отраслях: добыча угля, никеля, нефтеносного песка, калиевых солей, железной руды и других.

В зависимости от вида минерального сырья применяют комплексную переработку (для твердых ископаемых) или комбинированную (для твердых и жидких ископаемых).

Сырье для производства минеральных удобрений

Азотная промышленность занимает ведущее место в производстве минеральных удобрений (около 50% всех производимых азотных удобрений в России).

Исходным сырьем для производства удобрений служит природный газ и коксующий уголь.

Существует несколько методов производства минеральных удобрений:

1. Аммиачный способ основывается на использовании коксового газа, который образуется при коксовании угля (во время производства кокса на коксохимическом производстве) в черной металлургии. При использовании данного метода, азотно - туковые предприятия располагаются в угольных бассейнах или рядом с металлургическим производством.
2. Способ конверсии природного газа. Предприятия, которые используют данный метод для производства удобрений, располагаются в районах газовых ресурсов или вдоль трасс магистральных газопроводов.
3. Способ электролиза воды. Такие предприятия располагаются рядом с источником дешевой энергии.
4. Способ с применением отходов нефтепереработки. В таких случаях предприятия располагаются рядом с нефтеперерабатывающими заводами.
5. Фосфорные удобрения, получают путем измельчения фосфатов. Такие производства не привязаны к сырьевой базе и могут располагаться в любом месте.

Технология обогащения минерального сырья

Обогащение минерального сырья (переработка) включает в себя несколько процессов обработки сырья для отделения от пустых пород, а также разделения ценных минералов. При обогащении можно получить как конечный продукт (асбест, графит), так и концентраты, которые можно переработать химическим или металлургическим путем.

Минеральное сырье подвергают трем операциям: подготовительной, основной и вспомогательной.

Подготовительные процессы включают в себя — дробление и измельчение, грохочение и классификацию.

Основные процессы заключаются в отделении одного или нескольких полезных компонентов.

Заключительные (вспомогательные) процессы — сгущение пульпы, обезвоживание (зависит от характеристик материала).

Обогащение минерального сырья подразделяется на виды, в зависимости от того в какой среде происходил процесс:

• сухое;
• мокрое;
• в электрическом, гравитационном или магнитном поле.

Использование минерального сырья

Все виды минерального сырья содержат ценные компоненты. От того, насколько качественно их переработали, зависит количество содержания ценных компонентов в отходах производства.

Комплексное использование минерального сырья позволяет повысить эффективность производства, увеличить ассортимент продукции, снизить расходы на содержание сырьевых баз и предотвратит загрязнение окружающей среды отходами производства.

Минеральное сырье для химической промышленности

Особенностью химической промышленности является — материалоемкость. Для изготовления определенного количества продукции сырья требуется во много раз больше. Поэтому качественное минеральное сырье для химической продукции — залог успешного развития отрасли.

Основным сырьем для химической промышленности являются нефть и природный газ. Именно на этом минеральном сырье производится синтетический каучук, пластмасса, искусственная кожа, минеральные удобрения и моющие средства.

В химической промышленности применяют все известные виды и формы минерального сырья — рудное, нерудное, горючее.

Запасы минерального сырья в химической промышленности делят на две группы:

1. Балансовые — с большим содержанием полезных компонентов.
2. Забалансовые — с низким содержанием полезных компонентов. Такая группа, при изменении каких либо условий, может перейти в балансовую группу.

Минеральное сырье для строительных материалов

Горные породы — являются основным минеральным сырьем в производстве строительных материалов. Эти породы широко используются в производстве стекла, керамики, металла, бетона, растворов.

Кварц и его разновидности, алюмосиликаты — являются главными породообразующими минералами. Этим минералам характерна высокая прочность и ударная вязкость, а также повышенная плотность.

Глубинные горные породы обладают высокой прочностью, большой плотностью и малой пористостью. Благодаря этим свойствам широко используются в строительстве.

Сульфатные породы — гипс и ангидрид используются для получения вяжущих веществ, иногда применяются как облицовочный материал.

Пористые излившиеся породы (пемза, вулканические туфы, пепел) используют как наполнитель легкого бетона, добавки к цементу, для кладки стен.

Вторичные ресурсы (техногенные) с успехом используются в производстве цемента, бетона, при дорожных работах. Песок, гравий и щебень, так же используется для приготовления строительных смесей.

Минеральная вата

Минеральная вата — самый известный материал для теплоизоляции. Изготавливают этот материал из расплавленного стекла горных пород и пропитывают водоотталкивающим маслом. Как правило, такой утеплитель производится в виде плит или матов.

Существует несколько разновидностей минеральной ваты, в зависимости от сырья, из которого она изготовлена:

• стекловата. Стекловату изготавливают из стекловолокна, которое получается в результате смешивания битого стекла и минерального сырья (песок, доломит, известняк). Стекловата отличается высокой химической стойкостью и выдерживает температурный диапазон от -60 до +500 градусов;
• шлаковата. Шлаковату изготавливают из расплавленного доменного шлака. Температурный диапазон составляет от -50 до +300 градусов;
• каменная вата. Изготавливается из расплавленных габбро - базальтовых горных пород. Температурный диапазон составляет от -45 до +600 градусов;
• базальтовая вата. Для изготовления ваты используют габбро и диабаз. Базальтовая вата не содержит доменные шлаки и добавочные вещества. Температурный диапазон составляет от -190 до +1000 градусов.

Минеральные воды

Природные минеральные воды — это подземные воды, в которых повышенное содержание биологически активных компонентов и которые обладают особыми физико-химическими свойствами. Благодаря уникальному составу, минеральная вода может применяться как внутрь, так и в качестве наружного лечебного средства.

Природная минеральная вода — это дождевая вода, которая тысячелетиями скапливалась в разных слоях земных пород. На протяжении этого времени в ней растворялись минеральные вещества и чем глубже находится вода, тем больше она очистилась и больше получила углекислоты и полезных веществ.

Природная минеральная вода состоит из шести основных компонентов:

1. Кальций;
2. Магний;
3. Хлор;
4. Натрий;
5. Сульфат;
6. Гидрокарбонат.

Свое название вода получает благодаря преобладанию, какого либо из шести элементов (хлоридная, сульфатная, гидрокарбонатная).

В минеральной воде в микродозах содержится почти вся таблица Менделеева.

Спрос рынка на минеральное сырье

Минеральное сырье относится к истощаемым природным ресурсам. Отработанное месторождение не сможет восстановиться, а разработка нового влечет за собой определенные трудности. Недостаточность минеральных ресурсов влияет на экономику минерального сырья, формируя прирост цен на то сырье, ресурсы которого ограничены. Но многие виды минеральных природных ресурсов, являются взаимозаменяемыми. В таком случае произойдет развитие рынка дешевых продуктов.

Многие промышленные предприятия стали заменять дорогие продукты на дешевые:

• природный газ вытесняет уголь и мазут;
• платину заменяют палладием и рением;
• природный пьезокварц заменил синтетический.

Не всегда замена природных минеральных ресурсов происходит из-за цены. К примеру, в местности, где нет месторождения щебня, его заменяют керамзитовыми окатышами.

Большинство видов минерального сырья являются товарами постоянного спроса. Но для самоцветов, поделочных, декоративных и отделочных камней спрос определяется изменением тенденций. На снижение добычи минерального сырья обладающего токсичными свойствами повлияло ужесточение требований к экологической безопасности. Из-за повышения цен на минеральное сырье и увеличения платежей за размещение отходов, все чаще стали использовать вторичные ресурсы.

Все эти факторы способствуют уменьшению потребления минеральных ресурсов.

Страны-экспортеры богатые минеральным сырьем

Экспорт минерального сырья происходит, когда страна имеет большие запасы полезных ископаемых. Для экспортера сырье является средством пополнения своего финансового положения.

Передовые места по добыче и экспорту минерального сырья занимают:

• Россия, которая находится на первом месте в мире по количеству запасов природного газа и древесины, на втором месте по величине месторождений угля и на третьем месте по месторождениям золота;
• США на первом месте по запасам угля и входит в первую пятерку по запасам меди, золота и природного газа;
• Саудовская Аравия находится на первом месте по добыче нефти и на пятом месте по величине запасов природного газа.;
• Канада находится на втором месте по запасам урана и третье по величине запасов древесины;
• Иран находится на третьем месте по добыче нефти;
• Китай имеет значительный запас угля и редкоземельных минералов;
• Бразилия имеет большие запасы золота и урана, но наиболее ценным ресурсом является древесина.

Страны бедные минеральным сырьем

Страны, которые не имеют запасов полезных ископаемых, получают сырье из внешних источников.

К таким государствам относятся:

• Япония. В Японии есть лишь небольшое количество шахт по добыче свинцовых и цинковых руд, известняка и каменного угля. В стране имеются небольшие запасы нефти, и ведется ее добыча. Япония является крупнейшим импортером сырья;
• Литва и Латвия. Эти государства обладают такими полезными ископаемыми как сланцы, торф, фосфориты, а энергетическое хозяйство держится на привозном топливе.

В Монако, Дании и Ватикане добычи полезных ископаемых не ведется.

Оборудование для добычи и переработки минерального сырья

В зависимости от состояния добываемого минерального сырья (жидкое, твердое, газообразное) — отличаются способы добычи (открытый, шахтный, скважинный). Для каждого способа добычи предусмотрено специализированное оборудование. Существует оборудование для добычи подземным и открытым способом. Сложные системы управления, автоматизации комплексы и приборы для механической обработки.

Производители и перерабатывающие компании минерального сырья

Среди российских предприятий есть серьезные производители и перерабатывающие компании минерального сырья.

АО «Минерально-химическая компания «Евро Хим». Компания «Евро Хим» — крупнейший в России производитель минеральных удобрений. Компания входит в тройку Европейских и десятку мировых производителей химических удобрений и является лидером по производству фосфатных и азотных удобрений. Продукций предприятия пользуется спросом и в России, и за рубежом. В составе компании находится большая сбытовая сеть в России и за рубежом.

«Уральская горно-металлургическая компания». Холдинг берет свое начало в далеком 1702 году с Гумешевского месторождения медистых глин. У предприятия есть собственная научная база, а также строительный комплекс и телекоммуникационный центр.

АО «Фос Агро- Череповец» — крупнейший в Европе производитель фосфорной и серной кислоты, аммиака и фосфорсодержащих удобрений. Компания является крупнейшим экспортером удобрений в страны Западной Европы, Америки, Азии. Компания обеспечивает себя электроэнергией собственной генерации.

Использование техногенного сырья ¾ мощный экологический ресурс

В условиях нарастающей экологической напряженности в мире проблема рационального использования и эффективного сбережения природных ресурсов становится важнейшей задачей жизнедеятельности любого государства.

Исключительно важное значение имеет не только сбережение сырьевых ресурсов, но и их повторное использование. Значение вторичных сырьевых ресурсов для поддержания экологически безопасного уровня воздействия на окружающую среду весьма значительно, в частности, их использование является одним из необходимых условий внедрения малоотходных и безотходных технологий.

Важную роль в утилизации (использовании) вторичных сырьевых ресурсов играет строительство и промышленность строительных материалов. Как известно, эти отрасли промышленности используют два вида сырья: природное и техногенное (вторичное).

Природное сырье ¾ это строительные камни, песчано-гравийная смесь, гравий, песок, щебень и другие горные породы. Сюда же относят отвалы вскрышных пород, образующиеся при разработке карьеров и строительных котлованов.

К сожалению, многие районы России не обеспечены природным сырьем в необходимом количестве, а в других ¾ их запасы значительно исчерпаны. Во многих случаях это приводит к значительным затратам на их транспортировку из других районов, что нецелесообразно ни с экономической, ни с экологической точки зрения, так как подобные перевозки сопровождаются неизбежными экологическими нарушениями.

Поэтому с развитием техники и ухудшением в стране экологической ситуации все большее значение в строительной отрасли начинает приобретать техногенное сырье . К нему относят самые разнообразные промышленные отходы и побочные продукты: металлургические шлаки, бокситовые и другие шламы, отходы горно-обогатительных комбинатов (ГОК), золу и золошлаковые отходы ТЭС, отходы углеобогащения, вторичные полимеры, продукты переработки древесины и др.

Техногенное сырье рассматривается многими специалистами как национальное достояние, как исключительно ценный продукт, аккумулирующий в себе ранее затраченные инвестиционные и энергетические ресурсы. Его использование в производстве строительных материалов во многих случаях оказалось значительно дешевле, чем разработка и освоение природных ресурсов.

Использование техногенного сырья для производства строительных материалов с экологической точки зрения весьма перспективно: 1) резко сокращаются объемы добычи дефицитных природных строительных материалов; 2) утилизируется и химически прочно связывается огромное количество загрязняющих окружающую среду промышленных отходов; 3) освобождаются ценные земельные участки, отчуждаемые под хвосто- и шламохранилища и др. Только под хранение золошлаковых отходов ТЭС отчуждаются огромные территории.

В строительной индустрии находят широкое применение многие виды промышленных отходов и побочных продуктов. Приводим несколько примеров их использования.

Зола и золошлаковые отходы (ЗШО). В настоящее время в России ежегодно образуются десятки миллионов тонн золошлаковых отходов. Каждые сутки работы на угле ТЭС накапливается до 1 тыс. т золы и шлака. Подавляющая их часть направляется в отвалы, а в строительной индустрии утилизируется лишь 3-5% ЗШО. Для сравнения: в США и Германии ¾ 40-60%. В США из 20 млн т ежегодно образующихся зол уноса только для изготовления бетона утилизируется 7 млн т.

Золошлаковые отходы ¾ незаменимый компонент формовочных смесей для получения высококачественных строительных материалов. Их используют для производства ячеистого бетона, силикатного кирпича, пенозолсиликата, аглопорита, асфальтового основания дорожных одежд и т. д. ЗШО считаются прекрасным цементосберегающим материалом. При производстве бетонов введение зол позволяет экономить до 100 кг/м 3 цемента, а при использовании добавок-модификаторов ¾ до 200 кг/м 3 . Одновременно улучшается структура цементного теста и повышаются теплозащитные свойства конструкций.

Прекрасно зарекомендовала себя разработанная ВНИИстроем, безотходная технология производства лицевого кирпича на основе зол ТЭС, позволяющая не только сэкономить средства на строительство и эксплуатацию золоотвалов, но и значительно уменьшить загрязнение среды. По данным Л. С. Бариновой и Ю. С. Волкова (2002), замена в бетоне или растворе 15%-ного цемента на золу уноса или металлургический шлак, что технологически допускается, в перерасчете на мировые объемы их применения, могло бы снизить количество выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО 2) на 300 млн т в год.

Металлургические шлаки ¾ высококачественное сырье для производства шлакопортландцементов, шлаковаты, гипсошлаковых блоков, щебня и др. Годовой объем выхода шлаков металлургических заводов исчисляется многими десятками миллионов тонн. В нашей стране очень высок объем утилизации доменных шлаков, 80% выхода которых идет для изготовления шлакопортландцемента и пористых заполнителей.

В последние годы все большее применение в качестве крупного и мелкого заполнителя в бетонах получают создаваемые по безотходной технологии шлаковая пемза (термозит) и шлакостеклогранулят, не уступающие природному щебню по большинству показателей. Например, прочность бетона на шлаковом цементе на 15-20% выше, чем на гранитном.

Широко известен ценнейший конструктивный материал ¾ шлакоситалл, обладающий высокими физико-механическими, химическими свойствами и экологической чистотой. Исключительно большое значение для производства портландцементного клинкера и шлакопортландцементов высокого качества имеет гранулированный доменный шлак, придающий цементу антикоррозийность, повышенную прочность, текучесть и быстроту твердения.

В связи с тем, что в ближайшие годы в России ожидается реконструкция предприятий по переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ), резко усиливается спрос на особо тяжелые бетоны для радиационной защиты. Для этих целей учеными предлагается использовать бетон, в составе которого вместо дорогостоящего металла будут использованы отходы и шихта металлургического производства.

Прекрасным примером блокирования фенолформальдегидных и других загрязнителей в структуре строительных материалов является использование отработанных формовочных смесей (ОФС) , образующихся в ходе металлургического литейного передела. Формовочная глина, используемая как связующее, нетоксична и может широко применяться при производстве строительных материалов.

Продукты переработки древесины и других растительных отходов. В России на лесопромышленных комплексах и деревоперерабатывающих комбинатах ежегодно образуется свыше 200 млн м 3 отходов древесины. Кроме того, сжигается и вывозится в отвалы в огромном количестве древесная тара, отходы переработки хлопчатника, лубяных культур и другого экологически ценного сырья, пригодного для производства строительных материалов.

По мнению В. И. Сметанина (2000), важнейшим направлением рационального, экологически целесообразного использования древесины в строительной индустрии является производство различных древесных бетонов: арболита, фибролита, опилкобетона, королита и др.

Наиболее известным из этих экологически чистых дешевых строительных материалов является арболит . Это легкий крупнопористый бетон, состоящий из древесной дробилки (в основном отходы от лиственных пород) и портландцемента марки 400. Широко применяется в качестве стеновых блоков при строительстве малоэтажных зданий. При устройстве ограждающих конструкций и перегородок используют королит ¾ теплоизоляционный материал, состоящий из коры, цемента (или строительного гипса) и добавок.

В промышленности строительных материалов широкое применение находит ценнейшее экологически чистое сырье, вырабатываемое из отходов целлюлозно-бумажного производства ¾ лигносульфонаты , обладающие обеспыливающими, пластифицирующими, пенообразующими и другими ценными свойствами.

Отходы химического комплекса . Несмотря на огромные объемы и разнообразие видов вторичного минерального сырья, эти отходы в строительной индустрии используются недостаточно. Находят некоторое применение электротермофосфорные шлаки (шлакопортландцемент, силикатный кирпич), отходы содового производства (автоклавное производство материалов, газогипс), кубовые остатки перегонных производств и битумы (ячеистые бетоны с добавками нефтебитума и др.).

С точки зрения экологии следует более подробно остановиться на побочном продукте, получаемом при переработке апатитовых и фосфоритовых концентратов ¾ фосфогипсе . Применяется он при изготовлении цемента, строительных блоков, сухой штукатурки и др. Только в Японии в 70-х гг. строительная промышленность ежегодно расходовала около 3 млн т фосфогипса.

Однако проведенные в 80-90-е гг. исследования показали, что «фосфогипс обладает гораздо большей удельной радиоактивностью, чем природный гипс… и, по-видимому, люди, живущие в домах с его применением, получают облучение на 30% более интенсивное, чем жители других домов». (Доклад Комитета по атомной энергии, ООН, г. Нью-Йорк.) Л. Брунарски (1990) считает, что фосфогипс может быть применен в строительстве лишь после специальной проверки на радиоактивность. Выяснилось также, что фосфогипс, перерабатываемый по существующей технологии, помимо радионуклидов может содержать и такие вредные для здоровья человека вещества, как фтористые соединения (Долгорев, 1990).

Помимо рассмотренных выше золошлаковых отходов, металлургических шлаков, продуктов переработки древесины и отходов химического производства при производстве строительных материалов находят применение и другие виды техногенного сырья. Важно подчеркнуть, что практически для любого вида выпускаемых в России строительных материалов вместо природного сырья возможно и экологически целесообразно использование различных видов техногенного сырья.

Вторичные ресурсы (отходы производства) широко используются не только в промышленности строительных материалов, но и в дорожном строительстве (в качестве инертных наполнителей вместо песка, скальных пород, гравийных смесей и др.), в фундаментостроении, при устройстве гидротехнических плотин и др. Переработка строительных отходов во вторичное сырье рассмотрена нами в п. 2.6.

Значительный интерес представляет использование отходов промышленности в такой материалоемкой отрасли строительства, как устройство оснований фундаментов зданий и сооружений. Исследования, проведенные НИИОСПом, показали, что для этих целей наиболее пригодны вскрышные и отвальные породы, у которых завершился процесс самораспада, а также доменные и сталеплавильные шлаки. При устройстве оснований из этих отходов их уплотняют, трамбуют, используют глубинное уплотнение с помощью мелких взрывов и др.

В последние годы в нашей стране использование промышленных отходов, как в строительстве, так и в промышленности строительных материалов, заметно сократилось, что связано как с общим падением уровня промышленного производства, так и с отсутствием должного стимулирования использования вторичных ресурсов в производстве.

По мнению Г. А. Денисова (2002), низкий уровень использования техногенного сырья в России помимо указанных выше причин вызван принципиально различным подходом к этой проблеме в экономически развитых странах и в России. Там, например, золошлаки в этих странах являются продуктом (товаром), а не отходом, и использованием (реализацией) этого продукта занимаются его производители, т. е. ТЭС. Интересно отметить, что, как показывают расчеты, рентабельность производства товаров-продуктов из золошлаков (бетонные смеси, многоцелевые вяжущие, песок, щебень и др.) значительно выше рентабельности производства самой электроэнергии на ТЭС.

В этом отношении пример показывают западные страны. Например, в Дании уровень утилизации рециклируемых материалов достиг 100%. В Нидерландах создана цельная, экологически выдержанная концепция развития строительной индустрии, которая основана на внедрении замкнутого безотходного производства с многократным использованием техногенного сырья.